ejemplo rm

7/29/2019 Ejemplo RM

1/15

Refrigeracin Mecnica

El proceso de refrigeracin se usa para cumplir con las especificaciones de

punto de roco por hidrocarburo y por agua para el gas de venta. La temperatura a

la cual debe ser enfriado el gas depende del nivel requerido para alcanzar las

especificaciones de punto de roco. Este ser el requerimiento mnimo de

enfriamiento. Enfriar el gas a niveles de temperatura por debajo de este mnimo

debe ser justificado por la economa de la recuperacin del GLP. Esto requiere de

una evaluacin econmica que considere el beneficio de la recuperacin

adicional de GLP y los costos de inversin y operacin de las facilidades paraello. La recuperacin adicional de GLP se consigue enfriando el gas a

temperaturas tan bajas como -20 a -40 F o por contacto del gas con aceite pobre

en una torre absorbedora. Puesto que el gas que entra a la unidad de refrigeracin

esta saturado con vapor de agua y la temperatura a la cual se enfra esta

sustancialmente por debajo del punto de congelacin del agua, se requiere

prevenir la formacin de hielo o hidratos. Como se explic detalladamente en el

capitulo anterior, la temperatura de formacin de hidratos a una presin dad

puede ser deprimida por la diccin de qumicos tales como metanol o glicoles.

Como puede observarse en la Fig. 1-2, en dicho proceso se encuentran tres

circuitos totalmente definidos como son:

Circuito de gas natural, al cual se le remueve agua y lquidos paraacondicionarlo a gas de venta.

Circuito de glicol, el cual se utiliza para inhibir la formacin de hidratosen el intercambiador de calor y el chiller , y esta formado por la unidad de

regeneracin donde se retira el agua al glicol por evaporacin.

Circuito del refrigerante propano, el cual al evaporarse en el caso delchiller enfra el gas natural que pasa por los tubos.


2/15

FIG. 1-2 Proceso de refrigeracin con propano(Sistema tpico de inyeccin de glicol)


3/15

FIG. 1-3 Diagrama de flujo del procesodiagrama

Entalpa - presin

Diagrama de flujo del proceso

Diagrama presin - entalpa


4/15

ETAPA DE EXPANSIN

Siguiendo el circuito de propano, vemos que es un ciclo simple de

refrigeracin conformado por:

Expansin Evaporacin Compresin Condensacin

Este ciclo de refrigeracin por compresin de vapor se representa por la Fig.

1-3 y se muestran las cuatro etapas que lo conforman se explican a continuacin.

El punto de inicio del ciclo de refrigeracin es la disponibilidad del

refrigerante lquido. El punto A en la Fig. 1-3 representa un lquido en su punto

de burbuja a la presin de saturacin PA, y entalpa hLA .

En la etapa de expansin la presin y la temperatura se reducen al pasar atravs de la vlvula de control en la cual cae la presin al valor de P B, el cual lo

determina la temperatura deseada del refrigerante TB.

En el punto B la entalpa del lquido saturado es hLB y la entalpa

correspondiente para vapor saturado es hVB. Como la expansin entre A y B

ocurre a travs de una vlvula de expansin y no hay intercambio de energa, el

proceso se considera isentlpico, por lo que la entalpa a la entrada y salida de loa

vlvula es la misma hLA.

Como el punto B esta dentro de la envolvente, vapor y lquido saturado

coexisten. Para determinar la cantidad d vapor formado en el proceso de

expansin, hacemos X la fraccin de lquido a la presin PB con una entalpa hLB.

La fraccin de vapor formada con una entalpa hVB es (1 X). Las ecuaciones

para el balance de calor y la fraccin de lquido formado son:


5/15

(X)hLB + (1-X)hVB = hLA Ec. 1

X= (hVB- hLA) / (hVB- hLB) Ec. 2

(1-X) = (hLA- hLB) / (hVB- hLB) Ec. 3

FIG 1.4 Vlvula de expansin electrnica

CAREL E2V


6/15

ETAPA DE EVAPORACIN

El vapor formado en el proceso de expansin (A-B) no suministra ninguna

refrigeracin al proceso. Calor es absorbido del proceso por la evaporacin de la

parte lquida de refrigerante.

Como se muestra en la Fig.1 - 3 esto es a temperatura y presin constante.

La entalpa del vapor en el punto C es hVB.

Fsicamente la evaporacin ocurre en un intercambiador de calor

denominado evaporador o chiller. El lquido fro X suministra la refrigeracin y

su efecto refrigerante est definido como X(hVB-hLB) y sustituyendo en la Ec. 2

dicho efecto se representa como:

EfectoR = hVB-hLA Ec. 4

La capacidad de refrigeracin o duty referido a la cantidad total de calor

absorbido en el chiller por el proceso, generalmente se expresa como toneladas

de refrigeracin o BTU/ unidad de tiempo.

La rata de flujo de refrigerante est dada por la siguiente expresin.

m= Qref/ (hVBhLA) Ec.5


7/15

FIG. 1-5 Condensador evaporativo

ETAPA DE COMPRESIN

Los vapores de refrigerante salen del chiller a la presin de saturacin Pc y

la correspondiente temperatura Tc con una entalpa hVB. La entropa en este

punto C es SC.

Los vapores se comprimen isentrpicamente a la presin PA a travs de la

lnea CD ( Fig 1-3).

El trabajo isentrpico (ideal) Wi, por comprimir el refrigerante desde PB a

PA est dado por:

Wi= m (hVDhVB) Ec. 6


8/15

El valor hVD est determinado por las propiedades del refrigerante a PA y

una entropa SC. Como el refrigerante no es un fluido ideal y los compresores no

operan idealmente, se define el trmino eficiencia isentrpica i para compensar

las ineficiencias en el proceso de compresin (Esta eficiencia se denominatambin adiabtica.

El trabajo real de compresin puede ser calculado asi:

W = Wi/i= m(hVDhVB)/ i Ec. 7

La entalpa a la descarga est dada por

hVD= (hVDhVB)/ i + hVB Ec. 8

El trabajo de compresin puede expresarse como:

GHP = W/2544.4 Ec. 9

Donde 2544.4 Btu/h = 1 hp

FIG. 1.6Compresor del ciclo de refrigeracin


9/15

ETAPA DE CONDENSACIN

El refrigerante sobrecalentado que sale del compresor PA y TD (Punto D en

Fig 1-3), se enfra a la temperatura de punto de roco TA a condicin muy cercana

de presin constante y se condensa a temperatura constante.

Durante el proceso de desobrecalentamiento y condensacin, todo el calor

y trabajo acondicionados al refrigerante durante los procesos de evaporacin y

compresin, deben ser removidos de forma tal que se complete el ciclo llegando

al punto de inicio A, en el diagrama P-H que se muestra en la Fig. 1-3.

Acondicionado el duty de refrigeracin al calor de compresin, se calcula

el duty de condensacin QCD con la siguiente expresin:

QCD = m[(hVBhLA) + (hVDhVB)]

QCD = m(hVDhLA) Ec. 10


10/15

La presin de condensacin del refrigerante es una funcin del medio de

enfriamiento disponible: aire, agua de enfriamiento u otro refrigerante.

FIG 1-7 Condensadores del ciclo


11/15

EJEMPO 1 (GPSA)

Se van a enfriar 51.4 MMscfd del gas (gravedad especfica 0.6564 y

capacidad calorfica 0.67 Btu/lbF) desde 60F a 0F, mediante un sistema de

refrigeracin con propano. De la masa de gas que entra al chiller se condensa el

3.5% y el calor de condensacin c es 200 Btu/lb. El chiller de propano opera a -

10 F. La eficiencia isentrpica del compresor es 75%. Ver diagrama de flujo del

proceso en Fig. 1-3. Calcular:

a. El duty del chiller

b. La fraccin de lquido y vapor despus de la expansin

c. El flujo de refrigerante lquido propano en gpm y vapor en MMscfd.

d. El trabajo real del compresor y los caballos de fuerza de gas (GHP)

e. El calor de compresin y el duty del condensador

SOLUCIN:

a. Calcular el duty del chiller:

(gas) = PM(gas) / PM(aire) = 0.6564

PM(aire)

= 28.9625lb/lbmol


12/15

PM(gas) = 0.6564(28.9625) = 19.01 lb/lbmol

m(gas)= (51.4*106)scf/d*lbmol/380scf*19.01lb/lbmol * d/24h

m(gas)= 107,140lb/h

Masa de lquido condensado, mlc = 107,140 * 0.035 = 3,750lb/h

Q(chiller) = m(gas)Cp(gas)T + mlcc = Qref

Q(chiller) = 107,140lb/h * 0.67Btu/lbF * 60F + 3.750lb/h * 200Btu/h

= 506*106Btu/h

b. Calcular la fraccin de lquido y vapor despus de la expansin

En Fig 1-3 se ubica el punto A del inicio del ciclo de refrigeracin,

@ (TA=80F y lnea de de lquido saturado), se lee PA=145psia y

hLA=300Btu/lb.

Ubicar punto B a la salida de la expansin,

@ (TB=-10F y entalpa constante), se lee PB=32psia

Determinar hLB,

@(TB=-10F y lnea de lquido saturado, se lee hLB=244Btu/lb


13/15

FIG. 1-8 Diagrama P-H del propanoPara el ejemplo 1


14/15

Ubicar punto a la salida del evaporador (chiller),

@(TB=-10F y lnea de vapor saturado), se lee hVB419Btu/lb

PC=PB=32psia, TC=TB=-10F

De la Ec 2,

X = (hVBhLA)/(hVBhLB) = (419300)/(419244) = 0.68 fraccin en peso de lquido

(1X) = 10.68 = 0.32 fraccin en peso de vapor

c. Calcular el flujo de refrigerante lquido propano en gpm y vapor en MMscfd

De la Ec. 5,

m = Qref/(hVBhLA) = (5*106Btu/h)/(419300)Btu/lb = 42.521lb/h

De la Fig. 23-2del GPSA, PM(C3) = 44.097lb/lbmol

(C3) = 4.2268lb/gal

Refrigerante lquido = 42.521lb/h * gal/4.2268lb * h/60min = 168gpm

Refrigerante vapor = 42.521lb/h * lbmol/44.097lb * 380scf/lbmol * 24h/d

= 8.80MMscfd

d. Calcular el trabajo real del compresor y los caballos de fuerza de gas (GHP).


15/15

Ubicar punto D a la salida del condensador,

@(compresin isentrpica de C a D hasta PA=145psia),se lee hVD=450Btu/lb

De Ec. 6 Wi= m(hVDhVB) = 42,521(450419) = 1.32*106Btu/h

De Ec. 7 W = Wi / i = 1.32*106/0.75 = 1.76*10

6Btu/h

De Ec. 9 GHP = W/2544.4 = (1.76*106

Btu/h*hp)/2544.4Btu/h = 692hp

e. Calcular el calor de compresin y el duty del condensador

De Ec. 8

hVD= (hVDhVB)/ i + hVB = (450419)/0.75 + 419 = 460.3Btu/lb

Calor de compresin = m(hVDhVB) = 42,521(460.3419) = 1.76*106Btu/h

De Ec. 10

QCD = m(hVDhLA) = 42,521(460.3300) = 6.82*106Btu/h

ejemplo rm

Documents