5. RESULTADOScatarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/... · 5. RESULTADOS Para el proceso de...

5. RESULTADOS

Para el proceso de licuefacción se utilizaron los siguientes

equipos: un mezclador, un compresor, un intercambiador de servicio

auxiliar, un intercambiador de corriente de proceso, para aprovechar la

temperatura baja que se obtiene de la expansión del gas de manera

isoentálpica, una válvula para la expansión del gas haciendo uso del

efecto Joule-Thomson y un tanque separador para la obtención final del

producto licuado.

El intercambiador de servicio auxiliar se supuso que debe

funcionar con agua de enfriamiento para devolver la corriente que se

comprime a la temperatura inicial de compresión.

Los resultados que se presentan para cada topología son datos de

temperatura, presión, entalpía y entropía. Estos datos se acomodaron en

tablas, las cuales pueden ser consultadas en el apéndice A de la tesis. Al

acomodar las tablas en los apéndices se le da mayor énfasis a los

resultados obtenidos de la licuefacción, es decir, a la fracción licuada y a

la cantidad de energía utilizada en el proceso.

De igual manera las superficies PTx, PHx y TSx se pueden

consultar en el apéndice B. En las superficies se graficaron las

trayectorias que la mezcla sigue cuando ésta se somete a las condiciones

de operación del proceso de licuefacción.

38

Se maneja una nomenclatura para los resultados reportados. En las

tablas mostradas en esta sección se puede observar que Q HTX es la

cantidad de calor que se transfiere en el intercambiador de corriente de la

topología 1, que W compresor se refiere al trabajo que el compresor

necesita para descargar a la presión deseada y la Q se coloca para hacer

notar que se utiliza un servicio auxiliar para llegar a la temperatura

deseada.

Los resultados se presentan primero de manera individual, es

decir, los datos de cada topología se dan por separado y al terminar de

presentar las topologías, se muestra la tabla de comparación.

5.1 PRIMERA TOPOLOGÍA SIN SERVICIO AUXILIAR

Figura 5.1. Topología 1-1

B1

B2

W=116585

300

1

20

1.00

1

300

1

20

1.00

2

649

245

20

1.00B3

Q=-153851

B4

Q=11572

B5

B6

Q=0

300

245

20

1.00

4

273

245

20

0.00

5

204

1

20

0.82

6

204

1

16

1.00

7

204

1

4

0.00

8275

1

16

1.009

1/4

39

Tabla 5.1 Resultados de la Topología 1-1

Número de etapas de compresión:

1 etapa

FRACCIÓN VAPOR

0.819853

FRACCIÓN LIQUIDO

0.180147

W COMPRESOR 116585 W

Q (T=300 K) -153851 W Q HTX 11572 W

Para la topología 1-1 presentada en la figura 5.1, la cantidad de

fracción licuada es pequeña, comparada con la cantidad de vapor que se

obtiene, estos datos pueden ser observados en la Tabla 5.1.

Figura 5.2 Topología 1-2


Número de etapas de compresión

3 ETAPAS

FRACCIÓN VAPOR

0.872364

B1

W=90566

B2

Q=15372

B3B4

Q=0

300

1

20

1.00

1

335

245

20

1.00

2

300

245

20

1.00

3

221

1

20

0.87

4

221

1

3

0.00

5

221

1

17

1.00

6

301

1

17

1.00

72/4

40

Tabla 5.2 Resultados de la Topología 1-2 (continuación)

FRACCIÓN LIQUIDO

0.127636

W

COMPRESOR90566 W

Q interenfriamiento

-112459 W

Q HTX 15372 W

En la tabla 5.2 se muestra que a comparación de la topología 1-1

reportada en la tabla 5.1, la topología 1-2 mostrada en la figura 5.2, tiene

una fracción licuada de 0.1276, cantidad que es menor a la reportada en

la tabla 5.2. Esto se debe a que la temperatura de salida del compresor es

mayor en la topología 1-2 y la temperatura de salida en la válvula

también es mayor, debido a un menor enfriamiento en la corriente la

consecuencia es menor cantidad de fracción licuada a la salida del

proceso.

La cantidad de trabajo en la topología 1-1 es mayor a la que tiene

la topología 1-2. En la topología 1-2 se trató de simular un camino

isotermo para que fuera menor la cantidad de trabajo requerida por el

compresor.

Para el enfriamiento la topología 1-1 tiene mayor cantidad de

energía que debe ser removida para llegar a la condición de salida

deseada. La topología 1-1 por seguir una compresión de 1 etapa tiene

una temperatura de salida muy elevada, al contrario de la topología 1-2

donde su temperatura de salida en cada etapa es menor y la cantidad de

calor a remover por lo tanto es poca.

41




1 etapa

FRACCIÓN VAPOR 0.886218 FRACCIÓN LIQUIDO

0.113782

W COMPRESOR 1068334 W

Q (T=300 K) -1180937 W

Q HTX 210343 W

PURGA 0 CORRIENTE DE PROCESO 1

En la figura 5.3 se observa la topología 1-3. Esta topología fue la

primera que se trabajo de manera cíclica. Aquí es cuando el simulador

empezó a tener problemas de convergencia en el balance de materia

cuando se trataba de recircular toda la corriente de gas de proceso que no

300

1

0

0

20

1.00

1

257

1

1

1

156

1.0010

263

1

1

1

176

1.00

2

723

245

1

0

176

1.00

3

300

245

1

0

176

1.00

4

113

1

1

0

156

1.00

7

230

245

1

0

176

1.00

5

257

1

1

1

156

1.00

9

113

1

1

0

176

0.89

6

113

1

0

0

20

0.00

8

0

0

0

11

B1

B2

W=1068334

B3

Q=-1180937

B4

Q=210343

B5

B6

Q=0

B7

3/4

42

licuó, problema que se trató aumentando el número de iteraciones en el

simulador hasta que llegara a converger de manera correcta.

En la topología 1-3, la cantidad de fracción licuada es 0.1137

como se presenta en la tabla 5.3. Hasta este punto la topología 1-3 tiene

la menor fracción licuada que se obtuvo, así como también una gran

demanda de trabajo y enfriamiento en los equipos de proceso.




3 etapas

FRACCIÓN VAPOR 0.993201 FRACCIÓN LIQUIDO

6.80E-03

W COMPRESOR 2574531 W Q interenfriamiento -2615720 W Q HTX 305671 W PURGA 0.03CORRIENTE DE PROCESO 0.97

8 2

6

3

7

4

5

1

10

9

B1B2

Q=305671

B3B4

Q=0

B5

B6

4/4

43

En la figura 5-4 se, muestra la topología 1-4. Esta topología

nuevamente vuelve a ser cíclica, pero ahora la compresión se realiza en 3

etapas. La demanda de trabajo en el compresor es más alta que en el caso

de la topología 1-3, así como la necesidad de enfriamiento también.

Para la topología 1-3 no se pudo recircular en su totalidad la

corriente de gas no licuado. En esta topología se necesitó una purga de

0.03 para que el simulador cumpliera el balance de materia.

Tabla 5.5. Comparación de resultados entre Primera topología sin

servicio auxiliar PRIMERA TOPOLOGÍA SIN SERVICIO AUXILIAR MEZCLA METANO 0.8 N-BUTANO 0.2 Topología 1-1 1-2 1-3 1-4

LIQUIDO 0.180147 0.127636 0.1137818 0.0067987 VAPOR 0.819853 0.872364 0.8862182 0.9932013

NO

CICLO NO

CICLO CICLO CICLO

NO. ETAPAS 1 3 1 3

Wcomp (W) 116585 90566 1068334 2574531.45

Q(1 comp) (W) -153851 0 -1180937 0

q etapas (w) 0 -112459 0 -2615719.6 q htx1 (W) 11572 15372 210343 305671 q htx2 (W) ------- ------- ------- ------- q aux (w) 0 0 0 0

Q TOTAL SERV. AUX (W) -153851 -112459 -1180937 -2615719.6

Q TOTAL HTX (W) 11572 15372 210343 305671

LO AHORRADO EN ENERGÍA

T de s. Aux. (K) ------- ------- ------- ------- POR CORRIENTES DE PROCESO

T sal. Htx1 (K) 273 300 230 300

44

Tabla 5.5 (continuación)

T sal. Htx2

(K) ------- ------- ------- ------- T sal.

Válvula (K) 204 221 113 200.7818purga 0 0 0 0.03

En la tabla 5.5 se presentan los resultados más importantes de la

primera topología sin servicio auxiliar. Como se puede ver en la tabla

5.5, el enfriamiento que se consigue sin servicio auxiliar, no es muy

eficiente, ya que no se consiguen temperaturas a la salida de la válvula

que sean muy frías, por lo que no se obtiene una cantidad de líquido muy

alta.

Si se tuviera que escoger de estas cuatro topologías, tal vez la que

más convendría sería la primera (topología 1-1), para el caso de la

fracción licuada, pero no es la topología que utiliza mejor la energía, ya

que requiere mucho trabajo en el compresor, aprovecha calor, aunque

menos que en el caso de la segunda topología (topología 1-2), y requiere

mayor cantidad de servicio auxiliar frío que la otra topología que no es

cíclica.

De las topologías cíclicas la que mayor cantidad de líquido obtiene

es la primera (topología 1-3), es decir la topología que funciona con

compresión en una sola etapa, remueve menor cantidad de calor en el

servicio de enfriamiento de la compresión y obtiene la menor

temperatura de salida de la válvula.

45

5.2 SEGUNDA TOPOLOGIA SIN SERVICIO AUXILIAR

Esta topología difiere de la primera topología en que se hace uso

de un segundo intercambiador de corriente, y la compresión que se hace

por etapas se decidió no hacer en 3 etapas si no en 5 etapas, para ver la

manera en que las temperaturas disminuían en cada descarga y cómo se

alteran los valores de energía utilizados.




1 etapa

FRACCIÓN VAPOR 0.799141 T sal. Válvula 183 K FRACCIÓN LIQUIDO

0.20086

W COMPRESOR 116585 W Q (T=288 K) -159044 W Q HTX 1 3420 W T salida HTX 1= 280 K Q HTX2 11222 W T salida HTX 2= 253 K

En la figura 5.5 se presenta la topología 2-1 y sus resultados se

acomodaron en la tabla 5.6. En esta tabla, así como todas las referentes a

B1

W=116585

B2

Q=-159044

B3

Q=3420

B4

Q=11222

B5B6

Q=0

300

1

20

1.00

1

649

245

20

1.00

2

288

245

20

1.00

3

280

245

20

0.00

4

253

245

20

0.00

5

183

1

20

0.80

6

183

1

4

0.00

7

183

1

16

1.00

8

257

1

16

1.00

9

279

1

16

1.0010 1/4

46

la topología 2 sin servicio auxiliar, se pueden observar como parte de

los datos reportados la fracción de vapor y de líquido obtenidas, el

trabajo del compresor (W compresor), la cantidad de energía necesaria

para tratar a la compresión como isoterma (Q ( T=288K)), la cantidad de

energía que se ahorra con las corrientes de proceso ( QHTX 1 y QHTX

2), así como también las temperaturas de salida de estos

intercambiadores de corriente y la temperatura de salida de la válvula.




5 etapas

FRACCIÓN VAPOR 0.799141 T sal. Válvula 183 K FRACCIÓN LIQUIDO 0.20086 W COMPRESOR 84665.43 W Q interenfriamiento -127059 W Q HTX1 3484 W T salida HTX1= 280 K Q HTX2 11222 W T salida HTX2= 253 K

En la figura 5.6 se encuentra la topología 2-2. Los resultados de

esta topología se ven en la tabla 5.7. Comparando la topología 2-1 con la

B1 B2

Q=3484

B3

Q=11222

B4B5

Q=0

300

1

20

1.00

1

288

245

20

1.00

2

280

245

20

0.00

3

253

245

20

0.00

4

183

1

20

0.80

5

183

1

16

1.00

6

257

1

16

1.00

7

183

1

4

0.00

9

2/4

47

topología 2-2, la fracción licuada reportada en los dos casos es la misma,

difieren en la cantidad de trabajo que consume el compresor y en la

cantidad de calor retirada de la corriente que se comprime, siendo mayor

para ambos casos en la topología 2-1. La temperatura de salida de

válvula es la misma para las dos topologías mencionadas.


Tabla 5.8 Resultados de la topología 2-3


1 etapa

T salida válvula 130 K FRACCIÓN VAPOR 0.983741 purga 0.05 FRACCIÓN LIQUIDO 0.016259 a proceso 95 W COMPRESOR 1526075 W Q (T=288 K) -1591214 W Q HTX 1 40061 W T salida HTX 1 = 280 K Q HTX2 139181 W T salida HTX 2 = 253 K

203

1

1

1

305

1.00

11

632

245

1

0

305

1.00

2

288

245

1

0

305

1.00

3

179

1

1

1

300

1.00

9

280

245

1

0

305

1.00

4

193

1

1

1

300

1.0010

130

1

1

1

300

1.00

8

253

245

1

0

305

1.00

5

130

1

1

1

305

0.98

6

130

1

0

0

5

0.00

7

300

1

0

0

20

1.00

1

193

1

1

1

285

1.00

12

193

1

0

0

15

1.00

13

B1

W=1526075

B2

Q=-1591214

B3

Q=40061

B4

Q=139181

B5B6

Q=0

B7

B8

3/4

48

En la figura 5.7 se presenta la topología 2-3, que ya es cíclica. Para

esta topología tal como lo muestra la tabla 5.8, se necesitó una purga de

0.05 para cumplir con el balance de materia. La fracción licuada no es

mucha comparada con las topologías 2-1 y 2-2.




5 etapas

T salida válvula 130 K FRACCIÓN VAPOR 0.983742 a proceso 0.95 FRACCIÓN LIQUIDO 0.016258 purga 0.05 W COMPRESOR 1316520 W Q (interenfriameinto) -1381602 W Q HTX 1 40810 W T salida HTX 1= 280 K Q HTX2 139194 W T salida HTX 2= 253 K

Para la topología 2-4 mostrada en la figura 5.8, se presentan sus

resultados en la tabla 5.9. Como esta topología es cíclica se tuvo que

hacer uso de una purga nuevamente para lograr una convergencia

correcta en el simulador.

203

1

1

1

305

1.00

10

288

245

1

0

305

1.00

2

179

1

1

1

300

1.00

7

280

245

1

0

305

1.00

3

194

1

1

1

300

1.00

8

130

1

1

1

300

1.00

6

253

245

1

0

305

1.00

4

130

1

1

1

305

0.98

5130

1

0

0

5

0.00

9

300

1

0

0

20

1.00

1

194

1

1

1

285

1.0012

194

1

0

0

15

1.00

11

B1

W=1316520

B2

Q=40810

B3

Q=139194

B4B5

Q=0

B6

B7

4/4

49

La cantidad de fracción licuada de la topología 2-4 comparada con

la topología 2-3 es parecida, difieren en la cantidad de trabajo y

enfriamiento que se demanda en el proceso, siendo menor para el caso de

la topología 2-4.

Tabla 5.10 Comparación de los resultados de la Segunda topología sin servicio auxiliar SEGUNDA TOPOLOGÍA SIN SERVICIO AUXILIAR MEZCLA METANO 0.8 N-BUTANO 0.2 Topología 2-1 2-2 2-3 2-4 LIQUIDO 0.20086 0.20086 0.0162592 0.0162578 VAPOR 0.799141 0.799141 0.9837408 0.9837422

no ciclo no ciclo ciclo ciclo NO.

ETAPAS 1 5 1 5 Wcomp

(W) 116585 84665.43 1526075 1316520

Q(1 comp) (W) -159044 0 -1591214 0

q etapas (w) 0 -127059 0 -1381602.3

q htx1 (W) 3420 3484 40061 40810 q htx2 (W) 11222 11222 139181 139194 q aux (w) 0 0 0 0 Q TOTAL

SERV. AUX (W) -159044 -127059 -1591214 -1381602.3

Q TOTAL HTX (W) 14642 14706 179242 180004


T de s. Aux. (K) ------ ------ ------ ------ POR CORRIENTES DE PROCESO

T sal. Htx1 (K) 280 280 280 280

T sal. Htx2 (K) 253 253 253 253

T sal válvula

(K) 183 183 130 130 purga 0 0 0.05 0.05

50

Para el caso de las topologías presentadas en la tabla 5.10, se

puede observar, que la cantidad que se licúa mediante ellas, es parecida.

Es menor en el caso de los ciclos, pero esto se debe a que se tiene que

circular por el sistema mayor cantidad de flujo. Se obtienen temperaturas

de salida en la válvula más bajas en el caso de las topologías que son

cíclicas (T= 130 K o -143 °C ).

Las recirculaciones en el caso de las topologías cíclicas se logró

que fueran lo más pequeñas posibles, esto fue necesario para que el

simulador pudiera llevar a cabo el balance de materia y la corrida

pudiera converger de manera correcta.

Se puede ver que las temperaturas a la salida de los

intercambiadores de corriente es la misma, pero la temperatura de salida

de la válvula para los cuatro casos no es la misma.

El enfriamiento en el caso de los ciclos es mayor en la topología 2-

3, donde la compresión se realizó en 1 etapa, ésto se debe a que la

temperatura de salida debe regresarse a un camino isotermo y se retira

mayor cantidad de calor por el servicio auxiliar. En el caso de la

compresión realizada en etapas en la topología 2-2, que no es cíclica el

enfriamiento es menor.

5.3 PRIMERA TOPOLOGÍA CON SERVICIO AUXILIAR

Las topologías presentadas en esta sección contienen un servicio

auxiliar utilizado para mejorar el enfriamiento y ver el efecto que se

51

tiene en la temperatura de salida de la válvula, para incrementar la

fracción licuada del proceso.

Figura 5.9 Topología 1-s1

Tabla 5.11 Resultados de la Topología 1-s1


1 etapa

T sal válvula 123 K FRACCIÓN VAPOR 0.714606 FRACCIÓN LIQUIDO

0.285394

W COMPRESOR 116585 W Q (T=300 K) -153851 W Q HTX 21048 W T salida HTX = 250 K Q ser. Aux. -19232 W T salida servicio Aux.= 200 K

En la figura 5.9 se muestra la topología 1-s1 y sus resultados se

encuentran en la tabla 5.11, donde se ve que la fracción licuada es de

0.285394. En la tabla 5.11 se observan los datos del trabajo en el

compresor, el calor que se retira en la corriente de salida del compresor

para simular un camino isotermo (Q (T=300K)), la cantidad de calor que

300

1

20

1.00

1

300

1

20

1.00

2

649

245

20

1.00

300

245

20

1.00

4

123

1

14

1.00

7

250

245

20

0.00

5

279

1

14

1.009

123

1

20

0.71

6

123

1

6

0.00

8

B1

B2

W=116585

B3

Q=-153851

B4

Q=21048

B5

B6

Q=0

B7

Q=-19232

200

245

20

0.00

10

1/4

52

se aprovecha de la corriente de proceso en el intercambiador (Q HTX), la

cantidad de calor proveniente de servicio auxiliar frío (Q ser. Aux. ), así

como las temperaturas de salida en el caso de la válvula, del servicio

auxiliar y del intercambiador de corriente.

Los resultados de las topologías que se presentan posteriormente

en esta sección contienen los datos descritos para la tabla 5.11.

Figura 5.10 Topología 1-s2



1 etapa

T sal. Válvula 113 K FRACCIÓN VAPOR

0.685053

FRACCIÓN LIQUIDO 0.314947 W COMPRESOR 398481 W Q(T=300K) -466461 W Q HTX 69272 W T salida HTX = 240 K

Q ser. Aux -44605 W T salida del servicio auxiliar = 200 K

300

1

20

1.00

1282

1

44

1.0010

289

1

64

1.00

2

723

245

64

1.00

3

300

245

64

1.00

4

113

1

44

1.00

7

240

245

64

1.00

5

282

1

44

1.00

9

200

245

64

0.00

12

113

1

64

0.69

6

113

1

20

0.00

8

0

11

B1

B2

W=398481

B3

Q=-466461

B4

Q=69272

B5

B6

Q=0

B7

B8

Q=-44605

2/4

53

La topología 1-s2 se observa en la figura 5.10. Esta topología es

cíclica, pero no hubo necesidad de utilizar purga para este caso. La

convergencia fue correcta en el simulador.

En la tabla 5.12 se muestran los resultados de la topología 1-s2,

donde la fracción licuada se reporta con un valor de 0.314947, cantidad

que es mayor al dato de la topología 1-s1, debido a que el enfriamiento

en la topología 1-s2 fue mayor y la temperatura de salida de la válvula es

menor para este caso.

La demanda de trabajo para el compresor y la necesidad de

enfriamiento es mayor para el caso de la topología 1-s2. Entre la

topología 1-s1 y 1-s2 existe una diferencia de temperatura a la salida de

los intercambiadores de corriente. Estos datos se observan en la tabla

5.12.

Figura 5.11 Topología 1- s3

300

1

20

1.00

1

335

245

20

1.00

2

123

1

14

1.00

6

300

245

20

1.00

3

238

1

14

1.007

123

1

20

0.71

4

123

1

6

0.00

5

B1

W=90566

B2

Q=15372

B3B4

Q=0

B5

Q=-40280

200

245

20

0.00

8

3/4

54

La topología 1-s3 se esquematiza en la figura 5.11 y sus resultados

se reportan en la tabla 5.13. Para esta topología que en donde la

compresión se realiza en tres etapas la fracción licuada fue de 0.285394.



3 etapas

T salida válvula 123 K FRACCIÓN VAPOR 0.714606 FRACCIÓN LIQUIDO 0.285394 W COMPRESOR 90565.52 W Qinterenfriamiento -112459 W Q HTX 15372 W T salida HTX= 300 K q serv. Aux -40280 W T salida del servicio auxiliar= 200 K

Figura 5.12 Topología 1 – s4

En la figura 5.12 se presenta la topología 1-s4 y sus resultados se

observan en la tabla 5.14. Esta topología es cíclica y no requirió de

purgas en el sistema para que el simulador realizara un balance de

243

1

0

0

64

1.00

8

335

245

0

0

64

1.00

2

113

1

0

0

43

1.00

6

300

245

0

0

64

1.00

3

208

1

0

0

43

1.00

7

200

245

0

0

64

0.00

11

113

1

0

0

64

0.69

4

113

1

0

0

20

0.00

5

300

1

0

0

20

1.00

1

208

1

0

0

43

1.00

10

0

0

0

9

B1B2

Q=38588

B3B4

Q=0

B5

B6

B7

Q=-113879

4/4

55

materia correcto. La fracción licuada que se obtuvo de esta topología fue

mayor a la que la topología 1-s3 arrojó como resultado. El trabajo en el

compresor, el calor removido en cada etapa y el calor que se necesita

remover con ayuda del servicio auxiliar es mayor para el caso de la

topología 1-s4.

Tabla 5.14 Resultados de la Topología 1-s4 Número de etapas de compresión

3 etapas

T sal. Válvula 113 K FRACCIÓN VAPOR 0.6850518 FRACCIÓN LIQUIDO 0.3149482 W COMPRESOR 289402.6 W Q interenfriamiento -288108 W Q HTX 38588 W T salida del HTX= 300 K q serv. Aux -113879 W T salida del servicio auxiliar = 200 K PURGA 0 CORRIENTE DE PROCESO 1

Tabla 5.15 Comparación de resultados de la Primera topología con servicio auxiliar PRIMERA TOPOLOGÍA SERVICIO AUXILIAR MEZCLA METANO 0.8 N-BUTANO 0.2 Topología 1-s1 1-s2 1-s3 1-s4 LIQUIDO 0.285394 0.314947 0.285394 0.3149482 VAPOR 0.714606 0.685053 0.714606 0.6850518

no ciclo ciclo no ciclo ciclo NO.


(W) 116585 398481 90565.5236 289402.576

Q(1 comp) (W) -153851 -466461 0 0

q etapas (w) 0 0 -112459.43 -288108.32

q htx1 (W) 21048 69272 15372 38588

56

Tabla 5.15 Comparación de resultados de la Primera topología con servicio auxiliar (continuación)

q htx2 (W) 0 0 0 0

q aux (w) -19232 -44605 -40280 -113879 Q

TOTAL SERV.

AUX (W) -173083 -511066 -152739.43 -401987.32

Q TOTAL HTX (W) 21048 69272 15372 38588


T de s. Aux. (K) 200 200 200 200 POR CORRIENTES DE PROCESO

T sal. Htx1 (K) 250 240 300 300

T sal. Htx2 (K) -------- -------- -------- --------

T sal. Válvula

(K) 123 113 123 113 purga 0 0 0 0

Cuando se incorpora un servicio auxiliar a las topologías, se puede

ver que la cantidad de flujo licuado aumenta. Cabe mencionar que la que

mayor líquido produjo fue la topología 1-s4, es una topología cíclica que

tiene las mismas condiciones que la topología 1-s3 en la salida del

servicio auxiliar y se disminuyó la temperatura de salida de la válvula

hasta 113 K.

El trabajo del compresor en 1-s2 es mayor que en 1-s4, así como la

cantidad de calor que se necesita retirar de la corriente que se

comprimió. Pero es mayor la cantidad de calor que se aprovecha entre

las corrientes de proceso en la 1-s2.

Para las topologías 1-s3 y 1-s4, se usaron compresiones en 3

etapas, resultando con mayor flujo licuado la 1-s4. Esta última tiene una

57

cantidad de trabajo menor que la topología 1-s2, así como menor

demanda de servicio auxiliar.

5.4 SEGUNDA TOPOLOGÍA CON SERVICIO AUXILIAR




1 etapa

T sal. Válvula (K) 128 K FRACCIÓN VAPOR 0.7442573 FRACCIÓN LIQUIDO 0.2557427 W COMPRESOR 116585 W Q (T=288 K) -159044 W Q HTX 1 3420 W T salida del HTX 1= 280 K Q HTX 2 16642 W T salida del HTX 2= 207 K Q serv. Aux. -12436 W T salida del servicio auxiliar = 250 K

En las tablas de esta sección las tablas contienen la información de

la fracción licuada obtenida, el trabajo del compresor, el calor retirado en

la compresión, el calor aprovechado por las corrientes de proceso

300

1

20

1.00

1

649

245

20

1.00

2

288

245

20

1.00

3

247

1

15

1.00

9

280

245

20

0.00

4

271

1

15

1.0010

128

1

15

1.00

8

207

245

20

0.00

5

128

1

20

0.74

6

128

1

5

0.00

7

B1

W=116585

B2

Q=-159044

B3

Q=3420

B4

Q=16642

B5B6

Q=0

B7

Q=-12436

250

245

20

0.00

11

1/4

58

(QHTX1 y QHTX2), el calor que se debería retirar con servicio auxiliar

frío, las temperaturas de salida de los intercambiadores de corriente, del

servicio auxiliar y de la válvula.

La figura 5.13 representa a la topología 2-s1 y la tabla 5.16

muestra los resultados obtenidos de la simulación. La compresión se

realizó en una sola etapa, con demanda de trabajo igual a la de la

topología 1-1 y con una fracción licuada de 0.2557.

Figura 5.14 Topología 2 –s3



5 etapas

T sal. Válvula 123 K FRACCIÓN VAPOR 0.7146056 FRACCIÓN LIQUIDO 0.2853944 W COMPRESOR 84665 W Q interenfriameinto -127059 W Q HTX 1 3484 W T salida HTX 1= 280 K Q HTX 2 11323 W T salida HTX 2= 200 K Q serv. Aux. -20345 W T salida servicio auxiliar = 230 K

300

1

20

1.00

1

288

245

20

1.00

2

208

1

14

1.00

7

280

245

20

0.00

3

233

1

14

1.008

123

1

14

1.00

6

200

245

20

0.00

4

123

1

20

0.71

5123

1

6

0.00

9

B1

W=84665

B2

Q=3484

B3

Q=11323

B4B5

Q=0

B6

Q=-20345

230

245

20

0.00

10

3/4

59

En la figura 5.14 se observa la topología 2-s3 y sus resultados se

reportan en la tabla 5.17. Esta topología tiene una fracción licuada mayor

que la topología 2-s1, porque la temperatura de salida de la topología 2-

s3 es menor. De igual manera la demanda de trabajo por parte del

compresor y el calor retirado en la compresión, son mayores en la

topología 2-s1. Al comparar el calor en el servicio auxiliar la cantidad

retirada es mayor en la topología 2-s3.




1 etapa

T sal. Válvula (K) 113 K FRACCIÓN VAPOR 0.7525586 FRACCIÓN LIQUIDO 0.2474414 W COMPRESOR 402887 W Q (T=288K) -443297 W Q HTX1 11135 W T salida HTX 1= 280 K Q HTX2 27376 W T salida HTX 2= 210 K Q serv. Aux -70439 W T salida servicio auxiliar = 230 K Purga 0.01

220

1

0

0

78

1.00

11

630

245

0

0

78

1.00

2

288

245

0

0

78

1.00

3

163

1

0

0

59

1.00

9

280

245

0

0

78

1.00

4

183

1

0

0

59

1.0010

113

1

0

0

59

1.00

8

230

245

0

0

78

1.00

14

210

245

0

0

78

0.00

5

113

1

0

0

78

0.75

6

113

1

0

0

19

0.00

7

300

1

0

0

20

1.00

1

183

1

0

0

58

1.00

12183

1

0

0

1

1.00

13

B1

W=402887

B2

Q=-443297

B3

Q=11135

B4

Q=27376

B5

B6

Q=0

B7

B8

B9

Q=-70439

2/4

60

La topología 2-s2 se esquematiza en la figura 5.15 y sus resultados

se ordenan en la tabla 5.18. Para esta topología se tuvo que colocar una

purga de 0.01 con el fin de que el simulador no presentara problemas al

resolver los balances de materia.


Tabla 5.19 Resultados de la Topología 2-s4 Número de etapas de compresión

5 etapas

T salida válvula 113 K FRACCIÓN VAPOR 0.6856393 FRACCIÓN LIQUIDO 0.3143607 W COMPRESOR 271117.1 W Q interenfriamiento -325537 W Q HTX1 9220 W T salida HTX 1= 280 K Q HTX2 32563 W T salida HTX 1= 200 K Q serv. Aux -56768 W T salida servicio auxiliar = 230 K Purga 0.01

En la figura 5.16 se muestra la topología 2-s4 con sus respectivos

resultados colocados en la tabla 5.19.

250

1

0

0

62

1.00

11

288

245

0

0

62

1.00

2

195

1

0

0

43

1.00

7280

245

0

0

62

1.00

3

218

1

0

0

43

1.00

8

113

1

0

0

43

1.00

6

230

245

0

0

62

1.00

10

200

245

0

0

62

0.00

4

113

1

0

0

62

0.69

5

113

1

0

0

20

0.00

9

300

1

0

0

20

1.00

1

218

1

0

0

42

1.0013

218

1

0

0

0

1.00

12

B1 B2

Q=9220

B3

Q=32563

B4B5

Q=0

B6

Q=-56768

B7

B8

4/4

61

Tabla 5.20 Comparación de resultados de la Segunda topología con servicio auxiliar SEGUNDA TOPOLOGÍA SERVICIO AUXILIAR MEZCLA METANO 0.8 N-BUTANO 0.2 2-s1 2-s2 2-s3 2-s4 LIQUIDO 0.255743 0.247441 0.2853944 0.3143607VAPOR 0.744257 0.752559 0.7146056 0.6856393

NO

CICLO CICLO NO CICLO CICLO NO.


(W) 116585 402887 84665 271117.065 Q(1

comp) (W) -159044 -443297 0 0

q etapas (w) 0 0 -127059.44 -325537.45

q htx1 (W) 3420 11135 3484 9220

q htx2 (W) 16642 27376 11323 32563

q aux (w) -12436 -70439 -20345 -56768 Q

TOTAL SERV.

AUX (W) -171480 -513736 -147404.44 -382305.45

Q TOTAL

HTX (W) 20062 38511 14807 41783


T de s. Aux. (K) 250 230 230 230 POR CORRIENTES DE PROCESO

T sal. Htx1 (K) 280 280 280 280

T sal. Htx2 (K) 207 210 200 200

T sal. Válvula

(K) 128 113 123 113 purga 0 0.01 0 0.01

Para el caso de estas topologías la que obtiene mayor fracción

licuada es la cuarta, tal como se observa en la tabla 5.20. Tiene el trabajo

de compresión mayor comparado con las otras tres. Su calor de

interenfriamiento es menor que el usado por la segunda topología.

62

5.5 TERCERA TOPOLOGÍA

Con esta topología se buscó la obtención de temperaturas más

bajas en las salidas de las válvulas, para poder recircular un gas que

enfriara lo suficiente la corriente a ser licuada y así producir mayor

cantidad de líquido en el proceso, es por eso que se utilizó una turbina

para expandir parte del gas a ser licuado.

Figura 5.17 Topología 3 -1



1 etapa

FRACCIÓN VAPOR 0.8714258 FRACCIÓN LIQUIDO 0.1285742 turbina T salida válvula 221 K FRACCIÓN VAPOR 0.7759143 FRACCIÓN LIQUIDO 0.2240857 htx 2 T salida válvula 141 K W COMPRESOR 107240 W W TURBINA -278 W

300

1

20

1.00

4

625

180

20

1.00

5

271

1

17

1.00

15

298

180

20

1.00

1

296

180

20

0.84

6

276

1

17

1.0016

207

1

17

0.988

296

180

8

0.84

14

221

180

8

0.00

9

141

1

8

0.78

11

141

1

2

0.00

12

141

1

6

1.00

13

296

180

12

0.842

294

170

12

1.00

7

B2-COMP

W=107240

B3-IC1

Q=952

B4-IC2

Q=13240B6

B7-FLASH

Q=0

B1

Q=-143266

B2

B3

W=-278

B4

B5B7

Q=0

221

1

12

0.87

3

221

1

10

1.0010

221

1

2

0.00

17

63

Tabla 5.21 Resultados de la Topología 3-1 (continuación)

Q (T=298 K) -143266 W Q HTX 1 952 W T salida de HTX 1 = 296 K Q HTX 2 13240 W T salida de HTX 2 = 221 K

La topología 3-1 se representa en la figura 5.17 y los resultados

correspondientes se tienen en la tabla 5.21. En esta topología la fracción

licuada se vuelve la suma de lo que se obtiene como salida en los dos

separadores que forman parte de la topología. El compresor requiere una

cantidad de trabajo de 107240 W y ahora también se produce trabajo

gracias a la turbina. Esta topología da como temperatura de salida del

primer intercambiador de corriente de 296 K.

Figura 5.18 Topología 3 – 2

En la figura 5.45 se observa la topología 3-2 y los resultados

de esta topología están ordenados en la tabla 5.22.

300

1

20

1.00

4

732

180

121

1.00

5

151

1

101

1.00

15

298

180

121

1.00

1

236

180

121

1.00

6

297

1

101

1.00

16

116

1

101

1.008

236

180

48

1.00

14

200

180

48

0.00

9

112

1

48

0.67

11

112

1

16

0.00

12

112

1

33

1.00

13

236

180

72

1.002

234

170

72

1.00

7

118

1

68

1.0010

118

1

72

0.94

3

118

1

4

0.00

17

B2-COMP

W=728731

B3-IC1

Q=139532

B4-IC2

Q=32987B6

B7-FLASH

Q=0

B1

Q=-839810

B2

B3

W=-1286

B4

B5B7

Q=0

B8

298

1

121

1.00

18

64

Tabla 5.22 Resultados de la Topología 3-2 Número de etapas de compresión

1 etapa

FRACCIÓN VAPOR 0.940935 FRACCIÓN LIQUIDO 0.059065 T salida válvula 118 K FRACCIÓN VAPOR 0.67415 FRACCIÓN LIQUIDO 0.32585 T salida válvula 112 K

W COMPRESOR 728731 W W TURBINA -1286 W Q interenfriamiento -839810 W Q HTX 1 139532 W T salida HTX 1= 236 K Q HTX2 32987 T salida HTX 2= 200 K

En esta topología la fracción licuada se vuelve la suma de lo que

se obtiene como salida en los dos separadores que forman parte de la

topología, igual que en el caso anterior. El compresor requiere una

cantidad de trabajo de 728731 W y ahora también se produce trabajo

gracias a la turbina. Esta topología da como temperatura de salida del

primer intercambiador de corriente de 236 K.

Tabla 5.23 Comparación de resultados de la Tercera topología

TERCERA TOPOLOGÍA MEZCLA METANO T 0.8 N-BUTANO 0.2 Topología 3-1 3-2

LIQUIDO 0.128574 0.059065 TURBINA VAPOR 0.871426 0.940935

LIQUIDO 0.224086 0.32585 HTX 2 VAPOR 0.775914 0.67415

NO

CICLO CICLO LIQUIDO TOTAL 0.35266 0.384915

NO. ETAPAS 1 1

TURBINA

HTX

65

Tabla 5.23 Comparación de resultados de la Tercera topología (continuación)

Wturbina (W) -278 -1286 Wcomp (W) 107240 728731 Q(1 comp)

(W) -143266 -839810

q etapas (w) ---- ---- q htx1 (W) 952 139532 q htx2 (W) 13240 32987 q aux (w) 0 0 Q TOTAL

SERV. AUX (W) -143266 -839810

Q TOTAL HTX (W) 14192 172519


T de s. Aux. (K) ------- -------

POR CORRIENTES DE PROCESO

T sal. Htx1 (K) 296 236

T sal. Htx2 (K) 221 200

T sal. Válvula (K) 221 118 TURBINA

T sal. Válvula (K) 141 112 HTX 2

purga 0 0

La topología 3-2 es la que logra una mayor cantidad de fracción

licuada. Tiene mayor trabajo en el compresor y logra temperaturas de

salida en las válvulas menores a las obtenidas en la topología 3-1. La

cantidad de servicio de enfriamiento utilizado en la compresión es mayor

en la topología cíclica (3-1), debido a que maneja una mayor cantidad de

flujo dentro del sistema. El aprovechamiento por corrientes de proceso es

mejor en el caso de la topología 3-1.

5.6 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN

A continuación se presentan las tablas donde se comparan las topologías cíclicas y las topologías acíclicas.

66

Tabla 5.24 Resultados de las Topologías acíclicas

1-1 1-2 2-1 2-2 1-s1 1-s3 2-s1 2-s3

SERV. AUX. NO NO NO NO SI SI SI SI

TOPOLOGÍA 1 1 2 2 1 1 2 2

1/4 2/4 1/4 2/4 1/4 3/4 1/4 3/4

LIQUIDO 0.180147 0.127636 0.200860.2008

60.28539

4 0.285394 0.255743 0.285394

VAPOR 0.819853 0.872364 0.7991410.7991

410.71460

6 0.714606 0.744257 0.714606 no ciclo no ciclo no ciclo no ciclo no ciclo no ciclo no ciclo no ciclo

NO. ETAPAS 1 3 1 5 1 3 1 5 Wcomp

(W) 116585 90566 11658584665.

4 116585 90565.523 116585 84665Q(1 comp)

(W) -153851 0 -159044 0 -153851 0 -159044 0q etapas

(w) 0 -112459 0-

127059 0 -112459.43 0 -127059q htx1 (W) 11572 15372 3420 3484 21048 15372 3420 3484q htx2 (W) ------- ------- 11222 11222 0 0 16642 11323q aux (w) 0 0 0 0 -19232 -40280 -12436 -20345Q TOTAL

SERV. AUX (W) -153851 -112459 -159044

-127059 -173083 -152739.43 -171480 -147404

Q TOTAL HTX (W) 11572 15372 14642 14706 21048 15372 20062 14807

Tabla 5.24 Resultados de las Topologías acíclicas (continuación)

3-1

SERV. AUX. NO TOPOLOGÍA 3

1/2 LIQUIDO 0.128574VAPOR 0.871426

LIQUIDO 0.224086VAPOR 0.775914

NO CICLOLIQUIDO TOTAL 0.35266

NO. ETAPAS 1Wturbina (W) -278Wcomp (W) 107240

Q(1 comp) (W) -143266

67

Tabla 5.24 Resultados de las Topologías acíclicas (continuación) Q(1 comp) (W) -143266

q etapas (w) ----

q htx1 (W) 952q htx2 (W) 13240 q aux (w) 0Q TOTAL

SERV. AUX (W) -143266

Q TOTAL HTX (W) 14192

En la tabla 5.24 de las topologías acíclicas se puede observar que

la tercera opción de topología (3-1) fue la que mayor cantidad de líquido

obtuvo. La compresión se realizó en una sola etapa, y es por eso que su

trabajo es muy alto, el trabajo que se pudo obtener de la turbina es

pequeño. La cantidad de calor retirada en la etapa de compresión es baja

comparada con la retirada en las otras topologías cuando la compresión

se realizó en una sola etapa.

Tabla 5.25 Resultados de las Topologías cíclicas

1-3 1-4 2-3 2-4 1-s2 1-s4 2-s2 2-s4 SERV. AUX. NO NO NO NO SI SI SI SI TOPOLOGÍA 1 1 2 2 1 1 2 2 3/4 4/4 3/4 4/4 2/4 4/4 2/4 4/4

LIQUIDO 0.113782 0.006799 0.016259 0.016258 0.314947 0.3149482 0.247441 0.314361VAPOR 0.886218 0.993201 0.983741 0.983742 0.685053 0.6850518 0.752559 0.685639

ciclo ciclo ciclo ciclo ciclo ciclo ciclo ciclo NO.

ETAPAS 1 3 1 5 1 3 1 5 Wcomp (W) 1068334 2574531 1526075 1316520 398481 289402.576 402887 271117.1Q(1 comp)

(W) -

1180937 0 -

1591214 0 -466461 0 -443297 0

q etapas (w) 0 -

2615720 0 -

1381602 0 -288108.32 0 -325537 q htx1 (W) 210343 305671 40061 40810 69272 38588 11135 9220 q htx2 (W) ------- ------- 139181 139194 0 0 27376 32563 q aux (w) 0 0 0 0 -44605 -113879 -70439 -56768

68

Tabla 5.25 Resultados de las Topologías cíclicas (continuación)

Q TOTAL SERV. AUX

(W) -

1180937 -

2615720-

1591214-

1381602 -511066 -401987.32 -513736 -382305 Q TOTAL HTX (W) 210343 305671 179242 180004 69272 38588 38511 41783

Tabla 5.25 Resultados de las Topologías cíclicas (continuación) 3-2

SERV. AUX. NO TOPOLOGÍA 3

2/2 LIQUIDO 0.059065VAPOR 0.940935

LIQUIDO 0.32585VAPOR 0.67415

CICLO LIQUIDO TOTAL 0.384915

NO. ETAPAS 1 Wturbina (W) -1286 Wcomp (W) 728731

Q(1 comp) (W) -839810

q etapas (w) ----

q htx1 (W) 139532q htx2 (W) 32987 q aux (w) 0Q TOTAL

SERV. AUX (W) -839810

Q TOTAL HTX (W) 172519

En la tabla 5.25 se observan las topologías cíclicas y la que mayor

cantidad de líquido obtuvo fue la tercera (3-2). Requiere mucho trabajo

en el compresor y la cantidad de calor retirada por el servicio auxiliar fue

alta. El aprovechamiento de energía por parte de las corrientes de

proceso fue bajo al compararlo con el de las demás topologías.

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