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 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) a partir 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 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. Esta sección analiza uno de los procesos de baja temperatura, así como algunas de las otras aplicaciones.
El gas natural bruto se compone principalmente de metano (CH 4 ), la molécula de hidrocarburo más corta y ligera , 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 bruto también contiene diversas cantidades de gases ácidos como dióxido de carbono (CO 2 ), sulfuro de hidrógeno (H 2 S) y mercaptanos como metanotiol (CH 3 SH) y etanotiol (C 2 H 5 SH).
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 del NGL a menudo implica un turboexpansor [7] y una columna de destilación a baja temperatura (llamada desmetanizadora ), 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 gas-líquido resultante se separa luego en una corriente de gas y una corriente de líquido.
La corriente líquida del separador gas-líquido fluye a través de una válvula y sufre una expansión estranguladora 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 una reducción de la temperatura de la corriente de aproximadamente -51 °C a aproximadamente -81 °C cuando la corriente ingresa al desmetanizador.
La corriente de gas del separador gas-líquido ingresa al turboexpansor, donde sufre 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 ingresa al 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 regresa 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 regresa al desmetanizador a aproximadamente 12 °C. En efecto, el gas de entrada proporciona el calor necesario para "volver a hervir" el fondo del desmetanizador, y el turboexpansor elimina el calor necesario para proporcionar reflujo en la parte superior del desmetanizador.
El producto del gas de cabeza del desmetanizador a aproximadamente -90 °C es gas natural procesado de calidad adecuada para su distribución a los consumidores finales por gasoducto . Pasa a través de la caja fría, donde se calienta mientras enfría el gas de entrada. Luego se comprime en el compresor de gas impulsado por el turboexpansor y luego se comprime en un compresor de gas de segunda etapa impulsado por un motor eléctrico antes de ingresar a la tubería de distribución.
El producto inferior 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 de acondicionamiento de gas marino 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 acomodar una amplia variedad de fuentes de calor como:
El fluido de trabajo en circulación (generalmente un compuesto orgánico como 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 a alta presión resultante fluye hacia el turboexpansor, donde sufre una expansión isentrópica y sale como una mezcla de vapor y líquido, que luego se condensa en líquido mediante 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 de Rankine tal como se utiliza en las centrales eléctricas de 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. . A continuación, el vapor a alta presión sufre 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 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 estranguladora en lugar de un turboexpansor. [12] Básicamente, esto puede verse como una forma de turbo compuesto .
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 del refrigerante se comprime a una presión más alta, lo que también genera una temperatura más alta. El vapor caliente comprimido luego se condensa en un líquido. El condensador es donde el calor se expulsa del refrigerante en circulación y es transportado por cualquier 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 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.
En el caso en que el fluido de trabajo permanezca gaseoso en los intercambiadores de calor sin sufrir cambios de fase, este ciclo también se denomina ciclo Brayton inverso o "ciclo Brayton frigorífico".
El 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 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 los finos del catalizador arrastrados, todavía contiene algunos finos residuales del catalizador.
La figura muestra cómo se recupera y utiliza la energía dirigiendo los gases de combustión del regenerador a través de un turboexpansor. Después de que los gases de combustión salen del regenerador, se dirigen a través de un separador de catalizador secundario que contiene tubos de turbulencia diseñados para eliminar entre el 70% y el 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 de los gases de combustión a través de un turboexpansor proporciona energía suficiente para accionar el compresor de aire de combustión del regenerador. El motor-generador eléctrico del sistema de recuperación de energía puede consumir o producir energía eléctrica. Si la expansión de los gases de combustión no proporciona suficiente energía para accionar 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 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 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.
Luego, el gas de combustión expandido se conduce a través de 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 en el rango de tamaño de 2 a 20 micrómetros de los gases de combustión. [14]
El posible uso de una máquina de expansión para crear isentrópicamente bajas temperaturas fue sugerido por Carl Wilhelm Siemens ( ciclo Siemens ), un ingeniero alemán en 1857. Unas tres décadas después, en 1885, Ernest Solvay de Bélgica intentó utilizar una máquina de expansión alternativa, pero No se pudieron 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 alternativa para licuar el aire. Como junta del pistón utilizó una empaquetadura de cuero quemada y desengrasada sin ningún tipo de lubricación. Con una presión de aire de sólo 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 firma alemana Linde AG . [15] [16]
En 1939, el físico ruso Piotr Kapitsa perfeccionó el diseño de los turboexpansores centrífugos. Su primer prototipo práctico estaba hecho de metal Monel , tenía un diámetro exterior de sólo 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 al 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 del proceso de licuefacción de gas industrial y 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, Piotr Kapitsa recibió el Premio Nobel de Física por su trabajo en el campo de la física de bajas temperaturas. [17]
En 1983, San Diego Gas and Electric estuvo entre los primeros en instalar un turboexpansor en una estación de descarga de gas natural para recuperación de energía . [18]
Los turboexpansores se pueden clasificar por dispositivo de carga o por rodamientos.
Los tres principales dispositivos de carga utilizados en los turboexpansores son los compresores centrífugos , los generadores eléctricos o los frenos hidráulicos. Con compresores centrífugos y 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 no es económicamente justificable aprovechar la potencia del eje.
Los rodamientos utilizados son rodamientos de aceite o rodamientos magnéticos .