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Sección II: Introducción al procesamiento de gas
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Entonces, ¿Qué es un Turboexpansor?
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Es una máquina utilizada para producir refrigeración y recuperar energía que de otra manera se desperdiciaría...
4
¿Cómo funciona y por qué la necesitamos?
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Volvamos a conceptos básicos...
¿Qué es lo que está contenido en la corriente de gas?
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El Gas natural crudo contiene:
1. Agua 2. Sedimentos, y otras impurezas. 3. Contaminantes: Sales, azúfre, ácidos, etc 4. Valiosos hidrocarburos gaseosos y líquidos. 5. Energía, en varias formas
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Gases/líquidos Valiosos: 1. Etano 2. Propano 3. I-Butano 4. N-Butano 5. Hexanos 6. Heptanos, Metano, etc., etc.
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¿Cómo se puede: Recuperar o remover determinados componentes, tales como valiosos hidrocarburos líquidos, en forma económica de la corriente de Gas cruda?
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El procesamiento de gas depende del reconocimiento de las propiedades físicas de los diversos elementos constitutivos de la corriente cruda de gas natural.
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Tales como el estado de la materia bajo condiciones ambientales variantes …
Corriente de Gas Típica : @ 1At 1. N-Butano (C4 H10) =
0º C
2. Propano (C3 H8 ) =
-42º C
3. Anhídrido Carbónico (CO2) =
-78º C
4. Etano (C2 H6) =
-88º C
5. Eteno (Etileno - C2 H4) =
-103º C
6. Metano (CH4) =
-161º C
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12
Para selectivamente separar varios componentes de la corriente de gas, efectuar un cambio de estado sobre esos componentes …
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Por Ejemplo: Para efectuar un cambio de estado en la materia, controlar el ambiente: 1. Presión 2. Temperatura Por consiguiente variando el estado de la materia …
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“El Procesamiento de gas”
¿Es seguro?
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El procesamiento de gas no es inherentemente peligroso, pero -mas aún que el mar- no perdona los errores!
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Para prevenir accidentes, sólo tenemos que recordar una palabra; que es…
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Seguridad
SEGURIDAD
seguridad
Seguridad Seguridad
SEGURIDAD Seguridad
SEGURIDAD
18
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¿Qué contiene la corriente de gas?
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Materia en una variedad de formas: Gases, líquidos, sólidos…
21
¿Qué más hay en la corriente de gas? Energía…
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Energía y la Primera Ley de la Termodinámica No podemos crear o destruir la energía, pero podemos cambiar su estado …
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Primero: Como en el caso de la materia… Debemos identificar el tipo, forma y magnitud de la energía definida a fin de efectuar un cambio en su estado …
Energía y la Primera Ley de la Termodinámica La Energía existe en muchas formas diferentes :
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Gravitacional Eléctrica Cinética Interna Calórica Potencial, Trabajo, Etc.
24
25
El Procesamiento del Gas en sus inicios …
26
27
Para procesar el gas hoy: Utilizar la Tecnología Moderna para efectuar un cambio de estado de gaseoso a líquido
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¿Por qué líquidos?
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Los líquidos requieren menos espacio para almacenaje o transporte; es una cuestión de economía de escala…
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Para procesar el gas, Controlar el ambiente…
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Cambiar el ambiente: Variar la presión y/o la temperatura …
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Corriente de gas típica : @ 1At 1. N-Butano (C4 H10) =
0° C
2. Propano (C3 H8 ) =
-42° C
3. Anhídrido Carbónico (CO2) =
-78° C
4. Etano (C2 H6) =
-88° C
5. Eteno (Ethylene - C2 H4) =
-103 C
6. Metano (CH4) =
-161° C
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¿Qué se requiere para cambiar la presión o la temperatura de la corriente de gas?
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¿Incrementar la presión …?
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Compresores: Comprimir la corriente de gas para cambiar el estado de varios componentes contenidos dentro de la corriente, es decir, producir líquidos.
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Pero los compresores son complejos y costosos …
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Una alternativa razonable?
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Reducir la temperatura del gas …
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¿Qué se requiere?
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Refrigeración: Enfriar la corriente de gas para producir líquidos (extraer destilados, condensados, es decir, LPG).
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Equipo Requerido: Requerido • Torres de enfriamiento, intercambiadores de calor. • Refrigeración mecánica •Válvulas de Expansión •Turboexpansores
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Consideremos “Capacidad de Procesamiento”: ¿Tiempo? ¿Flujo ? ¿Eficiencia?
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Torres de enfriamiento Intercambiadores de calor Estas tienen serias limitaciones para lograr caídas de temperatura, además de ocupar mucho espacio, típicamente requieren un suministro contínuo de agua de enfriamiento o aire. No se recupera energía.
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Grandes torres de enfriamiento enfrían grandes cantidades de gas...
45
Pobre eficiencia y altos costos...
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Intercambiadores de calor
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Refrigeración Mecánica Estos sistemas complejos, costosos, de alto mantenimiento, también tienen limitaciones para lograr caídas de temperatura. Además, no se recupera energía
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Válvulas de Expansión Estos dispositivos simples, relativamente económicos y de bajo mantenimiento, también tienen limitaciones para lograr caídas de temperatura. No obstante, son utilizados ampliamente en la industria del procesamiento del gas como la única fuente de enfriamiento del gas para la recuperación de hidrocarburos líquidos...
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Una Válvula de Expansión
50
51
Válvula Joule-Thompson A veces conocida como “Válvula J-T”, esta Válvula de Expansión es un dispositivo simple que produce una caída de presión y una caída de temperatura en una corriente de gas. Sin embargo, aunque es de bajo costo, no es eficiente, no se recupera energía!
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Válvula JOULE-THOMPSON
100% del FLUJO 1140 psig
650 psig
Como dispositivo para reducción de presión
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TRATAMIENTO DE GAS Fuente del Gas
RECOMPRESOR VENTAS
Pre-tratamiento
Gas Residual Joule-Thompson P.
Al gasoducto ...
Bomba de LPG (líquidos)
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Enfriamiento del gas : La reducción de la presión y la expansión del gas resultante producen una caída brusca en la temperatura de la corriente de gas a medida que la Energía Calórica es liberada.
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VÁLVULA JOULE-THOMPSON
FLUJO de Gas 0º F
-50º F
COMO FUENTE DE REFRIGERACIÓN
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Un tren de procesamiento de gas utilizando una válvula J-T como fuente de refrigeración.
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EXPANSIÓN
ISOENTÁLPICA
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EXPANSIÓN ISOENTÁLPICA Una Válvula J-T Valve produce expansión isoentálpica – es decir, la entalpía (H) permanece constante y no hay trabajo disponible como resultado de dicha expansión. La Entropía (S) se incrementa (algo de energía calórica permanece en la corriente de gas, y no se realiza trabajo).
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VÁLVULA JOULE-THOMPSON
0% Eff. 1140 psig
650 psig
@ 0º F
@ -50º F Presión y temperatura
Ambas son reducidas, pero toda la energía de presión se desperdicia...
61
Típica envolvente de fase para el gas natural Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100 90 80 70
C
60 50 40 30 20 10 0 -200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Típica envolvente de fase para el gas natural Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100 90 80 70
C
60 50
100% vapor
40 30 20 10 0 -200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Típica envolvente de fase para el gas natural Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100
Fase Densa
90 80 70
Estado Vapor
C
60 50
100% vapor
40 30 20 10 0 -200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Típica envolvente de fase para el gas natural Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100
Fase Densa
90 80 70
Estado Vapor
C
60 50
100% vapor
40 30
95% vapor
20 10 0 -200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Típica envolvente de fase para el gas natural Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100
Fase Densa
90 80 70
Estado Vapor
C
60 50
100% vapor
40 30 20 10 0 -200
95% vapor
Estado Líquido -180
-160
85% vapor -140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Típica envolvente de fase para el gas natural Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100
Fase Densa
90 80 70
Estado Vapor
C
60 50
100% vapor
40 30 20 10 0 -200
95% vapor
Estado Líquido -180
-160
85% vapor -140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Típica envolvente de fase para el gas natural Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100
Fase Densa
90 80 70
Estado Vapor
C
60 50
100% vapor
40 30 20 10 0 -200
95% vapor
Estado Líquido -180
-160
85% vapor -140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Una alternativa, ¿un adjunto a la J-T? El turboexpansor...
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TRATAMIENTO DE GAS Fuente del Gas Directo a Ventas
Pre-tratamiento
Gas residual TURBOEXPANSOR P.
Al gasoducto...
Bomba de LPG (líquidos)
70
Un expansor actuando como una J.T.
100%del Flujo 1140 psig @ -4° F
450 psig @ -71° F
Comparemos con una J.T. en línea...
71
Un expansor actuando como una J.T.
100%de Flujo 1140 psig @ -4° F
450 psig @ -71° F
…recupera 2933 Hp @ 13400 RPM
72
73
@ 0° F
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@ 0° F
@ -50° F
Típica envolvente de fase para el gas natural
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Typical Phase Envelope for Natural Gas Pressure, bara Presión kg/cm²
100
Fase Densa
90 80 70
Estado Vapor
C
60 50
100% vapor
40 30 20 10 0 -200
95% vapor
Estado Líquido -180
-160
85% vapor -140
-120
-100
-80
Temperature, degC
-60
Temperatura ° F
-40
-20
0
20
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Comparemos un Turboexpansor con una J.T. en línea ...
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@ -4° F
@ -71° F
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VÁLVULA JOULE-THOMPSON
0% Eff. 1140 psig
650 psig
@ 0º F
@ -50º F Presión y temperatura
Ambas se reducen, pero toda la energía de presión se desperdicia...
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Un expansor actuando como una J.T.
100% de Flujo 1140 psig @ -4° F
450 psig @ -71° F
Esta máquina recupera 2933 Hp de la corriente de gas de proceso
80
Un típico turboexpansor
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Tren de proceso básico de un Turboexpansor A gasoducto o compresor
Válvula J-T
Separador frío
Expansor Compresor Intercambiador
Separador Entrada Expansor
GAS\GAS
Salida Líquidos
82
Tren de proceso básico de un Turboexpansor (Noten el desvío de la J.T.)
A gasoducto o compresor
Válvula J-T
Separador frío
Expansor Compresor Intercambiador
Separador Entrada Expansor
GAS\GAS
Salida Líquidos
83
Tren de proceso básico de un Turboexpansor (Noten el desvío de la J.T.)
A gasoducto o compresor
Válvula J-T
Separador frío
1. Poner planta en marcha, estabilizar … Expansor Compresor Intercambiador
Separador Entrada Expansor
GAS\GAS
Salida Líquidos
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Tren de proceso básico de un Turboexpansor (Noten el desvío de la J.T.)
A gasoducto o compresor
Válvula J-T
Separador frío
1. Poner planta en marcha, estabilizar … Expansor Compresor 2. Mantenimiento del expansor Separador Intercambiador
Entrada Expansor
GAS\GAS
Salida Líquidos
85
Tren de proceso básico de un Turboexpansor (Noten el desvío de la J.T.)
A gasoducto o compresor
Válvula J-T
Separador frío
1. Poner planta en marcha, estabilizar … Expansor Compresor 2. Mantenimiento del expansor Separador Entrada Intercambiador 3. Flujo excedente de proceso (desvío del expansor) Expansor GAS\GAS Salida Líquidos
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¿Qué hay en el gas? Materia & Energía!
87
¿Qué hacemos al respecto de la recuperación de Energía?
88
TÉRMINOS DE CONTABILIDAD ENERGÉTICA Y SUS SIGNIFICADOS:
89
Términos de energía : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Cinética (“KE”: Velocidad en relación a masa) Potencial (“PE”, o “PV” con volúmen) Interna (“U”, excluyente de PE & KE) Calórica (“Q”) Trabajo (“W”) Entalpía (H) Entropía (S)
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ENTALPÍA (“H”) Una medida de la energía total del sistema en relación al volúmen de masa: H = U + PV (Entalpía = Interna + Energía Potencial)
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ENTROPIA (“S”) Una medida de la energía térmica en un sistema, no disponible para realizar trabajo . Nota: “S” está relacionado con la presión, volúmen, & temperatura de una corriente de gas.
92
Un Turboexpansor es una máquina que produce: refrigeración y recupera energía
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Energía: HP... Extraídos de la corriente de gas de alta presión por la rueda de turbina rotante del expansor, son acoplados a la rueda de la turbina de recompresión por un eje. Esa energía es entonces utilizada para impulsar al compresor. Este trabajo es lo que produce la alta eficiencia.
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Recuperación de Energía Una gran parte de la energía recuperada del gas “expandido/despresurizado” en un Turboexpansor, es convertida a energía mecánica. Este trabajo es la razón de la alta eficiencia de un sistema de turboexpansión.
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Un expansor actuando como una J.T.
100% de Flujo 1140 psig @ -4° F
450 psig @ -71° F
Esta máquina recupera 2933 HP de la corriente de proceso de gas
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EXPANSIÓN ISENTRÓPICA
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EXPANSIÓN ISENTRÓPICA Diferenciándose de una válvula J.T, un Turboexpansor convierte la energía de la corriente de gas en refrigeración y trabajo. En este caso, se reduce la entropía y la energía recuperada es entonces acoplada a cualquier dispositivo que pueda hacer uso de la misma. Por ejemplo: un generador eléctrico, o un compresor.
98
Recuperar energía… Aproximadamente el 88% de la energía contenida dentro de la corriente de gas puede ser recuperada utilizando un turboexpansor. Esto significa que de un sistema típico, se pueden recuperar miles de caballos de fuerza, o más, que luego pueden ser utilizados para impulsar un compresor o un generador.
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Un expansor también puede ser utilizado para impulsar otros dispositivos….. tales como una caja reductora, luego otros equipos...
100
89.0% Eff.
Un expansor recupera energía de la corriente de entrada
101
…luego transfiere 6185 Kw a una caja reductora …
102
…la cual impulsa un generador eléctrico.
¿Los resultados? … Electricidad esencialmente “Gratuita”.
Este conjunto turboexpansor-generador modelo Frame 4.0 produce aproximadamente: 2500 kW
103
104
Configuraciones de carcasas de turboexpansor:
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Succión Expansor
La succión/entrada de un expansor puede estar orientada ya sea horizontalmente,
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Succión Expansor
…o, verticalmente. Todo depende de la configuración de la tubería de proceso de la planta.
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Una típica instalación de turboexpansor...
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Aumentar la Recuperación de Líquidos El aumento de recuperación de líquidos incrementa los márgenes de beneficio, disminuye costos, protege el medio ambiente, y aumenta la participación en el mercado.
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Aplicaciones típicas para un Turboexpansor • Procesamiento de Gas Natural – LPG, Recuperación de Etáno – Ajuste de punto de rocío
• Petroquímica – – – –
Etileno Monóxido de Carbono Recuperación de Hidrógeno Gas derivado de refinación
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¿Necesitamos un Turboexpansor ? Para decidir, debemos entender el proceso y los costos involucrados …
111
COSTOS TÍPICOS 1. Infraestructura; 2. Materia prima; 3. Mantenimiento; 4. Operaciones; 5. Merma; 6. Almacenaje; 7. Fraccionamiento; 8. Impuestos, etc.
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En términos simples … Cuesta mucho dinero recuperar esos valiosos gases y líquidos de hidrocarburos de la corriente cruda del gas.
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Resumiendo
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¿Qué se necesita para procesar gas?
Un método económico para separar los diversos componentes constitutivos.
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Compresión: del gas es costoso; Enfriamiento : del gas puede ser realizado muy económicamente. Las plantas de procesamiento de gas muy a menudo seleccionan la refrigeración, o “enfriamiento” del gas para acelerar la separación de los componentes seleccionados..
116
Un Turboexpansor puede ser utilizado para suministrar refrigeración a la corriente de gas.
117
¿Qué es un Turboexpansor?
118
Un Turboexpansor es una máquina:
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El Turboexpansor, actuando como una turbina de flujo de entrada radial modificada, extrae energía de presión en la forma de calor y energía potencial de una corriente de gas de alta presión.
120
Como resultado, la corriente de gas de proceso se enfría.
121
Esta energía extraída es luego acoplada a un sólo eje, sólido...
122
…como energía rotante ...
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Tren de proceso básico de Turboexpansión A gasoducto o compresor
Válvula J-T
Separador frío
Expansor Compresor Intercambiador
Separador Entrada Expansor
GAS\GAS
Salida Líquidos
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Los Turboexpansores se fabrican en una amplia gama de tamaños de modelos para cumplir con diversas aplicaciones y capacidades de procesamiento.
125
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Apaguemos las antorchas… ¡Paremos el despilfarro!
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¿Cómo se relaciona todo esto con el procesamiento de gas? $$ - Aumento de Beneficios - $$!!
Mejoras ambientales …
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Ventajas económicas de un Sistema Turboexpansor...
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Aquí tenemos un ejemplo de la vida real:
Flujo Diario de Gas en (Hassi Messaoud, Argelia): @24 million SM³: Producción de LPG con un Turboexpansor = 4,850 tons por día
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Producción de LPG Producción sin un expansor (planta con JT únicamente) = 2,580 tons por día!
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Eso es una merma de … 2,270 toneladas por día de LPG!
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Los resultados: Una pérdida de producción de 40 a 50 %, sin mencionar la pérdida completa de la energía mecánica involucrada....
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El impacto económico: A $212 por tonelada, una merma de 2.270 toneladas por día de LPG representa Una pérdidad de $481,240 de ingresos por día!
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…demostrando claramente la naturaleza estratégica de un Sistema de Turboexpansión bien diseñado y operado eficientemente.
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Una típica planta de procesamiento de gas
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137
