En este Previo del Mes (PDM) demostraremos el efecto de las impurezas presentes en el fluido térmico sobre el rendimiento de un ciclo sencillo de refrigeración mecánica con propano, asi como uno de dos etapas con un separador economizador. Puntualizaremos el efecto sobre la potencia de compresión, el caudal de circulación de propano, y l carga térmica del condensador.

El objetivo de un sistema de refrigeración es el de extraer calor a bajas temperaturas de un fluido de proceso y transferirlo a un ambiente de alta temperatura donde se despoja al medio ambiente. La cantidad energética depende del caudal de calor que se debe eliminar del evaporador (chiller), y hasta que nivel térmico se debe llevar este calor, lo cual se determina con la diferencia entre las temperaturas del evaporador , y el condensador. La refrigeración mediante la compresión es, sin lugar a duda, la utilizada como mayor frecuencia en el proceso de refrigeración. Posee un amplio rango de aplicaciones en la industria de procesamiento del gas. Proporciona el enfriamiento para:

  1. Extracción de los LGN (NGL) , Producción del GLN (LNG), Almacenamiento del producto GLP(LPG).
  2. Control de Punto de Rocío para los LGN, y el vapor de agua.
  3. Reflujo para los Desetanizadoras/Desmetanizadoras.

Los detalles de un ciclo sencillo, y uno de dos etapas con separador economizador se presentan en el Capítulo 16 del Vol II, ¨Gas Conditoning and Processing¨ de la John M. Campbell & Co. Similar al PDM previo, los diagramas de flujo de proceso (PFD) para el caso sencillo, asi como para el economizador se muestran en la Figura 1. Nótese que se toman en consideración las caídas de presíon en los distintos lazos del proceso.

Consideremos el caos del PDM anterior en donde el objetivo fue el de remover 2778 kW de gas de proceso a -35 °C, rechazando éste calor al medio ambiente mediante la incorporación del compresor a 35 °C. las predeterminaciones para las caidas de presión fueron: en la linea de descarga del compresor hacia el condensador, y en el condensador 50 kPa, en el evaporador 5 kPa, en la linea de succión del compresor 30 kPa, entre las dos etapas del separador economizador 20 kPa, y entre el spearador, y segunda etapa del compresor 20 kPa. Se usó el propano puro como fluido térmico, y una Eficiencia Isoentrópica de 75 % fue asumida para todos los casos. Para el separador economizador, se aplicó la presión entre etapa optimizada, lo cual redujo la potencia total de compresión requerida. En este estudio todos los ejemplos fueron arrojados aplicando lo disponible en el systema HYSYS software (2)

La producción de propano se logra mediante el fraccionaminto del LGN; sin embargo el logro de una pureza de 100 % es impráctico bajo consideraciones económicas. De manera que le propano como fluido térmico normalmente presenta pequeñas fracciones de impurezas tales como el etano, y los butanos.

Figure 1

Figure 1. Process flow diagram for the simple and flash economizer refrigeration systems

Tabla No. 1. Composition of the working fluid for the 11 cases studied

Tables 1 and 2

Estos componentes fueron considerados como impurezas, y su impacto en el rendimiento del sistema de refrigeración fue analizado. La composición y peso molecular de los once (11) casos estudiados se presentan en la Tabla No. 1. La última columna representa la relación del peso molecular del fluido termico sobre el de propano puro. Como en el PDM anterior, consideramos un sistema de etapa única ( sencillo), y el de dos etapas ( economizador) para el sistema de refrigeración. El resúmen de los resultados de ésta simulación se presentan en a Tabla No. 2.

Tabla No. 2. El resúmen de los resultados de ésta simulación

Para la presentación gráfica de las simulaciones, la data en la Tabla 2 fue ordenada en forma adimensional. Esta se refleja en las Figuras 2 hasta la 4. El caso base se fija para el propano puro , y los demas ensayos se basan en comparación con éste. La Figura 2 arroja el efecto de las impurezas de etano y los butanos sobre el caudal de circulación. Nótese que en ésta y las subsiguientes la coordenada – y es la relación de los casos 2 hasta el 11 referente a las variables: tasa de circulación, carga témica del condensador, y potencia de compresión vs. la misma para el caso1. En forma similar la coordenada – x es la relación de los casos 2 hasta el 11 referente al peso molecular para el caso1. Debe quedar claro que el Caso 1 representa el caso base del propano puro. Como se muestra por esta Figura el etano tiene poco efecto sobre la tasa de circulación, en discordancia con el impacto de los butanos,. El aumento de las impurezas de butanos causa una disminuución en la tasa de circulación.

Las Figuras 3, y 4 representan el impacto de impurezas de etano y butanos sobre la carga térmica del condensador, y la potencia del compresor respectivamente. Estas dos Figuras indican que los butanos no representan mayor impacto sobre las cargas de condenasción, y compresión. Sin embargo, la presencia de etano aumenta la cargas térmicas del condensador, y el compresor. En este estudio, se mantuvo la temperatura del evaporador ( chiller) constante en -35 °C, pero la temperatura de descarga de la unidad variaba en función de la calidad y cantidad de las impurezas. De manera que la temperatura de acercamiento tambien variaba. En el próximo PDM, se analizará esta condición manteniendo esta temperatura de acercamiento cconstante.

Figure 2

Analizando la Figuras 2 al 4 , se puede observar lo siguiente :

  1. Las impurezas impactan el rendimiento del systema sencillo de refrigeración.
  2. La tendencia del impacto de las impurezas es similar tanto para el caso de ciclo sencillo, asi como para la instancia del ciclo economizador.
  3. El impacto de las impurezas sobre el comportamiento del separador economizador es menos pronunciado que el del ciclo sencillo de refrigeración.

Para informarse mas sobre casos similares, y como minimizar problemas operacionales, sugerimos que los lectores asistan a nuestros Cursos técnicos: G4 (Gas Conditioning and Processing) and G5 (Gas Conditioning and Processing – Special).

Written by Dr. M. Moshfeghian
Translated by Dr. Frank E. Ashford

Reference:

  1. Campbell, J.M., “Gas conditioning and Processing, Vol 2: The Equipment Modules”, 8th Edition, Edited by R.A. Hubbard, John M. Campbell & Company, Norman, USA, 2000.
  2. ASPENone, Engineering Suite, HYSYS Version 2006, Aspen Technology, Inc., Cambridge, Massachusetts U.S.A., 2006.
Figures 3 and 4