Cap 5 Planta Joule Thompson

EXPANSION JOULE THOMSON 

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PLANTAS DE JOULE THOMPSON

4.3 CONSIDERACIONES GENERALES

En el problema de la licuefacción de gases se consideran incluidos aquellos que no pueden existir como líquidos líquidos a temperaturas temperaturas superi superiores ores a 200 °K (100 °F.. °F.. !e este modo la cuestión es equi"alente equi"alente a la obtención de temperaturas mu# ba$as% entendemos por tales las inferiores a los citados 200 °K (&' °)% 100 °F.. *a obtención de estas temperaturas mu# ba$as se basa en los m+todos #a conocidos de expansión de gases con producción de traba$o externo # "apori,ación de líquidos% principalmente en el de expansión iso&ent-lpica de gases. ara licuar un gas es necesario lle"arlo /asta una temperatura% que es función de la presión% inferior a la temperatura crítica de los gases aumentan las dificultades de licuefacción # no solo por el ma#or inter"alo de temperaturas a sal"ar% sino tambi+n por inter"ención de otros factores mec-nicos o por dificul tades operatorias. )uando el gas natural es expandido de una presión alta (aba$o de %000 % a una presión m-s ba$a sin transferir calor o traba$o (Expansión a 3 4 )5E.% existe una a disminución de temperatura o efecto de refrigeración% el cu-l es normalmente referido como efecto de Joule Thompson. 4.3.1 EECTO DE JOULE THOMPSON

El procedimiento /asta la fec/a m-s importante para la licuefacción de gases apro"ec/a el efecto t+rmico 6oule 5/ompson. 5/ompson. En termodin-mica termodin-mica se conoce con este nombre la "ariación de temperatura temperatura debida a la expansión iso&ent-lpica de un gas sin producción de traba$o externo. )uantitati"amente se expresa por la ecuación7

(∂ T ) (∂  P )  H 

T ∗ (∂ V  =

∂ T )  P  − V  =  J   

8..1

C  P 

Este efecto es característico de los gases reales% # no se da para el gas perfecto% #a que para este se anula el numerador del segundo miembro de la ecuación 8..1. El efecto 6oule&5/ompson sólo da lugar  a enfriamiento cuando el gas se encuentra inicialmente dentro de un determinado inter"alo de presión # temperatura% que "aría con su naturale,a. En condiciones normales% casi todos los gases se enfrían al expandirse iso&ent-lpicamente. El enfriamiento debido al efecto de 6oule&5/ompson se calcular- por integración de la e!u"!#$n. 4.3.1% despu+s despu+s de /acerse /acerse las sustitucione sustitucioness adecuadas. adecuadas. in embargo% en la pr-ctica el procedimiento procedimiento de c-lculo m-s sencillo # exacto se basa en los diagramas termodin-micos o de 9ollier de la sustancia considerada. El enfriamiento por expansión iso&ent-lpica entre dos presiones dadas% se determina por  diferencia diferencia de las temperaturas temperaturas correspo correspondien ndientes tes a los puntos puntos inicial # final. El punto inicial se fi$a en función de la presión # temperatura dadas% # el punto final% por la presión # la condición de tener que estar estar situado sobre sobre la iso&ent-lpica iso&ent-lpica.. El rendimiento rendimiento del refrigerante refrigerante obtenido con el efecto de Joule% Thompson   "aría muc/o con la temperatura temperatura de traba$o% traba$o% para un mismo mismo inter"alo de presiones. presiones. *a temperatura óptima depende de la naturale,a del gas% #a que est- relacionada con la cur"a de in"ersión del efecto. efecto. ara ara el aire% # tambi+n tambi+n para otros otros muc/os gases% gases% el grado de licuefacció licuefacción n aument aumenta a notablemente notablemente al disminuir la temperatura temperatura de la isoterma isoterma de compresión. compresión. Esta disminución disminución sólo puede lograrse a expensas del enfriamiento en un intercambiador externo con un fluido refrigerado.

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4.3.& DESCRIPCION DEL PROCESO

*a licuefacción licuefacción por expansi expansión ón libre libre de planta plantass de Joule%Tho Joule%Thompson' mpson' para licuar un :as ;atural por  expansión iso&ent-lpica es necesario necesario que +sta comience a temperatura temperatura ba$a # presión alta. ara lograr  este fin% es posible acumular los efectos de refrigeración mediante un sistema de recirculación con intercambio de calor% # obtener así un gas a presión alta # temperatura ba$a% que mediante la expansión iso&ent-lpica se licuar- parcialmente. *a #(.4.3.3 # D#"()"m" H%T % muestra este proceso< el gas a ser licuado es alimentado al sistema a la temperatura temperatura 51 # presión  1 ( = # se combina con el gas de reciclo% el cu-l reduce la temperatura ligeramente /asta 52. El gas es luego comprimido /asta la presión presión  (>% usualmente en un compresor  multi&et multi&etapa apass emplean empleando do inter&e inter&enfri nfriador adores. es. Estos Estos enfriado enfriadore ress en el sistem sistema a del compre compresor sor son son abastecidos con con agua refrigerante o con alg?n otro fluido frío. El gas comprimido a la temperatura 5  # presión  (>% pasa por un intercambiador de calor donde es enfriado por el flu$o de retorno del gas residual de reciclo no condensado. condensado. *a temperatura cae de 5 a 58 sin disminución apreciable de presión. El gas comprimido frío se expande entonces a tra"+s de una "-l"ula reguladora o de expansión /asta la presión % produciendo así una caída en la temperatura suficiente para producir la licuefacción. !e la "-l"ula reguladora% la me,cla de líquido saturado # "apor saturado "a /asta el separador% el cu-l est- a una temperatura 5  # presión  . El gas no condensado pasa pasa entonces a tra"+s del intercambiador de calor donde su temperatura sube de 5  a 5 '. ;o /a# caída significati"a de presión en el intercambiador  de calor. calor. )onsideran )onsiderando do solo aquella aquella porción del sistema que inclu#e inclu#e el intercambiador intercambiador de calor% calor% la "-l"ula "-l"ula de expansi expansión ón # el separ separado ador% r% # asumien asumiendo do un proces proceso o adiabadiab-tic tico% o% se puede puede escrib escribir ir las siguientes ecuaciones de balance de energía donde @ ϕ@ es el grado de licuefacción # representa la fracción del gas entrante en el punto % que es posteriormente licuada. 4.3.3 DIAGRAMA DIAGRAMA DE LUJO *+e) IG. 4.3.3, 4.3.4 -ALANCE ENERGETICO

obre el intercambiador de calor7  H 3

+

(1 − ϕ ) H6

=

H4

+

(1 − ϕ ) H 7  

(8..2

obre la "-l"ula reguladora # separador7  H 4

=

ϕH 5

+

(1 + ϕ ) H 6  

(8..

 H 3

=

ϕH 5

+

(1 + ϕ ) H 7  

(8..8

>alance total7

uesto que sólo 2 de estas  ecuaciones son independientes% ellas pueden usarse para determinar un típico de diseAo% las incógnitas son @ ϕ@ # 58% mientras que 5 % % 5%  # 5' son especificados. En tal problema% la fracción condensada @ ϕ@ se obtiene de la siguiente ecuación7

ϕ  =

 H 7

−

H 3

 H 7

−

H 5

 

(8..

*a temperatura temperatura desconocida desconocida 58 se determ determina ina a part partir ir de la ecua ecuaci ción ón 8.. 8..2 2 ó 8.. 8..  media mediant nte e un procedimiento de prueba # error% # cu#o "alor satisfaga cualquiera de estas ecuaciones.

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4.3. APLICACION

*a diferencia diferencia cla"e entre una "-l"ula "-l"ula @6&5@ # un sistema 5BC>D 5BC>D E=; E=;D;% D;% es el /ec/o de que el traba$o ?til de la expansión del gas no es remo"ido% es decir que en el sistema 5E el traba$o ?til por la expansión del gas es utili,ada o remo"ido% se enumera a continuación la aplicación de las plantas de JT7 • •

•

Cecuperación de los componentes pesados del gas natural *icuefacción *icuefacción por expansión expansión para licuar el gas natural natural alimento obteniendo obteniendo como subproduc subproductos7 tos7 :*% :=D*;= ;=5BC=*% E5=;D *GB!D % etc. Extracción del :;* (gas natural licuado