A turboexpansor , también referido como un turboexpansor o un turbina de expansión , es un centrífugo o axial de flujo de turbina , a través del cual una alta presión de gas se expande para trabajo productos que a menudo se utiliza para accionar un compresor o generador . [1] [2] [3]
Debido a que el trabajo se extrae del gas de alta presión en expansión, la expansión se aproxima mediante un proceso isentrópico (es decir, un proceso de entropía constante ), y el gas de escape de baja presión de la turbina está a una temperatura muy baja , −150 ° C o menos, dependiendo de la presión de funcionamiento y las propiedades del gas. La licuefacción parcial del gas expandido no es infrecuente.
Los turboexpansores se utilizan ampliamente como fuentes de refrigeración en procesos industriales como la extracción de etano y líquidos de gas natural (LGN) del gas natural , [4] la licuefacción de gases (como oxígeno , nitrógeno , helio , argón y criptón ) [ 5] [6] y otros procesos a baja temperatura.
Los turboexpansores actualmente en funcionamiento varían en tamaño de aproximadamente 750 W a aproximadamente 7,5 MW (1 hp a aproximadamente 10,000 hp).
Aplicaciones [ editar ]
Aunque los turboexpansores se utilizan comúnmente en procesos de baja temperatura, se utilizan en muchas otras aplicaciones. Esta sección analiza uno de los procesos de baja temperatura, así como algunas de las otras aplicaciones.
Extracción de hidrocarburos líquidos del gas natural [ editar ]
El gas natural crudo consiste principalmente en metano (CH 4 ), la molécula de hidrocarburo más corta y liviana , junto con varias cantidades de gases de hidrocarburos más pesados como etano (C 2 H 6 ), propano (C 3 H 8 ), butano normal ( n - C 4 H 10 ), isobutano ( i- C 4 H 10 ), pentanos e incluso hidrocarburos de mayor masa molecular . El gas crudo también contiene varias cantidades de gases ácidos.tales como dióxido de carbono (CO 2 ), sulfuro de hidrógeno (H 2 S) y mercaptanos tales como metanotiol (CH 3 SH) y etanotiol (C 2 H 5 SH).
Cuando se procesan en subproductos terminados (consulte Procesamiento de gas natural ), estos hidrocarburos más pesados se denominan colectivamente NGL (líquidos de gas natural). La extracción del LGN a menudo implica un turboexpansor [7] y una columna de destilación a baja temperatura (llamada desmetanizador ) como se muestra en la figura. El gas de entrada al desmetanizador se enfría primero a aproximadamente -51 ° C en un intercambiador de calor (denominado caja fría ), que condensa parcialmente el gas de entrada. La mezcla de gas-líquido resultante se separa luego en una corriente de gas y una corriente de líquido.
La corriente de líquido del separador gas-líquido fluye a través de una válvula y experimenta una expansión de estrangulamiento desde una presión absoluta de 62 bar a 21 bar (6.2 a 2.1 MPa), que es un proceso isentálpico (es decir, un proceso de entalpía constante) que da como resultado la disminución de la temperatura de la corriente de aproximadamente -51 ° C a aproximadamente -81 ° C cuando la corriente entra en el desmetanizador.
La corriente de gas del separador gas-líquido entra en el turboexpansor, donde experimenta una expansión isentrópica desde una presión absoluta de 62 bar a 21 bar (6,2 a 2,1 MPa) que reduce la temperatura de la corriente de gas de aproximadamente -51 ° C a aproximadamente - 91 ° C cuando entra en el desmetanizador para servir como reflujo de destilación .
El líquido de la bandeja superior del desmetanizador (a aproximadamente -90 ° C) se dirige a través de la caja fría, donde se calienta a aproximadamente 0 ° C a medida que enfría el gas de entrada, y luego se devuelve a la sección inferior del desmetanizador. . Otra corriente líquida de la sección inferior del desmetanizador (a aproximadamente 2 ° C) se dirige a través de la caja fría y se devuelve al desmetanizador a aproximadamente 12 ° C. En efecto, el gas de entrada proporciona el calor necesario para "volver a hervir" la parte inferior del desmetanizador, y el turboexpansor elimina el calor necesario para proporcionar reflujo en la parte superior del desmetanizador.
El producto de gas de cabeza del desmetanizador a aproximadamente -90 ° C es gas natural procesado que es de calidad adecuada para su distribución a los consumidores finales por tubería . Se dirige a través de la caja fría, donde se calienta a medida que enfría el gas de entrada. Luego se comprime en el compresor de gas impulsado por el turboexpansor y se comprime aún más en un compresor de gas de segunda etapa impulsado por un motor eléctrico antes de ingresar a la tubería de distribución.
El producto de fondo del desmetanizador también se calienta en la caja fría, ya que enfría el gas de entrada, antes de que salga del sistema como LGN.
Las condiciones de funcionamiento de un turboexpansor / recompresor de acondicionamiento de gas en alta mar son las siguientes: [8]
| Turbo-expansor | Recompresor | |||
|---|---|---|---|---|
| Entrada | Salida | Entrada | Salida | |
| Temperatura ° C | 11,0 | –13,0 | 22,0 | 40,0 |
| Presión barg | 75,0 | 39,31 | 38,62 | 47,24 |
| Flujo kg / h | 27728 | 20658 | ||
| Peso molecular | 22.08 | 20,74 | ||
| Energía recuperada / kW utilizada | 345 | 345 | ||
Generación de energía [ editar ]
La figura muestra un sistema de generación de energía eléctrica que utiliza una fuente de calor, un medio de enfriamiento (aire, agua u otro), un fluido de trabajo en circulación y un turboexpansor. El sistema puede acomodar una amplia variedad de fuentes de calor como:
- agua caliente geotérmica,
- gases de escape de motores de combustión interna que queman una variedad de combustibles ( gas natural , gas de vertedero , gasoil o fuel oil ),
- una variedad de fuentes de calor residual (en forma de gas o líquido).
El fluido de trabajo circulante (generalmente un compuesto orgánico como el R-134a) se bombea a alta presión y luego se vaporiza en el evaporador mediante intercambio de calor con la fuente de calor disponible. El vapor de alta presión resultante fluye hacia el turboexpansor, donde experimenta una expansión isentrópica y sale como una mezcla de vapor-líquido, que luego se condensa en un líquido por intercambio de calor con el medio de enfriamiento disponible. El líquido condensado se bombea de regreso al evaporador para completar el ciclo.
El sistema de la figura implementa un ciclo Rankine como se usa en plantas de energía de combustibles fósiles , donde el agua es el fluido de trabajo y la fuente de calor se deriva de la combustión de gas natural, fuel oil o carbón utilizado para generar vapor a alta presión. . A continuación, el vapor de alta presión sufre una expansión isentrópica en una turbina de vapor convencional . El vapor de escape de la turbina de vapor se condensa a continuación en agua líquida, que luego se bombea de regreso al generador de vapor para completar el ciclo.
Cuando se utiliza un fluido de trabajo orgánico como el R-134a en el ciclo de Rankine, el ciclo a veces se denomina ciclo de Rankine orgánico (ORC). [9] [10] [11]
Sistema de refrigeración [ editar ]
Un sistema de refrigeración utiliza un compresor, un turboexpansor y un motor eléctrico.
Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, el turboexpansor reduce la carga del motor eléctrico entre un 6 y un 15% en comparación con un sistema de refrigeración por compresión de vapor convencional que utiliza una válvula de expansión de estrangulamiento en lugar de un turboexpansor. [12] Básicamente, esto puede verse como una forma de turbocomposición .
El sistema emplea un refrigerante de alta presión (es decir, uno con un punto de ebullición normal bajo ) como: [12]
- clorodifluorometano (CHClF 2 ) conocido como R-22, con un punto de ebullición normal de -47 ° C;
- 1,1,1,2-tetrafluoroetano (C 2 H 2 F 4 ) conocido como R-134a, con un punto de ebullición normal de -26 ° C.
Como se muestra en la figura, el vapor de refrigerante se comprime a una presión más alta, lo que también produce una temperatura más alta. El vapor caliente y comprimido se condensa luego en un líquido. El condensador es donde el calor es expulsado del refrigerante en circulación y es llevado por cualquier medio de enfriamiento que se use en el condensador (aire, agua, etc.).
El líquido refrigerante fluye a través del turboexpansor, donde se vaporiza, y el vapor sufre una expansión isentrópica, lo que da como resultado una mezcla de vapor y líquido a baja temperatura. Luego, la mezcla de vapor y líquido pasa a través del evaporador, donde se vaporiza mediante el calor absorbido del espacio que se está enfriando. El refrigerante vaporizado fluye hacia la entrada del compresor para completar el ciclo.
Recuperación de energía en craqueador catalítico fluido [ editar ]
La combustión del gas de combustión del regenerador de catalizador de un craqueador catalítico fluido está a una temperatura de aproximadamente 715 ° C y a una presión de aproximadamente 2,4 barg (240 kPa). Sus componentes gaseosos son principalmente monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2 ) y nitrógeno (N 2 ). Aunque el gas de combustión ha pasado por dos etapas de ciclones (ubicados dentro del regenerador) para eliminar los finos de catalizador arrastrados, todavía contiene algunos finos de catalizador residuales.
La figura muestra cómo se recupera y utiliza la energía al enrutar los gases de combustión del regenerador a través de un turboexpansor. Una vez que el gas de combustión sale del regenerador, se dirige a través de un separador de catalizador secundario que contiene tubos de turbulencia diseñados para eliminar del 70 al 90% de los finos residuales del catalizador. [13] Esto es necesario para evitar daños por erosión en el turboexpansor.
Como se muestra en la figura, la expansión del gas de combustión a través de un turboexpansor proporciona suficiente potencia para impulsar el compresor de aire de combustión del regenerador. El motor-generador eléctrico en el sistema de recuperación de energía puede consumir o producir energía eléctrica. Si la expansión de los gases de combustión no proporciona suficiente energía para impulsar el compresor de aire, el motor-generador eléctrico proporciona la energía adicional necesaria. Si la expansión de los gases de combustión proporciona más energía de la necesaria para impulsar el compresor de aire, el motor-generador eléctrico convierte el exceso de energía en energía eléctrica y la exporta al sistema eléctrico de la refinería. [14] La turbina de vapor se utiliza para impulsar el compresor de aire de combustión del regenerador durante los arranques del craqueador catalítico fluido hasta que haya suficiente gas de combustión para asumir esa tarea.
El gas de combustión expandido se dirige luego a través de una caldera generadora de vapor (denominada caldera de CO ), donde el monóxido de carbono del gas de combustión se quema como combustible para proporcionar vapor para su uso en la refinería. [14]
El gas de combustión de la caldera de CO se procesa a través de un precipitador electrostático (ESP) para eliminar las partículas residuales . El ESP elimina partículas en el rango de tamaño de 2 a 20 micrómetros del gas de combustión. [14]
Historia [ editar ]
Carl Wilhelm Siemens ( ciclo Siemens ), un ingeniero alemán en 1857, sugirió el posible uso de una máquina de expansión para crear isentrópicamente bajas temperaturas. Aproximadamente tres décadas más tarde, en 1885, Ernest Solvay de Bélgica intentó utilizar una máquina de expansión recíproca, pero no pudo alcanzar temperaturas inferiores a -98 ° C debido a problemas con la lubricación de la máquina a tales temperaturas. [2]
En 1902, Georges Claude , un ingeniero francés , utilizó con éxito una máquina de expansión recíproca para licuar el aire. Usó un empaque de cuero quemado y desengrasado como sello del pistón sin lubricación. Con una presión de aire de solo 40 bar (4 MPa), Claude logró una expansión casi isentrópica que resultó en una temperatura más baja de lo que antes era posible. [2]
Los primeros turboexpansores parecen haber sido diseñados alrededor de 1934 o 1935 por Guido Zerkowitz, un ingeniero italiano que trabajaba para la empresa alemana Linde AG . [15] [16]
En 1939, el físico ruso Pyotr Kapitsa perfeccionó el diseño de los turboexpansores centrífugos. Su primer prototipo práctico estaba hecho de metal Monel , tenía un diámetro exterior de solo 8 cm (3,1 pulgadas), funcionaba a 40.000 revoluciones por minuto y se expandía 1.000 metros cúbicos de aire por hora. Utilizaba una bomba de agua como freno y tenía una eficiencia del 79 al 83%. [2] [16] La mayoría de los turboexpansores en uso industrial desde entonces se han basado en el diseño de Kapitsa, y los turboexpansores centrífugos se han hecho cargo de casi el 100% de los requisitos de licuefacción de gas industrial y procesos a baja temperatura. [2] [16] La disponibilidad de oxígeno líquidorevolucionó la producción de acero utilizando el proceso básico de fabricación de acero con oxígeno .
En 1978, Pyotr Kapitsa recibió un premio Nobel de física por su trabajo en el área de la física de bajas temperaturas. [17]
En 1983, San Diego Gas and Electric fue uno de los primeros en instalar un turboexpansor en una estación de descarga de gas natural para la recuperación de energía . [18]
Tipos [ editar ]
Los turboexpansores se pueden clasificar por dispositivo de carga o cojinetes.
Los tres principales dispositivos de carga utilizados en los turboexpansores son los compresores centrífugos , los generadores eléctricos o los frenos hidráulicos. Con los compresores centrífugos y los generadores eléctricos, la potencia del eje del turboexpansor se recupera para recomprimir el gas de proceso o para generar energía eléctrica, lo que reduce las facturas de servicios públicos.
Los frenos hidráulicos se utilizan cuando el turboexpansor es muy pequeño y aprovechar la potencia del eje no es económicamente justificable.
Los cojinetes utilizados son cojinetes de aceite o cojinetes magnéticos .
También se debe notar la nueva tecnología Quasiturbine , [19] que es un tipo de turbina rotativa de desplazamiento positivo.
Ver también [ editar ]
- Separación de aire
- Sello de gas seco
- Evaporación instantánea
- Compresor de gas
- Efecto Joule-Thomson
- Licuefacción de gases
- Ciclo de Rankine
- Turbina de vapor
- Refrigeración por compresión de vapor
- Turboexpansor-generador de hidrógeno
Referencias [ editar ]
- ^ Heinz Bloch y Claire Soares (2001). Turboexpansores y aplicaciones de proceso . Publicaciones profesionales del Golfo. ISBN 0-88415-509-9.
- ↑ a b c d e Frank G. Kerry (2007). Manual de gas industrial: Separación y purificación de gas . Prensa CRC. ISBN 0-8493-9005-2.
- ^ Thomas Flynn (2004). Ingeniería criogénica (Segunda ed.). Prensa CRC. ISBN 0-8247-5367-4.
- ^ Demethanzer .
- ^ Publicación de BOC (NZ) : utilice la función de búsqueda para la palabra clave "expansión".
- ^ Programa de hidrógeno del Departamento de Energía de Estados Unidos .
- ^ Gas Processes 2002 , Hydrocarbon Processing, páginas 83–84, mayo de 2002 (diagramas de flujo esquemáticos y descripciones de los procesos de recuperación de NGL-Pro y NGL).
- ^ Diagrama de flujo de proceso NW Hutton 1987
- ^ Tecnología ORC para aplicaciones de calor residual
- ^ El proyecto del ciclo de Rankine integrado .
- ^ El turbogenerador de ciclo Rankine en Altheim, Austria .
- ^ a b Aparato de refrigeración con turbina de expansión , patente europea EP 0 676 600 B1, 6 de septiembre de 2000, Joost J. Brasz, Carrier Corporation EP 0 676 600 B1 (este sitio web requiere registro).
- ^ Alex C. Hoffnab y Lewis E. Stein (2002). Ciclones de gas y tubos de turbulencia: principios, diseño y funcionamiento (1ª ed.). Saltador. ISBN 3-540-43326-0.
- ↑ a b c Reza Sadeghbeigi (2000). Manual de craqueo catalítico fluido (2ª ed.). Gulf Publishing. ISBN 0-88415-289-8.
- ^ Turbina para separación de gas a baja temperatura , Patente de Estados Unidos 2.165.994, julio de 1939 (continuación de una solicitud en marzo de 1934), Guido Zerkowitz, Linde AG Patente de Estados Unidos US2165994 (este sitio web requiere registro).
- ↑ a b c Ebbe Almqvist (2002). Historia de los gases industriales (Primera ed.). Saltador. pag. 165. ISBN 0-306-47277-5.
- ^ Pyotr Kapitsa, Premio Nobel de Física 1978 .
- ^ Turboexpansores: aprovechar el potencial oculto de nuestro sistema de distribución de gas natural .
- ^ Expansor de cuasiturbina: Aprovechamiento de la energía mecánica del sistema de vapor y gas a presión .
Enlaces externos [ editar ]
- Uso de turbinas de expansión en estaciones reductoras de presión de gas natural
- Simposios de bombas y turbomáquinas de Turbo Lab
