Proceso de Mezcla Única de Refrigerante PRICO, desarrollado por Black & Vetch

La primera aplicación base-load de este tipo de procesos fue en un desarrollo de GNL para Sonatrach en Skikda Argelia.  Black&Vetch desarrolló un proceso en conjunto con Kobe Steel Ltd., empleando un solo ciclo de mezcla de refrigerante para logar la licuefacción del gas, este refrigerante es una mezcla de nitrógeno e hidrocarburos que van desde el metano hasta el isopentano. Este proceso usa un solo sistema de compresión de refrigerantes y logra disponer dos corrientes independientes de refrigerantes gas y líquido que hace posible ajustar una distribución adecuada y deseada a la entrada del intercambiador de calor principal, controlando así la composición del flujo de refrigerante, e incluso optimizando el sistema mientras la unidad se encuentra en operación. El compresor puede trabajar con o sin enfriamiento ínter-etapas. El uso de un solo refrigerante simplifica notablemente la instalación del sistema de tuberías, unidades de control y otros equipamientos necesarios para la unidad de licuefacción en comparación con otros procesos. Es un proceso aplicado en varios tipos instalaciones con la característica de poseer un amplio rango de capacidad desde plantas tipo peak shaving hasta base-load.
 

 

El intercambiador de calor usado en el proceso es un intercambiador de aluminio soldado del tipo plate-fin arreglado en paralelo para así proveer la capacidad de producción deseada. Estos módulos intercambiadores hacen el proceso fácilmente expandible.  Dependiendo de la composición del gas de alimentación a ser licuado, los hidrocarburos pesados pueden ser removidos en orden para prevenir posibles solidificaciones a temperaturas criogénicas. Por esta razón el gas de alimentación es retirado del intercambiador de licuefacción a una temperatura y presión especifica. Algunas instalaciones utilizan un flash intermedio previo a la reducción final de presión para el almacenamiento. Este flash intermediario puede ayudar considerablemente a la remoción de nitrógeno del GNL

 

Tecnologías de Licuefacción de Gas Natural

Las tecnologías de licuefacción de gas natural disponibles actualmente, poseen una mayor o menor aplicación dependiendo del tamaño de la planta.  Para plantas tipo base-load, el proceso de pre-enfriamiento con propano y mezcla de refrigerante desarrollado por Air Products es el de mayor aplicación a nivel mundial, con más del 80% de la capacidad instalada.  Por otro lado, el proceso de mayor simplicidad usado en éste tipo de plantas es el proceso de mezcla única de refrigerante desarrollado por Black & Veatch, con una capacidad instalada alrededor del 5%. Ambos procesos emplean el concepto de mezcla de refrigerante en alguno de sus ciclos, sin embargo las diferencias presentes entre ambos procesos son los aspectos clave de un mejor desempeño de uno con respecto a otro.

 

Para plantas tipo base-load existen alrededor de seis (6) tecnologías de gran relevancia a nivel mundial,  éstas en base a la configuración de proceso y el tipo de refrigerante usado, podríamos clasificarlas de manera simple bajo la siguiente forma:

-   Procesos que usan componentes puros en su ciclo de refrigeración.

   o   Cascada optimizada de ConocoPhillips

-   Procesos que usan mezclas de refrigerantes en su ciclo de refrigeración.
       o   Mezcla única de refrigerante (SMR-PRICO)
       o   Doble mezcla de refrigerante de Shell
       o   Doble mezcla de refrigerante (Liquefin) de Axens
       o   Mezcla en cascada de Statoil-Linde

-   Procesos que usan la combinación de los dos ciclos anteriores.
       o   Proceso de pre-enfriamiento con propano y mezcla de refrigerante de Air Products (C3MR)

Ciclos de Refrigeración Usados en los Procesos de Licuefacción de Gas Natural

El principio básico para el enfriamiento y licuefacción del gas usando refrigerantes es lograr el mayor acercamiento, entre la curvas de: enfriamiento del gas de proceso y calentamiento del refrigerante, esto resulta en un proceso termodinámicamente mas eficiente, requiriendo menos energía por unidad de GNL producido

 

La curva de enfriamiento de un proceso de licuefacción típico, tiene tres zonas que incluyen: a) una zona de pre-enfriamiento, b) una zona de licuefacción y c) una zona de subenfriamiento, todas estas zonas son caracterizadas por tener diferentes concavidades en la curva o calores específicos a lo largo del proceso. Todos los procesos de GNL son diseñados para minimizar las diferencias entre las curvas de enfriamiento del gas y la de calentamiento del refrigerante. La forma de la curva del refrigerante depende de su composición; por lo tanto la selección de un componente puro o una mezcla en el ciclo de refrigeración es sumamente importante para el acercamiento entre estas curvas. 

 

 

 

Ciclo de refrigerante con componentes puros

 

El gas natural es enfriado, condensado y subenfriado en los intercambiadores de calor por medio de componentes puros, las aplicaciones más comunes (ciclo de cascada) usan tres componentes: propano, etileno (o etano) y finalmente metano en tres etapas discretas. Con el uso de componentes puros se obtienen rangos de temperatura de operación restringidos debido a las propiedades físico-químicas de cada uno de éstos, razón por la cual los procesos se aplican en una serie de etapas. Los tres circuitos de refrigerante generalmente tienen multi-etapas de expansión y compresión, cada una operando a tres niveles de temperatura distinta. Los ciclos están acoplados de tal forma de obtener el mayor rendimiento energético posible.  El ciclo en cascada requiere de una baja cantidad de energía para todas las etapas, ya que el flujo de refrigerante es bajo, debido a una mayor diferencia de temperatura en el intercambiador. Este proceso es también flexible operacionalmente, cada circuito de refrigerante puede ser controlado por separado, la mayor desventaja es que tiene asociado un alto costo de capital por los números de circuitos de compresión

 

 

 

Ciclo de refrigerante con mezcla

 

Este ciclo permite modificar las curvas de enfriamiento y calentamiento, en diferentes fases o etapas del proceso de licuefacción. Obteniendo una alta eficiencia de refrigeración y una reducción del consumo de energía.  La composición de la mezcla es especificada para que el refrigerante líquido se evapore en un rango de temperatura similar a la del gas natural que se va a licuar. Una mezcla de nitrógeno y de hidrocarburos (generalmente en un rango entre C₁ y C₅) es comúnmente utilizada para proveer un rendimiento óptimo de refrigeración. Este tipo de ciclo tiene la ventaja de poseer una configuración simple y la cantidad de equipos es menor. La mezcla de refrigerante puede ser aplicada de manera simple, en multi-etapas o en un sistema de refrigeración en cascada. El uso de mezcla de refrigerante es particularmente efectivo si el enfriamiento en el proceso ocurre en un cambio significativo de temperatura. En la práctica este tipo de sistemas son considerados menos eficientes que los sistemas convencionales en cascada, debido a que las fuerzas impulsoras de temperaturas son mas pequeñas y por ende los requerimientos de flujo de refrigerante son mayores.

 

 

 

Plantas de Licuefacción de Gas Natural

 

En una planta de GNL, el gas natural producido de los yacimientos es tratado para eliminar contaminantes (sulfuro de hidrógeno, agua, dióxido de carbono, mercurio) y es procesado para separar en fase líquida, los elementos más pesados del gas. Algunos de estos componentes son limitados por especificaciones del producto (p.e. valor energético). Posteriormente la fase gaseosa es licuada, disminuyendo así la temperatura para su posterior almacenamiento como líquido a presión atmosférica

Las tecnologías de licuefacción están basadas en un ciclo de refrigeración en donde el refrigerante es sometido a sucesivas etapas de expansión y compresión, transportando calor desde muy altas a bajas temperaturas. El refrigerante puede ser parte de la corriente de alimentación del gas natural (proceso de ciclo abierto) o un fluido separado recirculado continuamente a través del proceso (proceso de ciclo cerrado). De igual forma, el refrigerante puede ser varios componentes puros alimentados al proceso a distintas presiones, como también una o varias mezclas de componentes alimentados al proceso a una o varias presiones

 

Desde los inicios de los años 60 las plantas de licuefacción han incrementado su capacidad para ganar ventajas sobre la economía de escala, tal así que desde finales de los 80 al 2000 la capacidad paso de 0,6 a 3,0 MTPA en algunas aplicaciones, incluso actualmente se están llevando a cabo proyectos de hasta 7,8 MTPA con la tecnología AP-X desarrollada por Air Products and Chemicals Inc. en Qatar 

Las plantas de licuefacción son generalmente clasificadas dependiendo de su tamaño y características de acuerdo a esto tendremos: Plantas peak-shaving las cuales son instalaciones relativamente pequeñas, comúnmente hasta 100.000 TPA, construidas con el propósito de almacenar gas natural durante periodos de baja demanda. Plantas base-load las cuales proveen miles de toneladas por día de GNL usualmente para ser transportadas por medios marinos, representan las de mayor capacidad. De igual forma se pueden incluir plantas base-load pequeñas o de mediana capacidad con un rango de 300.000TPA a 1,5 MTPA. Y finalmente las plantas off-shore para desarrollos de gas costa afuera

Un Poco de Historia

El desarrollo del gas natural licuado, como forma de comercialización o transporte para el gas natural no es algo nuevo remontan sus inicios a los años 1914, cuando es otorgada la primera patente en los E.E.U.U. concedida para el manejo y transporte del GNL. Luego para el año 1917 es construida la primera planta de licuefacción de gas natural en West Virginia, no obstante la comercialización significativa no se logro si no hasta después 1941 cuando la primera planta comercial de licuefacción fue construida en Cleveland, Ohio. Accidentes como el ocurrido en esta fecha por un bajo contenido de níquel en los tanques de almacenamiento de la planta, no detuvieron que en enero de 1959, el primer barco de GNL del mundo, un carguero convertido de la Segunda Guerra Mundial, llevara una carga de GNL desde Lake Charles, Lousiana, hasta la isla de Canvey en el Reino Unido. Este acontecimiento demostró que las cantidades grandes de gas natural licuado se podrían transportar con seguridad a través del océano. En 1964 el consejo británico del gas comienza a importar GNL desde Argelia, siendo los primeros importadores y exportadores del mundo. Después de que el GNL comenzara a ganar equilibrio en el Reino Unido, son construido en nuevos terminales de recepción y regasificación en el océano Pacifico y Atlántico de los Estados Unidos para tomar provecho de las reservas tan abundante de gas natural. Desde los últimos años de la década de los 70, el interés de tener acceso a reservas mundiales del gas natural y la demanda continuada por regiones que consumían gas sin poseer reservas domésticas, continuó conduciendo al crecimiento del GNL a través del mundo. En el 2002, 12 países de exportación enviaron aproximadamente 5.4 Tcf de gas natural a 12 países importado.