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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
Tabla 5.2 Resultados de la 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
Figura 5.3 Topología 1-3
Tabla 5.3 Resultados de la Topología 1-3
Número de etapas de compresión
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.
Figura 5.4 Topología 1-4
Tabla 5.4 Resultados de la Topología 1-4
Número de etapas de compresión
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.
Figura 5.5 Topología 2-1
Tabla 5.6 Resultados de la Topología 2-1
Número de etapas de compresión
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.
Figura 5.6 Topología 2-2
Tabla 5.7 Resultados de la Topología 2-2
Número de etapas de compresión
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.
Figura 5.7 Topología 2-3
Tabla 5.8 Resultados de la topología 2-3
Número de etapas de compresión
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.
Figura 5.8 Topología 2-4
Tabla 5.9 Resultados de la Topología 2-4
Número de etapas de compresión
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
LO AHORRADO EN ENERGÍA
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
Número de etapas de compresión
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
Tabla 5.12 Resultados de la Topología 1-s2
Número de etapas de compresión
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.
Tabla 5.13 Resultados de la Topología 1-s3
Número de etapas de compresión
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.
ETAPAS 1 1 3 3 Wcomp
(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
LO AHORRADO EN ENERGÍA
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
Figura 5.13 Topología 2 – s1
Tabla 5.16 Resultados de la Topología 2-s1
Número de etapas de compresión
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
Tabla 5.17 Resultados de la Topología 2-s3
Número de etapas de compresión
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.
Figura 5.15 Topología 2 – s2
Tabla 5.18 Resultados de la Topología 2-s2
Número de etapas de compresión
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.
Figura 5.16 Topología 2 – s4
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.
ETAPAS 1 1 5 5 Wcomp
(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
LO AHORRADO EN ENERGÍA
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
Tabla 5.21 Resultados de la Topología 3-1
Número de etapas de compresión
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
LO AHORRADO EN ENERGÍA
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.