Turboexpander

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TURBOEXPANDER
Historia
El posible uso de una maquina de expansión para la creación de bajas temperaturas isoentrópicamente fue sugerido por Carl Wilhelm Siemens, un ingeniero alemán en 1857. Alrededor de 3 décadas más tarde, en 1885, Ernest Solvay de Bélgica trato de usar una maquina de expansión reciprocante pero no pudo conseguir ninguna temperatura debajo de –98° C por problemas con lalubricación de la maquina a esas temperaturas.
En 1902, Georges Claude un ingeniero francés uso satisfactoriamente una maquina de expansión reciprocante para licuar aire. El uso un desengrasante, empaquetadura de cuero quemado como un pistón sellador sin ninguna lubricación. Con una presión de solamente 40 bar, Claude realizó una casi expansión isoentrópica resultando en una baja temperatura que antesno había sido posible.
El primer turboexpander parece haber sido diseñado en 1934 o 1935 por Guido Zerkowitz, un ingeniero italiano que trabaja para la firma alemana Linde AG.
En 1939, el físico ruso Pyotr Kapitsa perfeccionó el diseño de turboexpanders centrífugos. Su primer prototipo fue hecho de una aleación de metal (Níquel y Cobre), tenía un diámetro externo de 8 cm (3.1”), operado a 40000 rpmy expandía 1000 m3 de aire por hora. Uso una bomba de agua como freno y tenía una eficiencia de 79% a 83%.
La mayoría de turboexpanders de uso industrial desde entonces han sido basados en el diseño de Kapitsa y los turboexpanders centrífugos han alcanzado el 100% de licuefacción de gas industrial y procesos requerido a bajas temperaturas.
Que es un turboexpander?
Un turboexpander o turbina deexpansión, es una turbina centrífuga o de flujo axial a través de la cual un gas a alta presión es expandido para producir trabajo que generalmente es usado para operar un compresor.
Debido a que el trabajo es extractado de la expansión del gas a alta presión, la expansión es un proceso isoentrópico y el gas consumido de baja presión de la turbina esta a muy baja temperatura, a veces tan bajo como–90° C o menos.
Turboexpanders son ampliamente utilizados como fuentes de refrigeración en procesos industriales como la extracción de etano y líquidos del gas natural, licuefacción de gases y otros procesos a bajas temperaturas.
Turboexpanders actualmente en operación varían en tamaño entre 750 W y 7.5 MW (1 hp – 10000 hp).

Aplicaciones
* Extracción de hidrocarburos líquidos del gas natural

Gasnatural crudo consiste principalmente de metano, la molécula de hidrocarburo más corta y liviana, acompañada de varias cantidades de hidrocarburos gaseosos más pesados como el etano, propano, n-butano, isobutano, pentanos y aun moléculas más pesadas. El gas natural crudo también contiene cantidades variables de gases ácidos como dióxido de carbono, ácido sulfhídrico y otros.

Cuando es procesado,estos hidrocarburos pesados son referidos como los líquidos de gas natural (NGL). La extracción de NGL generalmente incluye un turboexpander y una columna de destilación a baja temperatura (demetanizador) mostrado en la figura. El gas entrante al demetanizador es primeramente enfriado a alrededor de –51° C en un intercambiador de calor (cold box) que condensa parcialmente al gas entrante. Lamezcla resultante gas-líquido luego es separada en una corriente de gas y otra de líquido.

La corriente de líquido del separador gas-líquido fluye a través de una válvula y sufre una expansión de una presión absoluta de 62 bar a 21 bar, es un proceso entálpico constante cuyo resultado es el de bajar la temperatura de la corriente de –51° C a alrededor de –81° C a medida que la corriente entra aldemetanizador.

La corriente de gas del separador gas-líquido entra al turboexpander donde sufre una expansión isoentrópica de una presión absoluta de 62 bar a 21 bar, que disminuye la temperatura de la corriente de –51° C a alrededor de –91° C a medida que entra al demetanizador para servir como reflujo de destilación.

El líquido de la bandeja superior del demetanizador (a alrededor de –90° C)...
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