Curso Turbo Expander II

1Seccin II: Introduccin al procesamiento de gas

2Entonces, Qu es un Turboexpansor?

3Es una mquina utilizada para producirrefrigeracin y recuperar energa que de otra

manera se desperdiciara...

4Cmo funciona y porqu la necesitamos?

5Volvamos a conceptos bsicos...

Qu es lo que est contenidoen la corriente de gas?

6El Gas natural crudo contiene:

1. Agua

2. Sedimentos, y otras impurezas.

3. Contaminantes: Sales, azfre, cidos, etc

4. Valiosos hidrocarburos gaseosos y lquidos.

5. Energa, en varias formas

7Gases/lquidos Valiosos:1. Etano

2. Propano

3. I-Butano

4. N-Butano

5. Hexanos

6. Heptanos, Metano, etc., etc.

8Cmo se puede:Recuperar o remover determinadoscomponentes, tales como valiososhidrocarburos lquidos, en forma

econmica de la corriente de

Gas cruda?

9El procesamiento de gas depende del reconocimientode las propiedades fsicas de

los diversos elementosconstitutivos de la corriente

cruda de gas natural.

10

Tales como el estado de la materia bajo condicionesambientales variantes

11

Corriente de Gas Tpica : @ 1At

1. N-Butano (C4 H10) = 0 C

2. Propano (C3 H8 ) = -42 C

3. Anhdrido Carbnico (CO2) = -78 C

4. Etano (C2 H6) = -88 C

5. Eteno (Etileno - C2 H4) = -103 C

6. Metano (CH4) = -161 C

12

Para selectivamente separarvarios componentes de la

corriente de gas, efectuar un cambio de estado sobre esos

componentes

13

Por Ejemplo: Para efectuar un cambio de estado en la materia, controlar el

ambiente:1. Presin2. TemperaturaPor consiguiente variando el

estado de la materia

14

El Procesamiento de gas

Es seguro?

15

El procesamiento de gas no es inherentemente

peligroso, pero -mas anque el mar- no perdona

los errores!

16

Para prevenir accidentes, slo tenemos que

recordar una palabra; que es

17

Seguridad SEGURIDAD seguridad

Seguridad

Seguridad SEGURIDAD Seguridad

SEGURIDAD

19

Qu contiene la corriente de gas?

20

Materia en una variedad de formas:

Gases, lquidos, slidos

21

Qu ms hay en la corriente de gas?

Energa

22

Energa y la Primera Leyde la Termodinmica

No podemos crear o destruir la energa, pero podemoscambiar su estado

23

Primero: Como en el casode la materia

Debemos identificar el tipo, forma y magnitud de la energa definida a fin de efectuar un cambio en su

estado

24

Energa y la Primera Leyde la Termodinmica

La Energa existe en muchas formas diferentes : 1. Gravitacional2. Elctrica3. Cintica4. Interna5. Calrica6. Potencial, Trabajo, Etc.

25

El Procesamiento del Gas en sus inicios

27

Para procesar el gas hoy:

Utilizar la TecnologaModerna para efectuar un

cambio de estado de gaseoso a lquido

28

Por qu lquidos?

29

Los lquidos requierenmenos espacio para

almacenaje o transporte; esuna cuestin de economa

de escala

30

Para procesar el gas,

Controlar el ambiente

31

Cambiar el ambiente:

Variar la presin y/o la temperatura

32

Corriente de gas tpica : @ 1At1. N-Butano (C4 H10) = 0 C

2. Propano (C3 H8 ) = -42 C

3. Anhdrido Carbnico (CO2) = -78 C

4. Etano (C2 H6) = -88 C

5. Eteno (Ethylene - C2 H4) = -103 C

6. Metano (CH4) = -161 C

33

Qu se requiere paracambiar la presin o la

temperatura de la corrientede gas?

34

Incrementar la presin ?

35

CompresoresCompresores:: Comprimir la corriente de gas para cambiar el estado

de varios componentes contenidos dentrode la corriente, es decir, producir

lquidos.

36

Pero los compresores son complejos y costosos

37

Una alternativa razonable?

38

Reducir la temperatura del gas

39

Qu se requiere?

40

RefrigeracinRefrigeracin:: Enfriar la corriente de gas para producir lquidos

(extraer destilados, condensados, esdecir, LPG).

41

EquipoEquipo RequeridoRequerido: Torres de enfriamiento, intercambiadores de calor.

Refrigeracin mecnica

Vlvulas de Expansin

Turboexpansores

42

Consideremos Capacidadde Procesamiento:

Tiempo?

Flujo ?

Eficiencia?

43

Torres de enfriamientoIntercambiadores de calorEstas tienen serias limitaciones para

lograr cadas de temperatura, adems de ocupar mucho espacio, tpicamenterequieren un suministro contnuo de agua de enfriamiento o aire. No se

recupera energa.

44

Grandestorres de enfriamientoenfrangrandescantidades de gas...

45

Pobre eficiencia y altos costos...

46

Intercambiadores de calor

47

Refrigeracin MecnicaEstos sistemas complejos,

costosos, de alto mantenimiento, tambin tienen limitaciones para

lograr cadas de temperatura. Adems, no se recupera energa

48

Vlvulas de ExpansinEstos dispositivos simples, relativamente

econmicos y de bajo mantenimiento, tambin tienen limitaciones para lograrcadas de temperatura. No obstante, son

utilizados ampliamente en la industria del procesamiento del gas como la nica fuentede enfriamiento del gas para la recuperacin

de hidrocarburos lquidos...

49

Una Vlvula de Expansin

51

Vlvula Joule-ThompsonA veces conocida como Vlvula J-T,

esta Vlvula de Expansin es un dispositivo simple que produce una

cada de presin y una cada de temperatura en una corriente de gas. Sin embargo, aunque es de bajo costo, no es

eficiente, no se recupera energa!

52

Vlvula JOULE-THOMPSON

1140 psig

Como dispositivo para reduccin de presin

100% del FLUJO

650 psig

53

TRATAMIENTO DE GAS

Joule-Thompson

Pre-tratamiento

Fuente del Gas

P.Bomba de LPG (lquidos)

Al gasoducto ...

RECOMPRESOR

VENTAS

Gas Residual

55

Enfriamiento del gas :

La reduccin de la presin y la expansin del gas resultante

producen una cada brusca en la temperatura de la corriente de gas a medida que la Energa Calrica es

liberada.

56

VLVULA JOULE-THOMPSON

0 F -50 F

COMO FUENTE DE REFRIGERACIN

FLUJO de Gas

57

Un tren de procesamiento de gas utilizandouna vlvula J-T como fuente de

refrigeracin.

58

EXPANSIN

ISOENTLPICA

59

EXPANSIN ISOENTLPICA

Una Vlvula J-T Valve produce expansinisoentlpica es decir, la entalpa (H) permanece constante y no hay trabajodisponible como resultado de dicha

expansin. La Entropa (S) se incrementa(algo de energa calrica permanece en la corriente de gas, y no se realiza trabajo).

60


@ 0 F @ -50 FPresin y temperatura

Ambas son reducidas, pero toda la energa de presin se desperdicia...

0% Eff.

1140 psig 650 psig

61

Typical Phase Envelope for Natural Gas

Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20

Tpica envolvente de fase para el gas naturalPr

esi

nkg

/cm

Temperatura F

62


Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20

100% vapor

Pres

in

kg/c

m

Temperatura F

Tpica envolvente de fase para el gas natural

63


Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20

Fase Densa

Estado Vapor

100% vapor

Pres

in

kg/c

m

Temperatura F


64


Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20

Fase Densa

Estado Vapor

100% vapor

95% vapor

Pres

in

kg/c

m

Temperatura F


65


Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20

Fase Densa

Estado Vapor

100% vapor

95% vapor

85% vaporEstadoLquidoP

resi

nkg

/cm

Temperatura F


66


Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20

Fase Densa

Estado Vapor

100% vapor

95% vapor


resi

nkg

/cm

Temperatura F


67


Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20

Fase Densa

Estado Vapor

100% vapor

95% vapor


resi

nkg

/cm

Temperatura F


68

Una alternativa, un adjunto a la J-T?

El turboexpansor...

69

TRATAMIENTO DE GAS

TURBOEXPANSOR

Pre-tratamiento

Fuente del Gas

P.Bomba de LPG (lquidos)

Al gasoducto...

Directo a Ventas

Gas residual

70

Un expansor actuando como una J.T.

Comparemos con una J.T. en lnea...

100%del Flujo

@ -4 F @ -71 F1140 psig 450 psig

71


100%deFlujo

@ -4 F @ -71 F1140 psig 450 psig

recupera 2933 Hp @ 13400 RPM

73

@ 0 F

74

@ 0 F

@ -50 F

75


Pre

ssur

e, b

ara

Temperature, degC

CCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-20-40-60-80-100-120-140-160-180-200 0 20


Fase Densa

Estado Vapor

100% vapor

95% vapor


resi

nkg

/cm

Temperatura F

76

Comparemos un Turboexpansorcon una J.T. en lnea ...

77

@ -4 F

@ -71 F

78


@ 0 F @ -50 FPresin y temperatura

Ambas se reducen, pero toda la energa de presin se desperdicia...

0% Eff.

1140 psig 650 psig

79


100% deFlujo

@ -4 F @ -71 F1140 psig 450 psig

Esta mquina recupera 2933 Hp de la corriente de gas de proceso

80

Un tpico turboexpansor

81

Tren de proceso bsico de un Turboexpansor

Intercambiador

GAS\GAS

Salida Lquidos

Separador Entrada Expansor

A gasoducto o compresor

Separador fro

ExpansorCompresor

Vlvula J-T

82


(Noten el desvo de la J.T.)

Intercambiador

GAS\GAS

Salida Lquidos



Separador fro

ExpansorCompresor

Vlvula J-T

83

Tren de proceso bsico de un Turboexpansor(Noten el desvo de la J.T.)

1. Poner planta en marcha, estabilizar

Intercambiador

GAS\GAS

Salida Lquidos



Separador fro

ExpansorCompresor

Vlvula J-T

84

Tren de proceso bsico de un Turboexpansor(Noten el desvo de la J.T.)

Intercambiador

GAS\GAS

Salida Lquidos



Separador fro

ExpansorCompresor

Vlvula J-T

2. Mantenimiento del expansor1. Poner planta en marcha, estabilizar

85


(Noten el desvo de la J.T.)

Intercambiador

GAS\GAS

Salida Lquidos



Separador fro

ExpansorCompresor

Vlvula J-T

1. Poner planta en marcha, estabilizar 2. Mantenimiento del expansor3. Flujo excedente de proceso (desvo del expansor)

86

Qu hay en el gas?

Materia & Energa!

87

Qu hacemos al respecto de la

recuperacin de Energa?

88

TRMINOS DE CONTABILIDAD

ENERGTICA Y SUS SIGNIFICADOS:

89

Trminos de energa :

1. Cintica (KE: Velocidad en relacin a masa)2. Potencial (PE, o PV con volmen)3. Interna (U, excluyente de PE & KE)4. Calrica (Q) 5. Trabajo (W)6. Entalpa (H)7. Entropa (S)

90

ENTALPA (H) Una medida de la energa total

del sistema en relacin al volmen de masa:

H = U + PV

(Entalpa = Interna + Energa Potencial)

91

ENTROPIA (S)Una medida de la energa trmica en

un sistema, no disponible pararealizar trabajo .

Nota: S est relacionado con la presin, volmen, & temperatura de una corriente de gas.

92

Un Turboexpansor es unamquina que produce:

refrigeraciny

recupera energa

93

Energa: HP...Extrados de la corriente de gas de altapresin por la rueda de turbina rotante del expansor, son acoplados a la rueda de la turbina de recompresin por un eje. Esaenerga es entonces utilizada para impulsaral compresor. Este trabajo es lo queproduce la alta eficiencia.

94

Recuperacin de EnergaUna gran parte de la energa recuperada

del gas expandido/despresurizado en un Turboexpansor, es convertida a energa

mecnica.

Este trabajo es la razn de la altaeficiencia de un sistema de

turboexpansin.

95


100% deFlujo

@ -4 F @ -71 F1140 psig 450 psig

Esta mquina recupera 2933 HP

de la corriente de proceso de gas

96

EXPANSIN

ISENTRPICA

97

EXPANSIN ISENTRPICADiferencindose de una vlvula J.T, un Turboexpansor convierte la energa de la

corriente de gas en refrigeracin y trabajo. En este caso, se reduce la entropa y la energa recuperada es

entonces acoplada a cualquier dispositivoque pueda hacer uso de la misma. Porejemplo: un generador elctrico, o un

compresor.

98

Recuperar energaAproximadamente el 88% de la energacontenida dentro de la corriente de gas

puede ser recuperada utilizando un turboexpansor. Esto significa que de un

sistema tpico, se pueden recuperar miles de caballos de fuerza, o ms, que luegopueden ser utilizados para impulsar un

compresor o un generador.

99

Un expansor tambin puedeser utilizado para impulsarotros dispositivos.. tales como una caja reductora, luego otros equipos...

100

Un expansor recupera energa de la corriente de entrada

89.0% Eff.

101

luego transfiere 6185 Kw a una cajareductora

102

la cual impulsa un generador elctrico.

103

Este conjunto turboexpansor-generador modeloFrame 4.0 produce aproximadamente: 2500 kW

Los resultados? Electricidad esencialmente

Gratuita.

104

Configuracionesde carcasas de turboexpansor:

105

SuccinExpansor

La succin/entrada de un expansorpuede estar orientada ya sea

horizontalmente,

106

SuccinExpansor

o, verticalmente. Todo depende de la configuracin de la tubera de proceso de la planta.

107

Una tpica instalacin de turboexpansor...

108

Aumentar la Recuperacin de Lquidos

El aumento de recuperacin de lquidosincrementa los mrgenes de beneficio,

disminuye costos, protege el medioambiente, y aumenta la participacin

en el mercado.

109

Aplicaciones tpicas para un Turboexpansor

Procesamiento de Gas Natural LPG, Recuperacin de Etno Ajuste de punto de roco

Petroqumica Etileno Monxido de Carbono Recuperacin de Hidrgeno Gas derivado de refinacin

110

Necesitamos un Turboexpansor ?

Para decidir, debemos entender el proceso y los costos involucrados

111

COSTOS TPICOS1. Infraestructura; 2. Materia prima;3. Mantenimiento; 4. Operaciones;5. Merma; 6. Almacenaje;7. Fraccionamiento;

8. Impuestos, etc.

112

En trminos simples

Cuesta mucho dinerorecuperar esos valiosos

gases y lquidos de hidrocarburos de la

corriente cruda del gas.

113

Resumiendo

114

Qu se necesita para procesar gas?

Un mtodo econmico paraseparar los diversos componentes

constitutivos.

115

CompresinCompresin:: del gas es costoso;

EnfriamientoEnfriamiento:: del gas puede ser realizadomuy econmicamente.

Las plantas de procesamiento de gas muy a menudo seleccionan la refrigeracin, o enfriamiento del gas para acelerar la

separacin de los componentesseleccionados..

116

Un Turboexpansorpuede ser utilizado para

suministrarrefrigeracin a la corriente de gas.

117

Qu es un Turboexpansor?

118

Un Turboexpansor esuna mquina:

119

El Turboexpansor, actuandocomo una turbina de flujo de entradaradial modificada, extrae energa de

presin en la forma de calor y energapotencial de una corriente de gas de alta

presin.

120

Como resultado, la corriente de gas de proceso se enfra.

121

Esta energa extrada es luegoacoplada a un slo eje, slido...

122

como energa rotante ...

123

Tren de proceso bsico de Turboexpansin

Intercambiador

GAS\GAS

Salida Lquidos



Separador fro

ExpansorCompresor

Vlvula J-T

124

Los Turboexpansores se fabrican en una ampliagama de tamaos de modelos para cumplircon diversas aplicacionesy capacidades de procesamiento.

126

Apaguemos las antorchas Paremos el despilfarro!

127

Cmo se relaciona todo estocon el procesamiento de gas?

$$ - Aumento de Beneficios - $$!!

Mejoras ambientales

128

Ventajas econmicas de un Sistema Turboexpansor...

129

Aqu tenemos un ejemplo de la vida real:

Flujo Diario de Gas en (Hassi Messaoud, Argelia):

@24 million SM:Produccin de LPG con un

Turboexpansor = 4,850 tons por da

130

Produccin de LPG Produccin sin un expansor(planta con JT nicamente)

= 2,580 tons por da!

131

Eso es una merma de

2,270 toneladas por da de LPG!

132

Los Los resultadosresultados:: Una prdida de produccin de 40 a 50 %, sin

mencionar la prdida completa de la energa mecnica involucrada....

133

El El impactoimpacto econmicoeconmico::

A $212 por tonelada, una merma de 2.270 toneladas por da de LPG

representa Una prdidad de $481,240 de ingresos por da!

134

demostrando claramente la naturaleza estratgica de un Sistema de Turboexpansin

bien diseado y operadoeficientemente.

135

Una tpica planta de procesamiento de gas

Documents

Curso Turbo Expander II