Diseño óptimo evolutivo del proceso derefrigeración de etileno

El etileno es producido en grandes volúmenes en plantas de descompo-sición térmica de etano y gasolinas. Para garantizar una operación con-tinua, es necesario contar con unidades de refrigeración de etileno, que permitan su almacenamiento en fase líquida. La licuefacción puede rea-lizarse a través de diversos esquemas de procesamiento, de los cuales debe seleccionarse el que presente menor costo total, que incluye la inversión requerida y los costos de operación. En este trabajo se presen-ta una metodología que, basada en los principios termodinámicos delproceso de licuefacción y las propiedades termofísicas del etileno, per-mite generar esquemas de proceso basados en el diseño evolutivo, esdecir planteando progresivamente esquemas mejores, orientados a re-ducir cada vez más el consumo de energía. Para aplicar esta metodolo-gía es necesario contar con un esquema de ´´arranque´´, el cual se sujetaa un análisis detallado, para encontrar sus virtudes y defectos, lo quepermite generar un mejor esquema posterior. Se establece el potencialtérmico de los refrigerantes que pueden aplicarse al caso particular deletileno y se procede a la síntesis de opciones, para las cuales se realiza elbalance de materia y energía, mediante un simulador comercial, quepermita establecer su desempeño. Del análisis realizado, se encuentraque el proceso que minimiza el consumo de energía es la ruta que pro-pone una doble expansión del etileno con recirculación, con ahorros demás de 20% con respecto a un proceso de expansión simple y alrededorde 10% con respecto a procesos más complejos como los de refrigera-ción en cascada.

Ethylene is produced by ethane or naphtha thermal cracking in pro-cessing units of high capacity. Continuous operation is required tokeep the process economics so ethylene refrigeration units must beinstalled as to allow the storage of this product in liquid phase.Liquefaction can be carried out through a number of process routes,from which the best option is the one with the minimum total cost(including investment and operating cost). This paper presents aevolutionary design approach that starting from a simple processscheme and from the application of thermodynamic principles andthe understanding of the thermophysical behavior of ethylene, allowsto generate new process options with a better performance in termsof energy consumption. An analysis of the potential of pertinentrefrigerants (ethylene and propylene) is carried out and a rigorousmaterial and energy balance is done for each alternative using acommercial simulator. From this analysis, it arises that the processroute that leads to a minimum energy consumption is the ethylenedouble expansion. Savings of this scheme are as high as 20% comparedto a single expansion process and about 10% compared to an evenmore complex process as the cascade refrigeration

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Resumen

Inglés Ethylene is produced by ethane or naphtha thermal cracking in pro-cessing units of high capacity. Continuous operation is required tokeep the process economics so ethylene refrigeration units must beinstalled as to allow the storage of this product in liquid phase.Liquefaction can be carried out through a number of process routes,from which the best option is the one with the minimum total cost(including investment and operating cost). This paper presents aevolutionary design approach that starting from a simple processscheme and from the application of thermodynamic principles andthe understanding of the thermophysical behavior of ethylene, allowsto generate new process options with a better performance in termsof energy consumption. An analysis of the potential of pertinentrefrigerants (ethylene and propylene) is carried out and a rigorousmaterial and energy balance is done for each alternative using acommercial simulator. From this analysis, it arises that the processroute that leads to a minimum energy consumption is the ethylenedouble expansion. Savings of this scheme are as high as 20% comparedto a single expansion process and about 10% compared to an evenmore complex process as the cascade refrigeration

Español El etileno es producido en grandes volúmenes en plantas de descompo-sición térmica de etano y gasolinas. Para garantizar una operación con-tinua, es necesario contar con unidades de refrigeración de etileno, que permitan su almacenamiento en fase líquida. La licuefacción puede rea-lizarse a través de diversos esquemas de procesamiento, de los cuales debe seleccionarse el que presente menor costo total, que incluye la inversión requerida y los costos de operación. En este trabajo se presen-ta una metodología que, basada en los principios termodinámicos delproceso de licuefacción y las propiedades termofísicas del etileno, per-mite generar esquemas de proceso basados en el diseño evolutivo, esdecir planteando progresivamente esquemas mejores, orientados a re-ducir cada vez más el consumo de energía. Para aplicar esta metodolo-gía es necesario contar con un esquema de ´´arranque´´, el cual se sujetaa un análisis detallado, para encontrar sus virtudes y defectos, lo quepermite generar un mejor esquema posterior. Se establece el potencialtérmico de los refrigerantes que pueden aplicarse al caso particular deletileno y se procede a la síntesis de opciones, para las cuales se realiza elbalance de materia y energía, mediante un simulador comercial, quepermita establecer su desempeño. Del análisis realizado, se encuentraque el proceso que minimiza el consumo de energía es la ruta que pro-pone una doble expansión del etileno con recirculación, con ahorros demás de 20% con respecto a un proceso de expansión simple y alrededorde 10% con respecto a procesos más complejos como los de refrigera-ción en cascada.