MX2011004691A - Ciclo rankine para vaporizacion de lng/proceso de generacion de energia. - Google Patents

Ciclo rankine para vaporizacion de lng/proceso de generacion de energia.

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Abstract

La energía (216, 226) se genera en una vaporización de ciclo Rankin del gas natural líquido (102) en la cual un fluido de trabajo recirculante (202, 228) que comprende 2-11% en mol de nitrógeno es por lo menos parcialmente condensado proporcionando servicio de intercambio de calor (106) para vaporizar el gas natural y se recicla sin el cambio en su composición molar durante el intercambio de calor con el gas natural. De manera preferible el fluido de trabajo se condensa completamente mientras que proporciona el servicio de intercambio de calor.

Description

CICLO RANKINE PARA VAPORIZACIÓN DE LNG/PROCESO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA La transferencia segura y eficiente de gas natural (NG) requiere que el gas natural se licúe antes del envió. Una vez que el gas natural licuado (LNG) llega a la ubicación objetivo, el gas natural debe ser regasificado antes de que se pueda usar como una fuente de combustible. La regasificación o vaporización del gas natural licuado, el cual requiere la entrada de trabajo o calor, proporciona una oportunidad para generación de energía secundaria que usa las temperaturas inicialmente frías del gas natural licuado y la entrada de trabajo o calor para vaporización.
Procesos conocidos previos para generar energía en asociación con la vaporización del gas natural licuado, sin embargo, fueron menos que óptimos por varias razones. Por ejemplo, los proceso donde el fluido de trabajo se condensó solo parcialmente fueron conocidos de causar complejidades, incluyendo la necesidad por separadores de fase los cuales a su vez incrementaron los costos y tal vez más importantemente, volvieron los procesos más difíciles de controlar y más sensibles a alteraciones que podrían estresar indebidamente el equipo de intercambio de calor. Por otra, algunos procesos sufrieron de ineficiencias termodinámicas debido a las pérdidas de mezclado cuando se combinaron las corrientes con diferentes composiciones. Finalmente, los procesos conocidos no divulgaron el uso de gas natural como un componente del fluido de trabajo.
En relación con lo anterior, el documento US-A-3479832 divulga la generación de energía mediante la expansión de la fase de vapor de un fluido de trabajo que contiene nitrógeno recirculante que proporciona intercambio de calor indirecto para vaporizar el gas natural líquido. El intercambio de calor se conduce una serie de módulos en cada uno de los cuales el vapor de fluido de trabajo (o fracción) se condensa, se remueve parcialmente y se separa en fases. La fracción de fase de vapor del fluido de trabajo parcialmente condensado que sale del primer módulo (en la dirección del flujo de gas natural líquido) se comprime, la fracción de fase líquida del fluido se bombea y se combina con la fracción de fase de vapor comprimida, y la mezcla se calienta sucesivamente por el intercambio de calor indirecto en los primeros módulos y módulos subsecuentes. La fracción de fase de vapor del fluido de trabajo parcialmente condensado que sale de cada uno de los módulos subsecuentes proporciona el trabajo de calor al módulo precedente, la fracción de fase líquida se bombea, se calienta por el intercambio de calor indirecto en el módulo del cual se derivó, y luego se mezcla con las fracciones de fluido de trabajo de regreso calentadas en ese módulo y el (los) modulo (s) precedente ( s ) que se calientan adicionalmente en el siguiente módulo. Las mezclas de dos fases calentadas que salen del módulo final se combinan, se calienta, se expanden por trabajo para generar energía y es reciclan para proporcionar trabajo de calor al último módulo. En el proceso ejemplificado, hay cuatro módulos en los cuales el contenido de nitrógeno de la fase líquida disminuye sucesivamente del 20.6% en mol a 0.1% en mol y el fluido de trabajo reciclado contiene 4.8% de nitrógeno. El gasto de flujo (29.200 moles/hora) de las fracciones de fluido de trabajo combinadas que salen del cuarto módulo es casi 4.5 veces de aquel (6,570 moles/horas) que entra al primer módulo.
El documento GB-A-2079857 divulga la vaporización de LNG usando dos ciclos Rankine usando un fluido de trabajó que consiste principalmente o totalmente de metano e hidrocarburos de Ci-4 y en particular que comprenden 30-60% en mol de metano, 30-60% en mol de hidrocarburos C2: hasta 10% en mol de hidrocarburos C3, y hasta 10% en mol de nitrógeno. En el proceso ejemplificado el fluido de trabajo es una mezcla molar de 50/50 de metano y etano. No existe ej emplificación de un fluido de trabajo que contenga nitrógeno.
El documento WO-A-0006/01900 divulga la vaporización de LNG en un ciclo Rankine usando un fluido de trabajo que contiene nitrógeno. El fluido de trabajo preferido comprende 10% de metano, 40% de etano y 50% de propano. No existe ejemplificación de un fluido de trabajo que contenga nitrógeno.
Modalidades de la presente invención satisfacen una necesidad en la técnica al proporcionar un sistema y proceso para generar energía en asociación con una vaporización del proceso de gas natural licuado sin las desventajas históricas .
En particular, en un aspecto, la invención proporciona un método para generar energía en una vaporización de proceso de gas natural líquido usando un fluido de trabajo recirculante, el método que comprende las etapas de: (a) presurizar el fluido de trabajo; (b) calentar y vaporizar el fluido de trabajo presurizado; (c) expandir el fluido de trabajo calentado y vaporizado en uno o más expansores para la generación de energía, el fluido de trabajo que sale del uno o más expansores que comprenden (i) nitrógeno, (ii) metano (iii) un tercer componente cuyo punto de ebullición es mayor que o igual a aquel del propano y (iv) un cuarto componente que comprende etano y etileno.; (d) enfriar el fluido de trabajo expandido mediante intercambio de calor indirecto con una corriente de gas natural licuado presurizado tal que el gas natural licuado se vaporiza, el fluido de trabajo enfriado es por lo menos sustancialmente condensado tal que menor que 10% del fluido de trabajo es un vapor después de la por lo menos sustancialmente condensación, y la composición molar del fluido de trabajo expandido no cambia durante el intercambio de calor entre el fluido de trabajo y el gas natural; y (e) reciclar el fluido de trabajo enfriado en la etapa (a) ; caracterizado en que el fluido de trabajo consiste de (i) 2-11% en mol de nitrógeno, (ii) metano, (iii), butano o pentano y (iv) etano o etileno. [base página 8, líneas 1/3].
De manera preferible, el fluido de trabajo que sale del uno o más expansores comprende 6-10.6% en mol de nitrógeno.
Usualmente, el gasto de flujo del fluido de trabajo expandido suministrado al intercambio de calor directo con el gas natural es igual al gasto de flujo del fluido de trabajo expandido al final del intercambio de calor.
El fluido de trabajo enfriado de manera preferible se condensa completamente en el intercambio de calor directo. Sin embargo, si el fluido de trabajo enfriado no se condensa completamente en el intercambio de calor, el fluido de trabajo se puede separar en fases, y la etapa (a) comprende compresión de la fase de vapor resultante y el bombeo de la fase líquida, resultante.
La energía se puede generar en dos o más expansores con recalentamiento del fluido de trabajo expandido entre los expansores .
El fluido de trabajo expandido se puede separar en una primera corriente y una segunda corriente, en donde la primera corriente se enfría en la etapa (d) , y en donde la segunda corriente se represuriza y luego se calienta en la etapa (b) . Usualmente, la primera corriente se expande adicionalmente antes de ser enfriada en el intercambio de calor con el gas natural.
Usualmente, el fluido de trabajo comprende nitrógeno en exceso de la cantidad de nitrógeno de origen natural en el gas natural.
Usualmente, el fluido de trabajo enfriado se condensa por lo menos sustancialmente en el intercambio de calor directo y preferiblemente se condensa completamente. Sin embargo, el fluido de trabajo enfriado necesita solo ser condensado parcialmente en el intercambio de calor, el fluido de trabajo parcialmente condensado se separa en fases, y la etapa (a) comprende compresión de la fase de vapor resultante y bombeo de la fase líquida resultante.
De acuerdo con otra modalidad, se divulga un aparato para la generación de energía para el uso en una vaporación de sistema de gas natural licuado mediante un método de la invención, el aparato que comprende: por lo menos un dispositivo de expansión; por lo menos un dispositivo de calentamiento; por lo menos un condensador; y un liquido de trabajo que tiene múltiples componentes, en donde el líquido de trabajo consiste de: 2-11% en mol de nitrógeno, butano o pentano y etano o etileno.
Lo anterior, así como también la siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplares, se entiende mejor cuando se lee en conjunción con los dibujos adjuntos. Para el propósito de ilustrar las modalidades de la invención, se muestran en los dibujos modalidades ejemplares de la invención; sin embargo, la invención no se limita a los métodos específicos e instrumentos divulgados. En los dibuj os : la: Figura la es un diagrama de flujo que ilustra un sistema de generación de energía ejemplar de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura Ib es un diagrama de flujo que ilustra un sistema de generación de energía ejemplar de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un uso ejemplar de gas natural líquido como un componente del fluido de trabajo en un sistema de generación de energía de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un sistema de generación de energía ejemplar que incorpora una corriente de separación de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 4 es una ilustración gráfica que compara el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo con la energía recuperada neta de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 5 es una ilustración gráfica que compara el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo con la energía recuperada neta de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 6 es una ilustración gráfica de una curva de enfriamiento ejemplar del intercambiador de calor principal cuando el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo fue aproximadamente 7.81% en mol de acuerdo con una modalidad de la presente invención; y la Figura 7 es una ilustración gráfica de una curva de enfriamiento ejemplar del intercambiador de calor principal cuando el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo fue aproximadamente 0.40% en mol de acuerdo con una modalidad de la presente invención.
La Figura la es un diagrama que ilustra un sistema de generación de energía ejemplar que incluye aspectos de la presente invención. Una corriente de gas natural licuado presurizado (LNG) se puede alimentar a través de la línea 102 a través del extremo frío 104 del intercambiador de calor principal 106 para generar gas natural presurizado (NG) en línea 108 del bucle de vaporización de gas natural líquido 100. La presión de suministro del gas natural puede ser 76 bar (7.6 MPa) absoluto, por ejemplo.
Con respecto al bucle de generación de energía 200, el fluido de trabajo en la línea 202 se puede presurizar por la bomba 204 y el fluido de trabajo presurizado en la línea 206 luego se puede enviar a través del extremo frío 104 del intercambiador de calor 106. Después de que el fluido de trabajo presurizado se calienta en el intercambiador de calor principal 10'6, el fluido de trabajo presurizado en la línea 208 se puede calentar adicionalmente y se vaporiza completamente por un calentador 210. El fluido de trabajo presurizado puede ser el fluido de trabajo completamente vaporizado en la línea 212. El fluido de trabajo completamente vaporizado en la línea 212 luego se puede expandir en el expansor 214. El trabajo generado por el expansor 214 se puede convertir en, por ejemplo, energía eléctrica a través del uso de un generador 216. El fluido de trabajo de escape del expansor 214 en la línea 218 se puede calentar de manera opcional adicionalmente en un recalentador 220. Uno o más recalentadores se pueden usar entre el uso o más expansores, por ejemplo. La corriente de fluido de trabajo resultante en la línea 222 se puede expandir opcionalmente además en el expansor 224. Similar al expansor 214, el trabajo generado del expansor 2245 se puede convertir en, por ejemplo, energía eléctrica a través del uso de un generador 226. El fluido de trabajo de escape del expansor 224 en la línea 228 luego se puede alimentar en el extremo caliente 107 del intercambiador de calor principal 106 para enfriamiento y condensado del fluido de trabajo. El fluido de trabajo enfriado y condensado, que es ahora el fluido de trabajo líquido ahora se puede reciclar de nuevo en la línea 202 para represurización . El proceso de la descripción anterior es frecuentemente referido como un ciclo Rankine.
El intercambiador de calor principal 106 puede ser, por ejemplo, uno o más intercambiadores de calor físicos. El uno o más intercambiadores de calor puede ser del tipo de intercambiador de calor de placa-aleta y mide 1.2 metros x 1.3 metros x 8 metros, por ejemplo.
Mientras que el expansor 214 en la Figura 1 se puede interpretar por ser un solo expansor, se debe observar que el expansor 214 también se puede interpretar para representar uno o más expansores para la expansión, por ejemplo. El expansor opcional 224 también puede ser uno o múltiples dispositivos físicos.
El flujo de gas natural líquido al intercambiador de calor 106 puede ser de aproximadamente 10,068 kmol/hora, por ejemplo. En tal escenario, el Expansor 214 puede producir 4000 kW - 8000 kW de energía, por ejemplo. El expansor opcional 224 puede producir 67,000 kW - 15,000 kW de energía, por ejemplo. La presión típica para el fluido de trabajo de baja presión en la línea 202 puede ser 10 bar a 25 bar (1.0 -2.5 MPa) , por ejemplo. La presión típica para el fluido de trabajo de alta presión en la línea 206 puede ser 60 bar a 80 bar (6 .- 8 MPa), por ejemplo. La energía necesaria para accionar la bomba 204 puede estar 'en el intervalo de 2,000 kW a 4000 kW, por ejemplo. Las temperaturas típicas que salen del calentador 210 y el recalentador 220 opcional pueden estar en el intervalo de 40°C a 250°C, por ejemplo.
El gas natural licuado, el cual contiene ya típicamente metano, etano, y algunas veces nitrógeno, se puede usar como la base para formar el fluido de trabajo. Por ejemplo, la adición de nitrógeno, etano y pentano en el gas natural licuado da por resultado esta mezcla.
El uso de gas natural como un componente para el fluido de trabajo ahorra significativamente dinero y recursos debido a que el uso del gas natural como un componente reduce la necesidad de importar y/o almacenar por lo menos algunos de los componentes ya presentes en el gas natural, el gas natural está ya presente en el sitio para el uso en la porción de vaporización del proceso. Por ejemplo, como se ilustra en la Figura 2, se pueden usar tres tanques pequeños 250, 255 y 260 para almacenar los componentes del fluido de trabajo. El suministro de gas natural liquido 270 ya está presente en el sitio para vaporización 280. El suministro de gas natural liquido 270 se puede usar, por lo tanto, no solamente para la vaporización 280, sino también para el uso como un componente del fluido de trabajo en el ciclo de generación de energía 290.
El uso del gas natural como la base para formar el fluido de trabajo también permite el uso de tanques de almacenamiento más pequeños para los componentes adicionales respectivos del fluido de trabajo. Por otra parte, el uso del gas natural puede eliminar la necesidad de almacenar metano-típicamente uno de los componentes más grandes del fluido de trabajo.
En una modalidad, el fluido de trabajo de escape del último expansor en el ciclo de generación de energía se puede condensar parcialmente después de ser enfriado en el intercambiador de calor principal 106 (como en la Figura Ib, por ejemplo) . En otra modalidad, el fluido de trabajo de escape del último expansor en el ciclo de generación de energía se puede condensar completamente después de ser enfriado en el intercambiador de calor principal 106 (como en la Figura la, por ejemplo) . En todavía otra modalidad, el fluido de trabajo de escape del último expansor en el ciclo de generación de energía se puede condensar sustancialmente (es decir, condensado tal que menor que 10% del fluido de vapor es un vapor) después de ser enfriado en el intercambiador de calor principal 106 (también como en la Figura Ib, por ejemplo). Condensar completamente el fluido de trabajo de escape en el intercambiador de calor 106 puede ser ventajoso debido a que no se requiere un separador de fase cuando el fluido de trabajo de escape se condensa completamente conduciendo ahorros de costo. Debido a que el remezclado no es requerido cuando el fluido de trabajo de escape se condensa completamente, existe menos potencial para pérdidas de mezclado termodinámicas.
Cuando el fluido de trabajo no se condensa completamente a través del enfriamiento en el intercambiador de calor 106, un separador de fase 203, como se ilustra en la Figura Ib, se puede usar para separar el liquido y el vapor de la corriente 202. La fracción liquida del fluido de trabajo se puede presurizar por la bomba 204, por ejemplo. La fracción de vapor del fluido de trabajo se puede comprimir por el compresor 205, por ejemplo. Las corrientes resultantes de la bomba 204 y el compresor 205 luego se pueden combinar en la linea 206 para ser enviadas a través del extremo frió 104 del intercambiador de calor principal 106.
En la Figura 3, los elementos y las corrientes de fluido que corresponden en los elementos y las corrientes de fluido en la modalidad ilustradas en la Figura la y Ib se han identificado por el mismo número. Con referencia a la modalidad ilustrada en la Figura 3, una corriente de separación 300 se puede tomar del fluido de trabajo de escape de cada expansor, excepto para el expansor de presión más baja. En la modalidad ejemplar ilustrada en la Figura 3, una corriente de separación 300 se puede enfriar y condensar primero al pasar la corriente de separación 300 a través de una sección del intercambiador de calor principal 106. La corriente de separación enfriada y condensada en la linea 302 luego se puede presurizar por una bomba 304. La corriente de separación presurizada en la linea 306 se puede reintroducir en el intercambiador de calor principal 106 para calentamiento. La corriente de separación calentada luego se puede reintroducir en la linea original 206 para calentamiento adicional en el intercambiador de calor principal 106. El uso de las corrientes de separación 300 puede permitir, por ejemplo, una igualación más eficiente del suministro de calor y la demanda de calor.
Como una alternativa, la corriente de separación 306 se puede recalentar en el intercambiador de calor 106 separadamente de la corriente 206. En tal caso, ambas corrientes calentadas se combinarían en el extremo caliente del intercambiador de calor para formar la corriente 208.
El uso de una de las modalidades ejemplares, donde el fluido de trabajo se calienta a una temperatura de 110°C antes de la expansión, puede alcanzar una eficiencia térmica cercana a 29%, por ejemplo. La eficiencia térmica se calcula al restar el trabajo requerido para la operación de la bomba del trabajo producido por el (los) expansor(es) y dividir el trabajo neto resultante por el calor suministrado al proceso en los calentadores 210 y 220, por ejemplo.
EJEMPLOS Se realizó una comparación entre un ciclo Brayton de Nitrógeno y un sistema de generación de energía ejemplar de la presente invención. Un ciclo Brayton de Nitrógeno, como se usa en la presente, opera como sigue. El gas nitrógeno frío se comprime de una presión baja a una presión alta (en un compresor frío y a una temperatura cercana a aquella del gas natural líquido entrante) luego se calienta en un intercambiador de calor (o intercambiadores) , luego se expande de una presión alta a una presión baja, luego se regresa y se enfría de nuevo al estado inicial. El frío del gas natural líquido se usa para proporcionar una fracción del enfriamiento de nitrógeno de presión baja. El trabajo neto producido es el rendimiento de trabajo del calor o expansor caliente menos la entrada de trabajo del compresor frío.
Para este ejemplo, el gas natural líquido que tiene una composición de 0.4% en mol de nitrógeno, 96.3% en mol de metano, y 3.3% en mol de etano se introdujo a la presión de 76 bar (7.6 MPa) absoluta. Como se ilustra en la Tabla 1 a continuación, la energía generada por el sistema ejemplar de la presente invención fue mayor que aquella del ciclo Brayton de Nitrógeno, aunque el nivel de temperatura en el expansor fue más caliente para el ciclo Brayton de Nitrógeno.
El proceso del sistema ejemplar usó una bomba que consume menos energía que el compresor frío usado por el ciclo Brayton de Nitrógeno. El sistema ejemplar también usó dos expansores mientras que el ciclo Brayton de Nitrógeno usó solamente un solo expansor. El expansor del ciclo Brayton de Nitrógeno, sin embargo, tuvo una proporción de energía más alta (tamaño más grande) los resultados de la comparación son como sigue: Tabla I Sistema Brayton de Nitrógeno Sistema Ejemplar de la (N2) Presente Invención Capacidad: 3800 toneladas Capacidad: 4000 toneladas métricas por día métricas por día (mTPD) (mTPD) Nitrógeno Calentado a: 260°C Fluido de Trabajo Calentado a: 110°C Capacidad del Expansor: Capacidad del Expansor: 20, 000 W 11,235 kW y 6,641kW Capacidad del Expansor Frío: Capacidad de la bomba: 3,375 12,300 k kW Energía Neta Producida: Energía Neta Producida: 7,700 kW 14,501 kW La composición del fluido de trabajo para el sistema ejemplar fue como sigue: Tabla II La Tabla III ilustra como la variación del contenido de nitrógeno del fluido de trabajo afecta el desempeño del proceso de recuperación de energía cuando el fluido de trabajo consiste de nitrógeno, metano, etano, y pentano .
La Tabla IV ilustra los efectos similares de nitrógeno cuando el fluido de trabajo consiste de nitrógeno, metano, etileno, y n-butano. Los resultados en la Tabla III y IV se obtuvieron al variar el gasto de flujo de nitrógeno en el fluido de trabajo y luego al optimizar los gastos de flujo de los otros componentes (es decir, el metano, etano, y el pentano de la Tabla III y el metano, etileno, y n-butano en la Tabla IV) . Es decir, para un nivel dado de nitrógeno, la composición de los otros componentes se ajustó para lograr el rendimiento de energía neto más alto. El gasto de flujo del gas natural líquido fue 4000 mTPD. También, se fijaron el UA del intercambiador de calor principal (el producto del coeficiente de transferencia de calor del intercambiador de calor (U) y el área intercambiadora de calor (A) ) y las eficiencias de los expansores y la bomba.
Tabla III La Figura 4 es una ilustración gráfica 400 que compara el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo con la energía recuperada neta (kW) en la Tabla III.
Tabla IV La Figura 5 es una ilustración gráfica 500 que compara el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo con la energía recuperada neta (kW) en la Tabla IV.
La Tabla V ilustra como la remoción del contenido de nitrógeno del fluido de trabajo en un caso ejemplar mientras que mantiene los otros tres componentes en las mismas relaciones relativas afecta el desempeño del proceso de recuperación de energía cuando el fluido de trabajo consiste de nitrógeno, metano, etano y pentano.
Tabla V Los ejemplos anteriores indican un contenido óptimo del nitrógeno en el fluido de trabajo puede ser, por ejemplo, mayor que 2% en mol y puede ser preferiblemente mayor que 6% en mol, aun cuando el fluido de trabajo se condensa completamente en el ciclo de proceso de generación de energía .
Debido a que el nitrógeno tiene un punto de ebullición muy bajo de aproximadamente -195.8 °C, el cual está muy por abajo del intervalo de temperatura de la evaporización del gas natural líquido, los fluidos de trabajo que contuvieron cantidades significativas de nitrógeno no se usaron tradicionalmente en una vaporización del proceso de gas natural liquido en conjunción con un ciclo Rankine para la generación de energía. Adicionalmente, y tradicionalmente, cuando el nitrógeno se usó como un componente del fluido de trabajo, el fluido de trabajo primero se condensó parcialmente, se removió del intercambiador, se envió a un separador de vapor-líquido y el vapor resultante regresó al intercambiador y se condensó totalmente - el uso del separador de fase, en efecto, crea varios fluidos de trabajo de diferente composición en el mismo proceso. La aversión al uso de nitrógeno en el fluido de trabajo se condujo más probablemente por la presunción de que sería difícil (o ineficiente) condensar un componente que fue más volátil que el metano (el componente principal del gas natural líquido) .
De hecho, los inventores descubrieron que: 1) la incorporación de niveles significativos de nitrógeno en el fluido de trabajo se puede lograr cuando el fluido se condensa totalmente, y 2) es benéfico a hacerlo. La explicación de porqué es esto es la siguiente.
La Figura 6 es una ilustración gráfica 600 de la curva de enfriamiento del intercambiador de calor principal cuando el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo fue de aproximadamente 7.81% en mol. La Figura 7 es una ilustración gráfica 700 de la curva de enfriamiento del intercambiador de calor principal cuando el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo fue de aproximadamente 0.40% en mol. El fluido de trabajo en el estudio para obtener las Figuras 6-7 comprendió nitrógeno, metano, etano, y pentano de acuerdo con los ejemplos mostrados en la Tabla III (y Figura 4). Las Figuras 6-7 se pueden estudiar para entender el resultado benéfico de adicionar una cantidad juiciosa de nitrógeno. Esencialmente, la adición de nitrógeno da por resultado una diferencia de temperatura de transferencia de calor más uniforme entre la corriente de enfriamiento y la corriente de calentamiento-particularmente en el extremo frió. El ajuste de la diferencia de la temperatura entre las corrientes en la Figura 6 (una diferencia de temperatura promedio más pequeña entre las corrientes de intercambio de calor) es indicativa de un proceso más eficiente. Adicionalmente, las fundamentales termodinámicas enseñan que la diferencia en la temperatura entre las corrientes se debe minimizar en las temperaturas más frías (la pérdida de trabajo es proporcional a 1/T, donde T es la temperatura absoluta) .
Como se ilustra en la Figura 6, cuando el contenido de nitrógeno en el fluido de trabajo fue de 7.81% en mol, la diferencia de temperatura más grande entre la corriente de enfriamiento (indicada por Y-Caliente) y la corriente caliente (indicada por T-Fría) en el intercambiador de calor principal no fue mayor que 15°C. En contraste, y como se ilustra en la Figura 7, la diferencia de temperatura más grande entre la corriente de enfriamiento y la corriente de calentamiento en el intercambiador de calor principal fue más de 50°C cerca del extremo frío del intercambiador de calor principal cuando el contenido de nitrógeno en el fluido de trabajo se redujo a 0.40% en mol. De esta manera, en este intervalo, como el contenido de nitrógeno del fluido de trabajo se disminuyó, la diferencia de temperatura entre la curva T-Caliente y la curva T-Fría se incrementó, y se perdió trabajo más disponible en el proceso de transferencia de calor que conduce a una generación de energía menos eficiente .
Como se ilustra en la Figura Ib, una modalidad de la presente invención anticipa que el fluido de trabajo no necesita ser condensada totalmente para usar el efecto benéfico de adicionar nitrógeno a la mezcla. Sin embargo, la condensación total tiene beneficios adicionales. Por ejemplo, en la Figura Ib, el compresor frío 205 opera al introducir trabajo en la temperatura más fría. La bomba fría 204 también introduce trabajo, pero ese trabajo sobre una base por mol, es significativamente menor que el del compresor frío. El trabajo en el extremo frío roba refrigeración del LNG, reduciendo de esta manera la producción de energía. De eta manera se puede observar que el bombeo de un líquido es deseable para comprimir un vapor. Adicionalmente, se entiende que el costo de una bomba es considerablemente menor que el costo de un compresor.
Con respecto a los procesos convencionales, donde el fluido de trabajo se condensó parcialmente, se separó en fase, luego se condensó completamente, la presente invención se ha simplificado. Los sistemas con múltiples etapas de separación de fase son claramente más complejas debido a las piezas de equipo adicionales tales como separadores de fase, bombas, y tuberías, asi como también penetraciones en el intercambiador (es) . Adicionalmente, cuando estas corrientes separadas se recombinan, existen pérdidas de mezclado termodinámico que resultan de las corrientes de mezclado de diferente composición - estas mezclas pierden por sí mismo manifiesto ya que reducen la recuperación de energía. Los resultados de los inventores muestran en contraste a la creencia común de que cualquier cantidad significativa de nitrógeno en el fluido de trabajo garantizaría el uso de un separador de fase, una cantidad juiciosa de nitrógeno en el fluido de trabajo se puede condensar completamente y proporcionar aún un beneficio de desempeño muy deseable. Esto permite que los investigadores simplifiquen grandemente el proceso, reduciendo en consecuencia el costo del sistema.
Mientras que los aspectos de la presente invención se han descrito en relación con las modalidades preferidas de las diversas figuras, se va a entender que se pueden usar otras modalidades similares o se pueden hacer modificaciones y adiciones a la modalidad descrita para realizar la misma función de la presente invención sin desviarse del alcance de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para generar energía en una vaporización de proceso de gas natural liquido que usa un fluido de trabajo recirculante, caracterizado porque el método comprende las etapas de: (a) presurizar el fluido de trabajo; (b) calentar y vaporizar el fluido de trabajo presurizado; (c) expandir el fluido de trabajo calentado y vaporizado en uno o más expansores para la generación de energía, el fluido de trabajo que sale del uno o más expansores que comprenden (i) 2-11% en mol de nitrógeno, (ii) metano (iii) un tercer componente que comprende butano o pentano y (iv) un cuarto componente que comprende etano o etileno; (d) enfriar el fluido de trabajo expandido mediante intercambio de calor indirecto con una corriente de gas natural licuado presurizado tal que el gas natural licuado se vaporiza, el fluido de trabajo enfriado es por lo menos sustancialmente condensado tal que menor que 10% del fluido de trabajo es un vapor después de la por lo menos sustancialmente condensación, y la composición molar del fluido de trabajo expandido no cambia durante el intercambio de calor entre el fluido de trabajo y el gas natural; y (e) reciclar el fluido de trabajo enfriado en la etapa (a) .
2. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido de trabajo consiste de (i) 2-11% en mol de nitrógeno, (ii) metano, (iii) pentano y (iv) etano.
3. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de nitrógeno y pentano combinado es 23 a 25% en mol.
4. Un método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el contenido de nitrógeno y pentano combinado es 21.76 a 24.63% en mol.
5. Un método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el fluido de trabajo se selecciona de las composiciones especificadas en la Tabla III de la descripción anterior.
6. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido de trabajo consiste de (i) 2-11% en mol de nitrógeno, (ii) metano, (iii) n-butano y (iV) etileno .
7. Un método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el contenido de nitrógeno y n-butano combinado es, 28 a 30% en mol.
8. Un método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el contenido de nitrógeno y n-butano combinado es 27.05 a 30.00% en mol.
9. Un método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el fluido de trabajo se selecciona de las composiciones especificadas en la Tabla IV de la descripción anterior.
10. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido de trabajo comprende 6 a 10.6% en mol de nitrógeno.
11. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gasto de flujo del fluido de trabajo expandido se suministra al intercambio de calor indirecto con el gas natural que es igual al gasto de flujo del fluido de trabajo expandido en el extremo del intercambiador de calor.
12. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el fluido de trabajo enfriado se condensa completamente.
13. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el fluido de trabajo comprende gas natural.
14. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende separar el fluido de trabajo expandido en una primera corriente y una segunda corriente, en donde la primera corriente se enfria en la etapa (d) y en donde la segunda corriente se represuriza y luego se calienta en la etapa (b) .
15. Un método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la primera corriente se expande adicionalmente antes de ser enfriada en el intercambio de calor con el gas natural.
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