CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención está relacionada con sistemas de enfriamiento y condensación de gas presurizado, particularmente de gas natural.

DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

En el estado de la técnica se encuentran documentos que divulgan dispositivos relacionados

con tecnología asistiva tales como los enseñados en los documentos de patentes RU2258186C1 y US6932858B2, y en la publicación INNOVATION FOR SUSTAINABLE ENERGY recuperado de: https://hub.wsu.edu/ise/design/precooling/ en octubre de 2018.

El documento RU2258186C1 divulga un proceso de licuefacción de gas natural para el compresor de llenado de gas de automóviles. Según el método propuesto, el gas natural de la red se encuentra a una presión de p <= 7,6 MPa, se comprime a una presión de alta de p <= 25 MPa y luego se enfría sucesivamente en un primer intercambiador de calor y luego en un segundo intercambiador de calor, para después ser entregado a un dispositivo de almacenamiento, en donde el gas se separa en fase líquida y gaseosa. La fase gaseosa se devuelve a la entrada de un compresor a través del segundo y primer intercambiador de calor. El gas de alta presión, (p <= 25 MPa), es enfriado en el primer intercambiador de calor por flujo frío desde un circuito de enfriamiento preliminar en el que al menos una etapa se usa como fuente de refrigeración adicional. Dicha etapa consiste en al menos un intercambiador de calor recuperativos y al menos dos tubos vortex que funcionan con el gas a presión, (p <= 7.5 MPa), que llega de la red. El flujo "frío" del primer tubo vortex se alimenta a la línea de presión media del intercambiador de calor del circuito de enfriamiento preliminar. El gas a presión, (p <7.5 MPa), enfriado en dicho intercambiador de calor preliminar, se suministra a la entrada del segundo tubo vortex, su flujo "frío" se mezcla con un flujo inverso de gas no licuado en el ciclo, desde la salida del segundo intercambiador de calor y se dirige a la entrada de la línea de presión media (p <= 1,6 MPa) del primer intercambiador de calor, en dicho intercambiador el flujo directo de gas a alta presión (p <= 25 MPa) se enfría a una temperatura T <245 K, para luego pasar al segundo intercambiador de calor. Adicionalmente, los flujos "calientes" de tubos vortex se unen y se dirigen a la red de salida de la estación de distribución de gas, por medio de un eyector.

Dicho documento RU2258186C1 presenta arreglos de tubos vortex conectados a intercambiadores de calor, más no arreglos de tubos vortex conectados entre sí. Además, la presión inicial del fluido usado como refrigerante y el fluido a refrigerar son diferentes. Por otro lado, el proceso divulgado exige el uso de al menos un compresor.

Por su parte, el documento US6932858B2 divulga un método y sistema para el procesamiento de gas natural en el que se introduce una corriente de gas natural que está compuesta por una mezcla de hidrocarburos en al menos un tubo vortex, obteniendo una corriente de fluido caliente y una corriente de fluido frío. La corriente de fluido frío se introduce en la sección superior de una columna de destilación y la corriente de fluido caliente se introduce en la sección inferior de la columna de destilación, dando como resultado una separación mejorada entre los componentes más pesados y más ligeros de dicho gas natural.

Por su parte, la publicación INNOVATION FOR SUSTAINABLE ENERGY divulga un ciclo de compresión seguido de tres tubos vortex. Cada tubo vortex es alimentado tanto por el gas de alimentación como por la salida caliente del siguiente tubo de vortex después de que ha pasado por un proceso de intercambio de calor con el gas que sale de la porción de refrigeración. El ciclo de compresión de dicha publicación es un ciclo cerrado; es decir, el fluido de trabajo no es una corriente de alimentación aguas abajo.

Adicionalmente, en el estado de la técnica también se conocen sistemas de enfriamiento y condensación de gases que utilizan compresores u otros sistemas con suministro externo de energía, los cuales estos presentan la desventaja de requerir mayores costos para su operación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención corresponde a un sistema de enfriamiento y condensación de gas que utiliza la energía misma de los fluidos a procesar, sin aporte de energía externa, y está comprendido por una línea de alimentación de gas, un primer tubo vortex conectado a la línea de alimentación de gas, un segundo tubo vortex conectado al primer tubo vortex y un primer intercambiador de calor conectado al segundo tubo vortex y a la línea de alimentación de gas. Dicho sistema de enfriamiento y condensación de gas es un sistema modular, el cual puede ser replicado y conectado en serie o en paralelo a otro sistema modular para obtener un gas más frío o con mayor flujo másico que le obtenido con un único sistema modular.

Además, el sistema de la presente invención se conecta opcionalmente a elementos de recuperación térmica, recuperación de presión, recirculación o venteo para el aprovechamiento de las corrientes de gas residuales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La FIG.l ilustra el sistema de enfriamiento y condensación de la presente invención, el cual representa un sistema modular.

La FIG.2 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.1 donde se incluye un tubo vortex adicional.

La FIG.3 ilustra una modalidad del sistema de enfriamiento y condensación donde se conectan en serie dos sistemas modulares. La FIG.4 ilustra una modalidad del sistema de enfriamiento y condensación donde se conectan en paralelo dos sistemas modulares.

La FIG.5 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.l donde se incluyen válvulas reguladoras de presión.

La FIG.6 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.l donde se incluyen válvulas reguladoras de presión y un eyector.

La FIG.7 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.1 donde se incluye una válvula de expansión y un dispositivo de separación y almacenamiento.

La FIG.8 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.l donde se incluyen válvulas reguladoras de presión, un eyector, una válvula de expansión y un dispositivo de separación y almacenamiento.

La FIG.9 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.3 donde se incluyen válvulas reguladoras de presión.

La FIG.10 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.3 donde se incluyen válvulas reguladoras de presión y un eyector.

La FIG.11 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.3 donde se incluye una válvula de expansión y un dispositivo de separación y almacenamiento.

La FIG.12 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.3 donde se incluyen válvulas de regulación de presión, un eyector, una válvula de expansión y un dispositivo de separación y almacenamiento.

La FIG.13 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.l donde se incluye una segunda línea de alimentación de gas. La FIG.14 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.l donde se incluye una segunda línea de alimentación de gas y un tercer tubo vortex.

La FIG.15 ilustra una modalidad del sistema de la FIG.l donde se incluyen válvulas reguladoras de presión, un eyector, una válvula de expansión, un dispositivo de separación y almacenamiento y un tercer intercambiador de calor.

La FIG.16 ilustra una modalidad preferida del sistema de enfriamiento y condensación de la presente invención.

La FIG.17 es una gráfica que ilustra los valores de presión y entalpia en un ejemplo de un sistema de enfriamiento y condensación de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En la industria de producción, tratamiento, transporte y distribución de gases, el enfriamiento y condensación de gases es un proceso conocido por demandar grandes cantidades de energía. Este aporte de energía puede ser eléctrica o térmica y constituye un costo de operación considerable a lo largo del ciclo de vida de los sistemas.

Por otro lado, es sabido que durante el transporte de gases estos deben presentar una alta presión para obtener un mayor flujo másico, sin embargo cuando el gas ha llegado a su destino comúnmente debe reducirse su presión para ser distribuido y consumido. Para disminuir la presión de un gas se requiere hacer uso de válvulas y dispositivos, a través de los cuales el gas se enfría como consecuencia natural de dicha disminución de presión, este enfriamiento comúnmente no es aprovechado y la energía de caída de presión no es utilizada en ninguna aplicación. En algunos casos, la reducción de presión se da en dispositivos denominados como turboexpansores, en los que la reducción de presión se utiliza para generar un movimiento rotacional de un eje, que acoplado a un generador permite obtener energía eléctrica. Esta invención considera el contexto de un proceso industrial en el cual existe un gas con una presión alta que puede o debe reducirse, y concurrentemente existe la necesidad u oportunidad de enfriar y condensar una corriente de gas. El dispositivo de la presente invención aprovecha la caída de presión que sufre el gas en un sistema para llevar a cabo procesos de enfriamiento y condensación del mismo gas o de otros gases, sin aporte externo de energía eléctrica o térmica, permitiendo por lo tanto que el proceso de enfriamiento y condensación se lleve a cabo con bajos costos operacionales.

Si la caída de presión se lleva a cabo en una válvula de regulación tradicional, el tubo que aloja el gas no logrará capturar dicha capacidad de enfriamiento, por lo cual el exterior del tubo se enfría, en ocasiones hasta congelarse, y el gas vuelve a incrementar su temperatura y a continuar su recorrido por la tubería. En la presente invención dicha caída de presión se realiza en tubos vortex lo que permite un mayor efecto de enfriamiento y una configuración más adecuada para el aprovechamiento de la corriente fría.

Al no requerir energía adicional para enfriar y condensar el gas, se hace factible la producción de gas licuado a pequeña escala; es decir, la producción de cantidades de gas licuado en escalas que con aporte externo de energía no sería costo -efectivo. En una modalidad de la invención el sistema de la presente invención usa energía adicional solo para alimentar sistemas auxiliares como sistemas de medición y control.

La presente invención consiste en un sistema de enfriamiento y condensación de fluidos conformado por arreglos de tubos vortex e intercambiadores de calor.

Para el entendimiento de la invención los fluidos tratados son gases. Por ejemplo, dichos gases se seleccionan entre dióxido de carbono (C02), monóxido de carbono (CO), cloro (C12), hidrógeno (H2), cloruro de hidrógeno (HC1), metano (CH4), etano (C2H6), butano (C4H10), óxido nitroso (N20), propano (C3H8), dióxido de azufre (S02), argón (Ar), nitrógeno (N2), vapor de agua (H20) oxígeno (02), helio (He), kriptón (Kr), neón (Ne), xenón (Xe), gas natural o mezclas de los anteriores. En una modalidad de la invención el sistema permite obtener gas natural en estado líquido a baja presión para uso comercial (p < 413.6 kPa) y con la característica mencionada anteriormente de no requerir energía eléctrica o térmica adicional a la dada por la diferencia de energía potencial (diferencial de presión) entre la línea de alimentación y la presión final de almacenamiento.

La presente invención consiste en un sistema de enfriamiento y condensación de gas, que comprende una línea de alimentación de gas, un primer tubo vortex conectado a la línea de alimentación de gas, un segundo tubo vortex conectado al primer tubo vortex y un primer intercambiador de calor conectado al segundo tubo vortex y a la línea de alimentación de gas. Donde el sistema de enfriamiento y condensación de gas es un sistema modular, lo cual significa que puede ser replicado y conectado a otro sistema modular igual.

Haciendo referencia a la FIG.l, en una modalidad de la invención, el sistema comprende un primer tubo vortex (110), un segundo tubo vortex (120) y un primer intercambiador de calor (150). Tanto el primer tubo vortex (110) como el segundo tubo vortex (120) tienen una entrada (111,121), una primera salida (112, 122) y una segunda salida (113,123). La entrada (111) del primer tubo vortex (110) se conecta a una línea de alimentación de gas (100) y la entrada del segundo tubo vortex (120) se conecta a la primera salida (112) del primer tubo vortex (110), esto genera una cascada térmica y másica.

Por su parte el primer intercambiador de calor (150) tiene dos entradas (151,152) y dos salidas (153,154), una primera entrada (151) conectada a la línea de alimentación de gas (100) y una segunda entrada (152) conectada a la primera salida (122) del segundo tubo vortex (120). El gas enfriado sale por la primera salida (153) del primer intercambiador de calor (150) y el gas usado como refrigerante sale de la segunda salida (154) del primer intercambiador de calor (150).

Respecto a la línea de alimentación de gas (100) esta se selecciona entre una línea de alimentación continua (por ejemplo por medio de un sistema de tuberías) o una línea de alimentación discontinua (por ejemplo utilizando tanques o contenedores), con un nivel de presión de suministro regulado o variable entre 1.0 y 25 MPa, preferiblemente entre 4.0 y 6.5 MPa.

Por otro lado, los tubos vortex son dispositivos que no tienen partes móviles, a los cuales entra un gas a alta presión que se separa en dos corrientes de menor presión que la presión del gas de entrada. Una de las corrientes sale a mayor temperatura que la del gas de entrada (salida de alta temperatura) y la otra corriente sale a menor temperatura que la del gas de entrada (salida de baja temperatura). Para la comprensión de la presente invención se denominarán como “primera salida” las salidas de baja temperatura de los tubos vortex y como“segunda salida” las salidas de alta temperatura de los tubos vortex.

Debido a la geometría interna del tubo vortex vortex el gas entra de manera tangencial al eje longitudinal del tubo vortex, de tal manera que se induce un giro en la corriente que está entrando, y posteriormente una separación en las dos corrientes de gas mencionadas. El fluido que gira más rápido pierde calor, por lo tanto se enfría más. Este proceso se da acompañado de una caída de presión.

Comúnmente, y según lo encontrado en la industria, la corriente de salida del tubo vortex que se aprovecha es la que proviene de la salida de alta temperatura, que se usa para secado de otras sustancias. En la presente invención la corriente de la salida de baja temperatura es la que se aprovecha.

Por su parte los intercambiadores de calor (150, 160 y 170) usados en la presente invención se seleccionan del grupo compuesto por intercambiadores de contacto directo, intercambiadores de contacto indirecto, intercambiadores alternativos, intercambiadores de superficie, intercambiadores de placas, intercambiadores de tubos, intercambiadores de tubos y coraza, intercambiadores de tubos concéntricos, intercambiadores de flujos cruzados, intercambiadores de flujos paralelos, intercambiadores en co-corriente e intercambiadores en contracorriente. En una realización preferida de la invención, los intercambiadores de calor (150, 160 y 170) son de tubos y coraza. Dichos intercambiadores tienen una dirección de flujo a contracorriente, y el fluido refrigerante fluye por los tubos mientras que el fluido a enfriar fluye por la coraza. Dicho intercambiadores de calor son cerrados, por lo tanto los fluidos no se mezclan. La presión del fluido a enfriar varía entre 1.0 a 25 MPa, mientras que la presión del fluido refrigerante varía entre 100 kPa y 25 MPa. En la modalidad preferida de esta invención, la presión del fluido a enfriar varía entre 4.0 y 6.5 MPa, mientras que la del fluido refrigerante varía entre 400 kPa y 6.5 MPa.

Haciendo nuevamente referencia a la FIG.l, la corriente que sale de la primera salida (122) del segundo tubo vortex (120) presenta baja temperatura y baja presión respecto al gas que ingresó por (111). Sin embargo dicha corriente que sale de (122) está alejada de la zona de condensación, por lo cual un mejor uso para esta es como refrigerante para la corriente proveniente de (100) que mantiene la alta presión, por lo cual es más propensa a alcanzar la condensación. Para provocar el enfriamiento y condensación de gas se ingresan las dos corrientes provenientes de (100) y (122) en el primer intercambiador de calor (150), logrando el enfriamiento de la corriente proveniente de (100) con una disminución despreciable de su presión.

Es importante mencionar que el estado del fluido enfriado que sale por la primera salida (153) del primer intercambiador de calor (150) depende de la naturaleza de dicho fluido, por lo tanto es posible obtener un fluido en estado líquido, gaseoso o una mezcla de ambos, sin embargo este fluido está termodinámicamente más cerca de la zona de condensación lo cual lo hace más apto para la obtención de líquidos a baja presión. Este fluido condensado parcialmente puede separarse y para llevar su fracción gaseosa a una válvula de expansión donde se obtenga más líquido. Dicho gas enfriado que sale por la salida (153) se usa como refrigerante para aplicaciones industriales o se enfría más con el fin de llevarlo a un estado líquido.

Por otra parte, la corriente que sale de (154) puede ser venteada, recuperada o recirculada como se explicará más adelante. De acuerdo con lo anterior, el sistema observado en la FIG.1 se conoce como un sistema modular de enfriamiento y condensación y consta de una cascada térmica y másica de dos tubos vórtex y un intercambiador de calor. Este módulo permite obtener un fluido a alta presión, enfriado, condensado o con condensación parcial.

En una modalidad de la invención la cascada térmica y másica puede comprender más de dos tubos vortex. Esto es posible y útil según el porcentaje de caída de presión disponible del gas que se quiera condensar. Haciendo referencia a la FIG. 2, el sistema de la invención incluye una cascada térmica y másica con un primer tubo vortex (110), un segundo tubo vortex (120) y un tercer tubo vortex (130) que entrega un gas refrigerante al primer intercambiador de calor (150).

En algunas aplicaciones de la invención y según las propiedades de los gases tratados se requiere un gas más frío o con mayor flujo másico. Para solucionar estos requerimientos se es posible conectar dos módulos en serie o en paralelo como se explicará a continuación:

Haciendo referencia a la FIG.3, en una realización de la invención el primer intercambiador de calor (150) se conecta un tercer tubo vortex (130), dicho tercer tubo vortex (130) se conecta a un cuarto tubo vortex (140), y un segundo intercambiador de calor (160) se conecta al cuarto tubo vortex (140) y a la línea de alimentación de gas (100). En este caso el sistema se configura con la conexión en serie de dos sistemas modulares.

De acuerdo a lo anterior, la corriente de gas que sale por la primera salida (153) se conecta a otro módulo de enfriamiento para continuar disminuyendo su temperatura. Esto es posible porque su presión continua siendo la misma que tiene línea de alimentación de gas (100), ya que su paso por el primer intercambiador de calor (150) no afecta sustancialmente su presión y únicamente disminuye su temperatura.

Haciendo referencia nuevamente a la FIG.3, en una modalidad de la invención la corriente de gas que sale por la segunda salida (133) del tercer tubo vortex (130) está a la misma presión que la comente de gas que sale por segunda salida (113) del primer tubo vortex (110), estas corrientes se unen y conforman una línea de presión intermedia. Adicionalmente, la corriente de gas que sale por la segunda salida (123) del segundo tubo vortex (120) está a la misma presión que la corriente de gas que sale por segunda salida (143) del cuarto tubo vortex (140), estas corrientes se unen y conforman una línea de baja presión.

La corriente que sale de la primera salida (142) del cuarto tubo vortex (140) se encuentra aún más fría que la corriente que sale de la primera salida (153) del primer intercambiador de calor (150). Dicha corriente proveniente de la primera salida (142) es utilizada para enfriar el gas que llega al segundo intercambiador de calor (160), obteniendo una corriente más fría que la proveniente de la primera salida (153) y con la misma presión de la línea de alimentación de gas (100).

El número de sistemas modulares que se configuren en serie está dado según la aplicación requerida o según sea posible técnica y económicamente. En una modalidad preferida de la invención se conectan en serie entre dos y cuatro sistemas modulares. Se debe tener en cuenta que entre más sistema modulares se incluyan, más salidas de alta temperatura se obtendrán, lo cual puede ser una desventaja si no se tiene un uso para las corrientes de baja presión y presión intermedia que provienen de dichas salidas y que se considerarían desperdicios del sistema. En un ejemplo de la invención dichas corrientes de baja y media presión se aprovechan recirculándose y/o recuperando su presión y/o temperatura dentro del sistema. Esto se detallará más adelante.

Haciendo referencia a la FIG.4, en una modalidad de la invención la línea de alimentación de gas (100) se conecta a un tercer tubo vortex (130), dicho tercer tubo vortex (130) se conecta a un cuarto tubo vortex (140), y un segundo intercambiador de calor (160) se conecta al cuarto tubo vortex (140) y a la línea de alimentación de gas (100). En este caso el sistema se configura con la conexión en paralelo de dos sistemas modulares. Dichos dos sistemas modulares se conectan en paralelo para obtener un flujo másico mayor de gas enfriado. De esta manera se obtienen las mismas condiciones de temperatura y presión en las corrientes provenientes de las salidas (153 y 163) del primer intercambiador de calor (150) y del segundo intercambiador de calor (160). Una de las ventajas del anterior arreglo en paralelo es el uso de tubos vortex más pequeños que los usados en un único sistema modular debido a que reciben flujos músicos menores individualmente.

En una modalidad no ilustrada de la invención donde se requiere mayor flujo másico y caída de temperatura, se disponen en paralelo dos sistemas en serie.

Volviendo al sistema modular conformado por una cascada térmica y música y un intercambiador de calor, en una modalidad de la invención el primer tubo vortex (110) y el segundo tubo vortex (120) y el primer intercambiador de calor (150) están conectados a un elemento que se selecciona del grupo compuesto por válvula reguladora de presión (180), eyector (190), dispositivo de expansión (200), dispositivo de separación y almacenamiento (210) y combinaciones de los anteriores.

Haciendo referencia a la FIG.5, en una modalidad de la invención las segundas salidas (113 y 123) del primer tubo vortex (110) y del segundo tubo vortex (120) y la segunda salida (154) del primer intercambiador de calor (150) se conectan a válvulas reguladoras de presión (180) para llevar dichas corrientes a una presión común o a una presión deseada de manera individual. Esto se realiza con el fin aprovechar el gas proveniente de dichas salidas (113,123 y 154) para recirculación, recuperación o incluso para llevarse a venteo. Si dichas válvula reguladoras de presión (180) no se utilizaran, las corrientes que salen por las salidas (113,123 y 154) deberían entregarse a sistemas que trabajen con la misma presión de cada una de ellas, lo cual es poco viable a nivel industrial.

Haciendo referencia a la FIG.6, en una modalidad de la invención las segundas salidas (113 y 123) del primer tubo vortex (110) y del segundo tubo vortex (120) y la segunda salida (154) del primer intercambiador de calor (150) se conectan a válvulas reguladoras de presión (180) y posteriormente se llevan a un eyector (190). En esta modalidad se lleva a cabo tanto recuperación como recirculación de las corrientes residuales provenientes de (113,123 y 154). El eyector (190) permite que la corriente que viene de (113) y sale a una presión intermedia succione el fluido de las corrientes de baja presión provenientes de (123 y 154), logrando la recuperación conjunta de dichas corrientes provenientes de (113, 123 y 154). Por su parte, la corriente que sale del eyector (190) aúna los flujos músicos de las corrientes provenientes de (113, 123 y 154) y presenta una presión intermedia entre las tres corrientes. Dicha corriente proveniente del eyector (190) es recirculada hacia un sistema que presente su misma presión.

Haciendo referencia a la FIG.7, en una modalidad de la invención la corriente proveniente de la primera salida (153) del primer intercambiador de calor (150), la cual se encuentra a alta presión y baja temperatura respecto a cualquier otra corriente del sistema, cruza por una válvula de expansión (200). Uno de los objetivos de esto es disminuir la presión de dicha corriente y enfriar el fluido hasta llevarlo a un estado de mezcla líquido-gas, donde el porcentaje de líquido varía entre 0.5% y 80.0%. En un ejemplo de la invención, se utilizan dos o más válvulas de expansión (200) consecutivas. Posteriormente dicha mezcla de líquido -gas es llevada a un dispositivo de separación y almacenamiento (210). En una modalidad no ilustrada de la invención el líquido almacenado en el dispositivo de separación y almacenamiento (210) es llevado a otra válvula de expansión (200) para disminuir nuevamente su presión y posteriormente se deposita en un dispositivo de separación y almacenamiento (210) final.

Vale la pena mencionar que el número de válvulas de expansión (200) y dispositivos de separación y almacenamiento (210) a través del cual fluye la corriente proveniente de (153) dependerá de los valores de temperatura y presión de gas licuado establecidos por la industria o por una persona medianamente versada en la materia. Por lo cual, la configuración de las válvulas de expansión (200) y los dispositivos de separación y almacenamiento (210) varían de acuerdo al gas tratado y sus propiedades físicas deseadas. Por otro lado, el gas almacenado en los dispositivos de separación y almacenamiento (210) se encuentra a baja presión y a baja temperatura, por lo tanto serviría como refrigerante para enfriar por medio de un intercambiador de calor, una de las corrientes residuales que salen de las segundas salidas (113, 123 y 154).

Haciendo referencia a la FIG.8, en una modalidad de la invención se incluyen válvulas de regulación para cada una de las corrientes provenientes de las salidas (113, 123 y 154) para posteriormente llevarse a un eyector (190) que como se explicó anteriormente homogeniza las presiones de dichas corrientes. Además, la corriente que sale del primer intercambiador de calor (150) a través de la primera salida (153) es llevada a una presión y temperatura menores por medio de la válvula de expansión (200). Posteriormente la mezcla líquido -gaseosa se transporta hacia dispositivos de separación y almacenamiento (210).

A continuación se indican algunas modalidades de un sistema de enfriamiento y condensación de la presente invención que se encuentra conectado en serie:

En una modalidad de la invención el primer tubo vortex (110) tiene una segunda salida (113), el segundo tubo vortex (120) tiene una segunda salida (123), el tercer tubo vortex (130) tiene una segunda salida (133), el cuarto tubo vortex (140) tiene una segunda salida (143), el primer intercambiador de calor (150) tiene una segunda salida (154) y el segundo intercambiador de calor (160) tiene una segunda salida (164). Dichas segundas salidas (113, 123, 133,143, 154 y 164) se conectan individual o colectivamente a un elemento que se selecciona del grupo compuesto por válvulas reguladoras de presión (180), eyectores (190) y combinaciones de los anteriores.

Haciendo referencia a la FIG.9, en una modalidad de la invención las segundas salidas (113 123, 133, y 143) del primer tubo vortex (110), del segundo tubo vortex (120), del tercer tubo vortex (130) y del cuarto tubo vortex (140) y las segundas salidas (154 y 164) del primer intercambiador de calor (150) y del segundo intercambiador de calor (160) se conectan a válvulas reguladoras de presión (180) para llevar dichas corrientes a una presión común o a una presión deseada de manera individual. De igual manera que en la FIG.5, esto se realiza con el fin aprovechar el gas proveniente de dichas salidas (113,123 y 154) para recirculación, recuperación o incluso para llevarse a venteo. Si dichas válvula reguladoras de presión (180) no se utilizaran, las corrientes que salen por las salidas (113,123, 133, 143, 154 y 164) deberían entregarse a sistemas que trabajen con la misma presión de cada una de ellas, lo cual es poco viable a nivel industrial.

Haciendo referencia a la FIG.10, en una modalidad de la invención las segundas salidas (113 123, 133, y 143) del primer tubo vortex (110) y del segundo tubo vortex (120), del tercer tubo vortex (130) y del cuarto tubo vortex (140) y las segundas salidas (154 y 164) del primer intercambiador de calor (150) y del segundo intercambiador de calor (160) se conectan a válvulas reguladoras de presión (180) y posteriormente se llevan a un eyector (190). En esta modalidad se lleva a cabo tanto recuperación como recirculación de las corrientes residuales provenientes de (113,123, 133, 143, 154 y 164). El eyector (190) permite que las corrientes que vienen de (113 y 133) y salen a una presión intermedia suban la presión de las corrientes de baja presión provenientes de (123, 143,154 y 164), logrando la recuperación de dichas corrientes provenientes de (113,123, 133, 143, 154 y 164). La corriente proveniente del eyector (190) es recirculada hacia un sistema que presente la misma presión.

En la modalidad ilustrada en la FIG.10, se evidencia que las corrientes provenientes de las segundas salidas (113 y 133) se unen en una línea de presión intermedia que entra al eyector (190), a la vez que las corrientes provenientes de las segunda salidas (123, 143, 154 y 164) se unen en una línea de baja presión que también entra al eyector (190).

Por otro lado, y haciendo referencia a la FIG. 11, en una modalidad de la invención el segundo intercambiador de calor (160) tiene una primera salida (163) conectada a un elemento que se selecciona del grupo compuesto por dispositivos de expansión (200), dispositivos de separación y almacenamiento (210) y combinaciones de los anteriores.

De manera análoga a la modalidad de la FIG.7, en una modalidad de la invención ilustrada en la FIG.11 la corriente proveniente de la primera salida (163) del segundo intercambiador de calor (160), se encuentra a alta presión y baja temperatura respecto a cualquier otra corriente del sistema, cruza por una válvula de expansión (200). Gracias a esto se disminuye la presión de dicha corriente y se enfría el fluido hasta llevarlo a un estado de mezcla líquido-gas, donde el porcentaje de líquido varía entre 0.5% y 80.0%. Posteriormente dicha mezcla de líquido -gas es llevada a un dispositivo de separación y almacenamiento (210). En una modalidad no ilustrada de la invención el líquido almacenado en el dispositivo de separación y almacenamiento (210) es llevado a otra válvula de expansión (200) para disminuir nuevamente su presión y posteriormente se deposita en un dispositivo de separación y almacenamiento (210) final. Al igual que en la modalidad de la FIG.7, es posible usar dos o más válvulas de expansión (200) consecutivas.

Haciendo referencia a la FIG.12, en una modalidad de la invención se incluyen válvulas de regulación para cada una de las corrientes provenientes de las salidas (113, 123, 133, 143, 154 y 164) para posteriormente llevarse a un eyector (190) que como se explicó anteriormente homogeniza las presiones de dichas corrientes. Además, la corriente que sale del segundo intercambiador de calor (160) a través de la primera salida (163) es llevada a una presión y temperatura menores por medio de la válvula de expansión (200). Posteriormente la mezcla líquido -gaseosa se transporta hacia dispositivos de separación y almacenamiento (210). Esto se realiza de manera similar a la FIG.8, con la diferencia de que la presente modalidad son dos sistemas modulares conectados en serie.

Para las modalidades donde dos sistemas modulares se encuentran conectados en paralelo, también es posible usar conexiones a elementos que permitan la recirculación, recuperación y separación y almacenamiento como los usados en la FIG.5 a FIG.12.

De acuerdo a lo anterior en una modalidad de la invención donde el sistema tiene dos módulos en paralelo como se presenta en la FIG.4, las salidas (113, 123, 133,143, 154 y 164) se conectan de manera individual o colectiva a un elemento que se selecciona del grupo compuesto por válvulas reguladoras de presión (180), eyectores (190) y combinaciones de los anteriores. Por otra parte, también en una modalidad de la invención donde el sistema tiene dos módulos en paralelo como se presenta en la FIG.4, el primer intercambiador de calor (150) tiene una primera salida (153) y el segundo intercambiador de calor (160) tiene una primera salida (163), y dichas primeras salidas (153 y 163) se conectan de manera individual o colectiva a un elemento que se selecciona del grupo compuesto por dispositivos de expansión (200), dispositivos de separación y almacenamiento (210) y combinaciones de los anteriores.

Adicionalmente, en una modalidad no ilustrada donde se tiene un sistema de módulos en paralelo, se incluyen válvulas de regulación para cada una de las corrientes provenientes de las salidas (113, 123, 133, 143, 154 y 164) para posteriormente llevarse a un eyector (190) que como se explicó anteriormente homogeniza las presiones de dichas corrientes. Además, las corrientes que salen del primer intercambiador de calor (150) y del segundo intercambiador de calor (160) a través de las salidas (153 y 163) son llevadas a una presión y temperatura menores por medio de la válvula de expansión (200) de manera individual o colectivamente. Posteriormente la mezcla líquido -gaseosa que se obtiene de ese paso por las válvulas de expansión (200) se transporta hacia dispositivos de separación y almacenamiento (210).

Haciendo referencia a la FIG.13, en una modalidad de la invención una segunda línea de alimentación de gas (300) adicional a la línea de alimentación de gas (100). Es posible que dichas líneas de alimentación de gas (100 y 300) presenten características diferentes tales como ser continuas o discontinuas, contener un gas igual pero a diferente presión o contener gases diferentes, esto último permitiría, por ejemplo, enfriar un gas proveniente de la segunda línea de alimentación de gas (300) que permita mayores caídas de temperatura y usarlo como refrigerante del gas proveniente de la línea de alimentación de gas (100).

Haciendo referencia a la FIG.14, en una modalidad de la invención se tiene una cascada térmica de tres tubos vortex (110,120 y 130) y una segunda línea de alimentación de gas (300) adicional a la línea de alimentación de gas (100). En esta modalidad las líneas de alimentación de gas (100 y 300) contienen gases diferentes, y el gas de la segunda línea de alimentación de gas (300) permite, por su condición operativa o su naturaleza, mayores relaciones de caídas de reducción de presión que el gas de la línea (100), lo que permite implementar mayor número de tubos vortex en cascada o módulos de enfriamiento que operen a menor presión de entrada que la línea de alimentación de gas (100); de tal forma que es ideal para ser usado como refrigerante del gas proveniente de la línea de alimentación de gas (100). Esto es posible gracias a que el primer intercambiador de calor (150) es cerrado y no permite la mezcla de los gases, únicamente el intercambio de calor entre ellos. Una aplicación de esta modalidad sería una donde la segunda línea de alimentación de gas (300) contiene aire comprimido que se enfría por medio de una cascada térmica de tres tubos vortex (110, 120,130) y se utiliza para refrigerar gas natural proveniente de una línea de alimentación de gas (100). La relación óptima para aire comprimido entre presión de entrada y presión de salida es 0.528 y para el gas natural es 0.54, las cuales son muy similares. Sin embargo, si el aire comprimido ingresa por (300) a 1.38 MPa, y su descarga puede darse a presión atmosférica (101 kPa) por no ser un gas nocivo, es posible realizar mayor número de saltos térmicos y de presión con tubos vortex, obteniendo aire comprimido igual o más frío que si se realizara con gas natural, de tal manera que la refrigeración del gas natural de la línea de alimentación de gas (100) es mayor. Por lo cual, el efecto de enfriamiento que se tendría con gas natural a una presión de entrada de 4.48 MPa y una presión de salida de 0.8 MPa es comparable con el que se obtiene con aire comprimido a una presión de entrada de 1.37 MPa y una presión de salida de 0.24 MPa. Esto constituye una ventaja si se dispone de aire comprimido en una instalación industrial.

Por otro lado, y haciendo referencia a la FIG.15, en una modalidad preferida de la invención además de tener los dos sistemas modulares en serie que incluyen cuatro tubos vortex (110,120, 130 y 140) y dos intercambiadores de calor (150 y 160), se incluye un tercer intercambiador de calor (170). La corriente (F- 17) proveniente de la segunda salida (164) del segundo intercambiador de calor (160) alimenta la segunda entrada (172) del tercer intercambiador de calor (170) junto a la corriente (F-8) proveniente de la segunda salida (154) del primer intercambiador de calor (150). De tal manera que la corriente (F-15) enfría la corriente (F-3) que proviene de la línea de alimentación de gas (100). En esta modalidad el tercer intercambiador de calor (170) cumple la función de un recuperador de calor, es decir, es un intercambiador de calor de pre-enfriamiento ya que utiliza las corrientes (F-17 y F-8) que están a menor temperatura que (F-0) para enfriar la fracción (F-3). Por su parte el segundo intercambiador de calor (160) sería el intercambiador de enfriamiento.

Por otro lado, vale la pena indicar que es posible llevar la corriente (F-8) a la corriente (F-14) o a la corriente (F-15) de acuerdo a los requerimientos del sistema. También es factible llevar la corriente (F-13) tanto a (F-17) como a unirse con (F-7, F-14 y F-20(b)), estas dos variaciones responden a los flujos másico que se establezcan para el cuarto tubo vortex (140) del cual proviene dicha corriente (F-13). Por ejemplo, si el flujo másico que sale por la segunda salida (143) es mayor que el que sale por la primera salida (142), es conveniente llevar la corriente (F-13) hacia la corriente (F-17), para incrementar el flujo másico del gas que enfría la corriente (F-3). Por el contrario, si el flujo másico que sale por la segunda salida (143) es menor que el que sale por la primera salida (142), es conveniente llevar la corriente (F-13) a unirse con las corrientes (F-7, F-14 y F-20(b)) para recuperarse por medio del eyector (190).

Haciendo referencia a la FIG.16, en una modalidad de la invención la línea de alimentación de gas (100) está conectada a una válvula de regulación (180), debido a que se requiere estabilizar la presión variable que posiblemente entregaría una fuente usada como línea de alimentación de gas (100). Dicha válvula de regulación (180) conectada a la línea de alimentación de gas (100) es opcional pero representa una mejora en la operación del sistema.

Por otra parte la corriente (F-18) que sale de la primera salida (163) del segundo intercambiador de calor (160) es llevada a una válvula de expansión (200) y posteriormente a un tanque de separación (210) que presenta una presión intermedia donde obtenemos una corriente de líquido F-20 y una corriente de gas F-26. La corriente de líquido F-20 es llevada a una válvula de expansión (200) donde se baja su presión y posteriormente se lleva a un segundo tanque de separación (220), por su parte la corriente de gas F-26 es unida a la corriente proveniente del eyector (190), para recirculación. El tanque de separación (220) alberga más contenido líquido que el tanque de separación (210), sin embargo también contiene gas. La comente de gas (F- 27) proveniente del tanque de separación (220) es recirculada al tanque de separación (210), y debido a que el gas de la corriente (F-27) se encuentra más frío que el gas dentro de dicho tanque (210), la comente (F-27) ayuda a condensar el gas contenido en el tanque (210), produciendo más líquido.

Por otra parte, la comente de gas (F-29) que emerge del tanque (220) es un exceso de gas que se deja salir de manera no continua para reestablecer la presión dentro del tanque (220) y compensar la ganancia de calor que entra al tanque (220) proveniente del tanque (210). Además, la comente de gas (F-29) que sale del tanque (220) es el producto de la evaporación que sufre el líquido y que necesitó exceso de calor para volverse gas, esto tiene un efecto refrigerante ya que toda ganancia de calor del tanque (210) se convierte en gas. En un ejemplo particular de la invención el gas que se ventea diariamente en la comente F-29 corresponde a entre el 0,15% y 0,2% de la masa almacenada.

Finalmente el gas licuado (F-22) que presenta las propiedades específicas requeridas por la industria es llevado del tanque (220) a una cisterna (230) para su transporte, aunque también es posible que la comente (F-22) sea almacenada. Por otro lado, el tanque (240) almacena el gas proveniente del eyector (190), el cual presenta una presión promedio entre las presiones de las comentes (F-24 y F-23). Dicho tanque (240) puede ser un tanque de estabilización de presiones el cual alimenta un sistema de recirculación externo.

La configuración ilustrada en la FIG.16 es la modalidad preferida de la presente invención y cuenta con recuperación de energía de presión en el eyector (190), recuperación de energía térmica en el tercer intercambiador de calor (170) y con la recuperación de energía térmica por la recirculación de gas entre el tanque (210) y el tanque (220) que aumenta la producción de líquido.

A continuación se explica la gráfica de la FIG.17, que se relaciona con la modalidad favorita de la FIG.16 donde se trabaja con gas natural. El área que se encuentra en la parte de superior derecha de la gráfica, fuera de la línea de saturación y a una entalpia mayor a -5000KJ/kg representa una zona de fase de vapor, fase en la cual se encontraría el gas natural dadas las presiones y líneas de temperatura indicadas. Por otro lado, la región que se observa en la parte de superior izquierda de la gráfica, fuera de la línea de saturación y a una entalpia menor a - 5000KJ/kg representa una zona de fase líquida, fase en la cual se encontraría el gas natural dadas las presiones y líneas de temperatura indicadas. Por su parte, el área bajo la línea de saturación representa una zona de mezcla de vapor- líquido.

El punto F-l, F-2 y F-3 muestran la condición de alta presión (4.25 MPa) a la que ingresa el gas natural al sistema de enfriamiento y condensación de la FIG.16, con una temperatura de 25°C. Si se realizara una expansión en estos puntos la presión y temperatura del gas bajarían sin embargo no alcanzaría la zona de fase liquida.

En el sistema de enfriamiento y condensación indicado en la FIG.16, F-4 es la salida del primer tubo vortex donde se da una primera caída de presión y de temperatura. En el segundo tubo vortex se da una segunda caída de presión y de temperatura evidenciado en la corriente F-6. Posteriormente la corriente F-2 intercambia calor con F-6, obteniendo una corriente F-9 con la misma alta presión (4.25 MPa) pero temperatura más baja. Si a dicha corriente F-9 se le realizara una expansión el gas alcanzaría la zona de mezcla de vapor-líquido, sin embargo en este punto la producción de líquido sería muy baja. Por tal motivo dicha corriente F-9 vuelve a entrar a un cascada térmica obteniéndose la corriente F-12. Esta corriente F-12 intercambia calor con la corriente de alta presión F-3 y de esta manera se obtiene una corriente F-l 8 que al expandirse alcanzará mayor producción de líquido que el alcanzado al expandir las corriente (F-l, F-2 o F-3). Por lo tanto, la corriente F-19 se lleva a un tanque que separa las fases obteniendo la corriente F-20 que es el gas licuado a baja presión y a baja temperatura (- 140°C).

GLOSARIO

Para la comprensión de la presente invención se definirán los siguientes términos: • Tubo vortex: dispositivo que divide la comente de un fluido en dos comentes, una de ellas con temperatura más baja que la temperatura de la comente de entrada y otra con una temperatura más alta que la temperatura de la corriente de entrada.

• Cascada térmica y música: configuración de al menos dos tubos vortex que disminuye la temperatura de una comente inicial de fluido, donde la salida “fría” del primer tubo vortex se conecta a la entrada del segundo tubo vortex.

• Alta presión: Presión de una comente de gas en un sistema de gas comprimido antes de sufrir una caída de presión.

• Presión intermedia: Presión obtenida luego que una comente de gas experimenta una o más caídas de presión dentro de un sistema de gas comprimido.

• Baja presión: Presión obtenida luego que una comente de gas experimenta todas las caídas de presión en un sistema de gas comprimido.

• Recuperación: Restablecimiento de las magnitudes de presión y/o temperatura de una corriente de gas comprimido, por medio de la energía de otra comente.

• Recirculación: Inyección de una comente de gas a un sistema que presenta la misma presión aproximada.

• Venteo: Emisión de un gas hacia la atmosfera. EJEMPLO 1:

Haciendo referencia a la FIG.16 y FIG.17, se diseñó y simuló un sistema de enfriamiento y licuefacción de gas natural con las siguientes características:

Se utilizaron tres intercambiadores de calor de coraza y tubos (150, 160 y 170), a través de los cuales se enfrió gas natural proveniente de una línea de alimentación de gas (100) a 4,25 MPa de presión. Los intercambiadores de calor, (150, 160, 170) fueron especificados como de tubos y coraza, poseen cabezal fijo tipo A, placa de tubos fija y banco de tubos en“U” removible.

El gas de enfriamiento requerido se obtuvo de la misma línea de alimentación de gas (100) y se refrigeró mediante dos arreglos de tubos vortex o cascadas térmicas. La primer cascada térmica utilizó 1004,13 m3/h de gas de la línea de alimentación principal (100) y permitió obtener 160,66 m3/h de gas a condiciones de presión de 165 kPa y temperatura de -62,60 °C (corriente F-6, FIG.16). Por otra parte la segunda cascada térmica utiliza como línea de alimentación la corriente que ha sido previamente enfriada en el primer intercambiador de calor (150) (160,66 m3/h , corriente F-9, FIG.16) permitiendo generar una corriente teórica de 25,71 m3/h a 165 kPa y -123,90 °C (corriente F-12, Figura 16).

A continuación se indican las características principales de las corrientes en la línea de refrigeración:

El contexto del presente ejemplo es aquel donde se requiere llevar gas natural de una presión de transporte a una presión de distribución. Se obtiene gas a baja presión en las corrientes que salen de las segundas salidas (143 y 123) mientras que se aprovecha la caída de presión para enfriar y condensar una porción de dicho gas natural, que posteriormente se usará en otras aplicaciones.

El gas natural licuado obtenido de la primera salida (163) del segundo intercambiador de calor (160), se encuentra a alta presión y no puede ser considerado gas licuado comercial. Por lo tanto se busca llevar este gas natural licuado a menor presión por medio de los dispositivos de expansión (200) y separación y almacenamiento (210, 220, 230).

La mezcla líquido -gas obtenida de la salida (153), presenta un porcentaje de líquido que varía entre 5% 7% del flujo másico total ingresado desde la línea de alimentación de gas (100).

Este considerable teniendo en cuenta que en el caso donde la corriente de la línea de alimentación de gas (100) se llevara a una válvula de expansión (200) directamente, se obtendría un porcentaje de líquido de aproximadamente 0.5%. Esto corresponde a lo explicado en la FIG.17.

En el caso del gas natural el máximo aprovechamiento térmico y de presión se da cuando la presión de salida (baja presión) es máximo un 57% de la presión de entrada (alta presión), restringiendo el número de saltos térmicos posibles.

Se debe entender que la presente invención no se halla limitada a las modalidades descritas e ilustradas, pues como será evidente para una persona versada en el arte, existen variaciones y modificaciones posibles que no se apartan del espíritu de la invención, el cual solo se encuentra definido por las siguientes reivindicaciones.