informe turboexpansion

1. Intro Introduc ducci ción ón

La mayoría del gas natural proveniente de yacimientos se procesa para eliminarle los hidrocarburos líquidos más pesados. Éstos, comúnmente llamados líquidos del gas natural (LGN, en ingls NGL!, incluyen etano, propano, butanos, y gasolina natural (condensado!. La recuperaci"n de los componentes NGL en el gas no s"lo se reali#a como mtodo de control del punto de rocío de la corriente de gas natural, sino tambin como una $uente de ingresos, ya que los LGN generalmente tienen un valor más alto como productos separados que como parte de la corriente de gas natural. Las $racciones LGN más livianas, como el etano, el propano y los butanos, pueden vend vender erse se como como comb combus ustitibl bles es o mate materi rias as prim primas as de re$i re$ine nerí rías as y plan planta tass petroquímicas, mientas que las porciones más pesadas pueden utili#arse como cortes en el blending de na$tas. %&isten varios procesos para recuperar LGN pero los más comunes son los de compresi"n, absorci"n, adsorci"n, y re$rigeraci"n criognica (o turbo e&pansi"n!.%l proce proceso so de re$ri re$rige gerac raci" i"n n criog criogni nica ca es el tipo tipo de recup recupera eraci ci"n "n de LGN LGN más más avan#ado que se utili#a hoy en día. 'ombina altos niveles de recuperaci"n (genera (generalme lmente nte permit permite e la recupera recuperaci" ci"n n total total de propan propano o y componen componentes tes más pesados y entre el ) y el*)+ del etano! con baos costos de capital y $ácil operaci"n. -in embargo, es menos atractivo en el caso de procesamiento de gases muy ricos ya que estos pueden tratarse mediante re$rigeraci"n simple o donde los productos livianos de LGN ('y '/! no son comerciali#ables. 2. Obj Objetiv etivo o

%l turboe&pansor en la ingeniería es una tcnica muy e$ica#, ya que, su $unci"n prin princi cipa pall es la de dism dismin inui uirr el área área de entr entrad ada a de la corr corrie ient nte e de un gas gas aumentando el área de salida de la misma, dando lugar a que se produ#ca una e&pansi"n, y generaci"n de potencia que puede ser propicia para generar un proceso dentro de la industria, es decir, un turboe&pansor es un elemento que disminuye la presi"n de un $luido pasando de un estado de más alta presi"n y temperatura a uno de menor presi"n y temperatura.

3. Marco Teórico 3.1 Turbo-Expansores

Los turbo0e&pansores son turbo máquinas destinadas a disminuir la presi"n y temperatura de los gases, aumentando su volumen para así poder licuarlos o condensarlos, este dispositivo convierte la energía de la presi"n de gas en trabao útil el cual es aprovechado en $orma de trabao producido para generar potencia. %ste equipo rotacional, trabaa en un proceso isentr"pico y baa la temperatura del gas a nivel criognico en $orma con$iable y de bao costo. 'onsisten en uegos alternos de toberas y álabes rotativos a travs de los cuales el vapor o gas $luyen en un proceso de e&pansi"n estable. %l trabao es e&traído por un compresor centrí$ugo que es ayudado por un 1ecompresor que aumenta la corriente del gas despus de que se hayan e&traído los líquidos condensados de LGN (las ruedas del e&pansor y del compresor están unidas por los e&tremos de un ee en común!. %sta combinaci"n del e&pansor y del compresor en una sola maquina conocida por una variedad de nombres, con %&pander2 'ompressor, %&pander 3ra4e0cornpressor y %&pander 23ooster0 'ompressor siendo la más común %l %&pander2 'ompressor (compresor  e&pansor!, el cual es el cora#"n de las plantas criognicas. Los turboe&pansores se usan normalmente en procesos de gas natural que tienen altas presiones de alimentaci"n (más de 5)) psig!, productos con alimentaci"n variable y donde se desea una gran cantidad (mayor de /)+! de recuperaci"n de etano. %l uso del turboe&pansor, sin embargo, no elimina la necesidad de la válvula de e&pansi"n 6oule 7hompson que se usa en los sistemas convencionales de re$rigeraci"n.

3.2 Características De Turbo-Expansión

8%n este tipo de turbina parte del gas es e&pandido en las toberas, ingresando tangencialmente al rotor, combinando la velocidad radial del $luido con la velocidad peri$rica del rotor de modo que no haya choque con las paredes, permitiendo trabaar en dicha $orma con parte del $luido en estado líquido. 8%ste equipo rotacional trabaa en un proceso isentr"pico y baa la temperatura del gas a nivel criognico en $orma con$iable y de bao costo.

8 9articularmente importante es el dise:o de las toberas m"viles las cuales permiten trabaar con e$iciencia en una amplia gama de presiones y caudales adaptando su $orma según sean las condiciones de carga.

8La $acilidad de trabaar con $ase líquida las hace aptas en el uso de la energía, geotrmica por eemplo.

!i"ura 1. 7urboe&pansor 

3.3 Turbina De Expansión O Expansión Crio"#nica

%n este proceso el gas se hace pasar a travs una turbina de e&pansi"n. %s esta misma e&pansi"n del gas la que genera potencia a travs de una $lecha, reduciendo de esta manera la entalpía del gas, esta disminuci"n de entalpía provoca una mayor caída de presi"n que en las válvulas de e&pansi"n, con lo que se alcan#an menores temperaturas, y por lo tanto, una mayor recuperaci"n de líquidos. %ste proceso se ha vuelto muy popular debido a su relativo bao costo y simplicidad. La temperatura $inal que se alcan#a en la salida depende de la caída de presi"n, de la cantidad de líquidos recuperado y de la potencia alcan#ada en la $lecha. %sta potencia se puede utili#ar para impulsar un compresor o cogenerar energía elctrica. 

Expansor-Co$presor% Los procesos de compresi"n provocan aumento en la

presi"n. ;ispositivos como el compresor y la bomba son dise:ados para este prop"sito, son usados para el transporte de $luido o para preparar la materia prima a condiciones requeridas de proceso. 9ara el caso de la e&pansi"n de un gas se debe pasar de una presi"n alta a una baa. %n la compresi"n se consideran dos casos, el isotrmico y el adiabático. 

Co$presión% ? entalpía inicial ? entalpía despus de la e&pansi"n isentr"pica -e puede usar la e$iciencia isentr"pica o la poli tr"pica para cálculos del e&pansor, a condici"n de que se utilicen ecuaciones congruentes a lo largo de las operaciones. %l uso de la e$iciencia isentr"pica o$rece el mtodo más sencillo para calcular el $uncionamiento de un e&pansor, cuando se dispone de la grá$ica de Follier, ya que (0>! se puede leer directamente en la misma. 9ara me#clas compleas de gas para las cuales no e&iste grá$ica de Follier, se recurre habitualmente al análisis poli tr"pico o al isentr"pico. Los turbo0e&pansores de $luo radial adentro se dise:an para manear cantidades relativamente grandes de condensaci"n, con una prdida muy peque:a de e$iciencia. Las e$iciencias para las turbinas son de$inidas de la siguiente manera

%c. 5 ;"nde?

ɳ 7B e$iciencia isoterma de e&pansi"n 1B constante universal de los gases 9>B

presi"n de succi"n 9B presi"n de descarga

%c.  ;"nde? ɳ sB e$iciencia adiabática de e&pansi"n

KB cociente de capacidades calorí$icas 1B constante universal de los gases 9B presi"n de descarga 9>B presi"n de succi"n 7>B temperatura de succi"n

3.

Co$paración Entre iste$as De 4e5ri"eración 0ue 6tii7an

Turbo-Expansor 8 9(vuas De Expansión

Turbo-Expansor

9(vua de Expansión :;-T<

'apa# de generar 9otencia

8

No genera potencia alguna

La disminuci"n de la temperatura de salida

8

La disminuci"n de la temperatura a la

es superior a la de la válvula, por tanto se

salida es in$erior a la del e&pansor, por 

obtiene meor composici"n del gas a la salida del depurador.

tanto la corriente de gas a la salida es menos rica.

Fanea menos caudales que las válvulas.

8

9uede Fanear grandes caudales que los turboe&pansores.

Taba 1. 7urbo e&pansor vs válvula de e&pansi"n

3.= >ar($etros >ara *os Co$presores Crio"#nicos De Expansión De ?as >ar($etros característicos para os co$presores crio"#nicos de expansión de "as de Ma5i-Trenc@ *os datos est(n expuestos para una $(Auina :un escaón< presión a a entradaB @asta

> F9a

te$peratura a a entrada

>)) M /)

consu$o :se"n as condiciones de entrada a a $(Auina crio"#nicaC) m/2min

contenido de a 5ase íAuida a a saidaB @asta

/)+ de masa

potenciaB @asta

>C FJt

rendi$iento isoentrópico de a $(Auina crio"#nica de expansión de "as

),C 0 ),*

Taba 2. 9arámetros para los compresores criognicos

&. Descripción ?enera

%n una planta turbo0e&pander, el chiller o la válvula 607 de los procesos dere$rigeraci"n simple se reempla#an por una turbina de e&pansi"n. = medida que

el gasentrante se e&pande, le entrega trabao al ee de la turbina por lo que se reduce la entalpía del gas. %sta disminuci"n de la entalpía causa una mayor caída de temperatura que la que se obtendría mediante una e&pansi"n 6oule07hompson simple (a entalpía constante!. La turbina puede estar conectada a un compresor, el cual re comprime el gas con una s"lo una peque:a prdida en la presi"n global. %sto genera una presi"n más elevada del gas tratado Iue puede aumentarse hasta la especi$icaci"n de transporte en gasoducto mediante una segunda etapa de compresi"n. = pesar de que e&isten muchas variantes en el dise:o de plantas de turbo e&pansi"n, la mayoría de las mimas tiene el mismo diagrama básico que el que se muestra continuaci"n.

!i"ura ) ;iagrama 3ásico del dise:o de plantas de turbo e&pansi"n

%l gas de entrada se en$ría primero en un intercambiador gas2gas de alta temperatura y luego en un en$riador con propano (chiller !. La alimentaci"n de gas parcialmente condensado se envía a un separador. %l líquido del separador se alimenta a la desmetani#adora, el gas se en$ría aún más en el intercambiador  gas2gas de baa temperatura y se alimenta a un segundo separador $río. %l gas del separador $río se e&pande a travs de la turbina hasta la presi"n de la desmetani#adora, que generalmente varía entre >)) y 5)) psia (,C y O, atm!.

%l turbo e&pander produce simultáneamente en$riamiento y condensaci"n del gas, y trabao útil que puede utili#arse para re comprimir el gas de salida. Generalmente entre el>) y el > + del gas alimentado se condensa en el separador $río, a temperaturas entre 0>y ) D'. La turbina disminuye la presi"n del gas de entrada (generalmente )) a *)) psia, "sea 5) a ) atm! hasta la presi"n de la desmetani#adora. Las temperatura típica del gas que ingresa a la desmetani#adora es 0 a 0 D', lo su$icientemente baa como para que una parte importante del etano se encuentre licuado. La columna desmetani#adora es una columna de destilaci"n de baa temperatura que reali#a la separaci"n entre metano y etano. %l metano y los componentes más livianos que l, como el nitr"geno, son los principales productos de cabe#a de la torre, mientras que el etano y los componentes más pesados, como el propano, butanos, e hidrocarburos más pesados, son los principales componentes del $ondo de la columna. La relaci"n molar de metano a etano en el producto de $ondo es típicamente ),)> a ),)/. ;ebido a que la salida del turbo e&pander es un $luo bi$ásico, el líquido producido en este sirve como re$luo en la columna. %l producto de $ondo de la desmetani#adora puede ser $raccionado luego para producir corrientes de etano, propano, butanos, y gasolina natural. La temperatura de $ondo del producto se encuentre $recuentemente por debao de la temperatura ambiente, entonces el gas de alimentaci"n puede utili#arse como medio de trans$erencia de calor en el re boiler. %sto representa mayor re$rigeraci"n de la alimentaci"n y origina rendimientos más altos de recuperaci"n de etano, generalmenteC)+. %l producto de cabe#a de la desmetani#adora, luego de intercambiar calor con el gas de entrada, se re comprime a la presi"n de gasoducto y se vende como gas residual.

Los procesos criognicos solo pueden utili#arse de la presi"n de gas luego de la e&pansi"n es su$icientemente alta para que transcurra la condensaci"n de los componentes más pesados. -in embargo, si el gas llega a baa presi"n (digamos menos de) atm!, debe utili#arse re$rigeraci"n mecánica e&terna para en$riarlo hasta la temperatura especi$icada. 9or otro lado, si el contenido del LGN del gas es relativamente bao (menos de ,0/ G9F galones por mil pie cúbicos!, basta con auto0re$rigeraci"n (intercambiador gas 2 gas!. -in embargo, para alimentaciones moderadamente ricas (P/G9F!, debe considerarse la re$rigeraci"n mecánica para obtener alta recuperaci"n de etano de $orma más econ"mica. N"tese que en esta aplicaci"n, se requiere una deshidrataci"n aguas arriba del gas para prevenir la $ormaci"n de hidratos. La tcnica generalmente utili#ada es la deshidrataci"n sobre lecho s"lido. =lgunas veces, se agregan peque:as cantidades de metanol o glicol antes del turbo e&pander.

&.1 'picación en >antas de Extracción de *íAuidosB ?*

Las plantas de e&tracci"n de líquidos del gas natural se dise:an con la $inalidad de obtener productos líquidos valiosos y un gas de alto valor comercial. Los productos líquidos son generalmenteQ etano, propano, butanos, pentano, gasolinas naturales y condensadas. La decisi"n para instalar una planta de procesamiento de gas natural depende $undamentalmente de las características y cantidad de gas que se requiere procesar, del mercado de los productos, del capital y de la tecnología. Los hidrocarburos que se pueden condesar deben ser e&traídos antes de que el gas entre a los gasoductos. Los procesos de e&tracci"n de líquidos del gas natural cubren una gran variedad de tecnologías, algunas de las cuales operan a temperaturas de nivel criognico. %l gas natural usualmente contiene - y '@ en su composici"n. %stos compuestos son corrosivos y su presencia contamina los productos. %l '@ adicionalmente puede producir congelamiento cuando se trata de recobrar  etano. 9or estas ra#ones es necesario deshidratar y endul#ar el gas antes de someterlo a cualquier tecnología de e&tracci"n. %l uso de separadores y compresores pude ayudar a la recuperaci"n de los condensados más pesados en el gas natural. No obstante, mediante el uso de plantas de procesamientos se puede lograr incrementar de manera apreciable la recuperaci"n de líquidos valiosos. ;e lo antes e&puesto se puede concluir que las plantas de procesamiento de gas se usti$ican por cumplir? >.

@btener un gas apropiado que permita ser maneado e$icientemente

en gasoductos y que sea comerciable. .

@btener líquidos valiosos como LGN, que posteriormente pueda ser 

$raccionado en productos tales como? etano, propano, butano, pentano y gasolina natural.

&.2 Descripción de >roceso de Obtención de *?

%l proceso criognico recibe gas dulce húmedo de las plantas endul#adoras de gas y en algunos casos directamente de los campos productores, el cual entra a una secci"n de deshidratado, donde se remueve el agua casi en su totalidad para prevenir la $ormaci"n de hidratos. 9osteriormente es en$riado por corrientes $rías del proceso y por un sistema de re$rigeraci"n mecánica e&terna. Fediante el en$riamiento y la alta presi"n del gas es posible la condensaci"n de los hidrocarburos pesados (etano, propano, butanos, etc.!, los cuales son separados y enviados a recti$icaci"n en la torre desmetani#adora. %l gas obtenido en la separaci"n pasa a un turbo0e&pansor, donde se provoca una di$erencial de presi"n (e&pansi"n! súbita, en$riando aún más esta corriente, la cual se alimenta en la parte superior de la torre desmetani#adora.

Figura 7. Proceso criogénico en la extracción de líquidos, LGN

%l producto principal de esta planta es el gas residual (gas natural, básicamente metano listo para su comerciali#aci"n!, el cual es inyectado al -istema Nacional

de ;uctos para su distribuci"n y, en algunos lugares, se usa como bombeo neumático. No menos importante es el producto denominado líquidos del gas natural, el cual es una corriente constituida por hidrocarburos licuables, esta corriente constituye la carga de las plantas $raccionadoras. ). Concusiones 

Los turbo e&pansores son turbo máquinas que disminuyen la presi"n y temperatura de los gases, aumentando su volumen par así licuarlos o



condensarlos. %l turbo e&pansor es una turbina de re$rigeraci"n por e&pansi"n que gira sobre coinetes de aire o gas, y es mucho más e$iciente que cualquier otro equipo de e&pansi"n. Los turbo e&pansores se aplican en la industria del gas natural para la e&tracci"n de líquidos valiosos, como los líquidos LGN.

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