Aplicación de intercambiadores de calor de circuito impreso (PCHE) en la industria FLNG
Las instalaciones flotantes de gas natural licuado (FLNG) sirven como equipo central para el desarrollo de recursos de gas natural en aguas profundas. Al integrar todo el flujo de procesamiento de gas natural en tierra en una plataforma marina móvil, FLNG permite la operación integrada de gas natural que abarca la extracción, purificación, licuefacción, almacenamiento y descarga.
1. Flujo de proceso central de las plataformas FLNG
El flujo de proceso principal de una plataforma FLNG se puede refinar en cinco etapas críticas:
- Extracción y transporte de gas de alimentación: el gas natural crudo se extrae de pozos de aguas profundas a través de árboles submarinos y se transporta a la plataforma FLNG a través de líneas de flujo submarinas. El gas de alimentación normalmente llega a una presión inicial de 1 a 10 MPa, con temperaturas que oscilan entre 4 y 12 °C, según el entorno submarino.
- Pretratamiento del gas de alimentación: Para evitar la corrosión, la congelación/bloqueo y la reducción de la eficiencia de licuefacción en los equipos posteriores, el gas se somete a una rigurosa purificación:
- Amine Scrubbing: Para descarbonización (eliminación de CO2).
- Proceso Alcohol-Amina: Para desulfuración (eliminación de H2S).
- Deshidratación por tamiz molecular: para eliminar agua, trazas de hidrocarburos pesados y mercurio.
- Especificaciones objetivo: CO2 < 50 ppm, H2S < 6 mg/m³ y H2O ≤ 1 ppm.
- Compresión de gas natural: Los compresores centrífugos de etapas múltiples aumentan la presión del gas natural purificado a 4–10 MPa necesarios para la licuefacción. Debido al efecto de compresión adiabática, la temperatura del gas aumenta a 80-120 °C, lo que requiere enfriamiento mediante intercambiadores de calor antes de la siguiente etapa.
- Licuefacción del Gas Natural: Este es el corazón del proceso. Utilizando el ciclo de refrigerante mixto (MRC), se comprime, enfría y estrangula un refrigerante mixto (que comprende metano, etano, propano, nitrógeno, etc.) para crear una fuente criogénica. Este refrigerante intercambia calor de manera eficiente con gas natural purificado a alta presión en el licuador, enfriando el gas a -162°C a presión atmosférica. Este cambio de fase lo transforma de GNL gaseoso a líquido, reduciendo su volumen aproximadamente a 1/600 del original.
- Almacenamiento y descarga de GNL: El GNL licuado se almacena en los tanques adiabáticos criogénicos incorporados en la plataforma, mantenidos a -162 °C y 0,1–0,2 MPa. Luego se transfiere a través de brazos de carga a buques de GNL, logrando la exportación en alta mar de recursos de gas natural de aguas profundas.
2. Desafíos para los intercambiadores de calor en aplicaciones FLNG
Las plataformas FLNG operan en entornos marinos hostiles, lo que impone demandas estrictas a los equipos centrales de transferencia de calor:
- Con espacio de cubierta y capacidad de carga limitados, los diseños del FLNG son muy compactos.
- La alta niebla salina, la alta humedad y la corrosión atmosférica marina exigen una resistencia superior a la corrosión y a la fatiga de los intercambiadores de calor.
- Los procesos centrales como la licuefacción de gas natural y la recuperación de BOG (Boil-Off Gas) requieren una transferencia de calor eficiente. La presencia de un flujo bifásico gas-líquido durante el intercambio de calor impone altos requisitos en cuanto a eficiencia térmica y estabilidad del campo de flujo.
- Las operaciones FLNG requieren alta continuidad y seguridad, lo que requiere equipos de intercambio de calor con capacidad de operación estable a largo plazo y mantenimiento conveniente.
3. Ventajas de PCHE
- Compacidad superior: PCHE utiliza estructuras de microcanales con pasajes de flujo a escala milimétrica, logrando una densidad de área de transferencia de calor de hasta 2500 m²/m³. La eficiencia es de 3 a 5 veces mayor que la de los intercambiadores de carcasa y tubos tradicionales, mientras que el volumen y el peso se reducen a 1/10 y 1/5 respectivamente, resolviendo eficazmente las limitaciones de espacio y carga.
- Excelente resistencia estructural, resistencia a la corrosión y resistencia a la fatiga: PCHE está hecho de acero inoxidable o aleación a base de níquel y su núcleo está formado mediante un proceso integral de unión por difusión. La resistencia alcanza el 95% del metal base, sin riesgo de fugas de soldadura. El material tiene buena resistencia a la corrosión por niebla salina marina y la estructura integrada puede soportar cargas alternas y vibraciones de impacto, lo que le otorga una mejor vida útil a la fatiga que los intercambiadores de calor tradicionales.
- Gran adaptabilidad a las condiciones de trabajo: el diseño de microcanal puede adaptarse de manera flexible al flujo bifásico gas-líquido, un amplio rango de temperatura (-196 °C a +850 °C) y un amplio rango de presión (0,1-100 MPa). En escenarios de intercambio de calor, como licuefacción criogénica y recuperación de BOG, ofrece temperatura uniforme, baja resistencia al flujo y una fuerte estabilidad en el intercambio de calor.
- Operación y mantenimiento convenientes: PCHE adopta un diseño modular que se puede combinar de manera flexible según los requisitos del proceso. Es fácil de instalar y desmontar, lo que reduce significativamente los costos de operación y mantenimiento y los riesgos de parada en las plataformas marinas FLNG.
4. Aplicación de PCHE en plataformas FLNG
Debido a sus características técnicas, PCHE se ha convertido en la opción óptima para múltiples unidades de transferencia de calor críticas en plataformas FLNG.
Las soluciones Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. se aplican ampliamente en las siguientes posiciones críticas:
- Enfriador de gas natural (pretratamiento del gas de alimentación)
- Función: Enfría el gas crudo para estabilizar las condiciones de purificación.
- Lado frío: agua de mar (15–35°C, 0,1–0,5 MPa).
- Lado Caliente: Gas Natural Crudo (Entrada: 40–60°C, Salida: 20–40°C, 1–5 MPa).
- Postenfriador del compresor (etapa de compresión)
- Función: Elimina el calor adiabático generado durante la compresión.
- Lado frío: agua de mar (15–35°C, 0,1–0,5 MPa).
- Lado Caliente: Gas Natural Comprimido (Entrada: 80–120°C, Salida: 30–40°C, 5–10 MPa).
- Licuefactor de Gas Natural (Etapa de Licuefacción del Núcleo)
- Función: Sirve como equipo principal para convertir gas a alta presión en GNL.
- Lado frío: Refrigerante mixto (-100 a -162°C, 1–5 MPa).
- Lado caliente: gas purificado a alta presión (entrada: 20–40 °C, salida: -162 °C, 4–10 MPa).
- Intercambiador de calor BOG (etapa de almacenamiento y recuperación)
- Función: Relicuar el gas de ebullición (BOG) utilizando energía fría de GNL para reducir pérdidas y emisiones.
- Lado Frío: GNL (-162°C, 0,7–2 MPa).
- Lado caliente: Gas BOG (-10 a 20°C, 0,5–4 MPa).
- Vaporizador de alta y baja presión
- Función: Regasifica GNL a combustible de instrumentación y energía de plataformas.
- Lado Frío: GNL (-162°C, 0,1–0,2 MPa).
- Lado caliente: agua de mar/aire/agua con glicol (5–25 °C, hasta 10 MPa para los tipos de alta presión).
Los productos PCHE fabricados por Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. adoptan tecnología avanzada de formación de enlaces por difusión, controlan estrictamente la precisión de la dimensión del microcanal y el proceso de fabricación para garantizar la resistencia estructural y el rendimiento. Los productos pueden soportar de manera estable una presión de 100 MPa y temperaturas extremas (-196°C a +850°C), adaptándose a las condiciones de trabajo criogénicas y de alta presión de FLNG. Para abordar la transferencia de calor desigual en flujos bifásicos de gas-líquido, Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. optimiza el diseño de la estructura del canal de flujo mediante simulación numérica (CFD), adopta un diseño de microcanal con forma especial, que mejora efectivamente la uniformidad de la transferencia de calor del flujo bifásico gas-líquido, reduce la resistencia al flujo y la pérdida de caída de presión y mejora la eficiencia de la transferencia de calor.
PCHE Parámetros del producto de Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd.
| Parámetro | Especificación |
|---|---|
| Presión máxima de diseño | 100 MPa |
| Temperatura de diseño | -196°C a 850°C |
| Área de transferencia de calor | Hasta 8000 m² |
| Grosor de la placa | 0,4 a 4 mm |
| Ancho del canal | 0,4 a 4 mm |
| Materiales | 304, 316L, Duplex 2205, TA1 (Titanio), aleaciones de alta temperatura |