Turboexpander - Turboexpander

Diagrama esquemático de um turboexpander acionando um compressor

Um turbo-expansor , também referido como um turbo-expansor ou uma turbina de expansão , é uma centrífuga ou de fluxo axial da turbina , através do qual uma alta pressão de gás é expandido para produzir trabalho que é muitas vezes usado para accionar um compressor ou gerador .

Como o trabalho é extraído do gás de alta pressão em expansão, a expansão é aproximada por um processo isentrópico (ou seja, um processo de entropia constante ), e o gás de exaustão de baixa pressão da turbina está a uma temperatura muito baixa , -150 ° C ou menos, dependendo da pressão operacional e das propriedades do gás. A liquefação parcial do gás expandido não é incomum.

Turboexpanders são amplamente utilizados como fontes de refrigeração em processos industriais, como a extração de etano e líquidos de gás natural (NGLs) do gás natural , a liquefação de gases (como oxigênio , nitrogênio , hélio , argônio e criptônio ) e outros processos de temperatura.

Turboexpanders atualmente em operação variam em tamanho de cerca de 750 W a cerca de 7,5 MW (1 HP a cerca de 10.000 HP).

Formulários

Embora os turboexpanders sejam comumente usados ​​em processos de baixa temperatura, eles são usados ​​em muitas outras aplicações. Esta seção discute um dos processos de baixa temperatura, bem como algumas das outras aplicações.

Extração de líquidos de hidrocarbonetos do gás natural

Um diagrama esquemático de um desmetanizador extraindo líquidos de hidrocarbonetos de gás natural

O gás natural bruto consiste principalmente em metano (CH 4 ), a molécula de hidrocarboneto mais curta e mais leve , juntamente com várias quantidades de gases de hidrocarbonetos mais pesados, como etano (C 2 H 6 ), propano (C 3 H 8 ), butano normal ( n - C 4 H 10 ), isobutano ( i- C 4 H 10 ), pentanos e mesmo hidrocarbonetos de massa molecular mais elevada . O gás bruto também contém várias quantidades de gases ácidos , como dióxido de carbono (CO 2 ), sulfeto de hidrogênio (H 2 S) e mercaptanos , como metanotiol (CH 3 SH) e etanotiol (C 2 H 5 SH).

Quando processados ​​em subprodutos acabados (consulte Processamento de gás natural ), esses hidrocarbonetos mais pesados ​​são chamados coletivamente de NGL (líquidos de gás natural). A extração do NGL freqüentemente envolve um turboexpansor e uma coluna de destilação de baixa temperatura (chamada de desmetanizador ), conforme mostrado na figura. O gás de entrada para o desmetanizador é primeiro resfriado a cerca de -51 ° C em um trocador de calor (referido como uma caixa fria ), que condensa parcialmente o gás de entrada. A mistura gás-líquido resultante é então separada em um fluxo de gás e um fluxo de líquido.

O fluxo de líquido do separador gás-líquido flui através de uma válvula e sofre uma expansão de estrangulamento de uma pressão absoluta de 62 bar a 21 bar (6,2 a 2,1 MPa), que é um processo isentálpico (ou seja, um processo de entalpia constante) que resulta na redução da temperatura do fluxo de cerca de −51 ° C para cerca de −81 ° C conforme o fluxo entra no desmetanizador.

O fluxo de gás do separador gás-líquido entra no turboexpansor, onde sofre uma expansão isentrópica de uma pressão absoluta de 62 bar a 21 bar (6,2 a 2,1 MPa) que reduz a temperatura do fluxo de gás de cerca de −51 ° C para cerca de - 91 ° C ao entrar no desmetanizador para servir como refluxo de destilação .

O líquido da bandeja superior do desmetanizador (a cerca de −90 ° C) é encaminhado através da caixa fria, onde é aquecido a cerca de 0 ° C à medida que resfria o gás de entrada e é então devolvido à seção inferior do desmetanizador . Outra corrente de líquido da seção inferior do desmetanizador (a cerca de 2 ° C) é encaminhada através da caixa fria e devolvida ao desmetanizador a cerca de 12 ° C. Com efeito, o gás de entrada fornece o calor necessário para "reinicializar" a parte inferior do desmetanizador e o turboexpansor remove o calor necessário para fornecer refluxo na parte superior do desmetanizador.

O produto de gás de cabeça do desmetanizador a cerca de −90 ° C é gás natural processado de qualidade adequada para distribuição aos consumidores finais por gasoduto . Ele é encaminhado pela caixa fria, onde é aquecido enquanto resfria o gás de entrada. Ele é então comprimido no compressor de gás acionado pelo turboexpansor e ainda comprimido em um compressor de gás de segundo estágio acionado por um motor elétrico antes de entrar no duto de distribuição.

O produto de fundo do desmetanizador também é aquecido na caixa fria, pois ele resfria o gás de entrada, antes de sair do sistema como LGN.

As condições operacionais de um turboexpansor / recompressor de condicionamento de gás offshore são as seguintes:

Turboexpansor Recompressor
Entrada Saída Entrada Saída
Temperatura ° C 11,0 –13,0 22,0 40,0
Barg de pressão 75,0 39,31 38,62 47,24
Fluxo kg / hr 27728 20658
Peso molecular 22,08 20,74
Energia recuperada / kW usado 345 345

Geração de energia

Diagrama esquemático do sistema de geração de energia usando um turboexpander

A figura representa um sistema de geração de energia elétrica que utiliza uma fonte de calor, um meio de refrigeração (ar, água ou outro), um fluido de trabalho circulante e um turboexpansor. O sistema pode acomodar uma ampla variedade de fontes de calor, como:

O fluido de trabalho circulante (geralmente um composto orgânico como R-134a) é bombeado a uma alta pressão e então vaporizado no evaporador por troca de calor com a fonte de calor disponível. O vapor de alta pressão resultante flui para o turboexpansor, onde sofre uma expansão isentrópica e sai como uma mistura vapor-líquido, que é então condensada em um líquido por troca de calor com o meio de resfriamento disponível. O líquido condensado é bombeado de volta para o evaporador para completar o ciclo.

O sistema na figura implementa um ciclo de Rankine conforme é usado em usinas de combustível fóssil , onde a água é o fluido de trabalho e a fonte de calor é derivada da combustão de gás natural, óleo combustível ou carvão usado para gerar vapor de alta pressão . O vapor de alta pressão então passa por uma expansão isentrópica em uma turbina a vapor convencional . O vapor de exaustão da turbina a vapor é então condensado em água líquida, que é então bombeada de volta para o gerador de vapor para completar o ciclo.

Quando um fluido de trabalho orgânico como o R-134a é usado no ciclo de Rankine, o ciclo é algumas vezes referido como um ciclo de Rankine orgânico (ORC).

Sistema de refrigeração

Diagrama esquemático de um sistema de refrigeração usando um turboexpansor, compressor e um motor

Um sistema de refrigeração utiliza um compressor, um turboexpansor e um motor elétrico.

Dependendo das condições operacionais, o turboexpansor reduz a carga do motor elétrico em 6–15% em comparação com um sistema de refrigeração por compressão de vapor convencional que usa uma válvula de expansão de estrangulamento em vez de um turboexpansor. Basicamente, isso pode ser visto como uma forma de composição turbo .

O sistema emprega um refrigerante de alta pressão (ou seja, um com um ponto de ebulição normal baixo ), como:

Conforme mostrado na figura, o vapor do refrigerante é comprimido a uma pressão mais alta, resultando também em uma temperatura mais alta. O vapor quente e comprimido é então condensado em um líquido. O condensador é onde o calor é expelido do refrigerante em circulação e é levado por qualquer meio de resfriamento usado no condensador (ar, água, etc.).

O líquido refrigerante flui pelo turboexpansor, onde é vaporizado, e o vapor sofre uma expansão isentrópica, que resulta em uma mistura de vapor e líquido a baixa temperatura. A mistura vapor-líquido é então encaminhada através do evaporador, onde é vaporizada pelo calor absorvido do espaço que está sendo resfriado. O refrigerante vaporizado flui para a entrada do compressor para completar o ciclo.

Recuperação de energia em cracker catalítico fluido

Um diagrama esquemático do sistema de recuperação de energia em uma unidade de craqueamento catalítico fluido

A combustão dos gases de combustão a partir do regenerador de catalisador de um cracking catalítico fluido está a uma temperatura de cerca de 715 ° C e a uma pressão de cerca de 2,4 barg (240 kPa). Seus componentes gasosos são principalmente monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2 ) e nitrogênio (N 2 ). Embora o gás de combustão tenha passado por dois estágios de ciclones (localizados dentro do regenerador) para remover finos de catalisador arrastados, ele ainda contém alguns finos de catalisador residuais.

A figura mostra como a energia é recuperada e utilizada ao encaminhar o gás de combustão do regenerador por meio de um turboexpansor. Depois que o gás de combustão sai do regenerador, ele é encaminhado através de um separador de catalisador secundário contendo tubos de turbulência projetados para remover 70–90% dos finos residuais do catalisador. Isso é necessário para evitar danos por erosão no turboexpansor.

Conforme mostrado na figura, a expansão do gás de combustão através de um turboexpansor fornece energia suficiente para acionar o compressor de ar de combustão do regenerador. O gerador-motor elétrico no sistema de recuperação de energia pode consumir ou produzir energia elétrica. Se a expansão do gás de combustão não fornecer energia suficiente para acionar o compressor de ar, o motor-gerador elétrico fornece a energia adicional necessária. Se a expansão do gás de combustão fornece mais energia do que o necessário para acionar o compressor de ar, o motor-gerador elétrico converte a energia excedente em energia elétrica e a exporta para o sistema elétrico da refinaria. A turbina a vapor é usada para acionar o compressor de ar de combustão do regenerador durante as partidas do craqueador catalítico fluido até que haja gás de combustão suficiente para assumir essa tarefa.

O gás de combustão expandido é então encaminhado através de uma caldeira de geração de vapor (referida como caldeira de CO ), onde o monóxido de carbono no gás de combustão é queimado como combustível para fornecer vapor para uso na refinaria.

O gás de combustão da caldeira de CO é processado por meio de um precipitador eletrostático (ESP) para remover partículas residuais . O ESP remove partículas na faixa de tamanho de 2 a 20 micrômetros do gás de combustão.

História

O possível uso de uma máquina de expansão para criar isentropicamente baixas temperaturas foi sugerido por Carl Wilhelm Siemens ( ciclo Siemens ), um engenheiro alemão em 1857. Cerca de três décadas depois, em 1885, Ernest Solvay da Bélgica tentou usar uma máquina expansora recíproca, mas não pôde atingir nenhuma temperatura inferior a -98 ° C devido a problemas de lubrificação da máquina nessas temperaturas.

Em 1902, Georges Claude , um engenheiro francês , usou com sucesso uma máquina de expansão recíproca para liquefazer o ar. Ele usou uma embalagem de couro queimado e desengordurado como vedação do pistão, sem qualquer lubrificação. Com uma pressão de ar de apenas 40 bar (4 MPa), Claude alcançou uma expansão quase isentrópica resultando em uma temperatura mais baixa do que era possível antes.

Os primeiros turboexpanders parecem ter sido projetados por volta de 1934 ou 1935 por Guido Zerkowitz, um engenheiro italiano que trabalhava para a empresa alemã Linde AG .

Em 1939, o físico russo Pyotr Kapitsa aperfeiçoou o projeto de turboexpanders centrífugos. Seu primeiro protótipo prático foi feito de metal Monel , tinha um diâmetro externo de apenas 8 cm (3,1 pol.), Operava a 40.000 rotações por minuto e expandia 1.000 metros cúbicos de ar por hora. Ele usava uma bomba d'água como freio e tinha uma eficiência de 79–83%. A maioria dos turboexpanders em uso industrial desde então foi baseada no design de Kapitsa, e os turboexpanders centrífugos assumiram quase 100% dos requisitos de processo de liquefação de gás industrial e baixa temperatura. A disponibilidade de oxigênio líquido revolucionou a produção de aço usando o processo de fabricação de aço com oxigênio básico .

Em 1978, Pyotr Kapitsa recebeu o prêmio Nobel de física por seu conjunto de trabalhos na área de física de baixas temperaturas.

Em 1983, a San Diego Gas and Electric foi uma das primeiras a instalar um turboexpander em uma estação de redução de gás natural para recuperação de energia .

Tipos

Os turboexpanders podem ser classificados por dispositivo de carregamento ou rolamentos.

Os três principais dispositivos de carregamento usados ​​em turboexpanders são compressores centrífugos , geradores elétricos ou freios hidráulicos. Com compressores centrífugos e geradores elétricos, a potência do eixo do turboexpander é recuperada para recomprimir o gás do processo ou para gerar energia elétrica, reduzindo as contas de serviços públicos.

Os freios hidráulicos são usados ​​quando o turbo-expansor é muito pequeno e a obtenção da potência do eixo não é economicamente justificável.

Os rolamentos usados ​​são rolamentos de óleo ou rolamentos magnéticos .

Deve-se notar também a nova tecnologia Quasiturbine , que é um tipo de turbina rotativa de deslocamento positivo.

Veja também

Referências

links externos