06 - plantas criogenicas de gas final 1

7/25/2019 06 - Plantas Criogenicas de Gas Final 1

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PLANTAS CRIOGENICAS

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PLANTAS CRIOGENICAS DE GASOLINA.TABLA DE CONTENIDOS.

INTRODUCCION.

I. DESCRIPCION DEL PROCESO.II. EQUIPOS EN UNA PLANTA CRIOGENICA.

A. Equipo deshidratador.B. Turbina-compresor.C. Intercambiadores de calor.D. Demetanizadora.E. Sistema de refrigeracin.F. Tuberas y recipientes.

III. PRINCIPIOS DEL PROCESO CRIOGENICO.A. Secciones funcionales de una planta criognica.B. Efecto de la temperatura y la presin en la recuperacin de

hidrocarburos.C. Calor latente de vaporizacin.D. Teora de la expansin de gas.E. Balance de materia.F. Demetanizadora.1. Control de temperatura del fondo.

IV. EXPANSOR-COMPRESOR.A. Control de la turbinaB. Control del compresor.

1. Control anti oscilacin.C. Sellos.

D. Control verdadero.E. Sistema de lubricacin.F. Instrumentos de seguridad Turbina-compresor.

V. Control de la planta criognica.A. Control del demetanizadora.B. Control de las alimentaciones.

VI. OPERACIN.A. Arranque.

1. Secado (dryout).2. Arranque en vacio.3. Arranque de la turbina.

Establecer flujo de gas en el sello.Arranque de la lubricacin.Arranque del compresor.Arranque del enfriador de la turbina.Manual de operacin.4. Apagado de la turbina.

B. Supervisin de rutina en operacin.C. Operacin de apagado de la turbina.

VII. PROBLEMAS.


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INTRODUCCION

Criognico proviene de la palabragriega crio que significa muy frio. Lasplantas criognicas de gasolina sonaquellas que operan a temperaturaspor debajo de -75C (-100F).Cuando el gas se refrigera hastaestas temperaturas, la mayora deletano, prcticamente todo el propanoy los hidrocarburos pesados selicuaran. Los lquidos formados,pueden ser separados despus poruna serie de torres fraccionadoras en,etano, propano, butano y gasolinanatural.Antes de 1965, las plantas derefrigeracin por absorcin, fueronusadas para recuperar el etano y loscomponentes pesados del gas. Lasplantas ms eficientes de absorcinrecuperaban cerca del 40% de etanoy 95% de propano e hidrocarburospesados del gas. Una comparacinde recuperacin de hidrocarburos delgas en plantas de absorcin ycriognicas se muestran en la tabla.Puedes observar de la tabla, que laprincipal diferencia entre los dostipos de plantas, es la recuperacinde etano. La planta criognicarecupera de 2-3 veces ms que unaplanta de absorcin.

El etano puede ser usado comoalimentacin de materia prima aplantas petroqumicas para hacerglicoles y plsticos; o puede servendido como combustible gas conmetano. En algunos casos el etanoincrementa el valor del gas porque eletano rinde 75% ms que el metano,en cuanto a calor, cuando este sequema. Usualmente, el etano esusado mas como alimentacin de

materia prima en petroqumicas quecomo combustible gas, as que esdeseable econmicamente separarlodel metano.Las plantas criognicas tienen menosequipos de proceso sinabsorbedores, pero tienen msequipo mecnico- turbinas de gas ycompresores- ms que una plantaabsorcin de aceite pobre.El proceso criognico es el modo ms

econmico refirindose arecuperacin de un gran porcentajede etano e hidrocarburos pesados dela alimentacin de gas. Las plantasde refrigeracin por absorcin,pudieran ser ms econmicas parala recuperacin de propano ehidrocarburos pesados de laalimentacin de gas cuando no sedesea recuperar etano.


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DESCRIPCION DEL PROCESO

El proceso simplificado, atravs de una planta criognica semuestra en la figura de la siguientepagina.

El gas de entrada. Fluye atravs de un deshidratador dondecasi el 100% de humedad es retiradadel gas para evitar congelamientos amedida que el gas se enfra. El gassale del deshidratador y se divide endos corrientes. Cerca de la terceraparte del gas entrante, fluye hacia elcalentador de producto, al rehervidorde fondo y del rehervidor lateral en lademetanizadora (DeC1). El resto delgas de entrada fluye y pasa a travsdel intercambiador Gas-Gas, dondees enfriado con el gas proveniente dela demetanizadora. Cuando se enfrael gas, algo de los hidrocarburoscondensan. El gas de entrada delrehervidor de la demetanizadora, seune a la proveniente delintercambiador Gas-Gas, y lacorriente combinada entra alseparador de expansin, donde ellquido condensado cae al fondo yfluye a la demetanizadora. Latemperatura en este punto es de -45a -50C (-50F a -60F).

El gas del separador pasa a travsde la turbina, donde su temperaturaes reducida aproximadamente hasta90C (-130F). Una condensacinadicional de hidrocarburo ocurrecuando la temperatura del gas esreducida en la turbina. La corrientecombinada de gas-liquido de laturbina entra en la parte superior dela demetanizadora, el cual esbsicamente un separador. Lafraccin de liquido gotea hacia elfondo y fluye hacia abajo de la

demetanizadora, donde el metano es

evaporado del liquido. El gas frio fluyepor la parte superior de lademetanizadora y pasa a travs delintercambiador Gas-Gas, dondeenfra la entrada de la corriente degas. Despus el gas fluye a travsdel compresor que es manejado porla turbina. El gas que deja laTurbina-Compresor entra alcompresor de gas residual en dondesu presin es aumentada hacia latubera de salida del gas.El producto del fondo de lademetanizadora es una mezcla demetano, propano, butano y gasolinanatural. Siendo bombeado hacia uncalentador y posteriormente hacia laslneas de salida o a un sistemafraccionador para separar cada unode los componentes.El proceso descrito podra seraplicable a plantas en donde larecuperacin de etano ehidrocarburos pesados es menos del10% del total de gas entrante.Cuando la recuperacin de etano ehidrocarburos pesados es mayor del10% la adicin de refrigerante esnecesaria para enfriar el gas hasta latemperatura deseada, con el fin derecuperar 70-90% de etano ehidrocarburos pesados del gas.

El proceso es similar al que sediscuti previamente. La diferenciaprincipal es que el gas entrante esenfriado previamente al entrar a laturbina en dos intercambiadores Gas-Gas y un enfriador que usa propanocomo refrigerante.Las vlvulas de control mostradas enlos diagramas de flujo, tienen lasletras FO o FC entre ellas. Estas sonabreviaciones de falla abierta o falla


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cerrada las cuales son posicionesque las vlvulas toman ante la

prdida de presin de aire

.

DISEO ORTLOFF

Otro proceso, fue desarrollado por lacorporacin Ortloff, Midland, Texas.La diferencia principal es en sudiseo, es que en lugar de que todoel gas del separador por expansin,fluya hacia la turbina, cerca del 25%fluye a travs de un recirculador decondensados y el resto entra a laturbina. La porcin que entra alrecirculador de condensados, esenfriado cerca de -90C(130F) congas frio de la parte superior de lademetanizadora, la presin de gas enel reflujo de

condensados es aproximadamente lapresin del gas de entrada. A estapresin la corriente del gas deentrada condensa completamente.Cuando la presin de esta corrienteliquida es reducida a la presin de lademetanizadora en la vlvula decontrol de flujo, algo de liquido sevaporiza, lo que resulta que enfra laporcin liquida cerca de los-105C (-160F). Este lquido frio sirvecomo reflujo en el demetanizadora.Entra por la parte superior de la torre.

El efecto neto del diseo Ortloff esincrementar la recuperacin de etano

en un 10-25% a un costorelativamente bajo de la planta. Ladesventaja es que la energa


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adicional de compresin (ycombustible) se requieren paracompensar la prdida de energa en

el compresor que

ocurre cuando 1/4 de la entrada alseparadora por expansin esdesviado a la turbina.

El diseo Ortloff se puede usartambin en sistemas de refrigeracin.El flujo hacia el chiller (enfriador) essimilar a este diagrama.

.

A. Equipo deshidratador de gas .

El gas que entra en una plantacriognica contiene vapor de agua ascomo el aire tiene humedad. Casitodo el vapor de agua debe serretirado del gas previamente a quesu temperatura sea reducida en laplanta criognica. La humedad es

retirada en un sistema desecador porabsorcin.El sistema tiene dos o mstorres similares a las mostradasdebajo. Las torres contienen materialque retira el vapor de agua del gas.Los materiales podran ser tamicesmoleculares, o una combinacin de


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C. Intercambiadores de calor.

En una planta criognica el gas es

enfriado a temperaturas tan bajascomo -115C (-175F). Losintercambiadores de calor son usadospara recuperar de la corriente de gasde residuo de baja temperatura ytransferirlo a la corriente del gasentrante. Cerca del 85 al 95% delenfriamiento de la corriente de gasentrante ocurre en losintercambiadores de calor. Debenoperar con una alta eficiencia esto

con el fin de enfriar el gas hasta sums baja temperatura y recuperarlquidos.Algunos intercambiadores de caloroperan a temperaturas

extremadamente bajas, lo cual

requiere en su construccin el uso demetales especiales como aluminio oacero inoxidable. Los intercambiado-res pueden ser convencionalescomo: tubo y coraza, placa-aletas dealuminio o una combinacin de losdos. El tipo placa-aletas tiene mseficiencia que el de tipo tubo ycoraza. Los placa-aletas son losmenos costosos en servicios detemperaturas debajo de -50C(-60F).

La desventaja es que estos actancomo filtros para retirar partculassolidas de la corriente de materiaque pasa a travs de ellos porque losespacios en ellos son muy pequeos.

Antes de que unintercambiador sea puesto enservicio, la tubera y equipo debe serlimpiada a todo lo largo de partculas

solidas, se deben instalar filtros en lacorriente de entrada de la planta pararetirar el absorbente y otro materialsolido del gas.


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D. Demetanizadora

La demetanizadora es un tipo detorre fraccionadora usada para retirarel metano del los hidrocarburoslquidos que condensan a medida queel gas se enfra. La parte superior dela torre es usualmente ms larga encuanto a dimetro, que la parteinferior. Es un separador que divide lacorriente de entrada gas/liquido de laturbina. El lquido cae al fondo y fluyeen una porcin fraccionada dentro del

recipiente y el gas fluye saliendo porla parte superior.La parte fraccionada de la torregeneralmente contiene cerca de 30platos con capuchas de burbujeo ovlvulas. El lquido fluye a travs decada plato y se derrama sobre elplato siguiente. El vapor de gas fluyedesde el fondo de la torre

ascendiendo y burbujeando a travsdel lquido en cada plato. Los vaporesdel gas caliente ebullen al metanodel lquido en cada plato. Losproductos de la torre son metano gasen la parte superior y liquidodesmetanizado como producto en elfondo.Un rehervidor y un calentador lateralproveen el calor necesario paraebullir al metano del lquido, fluyendo

a travs de cada plato en la torre.Algunas desmetanizadoras tienenvarias secciones empacadas enlugar de platos. El empaque tiene lamisma funcin de servicio que losplatos Mezclar el gas que asciendecon el liquido que desciende, ebullir yretirar el metano del liquido.


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Los anillos de aluminio podrantambin ser usados para empacar.Un distribuidor de liquido debe de ser

utilizado en la parte superior de cadaseccin empacada tener unadistribucin uniforme de liquido atravs del la empaquetadura.

E. Sistema de refrigeracin.

El sistema de refrigeracin esutilizado en plantas donde se tiene

una alta concentracin de etano ehidrocarburos pesados en lacorriente de entrada. Propano

usualmente se utiliza comorefrigerante en el sistema. El sistemaincluye un enfriador (chiller),compresor, condensador y uneconomizador para minimizar laenerga requerida para manejar elcompresor.

El sistema de refrigeracin seencuentra descrito en ms detalle enel manual titulado REFRIGERACIONMECANICA.

Un diagrama de flujo de un sistemade refrigeracin se muestra debajo.


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F. Tuberas y recipientes.

El equipo utilizado en servicios debajas temperaturas debe estar hechode metales especiales los cualessoportaran las bajas temperaturas alas que ser expuesto el metal. Si elacero fue utilizado para un servicio debajas temperaturas este se volverfrgil y se romper como cristal.

El acero mantiene su dureza atemperaturas debajo de -29C (-20F), y puede ser tratadoespecialmente con calor para hacerloresistente a temperaturas de-46C (-50F). A temperaturas bajas,se debe alear nquel al acero estocon el fin de evitar que se vuelvaquebradizo.


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El nquel es el ingredienteprincipal del acero inoxidable. Un altocontenido de nquel se requiere a

bajas temperaturas. El aluminiotambin puede ser utilizado a bajastemperaturas.Recipientes y tuberas deben deestar hechos del metal apropiadopara soportar las temperaturas a lascuales sern expuestos. Esto es deinters particular cuando se hacenmodificaciones a una instalacin

existente. Cuando una tubera nuevaes instalada esta debe de ser delmaterial apropiado para resistir las

temperaturas a las cuales serexpuesta y debe tambin sercompatible con metales a los quesern unidos, particularmente si lanueva tubera es soldada a unaexistente.La siguiente tabla indica los metalesaceptables para servicios de bajatemperatura.

Problema 1.Relaciona cada elemento en la columna derecha con el elemento correcto en lacolumna de la izquierda.

__1. Deshidratacin de gas a. Retirar C1 que se licua cuando el gas esenfriado

__ 2. Cambiadores de calor b. Retirar humedad del gas.__3. Turbina-compresor c. Usar acero con nquel debajo de -50C__ 4. Demetanizadora d. Enfriamiento y compresin de gas.

__ 5. Sistema de refrigeracin. e. Transferencia de refrigeracin del gas desalida al gas entrante__ 6.- Tuberas f.enfriar el gas de entrada con alto C2+contenido


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III. PRINCIPIOS DE LOS PROCESOS CRIOGENICOS.

A. Secc iones func ionales deuna planta criognica

Una planta criognica tiene cuatrosecciones funcionales:

1. Deshidratacin para retirar elvapor de agua

2. Enfriamiento y expansin paralicuar parte del metano.

3. Demetanizacin para retirar elmetano que se licua.

4. Compresin para elevar lapresin de gas a las tuberasde salida principal.

Si el gas de entrada contiene sulfurode hidrogeno o ms del 2% dedixido de carbono, una quintaseccin ser necesaria para tratar elgas o el producto liquido con el fin deretirar las impurezas.La unidad deshidratadora retira elvapor de agua del gas de entrada as

que no se congelara cuando el gas seenfri.Los compresores que sonutilizados para levar la presin delgas de salida hasta la de salidaprincipal de gas son centrfugosconvencionales o del tipo pistn,compresores reciprocantes. Loscompresores son manejados porturbinas de gas o por motores de gas.La operacin de estos equipos secubre en el manual titulado

COMPRESORESCENTRIFUGOS Y COMPRESORESTIPO PISTON.La seccin de enfriamiento es elcorazn de una planta criognica. Elgas puede ser enfriado en cuatroformas:

1. Por intercambio de calor congas frio.

2. Por refrigeracin.3. Por la reduccin de presin.4. Por retiro de energa del gas

en una turbina.

El sistema de refrigeracin que usapropano como refrigerante puede serutilizado para enfriar el gas a-40C (-40F). A temperaturas debajode esta, etano o etileno es usadopara refrigerar y el sistema es muycostoso.

Otro sentido de bajar la

temperatura al gas es simplementereducir su presin a travs de unavlvula de reduccin de presin. Latemperatura caer aproximadamente1C por cada 125 kPa (1F porcada 10 psi de cada de presin). Lareduccin de presin requiererecompresin as que su costo esalto.


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B. Efecto de la temperatura ypresin en recuperacin de

hidrocarburos.

El gas natural producido de los pozospetroleros es una mezcla de muchoshidrocarburos. La mayora de loshidrocarburos tienen gran valor comocomponentes naturales que comocombustible gas. La tabla debajomuestra una composicin tpica degas y su uso comercial que loshacen mucho ms rentables.

Puedes ver de la tabla que todos loshidrocarburos excepto el metanopueden ser elevados en valor sipueden ser retirados del gas. Etano ehidrocarburos pesados cambiaran degas a lquido si la temperatura esbajada. La corriente entera se licuaraa presin de 2410 kPa (350psi) y auna temperatura de -100C (-150F).

Cuando el gas es enfriadopara licuar algunos hidrocarburos

contenidos en este, algo de metanotambin se licua. Esto es indeseable,porque el nico metano valioso es elque se encuentra en estado de vapory que sirve de combustible.Consecuentemente cualquier metanoque condense debe ser retirado delos otros hidrocarburos.Seguidamente el costo de retirar el

metano ser menor si la cantidad demetano a retirar es poca.

As, un criterio en diseo y operacinde una planta criognica es quelicuar tanto etano e hidrocarburospesados como sea posible, yminimizar la cantidad de metano quetambin condensara.La cantidad de metano que condensaacompaado a medida que el gas esenfriado depende directamente de lapresin y la temperatura a la cualopera el sistema. Las graficas en las

siguientes paginas indican lacantidad de metano y etano quecondensara a varias temperaturas ypresiones del gas teniendo lacomposicin mostrada debajo.

Decimos que queremos operarla planta para recuperar la mximacantidad de etano y la mnimacantidad de metano. Mire el ejemplo1 en la pagina 13. Este muestra lastemperaturas y presiones de

operacin que dan como resultado80% de condensacin de etano delgas. Notaras que menos metanocondensara a menor presin que amayores presiones. La desventaja deoperar a una baja presin es que elgas de debe de re comprimir otra vezpara dar salida al gas, el cualusualmente esta alrededor de5500kPa (800psi).


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Observa el ejemplo 3 en lasiguiente pgina. Suponiendo que lacapacidad de la demetanizacin es20% del metano de la corriente degas. Con la finalidad de incrementarla recuperacin de etano, y nocondensar ms de 20% de metano,ser necesario operar la seccin deenfriamiento a una presin ytemperatura baja. La recuperacin deetano puede variar desde 42% a92% variando la presin en la seccinde enfriamiento de 5520 a 138 kPa(800 a 200 psi). Como ya dijimosoperar a una baja presin requierems compresin para elevar lapresin del gas a la tubera de salida.En algn punto el valor del etanoincrementado que condensa a bajapresin, es igual al incremento delcosto de comprimir el gas a la presinde la lnea.

Las curvas de condensacinnos indican la cantidad de propano y

de hidrocarburos pesados quecondensan del gas cuando este seenfra. En una planta criognica, 90-98% del propano licuan, y 100% debutano y gasolina licua cuando almenos 60% del etano condensa. Elpunto de esto es, que cambiarpresiones y temperaturas deoperacin para recuperar ms omenos etano tendr pequeo efectoen el volumen de propano ehidrocarburos pesados quecondensan porque casi 100% deestos condensaran a pesar del C2recuperado.


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Metano el cual condensa conlos otros hidrocarburos es retirado dela mezcla en la demetanizadora. Lacantidad de metano que puede serremovida en la demetanizadoradepender directamente del dimetrode la torre y del nmero de platos queesta tenga. En cualquier caso lademetanizadora tiene una cantidad

mxima de metano que podr retirarde la alimentacin. Desde que lacantidad de metano que puede serretirada es fijada por la dimensin dela demetanizadora, el nico modo deaumentar la recuperacin de etanosin recuperar metano es operar laseccin de refrigeracin a bajatemperatura y presin.

UnidadesSI Unidadesinglesas.

1 Cuandoelgasesrefrigeradoa

temperaturade:

100C

88C

66.5C

148F

126F

88F

Alapresinde: 1380kPa 2760kPa 5520kPa 200psi 400psi 800psi

%C1quecondensa

%C2quecondensa

12%

80%

24%

80%

50%

80%

12%

80%

24%

80%

50%

80%

VolumendeC1quecondensade

unvolumende100vecesgas 10.6 21.2 44 10.6 21.1 44


unvolumende100vecesgas 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6

2 Cuandoelgasesrefrigeradoauna

temperaturade:

90C 99C 107C 130F 146F 161F

Alapresinde 1380kPa 1380kPa 1380kPa 200psi 200psi 200psi

%

de

C1

que

condensa

%deC2quecondensa5%

53% 10%

78% 20%

92% 5%

54% 10%

78% 20%

92%


unvolumende100vecesgas

4.5 8.9 17.8 4.5 8.9 17.8


unvolumende100vecesgas

3.7 5.5 6.4 3.8 5.5 6.4

3 Cuandoelgasesrefrigeradoa la

temperaturade: 107C 86C 60C 160F 124F 75F

Aunapresinde:

1380kPa

2760kPa

5520kPa

20psi 400psi 800psi

%deC1quecondensa

20% 20% 20% 20% 20% 20%

%deC1quecondensa

92%

75%

42%

92% 75% 42%


unvolumende100vecesgas 17.8 17.8 17.8 17.8 17.8 17.8


unvolumende100vecesgas 6.4

5.3

2.9

6.4 5.3 2.9


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Problema 2La presin de operacin en la demetanizadora de una planta criognica es 13800kPa (200 psi) si la condensacin de C2en la turbina es 90%, la condensacin de

C1 ser __________%; la temperatura de salida de la turbina ser ____.

C. Calor latente de vaporizacin.

Hasta este punto, hemos indicadoque todo lo que es necesario hacerpara licuar hidrocarburos es unasimple reduccin de la temperatura.Esto es parcialmente cierto; para quecualquier gas cambie a lquido, sucalor latente de vaporizacin o

simplemente calor latente, debe serretirado del gas. El calor latente delos hidrocarburos a temperaturascriognicas es cercano a 465 Kj/Kg(200 Btu/lb). Este calor debe de serretirado por cada kg (lb) de gas antesde que este cambie a lquido.Para poder enfriar el gas 1,debemos retirar cerca de 2.72 kJ/kg(0.65Btu/lb) de calor. El calor retiradodel gas enfriado es llamado

supercalor. Una vez que el gas esenfriado a la temperatura con la cualcondensara, el calor latente debedespus ser retirado con el fin decambiar el gas a lquido. La magnituddel calor latente es ilustrada con elsiguiente ejemplo.Arriba, podrs ver que el porcentajede calor latente (16%) es casi lomismo que el porcentaje de gas quecondensa (15%). En las plantas

criognicas el gas es enfriado hastasu temperatura de condensacin.La cantidad de lquido que se formadepende de la cantidad de calor

latente que es retirado. Si el calortotal retirado en el ejemplo de arribaes 99% de lo mostrado, el lquido quecondensara ser de 1% menos o14% en lugar de 15% lo cual es 7%de reduccin en la produccin delquido.

El calor es retirado de la entrada degas en un intercambiador de calor, laturbina y un enfriador (chiller) si estese encuentra instalado. Para hacermximo el producto lquido, lasunidades de remocin de calor debenoperar para retirar todo el calor quesean capaces de sacar. Uno de losdefectos de las plantas criognicas esque no hay capacidad de diseopara retirar exceso de calor. En otras

palabras, si un intercambiador decalor falla en el rendimiento quedebera otros intercambiadores oturbinas estn inhabilitadas paracompensar la prdida en la eficienciadel intercambio. El resultado neto esuna reduccin de producto lquido. Nose construyen equipos auxiliares deremocin de calor en la plantaporque esto requerira unidadesrefrigeradoras capaces de refrigerar

el gas a una temperatura cerca de -100C (-150F). El costo de estaunidad hara toda la plantacriognica poco econmica.


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En la seccin previa, hablamos que elefecto neto de refrigerar en la plantaes retirar calor latente paracondensar producto lquido. Laturbina es capaz de retirar suficientecalor latente para recuperar cerca del10% de la corriente de gas.

A. Teor a de expansin de gas.Gas sobre la temperaturaabsoluta y una presin sobre el ceroabsoluto contiene energa interna.No podemos ver la energa, perosabemos que existe porque estaproducir trabajo. La energa seencuentra contenida en un gas enforma de calor, presin o velocidad.

Una de las leyes bsicas de la cienciaes que la energa contenida en unfluido no puede ser creada odestruida. As, si energa es agregadao retirada de un fluido como el gas,debe de haber un cambio en elcontenido de calor (temperatura),presin o velocidad. La curva debajo

y la que se encuentra en la siguientepgina indican la energa interna engases naturales comunes a variastemperaturas y presiones. La energapor velocidad no se muestra en lascurvas porque la velocidad deentrada del gas y la de salida quedeja el compresor o la turbina es casila misma.

UnidadesSI Unidadesinglesas

Temperaturadelgasentrante. 2.72kJ/kg 0.65Btu/lb

35C 95F

101C 150F

Totaldetemperatura

cambiada

35+101=136C 95+105=245F

Pesodegas 1kg 1lb

1x2.72x136 1x0.65x245

(spercalor) 370kJ 159Btu

Calorlatentedevaporizacin 465kJ/kg 200Btu/lb

Pesodeliquido(15%degas) 0.15kg 0.15lb

Calorlatentearetirar 0.15x465=440kJ 0.15x200=30Btu

Totaldecaloraretirar 70+370=440kJ 30+159=189Btu

%de

calor

que

es

latente

(70/440)

x100

=16%

(30/189)

x100

=16%


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Gas es enfriado en una plantacriognica hasta una temperatura de -40C (-40F), en unosintercambiadores gas-gas. Su presines 5500 kPa (800psi). Estas

condiciones de presin y temperaturason el puntoA sobre las curvas. Si lapresin del gas es disminuida conestrangulacin o una vlvula dereduccin hasta una presin de 1400


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kPa (200psi), la temperatura del gascaer a -72C (-100F). Esto se

representa con el punto C sobre lascurvas.Notaras que la energa interna

del gas no cambia cuando su presines disminuida. La razn de esto esque no hay calor entrando o saliendoa la vlvula de reduccin de presin,y no se est realizando trabajo paragirar una turbina o algn otrodispositivo, as que la energa internadel gas tiene que mantenerse. La

cada de temperatura ocurre cuandola presin es reducida esto esconocido como el efecto Joule-Thompson. (J-T)Suponga que el gas en el punto Apasa a travs de una turbina, la cualest conectada a un compresor asque la energa puede ser retirada delgas fluyendo a travs de la turbina y

usndola para mover el compresor.En este caso la energa entregada

por el gas es indicada por la lneapunteada A-B. Esta es una lnea decompresin y expansin. Estarepresenta la mxima cantidad deenerga que puede ser retirada delgas cuando su presin es reducidadesde el punto A al punto B. Lamisma cantidad de energa esrequerida para comprimir el gas delpunto B al punto A. La temperaturadel gas en el punto B es -108C (-

163F) que es 36C (63F) ms bajoque el punto C.Decimos que la energa requeridapara comprimir gas desde el punto Bal A fue la misma que la retirada en laturbina cuando su presin fuereducida desde el punto A al B. estoes tericamente correcto

.

En la prctica, los compresores y lasturbinas se encuentran en un 80% deeficiencia, as que cuando la presincae desde el punto A al punto B en laturbina, el compresor acoplado a esa

turbina proporcionara solo unaporcin de energa requerida esrequerida para elevar la presin delgas del punto B al punto A.


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La tabla de la pgina 18 resume losefectos en la temperatura del gas conla reduccin de presin y la energa

removible por una turbina.Observe la energa interna contenidaen el gas en los puntos A y C. esta es800 kW por milln m3/d (29.5 hp porMMcf/d) menos en el punto B que enel punto C. Cuando esta cantidad deenerga es retirada del gas a lapresin y temperatura en el punto C,el gas se enfriara a la temperaturadel punto B. El gas se enfriara sutemperatura desde el punto A hasta

el punto C, simplemente mediante lareduccin de su presin. Se enfriaraa la temperatura del punto B bajandosu presin y retirando energa. Ladiferencia en la temperatura entre losdos puntos B y C es el efecto neto derefrigeracin por remover energa delgas en la turbina.

Si el gas fluye a travs de unaturbina que no est conectada anada, su temperatura ser la del

punto C. de cualquier forma si laturbina est conectada a uncompresor, y la mxima energa esretirada del gas para mover elcompresor, la temperatura de salidadel gas de la turbina ser la mostradaen el punto B. Si el compresor

acoplado a la turbina no estcompletamente cargado, latemperatura del gas que deja la

turbina caer entre los puntos B y C.As, para obtener la ms bajatemperatura de salida del gas de laturbina, el compresor debe estarcompletamente cargado.Las graficas de las pginas anterioresindican la temperatura terica desalida del gas de una turbina a unapresin conocida, cuando la presin ytemperatura del gas de entrada a laturbina tambin son conocidas. En la

practica la temperatura de salida dela turbina no ser tan fra como lasmostradas en las graficas porque lacorriente que deja la turbina es unamezcla de gas y liquido, y el calor devaporizacin dada por la porcin degas que condensa en la turbinaresultara en la elevacin de latemperatura total del la corriente. Sino ocurre condensacin, latemperatura de salida de la turbina

ser cercana a la temperaturamostrada en las graficas. Decualquier forma, cada porcentaje degas que se licua en la turbinaincrementara la temperatura del gascerca de 1.7C (3F)

EJEMPLO.10% del gas condensa cuando su presin es reducida desde el punto A al puntoB sobre las graficas de las pginas 16 y 17. Determinar la temperatura del gas de

salida de la turbina.Temp. De gas de salida del a turbina (punto B). -108C -163FPorcentaje de gas que condensa. 10% 10%Elevacin de temp. Debido a la condensacin. 1.7x10=17C 3x10=30FTemp. De salida del gas y liquido de la turbina -108+17=-91 -163+30=-133F


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Problema 3.a. Para condensar hidrocarburos de una corriente de gas por enfriamiento,

dos formas de calor deben de ser retiradas. Estas son:___________ y

________________.b. Gas que entra a una turbina a -50C y 6300 kPa (-60F) y 900psi). Su

presin de salida es 200 kPa (315psi). Si el compresor esta 100% cargado,la temperatura terica del gas que abandona la turbina es _______ . Si 8%del gas condensa, la temperatura de salida del gas es: _____________ .

c. Si el gas fluye a travs de un compresor, la temperatura que sale de laturbina es: __________ .

d. La energa de la turbina es_________.

E.- Balance de materia.

La corriente de materia que entra auna planta criognica es gas. Lascorrientes de salida son gases yliquidas. El efecto neto de la planta escondensar algo de gas. Comoaprendimos recientemente, el calorde vaporizacin debe de ser retiradodel gas para poder condensarlo.El punto en el cual el calor es retiradodel sistema es la turbina. La energa

en forma de calor retirada del gas amedida que su presin en reducida y

la energa es retirada para mover el

compresor es el mismo calor que esretirado para condensar a lquido elproducto. En este hecho, la cantidadde condensacin est limitada por lacantidad de enfriamiento que laturbina es capaz de producir.En la mayora de las plantas, laturbina es capaz de retirar suficientecalor para condensar cerca de 10%del gas de entrada. Si el gas tienems del 10% de etano e

hidrocarburos pesados, refrigeracindebe de ser suministrada paracondensar producto adicional.

G. Demetanizadora.

El liquido que condensa cuando laentrada de gas en enfriada es una

mezcla de metano, etano, propano,butano y gasolina. El volumen demetano en el lquido es mayor quetodos los dems hidrocarburos


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combinados. El metano debe de serretirado de los dems hidrocarburospara que estos tengan un valor

comercial.La demetanizadora (DeC1) es unatorre fraccionadora en donde elmetano es vaporizado de la mezclade hidrocarburos lquidos. Metanogas es el producto de la partesuperior, y los otros hidrocarburoslquidos son el producto de fondo. Sudiferencia de la mayora de las torresfraccionadoras es que esta tiene doso ms corrientes de entrada en lugar

de una simple alimentacin que es

comn en la mayora de las torresfraccionadoras.

En adicin, el calor para vaporizar elmetano de la alimentacin esproporcionado en re-hervidores enel fondo y tambin a un lado de latorre donde una fraccionadoracomn, solo tiene solo un re-hervidoren el fondo.Una demetanizadora tpica (DeC1) semuestra debajo. Solo 10 platos sonmostrados en el dibujo, a pesar deello una torre usualmente tiene cerca

de 35 platos o empaquetadura. Eldiagrama de flujo es como sigue:

La alimentacin principal viene delseparador de expansin. Un sistemade control de nivel en el separador

regula el flujo de lquido. Este entra ala cerca de la mitad de la torre. Laporcin liquida entra a la torre y fluye


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a travs de la seccin empacada o delos platos en la torre. El gas que sube

en cada plato vaporiza el metano dellquido, as que cuando el lquidoalcanza el fondo de la torre, la mayorparte de metano ha sido evaporada.El calor para evaporar el metano dellquido que va cayendo, viene delfondo por el rehervidor y por unrehervidor lateral. El lquido entranteal rehervidor lateral es retirado cerca1/3 hacia la parte superior de la torre.Este pasa a travs del rehervidor,

donde toma calor del gas de entradaque pasa por el lado tubos delrehervidor. Algo del lquido sevaporiza cuando este se calienta. Lacorriente que sale del rehervidorretorna a la torre por la parte inferiordel plato de donde fue retirado.El lquido del plato de fondo fluyehacia el rehervidor en el fondo, dondees calentado por gas de entrada, locual resulta en algo de vaporizacin.

El gas que se forma fluye hacia laparte superior de la torre, y el lquidoque contina es el producto de fondoel cual es enfriado. Este esbombeado a travs de un calentadorpara recuperar la refrigeracin en lacorriente. Desde el calentador estefluye a una tubera o una torrefraccionadora para separarlo enetano, propano, butano y gasolina. Elflujo de producto es regulado con un

sistema de control de nivel.La fraccin vapor de la corriente delseparador por expansin que entra ala DeC1 fluye hacia arriba. Estaburbujea a travs del empaque oliquido en cada plato. La mayora delC2e hidrocarburos pesados en el gasson condensados por el lquido enlos platos, as que el gas que deja elplato de la cima es mayoritariamentemetano. Este fluye hacia la seccin

de separacin en la parte superior dela torre. La corriente de salida de la

turbina tambin entra al separador.Esta es una mezcla de lquido y degas. El gas se combina con gasproveniente del plato superior y salede la torre en la parte superior y pasaa travs de un intercambiador gas-gas, de compresores y deja la planta.El liquido contenido en la corriente della turbina cae al fondo del separadory fluye hacia el plato superior de latorre. Este sirve como reflujo a la

torre.1. Sistema de control de

temperatura de fondo de lademetanizadora.

El metano es vaporizado del lquidoque entra a la DeC1 por adicin decalor a la torre en los rehervidoreslateral y de fondo. La cantidad decalor transferido en los rehervidores

es controlado regulando el flujo delfluido calentador (gas de entrada) quepasa a travs del rehervidor.Diferentes diseadores de plantasusan varios mtodos para controlar elflujo del gas calefactor.El dibujo de la pgina 21 muestra uncontrolador de temperatura en elfondo de la demetanizadora queregula el flujo de gas que pasa atravs del rehervidor de la

demetanizadora. Si la temperaturaen la demetanizadora cae, el controlde temperatura mandara la seal deabierta a la vlvula dejando pasarms gas a los rehervidores yviceversa. El control de temperaturaes establecido por el operador deplanta hasta el punto que resulte enel producto de fondo una mnimacantidad de metano en el etano deproducto.


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Es importante reconocer no esparticularmente el gas no es un buen

medio de calentamiento, y variosminutos sern necesarios para notarcualquier cambio en la temperaturadespus de que el flujo de gas quepasa a travs de los rehervidorescambie.El sistema de control de latemperatura de fondo de lademetanizadora desva una porcindel gas de entrada al calentador delfondo de la demetanizadora y a los

rehervidores. El resto de la corrientedel gas de entrada pasa a travs deun intercambiador gas-gas. La cadade presin a travs delintercambiador de calor esusualmente 35-70 kPa (5-10 psi).Enotras palabras la presin de salida esmenos que la presin de entrada. Laporcin del gas de entrada que pasaa los intercambiadores de lademetanizadora pasa por varios

intercambiadores de cualquier formael resto del gas de entrada pasara atravs de solo un intercambiador gas-gas. El resultado neto es que la cadade presin del gas que fluye a travsde los intercambiadores de lademetanizadora esconsiderablemente ms que lo queflujo a travs de los intercambiadoresgas-gas. Consecuentemente debe dehaber alguna restriccin en la lnea a

los cambiadores gas-gas esto paraforzar al gas a fluir a los cambiadoresde la demetanizadora.Esta restriccin es frecuentementeuna vlvula de mariposa en la lneade gas a los cambiadores gas-gas, lacual cerrara lo suficiente para forzaral gas a fluir a travs de loscambiadores de la demetanizadora.Si la vlvula de mariposa se muevems hacia la posicin de abierta, el

gas entrante se mover hacia loscambiadores gas-gas, y podra no

haber suficiente volumen fluyendo ala demetanizadora para proporcionarel calor para la torre. Cuando estoocurre la temperatura del fondo de lademetanizadora caer o descender.La vlvula de control de temperaturaabrir completamente.La cada de presin a travs de lavlvula de mariposa es usualmente70-140 kPa (10-20 psi).Esta es lapresin requerida para forzar algo

del gas de entrada a fluir a loscambiadores de la demetanizadora.La cada de presin debe de estarformada con el gas de residuo de loscompresores, el cual requierecombustible adicional para manejarel compresor. Para mantener elcosto de re compresin al mnimo, lamariposa debe de cerrarse solo losuficiente para forzar al gas a fluir atravs de los rehervidores de la

demetanizadora. Si se cierrademasiado, resultara una cada altade presin, lo que incrementara laenerga (y combustible) requeridospor el compresor para compensar lasprdidas de presin a travs de lavlvula.El procedimiento para posicionar lavlvula de mariposa en la lneaprincipal de gas es abrircompletamente la vlvula y despus

cerrarla lentamente hasta la vlvulade control de temperatura sea 50%de abertura al flujo normal de laplanta. Sera necesario cambiar laposicin de la vlvula de mariposa aflujos altos o bajos de gas.En algunas plantas el control detemperatura de fondo de lademetanizadora, regula dos vlvulascomo las mostradas en el dibujo dela pagina 4. Si la temperatura del


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fondo cae, el controlador abre lasvlvulas de control en la lnea de gas

a los rehervidores, y cierra la vlvulade control en la lnea de gas alcambiador gas-gas. Los rehervidoresy el calentador de producto podrantener lneas de bypass en la lnea decalentamiento de gas paramanualmente derivar (bypass) algode gas de tal modo que reduce lacantidad de calor transferido en losintercambiadores. Estas vlvulas tepermiten cambiar el calor adicionado

a la torre desde el rehervidor defondo al rehervidor lateral oviceversa. En general el rehervidorde fondo es el punto preferido deadicionar calor y el rehervidor laterales el punto de ajuste. En otraspalabras, mantener el mximo flujode gas a travs del rehervidor defondo y ajustar el calor de entrada enel rehervidor lateral por puentear(bypass) algo de gas alrededor de

este.Como previamente mencionamos,una porcin del gas entrante esusada como medio de calentamientoen la demetanizadora. Durante lascondiciones climticas fras, latemperatura de gas podra no ser losuficientemente alta paraproporcionar el calor necesario paraevaporar el metano del producto en elfondo. En estas ocasiones calor se

agrega a la entrada del gas encalentador de ajuste. En esteintercambiador, el gas es calentadocon vapor, aceite caliente o gascaliente. Un sistema de control detemperatura regula el flujo de calorpara calentar el gas de entrada losuficiente con el fin de proporcionarsuficiente calor a la demetanizadora.

La razn de usar gas de entradacomo recurso de calentamiento para

la demetanizadora es para recuperarla refrigeracin en las corrientes frasen la demetanizadora.Consecuentemente el calortransferido en el calentador de ajustedebera ser mantenido hasta elmnimo. Un exceso de calortransferido de 465 KJ resultara en laprdida de 1kg de producto lquido.(Un exceso de calor transferido de200 Btu resultara en la prdida de 1lb

de producto lquido).RESUMEN DE LOS PRINCIPIOSDEL PROCESO CRIOGENICO

1. Para condensar parte de lacorriente de gas, esta debe serenfriada hasta su temperaturade condensacin, y despussu calor latente debe serretirado.

2. Un compresor enfra gas,bajando su presin y retirandoenerga del gas. La energaretirada del gas es usada paramover el compresor acopladoa la turbina. El enfriamientomximo en la turbina ocurrir ala mxima reduccin depresin (presin mnima delgas de salida) y cuando elcompresor acoplado a la

turbina est completamentecargado.3. La energa calorfica retirada

del gas en una turbina y/o enun sistema de refrigeracin esaproximadamente igual a laenerga latente calorficaretirada del producto lquidofura de la demetanizadora.Para obtener ms productoliquido. Mas energa de


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calentamiento debe de serretirada en la turbina y/o e bus

sistema de refrigeracin.4. Cerca del 85% de larefrigeracin de gas ocurre enun intercambiador de calorgas-gas y en los rehervidoresde la demetanizadora. El restoocurre en la turbina y/o en

intercambiador de refrigeracin(chiller).

5. Ms de la mitad del total delquido que condensa cuandoel gas es refrigerado, esmetano, el cual es retirado deotros hidrocarburos en lademetanizadora.

IV. TURBINA-COMPRESOR

La turbina de gas es una modificacinde la turbina de vapor, que han sidoutilizadas para manejar bombas,generadores y otros equipos derotacin por muchos aos. Decualquier forma no fue hasta losaos 60s que una turbina de altaeficiencia fue desarrollada. Laprimera planta comercial criognicafue instalada en 1965 con unprototipo de turbina que apuntaba aser exitosa. Desde entonces casitodas las plantas de proceso hansido de un diseo criognico.

Las turbinas disponibles hoyen da pueden recuperar arriba del85% de energa dada por el gas amedida que su presin es reducida.

Esta energa es trasmitida aun eje acoplado a los impulsores dela turbina. El eje puede ser acopladoa cualquier dispositivo de rotacin,

como una bomba, compresor, ungenerador, etc

En plantas tpicas criognicas uncompresor es acoplado al eje de laturbina. El compresor tambin, solotiene un simple impulsor o rueda.Este gira a la misma velocidad de laturbina.Gas de alta presin entra en laturbina y es dirigido hacia fuera de laextremidad de los platos de laturbina, causando que esta gire. Elgas fluye del centro del impulsor ysale de la turbina a baja presin. Lavelocidad de rotacin de la turbinapuede ser en exceso de 50 000rpm,dependiendo del volumen de gasentrante en la unidad, y la cada depresin que tiene el gas mientrasfluye a travs de la unidad (presinde entrada menos presin de salida).

Problema 4a. En qu pieza del equipo es retirado el metano de otros hidrocarburos que condensan a

medida que el gas esrefrigerado?_____________________________________________

b. La cantidad de refrigeracin en una turbina dependedirectamente___________________________________________________________

c. La mayora del enfriamiento de gas ocurre en que equipo?d. Qu fluido es utilizado para el proceso de calentamiento en la

desmetanizadora?_______________________________________________________


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Un alto caudal y una alta cada depresin resulta en una velocidad alta

de la turbina y obviamente una salidade energa alta.

La energa desarrollada en el eje derotacin de la turbina es usada paramanejar un compresor de simpleimpulsor acoplado al otro extremodel eje. Gas de baja presin entra enel centro del impulsor y la descargaes retirada del extremo de los platosimpulsores a una presin de 1.3

veces de la presin de succin.A. CONTROL DE LA TURBINA.

La turbina es controlada, paramantener una presin constante enalgn punto del sistema regulando elflujo de gas a la turbina. El flujo degas es incrementado por la aperturade mamparas localizadas a la entradade gas en los impulsores de la

turbina. En el dibujo de la siguientepagina, el control de presin en la dela lnea de salida, manda la seal alas mamparas para abrir o cerrar,esto con el fin de mantener constantela presin de salida. Si la presin desalida cae, el control abre lasmamparas y permite mas paso degas a travs de la turbina.Inversamente si el flujo decae lapresin aumenta, el control de

presin cierra las mamparas yrestringe el flujo de gas que entra a laturbina. En este acontecimiento el

flujo de gas a la turbina no essuficiente para mantener la presin,una vlvula de puenteo (bypass)abrir y permitir pasar un exceso de

gas a travs de esta.El diagrama de flujo contrario indicaun sistema de control tpico en laturbina. La vlvula de puenteo(bypass) es normalmente referidacomo la vlvula JT (Joule-Thompson). La presin de salidadesde el controlador de presin entraa las mamparas del actuador, el cualopera a una presin de 20-60 kPa (3-

9 psi). Este no comienza a abrirhasta que las mamparas de ajuste seencuentran completamente abiertas.En este punto, la turbina estcompletamente cargada. Si el gasfluye con la turbina completamentecargada, no es suficiente mantenerpresin, la presin en la lnea desalida caer, y la presin de salidadesde el controlador de presin seincrementara. Cuando la presin


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desde el controlador de presinexcede 60 kPa (9 psi) la vlvula JTcomenzara a abrir y el gas pasara en

la lnea de puenteo (bypass).El controlador de presin que regulala capacidad de la turbina seencuentra localizado frecuentementeen la demetanizadora, lo cual esesencialmente lo mismo que siestuviese en la lnea de salida de laturbina. Otras plantas controlan lacapacidad de la turbina manteniendouna presin constante en la entradade la planta o en la succin del

compresor.A pesar de la localizacin delcontrolador, el sistema es un controlde rango dividido en el cual la mitadde los controladores de presin desalida, opera las mamparas de laturbina y la otra mitad opera lasvlvulas de puenteo o derivacin(bypass).De acuerdo a como el gas fluye atravs de la turbina, su temperatura

es bajada y cerca del 10% de lacorriente condensa. El liquido queforma no tiene efecto determinanteen la turbina. Si la corriente gaseosade entrada a la turbina contienepartculas solidas de suciedad odesechos, o contiene humedad quecongelara a bajas temperaturas en launidad, pude resultar en un seriodao a la maquina. A las altasvelocidades de la maquina, la

presencia de materiales slidos desechos o hielo- desgastararpidamente los impulsores y lacarcasa.

Una malla es normalmente instaladaen la lnea de entrada de gas a laturbina para retirar partculas solidas

de la corriente de gas. La humedades retirada del gas por deshidratacinen la parte inicial de la planta.

B. Control Turbina Compresor.

Como ya dijimos previamente,queremos el compresorcompletamente cargado, esto pararetirar la mxima cantidad de energadesde el gas que fluye a travs de laturbina y de tal modo bajar su

temperatura tanto como sea posible.

La energa requerida por uncompresor centrfugo es sobre tododependiente del flujo de gas hacia lamaquina. Mas poder obviamente serequiere a un alto caudal de flujo. As,el compresor sobre el eje de laturbina debera operar con el flujomximo de gas.

El impulsor del compresor de

tal forma que la maquina sercompletamente cargado en lascondiciones de diseo de flujo degas, presin y temperatura deentrada a la planta. Si las condicionesde proceso no estn al diseo, elcompresor podra no estarcompletamente cargado. En estasituacin el flujo de gas hacia elcompresor es incrementado por larecirculacin desde la descarga del

compresor hasta la succin de este.El sistema de control de oscilacinse usa para regular la tasa derecirculacin como se muestra en lasiguiente pgina.


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La velocidad de la turbina no deberacambiarse cuando el gas hacia el

compresor es aumentado y elcompresor no est completamentecargado. El flujo de reciclo esaumentado gradualmente en hastaque no existan cambios en latemperatura de salida de la turbina ola cada de velocidad pare. En estepunto, el flujo de reciclo es bajohasta que la velocidad regrese a lanormalidad. El compresor debe estar

completamente cargado y el mximoenfriamiento de gas (y recuperacin

de C2) debe de ocurrir.Esto podra darte la apariencia deque la velocidad de la turbina se debebajar cuando el flujo de gas hacia elcompresor es incrementado. Esto noes necesario en el caso de quecuando se necesite menos energapara manejar el compresor, lacapacidad de energa desde laturbina retirara del gas.

La curva de expansin en laspginas 16 y 17 indican la mximacantidad de energa que puede serretirada del gas a medida que supresin es reducida. A medida que laenerga es retirada del gas, latemperatura del gas es bajada. As, amedida que el compresor es cargadopor incremento flujo en el reciclo degas, la temperatura de gas salientede la turbina caer. La temperaturade salida del compresor estar a sumnimo cuando el compresor seencuentre completamente cargado.

En este punto, incrementar el flujo derecirculacin de gas al compresorsobrecargara la turbina y la velocidadcaer.

Para resumir el control delcompresor: el flujo de gas recirculadoes aumentado gradualmente hastaque la energa requerida paramanejar el compresor iguala lamxima energa que puede serretirada del gas en la turbina. En estepunto, la temperatura del gas quesale de la turbina ser la mnima. Unflujo adicional de gas recirculado al


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compresor reducir la velocidad de la maquina

1. Control anti oscilacin delcompresor.

A un flujo bajo de gas hacia elcompresor centrifugo, la oscilacinocurrir. La oscilacin es gas

fluyendo en reversa a travs delcompresor, lo cual puede daargravemente la unidad. La oscilacines prevenida manteniendo flujo haciael compresor por encima del puntode oscilacin. El sistema de controloscilatorio incluye una lnea derecirculacin y una vlvula de controlla cual es posicionada por un

controlador de flujo. El puntoestablecido en el control de flujo es

posicionado manualmente por eloperador arriba del flujo deoscilacin, el cual es normalmente

65% del flujo de diseo para elcompresor.El flujo total hacia el compresor esdetectado por el controlador de flujo,y si este se encuentra debajo delpunto establecido, el controladormandara una seal de aire a lavlvula de control oscilatoria para


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abrir y permitir que el gas recircule dela descarga a la succin.Si el flujo de entrada de gas es 50%

del diseo, y establecimiento delpunto de oscilacin en el control ser65%, el controlador de presin, abrir

la vlvula de control oscilatorio paraque 15% del flujo de diseo pasa atravs de la lnea de reciclo. El flujo

total de gas que fluye hacia elcompresor es 65% del cual 15% esrecirculado.

El sistema de control de oscilacintambin es usado para cargar elcompresor como se describi en la

seccin previa.C. Sellos.

La presin en una tpico turbina-compresor se muestran en el dibujode la pagina 31. La presin ms altase encuentra en la entrada de laturbina. La seccin de la turbinacompresor est conectada con unacubierta en comn as que si llega aexistir una fuga, el gas de alta presin

que entra a la turbina podra fugarsehacia el compresor. El gas delcompresor es gas de residuo de lademetanizadora. As cualquier fugaque ocurra resultara en un simplepuenteo (bypass) entre la turbina y lademetanizadora. As, una de lasfunciones del sistema de sellos esprevenir que gas de alta presinentrante a la turbina tenga fuga haciael compresor.

Un empaque es un dispositivo paraprevenir que gas o lquido bajo altapresin tenga fuga hacia el punto de

menor presin. Un ejemplo comn esun sello mecnico usado en lasbombas centrifugas que previenenfugas de liquido bajo presin dentrode la bomba hacia fuera de esta. Lossellos mecnicos no son usados en laturbina porque el aceite para lubricarel empaque puede entrar en laturbina y solidificarse a bajatemperatura causando serios daos ala maquina.

Sellos de tipo laberinto sonutilizados en las turbinas ycompresores para reducir el flujo degas a alta presin que fuga a lospuntos de baja presin. Un sello delaberinto es una serie de dientes queestn maquinados en los impulsoresy sellan los anillos separando entre elfinal de cada diente y el eje,aproximadamente 50-100 micrones(0.002-0.004 pulgs.). El laberinto


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acta como un dispositivo reductor depresin. El gas se encuentra a msalta presin en un lado del laberinto

que en el otro. Una pequea cantidadde gas a alta presin fuga a travs decada diente en el sello. A medida quepasa a travs de un diente a otrodiente, su presin es reducida y suvolumen aumenta. Cuando estealcanza el diente final, se encuentra ala ms baja presin y al ms largovolumen. La separacin entre cadadiente y el eje permitir solo unpequeo flujo de volumen de gas.

As, hay un flujo continuo de gas atravs del sello de laberinto, pero esuna pequea cantidad. Una levecantidad de desgaste en el laberinto

dentado obviamente incrementara lacantidad de gas que fuga a travs delsello. Los sellos de laberinto se

muestran en el siguiente dibujo y setabulan debajo.

Como puede ver en el dibujode abajo, la presin ms baja esaquella de la carcasa entre la turbinay el compresor. El gas que fuga atravs del sello de laberinto en laturbina y el compresor fluyen hacia lacarcasa. Este gas entra al depsitode aceite lubricante, el cual esventeado a la succin del compresor.

As la presin en la carcasa ser lamisma a la de succin en elcompresor.


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Si gas frio de la turbina fuga hacia lacarcasa, este puede enfriar el

depsito de aceite lubricante al puntoque este perder sus propiedades delubricacin. Para prevenir que estoocurra, un sistema de sellado esutilizado que sirve como barreraentre la turbina y el depsito deaceite lubricante.El sello de gas es gas limpio seco apresiones de 350 kPa (50 psi) porencima de la presin de salida de laturbina.

Este es inyectado entre dos sellos delaberinto en el eje de la turbina.Desde que esta presin es ms altaque en la parte trasera de losimpulsores de la turbina, algunossellos de gas fugaran a travs delsello de laberinto (numero 2) yterminara en la salida del gas en laturbina.

Algunos sellos de gas tambin fugana travs del sello de laberinto (sello 3)

en la carcasa entre la turbina y elcompresor.

Los sellos de gas deben de estarpor lo menos a 350 kPa (50 psi) porencima del gas de salida de laturbina. El sello de gas debe estarlimpio y seco y aproximadamente atemperatura ambiente. Un filtro seincluye usualmente en la lnea de gaspara retirar las partculas solidas de

este.El gas de salida de la planta

es frecuentemente utilizado comorecurso de sello de gas. El sello degas es introducido en la turbina antesde que esta arranque, y mantenidodurante la operacin. Un regulador depresin se incluye en la lnea de sellode gas para ajustar la presin.


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D. Control de impulsin.En cualquier dispositivo centrifugo, el

desarrollo del impulso tiende a moverel eje hacia un extremo o el otro. Sieste se moviera lateralmente a lolargo de su eje axial, los impulsorespodran tocar la carcasa yrpidamente desgastarse. En unaturbina-compresor, cojinetesrotatorios en cada extremo del ejeprevienen el movimiento lateral. Decualquier forma, las fuerzas deimpulsin a travs de cojinetes debe

de ser controladas a un nivelmoderado para prevenir que loscojinetes fallen y existan serios daosa la maquina.

La fuerza de impulsin es debida ala diferencia de presin en la succiny descarga que acta en la partefrontal y trasera del impulsor.Observe el impulsor de la turbina enel dibujo siguiente. Gas de altapresin entra en la punta del

impulsor, y fuga a travs del laberintoen el sello del impulsor hacia la caratrasera y ejerce una fuerza hacia laizquierda. Gas de baja presin es

impulsado por enfrente o la izquierdadel impulsor.

Para poder neutralizar el empuje enel impulsor de la turbina, el gas quefuga a travs del sello de laberintoen la cara trasera del impulsor fluye ala lnea de salida del gas, as que lapresin en la parte trasera eslevemente mayor a la presin desalida. Un fabricando, tiene orificiosen el impulsor los cual permite al gasbajo presin detrs del impulsor, fluira travs de los orificios a la lnea de

salida del gas. Los orificios en elimpulsor estn localizados de talforma que la presin detrs de losplatos sea 175 kPa (25 psi) arriba dela presin de salida de la turbina.Otros fabricantes entuban el gasdetrs del plato hacia la lnea desalida del gas. En cualquier caso, lafuerza de impulsin del impulsor enla turbina es parcialmenteneutralizada. La presin de gas

detrs de los impulsores eslevemente ms que aquella en la carafrontal, as que una fuerza deimpulsin moderada es ejercida atravs de la turbina.


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La fuerza de impulsin en elcompresor se encuentra en direccin

contraria. La presin de succin esimpuesta en la cara frontal o derechadel impulsor y la presin de descargaacta a contra la parte trasera o caraizquierda. La fuerza de impulsin eshacia la derecha.El sistema de control de impulsinregula la fuerza de impulsin en elfinal del compresor es lo mismo queen el final de la turbina. La fuerza deimpulsin del compresor es

frecuentemente regulada con unpistn que acta como vlvula decontrol en la cual la presin en cadalado del pistn es aquella presin delcojinete sobre cada extremo del eje.Si el eje se mueve levemente en unadireccin, la presin del cojinete seaumentara en un cojinete y caer enel otro, lo cual causara el movimientodel pistn as que ms o menos gasdetrs del impulsor fluir a travs de

la vlvula de control y as igualara lapresin de los cojinetes. El dibujoprevio muestra este sistema.

Por ejemplo, si la fuerza de impulsinen el compresor (a la derecha) esms que en la turbina, el eje semover a la derecha la separacin alcojinete de la derecha reducir y lapresin de aceite en el cojinete seincrementara. Al mismo tiempo, la

separacin a la izquierda del cojineteincrementara, y la presin de aceitedisminuir. El efecto neto es que elpistn actuador abrir la vlvula decontrol de movimiento, lo cual liberaraalgo de la presin detrs del impulsordel compresor y bajar su fuerza deimpulsin.Si el sistema de control de impulsinllega a fallar, y la vlvula de controlcierra, resultara una gran fuerza de

impulsin a travs del compresorhasta el extremo, lo cual puede

causar que falle el cojinete delcompresor. Cualquier tipo de falla enel cojinete en el equipo rotatorio a 25000 rpm o mas puede traer seriosdaos. As, el sistema de balanceo deimpulsin debe ser cuidadosamentevigilado y mantenido adecuadamente.Si el arreglo de neutralizacin deimpulso en la turbina falla debido alos orificios en los impulsores de laturbina, la fuerza de impulsin

desarrollada ser muchos msgrande que lo que el sistema decontrol puede manejar. Alta fuerzade impulsin a travs de la turbinaresulta en un rpido dao al sistemade impulsin de la turbina. Unapagado por alta impulsin ocurre enesta situacin para prevenir que lamaquina tenga daos.

E. Sistema de lubr icacin.

Compresor-turbina tiene un cojineteen cada extremo del eje. Este debede ser continuamente lubricado conaceite lubricante limpio del tipoapropiado a la temperaturaapropiada.La lubricacin para un periodo cortode tiempo puede resultar en una fallaen el cojinete el cual podra resultaren un serio dao hacia la maquina.

El sistema de lubricacin de aceite,se muestra en el dibujo de abajo. Laspresiones mostradas son tpicas parauna planta en la cual lademetanizadora opera a una presinde 1750 kPa (250 psi). El diagramade flujo es como sigue:

Aceite desde el depsito entra en unade las bombas, la cual est habilitada


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para elevar su presin varios milesde kPa (varios miles de psi). Una

vlvula de control en la lnea dedescarga de la bomba libera elexceso de presin a travs de unalnea de exceso que regresa alacumulador. El aceite de la bombaentra a la vlvula de control detemperatura que permite puentear(bypass)

el aceite al enfriador, para manteneruna temperatura constante. El aceite

despus fluye a travs de uno de losfiltros para retirar partculas solidas yentrar al cojinete en cada extremo deleje. El aceite fluye fuera de loscojinetes y cae al fondo de lacarcasa, fluyendo por gravedad aldepsito y el ciclo se repite

.

La vlvula de control en la lnea deexcesos, es posicionada por uncontrolador de presin diferencial.El cual es programado para mantenerla presin de aceite entrante a los

cojinetes cerca de 1050 kPa (150psi) ms alta que la presin de aceiteque sale de los cojinetes. Estadiferencia de presin asegura un flujoadecuado de aceite lubricante a loscojinetes y viceversa. Una bombasecundaria se encuentra provista, lacual se encender automticamenteen el caso que la presin en elsistema caiga debido a la falla en laprimera bomba.

Las bombas de aceite de lubricacin,son manejadas normalmente pormotores elctricos. Si una falla deenerga ocurre, los motoresobviamente se detendrn, y la turbina

compresor se apagara por bajapresin de aceite. Para proporcionarlubricacin a los cojinetes durante elperiodo de paro, un tanquepresionado lleno con aceite, esutilizado, el cual permitir fluir alaceite desde el tanque hasta loscojinetes cuando las bombas deaceite paren.El tanque presurizado tiene unamembrana la cual es inflada por una


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presin levemente mayor que la deldepsito de aceite. Mientras la bomba

de aceite este operando, el depsitode aceite llenara con aceite elsistema de presin. La presincomprimir la membrana. Si ambasbombas de aceite lubricante paran,la presin del aceite caer y el aceitefluir fuera del tanque a los cojinetes.

El depsito de aceite opera a lapresin de succin del compresor.Una lnea de venteo conecta el

depsito con la lnea de succin delcompresor. El sello de gas o el gasde descarga del compresor, el cualfuga a travs de los laberintos delsello hasta la carcasa y a travs delcojinete, fluye al depsito de aceite ysale en el venteo a la succin delcompresor.

Una bobina de calefaccin esinstalada en el depsito de aceite

para usar en climas fros, o en lapoca probable posibilidad de que gasfrio de la turbina fugue al depsito.

El escudo trmico mostrado en eldibujo anterior es una placa deplstico detrs de los impulsores dela turbina la cual asla el metal de lacarcasa del gas de baja temperaturaque pasa a travs de la turbina. Sinla el escudo aislante, la temperatura

en el cojinete de la turbina podraenfriarse hasta el punto que el aceitelubricante se solidificara y el cojinetefallara rpidamente.

La temperatura de entrada del aceitelubricante a los cojinetes debera deser cerca de 38C (100F). El aceiteno solamente lubrica los cojines, si notambin retira liberando del calor dela friccin cuando las caras del

cojinete rozan una con la otra. As,la temperatura del aceite drenado al

depsito debera ser mayor que latemperatura del aceite entrante alcojinete.Si la temperatura del aceite drenadoal depsito es menor que latemperatura de aceite entrante a loscojinetes, es indicativo de que gas friode la turbina fuga a la carcasa.Esto puede ser el resultado de:

1. El flujo de gas en el sello haparado.

2. Uso excesivo en sello delaberinto del impulsor en laturbina, lo cual resulta en msfuga de gas a travs del selloque en los orificios, de lo queel impulsor puede manejar. Lapresin detrs del impulsor seincrementara por encima de lapresin del sello de gas, y estefluir a travs de los sellos delaberinto en el eje de la turbina

a la carcasa enfriando el aceitelubricante.Si Una temperatura baja en elaceite es causada por el paro deflujo a los sellos de gas, lasituacin puede ser corregidaretornando el flujo de gas a sutasa de flujo normal. Latemperatura del aceite deberasubir a su punto normal si este esel problema.

Mantener una lubricacinadecuada de los cojinetes en laturbina de expansin es esencialpara prolongar la vida de lamaquina. Las recomendacionesde los fabricantes deben de serseguidas en la seleccin del tipode aceite a usar, y la temperaturadel aceite debe de sercuidadosamente controlada por


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ajuste de la cantidad derefrigerante en el enfriador, o

usando el calentador en eldepsito. Los filtros de aceitedeben ser vigilados rigurosamentey los cambios de los elementoscuando la cada de presin atravs del filtro indicaran que esteest tapado con suciedad.

El aceite debe de ser probadomensualmente en sus cualidadesde lubricacin, y reemplazado

cuando 10% de deterioro esalcanzado. En ausencia depruebas mensuales, Este debeser reemplazado a intervalos detres a seis meses.

F. Dispositivos de seguridad dela turbinacompresor

Debido a que la turbina opera amuy altas velocidades con

pequeas tolerancias entre laspartes mviles, La irregularidadesleves pueden causar seriosdaos a la maquina. Lossiguientes dispositivos deseguridad son instalados en lamayora de las unidades Turbina-compresor los cuales apagaranestas unidades. La unidad espagada cerrando una vlvula en lalnea de entrada del gas a la

turbina.En la mayora de lasinstalaciones, un panel anunciadores proporcionado, el cual suenauna alarma e indica la causa deapagado. La causa debeobviamente ser corregida antesque reinicie la maquina

.


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Problema 5.Relaciona cada concepto en la columna de la derecha con el concepto

apropiado en la columna izquierda1. Control de capacidad de laturbina.

a. Gas seco y limpio atemperatura de 350 kPa (50psi)arriba de la presin del gas desalida de la turbina.

2. Control de carga del compresor b. Apagado de mquina.3. Apertura de vlvula J-T c. Presin de succin del

compresor.4. Sello de gas d. Reciclo de gas en el

compresor.5. Control de impulsin e. El flujo de gas es mayor del que

la turbina puede manejar.6. Deposito de aceite a presin. f. Regular la presin detrs delimpulsor en el compresor

7. Baja presin de aceite g. Mamparas gua.

La planta criognica es controladapara producir el mximo volumen

de producto lquido de unacalidadaceptable al mnimo costode operacin. El volumen deproducto lquido depender de latemperatura a la cual el gas esenfriado en los cambiadores y enla turbina. Ms producto resultaraa bajas temperaturas. Las bajastemperaturas son logradasretirando la mxima cantidad deenerga calorfica del gas en la

turbina. La mxima energa esretirada en l la turbina por:1. Cagar completamente el

compresor acoplado a laturbina incrementando el flujode gas al compresor a travsde la lnea de puenteo(bypass).

2. Despresurizando la lnea degas que fluye a travs de laturbina tanto como sea posible.

Mantener alta la presin delgas que en entra a la turbina y

la ms baja presin del gasque sale de la turbina.La presin de salida en laturbina es la misma presinque en la demetanizadora. As,operar la demetanizadora a sumnima presin resultara enuna baja temperatura de gasque abandona la turbina, loque resultara en la mximarecuperacin de producto.

Bajar la presin de lademetanizadora, no solobajara la temperatura de salidade la turbina, sino que tambinbajara la temperatura a travsde la planta. Bajastemperaturas se presentara ala entrada del separador porexpansin, los rehervidores dela demetanizadora, y la partesuperior de la demetanizadora.

V.CONTROLDEUNA

PLANTACRIOGENICA.


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El principal costo de operacin

de una planta criognica es elgas combustible al residuo degas del compresor. Bajar lapresin en la demetanizadoraresultara en un mayorrequerimiento de energa ycombustible del gas deresiduo en el compresor paraelevar la presin del gas a lalnea de salida.Consecuentemente, la vlvula

de recuperacin de productoadicional por baja de presinen la demetanizadora debepreparada contra elcombustible adicionalrequerido por el gas de residuoen el compresor paracompensar la reduccin depresin en la demetanizadora.

La mayora parte de producto

incremento en la recuperacin,la cual resulta de bajar lapresin de la demetanizadora,es el etano.El valor de metano debe de serconocido esto para optimizarla operacin de la plantacriognica. El valor de gascombustible debe tambin serconocido.El procedimiento para

determinar la presin deoperacin de lademetanizadora que resultaraen las mximas gananciaseconmicas, el siguiente:

1. Determinar el flujo deproducto y el gas deresiduo del compresor a lapresin normal de

operacin de lademetanizadora.

Bajar presin de lademetanizadora a 35-70kPa (5-10 psi) y medir lacantidad de productolquido y residuos decombustible

2. de gas en el compresor.Calcular el incremento enla produccin y gascombustible, y determinar

ya sea el incremento en laproduccin es msimportante que elincremento de combustible.

3. Continuar con la reduccinde la presin hasta el puntoque el incremento en elcosto del combustible en elcompresor sea ms que elincremento del valor en eletano recuperado, o hasta

que el residuo delcompresor sea cargado.

A. Control de laDemetanizadora.

La calidad del producto lquidoes determinada por elcontenido de metano. Comodijimos previamente, elcontenido de metano permitido

del DeC1 en el producto defondo es usualmente 1-2% delcontenido de etano.Podra ayudar en la operacinde la demetanizadora, pensarque tiene dos productos. metano en la salida superior, yetano en la salida del fondo.Desearamos tener 0% deetano saliendo en la partesuperior en el metano de


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producto y 0% de metanosaliendo en el etano producto

por el fondo. De cualquierforma no podemos operareconmicamente con 0% deetano en el producto de laparte superior. Podemosminimizar la cantidad de etanoen el producto de la partesuperior reteniendo la mximacantidad de metano en elproducto del fondo. As, elpunto importante en la

operacin de lademetanizadora es tener lamxima cantidad de metano

en el producto de fondo el cuales usualmente 1-2% del etano

contenido en el producto defondo.El contenido de metano

contenido en el producto de fondo escontrolado cambiando el puntoestablecido (set point) en el control detemperatura del fondo de la torre elcual regula la cantidad de caloragregado a la torre en losrehervidores. Aumentar el puntoestablecido en el controlador de

temperatura bajara el contenido demetano en el producto del fondo

As, aumentando lastemperaturas del fondo bajarael metano contenido en elproducto de fondo y tambinbajara el volumen total delproducto de fondo. A lainversa, bajar las temperaturasdel fondo incrementara el

contenido de metano eincrementara el volumen totalen el producto de fondo.La temperatura apropiada enel fondo de la demetanizadoraes el punto ms bajo queresulta en el producto lquido,


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teniendo la mximaconcentracin de metano.

Con el fin de determinar elcontenido de etano y metanoen el producto de fondo,algunos anlisis dereconocimiento sernnecesarios. Un cromatografode proceso es a vecesinstalado el cual indica lacantidad relativa de metano yetano en el producto del fondo.La concentracin de metano

debera ser mantenida cercade su mximo, ajustando latemperatura del fondo de lademetanizadora. Si el productode fondo tiene demasiadometano, la temperatura sedebe aumentar.Cuando el analizador de fondono est trabajando, ladensidad relativao gravedadespecfica del gas que sale

por la parte superior de lademetanizadora esusualmente utilizado como unindicador de la cantidad deproducto liquido en el fondo dela torre. Un incremento en lagravedad especifica de la torrepor encima del gas, indica unincremento en el contenido deetano el cual es resultado dela alta temperatura en el fondo.

Al contrario, un decremento enla densidad relativa indicamenos etano, lo cual indicauna baja temperatura defondo.El efecto del contenido deetano en la densidad relativapor encima del gas en lademetanizadora es: un cambiode 1% de etano en el gasafectara su densidad relativa

0.005. Si la densidad relativade por encima del gasaumenta de 0.610 a 0.615, el

contenido de etano en el gashabr incrementado 1%. Estoquiz se vea como unapequea cantidad, Pero estorepresenta cantidades de 10%-20% del total de etanorecuperado. Por ejemplo, si elgas de entrada contiene 8%etano, un incremento de 1% deetano en el gas de residuorepresenta 1/8 (12%) del etano

total que entra a la planta.

Otro mtodo para estimar elcambio en el etano contenidoen el gas de lademetanizadora es medir elvalor de calor del gas con uncalormetro. Un 1% deincremento en el contenido deetano aumentar su valorcalorfico de 280 kJ/m3

(7.6Btu/cu ft).Como previamente semenciono, el mximo productose obtiene cuando lademetanizadora opera a lams baja presin. Cuando lapresin es bajada, la succinen el compresor de gas deresiduo, es tambin reducida,lo cual incrementa la energarequerida para el compresor

de gas residuo. La presinmnima en la demetanizadoraes aquella a la cual elcompresor de residuo estcompletamente cargado.Cundo la presin de lademetanizadora es cambiada,la temperatura del fondotambin debe de sercambiada. Las graficas de lapgina anterior indican los


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grados de los cambios en latemperatura de fondo cuando

la presin es cambiada.

B. Control de las corrientesalimentadoras.

Hay dos sistemas de controlque afectan a lademetanizadora:

1. El control de nivel delSeparador por expansin,

el cual provee laalimentacin principal a lademetanizadora.

2. El controlador de presinque regula la capacidad dela turbina.

Un sistema de control de niveltambin incluye un controlador

que manda una seal a unavlvula de control que abre ocierra cuando el nivel es alto ocae. Una banda proporcionalestablecida en el controladorde nivel, determinara lacantidad de movimiento de lasvlvulas cuando hay un

cambio en el nivel. Una bandabaja establecida decir 10%-resultara en un movimientocompleto de la vlvula decontrol (abierta completamenteo cerrada) con un pequeocambio en el nivel.El separador por expansin,

tambin sirve como un tanqueoscilador para demetanizadora


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Con el fin de estabilizar laoperacin de la

demetanizadora, es necesariotener una alimentacinconstante, As, para manteneruna alimentacin constate elcontrolador de nivel, en elseparador debe de serestablecido (set) con una altabanda proporcional -60% a75%- as pues siendo el flujo ala demetanizadora bastanteconstante.

El mismo principio aplica alsistema de control de presinque controla la posicin de las

mamparas en la turbina. Unabaja banda abrircompletamente o cerrara lasmamparas con un leve cambiode presin en el punto decontrol. Esto resultara en un altoo bajo flujo a travs de la

turbina a la demetanizadora. Unflujo contante a lademetanizadora es deseableesto para estabilizar suoperacin. As, una alta bandade proporcin debe de serestablecida en el controlador detemperatura. Esto resultara enun flujo ms constante de gasde la turbina a lademetanizadora.

Resumen de control en unaplanta criognica.

1. El gas de entrada serenfriado hasta su ms bajatemperatura, y la mximacondensacin dehidrocarburos ocurrircuando la presin de salidade la turbina se encuentraal mnimo y el compresoracoplado a la turbina estcompletamente cargado.

2. La presin de salida de laturbina es la misma que enla demetanizadora. Elmximo producto liquidoresulta de operar lademetanizadora a sumnima presin

3. Bajar la presin de lademetanizadora

incrementara la carga (ycombustible) en elcompresor de gas residual.

4. La demetanizadora debede ser operada para que elcontenido de metano en elproducto de fondo seacercano al mximo, el cuales usualmente 1-2% delcontenido de etano.

Problema 6.Bajar la presin del DeC1 resultara en (encierre en un circulo la respuestacorrecta):

a. El volumen de producto liquido incrementara/ decrecer/ se mantendrigual.

b. El combustible del compresor de gas residual incrementara/ decrecer/ semantendr igual.

c. La temperatura en el separador por expansin incrementara/ decrecer/ semantendr igual.

d. La temperatura del fondo de DeC1 debe de incrementarse incrementara/decrecer/ se mantendr igual.


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06 - plantas criogenicas de gas final 1

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