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Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / UNIDAD X – Sistemas de refrigeración:
Turboexpansión
Unidad X:
Sistemas de Refrigeración: Turboexpansión
1. Ajuste del punto de roció en las unidades de turboexpansión
2. Descripción del proceso de turboexpansión
3. La turbina de expansión
3.1. ¿Qué es importante considerar para elegir un tipo de turbina?
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Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / UNIDAD X – Sistemas de refrigeración:
Turboexpansión
El tratamiento de gas requiere de una serie de procesos necesarios para ponerlo en
especificaciones y de ese modo ser apto para el consumo.
El gas en especificaciones puede contener algunos elementos como el etano, por ejemplo, que
tienen valor comercial independiente. En las plantas de tratamiento, muchas veces, se incluye
la separación de este tipo de elementos para aumentar la cadena de valor del proceso. Los
componentes del gas de cadenas superiores al etano (C2) separados del gas se conocen
genéricamente como LPG.
Para la separación del etano y la máxima recuperación de los LPG es necesario llevar el gas a
temperaturas extremadamente bajas. Estas bajas temperaturas se logran mediante un
proceso denominado turboexpansión.
En esta unidad analizaremos cómo funciona una unidad de turboexpansión y cada uno de los
equipos que la componen.
Veamos dónde se ubican estos temas en el esquema general del proceso:
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Turboexpansión
1. Ajuste del punto de rocío en las unidades de turboexpansión
En las unidades de ajuste de punto de rocío se obtiene como subproducto una cantidad de condensado,
compuesto por propano y superiores, denominados LPG. El objeto de las unidades de turboexpansión es
separar, del gas natural, la mayor parte del etano y la totalidad de los demás componentes más pesados
que el gas contiene. Se consigue a la vez una reducción en el punto de rocío mucho más drástica que la
obtenida mediante otros procesos.
La unidad de turboexpansión o TEF (turbo expander facility) se usa también en los casos en que, por las
condiciones ambientales, es necesario bajar la temperatura por debajo de los valores que se obtienen con
las unidades convencionales de ajuste de punto de rocío, aunque no sea necesario ni conveniente alcanzar
temperaturas criogénicas.
El equipo central de la unidad es el turboexpansor (turboexpander). En este equipo se realiza la expansión
que entrega la energía que habitualmente se utiliza en la recompresión del gas pobre expandido, o en la
generación de energía eléctrica.
2. Descripción del proceso
El gas a tratar debe ser exhaustivamente deshidratado antes de ingresar al turboexpansor. El proceso de
deshidratación más usado es el de adsorción con tamiz molecular porque reduce el contenido de agua a
unas pocas partes por millón.
Veamos cómo funciona el proceso en una unidad de turboexpansión.
1. Una parte del gas deshidratado se deriva al reboiler de la deetanizadora en una fracción controlada para
mantener la temperatura en el fondo de la torre.
2. El resto del gas se preenfría en una serie de intercambiadores gas-gas, entre los que se puede agregar
un chiller si el proceso requiriera un mayor descenso de temperatura.
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Turboexpansión
3. El gas así pre-enfriado, junto con la fracción que retorna del reboiler, se envían a un separador bifásico.
Allí, se separan los condensados producidos aguas arriba durante el pre-enfriamiento.
4. El gas seco se expande en la turbina bajo control de presión, y luego, se alimenta al tope de la torre
deetanizadora.
5. El condensado separado se alimenta también al tope de la deetanizadora a manera de reflujo frío, que
condensa los componentes más pesados que ascienden desde el fondo de la torre. El gas pobre sale del
tope de la deetanizadora a baja temperatura y presión. Desde allí, se deriva a los intercambiadores gas-gas
(2).
6. Desde el intercambiador gas-gas, a primera etapa de compresión en el compresor acoplado al
turboexpansor.
7. Se requiere una segunda etapa de compresión para alcanzar la presión del gasoducto.
8. El líquido del fondo de la torre se procesa en una planta de fraccionamiento, fuera de la unidad TEF.
El condensado producido luego de la expansión, debe ser separado de la corriente de gas pobre. Para esta
separación no se utiliza un separador como en las plantas de ajuste de punto de rocío, sino que se utiliza
una torre denominada deetanizadora (deethanizer). El aporte de calor para el reboiler de la deetanizadora,
se obtiene del propio gas a procesar (del cual se deriva una fracción para calefacción bajo control de
temperatura).
Este condensado se denomina genéricamente LPG y está compuesto por elementos contenidos en el gas
que tienen valor comercial independiente. La recuperación de estos elementos se realiza para aumentar la
cadena de valor de los productos extraídos de los pozos.
El proceso de recuperación será más conveniente, cuanto mayor sea el caudal, la presión y la riqueza en
componentes más pesados, y cuanto menor sea la temperatura alcanzada luego de la expansión.
Algunas consideraciones generales de unidad de turboexpansión con respecto a:
La presión del gas
La compresión del gas
- La presión del gas a procesar
se encuentra entre 40 y 80
barg, con una relación de
expansión entre 3:1 y 4:1.
- El compresor acoplado a la
turbina de expansión alcanza
una relación de compresión
de entre 1:3 a 1:5.
- Luego de la expansión el gas
desciende hasta una
temperatura entre –80 °C y –
120 °C.
- Este compresor actúa
como sobrealimentador
(booster) del compresor de
reinyección.
- El Etano recuperado puede
alcanzar el 70% o más del
contenido inicial.
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Energía necesaria
- En ciertos casos puede
resultar autosuficiente en
energía.
- En otros, se requiere
energía adicional para el
compresor de reinyección de
gas que es el que eleva la
presión del gas pobre hasta
la presión de gasoducto.
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Turboexpansión
3. La turbina de expansión
La turbina de expansión cumple una función semejante a la válvula expansora en las unidades JouleThompson. La diferencia es que en la turbina de expansión el gas, además de enfriarse, produce trabajo.
El estrangulamiento del gas se produce en la turbina a través de una serie de láminas que se encuentran en
la periferia del rotor. Al variar el ángulo de las láminas, varía la resistencia al paso del gas hacia los alabes
del rotor de la turbina.
La turbina es parte de un lazo de control que mantiene la presión aguas arriba de la misma.
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Turboexpansión
Las gotas de líquido, proyectadas a gran velocidad contra los alabes del rotor de la turbina, pueden
provocar un daño severo a la máquina. Por ese motivo, el gas debe estar libre de partículas sólidas o de
gotas de líquido al entrar a la máquina.
Si bien se desconoce el mecanismo de formación del liquido, se presume que durante la operación normal,
no hay líquido en el interior de la máquina sino que éste se forma a partir de la conexión de salida. Para
explicar este fenómeno se ha indicado que el líquido sí se ha formado, pero en gotas de tamaño
submicrónico que no afectan la integridad de la máquina, y se aglomeran solo al disminuir la velocidad en la
conexión de salida.
Otra teoría acerca de la formación del líquido postula que, dentro de la turbina, no se cumple el equilibrio
gas-líquido. Este equilibrio se alcanza recién a la salida de la turbina.
Cualquiera sea la razón, la experiencia demuestra que no hay condensación en el interior de la turbina. Si
hubiera condensación, el líquido debería ser centrifugado hacia la salida y la eficiencia sería inferior a la
comprobada en la operación. Además, se produciría un desgaste por erosión muy superior al observado.
3.1.
¿Qué es importante considerar para elegir un tipo de turbina?
Un elemento importante a considerar en la selección de la máquina, es su eficiencia. La eficiencia se mide
como una relación entre la energía liberada durante la expansión, y la energía realmente aprovechada en la
máquina accionada. Si bien hay muchos factores que influyen en la eficiencia de la turbina, como la
presencia de líquido por ejemplo, se ha determinado que la máxima eficiencia obtenida está en el orden del
80 %.
En el cuadro que sigue se representa esquemáticamente una síntesis de los contenidos de la unidad.
Sistemas de refrigeración
Ajuste del punto de
rocío
Refrigeración por
turboexpansión
Separación del
condensado
Turbina de
expansión
Torre deetanizadora
Recuperación de LPG
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