curso turbo expander ii
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Gas NaturalTRANSCRIPT
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1Seccin II: Introduccin al procesamiento de gas
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2Entonces, Qu es un Turboexpansor?
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3Es una mquina utilizada para producirrefrigeracin y recuperar energa que de otra
manera se desperdiciara...
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4Cmo funciona y porqu la necesitamos?
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5Volvamos a conceptos bsicos...
Qu es lo que est contenidoen la corriente de gas?
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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.
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8Cmo se puede:Recuperar o remover determinadoscomponentes, tales como valiososhidrocarburos lquidos, en forma
econmica de la corriente de
Gas cruda?
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9El procesamiento de gas depende del reconocimientode las propiedades fsicas de
los diversos elementosconstitutivos de la corriente
cruda de gas natural.
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10
Tales como el estado de la materia bajo condicionesambientales variantes
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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
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12
Para selectivamente separarvarios componentes de la
corriente de gas, efectuar un cambio de estado sobre esos
componentes
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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
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14
El Procesamiento de gas
Es seguro?
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El procesamiento de gas no es inherentemente
peligroso, pero -mas anque el mar- no perdona
los errores!
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Para prevenir accidentes, slo tenemos que
recordar una palabra; que es
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17
Seguridad SEGURIDAD seguridad
Seguridad
Seguridad SEGURIDAD Seguridad
SEGURIDAD
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18
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19
Qu contiene la corriente de gas?
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20
Materia en una variedad de formas:
Gases, lquidos, slidos
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21
Qu ms hay en la corriente de gas?
Energa
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22
Energa y la Primera Leyde la Termodinmica
No podemos crear o destruir la energa, pero podemoscambiar su estado
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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
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24
Energa y la Primera Leyde la Termodinmica
La Energa existe en muchas formas diferentes : 1. Gravitacional2. Elctrica3. Cintica4. Interna5. Calrica6. Potencial, Trabajo, Etc.
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25
El Procesamiento del Gas en sus inicios
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26
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27
Para procesar el gas hoy:
Utilizar la TecnologaModerna para efectuar un
cambio de estado de gaseoso a lquido
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Por qu lquidos?
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29
Los lquidos requierenmenos espacio para
almacenaje o transporte; esuna cuestin de economa
de escala
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30
Para procesar el gas,
Controlar el ambiente
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31
Cambiar el ambiente:
Variar la presin y/o la temperatura
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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.
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36
Pero los compresores son complejos y costosos
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37
Una alternativa razonable?
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38
Reducir la temperatura del gas
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39
Qu se requiere?
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40
RefrigeracinRefrigeracin:: Enfriar la corriente de gas para producir lquidos
(extraer destilados, condensados, esdecir, LPG).
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41
EquipoEquipo RequeridoRequerido: Torres de enfriamiento, intercambiadores de calor.
Refrigeracin mecnica
Vlvulas de Expansin
Turboexpansores
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42
Consideremos Capacidadde Procesamiento:
Tiempo?
Flujo ?
Eficiencia?
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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.
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44
Grandestorres de enfriamientoenfrangrandescantidades de gas...
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45
Pobre eficiencia y altos costos...
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46
Intercambiadores de calor
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47
Refrigeracin MecnicaEstos sistemas complejos,
costosos, de alto mantenimiento, tambin tienen limitaciones para
lograr cadas de temperatura. Adems, no se recupera energa
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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...
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49
Una Vlvula de Expansin
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50
-
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
-
54
-
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.
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56
VLVULA JOULE-THOMPSON
0 F -50 F
COMO FUENTE DE REFRIGERACIN
FLUJO de Gas
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57
Un tren de procesamiento de gas utilizandouna vlvula J-T como fuente de
refrigeracin.
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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
VLVULA JOULE-THOMPSON
@ 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
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
100% vapor
Pres
in
kg/c
m
Temperatura F
Tpica envolvente de fase para el gas natural
-
63
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
Fase Densa
Estado Vapor
100% vapor
Pres
in
kg/c
m
Temperatura F
Tpica envolvente de fase para el gas natural
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64
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
Fase Densa
Estado Vapor
100% vapor
95% vapor
Pres
in
kg/c
m
Temperatura F
Tpica envolvente de fase para el gas natural
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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
Fase Densa
Estado Vapor
100% vapor
95% vapor
85% vaporEstadoLquidoP
resi
nkg
/cm
Temperatura F
Tpica envolvente de fase para el gas natural
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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
Fase Densa
Estado Vapor
100% vapor
95% vapor
85% vaporEstadoLquidoP
resi
nkg
/cm
Temperatura F
Tpica envolvente de fase para el gas natural
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67
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
Fase Densa
Estado Vapor
100% vapor
95% vapor
85% vaporEstadoLquidoP
resi
nkg
/cm
Temperatura F
Tpica envolvente de fase para el gas natural
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68
Una alternativa, un adjunto a la J-T?
El turboexpansor...
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69
TRATAMIENTO DE GAS
TURBOEXPANSOR
Pre-tratamiento
Fuente del Gas
P.Bomba de LPG (lquidos)
Al gasoducto...
Directo a Ventas
Gas residual
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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
Un expansor actuando como una J.T.
100%deFlujo
@ -4 F @ -71 F1140 psig 450 psig
recupera 2933 Hp @ 13400 RPM
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72
-
73
@ 0 F
-
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@ 0 F
@ -50 F
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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 natural
Fase Densa
Estado Vapor
100% vapor
95% vapor
85% vaporEstadoLquidoP
resi
nkg
/cm
Temperatura F
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76
Comparemos un Turboexpansorcon una J.T. en lnea ...
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77
@ -4 F
@ -71 F
-
78
VLVULA JOULE-THOMPSON
@ 0 F @ -50 FPresin y temperatura
Ambas se reducen, pero toda la energa de presin se desperdicia...
0% Eff.
1140 psig 650 psig
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79
Un expansor actuando como una J.T.
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
Tren de proceso bsico de un Turboexpansor
(Noten el desvo de la J.T.)
Intercambiador
GAS\GAS
Salida Lquidos
Separador Entrada Expansor
A gasoducto o compresor
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 Entrada Expansor
A gasoducto o compresor
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 Entrada Expansor
A gasoducto o compresor
Separador fro
ExpansorCompresor
Vlvula J-T
2. Mantenimiento del expansor1. Poner planta en marcha, estabilizar
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85
Tren de proceso bsico de un Turboexpansor
(Noten el desvo de la J.T.)
Intercambiador
GAS\GAS
Salida Lquidos
Separador Entrada Expansor
A gasoducto o compresor
Separador fro
ExpansorCompresor
Vlvula J-T
1. Poner planta en marcha, estabilizar 2. Mantenimiento del expansor3. Flujo excedente de proceso (desvo del expansor)
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86
Qu hay en el gas?
Materia & Energa!
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87
Qu hacemos al respecto de la
recuperacin de Energa?
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88
TRMINOS DE CONTABILIDAD
ENERGTICA Y SUS SIGNIFICADOS:
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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)
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90
ENTALPA (H) Una medida de la energa total
del sistema en relacin al volmen de masa:
H = U + PV
(Entalpa = Interna + Energa Potencial)
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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.
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92
Un Turboexpansor es unamquina que produce:
refrigeraciny
recupera energa
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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.
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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.
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95
Un expansor actuando como una J.T.
100% deFlujo
@ -4 F @ -71 F1140 psig 450 psig
Esta mquina recupera 2933 HP
de la corriente de proceso de gas
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96
EXPANSIN
ISENTRPICA
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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.
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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.
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99
Un expansor tambin puedeser utilizado para impulsarotros dispositivos.. tales como una caja reductora, luego otros equipos...
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100
Un expansor recupera energa de la corriente de entrada
89.0% Eff.
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101
luego transfiere 6185 Kw a una cajareductora
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102
la cual impulsa un generador elctrico.
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103
Este conjunto turboexpansor-generador modeloFrame 4.0 produce aproximadamente: 2500 kW
Los resultados? Electricidad esencialmente
Gratuita.
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104
Configuracionesde carcasas de turboexpansor:
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105
SuccinExpansor
La succin/entrada de un expansorpuede estar orientada ya sea
horizontalmente,
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106
SuccinExpansor
o, verticalmente. Todo depende de la configuracin de la tubera de proceso de la planta.
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107
Una tpica instalacin de turboexpansor...
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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.
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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
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110
Necesitamos un Turboexpansor ?
Para decidir, debemos entender el proceso y los costos involucrados
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111
COSTOS TPICOS1. Infraestructura; 2. Materia prima;3. Mantenimiento; 4. Operaciones;5. Merma; 6. Almacenaje;7. Fraccionamiento;
8. Impuestos, etc.
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112
En trminos simples
Cuesta mucho dinerorecuperar esos valiosos
gases y lquidos de hidrocarburos de la
corriente cruda del gas.
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113
Resumiendo
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114
Qu se necesita para procesar gas?
Un mtodo econmico paraseparar los diversos componentes
constitutivos.
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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..
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116
Un Turboexpansorpuede ser utilizado para
suministrarrefrigeracin a la corriente de gas.
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117
Qu es un Turboexpansor?
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118
Un Turboexpansor esuna mquina:
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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.
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120
Como resultado, la corriente de gas de proceso se enfra.
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121
Esta energa extrada es luegoacoplada a un slo eje, slido...
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122
como energa rotante ...
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123
Tren de proceso bsico de Turboexpansin
Intercambiador
GAS\GAS
Salida Lquidos
Separador Entrada Expansor
A gasoducto o compresor
Separador fro
ExpansorCompresor
Vlvula J-T
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124
Los Turboexpansores se fabrican en una ampliagama de tamaos de modelos para cumplircon diversas aplicacionesy capacidades de procesamiento.
-
125
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126
Apaguemos las antorchas Paremos el despilfarro!
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127
Cmo se relaciona todo estocon el procesamiento de gas?
$$ - Aumento de Beneficios - $$!!
Mejoras ambientales
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128
Ventajas econmicas de un Sistema Turboexpansor...
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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
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130
Produccin de LPG Produccin sin un expansor(planta con JT nicamente)
= 2,580 tons por da!
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131
Eso es una merma de
2,270 toneladas por da de LPG!
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132
Los Los resultadosresultados:: Una prdida de produccin de 40 a 50 %, sin
mencionar la prdida completa de la energa mecnica involucrada....
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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!
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134
demostrando claramente la naturaleza estratgica de un Sistema de Turboexpansin
bien diseado y operadoeficientemente.
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135
Una tpica planta de procesamiento de gas
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136
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137