Un turboexpansor , también conocido como turboexpansor o turbina de expansión , es una turbina centrífuga o de flujo axial , a través de la cual se expande un gas a alta presión para producir trabajo que a menudo se utiliza para impulsar un compresor o generador . [1] [2] [3]
Debido a que se extrae trabajo del gas en expansión a alta presión, la expansión se aproxima mediante un proceso isentrópico (es decir, un proceso de entropía constante), y el gas de escape a baja presión de la turbina está a una temperatura muy baja , -150 °C o menos, dependiendo de la presión de operación y las propiedades del gas. La licuefacción parcial del gas expandido no es poco común.
Los turboexpansores se utilizan ampliamente como fuentes de refrigeración en procesos industriales como la extracción de etano y líquidos de gas natural (NGL) del gas natural , [4] la licuefacción de gases (como oxígeno , nitrógeno , helio , argón y criptón ) [5] [6] y otros procesos de baja temperatura.
Los turboexpansores actualmente en funcionamiento varían en tamaño desde aproximadamente 750 W hasta aproximadamente 7,5 MW (1 hp hasta aproximadamente 10 000 hp).
Aunque los turboexpansores se utilizan habitualmente en procesos de baja temperatura, también se utilizan en muchas otras aplicaciones. En esta sección se analiza uno de los procesos de baja temperatura, así como algunas de las otras aplicaciones.
El gas natural crudo se compone principalmente de metano (CH4), la molécula de hidrocarburo más corta y ligera, junto con diversas cantidades de gases de hidrocarburos más pesados, como etano (C2H6 ) , propano ( C3H8 ) , butano normal (n-C4H10 ) , isobutano ( i - C4H10 ) , pentanos e incluso hidrocarburos de masa molecular más alta . El gas crudo también contiene diversas cantidades de gases ácidos , como dióxido de carbono (CO2 ) , sulfuro de hidrógeno (H2S ) y mercaptanos, como metanotiol ( CH3SH ) y etanotiol ( C2H5SH ).
Cuando se procesan para obtener subproductos terminados (consulte Procesamiento de gas natural ), estos hidrocarburos más pesados se denominan colectivamente NGL (líquidos de gas natural). La extracción de NGL a menudo implica un turboexpansor [7] y una columna de destilación de baja temperatura (llamada desmetanizadora ), como se muestra en la figura. El gas de entrada al desmetanizador primero se enfría a aproximadamente -51 °C en un intercambiador de calor (conocido como caja fría ), que condensa parcialmente el gas de entrada. Luego, la mezcla de gas y líquido resultante se separa en una corriente de gas y una corriente de líquido.
La corriente líquida del separador de 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 reducción de la temperatura de la corriente de aproximadamente -51 °C a aproximadamente -81 °C a medida que la corriente ingresa al desmetanizador.
La corriente de gas del separador de gas-líquido ingresa al 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 a medida que ingresa al desmetanizador para servir como reflujo de destilación .
El líquido de la bandeja superior del desmetanizador (a unos -90 °C) se dirige a través de la caja fría, donde se calienta a unos 0 °C a medida que enfría el gas de entrada, y luego se devuelve a la sección inferior del desmetanizador. Otra corriente de líquido de la sección inferior del desmetanizador (a unos 2 °C) se dirige a través de la caja fría y se devuelve al desmetanizador a unos 12 °C. En efecto, el gas de entrada proporciona el calor necesario para "recalentar" la parte inferior del desmetanizador, y el turboexpansor elimina el calor necesario para proporcionar reflujo en la parte superior del desmetanizador.
El gas de cabeza que sale del desmetanizador a unos -90 °C es gas natural procesado de calidad adecuada para su distribución a los consumidores finales por tuberías . Se lo conduce a través de la caja fría, donde se calienta a medida que enfría el gas de entrada. Luego se lo comprime en el compresor de gas impulsado por el turboexpansor y se lo 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 final del desmetanizador también se calienta en la caja fría, mientras enfría el gas de entrada, antes de salir del sistema como NGL.
Las condiciones de funcionamiento de un turboexpansor/recompresor acondicionador de gas offshore son las siguientes: [8]
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 circulante y un turboexpansor. El sistema puede admitir una amplia variedad de fuentes de calor, como:
El fluido de trabajo circulante (normalmente 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 resultante a alta presión fluye hacia el turboexpansor, donde experimenta una expansión isentrópica y sale como una mezcla de vapor y líquido, que luego se condensa en un líquido mediante intercambio de calor con el medio de enfriamiento disponible. El líquido condensado se bombea de nuevo al evaporador para completar el ciclo.
El sistema de la figura implementa un ciclo Rankine como el que se utiliza en las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles , donde el agua es el fluido de trabajo y la fuente de calor se deriva de la combustión de gas natural, fueloil o carbón utilizado para generar vapor a alta presión. El vapor a alta presión luego experimenta una expansión isentrópica en una turbina de vapor convencional . A continuación, el vapor de escape de la turbina de vapor se condensa 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 Rankine, el ciclo a veces se denomina ciclo Rankine orgánico (ORC). [9] [10] [11]
Un sistema de refrigeración utiliza un compresor, un turboexpansor y un motor eléctrico.
Dependiendo de las condiciones de operación, el turboexpansor reduce la carga en el 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]
Como se muestra en la figura, el vapor de refrigerante se comprime a una presión más alta, lo que también da como resultado una temperatura más alta. Luego, el vapor comprimido y caliente se condensa y se convierte en líquido. El condensador es el lugar donde se expulsa el calor del refrigerante en circulación y se lo lleva el medio de enfriamiento que se utilice 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 se dirige a través del evaporador, donde se vaporiza por el calor absorbido del espacio que se está enfriando. El refrigerante vaporizado fluye hacia la entrada del compresor para completar el ciclo.
En el caso en que el fluido de trabajo permanece gaseoso en los intercambiadores de calor sin sufrir cambios de fase, este ciclo también se denomina ciclo Brayton inverso o "ciclo Brayton refrigerante".
Los gases de combustión del regenerador de catalizador de un craqueador catalítico de fluidos se encuentran a una temperatura de aproximadamente 715 °C y a una presión de aproximadamente 2,4 barg (240 kPa manométricos). Sus componentes gaseosos son principalmente monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2 ) y nitrógeno (N 2 ). Aunque los gases de combustión han pasado por dos etapas de ciclones (ubicados dentro del regenerador) para eliminar las partículas finas del catalizador arrastradas, aún contienen algunas partículas finas residuales del catalizador.
La figura muestra cómo se recupera y utiliza la energía al dirigir el gas 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 remolino diseñados para eliminar el 70-90% de las partículas finas 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 energía para accionar 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 del gas de combustión no proporciona suficiente energía para accionar el compresor de aire, el motor-generador eléctrico proporciona la energía adicional necesaria. Si la expansión del gas de combustión proporciona más energía de la necesaria para accionar el compresor de aire, entonces 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 accionar el compresor de aire de combustión del regenerador durante los arranques del craqueador catalítico de fluido hasta que haya suficiente gas de combustión para asumir esa tarea.
Luego, el gas de combustión expandido se dirige a una caldera generadora de vapor (conocida como 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]
Los gases de combustión de la caldera de CO se procesan a través de un precipitador electrostático (ESP) para eliminar las partículas residuales . El ESP elimina partículas de un tamaño de entre 2 y 20 micrómetros de los gases de combustión. [14]
El posible uso de una máquina de expansión para crear bajas temperaturas de forma isentrópica fue sugerido por Carl Wilhelm Siemens ( ciclo de Siemens ), un ingeniero alemán en 1857. Aproximadamente tres décadas después, en 1885, Ernest Solvay de Bélgica intentó utilizar una máquina expansora reciprocante, 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 reciprocante para licuar el aire. Utilizó una empaquetadura de cuero quemado y desengrasado como sello del pistón sin lubricación alguna. Con una presión de aire de solo 40 bar (4 MPa), Claude logró una expansión casi isentrópica que dio como resultado una temperatura más baja de lo que había sido posible hasta entonces. [2]
Los primeros turboexpansores parecen haber sido diseñados alrededor de 1934 o 1935 por Guido Zerkowitz, un ingeniero italiano que trabajaba para la firma 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 expandía 1.000 metros cúbicos de aire por hora. Utilizaba una bomba de agua como freno y tenía una eficiencia del 79-83%. [2] [16] La mayoría de los turboexpansores de uso industrial desde entonces se han basado en el diseño de Kapitsa, y los turboexpansores centrífugos han asumido casi el 100% de los requisitos de licuefacción de gases industriales y procesos de baja temperatura. [2] [16] La disponibilidad de oxígeno líquido revolucionó la producción de acero utilizando el proceso básico de fabricación de acero con oxígeno .
En 1978, Pyotr Kapitsa recibió el 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 una de las primeras empresas en instalar un turboexpansor en una estación de descarga de gas natural para la recuperación de energía . [18]
Los turboexpansores se pueden clasificar según el dispositivo de carga o los cojinetes.
Los tres principales dispositivos de carga que se utilizan 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 los servicios públicos.
Los frenos hidráulicos se utilizan cuando el turboexpansor es muy pequeño y no es económicamente justificable aprovechar la potencia del eje.
Los cojinetes utilizados son cojinetes de aceite o cojinetes magnéticos .