Continuando el Previo del Mes de Enero y Mayo 2008, Mayo 2014, y Diciembre 2017, este previo demuestra la aplicación de un su-enfriador externo para optimizar el rendimiento de un sistema de refrigeración mecánica. Como parte integral de una planta de control de punto de roció, este previo también evaluará y comparará los resultado de simulación para este sistema sencillo y el que incorpora un sub-enfriador economizador. Específicamente, empleando el proceso frio se ve la minimización de la potencia de compresión y carga térmica de condensación. Los detalles de tres sistemas de refrigeración típicos se presentan en el Capítulo 15 del Gas Conditioning and Processing, Volumen 2 [5]. Estos son referidos en la siguiente manera
- Un Sistema sencillo de refrigeración (Fig 15.1)
- Un sistema de refrigeración empleando un tanque de despojo economizador y dos etapas de compresión (Fig. 15.7), véase también los PDM de Mayo 2014 [3], y Diciembre 2017 [4]
- Un Sistema sencillo de refrigeración con un Sistema de intercambiador economizador sub – enfriado (Fig. 15.9). Véase también los PDM de Mayo , 2008 [2], y Mayo 2014 [4]
La Figura 1 presenta un diagrama de flujoi de proceso para un sistema sencillo con un intercambiador economizador sub-enfriado. Comparte integrante de un sisteam de contol de punto de rocío, este previo evaluará estos dos sisteams de refrigeración.
Figura 1. Diagrama de Flujo de Proceso de un Sistema de Refrigeración Sencillo y uno con Economizador Sub-Enfriado
Consideremos enfriar el gas de proceso hasta -20°C [-4°F] removiendo 2733 kW (9.325 MMBtu/hr) en un enfriador de propano y rechazando la misma carga a la atmosfera en un condensador de propano a 37.8°C [100°F]. Se emplea el propano puro como fluido de trabajo en la simulación. En este previo, todas las simulaciones fueron ejecutadas aplicando la programación de simulación (software) UniSim [6] empleando la ecuación de estado Peng Robinson. Asumiendo una temperatura de acercamiento de 5°C [9°F] y una caída de presión de 6.9 kPa (1 psi) en el enfriador (chiller) de Propano, la presión del propano saturado despojado del chiller es 203.3 kPa (29.5 lpca), y una temperatura de -25°C [-13°F]. Asumiendo despreciables caídas de presión en la línea de succión del compresor, la misma resultante es de 203.3 kPa (29.5 lpca).
La presión de condensación del Propano a la temperatura especificada de 37.8 °C (100 °F) es 1303 kPa (189 lpc). Las pérdidas por fricción del condensador, mas las del sistema de tuberías de descarga de compresión al condensador fueron asumidas en 34.5 kPa (5 lpc); de manera que la presión de descarga de compresión fue fijada en 1338 kPa (194 lpca). La eficiencia adiabática de compresión fue asumida en 75%.
Economizador Sub-Enfriado Externo
Las Corrientes de proceso 9A y 9B integran la Planta de Control de Punto de Rocío, y se muestran en el tope de la Figura 2. Esta corriente es el LGN extraído de la planta de refrigeración, combinado con el condensado de alimentación de la Planta. Las propiedades de la corriente se muestran en la Tabla 1. Para preparar los líquidos a ser alimentados a la de-etanizadora, las especificaciones del proceso son las de aumentar la temperatura del producto LGN, corriente 9A de -3.9°C (25°F) hasta 20°C (68°F) en el HEX E-102. La carga térmica resultante es de 713.6 kW (2.435 MMBtu/hr). Este calor será proporcionado por un intercambiador economizador sub – enfriado. La carga térmica y temperatura del LGN se fijan por los requerimientos de estabilización, de manera que la carga del economizador es fijada.
El Economizador sub-enfriado enfría el propano (corriente refrigerante R4) de 37.8°C (100 °F) a 1303 kPa (189 lpca) hasta una temperatura menor a 1269 kPa (184 lpca), dependiendo del caudal del refrigerante (corriente R5). Las caídas de presión en los HEX E-102 y HEX E-104 (intercambiadores) son de 35 kPa (5 lpc) respectivamente.
Figura 2. Corriente fría de proceso 9A parte de la Planta de Control de Punto de Rocío empleada pare sub-enfriar la corriente refrigerante R5
Tabla 1. Condiciones de Proceso para las Corrientes 9A y 9B
| Process Stream | 9A | 9B |
| Temperature, °C | -3.87 | 20 |
| Pressure, kPa | 1535 | 1500 |
| Rate, kmol/h | 666 | 666 |
| Temperature, °F | 25.03 | 68 |
| Pressure, psia | 222.6 | 217.5 |
| Rate, lbmol/hr | 1468.3 | 1468.3 |
Determinación del Caudal de Circulación del Refrigerante para un Sistema Economizador Sub- Enfriado
El gasto del refrigerante impacta considerablemente la potencia de compresión y por consiguiente la carga térmica del condensador. La Figura 2 presenta la variación de esta potencia como función del citado gasto. Esta figura indica que la potencia en la mínima a 995.5 kW (1335 hp) para un gasto de 690 kmol/h (1521.5 lbmol/hr), con cargas establecidas del chiller de propano e intercambiador sub – enfriado.
Figura 3. Impacto del gasto de circulación del refrigerante sobre la potencia de compresión
Resumen
Para la misma carga térmica del enfriador (chiller), temperaturas del chiller y condensador, eficiencia adiabática de compresión, y caídas de presión, los resultados del sistema economizador sub – enfriado son comparados con los de un sistema sencillo en la Tabla 2. Esta indica que empleando el economizador sub – enfriado para este caso en estudio con gasto de propano optimizado, la potencia de compresión y carga térmica de condensación se ven reducidos en un 25 % , y 25.4 % respectivamente.
Tabla 2. Comparación de los parámetros claves de los dos sistemas de refrigeración
| Refrigerant Rate, kmol/h | Simple System, kW | Sub-Cool System, kW | ||||
| Simple | Sub-Cooler | Comp | Cond | Comp | Cond | Sub-Cooler |
| 920.5 | 690 | 1328 | 4061 | 995.5 | 3029 | 713.6 |
| Refrigerant Rate, lbmol/hr | Simple System, MMBtu/hr (hp) | Sub-Cool System, MMBtu/hr (hp) | ||||
| Simple | Sub-Cool | Comp | Cond | Comp | Cond | Sub-Cooler |
| 2029.7 | 1521.5 | 4.532 (1781) | 13.86 | 3.446 (1335) | 10.34 | 2.435 |
| Reduction, % | 25.04 | 25.04 | 25.41 | |||
To learn more about similar cases and how to minimize operational problems, we suggest attending our G4 (Gas Conditioning and Processing), G5 (Practical Computer Simulation Applications in Gas Processing), and G6 (Gas Treating and Sulfur Recovery) courses.
By: Dr. Mahmood Moshfeghian
References:
- Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2008/01/refrigeration-with-flash-economizer-vs-simple-refrigeration-system/, John M. Campbell Tip of the Month, January 2008.
- Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2008/05/flash-tank-vs-hex-economizer-refrigeration-system/, John M. Campbell Tip of the Month, May 2008.
- Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2014/05/refrigeration-with-heat-exchanger-economizer-vs-simple-refrigeration-system/, PetroSkills Tip of the Month, May 2014.
- Moshfeghian, M., http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2017/12/optimizing-performance-of-refrigeration-system-with-flash-tank-economizer/, PetroSkills Tip of the Month, December 2017.
- Campbell, J.M., “Gas Conditioning and Processing, Volume 2: The Equipment Modules,” 9th Edition, 3rd Printing, Editors Hubbard, R. and Snow–McGregor, K., Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, PetroSkills 2018.
- UniSim Design R443, Build 19153, Honeywell International Inc., 2017.
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