15 julio 2009

Sobre las últimas Tecnologías de licuefacción del gas natural

El proceso de licuefacción del gas natural

El gas natural puede obtenerse directamente de la tierra como un flujo de fluido que debe ser procesado antes de su uso comercial. Normalmente el gas requiere primero un pre-tratamiento para quitar o reducir el contenido de impurezas tales como dióxido de carbono, agua, sulfuro de hidrógeno, mercurio, etc. Antes de ser transportado a su punto desudo el gas debe ser licuado (GNL), y de esa forma el volumen se reduce unas 600 veces. Puesto que el gas natural es una mezcla de gases, licua en un rango de temperaturas. A presión atmosférica, el rango de temperaturas usual en el que ocurre la licuefacción ocurre entre -165 ºC y – 155 ºC. Por otra parte, ya que la temperatura crítica del gas natural está entre – 80 ºC y – 90 ºC, el gas no puede licuarse solamente por compresión, es por lo tanto necesario usar procesos de enfriamiento. La tecnología de licuefacción del gas natural está en pleno desarrollo, y son muchos los avances en los últimos años. En este artículo revisamos los más recientes, y para ello hemos estudiado las últimas veinte patentes aprobadas en Estados Unidos. Sólo las últimas veinte, porque hay más de mil patentes que tratan sobre este proceso de enfriamiento.

Los diferentes refrigerantes usados en el proceso de enfriamiento

El enfriamiento del gas natural se consigue utilizando diferentes ciclos de enfriamiento. Podemos hablar por ejemplo del uso de refrigerantes gaseosos utilizados en intercambiadores de calor como medio para enfriar el gas natural, y del el método de tres ciclos de enfriamiento en cascada. En tales cascadas, la refrigeración puede ser proporcionada por metano, etileno y propano en secuencia. Otro sistema conocido usa gases de hidrocarburos como propano, etano y metano en un único ciclo y un ciclo de refrigeración de propano separado para proporcionar enfriamiento de la mezcla de refrigerante y gas natural. El uso de hidrocarburos como refrigerantes es peligroso especialmente en ambientes confinados.

Un método alternativo es el desvelado por la US Patent 6023942, que propone el uso de dióxido de carbono como refrigerante. Este método puede utilizarse en tierra pero presenta problemas en plataformas marinas. Ya que depende de un proceso de expansión en bucle abierto como medio principal para enfriar el chorro de GNL. Los procesos de expansión como este no permiten se alcancen temperaturas lo suficientemente bajas y por ello el GNL tiene que mantenerse a muy altas presiones para mantenerlo en forma de líquido. Por motivos de seguridad y económicos estas altas presiones no son apropiadas para ambientes industriales. Un método alternativo es la utilización de procesos basados en el ciclo del nitrógeno (ver US Patent 6631626), pero tiene la desventaja significativa de una eficiencia térmica mucho más baja que en un sistema basado en hidrocarburos. Asimismo, ya que el nitrógeno tiene una baja transferencia de calor, se requiere una gran área de transferencia de calor para disipar el calor residual del proceso en un medio de enfriamiento. Hay que indicar también que en cualquier proceso de licuefacción de chorros de GNL la presencia de nitrógeno es problemática debido a la solubilidad de estos componentes en el GNL presurizado. Además, las concentraciones elevadas de nitrógeno en el ciclo de metano abierto puede incrementar los requerimientos de refrigeración y originar varios problemas operacionales. En esta patente se describen algunos métodos para la retirada del nitrógeno. La US Patent 7386996 utiliza recientemente un nuevo proceso basado en dióxido de carbono como refrigerante pero con un circuito de pre-enfriamiento proporcionado con una disposición en cascada con el circuito de enfriamiento principal. Este ciclo evita el peligro de los hidrocarburos en el circuito de refrigeración principal, a la vez que reduce sensiblemente el consumo energético. Como indicábamos anteriormente, en una disposición en cascada, el circuito de enfriamiento se lleva a cabo por una serie de ciclos de refrigeración que están típicamente en forma de sistema de bucle cerrado. La disposición es tal que el chorro de gas pasa a través de una serie de intercambiadores de calor interrelacionados que están dispuestos de forma que al menos un chorro de refrigerante pasa a través de una pluralidad de intercambiadores de calor en secuencia. La configuración es tal que el chorro de gas natural pasa a través de una serie de intercambiadores de calor que son dispuestos de tal forma que al menos un chorro de refrigerante pasa a través de una pluralidad de intercambiadores de calor en secuencia. Preferiblemente dos o más chorros de refrigeración se usan y la disposición puede ser tal que el chorro pasa a través del intercambiador de calor

Circuito para el aprovechamiento del exceso de presión para realizar un trabajo

La US Patent 20060112725 ha desvelado recientemente un proceso de licuefacción de un chorro de gas natural comprende los siguientes pasos:

(a) Proporcionar el chorro de gas natural presurizado a una primera presión y una temperatura;

(b) Enfriamiento del chorro de gas natural presurizado por intercambio de calor directo con un chorro de refrigerante frío para producir un chorro de gas natural presurizado a una segunda temperatura más fría que la primera temperatura;

(c) Expansión del chorro de gas natural presurizado enfriado en un dispositivo de expansión, donde el trabajo de expansión del dispositivo de expansión se usa para impulsar un compresor que comprime el chorro de refrigerante y presurizarlo, la expansión resultante es un chorro frío que es dirigido a la zona de licuefacción de gas natural;

(d) Enfriamiento del chorro de refrigerante presurizado para producir un chorro de refrigerante presurizado al menos parcialmente condensado.

(e) Expansión del chorro parcialmente condensado para producir el chorro empleado en (b);

(f) Licuefacción del chorro de alimentación frío en la zona de licuefacción de gas natural.

Circuito en cascada de tres etapas

La US Patent Application 20080006053 desvela un método para licuefacción de gases ricos en hidrocarburos. En este proceso el gas fluye a través de una cascada de tres etapas de refrigeración, cada etapa comprendiendo un circuito de refrigeración y un compresor, donde al menos parte del flujo de refrigerante del segundo circuito se usa para el pre-enfriamiento del gas rico en hidrocarburos en la primera etapa de refrigeración. De esta forma se equilibra la carga en cada compresor. Estandarizando las unidades de impulsión y los compresores de los tres circuitos de refrigerante, es posible maximizar la capacidad de licuefacción del proceso usando unidades de transmisión y compresores probados. Este método puede aplicarse a cascadas de refrigerantes mixtos y circuitos con pre-enfriamiento de dióxido de carbono.

Otros procesos

  • La US Patent 20060137391 describe un método para mejorar el ciclo de expansión multi-etapa reduciendo la presión del GNL presurizado y enfriado a casi la presión atmosférica.
  • Otra solución se describe en la US Patent 20050268649. En esta patente se desvela un proceso para conseguir la licuefacción del gas natural en conjunción con la producción de un chorro de líquido que contiene predominantemente hidrocarburos más pesados que el metano. En el proceso, el chorro de gas natural que es licuado se enfría parcialmente, se expande a una presión intermedia, y es suministrado a una columna de destilación. El producto del fondo de esta columna de destilación preferencialmente contiene la mayoría de cualquier hidrocarburo más pesado que el metano que de otra forma reduciría la pureza del gas natural licuado. El chorro de gas residual de la columna de destilación se comprime a una presión intermedia, y se enfría a baja presión para condensarlo, y luego se expande a baja presión para formar el choro de gas natural licuado.
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