Análisis 88: Ciclo de licuefacción de GNL en cascada triple

En los últimos tiempos, ha aumentado la preocupación por diversos problemas que amenazan la existencia del planeta. Entre los temas más preocupantes se encuentran el calentamiento global y la degradación de la capa de ozono. Numerosos factores contribuyentes están acelerando estos problemas. Estudios han demostrado que los refrigerantes utilizados en refrigeradores y sistemas de aire acondicionado son los más significativos. Los investigadores buscan fluidos de trabajo ecológicos para los sistemas existentes. Al buscar una alternativa adecuada, es fundamental tener en cuenta que no se debe comprometer el rendimiento del sistema de refrigeración.

Los sistemas de refrigeración tradicionales, como el sistema de compresión de vapor, se utilizan ampliamente en sistemas de refrigeración domésticos y para el almacenamiento de alimentos. Sin embargo, estos sistemas solo alcanzan temperaturas de hasta -25 °C. Sin embargo, algunos sistemas requieren temperaturas muy bajas, de entre -45 °C y -180 °C. Resulta difícil encontrar un sistema adecuado para estas aplicaciones de baja temperatura, incluyendo refrigerantes ecológicos. En procesos industriales como la licuefacción de gas natural, la licuefacción de gas de petróleo, los procesos de tratamiento de aleaciones de acero, los equipos militares y de defensa nacional, la conservación de medicamentos y vacunas para el virus de la COVID-19 (que requiere alrededor de -70 °C), los procesos criogénicos (por debajo de -100 °C) y otras aplicaciones de muy baja temperatura (p. ej., liofilización, industrias químicas), el empleo de un sistema de refrigeración por compresión de vapor de una sola etapa no es viable termodinámica ni económicamente. Este problema requiere un enfoque diferente para lograr el nivel deseado de efecto de enfriamiento a temperaturas muy bajas. La relación de presión del sistema se vuelve muy alta. Es difícil gestionar esta enorme relación de presión empleando un sistema de refrigeración de una sola etapa. Un candidato ideal para manejar esta condición es el "Sistema de Refrigeración en Cascada".

En licuefacción de gases:

• El COP es bajo (mucho menor que refrigeración comercial)

• Valores típicos: 0.05 – 0.3, dependiendo del gas (N₂, O₂, LNG, etc.)

• La cascada triple se usa porque un solo ciclo sería inviable a temperaturas criogénicas

Etapa alta: Propano (C₃H₈)

• Función: Pre-enfriamiento

• Rango típico de temperatura del GN:

  TGN,in≈25 ∘C→TGN,out≈−40 ∘C

• Condiciones del refrigerante:

  • Evaporando: ~–40 °C

  • Condensando: ambiente (~25 °C)

• Objetivo: eliminar la mayor parte del calor sensible antes de entrar a criogenia

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Etapa intermedia: Etano (C₂H₆)

• Función: Enfriamiento intermedio

• Rango típico de temperatura del GN:

  TGN,in≈−40 ∘C→TGN,out≈−90 ∘C

• Condiciones del refrigerante:

  • Evaporando: ~–90 °C

  • Condensando: ciclo de propano (–40 °C)

• Objetivo: reducir temperatura del GN hasta rango criogénico profundo

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Etapa baja: Metano (CH₄)

• Función: Licuefacción final

• Rango típico de temperatura del GN:

  TGN,in≈−90 ∘C→TGN,out≈−160 ∘C

• Condiciones del refrigerante:

  • Evaporando: ~–160 °C

  • Condensando: ciclo de etano (–90 °C)

• Objetivo: lograr la licuefacción final del gas natural

Se pueden requerir temperaturas de hasta -170 °C o inferiores para la licuefacción de diversas aplicaciones de gas natural, petróleo y criogénicas, así como para el almacenamiento de productos farmacéuticos, lo cual es extremadamente difícil de lograr con un enfoque tradicional sin comprometer los aspectos económicos y la complejidad. La relación de presión global aumenta a medida que disminuye la temperatura de evaporación. Esta relación de presión es difícil de gestionar con un sistema de refrigeración de una o dos etapas. Los sistemas de refrigeración en cascada de tres etapas son un concepto relativamente nuevo en sistemas de refrigeración en cascada. Johnson et al. [1] diseñaron un sistema de refrigeración en cascada de tres etapas para su uso en sistemas criogénicos. Proporcionaron un diseño cuantitativo de un sistema de refrigeración en cascada de tres etapas. El sistema utilizó metano, etileno y propileno en tres etapas para generar una temperatura de evaporador de -158 °C, que posteriormente se utilizó en una columna de destilación criogénica para extraer monóxido de carbono y metano. Najibullah et al. [2] investigaron el uso de refrigeración en cascada de tres etapas en la licuefacción de GNL. Su trabajo ilustra la mejora en la eficiencia del sistema gracias a la obtención de condiciones operativas óptimas mediante simulación. Cho et al. [3] emplearon un sistema de refrigeración en cascada de tres etapas a -40 °C para replicar un proceso de licuefacción de gas natural. Yoon et al. [4] describieron otra aplicación de la refrigeración en triple cascada en la licuefacción de gas natural, empleando propano, monóxido de nitrógeno y nitrógeno. Se mostró una comparación con otra configuración que utiliza la mezcla refrigerante de propano, etileno y metano. Este método mejoró significativamente el rendimiento en un ciclo de una sola etapa y en un sistema optimizado de triple cascada, utilizando la segunda combinación de refrigerantes, en un 25 %. El COP fue de 1.68, con la temperatura más baja del sistema a -150 °C. En un sistema de refrigeración en cascada automática de tres etapas, Sivkumar y Sosmasundaram [5] emplearon una mezcla zeotrópica de dos permutaciones de cinco refrigerantes beneficiosos para el medio ambiente. El sistema se utilizó a -97 °C y el COP general fue de 0.253, mientras que la eficiencia exergética fue un 22.6 % superior a la del sistema convencional. Mishra [6] creó un modelo térmico de un sistema de refrigeración en cascada de tres etapas para la conservación de esperma. Se utilizaron R1234yf y R1234ze en los circuitos de alta y baja temperatura, respectivamente, así como R134a o R404a en el circuito de baja temperatura. El mejor rendimiento térmico se obtuvo combinando R1234ze, R134a y R404a. Sun et al. [8] optimizaron un sistema de refrigerante en cascada de tres etapas basándose en el bajo potencial de calentamiento global para diferentes pares de refrigerantes. Con base en los resultados del modelado, esta investigación recomendó R717, R152a y R161 para ciclos de alta temperatura, y R41 y R170 para ciclos intermedios. Se sugirió R1150 para el circuito más bajo, con temperaturas del evaporador entre -120 °C y -80 °C. Qin et al. [9] utilizaron R1234yf/R23/R14 en un sistema en cascada automática de tres etapas, logrando un COP de 0.614 y una eficiencia energética del 26 %.

El ciclo de licuefacción en cascada posee varios refrigerantes por etapas, cada uno trabaja en un rango óptimo, posee el COP más alto (entre 0.1 y 0.4) de este tipo de ciclos debido a que presenta la mínima irreversibilidad total, aunque se trata de un ciclo muy costoso y complejo.

Los COP en licuefacción son muy pequeños comparados con refrigeración común, porque se trabaja a temperaturas extremadamente bajas.

Referencias bibliográficas:

[1] Johnson N, Baltrusaitis J, Luyben WL. Design and control of a cryogenic multistage compression refrigeration process. Chem Eng Res Des 2017;121:360–7. [2] Najibullah Khan NB, Barifcani A, Tade M, Pareek V. A case study: Application of energy and exergy analysis for enhancing the process efficiency of a three stage propane pre-cooling cycle of the cascade LNG process. J Nat Gas Sci Eng 2016;29: 125–33. [3] J. Cho, Y. K.-J. of the K. Academia-Industrial, and undefined 2011, “A simulation study on the cascade refrigeration cycle for the liquefaction of the natural gas : an application to the multistage cascade refrigeration cycle,” koreascience.or.kr, [4] Yoon JI, Choi WJ, Lee S, Choe K, Shim GJ. Efficiency of cascade refrigeration cycle using C 3H 8, N 2O, and N 2. Heat Transfer Eng Sep. 2013;34(11–12):959–65. [5] Sivakumar M, Somasundaram P. Exergy and energy analysis of three stage auto refrigerating cascade system using Zeotropic mixture for sustainable development. Energy Convers Manag 2014;84:589–96.

[6] R.S. Mishra 2017, “Thermal modeling of threestage vapour compression cascade refrigeration system using entropy generation principle for reducing global warming and ozone,” academia.edu, Accessed: Jun.30, 2021. [Online].

[7] Sun Z, Wang Q, Dai B, Wang M, Xie Z. Options of low Global Warming Potential refrigerant group for a three-stage cascade refrigeration system. Int J Refrig Apr.

[8] Qin Y, Li N, Zhang H, Liu B. Energy and exergy performance evaluation of a threestage auto-cascade refrigeration system using low-GWP alternative refrigerants. Int. J Refrig 2021;126:66–75.