CAPITULO 4-6.

PAGE 47PROCESO CRIOGENICO TURBO-EXPANSOR

Capitulo 4-6PROCESOS CRIOGENICOS

PLANTAS DE TURBO-EXPANSIONEl desarrollo actual de la Criognica: La criognica, o tecnologa de las temperaturas bajas se ha convertido en una herramienta poderosa para la investigacin, el desarrollo y la aplicacin de nuevos y mejores productos y de modernas tcnicas industriales. En el presente capitulo se describen: el dominio de trabajo de la criognica, la forma de producir temperaturas bajas, antes de abordar las principales aplicaciones del fro en proceso del gas natural en la industria del petrleo.

4.6.1 LA CRIOGENIA

La solucin a los problemas planteados por la ciencia y la tecnologa moderna, debido a la evolucin acelerada de stas, ha obligado al empleo de nuevas y sofisticadas tcnicas y mtodos de trabajo. La Criognica, o tecnologa de la Temperaturas bajas, es un ejemplo claro de como una rama de estudios, que durante cerca de 70 aos represent principalmente investigacin de tipo fundamental en laboratorios universitarios, ha pasado a ser en los ltimos 40 aos, una herramienta poderosa en la investigacin, el desarrollo y la aplicacin de nuevos y mejores productos y de modernas tcnicas industriales.

Que entendemos por Temperatura Bajas? En el Universo existen en forma natural, temperaturas muy extremas. En el interior de las estrellas se encuentra a una temperatura del orden de 30 a 100 millones de grados Kelvin (K). Hacia el otro extremo de la escala, encontramos que el espacio vaco interestelar tiene una temperatura de equilibrio de radiacin del cuerpo negro de solamente 3.7 K (-270 C, -453 F.). Sin embargo, el hombre ha logrado producir temperaturas an ms extremas: la explosin de una bomba de hidrgeno gener una temperatura de 400 a 700 millones de grados Kelvin (K) y, mediante tcnicas de desmagnetizacin adiabtica nuclear, se ha logrado producir temperaturas locales del orden de unos cuantos millonsimo de grados Kelvin (K) por encima del cero absoluto, en ncleos de cobre. Esto nos permite separarla en dos partes: Temperaturas Altas y Bajas.

Definimos la CRIOGENIA (del griego Kryos y genes, o sea produccin de fro) como la ciencia que estudia tanto las propiedades de la materia y los fenmenos que aparecen a temperaturas bajas, como la generacin y la utilizacin de dichas temperaturas. Podemos decir entonces que la criognica se extiende desde el cero de la escala centgrada hasta el cero de la escala Kelvin (cero absoluto), aunque, ms estrictamente, se considera que el dominio de la criognica empieza en -100C (173K, -148 F.). A estas temperaturas tan bajas los gases del aire se convierten en lquidos y en slidos.

4.6.1.1 OBTENCION DE TEMPERATURAS BAJAS

Todo Gas puro que se encuentre a una presin inferior a la correspondiente a su punto crtico puede ser licuado mediante un simple enfriamiento. En la produccin de lquidos criognicos se emplean principalmente tres mtodos que permiten enfriar los gases hasta licuarlos (Fig. 4.6.1):

- Ciclo de compresin de vapor con cambio de fase, en una o varias etapas

- Ciclo de expansin libre del gas (efecto Joule Thompson), con o sin enfriamiento auxiliar

- Ciclo de expansin del gas con trabajo exterior, con o sin enfriamiento auxiliar.

El primer mtodo, usado en la mayora de los sistemas de refrigeracin casera y comercial, emplea fluidos como el fren o el amonaco y dentro de la industria de Petrleos el Propano (C3), que se licuan a temperaturas cercanas a la ambiente bajo presiones moderadas. El vapor del fluido se comprime hasta que se condensa y el lquido producido se expande al hacerlo pasar a travs de una vlvula. La disminucin de presin provoca una vaporizacin de parte del lquido y un enfriamiento de la otra parte. El lquido fro se vaporiza a presin y temperatura constante para proveer refrigeracin a un sistema extremo. Este tipo de sistema, usados generalmente es serie -Proceso en Cascada- se utiliza para producir temperaturas inferiores a 100 C (-173 K, 212 F.).

El segundo mtodo utiliza el efecto Joule Thompson para producir temperaturas bajas: El gas se comprime a una presin elevada, se enfra en un intercambiador de calor a contracorriente por el gas fro a baja presin que regresa a la compresora y se expande en un recipiente por medio de una vlvula. La expansin libre produce un enfriamiento en el gas.

El Tercer Mtodo emplea una mquina de turbo-expansin a baja temperatura. El gas comprimido se enfra parcialmente y se separa en dos partes. Una se expande en la mquina, produciendo un trabajo exterior a costa de su energa interna, gracias a lo cual disminuye su temperatura. La otra parte del gas se enfra en un intercambiador de calor y se expande a travs de una vlvula. El flujo de gas fro a baja presin que sale de la mquina se usa para enfriar el gas a alta presin en los intercambiadores de calor. As este ltimo se puede preenfriar lo suficiente para que, despus de cierto nmero de ciclos se licue parcialmente por expansin Joule-Thompson al pasar por la vlvula. Este mtodo permite licuar todos los gases.

4.6.2 CONDICIONES EN LA SELECCION

La seleccin de un ciclo de proceso Turbo-expansor se justifica cuando uno o ms de las siguientes, condiciones existen:

Disponibilidad energa corriente gas alimento que permita cada libre de presin (P > 500 PSIG)

Gas Pobre

Requerir alta recuperacin de Etano (por ejemplo, sobre 30% de recuperacin de C2)

Requerir una ubicacin compacta de la planta

Alta utilidad en costo

Flexibilidad de operaciones (fcilmente adaptados para variar presin y productos)

Existen mltiples factores que adicionar dentro de lo indicado anteriormente que afectan en la seleccin final del proceso. Si dos o ms de las condiciones anteriores son coexistentes, generalmente la seleccin de un proceso de turbo-expansor, sera la mejor seleccin.

4.6.3 DESCRIPCION DEL PROCESO

En Fig. 4.6.4, Muestra un tpico proceso de turbo-expansor para la recuperacin de etano (C2) e hidrocarburos ms pesados a partir de la corriente de Gas Natural.

En Fig.4.6.3, representa el diagrama P-T para este proceso expansor. La curva de trazo contino representa en el diagrama de fases las condiciones de entrada del Gas Natural a la planta. La lnea de trazo contino a la derecha es la curva del punto de roco. A una presin fija de entrada y, si la temperatura indicada en el diagrama de fase estara ubicado a la derecha de la curva del punto de roco significa que la mezcla gaseosa est contenida al 100% de vapor. Si el gas es enfriado, el lquido comienza a condensarse cuando la temperatura alcance la lnea del punto de roco. Tanto el enfriamiento contine, ms lquido es condensado hasta alcanzar la curva del punto de burbujeo, que est representada por la lnea envolvente del lado izquierdo de la figura. En este punto todo el gas es lquido, al incremento del fro resultar en un lquido ms fro.

Corriente abajo del equipo de tratamiento, el gas de entrada est representado por el punto (1) en ambas Figuras 4.6.3 y 4.6.4. Tanto el gas es enfriado por el intercambiador Gas-Gas de entrada y por el intercambiador lateral de la de-etanizadora, su temperatura cambia a lo largo de la lnea de trazo discontino hacia el punto (2). En el punto (2) el gas entra al separador de alimento al expansor donde el lquido condensado es separado del vapor. Este vapor tiene su propio diagrama de fase P, T, como est representado en la curva de trazos discontinuos a la entrada del expansor, el gas esta sobre su lnea del punto de roco.

Como el gas fluye a travs del expansor, su ubicacin de P, T esta mostrada por la lnea segmentada del punto 2 al 3. El punto 3 representa la salida del expansor. La importancia de usar el expansor es trasmitir el trabajo a un compresor, se puede ver en la Fig. 4.6.3. Si el gas ha sido expandido sin realizar algn tipo de trabajo (no mover compresor), la ruta de expansin ser del punto 2 al punto 4. Este es el efecto de Joule-Thompson expansin a Entalpa constante.

La Presin y Temperatura de salida deberan ser ms altas que aquella conseguida en el proceso de expansin con el expansor (casi Entropa constante, S = CTE.), note que la presin en el punto (4) no es tan baja como aquella obtenida por el flujo a travs del expansor (punto 3). Esto es por que se asume para est ejemplo la no realizacin de trabajo en el expansor (por lo tanto no se genera BHP de compresin), que el proceso no puede restaurar el vapor de cabeza de la de-etanizadora para la presin del gas residual slo usando el recompresor de gases de baja presin. Tambin porque el camino al punto (4), es adiabtico sin que el gas produzca trabajo. El gas no entra a tan baja temperatura como en el punto (3). Que es, el camino (2) a (3) es una expansin a S = CTE., produciendo trabajo y por lo tanto genera mayor enfriamiento en el gas por simple expansin iso-entalpca. El resultado de obtener mayor temperatura en este proceso es que se reduce la recuperacin del producto.

4.6.4 DIAGRAMA DE FLUJO (Ver Fig.4.6.4)

4.6.5 APLICACIONES

4.6.5.1 SEPARACION DEL AIRE

La Fig. 4.6.5.1, muestra la aplicacin de un turbo-expansor en la separacin del aire a temperatura baja (-300 F.). Se observa que el aire es comprimido en 2 etapas, la primera en un compresor convencional y la segunda en un compresor acoplado directamente al expansor. Luego el aire es enfriado en un intercambiador de calor cerca a su punto de licuefaccin, siendo la corriente dividida en dos porciones.

Una se dirige al expansor donde es removido algo ms de calor con el fin de licuar una parte ms de la corriente de gas.

La otra se dirige a la torre de destilacinEl producto que se obtiene en cabeza de la torre es el N2 gaseoso y como productos de fondo se obtienen dos corrientes de oxigeno, siendo una lquida (producto final) y otra gaseosa. La corriente gaseosa sirve como un medio refrigerante al intercambiador de calor. La separacin de aire se puede efectuar alimentando el aire al expansor con una presin comprendida entre 75-85 PSIA.4.6.5.2 RECUPERACION DE ETANO Y GLP

La Fig. 4.6.5.2, muestra un proceso tpico de separacin de hidrocarburos licuables. En est figura brevemente se explicar la descripcin del proceso. El gas alimento de alta presin entra en (1), despus de un tratamiento del gas por el tambor deshidratante de lquido, el gas se dirige a un intercambiador de calor donde es enfriada hasta una temperatura inferior a cero. El punto (2) representa un turbo-expansor el cul seria necesario si la presin esta abajo de la presin crtica del metano. Esta descarga dentro del fondo de la torre de fraccionamiento y el gas pasa hacia arriba en contacto contra la corriente, con un reflujo de lquido. En el tope de la torre un expansor (3), enfra el gas residual mientras produce refrigeracin adicional para la creacin del reflujo, mostrando esquemticamente como se usa un serpentn de refrigeracin.

Este gas residual fro entonces puede fluir, a travs de un intercambiador de calor para refrigerar. El lquido condensado que se acumula en el fondo de la torre, es descargado y drenado al intercambiador principal; gran cantidad de metano y etano (C1 y C2), son vaporizados y el lquido es parcialmente estabilizado. Este gas vaporizado es rico en constituyentes licuables el cual es devuelto a la corriente de entrada para su procesamiento. En este proceso el intercambiador de calor tiene una diferencia de temperatura uniforme y estrecha. La torre tiene simplemente que hacer una separacin entre etano y propano ( metano y etano). Por esta razn, pocas bandejas son requeridas. Es aparente que el requerimiento del equipo es simple excepto para el turbo-expansor, y su confiabilidad y simplicidad hace el proceso muy atractivo. Existen muchas variaciones en este proceso dependiendo de los requerimientos de operacin y especificaciones de los productos a obtener.

En Fig. 4.6.5.2, muestra una aplicacin de un proceso Turbo-expansor donde la separacin de C3 y componentes ms pesados de la corriente de gas natural alimento debe tener las siguientes caractersticas:

Contenido de agua ( 0.2 Lb.H2O/MMPC Gas

Contenido de CO2 ( 2.0 % (en volumen)

Contenido de SH2 ( 0.0 % (Ausencia total)

4.6.5.3 LICUEFACCION DEL GAS NATURAL (LNG)

Otro uso de los turbo-expansores es la licuefaccin del metano, existen dos tipos generales de estas aplicaciones de sistemas de proceso. Una aplicacin usa la cada de la presin disponible para la generacin de refrigeracin y otra para condensar una porcin de la corriente, generalmente del 10 al 15%. El otro tipo de planta de proceso de lquidos del gas natural, es para la licuefaccin de la corriente entera del gas (completa) donde la recomprensin es necesaria. En est aplicacin la economa poltica es ms favorable si la presin es alta, del orden de 1000 PSIG. expandindose por debajo de 200 PSIG. aproximadamente. Esto hace para la utilizacin equilibrada del efecto de Joule Thompson, un ejemplo de esto se muestra en la Fig. 4.6.5.3. Adems, que la energa de refrigeracin necesaria para una facilidad de licuar metano es concentrado a baja temperatura. Si los niveles ms altos de temperatura de enfriamiento son econmicamente llevados acabo, como por la refrigeracin mecnica este ciclo es altamente eficiente y armoniza lo mejor.

4.6.6 CARACTERISTICAS MECANICAS

El diseo mecnico de los turbo-expansores son de varias manufacturas, proponentes de informacin alguna y especifica. De los varios tipos de turbinas la radial relacin de diseo es dominante dentro de la criognica para las distintas aplicaciones de plantas de proceso del gas natural, el amplo rango de las condiciones de entrada a proceso de: flujo, presin y temperatura.

Dentro de un diseo final en el turbo-expansor/compresor la eficiencia baja, usualmente las eficiencias de aporte de las unidades son de: 75% - 80% para la Expansin y 65% - 80% para la Compresin. El Turbo-expansor es una turbina de alta eficiencia con caractersticas especiales que los hacen confiables en el uso de flujos de gas a temperaturas bajas y presiones altas. El principal problema mecnico de un turbo-expansor esta relacionado a la miniaturizacin y poca disponibilidad de buenos cojinetes para velocidades altas. El rango de velocidad est entre 20,000 y 50,000 r.p.m. (revoluciones por minuto).

4.6.6.1 VELOCIDAD

La combinacin de presin-volumen en la mayora de los casos el turbo-expansor establece puntos ptimos de eficiencia en un margen del rango de velocidades de 20,000 hasta 50,000 r.p.m. Puesto que es necesario tener alta eficiencia, un turbo-expansor generalmente esta diseado para operar prxima a su velocidad ptima. Esta alta velocidad no necesariamente significa alto esfuerzo del rotor la cul en cambio esta determinada por la energa de la presin requerida para ser gastada en una sola etapa del turbo-expansor.

4.6.6.2 RESONANCIA DEL ROTOR

Debido al rango de velocidades a la cul los rotores pueden ser operados, en los Turbo-expansores, es deseable no tener ningn punto de resonancia debajo de cero (0.0), cerca de la velocidad de operacin, pero lastimosamente cuando se trabaja con altas frecuencias se produce resonancia en el rotor que resulta en fallas de la fatiga.

Tales frecuencias de resonancia son altas y casi no son alcanzadas por los rotores o impulsadores, ya que normalmente la velocidad circunferencial (tangencial), est comprendida entre 600 a 700 Pies /seg. (Asumiendo un nmero razonable de hlices en el rotor), entonces es necesario tomar las medidas mas aconsejables para evitarlas. Generalmente el fabricante del equipo indica las frecuencias ms bajas que podran estar al borde de la vibracin.

4.6.6.3 RECHAZADOR (TURNDOWN)

El rechazador del turbo-expansor, es una novedad especial. El usuario a menudo necesitara operar su planta en un flujo reducido debido al bajo abastecimiento de gas debido a los problemas en otras partes de la planta. Un arreglo popular es el ensamblaje de la boquilla variable en la cual las principales boquillas son todas simultneamente movibles para ajustar la tolerancia de ajustes positivo entre ellas y al mismo tiempo el ngulo de ataque es correspondientemente ajustado. Por este arreglo toda la cada de presin disponible para el turbo-expansor es todava utilizada y no reducida en algn otro lugar. Una novedad interesante de estas boquillas es su capacidad, de ser cerradas o abiertas completamente ms all del punto designado. Esto acomoda el arranque y otras condiciones de emergencia de la cada de presiones.

4.6.6.4 VARIACION DE FLUJO

Casi todas las instalaciones requieren ampla variacin en el flujo sin sacrificar su eficiencia. Esto est permitido en el rotoflow, debido a la presencia de las boquillas primarias movibles, sin lubricacin. Una estructura que cumpla estos requisitos es mostrada en la Fig. 4.6.6.4. Las paletas de la boquilla estn pivoteadas como se muestra en la figura y cubiertas con un anillo excntrico (no est mostrado). Cada paleta tiene un perno excntrico el cul esta acoplado por una ranura inclinada al anillo excntrico y se regula rotacionalmente para operar las paletas de la boquilla.

La posibilidad de variar el flujo al usar boquillas movibles es interesante ya que permite obtener eficiencias altas para un amplio rango de variaciones de flujo. Como se ha expresado previamente la mitad de energa en la corriente gaseosa se gasta en las boquillas y la otra mitad en el rotor; la descarga del rotor tiene la apariencia de una entrada al impulsor del compresor centrifugo, excepto que las orillas de la descarga de las paletas se extienden radialmente.

4.6.6.5 RESUMEN DE CARACTERISTICAS MECANICASA continuacin se presenta una lista con el fin de tener una intencin comprensiva con respecto al diseo en las instalaciones de una unidad turbo-expansora para las operaciones criognicas:

La entrada de la corriente de gas natural como alimento a la planta turbo-expansora debe estar libre: de todo material slido arrastre de lquido. Los lquidos son removidos en un separador de alta presin y un tamiz de malla fina. El control de la cada de presin a travs de est malla es recomendado. Formacin de slidos (hielo, CO2, aminas, aceites pesados), a menudo ocurrirn primero, y podrn ser detectados por un incremento de la presin a travs de la malla.

El origen del Gas Sello, particularmente durante la puesta en marcha es una consideracin importante. La corriente debe ser limpiada, seca y de presin suficiente para encontrar los requerimientos del sistema.

Normalmente se requerir un rpido cierre en la vlvula de paso a la entrada del expansor. La seleccin de est vlvula y el tipo de accionador es considerada dentro del conteo de la operacin de arranque y condiciones de cierre.

La instrumentacin de deteccin de la vibracin es til, pero no obligatoria est aplicacin es generalmente una opcin del propietario o vendedor e influenciado por operaciones mecnicas.

El cabezal de carga de los sistemas de conexiones (lneas) del proceso deber ser internamente establecidos dentro de los lmites para evitar cualquier irregularidad.

4.6.7 DISEO

4.6.7.1 CUCHILLAS DE LA BOQUILLA (NOZZLE BLADES)

Las cuchillas de las boquillas estn sometidas a impactos (erosiones) que ocurre a menudo, ocasionan desgastes por las partculas slidas que pasan a travs del turbo-expansor. Las boquillas reciben ms impactos que el rotor. Estas, deben ser de material especial para soportar est erosin y dar un uso razonable de vida de a cuchillas. No es necesario decir, debe existir una malla ms adelante del turbo-expansor.

4.6.7.2 SELLO DEL EJE (ARBOL SHAFT SEALS)

El gas sello debera ser introducido antes de que el aceite es conectado, por que podra existir un incremento de la presin a la cual vendra suficiente aceite dentro del proceso y causar un problema. Esto significa ms que un control casual de flujo del gas sello, debera ser suministrada. El flujo de gas sello, es comnmente controlado y visualmente observado en un medidor de flujo, bajo una operacin normal el gas sello, debe ser ajustado para que una positiva, si no insignificante cantidad de aceite gotee dentro del sistema de proceso si el gas sello es gas natural.4.6.7.3 LUBRICACION

El sistema de lubricacin circula un ciclo de: enfriado y filtrado del aceite lubricante al cojinete del turbo-expansor como se muestra en la Fig. 4.6.7.3. Los principales componentes del sistema son: monitoreo sobre la consola de lubricacin que normalmente consiste de dos bombas de abastecimiento del aceite lubricante accionado por un motor elctrico, un enfriador de aceite lubricante, vlvula de doble filtro, un acumulador tipo vejiga con desviacin por debajo, filtros de aceite lubricante, un reservorio de aceite lubricante presurizado con eliminador de neblina y un sistema de instrumentacin conveniente para poner en funcionamiento las bombas de aceite. Las bombas de aceite lubricante deben mantener un flujo constante radial e inyectar con una presin alta al cojinete. Debern recomendar las manufacturas y especificar el uso del aceite en la turbina para una mejor ejecucin de la mquina. El enfriador de aceite lubricante es parte integral del sistema para rechazar el calor que es regenerado en la seccin del cojinete. Esto puede ser de un ventilador de aire enfriado por agua con diseo de tubo casquillo.

4.6.8 VENTAJAS

Estadsticamente las cualidades que un turbo-expansor debe tener se mencionan a continuacin en orden decreciente al valor econmico:

Cojinetes confiables de gran resistencia

Boquillas variables slidas, seguras para rechazo de capacidad con un orificio mnimo de eficiencia.

Alta eficiencia

Fcil mantenimiento y la disponibilidad de servicio y repuestos confiables

Equipo de soporte e instrumentacin confiables

Buen sistema de sello para la conservacin de gas y prevencin de entrada de lubricante dentro de la corriente fra del proceso

Costo

Utilizacin de la energa del subproducto

Su funcin termodinmica es provocar una expansin isentrpica irreversible para producir trabajo til

4.6.9 DESVENTAJAS

Los principales problemas encontrados en los procesos de Turbo-expansor son los siguientes:

Preparacin del Gas alimento

De-etanizacin del producto

Condensacin del metano

Problemas de Contaminacin

Se requiere contar con un buen sistema de deshidratacin

Problemas de contaminacin

Sensible a las condiciones de Presin y Temperatura

Material seleccionado

Inconvenientes con el CO24.6.10 FRACCIONAMIENTO

Es la fase final para obtener glp, gasolina natural y dems hidrocarburos.

La presin de operacin en la torre (C1 y C2) debe ser tal que no requiera mucha potencia adicional de recomprensin.

Una presin media aceptable seria en el rango de 200-400 PSI.

Presiones superiores a 500 PSI no son convenientes por el acercamiento a las condiciones crticas de los fluidos, donde la composicin del lquido y el vapor son idnticos, lo que hace que las constantes de equilibrio sean igual a uno para cada componente. As, cuando la presin se aproxima al valor crtico, la volatibilidad se acerca ms a la unidad y como consecuencia el nmero de platos se incrementan, como as tambin el reflujo.

Conviene aclarar que mucha condensacin de producto puede ocasionar una sobrecarga en la columna de fraccionamiento. El fraccionamiento del producto apropiado inicialmente depende de la temperatura de fondo en la columna, la temperatura de fondo correcta del mismo depende del producto a recuperar y la presin del mismo. La recuperacin baja del producto, requiere una temperatura alta en el fondo de la columna de fraccionamiento.

II COMPARACION DE METODOS TIPICOS PARA RECUPERACION DE

HIDROCARBUROS

Dentro de todos los sistemas o variedades de procesos para separar hidrocarburos ms pesados de las corrientes de gas natural desarrollados en este capitulo, se ilustra un resumen del rango de opciones tpicas que los Procesadores de las corrientes de Gas Natural tienen, cuando se consideran los mtodos descritos:

METODOSRECUPERACION (%)

ETANO PROPANOO BUTANOS GASOLINA

ADSORCION (LECHOS SLIDOS)-153555

LTS (Separacin a Baja Temperatura)-256075

ABSORCION CON LEAN OIL20407587

REFRIGERACION SIMPLE25559397

EXPANSION JOULE THOMSON (JT)709097100

TURBO EXPANSOR (TE)8597100100

En general, la mayora de los procesos son limitados ya sea por perder mucho de un lquido deseado (como C4) o por extraer demasiado de un componente liviano cuando se desea un pesado (como el C3 cuando se extrae C2). Ms adelante se presenta un cuadro de resumen de comparaciones entre las tecnologas de sistemas de procesamiento del gas natural licuado y su aplicacin.

III CONCLUSION Y SIGNIFICADO

El anlisis de sistemas de proceso, trata de encontrar un esquema de procesamiento eficiente para la separacin de una mezcla de gas natural. Este problema pertenece a una importante familia de problemas de separacin (mezclas gaseosas de un amplio rango de componentes en el punto de roco), a la cul mucho de los resultados del presente trabajo pueden ser extendidos. Adems la seleccin de un sistema de proceso depende de una serie de variables como ser capacidad de la planta, composicin del gas alimento, presin, cada de presin permitida, recuperacin deseada y el anlisis tcnico-econmico. La sntesis de un esquema factible est basada en la determinacin de un anlisis energtico, basado en los clculos de la envoltura de la fase, de una regin de optimizacin factible para las variables de diseo. El anlisis energtico encuentra como una funcin de la composicin de la alimentacin, la mnima carga de enfriamiento ((H), y la refrigeracin alcanzable por el trabajo de expansin (Wu)exp. Estos valores se muestran en la FIG. III, como una funcin de la fraccin de C2+ en la alimentacin. Este tipo de grfica claramente indica el rango de composiciones para las cuales la Turbo-expansin es autosuficiente, cuando se requiere la refrigeracin mecnica y cuando la turbo-expansin no es ms una alternativa la TABLA IV, presenta pautas generales para la seleccin del proceso. Una vez que la configuracin adecuada es identificada, se establecen las condiciones ptimas para las variables principales de operacin del proceso: presin y temperatura del separador fro y presin de la columna de-etanizadora, para diferentes composiciones de la alimentacin.

IV PAUTAS PARA LA SELECCION DE PROCESOS

((H)II ( 0.0 "J-T" y "T-E" son potencialmente alternativas factibles. T-E es una alternativa factible.

((Wu)EXP ( (( (((H)II ("T-E" en conjuncin con la Refrigeracin Mecnica es requerido

((Wu)EXP ( ( (((H)II(

((Wu)EXP ( (( (((H)II("T-E" No es ms atractiva, el proceso debera basarse en la Refrigeracin Mecnica

La Tabla IV da pautas para la seleccin del proceso derivadas del anlisis energtico previo del proceso. El balance de energa sobre el sector criognico que comprende: Intercambio de calor, expansin y separacin, es una herramienta de diagnsticos en la relacin de la tecnologa adecuada para la recuperacin de C2 y GNL. En esta forma las simulaciones rigurosas de alternativas no viables de procesos son evitadas. Una variable de proceso clave en la determinacin de la tecnologa de proceso es la fraccin de C2+ en la alimentacin.

A continuacin se presenta una comparacin entre las plantas tipo Turbo-Expansor y las de Absorcin con Lean Oil por ser ampliamente usados dentro la industria de Procesamiento del gas natural, incluyendo una discusin detallada del proceso. Dejando de lado los otros sistemas o alternativas de proceso del gas natural licuado GNL.

S bien el costo inicial de una planta de absorcin con Lean Oil sera bajo si no fuese tecnologa antigua y su complejidad dentro del proceso.COMPARACION DEL PROCESO TURBO-EXPANSOR CON EL DE ABSORCION LEAN OIL

CARACTERISTICAS DEL PROCESO

ABSORCION CON

ACEITE POBRETURBO EXPANSOR

TECNOLOGIA DE PROCESO

AntiguoActual

(estado del arte)

COSTOS DE CONSTRUCCION

AltoBajo

COSTOS DE INSTALACION

AltoBajo

COSTOS DE OPERACION

AltoBajo

REQUERIMIENTOS DE GAS COMBUSTIBLE

AltoBajo

REQUERIMIENTOS DE ENERGIA ELECTRICA

AltoBajo

FLEXIBILIDAD DE PROCESO

EstticoFlexible

POTENCIA DE RECUPERACION DE C2

( 5 %( 85 %

FACTOR USO

( 90 %( 98 %

POTENCIAL DE OPERACION DESATENDIDA

Ninguna( 12 Hrs. por da

Por su naturaleza la planta de proceso con Lean Oil es limitado, an con refrigeracin sobre la recuperacin de etano (C2).

Los costos de operacin ser ms alto debido a su complejidad de proceso, el consumo de combustible es substancialmente ms alto, con respecto a una planta moderna criognica.

SISTEMAS DE PROCESO APLICACION

Refrigeracin Mecnica

Recup. de C3 depende de la Temp. de proceso

Plantas de Adsorcin con Lechos Slidos Recup. de C5+Plantas de Joule Thompson

Recup. Alta de C3+Separacin a baja temperatura lts

Recup. Alta de C5+Absorcin con Aceite Pobre

Recup. Baja de C3 (0.5-30)Plantas de Turbo-Expansor

Recup. Muy Alta de C3. Recup. Opcional de C2.

Temp. & Presin Crtica

TEMPERATURA (F).....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................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FIG. 4.6.3

Punto de Burbuja

Punto de Roco

Punto de Burbuja

Entrada del Gas al Expansor

Vapor & Lquido

1000

100 % Lquido

100 % Vapor

800

600

500

400

300

(2)

(1)

(4)

(3)

200

0

100

50

-100

-200

Entrada de Gas a Planta

EXPANSOR/COMPRESOR

85 PSIA

O2 GAS

60 PSIA

COMPRESOR

N2 GAS

ENTRADA DE AIRE

OXIGENO LQUIDO

FIG. 4.6.5.1

GAS A VENTA

TORRE DEBUTANIZADORA

GAS ALIMENTO

INTERCAMBIADOR DE CALOR

PRODUCTO

BOMBA

FIG. 4.6.5.2

(3)

EXPANSOR

COMPRESOR

TE

(1)

(2)

GAS A VENTA

REFRIGERACION MECANICA

COMPRESOR FRIO

EXPANSOR/COMPRESOR

ALMACENAMIENTO

LIQUIDO PRODUCIDO

GAS ALIMENTO

FIG. 4.6.5.3

TABLA IV

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