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.
