1/9/2008

Turboexpansores

INTRODUCCION

Los turboexpansores son turbomaquinas destinadas a disminuir la presión y la temperatura de los gases, aumentando su volumen para asi poder licuarlos o condensarlos, aprovechando el trabajo producido para generar potencia.

El turboexpansor es una turbina del un solo impeler o rueda similar a una turbina de vapor. Es una máquina de libre circulación que reduce la presión y la temperatura de una corriente del gas y convierte la energía de la presión de gas en trabajo útil. El trabajo es extraído por un compresor centrífugo que es ayudado por un re-compresor que aumenta la corriente del gas después de que se hayan extraído los líquidos condensados de LGN. (Las ruedas del Expansor y del compresor están unidas por los extremos de un eje común.) Esta combinación del expansor y del compresor en una sola máquina conocida por una variedad de nombres, con Expander/Compressor, ExpanderBrake-Cornpressor y Expander/Booster-Compressor siendo la más común. El Expander/compressor (compresor Expansor) es el corazón de la planta criogénica.

TURBOEXPANSORES

El turboexpansor es una turbomáquinas térmica que en forma continua expande gas desde una presión alta a un valor más bajo mientras se produce trabajo. Gracias a ello como efectos principales se obtiene un significativo enfriamiento del fluido y por otro la producción de potencia en un eje.

En general la palabra turboexpansor o simplemente expansor es utilizada para referir al sistema completo formado por la turbina en si donde se produce la expansión propiamente dicha del fluido y el compresor asociado sobre el mismo eje que es la carga, utilizado para comprimir algún fluido del proceso.

Cuando la potencia a extraer no es significativa suele usarse directamente un freno hidráulico como carga, en ese caso la energía se disipa en aeroenfriadores perdiéndose al medio.

Hay distintos tipos de expansores pero los que más se usan son los radiales de reacción, turbina centrípeta que ha permitido cubrir una extensa gama de aplicaciones vedadas hasta ese entonces en otro tipo de turbinas, en particular en el caso de la criogénia.

Mecanismo de operación

ü Alimentación de Gas: La corriente de alimentación esta conformada por la alimentación de gas que debe de estar limpio, seco, dulce, es decir, que no tiene ni contaminantes ni impurezas en su composición de entrada, y con una presión especifica para cumplir con los requerimientos del sistema.

ü Turboexpansor :Este disminuye el área de entrada de la corriente de gas aumentando el área de salida de la misma, dando lugar a que se produzca una expansión, y generación de potencia, este maneja un caudal de 50 MMPCED.

La presión de descarga de este equipo es de 354.1 psia y la temperatura de descarga es de -89.9405.

ü Manipulación de Condensado: Esto incide a la formación de cualquier líquido producido por condensación, por lo que están ubicados los depuradores f1 a la entra da y a la salida el f2 del expansor.

ü Manipulación de Líquido que sale del depurador a la entrada F1 y el líquido del depurador a la salida de expansor que es F2 para su mejor obtención s en el Proceso: Para esto se utilizo un mixer el cual recoge el líquido.

Principio del enfriamiento.

Si se observa una curva característica de un determinado gas, sea por ejemplo gas natural, en un diagrama temperatura-entropía, se puede ver que las curvas de entalpía constante tienden a ser decrecientes en la zona de bajas temperaturas y por el contrario crecientes en las zonas de alta temperatura. Existirá un valor de temperatura donde las curvas cambian su tendencia, donde la variación será cero.

Si llamamos aH la variación de temperatura al pasar de un nivel de presión a otro inferior, podremos representarlo como:

aH = ( T/p)H

Para el caso de temperaturas altas el valor aH será positivo, para los bajos negativos existiendo un punto de inflexión donde se hace 0, que es el llamado temperatura de inversión del efecto Joule Thompson.

Obviamente si un fluido se expande en una válvula reguladora donde el punto inicial tiene la misma entalpía que el final, lo hace por debajo de la línea de inversión del efecto J.T. se enfría. Para el caso del gas natural el valor es aproximadamente de 600 °C, por lo que en una expansión normal de ese fluido se produce el enfriamiento.

En los procesos de enfriamiento se recurre a dos caminos, la expansión a través de una reguladora que como en el caso del gas natural se produce un enfriamiento al ser aH negativo, o bien la expansión llamada isoentrópica.

Para comprender esto conviene recordar el primer principio de la termodinámica para sistemas abiertos:

DH + DEc + DEp = L - Q

Se puede considerar lo siguiente:

La energía potencia no tiene significado alguna por no existir diferencias de altura entre entrada y salida del equipo. La energía cinética dependerá de los puntos en que adoptemos como entrada y salida, si se trata de puntos con velocidades diferentes en ese caso se podría considerar la llamada entalpía total mayorizando la entalpía para considerar su incidencia.

El calor que en un expansor real es el que puede entrar a través de las paredes, pensando que el medio tiene mayor temperatura que el expansor, comparado a través de un cálculo de transferencia de calor convencional con la energía puesta en juego, se observará que realmente es despreciable, por lo tanto se puede hablar sin duda de que se trata de expansiones adiabáticas. Por tanto:

L = DH

En un sistema en que se extraiga trabajo el punto final no se va encontrar en la misma línea de entalpía constante como en el caso de una válvula reguladora, sino por el contrario en una línea inferior.

Mirando la curva característica del gas partiendo de un punto A en una expansión con efecto J.T. llegaríamos a las condiciones del punto C. En una expansión con extracción de trabajo el punto final será B´ inferior en temperatura al C.

TB´ < TC

Es decir con una expansión llamada isoentrópica llegaremos a valore mucho más bajos. Si tuviéramos una máquina ideal nuestra evolución sería isoentrópica por lo que la temperatura final sería TB mucho más baja que la real TB´ . Una forma de evaluar la performance de un turboexpansor es precisamente relacionar los saltos entálpicos de un caso y otro:

h expansor = (HA - HB´) / (HA - HB) * 100

El uso de las expansiones llamadas isoentrópicas de un turboexpansor comparada con la isoentálpica de una reguladora permite lograr una temperatura mucho más baja y un aprovechamiento mejor de la energía de la planta.

Una aplicación típica del turboexpansor es la recuperación de gases licuados del gas natural, llegándose a temperaturas por debajo de - 100 ° C.

Para que trabaje eficientemente, a través de procesos de intercambio de calor se trata de llevar el fluido a la entrada del expansor a lo más bajo posible, como para tener un aH lo suficientemente grande de modo de que la caída de temperatura sea importante en la expansión isoentrópica. Recordar que a menor temperatura aH es mayor.

Otra característica de estas aplicaciones es que la potencia extraída del expansor se utiliza en la compresión de fluido de proceso mejorando el rendimiento global de la instalación.

En una planta de este tipo por efecto del enfriamiento previo que se van realizando antes de la llegada al expansor y por la caída de temperatura propia del expansor se producen condensaciones de los hidrocarburos más pesados por lo que este tipo de máquina debe ser apta para trabajar con un porcentaje del fluido en fase líquida. Esta exigencia no es cumplida normalmente por todas las turbinas sino que por el contrario se ha hecho universal el uso de las turbinas radiales de reacción, las cuales cumplen con eficiencia ese tipo de exigencia.

Características de los turboexpansores o turbinas radiales de reacción.

En este tipo de turbina parte es expandido en las toberas ingresando el gas tangencialmente al rotor, combinando la velocidad del fluido radial con la velocidad periférica del rotor de modo de que no halla un choque con las paredes, permitiendo trabajar como se mencionó anteriormente con parte del fluido en estado líquido. En general este tipo de máquina no es utilizada por los inconvenientes de la adaptación en multietapas.

Otra particularidad importante es el diseño de las toberas móviles las cuales permiten trabajar con eficiencia en una amplia gama de presiones y caudales adaptando su forma según sea las condiciones de carga.

La capacidad de trabajar con fase líquida las hace aptas en el uso de la energía geotérmica por ejemplo.

Usos y aplicaciones

El gas natural tiene cantidades variables de propano y butano que pueden ser extraídos por procesos consistentes en la reducción de la temperatura del gas hasta que estos componentes y otros más pesados se condensen.Los procesos usan refrigeración o turboexpansores para lograr temperaturas menores de -40º C necesarias para recobrar el propano. Subsecuentemente estos líquidos son sometidos a un proceso de purificación usando trenes de destilación para producir propano y butano líquido o directamente GLP.

El turboexpansor es una turbina del un solo impeler o rueda similar a una turbina de vapor. Es una máquina de libre circulación que reduce la presión y la temperatura de una corriente del gas y convierte la energía de la presión de gas en trabajo útil. El trabajo es extraído por un compresor centrífugo que es ayudado por un re-compresor que aumenta la corriente del gas después de que se hayan extraído los líquidos condensados de LGN. (Las ruedas del Expansor y del compresor están unidas por los extremos de un eje común.) Esta combinación del expansor y del compresor en una sola máquina conocida por una variedad de nombres, con Expander/Compressor, ExpanderBrake-Cornpressor y Expander/Booster-Compressor siendo la más común. El Expander/compressor (compresor Expansor) es el corazón de la planta criogénica.

El uso del turboexpansor, sin embargo, no elimina la necesidad de la válvula de expansión Joule Thompson que se usa en los sistemas convencionales de refrigeración. En un sistema turboexpansor la válvula normalmente se refiere a la válvula de bypass del expansor permite una más eficiente arranque y parada del turboexpansor. La válvula también permite continuar el proceso si el turboexpansor queda offline o si el caudal aumenta más allá de la capacidad de velocidad del turboexpansor.

Idealmente, la válvula posee las mismas características de capacidad y caudal ya que el turboexpansor produce una transición suave entre los dispositivos

El turboexpansor en un dispositivo mucho más eficiente que a válvula, haciendo un importante cierre estanco que evita la pérdida de energía.