Refrigeración mecánica - diego martinez castro

Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
Unidad VIII:
Sistemas de refrigeración: Refrigeración mecánica
1. Sistemas de refrigeración
1.1. Refrigeración mecánica
1.2. Refrigeración por expansión a través de una válvula
1.3. Refrigeración por turboexpansión
2. Refrigeración mecánica
2.1. El ciclo del fluido refrigerante
2.2. Herramientas termodinámicas de análisis
2.3. Equipo de refrigeración mecánica
2.4. Evolución del refrigerante en el diagrama P-H
2.5. sistema de refrigeración en cascada
2.6. Principales componentes del sistema de refrigeración en cascada
1
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
Durante el tratamiento del gas es necesario realizar un proceso llamado ajuste del punto de
rocío a partir de una reducción de la temperatura. De este modo se evita la condensación de
los hidrocarburos más pesados durante el transporte y distribución del gas.
Para el ajuste del punto de rocío se utilizan distintos tipos de sistemas de refrigeración. En
esta unidad presentaremos los tres sistemas de refrigeración que se utilizan en las plantas de
tratamiento y analizaremos especialmente el proceso de refrigeración mecánica.
Veamos dónde se ubican estos temas en el esquema general del proceso de tratamiento:
2
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
1. Sistemas de refrigeración
Cuando se desea enfriar una materia a una temperatura inferior a la que se puede conseguir usando como
refrigerante el aire o el agua a la temperatura disponible, es necesario emplear algún sistemas de
refrigeración.
Los sistemas de refrigeración en el tratamiento del gas, se utilizan en las unidades de tratamiento para el
ajuste de punto de rocío. El ajuste del punto de rocío permitirá separar los condensados de la corriente de
gas.
Los sistemas de refrigeración más conocidos en la industria del petróleo pueden clasificarse en:
1. Refrigeración mecánica.
2. Refrigeración por turboexpansión.
3. Refrigeración por expansión a través de una válvula.
1.1. Refrigeración mecánica
Un sistema de refrigeración mecánica es un circuito independiente del fluido a enfriar. Actúa a partir de un
fluido refrigerante. Se utiliza en las plantas de ajuste de punto de rocío, porque allí se separan los
hidrocarburos pesados de los más livianos. Los hidrocarburos más pesados se condensan y los más
livianos se mantienen en fase gaseosa y se envían a consumo. Este tipo de refrigeración se emplea en las
unidades LTS (low temperature separation), nombre del separador frío donde se produce la mayor
refrigeración del gas.
Más adelante se explica en detalle el funcionamiento de este sistema de refrigeración.
1.2. Refrigeración por expansión a través de una válvula
Este sistema de refrigeración se utiliza en condiciones especiales: cuando existe una caída de presión
adecuada y no se requieren temperaturas demasiado bajas. La expansión se produce a entalpía constante.
En general, los hidrocarburos se enfriarán por efecto de la expansión, el hidrógeno se calentará y un gas
ideal mantendrá la temperatura. En muchos casos la expansión de la corriente de gas natural que sale del
pozo provocará la licuefacción de una parte de los hidrocarburos presentes más pesados. Por este motivo,
este sistema de refrigeración, solo tiene aplicación en plantas de ajuste de punto de rocío en las
condiciones mencionadas más arriba.
1.3. Refrigeración por turboexpansión
Los turboexpansores son máquinas rotativas que aprovechan la energía liberada por la expansión de un
gas para producir un efecto refrigerante. El eje del turboexpansor, acoplado a un generador de energía
eléctrica o a un compresor rotativo, permite aprovechar parte de la energía liberada.
El efecto refrigerante en estos equipos puede ser tan intenso como para alcanzar temperaturas
extremadamente bajas. Por este motivo hacen posible la recuperación de etano y hasta la total licuefacción
de los hidrocarburos de mayor peso molecular.
En la práctica, no se utiliza toda la capacidad refrigerante del sistema; por ejemplo si se desea recuperar
solo propano y superiores, no hace falta expandir hasta –70°C aunque se pueda alcanzar esta temperatura.
Por este motivo no son tan habituales en el tratamiento del gas, salvo que sea necesario recuperar los
hidrocarburos que tengan valor comercial independiente.
3
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
2. Refrigeración mecánica
En el sistema de refrigeración mecánica el efecto refrigerante se produce cuando el fluido absorbe calor
en partes del proceso y lo libera en otra parte.
El fluido refrigerante que se utiliza con más frecuencia en el tratamiento del gas es el propano.
2.1. El ciclo del fluido refrigerante
Un volumen de fluido refrigerante, a partir de un estado inicial, sufrirá una serie de operaciones unitarias y
retornará, al cabo de cierto tiempo, al estado inicial completando un ciclo, sin alterar su masa ni su energía.
Como la transferencia de calor se produce desde un sistema frío hacia uno que está a mayor temperatura,
será necesario un aporte de energía, de acuerdo con los principios de la termodinámica. La energía
requerida para lograr el efecto refrigerante se aporta al sistema en la etapa de compresión.
2.2. Herramientas termodinámicas de análisis
La evolución de un fluido refrigerante se puede representar en un diagrama de ejes cartesianos presiónentalpía (P-H). El diagrama P-H es específico para cada fluido refrigerante. En él se han representado
curvas de temperatura, entropía y volumen específico constante.
La representación muestra una figura en forma de campana dentro de la cual, la presión y la temperatura se
mantienen constantes a pesar de que el sistema esta ganando o perdiendo energía. La energía se aplica al
cambio de fase: evaporación con ganancia de energía y condensación con pérdida de energía.
Como las energías de enfriamiento y de vaporización están balanceadas, no hay variación energética en el
sistema por lo que esta evolución es isentálpica, es decir, a entalpía constante.
Entonces concluimos que:
•
•
•
Dentro de la campana hay un equilibrio entre la fase líquida y la fase vapor.
Por fuera de la campana a la izquierda: existe una sola fase que es el líquido subenfriado.
Por fuera de la campana a la derecha: también existe una sola fase que es el vapor sobrecalentado.
Analicemos en profundidad el ciclo del refrigerante, en este caso propano, en el gráfico:
4
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
Si a cualquier presión, ubicamos un punto dentro del área de liquido subenfriado, y comenzamos a aportar
calor al sistema manteniendo la presión constante, observaremos un incremento de temperatura hasta
llegar a la curva de líquido saturado. Allí el líquido comienza a hervir sin aumento de la temperatura.
Sucesivos aportes de calor no elevarán la temperatura del sistema, sino que provocarán la ebullición del
líquido hasta que se haya vaporizado hasta la última gota. Recién a partir de este punto, si continúa el
aporte de calor a presión constante, comenzará a elevarse la temperatura y nos internaremos en el área del
vapor sobrecalentado.
Enfriando el vapor sobrecalentado, al llegar al costado derecho de la campana, curva de vapor saturado, se
producirá la primer gota de condensado, es decir, el punto de rocío. Sucesivos enfriamientos, producirán el
efecto inverso al descripto en el lado izquierdo, hasta llegar al líquido subenfriado.
2.3. Equipo de refrigeración mecánica
Un equipo de refrigeración mecánica se compone como mínimo de los siguientes elementos que cumplen
distintas funciones:
•
•
•
•
•
Evaporador: para absorber energía del sistema. La energía absorbida provoca la evaporación del
refrigerante.
Compresor: donde se eleva la presión del refrigerante de modo que pueda ser condensado a una
temperatura elevada.
Condensador: donde el refrigerante entrega energía, condensándose. El calor de condensación se va
con el aire o el agua refrigerante.
Válvula de expansión: que provoca el enfriamiento de una fracción del líquido –que pierde energía- a
expensas de la vaporización de la fracción remanente – que gana energía-.
El fluido refrigerante.
5
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
2.4. Evolución del refrigerante en el diagrama P-H
Podemos seguir la evolución del refrigerante en el diagrama de flujo del circuito refrigerante y,
simultáneamente, observar las variaciones en el diagrama P-H, tomando el refrigerante en cualquier punto
del circuito, ya que se trata de un ciclo cerrado.
1. En el acumulador el refrigerante está en estado líquido y alta presión. Lo encontraremos sobre el
costado izquierdo de la curva hacia la parte superior.
6
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
2. A continuación a través de la válvula controladora se produce una expansión. En el diagrama vemos un
descenso vertical sobre una línea de entalpía constante hasta la presión/temperatura requerida por el
proceso. En el diagrama P-H el refrigerante expandido corresponde a un punto interior de la campana,
que indica que el líquido se ha vaporizado en parte. El vapor generado en la expansión no participa del
efecto refrigerante, que queda a cargo solo del líquido. Dado que el vapor generado en la expansión no
aporta efecto refrigerante pero consume energía para ser re-comprimido, debe ser minimizado para
mejorar la eficiencia global del sistema.
3. En el evaporador, se vaporiza el líquido ingresado a presión y temperatura constante y sale del equipo
todo el vapor. En el diagrama P-H, el vapor saturado que sale del evaporador se encuentra sobre la
curva derecha de la campana.
7
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
4. Los vapores salientes son aspirados por el compresor y comprimidos hasta la presión de descarga, con
la consiguiente elevación de temperatura. En el diagrama P-H, esta evolución se representa por un
desplazamiento sobre la curva isentrópica, hasta la presión final.
5. El gas que descarga el compresor se enfría y condensa en un condensador que lo devuelve como
líquido saturado al acumulador, retornando así al estado inicial. En el diagrama P-H esta evolución se
representa como un desplazamiento del vapor sobrecalentado sobre una línea de presión constante, hasta
la curva de vapor saturado, desobrecalentándose, y de allí hasta la curva de líquido saturado donde se ha
condensado la totalidad del refrigerante.
2.5. Sistema de refrigeración en cascada
Con el fin de mejorar la eficiencia global del sistema de refrigeración y aliviar la carga de los equipos de
compresión:
1. Se emplea un ciclo de expansión y compresión en etapas. Esto mejora el aprovechamiento de la
capacidad refrigerante del fluido.
2. El subenfriamiento del líquido previo a su expansión, utilizando fuentes frías disponibles en el
proceso, hace posible una expansión isentálpica con una menor generación de vapor y aumento del
efecto refrigerante.
En un sistema de refrigeración en cascada, el refrigerante líquido se expande en dos (o más) etapas.
Luego de la primera etapa, el vapor generado se separa del líquido y es aspirado por la última etapa de
8
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
compresión. El líquido separado se expande en una segunda etapa, siendo los vapores generados
aspirados por la primera etapa de compresión.
A continuación de cada expansión se requiere un recipiente separador, denominado economizador. El vapor
generado en la expansión, se conduce a la aspiración de cada etapa de compresión, según sea su presión,
donde se mezcla con el vapor procedente de la etapa anterior. La última etapa de expansión corresponde al
evaporador, donde la totalidad del refrigerante se vaporiza y aspira en la primera etapa del compresor.
La evolución del refrigerante en un sistema de refrigeración en cascada también puede representarse en el
diagrama P-H. En el mismo, se ve claramente que el vapor total generado en cada expansión es menor que
si la expansión se realizara en una sola vez, aumentando de este modo el efecto refrigerante por unidad de
masa del refrigerante.
Los compresores tienen una relación de compresión limitada, razón por la cual, a bajas temperaturas, se
requieren dos o más etapas. Esto favorece el empleo de un sistema de expansión en etapas.
2.6. Principales componentes del sistema de refrigeración en cascada
Un sistema de refrigeración en cascada tiene los siguientes componentes:
a. El refrigerante
b. El acumulador
c. Las válvulas expansoras
d. Los economizadores
e. El evaporador
f. El compresor
g. El condensador
h. Los lazos de control
Veamos cada uno de ellos.
9
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
a. El refrigerante
Un refrigerante debe cumplir ciertas características.
No ser corrosivo
No ser tóxico
Características
del refrigerante
Que tenga un calor latente de
vaporización alto
Que no se descomponga dentro
de las condiciones del proceso
Estar disponible en el sitio
de utilización
Ser económico
El propano es el refrigerante más utilizado en las plantas de ajuste de punto de rocío. A presión atmosférica
se evapora a alrededor de –40°C. A 50°C tendría una presión de equilibrio de alrededor de 17 bar.
Otros refrigerantes tales como el amoníaco o el freon 12 o freon 22, también podrían usarse. A
temperaturas criogénicas, es preferible el metano o el etileno.
b. El Acumulador
El acumulador es un recipiente donde se recibe el refrigerante condensado, la carga inicial de refrigerante y
se realiza la reposición de las pérdidas. En su fase vapor, se acumulan vapores que no se condensan, por
eso son eliminados por venteo o a través de un dispositivo que concentra los no condensables antes de su
eliminación.
10
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
El volumen del acumulador debe ser lo suficientemente grande como para contener todo el refrigerante
líquido del circuito cuando, por alguna razón, éste deba ser intervenido.
c. Las válvulas expansoras
La expansión del refrigerante líquido, desde cualquier presión hasta una presión inferior, se realiza en una
válvula controladora. Esta válvula generalmente es parte de un lazo de control de nivel, de un recipiente que
se encuentra aguas abajo: el economizador o el evaporador, en los sistemas inundados.
11
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
Estas válvulas están construidas en materiales altamente resistentes para soportar la erosión provocada por
fenómenos de cavitación y flashing que tienen lugar en la expansión. Además, los internos se diseñan
especialmente para no superar límites máximos de ruido.
d. Los economizadores
Los economizadores son recipientes separadores que reciben el refrigerante expandido. La fase vapor se
conecta con el compresor y la fase líquida se vuelve a expandir a la presión de la etapa subsiguiente o a la
del evaporador.
El economizador puede estar integrado con un intercambiador de serpentín o de haz tubular sumergido en
el líquido, donde se enfría o condensa otro fluido con mayor punto de ebullición.
12
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
El vapor de evaporación y el producido en la expansión salen juntos del equipo.
e. El evaporador
El evaporador es un intercambiador de calor donde se enfría o condensa el fluido del proceso mientras que
el refrigerante se evapora. El refrigerante evaporado se repone continuamente, controlado bajo nivel a
través de la válvula expansora.
Para facilitar el desenganche de las burbujas del refrigerante, el equipo debe contar con un adecuado
espejo líquido. Además, el vapor debe salir del equipo a baja velocidad, para minimizar la caída de presión.
13
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
Dadas las bajas temperaturas involucradas el equipo, cañerías y accesorios deben ser térmicamente
aislados.
Las impurezas pesadas contenidas en el refrigerante no se evaporan (aceite, hidrocarburos pesados, etc.),
y deben ser eliminadas para no afectar el rendimiento del sistema. Esto se realiza drenando periódicamente
el fondo del evaporador hacia otro recipiente, reclaimer, que una vez despresurizado, permite enviar las
impurezas al sistema de drenajes.
14
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
f. El compresor
La selección del compresor dependerá de las condiciones del proceso, la localización de las instalaciones
(on-shore/off-shore), lugar disponible, facilidades para el mantenimiento, maquina de accionamiento prevista
y potencia total instalada. En este equipo, se comprime el gas hasta la presión de descarga.
15
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
g. El condensador
Los vapores sobrecalentados, que salen del compresor, se conducen al condensador donde se
desobrecalientan y condensan para retornar al acumulador.
h. Los lazos de control
Un sistema de refrigeración mecánica en cascada o en dos etapas con propano como fluido refrigerante,
contará como mínimo con los siguientes lazos de control:
•
Controlador de nivel en el economizador. Recibe señal del transmisor de nivel que se encuentra en el
recipiente y envía una orden a la válvula expansora que actúa sobre el caudal de líquido procedente del
acumulador.
•
Controlador de nivel en el evaporador. Recibe señal del transmisor de nivel que se encuentra en el
recipiente y envía una orden a la válvula expansora que actúa sobre el caudal de liquido procedente del
economizador.
•
Controlador de presión de la interetapa. Recibe una señal de presión de aspiración de segunda
etapa y envía una orden a la válvula que regula el caudal procedente del economizador
•
Controlador de temperatura. Según sea el tipo de compresor empleado, recibe señal de la
temperatura de aspiración de una etapa de compresión. Si la temperatura supera el valor deseado,
inyecta refrigerante en la línea que, al vaporizarse, enfría la corriente de gas aspirado.
•
Controlador de la presión de descarga del compresor. Recibe una señal de presión del acumulador y actúa
sobra alguna de dos válvulas: por alta presión descarga vapor del acumulador al colector de la antorcha y por
baja presión comunica directamente la descarga del compresor con el acumulador, puenteando el
condensador.
16
Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad VIII – Sistemas de refrigeración:
Refrigeración mecánica
En el cuadro que sigue se representa esquemáticamente una síntesis de los contenidos de la unidad.
Sistemas de refrigeración
Uso de un fluido
refrigerante: propano
Refrigeración mecánica (unidades LTS)
Refrigeración en cascada
Refrigeración por expansión s través de una
válvula (unidades J-T)
Equipos
Refrigeración por turboexpansión (Unidad TEF)
•
•
•
•
•
•
•
17
Acumulador
Válvulas expansoras
Economizador
Evaporador
Compresor
Condensador
Lazos de control