MX2012010204A - Evaporizacion de gas natural liquido. - Google Patents

Evaporizacion de gas natural liquido.

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Abstract

Se describe un proceso para la evaporización de un líquido criogénico. El proceso puede incluir: quemar un combustible en un quemador para producir un gas de escape; mezclar el aire ambiente y el gas de escape para producir un gas mezclado; contactar el gas mezclado mediante intercambio térmico indirecto con un líquido criogénico para evaporar el líquido criogénico. También se describe un sistema para evaporización de un líquido criogénico. El sistema puede incluir: uno o más quemadores para quemar un combustible para producir un gas de escape; una o más entradas para mezclar el aire ambiente con el gas de escape para producir un gas mezclado; y uno o más conductos de transferencia térmica para calentar en forma indirecta un fluido con el gas mezclado.

Description

EVAPOR1ZACIÓN DE GAS NATURAL LÍQUIDO CAMPO DE LA DESCRIPCIÓN Las modalidades aquí descritas se refieren en general a un evaporador de ventilación natural o de aire ambiente para uso en la evaporización de fluidos criogénicos, tal como gas natural líquido (GNL = Gas Natural Líquido o Licuado). Más específicamente, las modalidades aquí descritas se refieren a un sistema de calentamiento híbrido de combustible/aire ambiente para la evaporización de GNL.
ANTECEDENTES Hay ocasiones en las que es deseable impartir calor de aire ambiente a un líquido relativamente frío para "calentar" el líquido. Esta circunstancia puede llegar con respecto a gas natural licuado.
La licuefacción criogénica de gas natural se lleva a cabo en forma rutinaria como un medio para convertir gas natural a una forma más conveniente para transportación. Dicha licuefacción típicamente reduce el volumen por aproximadamente 600 veces y resulta en un producto final que puede almacenarse y transportarse fácilmente. También, es deseable almacenar gas natural excedente para que pueda ser suministrado en forma fácil y eficiente cuando la demanda de gas natural se incrementa. Una forma práctica para transportar gas natural, y también para almacenar gas natural excedente, es convertir el gas natural a un estado licuado para almacenamiento y/o transportación y luego evaporar el líquido conforme lo requiera la demanda.
El gas natural a menudo está disponible en áreas lejanas de donde finalmente se utilizará, y por lo tanto la licuefacción del gas natural es aún de mayor importancia. Típicamente, el gas natural se transporta mediante tubería desde la fuente de suministro directamente al mercado del usuario. Sin embargo, se ha vuelto más común que el gas natural se transporte desde una fuente de suministro que está separada por grandes distancias desde el mercado del usuario, donde una tubería no está disponible o es impráctica. Esto es particularmente cierto en la transportación marina donde la transportación debe llevarse a cabo por embarcaciones oceánicas. La transportación en barco de gas natural en el estado gaseoso generalmente no es práctica debido al gran volumen del gas en el estado gaseoso, y debido a que presurización apreciable se requiere para reducir significativamente el volumen del gas. Por lo tanto, para almacenar y transportar gas natural, el volumen del gas se reduce típicamente al enfriar el gas a aproximadamente -151 .1 °C (-240°F) hasta aproximadamente -162.2°C (-260°F). A esta temperatura, el gas natural se convierte en un gas natural licuado (GNL), que posee presión de vapor cercana a la atmosférica. Al completar la transportación y/o el almacenamiento del GNL, el GNL debe regresarse al estado gaseoso antes de proporcionar el gas natural al usuario final para consumo.
Típicamente, la re-gasificación o evaporización del GNL se logra a través del uso de diversos fluidos, sistemas, y procesos de transferencia térmica. Por ejemplo, algunos procesos empleados en la técnica utilizan evaporadores que emplean agua caliente o vapor para calentar y evaporar el GNL. Estos procesos de calentamiento tienen desventajas, ya que el agua caliente o el vapor a menudo se congelan debido a las temperaturas extremadamente frías del GNL, que a su vez causa que los evaporadores se atasquen. Para superar esta desventaja, evaporadores alternativos actualmente empleados en la técnica, tales como evaporadores de bastidor abierto, evaporadores de fluido intermedio, evaporadores de combustión sumergida, y evaporadores de aire ambiente.
Los evaporadores de bastidor abierto típicamente usan agua de mar o semejantes como una fuente de calor para intercambio térmico contra corriente con GNL. Similar a los evaporadores mencionados anteriormente, los evaporadores de bastidor abierto tienden a "acumular hielo" sobre la superficie del evaporador, ocasionando resistencia incrementada a la transferencia térmica. Por lo tanto, los evaporadores de bastidor abierto deben diseñarse con evaporadores con área de transferencia térmica incrementada, que conlleva un mayor costo de equipo y una huella incrementada del evaporador.
En lugar de evaporar el GNL por calentamiento directo con agua o vapor, como se describió anteriormente, los evaporadores del tipo intermedio utilizan un fluido o refrigerante intermedio tal como propano, hidrocarburos fluorados o semejantes, que tienen un bajo punto de congelamiento. El refrigerante puede calentarse con agua caliente o vapor, y luego el refrigerante o mezcla refrigerante calentado se pasa a través del evaporador y se emplea para evaporar el GNL. Los evaporadores de este tipo superan los episodios de acumulación de hielo y congelamiento que son comunes en los evaporadores previamente descritos, sin embargo estos evaporadores de fluido intermedios requieren un medio para calentar el refrigerante, tal como una caldera o calentador. Estos tipos de evaporadores también tienen desventajas ya que su operación es muy costosa debido al consumo de combustible de los medios de calentamiento usados para calentar el refrigerante.
Una práctica actualmente usada en la técnica para superar el alto costo de la operación de calderas o calentadores es el uso de torres de agua, solas o en combinación con los calentadores o calderas, para calentar el refrigerante que actúa para evaporar el GNL. En estos sistemas, el agua se pasa a una torre de agua en donde la temperatura del agua se eleva. El agua de temperatura elevada luego se emplea para calentar el refrigerante tal como glicoi mediante un primer evaporador, que a su vez se usa para evaporar el GNL mediante un segundo evaporador. Estos sistemas también tienen desventajas en términos del diferencial de flotabilidad entre la corriente de entrada de la torre y la corriente de salida de la torre. Las torres de calentamiento descargan grandes cantidades de aire húmedo frío o efluente que es muy pesado en comparación con el aire ambiente. Una vez que el efluente frío se descarga desde la torre, tiende a querer hundirse o transportarse al suelo debido a que es mucho más pesado que el aire ambiente. El efluente frío luego se extrae a la torre de agua, impidiendo las propiedades de intercambio térmico de la torre y causando que la torre sea ineficiente. El problema de flotabilidad anteriormente mencionado causa la recirculación de aire frío a través de las torres de agua, impidiendo su habilidad de calentar el agua y limitando esencialmente la efectividad de las torres.
Como todavía otra alternativa, el GNL puede evaporarse por calentamiento con aire ambiente. Evaporadores de aire ambiente de tipo de ventilación de trio forzado o natural utilizan aire ambiente como la fuente de calor, pasando el aire ambiente sobre los elementos de transferencia térmica para evaporar el GNL. Sin embargo, cuando el clima cambia o la carga del evaporador cambia, la temperatura del gas natural en la salida del evaporador puede cambiar. Adicionalmente, debido a la baja temperatura de suministro del GNL (aproximadamente -162.2°C (-260°F)), cantidades significativas de hielo pueden formarse sobre la superficie de calentamiento debido a la humedad del flujo de aire ambiente.
COMPENDIO DE LAS MODALIDADES REIVINDICADAS Se ha descubierto que la operación de los evaporadores de aire ambiente puede mejorarse mucho por el uso de sistemas de calentamiento híbridos de combustible/aire ambiente como se describen aquí. Los sistemas de calentamiento de combustible/aire ambiente se cargan de base con aire ambiente como una fuente de calor, que puede proporcionarse por convección natural o inducida. En los sistemas de calefacción híbridos aquí descritos, el aire ambiente se mezcla, como sea necesario, con un gas de combustión de un fogón, en donde la entrada de calor del gas de combustión puede emplearse para disminuir, minimizar, o negar el impacto de variación en condiciones ambientales en la operación del evaporador. Los sistemas de calefacción híbridos pueden proporcionar operaciones de evaporador estables durante cambios de condición climática durante el día/noche y verano/invierno, pueden mejorar márgenes de regulación en comparación con evaporadores de aire ambiente convencionales, y pueden resultar en ninguna acumulación de hielo o disminución de acumulación de hielo en comparación con evaporadores de aire ambiente convencionales.
En un aspecto, las modalidades aquí descritas se refieren a un proceso para la evaporización de un líquido criogénico, el proceso incluye, quemar un combustible en un quemador para producir un gas de escape; mezclar aire ambiente y el gas de escape para producir un gas mixto, contactar el gas mixto mediante intercambio térmico indirecto con un líquido criogénico para evaporar el líquido criogénico.
En otro aspecto, las modalidades aquí descritas se refieren a un sistema para la evaporización de un líquido criogénico, el sistema incluye: uno o más quemadores para quemar un combustible para producir un gas de escape; una o más entradas para mezclar aire ambiente con el gas de escape para producir un gas mixto; y uno o más conductos de transferencia térmica para calentar indirectamente un fluido con el gas mixto.
Otros aspectos y ventajas serán aparentes a partir de la siguiente descripción y de las reivindicaciones anexas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un esquema simplificado de . un sistema de calefacción híbrido de aire ambiente/combustible, de acuerdo con las modalidades aquí descritas.
La Figura 2 es un esquema simplificado de un sistema de calefacción híbrido de aire ambiente/combustible, de acuerdo con las modalidades aquí descritas.
DESCRIPCIÓN DETALLADA En un aspecto, las presentes modalidades se refieren en general a un evaporador de aire ambiente o de tiro natural para uso en la evaporización de fluidos criogénicos, tal como gas natural líquido (GNL). Más específicamente, las modalidades aquí descritas se refieren a un sistema de calefacción híbrido de aire ambiente/combustible para la evaporización de GNL.
Ahora con referencia a la Figura 1 , se ilustra un sistema de calefacción híbrido de aire ambiente/combustible 10 de conformidad con las modalidades aquí descritas. El sistema de calefacción 10 puede incluir un armazón o cubierta 12, entradas de aire ambiente 13, un o más fogones 14 con combustible suministrado mediante la o las entradas 15, serpentines para calefacción 20, y un puerto de escape 22. En algunas modalidades, el sistema de calefacción 10 puede incluir uno o más reguladores de flujo 16, un distribuidor de vapor 18, un termopar 24, y un sistema de control 26.
En operación, aire ambiente se suministra por los puertos 13 mediante convección natural (inducida), debido a los gradientes de temperatura y densidad que resultan de la evaporización de un líquido criogénico que pasa a través de serpentines para calefacción 20, o mediante convección forzada, tal como la que resulta de un ventilador, soplador, bomba, u otro medio para proporcionar un flujo de vapor forzado (no mostrado). La velocidad de flujo de aire ambiente a través de las entradas 13 puede controlarse al variar la velocidad del soplador, por ejemplo, o puede controlarse utilizando reguladores de flujo 16.
Un combustible se proporciona mediante la entrada 15, que se quema en el fogón 14 para resultar en un gas de combustión calentado. Se puede proporcionar aire al fogón 14 mediante un conducto separado (no mostrado) o puede llevarse al fogón 14 mediante las entradas 28 del aire ambiente que fluye a través de las entradas 13. El gas de combustión caliente sale del fogón 14 por las entradas 30 y se mezcla con el aire ambiente.
La mezcla de aire ambiente y el gas de combustión caliente puede entonces pasarse sobre los serpentines para calefacción 20 para evaporar un líquido criogénico, tal como GNL alimentado a través de los serpentines. Después del intercambio térmico, la mezcla de aire ambiente/gas de combustión puede entonces salir del sistema de calefacción híbrido 10 mediante el puerto de escape 22.
Mientras el sistema de calefacción de la Figura 1 se ilustra en una configuración horizontal, configuraciones verticales u otras también pueden emplearse. Las configuraciones verticales pueden ser corriente arriba o corriente abajo. Cualquier número de serpentines de calefacción 20 pueden emplearse, y pueden colocarse en flujo transversal, flujo paralelo, flujo contra corriente, o combinaciones de los mismos, con la mezcla de aire ambiente/gas de combustión.
El gas de combustión y el aire ambiente deberán mezclarse adecuadamente antes del contacto con los serpentines de calefacción 20. Por ejemplo, la turbulencia resultante de la convección forzada a través de las entradas 13, los vertederos 32 que dirigen el flujo del gas de combustión a través de las salidas 30, y/o un distribuidor de vapor 18 puede ser usado para proporcionar el grado deseado de mezclado de manera que los serpentines de calefacción 20 se contacten con una mezcla de vapor que tiene un perfil de temperatura relativamente uniforme a través del mismo.
Como se indicó anteriormente, el aire ambiente se mezcla con el gas de combustión para proporcionar un gas mezclado para evaporar el líquido criogénico, tal como GNL. La carga del evaporador (por ejemplo, los requerimientos de entrada de calor debido a la demanda de gas natural (NG= Natural Gas) del evaporador) se suministra por el gas mezclado. Bajo ciertas condiciones, puede estar disponible una entrada de calor suficiente sólo del aire ambiente, y el caudal de combustible al fogón 14 puede apagarse o reducirse. Como las condiciones lo permitan, el caudal de combustible al fogón 14 puede incrementarse para alcanzar la carga del evaporador requerida. Una llama piloto o de encendido (no mostrada) puede proporcionarse para encendido de o para la operación intermitente del fogón cuando la demanda exija consumo incrementado de combustible.
La temperatura del gas mezclado puede monitorearse o controlarse, tal como por un termopar 24 y un sistema de control 26. Monitoreo y control de la temperatura del gas mezclado puede usarse para uno o más de: determinar si la acumulación de hielo u otros factores están afectando la transferencia térmica a través de los serpentines de calefacción 20, la evaporización del GNL o resultan en una diferencia de temperatura deseada entre el aire/gas de combustión y el GNL/NG, minimizando la formación de hielo sobre las superficies de los serpentines de calefacción, y, lo que es importante, mantener la temperatura del gas mezclado por debajo de la temperatura de auto-encendido del líquido criogénico (tal como GNL) en caso de que cualquier fuga ocurra dentro de la cubierta 12.
La temperatura del líquido criogénico evaporado puede controlarse al ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de combustible al fogón o quemador 14, al ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de aire ambiente a través de la o las entradas 13, al ajustar un caudal del líquido criogénico a el o los conductos de transferencia térmica 20, o una combinación de los mismos. Dicho control, monitoreo, y ajuste de los flujos o caudales puede lograrse utilizando un sistema de control 26.
En otras modalidades, dependiendo de los requerimientos de la carga de evaporización y las condiciones ambiente, parte del gas mezclado puede desviarse de uno o más de los serpentines de evaporización, tal como al retirarse de la cubierta 12 mediante una salida 40, como se muestra en la Figura 2, en donde numerales semejantes representan partes semejantes. El gas mezclado retirado puede reintroducirse mediante el distribuidor 42 (derivación) o aire ambiente o gas de combustión adicional puede introducirse, tal como por un distribuidor 42, para influenciar la temperatura del GN y el desempeño general del sistema de calefacción 10, así como para llevar a cabo descongelamiento en línea. La cubierta 12 puede también incluir una o más salidas 44 para retirar agua condensada que puede acumularse dentro del sistema.
La disposición y diseño de los serpentines de calefacción 20 pueden afectar la formación de hielo sobre las superficies de calefacción y puede impactar la eficacia de la transferencia térmica debido a arremolinamiento. Por lo tanto, el tipo (metal, diámetro, grosor, etc.), diseño, disposición, y número de serpentines usados puede depender del tipo de convección de aire ambiente (natural o forzado), el área de superficie de transferencia térmica requerida, límites de temperatura de temporada, tipo de combustible disponible y temperaturas de gas de combustión alcanzables, y otros factores conocidos para aquellos con destreza en la técnica. De preferencia, la disposición del serpentín seleccionada deberá asegurar que la diferencia de temperatura entre aire/gas de combustión y el GNL/GN se optimiza para alcanzar alta eficacia de transferencia térmica y, al mismo tiempo, minimizar la formación de hielo sobre las superficies de serpentín de calefacción.
Los sistemas de calefacción híbridos como se describieron anteriormente pueden usarse como unidades independientes o pueden configurarse en un diseño modular donde múltiples sistemas de calefacción híbridos como se describieron anteriormente se localizan cercanos entre sí para cubrir una carga de transferencia térmica general deseada.
Como se describió anteriormente, sistemas de calefacción híbridos de acuerdo con las modalidades aquí descritas utilizan aire ambiente y gas de combustión para proporcionar calor para evaporización de un fluido criogénico, tal como gas natural líquido. Dichos sistemas pueden también usarse para calentar otros fluidos que están a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente.
Ventajosamente, sistemas de calefacción híbridos de acuerdo con modalidades aquí descritas utilizan el ambiente del entorno para suministrar al menos una porción del calor requerido, minimizando así las emisiones contaminantes en comparación con evaporadores que utilizan solamente gas de combustión o un gas de combustión para calentar un fluido intermedio para proporcionar el calor necesario. Sistemas de calefacción de conformidad con las modalidades aquí descritas pueden también resultar en uno o más de: operaciones de sistema más estables (menos impacto debido a cambios climáticos), menor operación y costo de mantenimiento, costos de inversión de capital más bajos, ocurrencia reducida de acumulación de hielo, alta eficacia térmica, menor impacto ambiental, y mejorados márgenes de regulación en comparación con uno o más calentadores de combustión sumergida, evaporadores de bastidor abierto, calentadores impulsados por un fluido intermedio, y evaporadores de aire ambiente.
Mientras la descripción incluye un número limitado de modalidades, aquellos con destreza en la técnica, que tienen el beneficio de esta descripción, apreciarán que otras modalidades pueden contemplarse que no se alejan del alcance de la presente descripción. De acuerdo con esto, el alcance deberá limitarse solo por las reivindicaciones anexas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1 . Un proceso para la evaporización de un líquido criogénico, el proceso se caracteriza porque comprende: quemar un combustible en un quemador para producir un gas de escape; mezclar aire ambiente y el gas de escape para producir un gas mezclado; contactar el gas mezclado mediante intercambio térmico indirecto con un líquido criogénico para evaporar el líquido criogénico.
2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el aire ambiente se introduce mediante al menos una, de convección forzada e inducida (natural).
3. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende al menos uno de: ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de combustible al quemador; y ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de aire ambiente a la mezcla.
4. El proceso de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende al menos uno de: ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de combustible al quemador; y ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de aire ambiente a la mezcla.
5. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende controlar una temperatura del líquido criogénico evaporado por al menos uno de: ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de combustible al quemador; ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de aire ambiente a la mezcla; y ajustar un caudal del líquido criogénico al contacto.
6. El proceso de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende controlar una temperatura del líquido criogénico evaporado por al menos uno de: ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de combustible al quemador; ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de aire ambiente a la mezcla; y ajustar un caudal del líquido criogénico al contacto.
7. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el líquido criogénico comprende gas natural líquido.
8. Un sistema para evaporización de un líquido criogénico, el sistema caracterizado porque comprende: uno o más quemadores para quemar un combustible para producir un gas de escape; una o más entradas para mezclar aire ambiente con el gas de escape, para producir un gas mezclado; y uno o más conductos de transferencia térmica para calentar indirectamente un fluido con el gas mezclado.
9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende uno o más reguladores de flujo, para ajustar un caudal de aire ambiente a través de las entradas.
10. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende un termopar para medir una temperatura del gas mezclado.
1 1 . El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque además comprende un termopar para medir una temperatura del gas mezclado.
12. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende un sistema de control para controlar una temperatura del fluido calentado por al menos uno de: ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de combustible al quemador; ajustar una temperatura del gas mezclado al variar un caudal de aire ambiente a través de una o más entradas; y ajustar un caudal del fluido a uno o más de los conductos de transferencia térmica.
13. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende un distribuidor de vapor para distribuir un flujo del gas mezclado sobre uno o más de los conductos de transferencia térmica.
14. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el fluido es gas natural líquido.
15. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende un dispositivo para introducir el aire ambiente a una o más de las entradas, como una convección forzada.
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