Turboexpansor

_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 mayor masa molecular . 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 (véase Procesamiento de gas natural ), estos hidrocarburos más pesados ​​se denominan colectivamente NGL (líquidos de gas natural). La extracción de NGL suele implicar un turboexpansor ^{[ 7 ]} y una columna de destilación a baja temperatura (denominada desmetanizador ), como se muestra en la figura. El gas de entrada al desmetanizador se enfría primero a unos -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.

El flujo de líquido procedente del separador gas-líquido pasa a través de una válvula y experimenta una expansión por estrangulamiento desde una presión absoluta de 62 bar hasta 21 bar (6,2 a 2,1 MPa), que es un proceso isoentálpico (es decir, un proceso de entalpía constante) que da como resultado una disminución de la temperatura del flujo desde aproximadamente -51  °C hasta aproximadamente -81  °C a medida que el flujo entra en el desmetanizador.

La corriente de gas procedente del separador gas-líquido entra en el turboexpansor, donde experimenta una expansión isoentrópica 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 al entrar en el desmetanizador para servir como reflujo de destilación .

El líquido procedente de la bandeja superior del desmetanizador (a unos -90  °C) se dirige a través de la cámara frigorífica, donde se calienta hasta aproximadamente 0  °C al enfriar el gas de entrada, y luego regresa a la sección inferior del desmetanizador. Otro flujo de líquido procedente de la sección inferior del desmetanizador (a unos 2  °C) se dirige a través de la cámara frigorífica y regresa al desmetanizador a unos 12  °C. En efecto, el gas de entrada proporciona el calor necesario para que la parte inferior del desmetanizador vuelva a hervir, y el turboexpansor elimina el calor necesario para generar el reflujo en la parte superior del desmetanizador.

El gas de cabeza procedente del desmetanizador, a unos -90  °C, es gas natural procesado con la calidad adecuada para su distribución a los consumidores finales mediante gasoducto . Se dirige a través de la cámara frigorífica, donde se calienta al enfriar el gas de entrada. A continuación, se comprime en el compresor de gas accionado por el turboexpansor y se comprime aún más en un compresor de gas de segunda etapa accionado por un motor eléctrico antes de entrar en el gasoducto de distribución.

El producto final procedente del desmetanizador también se calienta en la cámara frigorífica, ya que enfría el gas de entrada, antes de que este salga del sistema como NGL (líquido de gas natural).

Las condiciones de funcionamiento de un turboexpansor/recompresor de acondicionamiento de gas en alta mar son las siguientes: ^{[ 8 ]}

La figura representa un sistema de generación de energía eléctrica que utiliza una fuente de calor, un medio de refrigeración (aire, agua u otro), un fluido de trabajo circulante y un turboexpansor. El sistema puede admitir una amplia variedad de fuentes de calor, tales como:

• agua caliente geotérmica,
• gases de escape de motores de combustión interna que queman una variedad de combustibles ( gas natural , gas de vertedero , gasóleo o fueloil ),
• una variedad de fuentes de calor residual (en forma de gas o líquido).

El fluido de trabajo circulante (generalmente 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 isoentrópica y sale como una mezcla vapor-líquido, que luego se condensa en líquido mediante intercambio de calor con el medio de enfriamiento disponible. El líquido condensado se bombea de vuelta al evaporador para completar el ciclo.

El sistema de la figura implementa un ciclo Rankine, similar al utilizado en centrales eléctricas de combustibles fósiles , donde el agua es el fluido de trabajo y la fuente de calor proviene de la combustión de gas natural, fueloil o carbón para generar vapor a alta presión. Este vapor a alta presión experimenta una expansión isoentrópica en una turbina de vapor convencional . El vapor de escape de la turbina se condensa en agua líquida, que luego se bombea de vuelta al generador de vapor para completar el ciclo.

Cuando se utiliza un fluido de trabajo orgánico como el R-134a en el ciclo Rankine, a veces se hace referencia al ciclo como un 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 convencional por compresión de vapor que utiliza una válvula de expansión de estrangulamiento en lugar de un turboexpansor. ^{[ 12 ]} Básicamente, esto puede considerarse una forma de turbocomposición .

El sistema emplea un refrigerante de alta presión (es decir, uno con un punto de ebullición normal bajo ) como: ^{[ 12 ]}

• clorodifluorometano (CHClF ₂ ) conocido como R-22, con un punto de ebullición normal de −47  °C;
• 1,1,1,2-tetrafluoroetano (C ₂ H ₂ F ₄ ) conocido como R-134a, con un punto de ebullición normal de −26  °C.

Como se muestra en la figura, el vapor refrigerante se comprime a una presión mayor, lo que también resulta en una temperatura más alta. El vapor caliente y comprimido se condensa en estado líquido. En el condensador , el calor se disipa del refrigerante circulante y es transportado por el medio de enfriamiento utilizado (aire, agua, etc.).

El refrigerante líquido fluye a través del turboexpansor, donde se vaporiza. El vapor experimenta una expansión isoentrópica, lo que da como resultado una mezcla de vapor y líquido a baja temperatura. Esta mezcla se dirige luego al evaporador, donde se vaporiza por efecto del calor absorbido del espacio que se está enfriando. El refrigerante vaporizado fluye hacia la entrada del compresor para completar el ciclo.

En el caso de que el fluido de trabajo permanezca en estado gaseoso al entrar en los intercambiadores de calor sin sufrir cambios de fase, este ciclo también se conoce como ciclo Brayton inverso o "ciclo Brayton refrigerado".

Los gases de combustión del regenerador de catalizador de un craqueador catalítico fluidizado 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 (CO₂ ₎ y nitrógeno (N₂ ₎ . Si bien los gases de combustión han pasado por dos etapas de ciclones (ubicados dentro del regenerador) para eliminar las partículas finas de catalizador arrastradas, aún contienen algunas partículas residuales de catalizador. 

La figura muestra cómo se recupera y utiliza la energía al hacer pasar 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 remolino diseñados para eliminar entre el 70 % y el 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 de los gases de combustión a través de un turboexpansor proporciona suficiente potencia 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 de los gases de combustión no proporciona suficiente potencia para accionar el compresor de aire, el motor-generador eléctrico proporciona la potencia adicional necesaria. Si la expansión de los gases de combustión proporciona más potencia de la necesaria para accionar el compresor de aire, entonces el motor-generador eléctrico convierte el exceso de potencia 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 fluidos hasta que haya suficiente gas de combustión para asumir esa tarea.

Los gases de combustión expandidos se dirigen luego a través de una caldera generadora de vapor (conocida como caldera de CO ), donde el monóxido de carbono presente en los gases 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 mediante un precipitador electrostático (ESP) para eliminar las partículas residuales . El ESP elimina las partículas con un tamaño comprendido entre 2 y 20 micrómetros de los gases de combustión. ^{[ 14 ]}