prosesamiento gas turbo expander

DISEO Y SIMULACION DE PROSESOS INDUSTRIALES II PRQ-351

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CAPITULO I

INTRODUCCIN Para la refinacin del petrleo y gas natural se tiene diferentes procesos, con la finalidad de obtener la

mayor cantidad de productos derivados de los mismos. Uno de estos procesos es la obtencin de gas

licuado de petrleo (GLP) a partir del gas natural o petrleo crudo.

Para representar este proceso se aplicar el simulador Aspen HYSYS, el cual es recomendado para

procesos de refinacin de hidrocarburos. Pues este cuenta con las propiedades fisicoqumicas de los

componentes, y aparenta el proceso basndose en el comportamiento termodinmico del fluido, que

viene dado por los paquetes fluidos. Las simulaciones computacionales de procesos productivos en la

industria qumica. Constituyen una herramienta muy til para el desarrollo de los procesos unitarios,

pues aprovechan la rapidez de clculo de un ordenador para entregar resultados de forma instantnea.

Los resultados obtenidos son de mucha importancia, pues en la realidad es muy difcil modificar las

variables de operacin para identificar las fallas o las mejores variables de operacin del proceso,

mientras con la simulacin se pueden hacer esto de una manera efectiva sin arriesgar el paro de la

planta, En una industria en constante cambio, como lo es la industria de los combustibles, la habilidad

para predecir rpidamente que pasara si se modifican una o ms variables de proceso es fundamental

a la hora de controlar adecuadamente los procesos.

Desarrollar simulaciones computacionales de procesos de petrleo o gas implica conocer a fondo el

sistema que se desea simular, tanto en el rango permitido de operacin de ciertos equipos como en

valores tpicos de variables de proceso (presin, temperatura, flujos o composiciones, etc.)

El trabajo que a continuacin se presenta, entrega los resultados obtenidos al realizar simulaciones, en

el software ya mencionado, de los procesos relacionados con la produccin de gas natural (planta

simplificada de turbo expansor de gas) donde los productos a obtener son el GLP y gas comprimido.

El gas natural est considerado hoy en da como el combustible con mayor aceptacin a nivel mundial,

producto del elevado alcance del recurso, buena rentabilidad y daos mnimos en el ambiente por ser el

combustible ms limpio del yacimiento. La produccin de gas representa un papel muy importante en la

matriz energtica del pas. La zona Oriental posee el mayor porcentaje de reservas probadas de gas

natural y un porcentaje menor en las zonas costa afuera, lo que es una cifra considerable que permite

inferir el prspero futuro de esta fuente de energa y su actuacin en la economa boliviana.

1.1. ANTECEDENTES ENTORNO DE SIMULACIN

En 1946 se desarrolla la primera computadora electrnica operativa (la ENIAC en la Universidad de Pensilvania), recin en 1951 se presenta la primera computadora comercial. A partir de esta dcada se incorpora a la mayora de las universidades de los pases desarrollados un centro de cmputos.


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Un hecho relevante es la aparicin de los microprocesadores a partir de la dcada de los setenta, cuya consecuencia inmediata result ser la masificacin de las computadoras, al introducirse comercialmente en los ochenta las computadoras personales (personal computers - PC). Este hecho produce una revolucin "informtica", en el sentido de tener acceso prcticamente a bajo costo; tanto los profesionales como los estudiantes y docentes, a una computadora relativamente eficiente, hecho que anteriormente solo estaba permitido a pocas personas con acceso a centros de cmputos, cuyo costo de mantenimiento era elevado. En la actualidad los sistemas multimedia, las supercomputadoras y las autopistas informticas nos hablan del avance logrado. Como consecuencia de estos sucesos, se comienza a cubrir la brecha entre los mtodos pre computadora y los algoritmos numricos programados aplicados a la ingeniera qumica; como da testimonio, por ejemplo, el libro de Lapidus (1962). En el ao 1974 aparece el primer simulador de procesos qumicos, (el FLOWTRAN). A partir de all se ha generado una sucesin de acontecimientos que permiten en la actualidad la existencia de varios y eficientes simuladores comerciales como por ejemplo SPEED UP, ASPEN PLUS, PRO II, HYSYM, HYSYS, CHEMCAD, y otros. Desde entonces, la Simulacin ha crecido como una metodologa de experimentacin fundamental en campos tan diversos como la Economa, la estadstica, la Informtica o la Fsica, y con enormes aplicaciones industriales y comerciales, como los simuladores de vuelo, los juegos de simulacin, o la prediccin burstil o meteorolgica, etc.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Debido al avance tecnolgico con el tiempo, junto a ello tambin se dan avances en los usos de

programas y simuladores que nos permiten y ayudan dar una respuesta y solucin a las situaciones en

las que afrontamos a diario.

Hoy en da usar metodologas anteriores que se aplicaban en los procesos como en ests casos de

turbo expansin a diario van quedando atrs debido a los avances constantes tecnolgicas y ello nos

existe familiarizarnos, actualizarnos y estar a la vanguardia de estos cambios, hoy en nuestras pocas

las empresas o industrias tienden a automatizar todo el proceso y por ello una de las forma de controlar

los procesos en una industria es con la aplicacin de los simuladores, para poder tener parmetros de

operacin adecuados y precisos sin tener que correr muchos riesgos con la operacin.

Como estudiantes de la carrera necesitamos de forma obligatoria familiarizarnos con ests simuladores

existentes ms aplicados, y de esa manera tambin fundamentaremos nuestros conocimientos.

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo General

Hacer una simulacin de una planta simplificada de turbo expansor de gas (criogenica)


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1.3.2. Objetivos Especficos

Especificar los equipos del proceso de la planta simplificada de turbo expansor de gas, los

modelos matemticos que gobiernan en cada equipo usado en la simulacin, las limitaciones

de los modelos gobernantes.

Hacer una descripcin de todo el proceso

Identificar las variables de operacionales de la planta simplificada de turbo expansor de gas.

Desarrollar habilidades de anlisis y resolucin de problemas en ingeniera de procesos.

Complementar la formacin acadmica en operaciones de transferencia de masa y otras

operaciones.

Crear una matriz de simulacin empleando los diferentes equipos de la gua. planta simplificada

de turbo expansor de gas (advanced prosess modeling using apen hysis- curse number EA

1000.06.09).

Analizar los diagrama de equilibrio de fases multicomponentes

Realizar sensibilizacin de la simulacin a diferentes condiciones de operacin de presin,

temperatura, flujo, composicin, y adicin de uno o ms componentes hipotticos

Ejecutar la simulacin tal cual como se especifica en el manual (advanced prosess modeling

using apen hysys - curse number EA 1000.06.09).

Ejecutar la simulacin cambiando el modelo de Peng Robinson por el modelo modificado de

Soave Redlich Kwong adicionando a la corriente de alimentacin de gas un componente hipottico para lo cual se debe hacer un cambio previo de la composicin de gas

Analizar e interpretar los diferentes resultados obtenidos de simulacin

1.4. JUSTIFICACIN

1.4.1. JUSTIFICACIN TECNOLGICA

El contar con diversos software que simulen procesos u operaciones en la industria de procesos y en

especial en Ingeniera Qumica nos permitira a largo plazo adaptar estos software directamente al

proceso industrial para el control automtico a travs de instrumentacin digital, tambin sera una

herramienta importante para el proceso de enseanza-aprendizaje y comprensin, permitiendo

profesionales que puedan mejorar y optimizar proceso industriales en particular.

Aplicar modelamiento y simulacin, requiere de software y la aplicacin de tecnologa computacional,

que es de sumo inters que el profesional de procesos moderno, pueda disearlo de acuerdo a sus

necesidades y exigencias, convirtindose en un nuevo campo tecnolgico de los profesionales de

Ingeniera de procesos.


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1.4.2. JUSTIFICACIN ECONMICA

La utilizacin del simulador Hysys por un profesional de Ingeniera Qumica en forma expeditiva permite

en el campo profesional estar a la vanguardia, mejorando de esta forma su calidad y por ende sus

ingresos econmicos a las empresas que usen sus servicios les permitira ahorrar buenas sumas de

dinero evitndose costos de investigacin de laboratorio, prdidas de tiempo que ocasionan las

pruebas, prdidas econmicas debido al uso de materia prima o de tiempo de operacin de planta para

la evaluacin de estas pruebas.

1.4.3. JUSTIFICACIN SOCIAL

El uso del software simulador Hysys permitira logros educativos importantes para la ingeniera de

procesos, permite que muchos usuarios que en la actualidad no tienen una amplia visin de estos

procesos industriales, pueda desenvolverse mejor en el campo educativo de pregrado, adquiriendo una

cimentacin ms amplia de su carrera, lo cual redundara en un mejor servido profesional posterior.

La aplicacin de las tcnicas de investigacin en el proceso educativo, mediante el uso de la

computadora y de los diversos paquetes, podra contribuir ampliamente al inters de conocer ms

profundamente cada proceso llevado a cabo en la industria. Tambin incentivara la exploracin,

Investigacin y desarrollo de nuevos software especficos y ms cmodos econmicamente que el

mencionado.


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CAPTULO II

MARCO CONCEPTUAL DEL SIMULADOR DE ASPEN HYSYS

2.1. USO DE SIMULADORES EN LA INDUSTRIA QUMICA

Todos los profesionales relacionados al desarrollo diario de una planta qumica tienen la

responsabilidad de decidir que hacer frente a diferentes situaciones de operacin ej. En cuanto la

variacin del flujo, Si la temperatura del separador ha bajado, qu vlvula se debe abrir? Casos como

estos, y quiz ms complicados, se presentan a diario, y es importante que la persona a cargo sepa que

accin resulta ser la ms adecuada para solucionar la problemtica presente.

Lamentablemente las condiciones de trabajo en la industria no permiten el proceso de prueba y error,

pues implementar una decisin equivocada puede llegar a tener consecuencias indeseadas en las

condiciones de especificacin del producto.

Para obtener una referencia del efecto que produce cierta accin sobre un sistema, se recurre a un

modelo. Un modelo es una representacin simplificada del sistema estudiado, basado en los esquemas

tericos subyacentes en el sistema real. Al proceso de experimentar con el modelo, esto es, cambiar

parmetros, modificar esquemas, etc. se le denomina simular. Un simulador computacional se puede

utilizar, para recrear el sistema real e implementar y comprobar en este los cambios que el operador

considera adecuados y los efectos que tendr dicho cambio en la instalacin.

Sin embargo utilizar un simulador no es siempre la nica o mejor alternativa. Una buena forma de

decidir si un simulador es adecuado, es considerar las siguientes situaciones:

Cuando no existe una formulacin matemtica.

Cuando existe la formulacin matemtica pero es difcil obtener una solucin analtica: La

resolucin de muchos esquemas tericos resulta ser tan extensa que a menudo se recurre a

simplificaciones que merman la exactitud del modelo.

Si no existe el sistema real

Si es imposible experimentar directamente con el sistema real: Debido a que en planta se debe

mantener un estricto control de calidad, no se puede intervenir el sistema las veces que sea

necesario hasta encontrar la solucin ptima.

El sistema evoluciona muy lentamente, o muy rpidamente: La posibilidad que ofrecen los

simuladores actuales de modificar el tiempo virtual de la simulacin, es un recurso invaluable

para estudiar problemas de este estilo. Si por ejemplo se debe esperar una hora para observar

el cambio deseado, en el simulador se puede obtener el resultado en unos pocos segundos.


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Como desventajas se pueden citar:

El desarrollo del modelo puede ser costoso, laborioso y lento. Es preciso un amplio

conocimiento del sistema a modelar, incluyendo consideraciones especficas tomadas de

plantas o diseos similares.

Existe la posibilidad de cometer errores. Nunca se debe olvidar que la simulacin se lleva a cabo sobre un modelo, y no sobre la situacin real; entonces, si el modelo est mal formulado, o se comenten errores en su manejo, los resultados sern incorrectos

No se puede conocer el grado de imprecisin de los resultados. Por lo general, el modelo se utiliza para experimentar situaciones nunca planteadas en el sistema real, por lo que no existe informacin previa para estimar el grado de correspondencia entre la respuesta del modelo y la del sistema real.

Generalizando, las conveniencias de utilizar el simulador computacional son, entre otras, que evita

complicados clculos y entrega resultados rpidamente, si hay cambios que requieren de un tiempo

considerable para observar los resultados en terreno, en el simulador se pueden obtener de

inmediato. Y fundamentalmente, al trabajar con sistemas abstractos, no existe el riesgo de inutilizar un

equipo ni la necesidad de detener la produccin por decisiones equivocadas

2.2. ASPEN HYSYS

Aspen HYSYS es una herramienta de simulacin de procesos muy poderosa, ha sido especficamente

creada teniendo en cuenta lo siguiente: arquitectura de programa, diseo de interface, capacidades

ingenieriles, y operacin interactiva.

Este software permite simulaciones tanto en estado estacionario como en estado transitorio. Los

variados componentes que comprende Aspen HYSYS proveen un enfoque extremadamente poderoso

del modelado en estado estacionario. Sus operaciones y propiedades permiten modelar una amplia

gama de procesos con confianza. Para comprender el xito de Aspen HYSYS no se necesita mirar ms

all de su fuerte base termodinmica. Sus paquetes de propiedades llevan a la presentacin de un

modelo ms realista.

En los ltimos aos, este programa ha sido ampliamente usado en la industria para: investigacin,

desarrollo, simulacin y diseo. Aspen HYSYS sirve como plataforma ingenieril para modelar procesos

como: procesamiento de gases, plantas petroqumicas, instalaciones criognicas, procesos qumicos y

de refinacin, etc. Tambin ha sido utilizado en universidades en cursos introductorios y avanzados,

especialmente en ingeniera qumica.


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2.3. SIMULADOR aspen HYSYS

La simulacin consiste bsicamente en construir modelos informticos que describen la parte esencial

del comportamiento de un sistema de inters, as como en disear y realizar experimentos con el

modelo y extraer conclusiones de sus resultados para apoyar la toma de decisiones. Tpicamente, se

utiliza en el anlisis de sistemas tan complejos que no es posible su tratamiento analtico o mediante

mtodos de anlisis numricos.

Existen diversas maneras para definir el trmino simulacin. Sin embargo debido a que se considera a

la simulacin como una extensin lgica y natural de los modelos analticos y matemticos, inherentes a

la Investigacin de Operaciones, la siguiente definicin es considerada como una de las ms completas.

Simulacin: Es una tcnica numrica para conducir experimentos en un computador digital, la cual

incluye ciertos tipos de relaciones lgicas y matemticas necesarias para describir la estructura y

comportamiento de un sistema complejo del mundo real sobre un periodo de tiempo.

Tambin se considera a la simulacin como un proceso para describir la esencia de la realidad, el cual

incluye la construccin, experimentacin y manipulacin de un modelo complejo en un computador.

El uso de la metodologa de simulacin ofrece ventajas y desventajas, entre las cuales podemos

mencionar las siguientes:

Ventajas:

1. La simulacin hace posible estudiar y experimentar con las interacciones complejas de un

sistema dado (sin importar cul).

2. A travs de la simulacin podemos estudiar el efecto de cambios ambientales, organizacionales

de cierta informacin, en la operacin del sistema.

3. La observacin detallada del sistema simulado nos permite tener una mejor comprensin del

mismo.

4. La experiencia al disear un modelo de simulacin para computadora es ms valiosa que la

simulacin en s.

5. La simulacin nos permite experimentar con situaciones nuevas, para los cuales no se tiene o

hay poca informacin.

Desventajas:

1. Los modelos de simulacin para computadora son costosos y requiere tiempo para desarrollarse

y validarse.

2. Se requiere gran cantidad de corridas para encontrar soluciones ptimas.

3. Es difcil aceptar los modelos de simulacin.

4. Los modelos de simulacin no son de optimizacin directa (son modelos de anlisis).


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5. Se pueden tener restricciones o limitaciones en la disponibilidad del software requerido.

2.4. SIMULACION DE PROCESOS

Usa las relaciones fsicas fundamentales:

6. Balances de masa y energa

7. Relaciones de equilibrio

8. Correlaciones de velocidad (Reaccin y transferencia de masa y calor)

Predice

9. Flujos, composiciones y propiedades de las corrientes

10. Condiciones de operacin

11. Tamao de equipo

Algunas aplicaciones

12. Diseo y optimizacin de procesos

13. Entrenamiento operativo de operarios

14. Para llevar a cabo control de procesos (estrategias de control predictivo FF).

2.5. CARACTERSTICAS GENERALES

Entorno de simulacin modular tanto para estado estacionario como para rgimen dinmico.

Desarrollado para su uso con PC.

Interface grfica de fcil uso (orientado a objeto).

Posibilidad de adicionar cdigo de programacin con VISUAL BASIC.

Interpreta interactivamente los comandos segn se introducen en el programa. Por tanto no

necesita un botn de ejecucin (run), aunque existe la posibilidad de plantear el problema

completo sin hacer clculos y despus ejecutarlo.

Es un simulador bidireccional, ya que el flujo de informacin va en dos direcciones (hacia delante

y hacia atrs). De esta forma, puede calcular las condiciones de una corriente de entrada a una

operacin a partir de las correspondientes a la corriente de salida sin necesidad de clculos

iterativos.


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CAPTULO III

CONCEPTOS y PROCESAMIENTO DE GAS

3.1. CONCEPTOS BASICOS:

Sistema: Cuerpo de materia con lmites finitos (definidos) que puede considerarse, si se desea, aislado del medio que lo rodea.

Estado: Condicin de un sistema a un tiempo particular. Se determina cuando todas las propiedades intensivas del sistema son fijas. El nmero mnimo de propiedades que deben describirse para fijar las propiedades dependen del nmero de componentes y fases presentes en el sistema.

Equilibrio: Se considera que existe equilibrio en un sistema, cuando sus propiedades intensivas permanecen constantes con el tiempo, bajo las condiciones a las que existe el sistema.

Presin de Vapor: Es la presin que ejerce la fase vapor en el recipiente que lo contiene, cuando el lquido y vapor de un componente puro se encuentran en equilibrio a determinadas condiciones de presin y temperatura. El nmero de molculas que se escapan del lquido, es igual al nmero de molculas que regresan a l.

Punto de roco: Estado de un sistema multicomponente completamente gaseoso en equilibrio con una cantidad infinitesimal de lquido.

Presin y temperatura de roco: Es la condicin de presin y temperatura a la cual el sistema se encuentra en su punto de roco.

Punto de burbujeo: Estado de un sistema multicomponente completamente liquido en equilibrio con una cantidad infinitesimal de gas.

Presin y temperatura de burbujeo: Es la presin y temperatura a la cual el sistema se encuentra en su punto de burbujeo.

Gas saturado: Gas en equilibrio con un lquido, a una presin y temperatura dadas, correspondientes al punto de roco.

Curva de punto de roco: Lugar geomtrico de los puntos de presin y temperatura a los cuales se forma la primera gota de lquido, al pasar un sistema del estado gas, al estado de dos fases. Comnmente se denomina curva de roco.

Curva de punto de burbujeo: Lugar geomtrico de los puntos de presin y temperatura a los cuales se forma la primera burbuja, al pasar un sistema del estado lquido, al estado de dos fases. Comnmente se denomina curva de burbujeo.


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Regin de dos fases (gas-liquido): regin encerrada por las curvas de los puntos de roco y burbujeo, en un diagrama presin-temperatura del sistema donde el gas y liquido coexisten en equilibrio.

Presin y temperatura crticas: Presin y temperatura a las condiciones crticas.

Lneas Isovolumtricas: Tambin se denominan lneas de calidad. Es el lugar geomtrico de los puntos de igual porcentaje de volumen lquido en la regin de dos fases de un diagrama P-T de un sistema dado.

Cricondembtico: Presin mxima a la cual las fases lquido y gas puedan coexistir.

Cricondentrmico: Temperatura mxima a la cual las fases liquida y gas pueden coexistir.

Comportamiento retrgrado: Formacin de una fase de mayor densidad (condensacin), al someter un sistema a una reduccin isotrmica de presin o un incremento isobrico de temperatura. Tambin puede definirse en el sentido inverso: formacin de una fase de menor densidad (vaporizacin), al someter un sistema a un aumento isotrmico de presin o a una reduccin isobrica de temperatura.

Regin retrograda: Cualquier regin, en el diagrama P-T de un sistema, donde se produce condensacin o vaporizacin en sentido inverso a lo que normalmente ocurre, es decir, donde existe un comportamiento retrgrado.

Condensacin retrograda: Formacin de lquido (condensacin) en un sistema, debido a la disminucin isotrmica de presin o aumento isobrico de temperatura.

Vaporizacin retrograda: Formacin de gas (vaporizacin) en un sistema, debido a la disminucin isobrica de temperatura o aumento isotrmico de presin.

Merma: Es la disminucin en volumen de una fase lquida debido a la liberacin de gas en solucin y contraccin trmica de lquido.

Certidumbre de Ocurrencia: En yacimientos de crudo y gas, es la factibilidad con la que se da la posibilidad de encontrar un yacimiento factible de explotacin. Se tiene para este criterio una definicin de reservas probadas, probables y posibles.

3.2. GENERALIDADES DE GAS

El gas es un hidrocarburo que se form en las entraas de la Tierra hace millones de aos. Es producto

de la descomposicin de animales y vegetales que quedaron atrapados entre capas de roca, a muchos

metros de profundidad, lejos del aire y la luz. El gas natural es un recurso energtico y forma parte del

conjunto de medios con los que los pases del mundo intentan cubrir sus necesidades de energa. La

energa es la base de la civilizacin industrial; sin ella, la vida moderna dejara de existir. A largo plazo


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es posible que las prcticas de conservacin de energa proporcionen el tiempo suficiente para explorar

nuevas posibilidades tecnolgicas.

A lo largo del siglo XX, la mayor comodidad y menores costes del petrleo y el gas hicieron que

desplazaran al carbn en la calefaccin de viviendas y oficinas y en la propulsin de locomotoras, y en

el mercado industrial. Incluso en el mercado de las centrales trmicas el petrleo y el gas fueron

reemplazando al carbn, y la contribucin del carbn al panorama energtico global cay en picado.

Se denomina combustible gaseoso a cualquier mezcla gaseosa empleada como combustible para

proporcionar energa en usos domsticos o industriales. Los combustibles gaseosos estn formados

principalmente por hidrocarburos. Las propiedades de los diferentes gases dependen del nmero y

disposicin de los tomos de carbono e hidrgeno de sus molculas. Adems de sus componentes

combustibles, la mayora de estos gases contienen cantidades variables de nitrgeno y agua.

El gas natural est compuesto en un 90-95% por metano y, en menor proporcin, por otros gases, como

nitrgeno y helio.

Gas natural: extrado de yacimientos subterrneos de gas, y objeto principal de este trabajo.

Gas licuado de petrleo: (GLP), mezcla de gases licuados, sobre todo propano o butano. El GLP se

obtiene a partir de gas natural o petrleo

FIGURA N1 PROESESO GENERAL DE GAS

Fuente: (VII)

3.2.1. PROPIEDADES FSICAS DEL GAS

El gas natural, es una de las fases que mayor variacin puede tener en sus propiedades debido al cambio de

presin. El cambio de volumen, la densidad, la viscosidad y la compresibilidad son factores muy importantes a

analizar no solo cuando se desea estudiar el comportamiento de hidrocarburos gaseosos, sino que permiten

entender y dar mayor criterio a la hora de disear cualquier equipo puesto que las dimensiones estn

estrechamente relacionadas con los volmenes de gas, si se estiman estos volmenes a las condiciones del


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yacimiento, puede incurrirse en un error. Por tal motivo, este tema ha sido ampliamente desarrollado en la

actualidad.

3.2.2. CLASIFICACIN DE GAS NATURAL SEGN SU COMPOSICIN

El gas natural, entendindose como la mezcla de hidrocarburos de bajo peso molecular, en mayor

proporcin metano y etano, as como otros gases livianos asociados al tipo de yacimiento y a la

conformacin geolgica del mismo tales como sulfuro de hidrgeno, dixido de carbono, nitrgeno, helio

y vapor de agua, puede clasificarse segn su contenido en gases cidos o en su contenido de lquidos

que es posible extraer:

3.2.3. SEGN EL CONTENIDO DE GASES CIDOS, (H2S) Y (CO2)

Gas dulce: Es aquel que contiene cantidades de sulfuro de hidrgeno (H2S) y dixido de

carbono (CO2) inferiores a 4 y 50 ppmv, respectivamente.

Gas agrio: Se caracteriza por contener grandes cantidades de sulfuro de hidrgeno (H2S),

dixido de carbono (CO2) u otros componentes cidos (COS, CS2, Mercaptanos, etc.) por lo

cual se vuelve corrosivo en presencia de agua libre.

3.2.4. SEGN LA CANTIDAD DE LQUIDO POSIBLE DE EXTRAER

Gas Rico: Es aquel que debido a su composicin permite extraer cantidades considerables de

hidrocarburos lquidos, C3+, mayor que 3USGPM (galones por 1000 pies cbicos en

condiciones estndar).

Gas Pobre: Esta clase de gas est compuesta principalmente por metano y etano. Por esta

razn la extraccin de hidrocarburos lquidos es muy baja, menor a 3 USGPM.

3.3. PROCESAMIENTOS DEL GAS

El procesamiento del gas son los procesos industriales que transforman el gas natural extrado del subsuelo en:

Gas Seco o Gas Natural Comercial GN Gas Licuado de Petrleo GLP

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos simples compuesta principalmente de metano (CH4) y otros hidrocarburos ms pesados; adems tambin puede contener trazas de nitrgeno, bixido de carbono, cido sulfhdrico y agua. Dependiendo de su origen se clasifica en:

Gas asociado: es el que se extrae junto con el petrleo crudo y contiene grandes cantidades de hidrocarburos como etano, propano, butano y naftas. Gas no asociado: es el que se encuentra en depsitos que no contienen petrleo crudo.


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Hay dos formas principales de transportar gas seco (gas natural comercial) de los centros productores al mercado de consumo, por gasoductos o en forma de Gas Natural Licuado (GNL).

FIGURA 2. COMPONENTES DEL GAS NATURAL ANTES DE SER PROCESADO

FIGURA 3 - ETAPAS DEL PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL

FUENTE: SENER. Prospectiva de Gas Natural 2007-2016. Petrleos Mexicanos.


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Se entiende como procesamiento del gas, la obtencin a partir de la mezcla de hidrocarburos gaseosos producida en un campo, de componentes individuales como etano, propano y butano. En el procesamiento del gas se obtiene los siguientes productos:

- Gas Residual o Pobre. Compuesto por metano bsicamente y en algunos casos cuando no interesa el etano, habr porcentajes apreciables de ste. - Gases Licuados del Petrleo (LPG). Compuestos por C3 y C4; pueden ser compuestos de un alto grado de pureza (propano y butano principalmente) o mezclas de stos. La tabla 26 muestra las caractersticas de algunos compuestos o mezclas de LPG. - Lquidos del Gas Natural (NGL). Es la fraccin del gas natural compuesta por pentanos y componentes ms pesados; conocida tambin como gasolina natural. La tabla 24(1) muestra las especificaciones que tpicamente se le exigen a la gasolina natural en una planta de procesamientos del gas natural.

El caso ms sencillo de procesamiento del gas natural es removerle a este sus componentes recuperables en forma de lquidos del gas natural (NGL) y luego esta mezcla lquida separarla en LPG y NGL. Cuando del proceso se obtiene con un alto grado de pureza C2, C3 y C4 se conoce como fraccionamiento. El procesamiento del gas natural se puede hacer por varias razones:

Se necesitan para carga en la refinera o planta petroqumica materiales como el etano, propano, butano.

El contenido de componentes intermedios en el gas es apreciable y es ms econmico removerlos para mejorar la calidad de los lquidos.

El gas debe tener un poder calorfico determinado para garantizar una combustin eficiente en los gasodomsticos, y con un contenido alto de hidrocarburos intermedios el poder calorfico del gas puede estar bastante por encima del lmite exigido.

Se habla bsicamente de tres mtodos de procesamiento del gas natural: Absorcin, Refrigeracin y Criognico. El primero es el ms antiguo y el menos usado actualmente; consiste en poner en contacto el gas con un aceite, conocido como aceite pobre, el cual remueve los componentes desde el C2 en adelante; este aceite luego se separa de tales componentes. El mtodo de refrigeracin es el ms usado y separa los componentes de inters en el gas natural aplicando un enfriamiento moderado; es ms eficiente que el mtodo de absorcin para separar del C3 en adelante. El proceso criognico es el ms eficiente de los tres, realiza un enfriamiento criognico (a temperaturas muy bajas, menores de -100 F) y se aplica a gases donde el contenido de intermedios no es muy alto pero requiere un gas residual que sea bsicamente metano.


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3.3.1. REFRIGERACIN MECNICA

Es una de las tecnologas ms sencillas y antigua que existen para el procesamiento de gas. En este

proceso de refrigeracin, la corriente de gas natural es enfriada a aproximadamente -30 F (-34,4 C)

mediante un sistema externo de refrigeracin. Los lquidos condensados, son separados en un

separador de baja temperatura y estabilizados en una columna desetanizadora hasta cumplir con las

especificaciones del LGN.

En la figura 4, se identifican las dos secciones bsicas que conforman este tipo de plantas: generacin de lquidos, conformada por el enfriador o chiller, y acondicionamiento de productos, que se logra mediante la desetanizadora. El chiller es usualmente un intercambiador de tubo y carcasa, en el que el fluido de proceso circula por los tubos y el lquido refrigerante por la carcasa

FIGURA 4 PROCESO DE REFRIGERACIN MECNICA

La refrigeracin mecnica abarca las etapas de expansin, evaporacin, compresin y condensacin del refrigerante (figura 5 y 6). En el diagrama de flujo se representan las etapas por las que pasa el refrigerante; en el (punto A) el refrigerante se encuentra en su punto de burbuja y en su presin de saturacin, luego pasa por la etapa de expansin reduciendo la presin a entalpa constante (o entropa constante), segn el tipo de expansin, y reduciendo la temperatura de manera de convertir el flujo en una mezcla lquido-vapor (punto B); posteriormente la mezcla se evapora al absorber calor del proceso a presin y temperatura constante (B-C); este vapor se comprime isoentrpicamente hasta la presin de saturacin (C-D) obteniendo vapor constante hasta su punto de roco y se condensa totalmente llegando al punto A nuevamente y cerrndose as el ciclo.

Mediante este tipo de proceso, se obtienen recobros de etano y propano que van de 0-25% y de 30-50%, respectivamente.

Fuente: (9)


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FIGURA 5 SISTEMA DE REFRIGERACIN.

Fuente: (9)

FIGURA 6 SISTEMA DE REFRIGERACIN.

Fuente: (9)

3.3.2. SISTEMA DE ABSORCIN

El proceso de extraccin de lquidos mediante absorcin puede realizarse a temperatura ambiente o

bajo condiciones refrigeradas, y consiste en poner el gas en contacto con un lquido aceite pobre, el

cual contiene cantidades nfimas casi nulas, de los productos lquidos del gas natural, permitindose as

que el lquido absorba o disuelva parte del gas en una torre de absorcin.


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El lquido que abandona el fondo de esta torre es llamado aceite rico, debido a que es rico en los productos lquidos del gas natural, mientras que el gas residual, es aquel que resulta de haberle extrado todos los lquidos al gas de alimentacin. El aceite rico se dirige a una torre desentanizadora y su funcin es separar el etano y dems fracciones livianas que se hayan absorbido en el aceite, con la finalidad de acondicionar los productos lquidos, permitiendo as que entren en especificacin. En la figura 7, se observa el proceso de extraccin mediante absorcin.

FIGURA 7 - PROCESO DE ABSORCIN A TEMPERATURA AMBIENTE

Fuente: (9)

Este mtodo posee alta eficiencia en la recuperacin de etano (hasta valores de 50 %) y para el caso de recobro de propano se pueden alcanzar valores de hasta 99 %, con la limitante de los altos costos de capital que se tiene con el solvente y las recurrentes perdidas por arrastre.

3.3.2.1. PROCESO DE ABSORCIN CON ACEITE LIGERO

En este proceso el gas de alimentacin es enfriado por un tren de enfriamiento y alimentado en el fondo de el (los) absorbedor (es), donde en contracorriente el solvente ligero que entra por el domo le absorbe los hidrocarburos ms pesados, el solvente rico que sale por el fondo del absorbedor es fraccionado primero con la torre demetanizadora obteniendo una corriente rica de metano por el domo, posteriormente es pasado por una torre deetanizadora donde se separa una corriente rica en etano por el domo y por ltimo en el domo de la torre agotadora se separa los hidrocarburos licuables de gas natural con propano plus.

Del fondo de la torre agotadora el solvente ha sido desprendido de los licuables del gas natural obteniendo como producto el solvente pobre, como el fondo de la torre agotadora es calentada a fuego directo y la mxima temperatura del proceso se aprovecha este calor para calentar los rehervidores de las torres de proceso y por ltimo ya fro se presatura con metano proveniente de la torre demetanizadora completando as su ciclo.


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3.3.2.2. PROCESO DE ABSORCIN MEJORADA (MEHRA)

El proceso Mehra para la recuperacin de licuables del gas natural utiliza tecnologa de absorcin no criognica para la recuperacin de etano plus o propano plus.

El gas de alimentacin es pasado por un tren de enfriamiento y es alimentado por el fondo de la columna absorbedora, por el domo de la columna entra el solvente pobre como C5+ el domo controla a 30F, los lquidos del gas absorbidos en el solvente rico que salen por el fondo del absorbedor son fraccionados en la columna regeneradora del solvente, los licuables del gas son separados por el domo del regenerador y el solvente pobre es producido por el fondo, despus de la recuperacin de calor el solvente pobre es pre saturado con gases del domo del absorbedor. El solvente enfriado con el evaporador refrigerante fluye al domo del absorbedor.

3.3.3. PROCESOS CRIOGNICOS

Se caracterizan porque el gas se enfra a temperaturas de -100 a -150 F (Temperaturas Criognicas); en este caso se requiere que el gas despus de la deshidratacin tenga un contenido de agua de unas pocas ppm, adems se necesita que el gas se pueda despresurizar para poderlo enfriar. Las plantas criognicas son la de mayor rendimiento en lquidos recobrados, son ms fciles de operar y ms compactas aunque un poco ms costosas que las de refrigeracin. La seleccin de una planta criognica se recomienda cuando se presenta una o ms de las siguientes condiciones.

Disponibilidad de cada de presin en la mezcla gaseosa

Gas pobre.

Se requiere un recobro alto de etano (mayor del 30%).

Poca disponibilidad de espacio.

Flexibilidad de operacin (es decir fcilmente adaptable a variaciones amplias en presin y productos).

Como el gas se somete a cada de presin, el gas residual debe ser re comprimido y por esta razn la expansin del gas, en lugar de hacerse a travs de una vlvula, se hace a travs de un turbo expandir para aprovechar parte de la energa liberada en la expansin.

El gas inicialmente se hace pasar por un separador de alta presin para eliminar los lquidos (agua y condensados). Luego se pasa por una unidad de deshidratacin para bajarle el contenido de agua a valores de ppm; por esto la unidad de deshidratacin debe ser de adsorcin y el disecante del tipo mallas moleculares. De la unidad de deshidratacin el gas intercambia calor con el gas que sale de las desmetanizadora a aproximadamente -150 F y luego pasa a un separador de baja temperatura. De este separador el lquido y el gas salen aproximadamente a -90 F y el lquido entra a la desmetanizadora por un punto donde la temperatura de esta sea aproximadamente -90 F. El gas que sale de este separador pasa por el turbo expandir donde la presin cae a unos 225 IPC y la temperatura cae a -150 F y a esas condiciones entra a la desmetanizadora.


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En la desmetanizadora la temperatura vara desde uno 40 F en el fondo, donde hay una zona de calentamiento, y -150 F en el tope.

El gas que sale del tope a -150 F y 225 LPC intercambia calor con el gas que sale de la unidad de deshidratacin y luego pasa a un compresor que es activado por el turbo expandir, aprovechando parte de la energa cedida por la expansin del gas, y luego otro compresor termina de comprimir el gas para llevarlo a la presin requerida.

Como el gas se calienta por la compresin al salir del ltimo compresor, parte de este gas se usa para mantener el fondo de la desmetanizadora a 40 F y el resto se hace pasar por un enfriador para llevarlo a la temperatura adecuada. Todo este es el gas residual, que en su composicin es bsicamente metano.

El lquido que sale de la desmetanizadora son los componentes pesados del gas y se enva a almacenamiento, o a fraccionamiento para obtener C2, C3 y C4 (o LPG) y NGL.

En una planta criognica los rendimientos en componentes recuperados son: C2 > 60%, C3 > 90% y

C4+ 100%.

FIGURA 8 - PROCESO DE CRIOGENIZACIN CONVENCIONAL

Fuente: (16)

3.3.3.1. Descripcin del Proceso Criognico convencional

En el proceso con turboexpansor, el gas de alimentacin se enfra por medio de un tren de enfriamiento, en el cual se aprovecha el gas residual fro proveniente del domo de la torre demetanizadora y se complementa el enfriamiento con evaporadores de un sistema de refrigeracin a base de propano, los condensados son separados y flasheados por una vlvula de expansin y alimentados a la torre demetanizadora, la carga principal de la demetanizadora son los vapores provenientes del tren de


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enfriamiento, una vez separados pasan por un expansor hasta lograr la temperatura de operacin de la torre logrando as el mximo enfriamiento y es alimentado en el domo de la columna.

FIGURA 9 - PROCESO DE CRIOGENIZACIN CONVENCIONAL

http://ithelm.blogspot.com/2011/10/una-caracteristica-poco-comun.html

3.3.3.2. Proceso Criognico GSP (Proceso de Gas Subenfriado)

El proceso GSP es empleado principalmente para la recuperacin de etano. Este proceso el gas de alimentacin es subenfriado, despus del enfriamiento se separan los condensados y flasheados por una vlvula de expansin y alimentados en la torre demetanizadora en la parte inferior. Los vapores separados de los condensados son separados en dos corrientes; la primera es pasada por un expansor y alimentada en una o ms partes intermedias, la segunda corriente es subenfriada y flasheada por una vlvula de expansin y alimentada al domo de la torre actuando como reflujo, rectificando el vapor proveniente del expansor absorbiendo para la recuperacin de los componentes del etano plus como producto del fondo de la torre.

A mediados de los 80s Ortloff investig nuevos mtodos de procesamiento de gas para la recuperacin de etano basados en el proceso GSP:

Proceso Criognico CRR Reflujo de Residual Fro

Como adicin al Proceso GSP, parte del gas residual del domo de la torre es comprimido enfriado y flasheado por una vlvula de expansin y utilizado como reflujo de gas residual fro.

Proceso Criognico RSV Vapores Fros Reciclados

Como adicin al proceso GSP, del gas seco de alta presin, se subenfra y se flashea por una vlvula de expansin utilizndolo como vapores fros reciclados.


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Proceso Criognico RSVE Enriquecimiento con Vapores Fros Reciclados

Como adicin al proceso GSP, el gas seco de alta presin se mezcla con los vapores separados a la salida del tren de enfriamiento, esta mezcla es subenfriada y se flashea por una vlvula de expansin utilizndolo como vapores fros reciclados.

3.3.3.3. Proceso Crogenico OHR (Proceso Recirculacin del Domo)

El Proceso OHR es utilizado para plantas de recuperacin de Propano plus, normalmente se emplean diseos con dos columnas una de destilacin y la otra de absorcin, del domo de la torre de destilacin los vapores son condensados y utilizados como reflujo en la torre de absorcin, estos lquidos condensados rectifican los vapores provenientes del expansor alimentados en el fondo de la columna absorbiendo los componentes del propano plus que son bombeados a la columna de destilacin para recuperarlos como producto por el fondo.

Este proceso es ms eficiente para la recuperacin de propano e hidrocarburos ms pesados que los diseos de GSP, pero no es muy satisfactorio para la recuperacin de etano.

A mediados de los 80s Ortloff investig nuevos mtodos de procesamiento de gas para la recuperacin de propano basados en el proceso OHR:

Proceso Criognico SFR Reflujo de Flujo Fro

Este proceso se basa en el diseo del GSP, por lo que es limitado para la recuperacin de propano cuando es operado con rechazo de etano por los efectos que los hidrocarburos pesados provenientes de los vapores del separador del tren de enfriamiento se encuentran en equilibrio en el domo de la torre de destilacin con reabsorbedor.

Una forma de superar estas limitaciones de equilibrio es flasheando estos vapores en un enfriador para enfriar el domo de la torre y generar el reflujo.

Proceso Criognico IOR Domo Mejorado reciclado

En este proceso los lquidos del fondo del absorbedor son aprovechados para reducir la temperatura en el tren de enfriamiento, una parte del reflujo producido por el condensador y tomado por el domo del absorbedor es utilizado para rectificar los vapores del domo de la deetanizadora.

Proceso Criognico SCORE Domo de Simple Columna Reciclado.


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3.4. COMERCIALIZACIN y PRODUCCION DE GAS BOLIVIA

Bolivia despus de la nacionalizacin de los hidrocarburos, en 2006, la produccin de gas natural en

Bolivia se increment de 33 a 64,75 millones de metros cbicos por da (Mmmcd). Y desde entonces se

garantiza el abastecimiento del energtico para el mercado interno y el cumplimiento de los contratos de

exportacin a Brasil y Argentina.

"Desde la nacionalizacin, nuestro crecimiento fue sostenible. Hoy en da producimos 64,75 MMmcd

cubriendo los mercados extranjeros, principalmente de Brasil y Argentina".

Durante la gestin 2013, la produccin bruta de gas natural alcanz un volumen promedio de 58,27

MMm3/da y la produccin bruta de petrleo, condensado y gasolina natural lleg a un promedio de

59,22 MBbl/da.

El promedio de la Produccin Bruta de Gas Natural en MMm3/da, se increment en 14,01% con

relacin a la gestin 2012. El mes que registr la mayor produccin de gas natural fue octubre con un

promedio de 60,30 MMm3/da.

La produccin de hidrocarburos lquidos el ao 2013, se increment en 15,02% con relacin al ao

2012 y ha seguido la misma tendencia del gas natural alcanzando en el mes de octubre un volumen

mximo de 61,70 MBbl/da.

GRAFICO N 1 EVOLUCIN DE LA PRODUCCIN DE HIDROCARBUROS 2013

Fuente: boletn anual - 2013 YPFB (www.ypf.gob.bo)

3.4.1. LA PRODUCCIN ACTUAL DE GLP EN BOLIVIA

Segn los datos de la estatal petrolera, entre enero y marzo de 2014 el pas export 4.000 toneladas mtricas (TM) de GLP por mes, lo que hace un total de 12.000 TM, por las cuales se obtuvo al menos 8,4 millones de dlares.


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Al mes se produce unas 10.500 TM de GLP, de los cuales 6.500 TM se destinan al mercado interno y 4.000 TM son exportados, explic el viceministro de Industrializacin, Comercializacin, Transporte y Almacenaje de Hidrocarburos, lvaro Arnez, a tiempo de indicar que el precio de exportacin es entre 600 y 700 dlares la tonelada.

GRAFICO N 2 COMERCIALLIZACION DE GAS NATURUAL

Fuente: (IV)

GRAFICO N 3 - PRODUCCION DE GAS NATURAL

Fuente: www.hidrocarburosbolivia.com


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3.4.2. PRODUCCIN DE GLP EN PLANTAS

TABLA N 1 - VOLMENES DE PRODUCCION DE GLP (Tm/da)

PLANTA/

OPERAD

OR

RO

GRANDE/YPFB

ANDINA

CARRASCO/

YPFB CHACO

VUELTA

GRANDE / YPFB

CHACO

COLPA /

PETROBRAS

ARGENTIAN

S.A.

PALOMA /

REPSOL YPF

PRODUCCIN

TOTAL

2012 201

3

201

2

2013 2012 2013 2012 2013 2012 2013 2012 2013

ENE 250,21 261,30 193,44 168,04 167,97 179,75 27,42 23,66 20,79 21,34 659,82 654,09

FEB 259,91 241,15 192,27 181,64 169,64 189,27 27,66 25,32 23,06 20,70 672,53 658,09

MAR 262,96 267,68 195,33 181,20 170,79 175,96 25,03 24,56 22,23 22,89 676,35 672,29

ABR 266,77 273,76 180,18 183,74 170,03 186,76 27,15 23,84 21,46 21,45 665,59 689,56

MAY 262,42 272,62 181,25 189,51 170,21 193,34 26,45 21,42 21,38 21,46 661,71 698,36

JUN 265,56 259,13 188,75 178,86 176,03 194,49 26,34 21,77 19,89 21,87 676,57 676,12

JUL 264,42 267,47 186,54 171,33 189,03 199,89 22,71 21,34 19,38 20,24 682,07 680,26

AGO 261,77 269,19 175,56 170,16 186,15 196,93 22,63 20,13 19,69 20,23 665,81 676,64

SEP 224,04 259,83 180,26 165,58 181,31 193,68 23,17 23,83 20,07 17,19 628,85 660,11

OCT 264,89 183,93 179,26 164,81 182,83 177,68 23,04 22,38 20,39 19,83 670,40 568,63

NOV 256,39 175,33 164,31 169,55 179,09 179,69 23,04 22,19 20,34 20,16 643,17 566,92

DIC 264,05 151,90 177,85 158,69 175,35 181,08 23,02 20,44 20,90 20,21 661,17 532,33

PROM 258,62 240,27 182,92 173,59 176,54 187,38 24,80 22,57 20,80 20,63 663,67 644,45 PART

% 39,0% 37,3% 27,6% 26,9% 26,6% 29,1% 3,7% 3,5% 3,1% 3,2% 100% 100%

Fuente: Gerencia Nacional de Comercializacin.

Elaboracin: GNPIE.

La produccin de GLP en Plantas el 2013, alcanz un promedio de 644,45 Tm/da, la Planta que tuvo

mayor volumen de produccin fue Ro Grande con 240,27 Tm/da, le siguen Vuelta Grande con 187,38

Tm/da, Carrasco con 173,59 Tm/da, Colpa con 22,57 Tm/da y Paloma con 20,63 Tm/da.

El 56,0% de toda la produccin de Plantas procede de los campos operados por YPFB Chaco S.A., el

37,3% por YPFB Andina S.A., el 3,2% por Repsol YPF y el restante 3,5% de los campos operados por

Petrobras Argentina S.A

3.4.3. PRODUCCIN DE GLP EN REFINERAS (TM/DA) La produccin de GLP en refineras es menor a la producida en Plantas; la produccin promedio en refineras el 2013 fue de 251,25 Tm/da, la refinera que mayor volumen promedio ha producido es Gualberto Villarroel con 179,52 Tm/da, le sigue Guillermo Elder Bell con 61,77 Tm/da y Oro Negro con 9,97 Tm/da.


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TABLA N 2 - VOLMENES VOLMENES DE GLP PRODUCIDOS EN REFINERAS En Tm/da

REFINERA

GUALBERTO

VILLARROEL

GUILLERM O

ELDER BELL

ORO NEGRO

TOTAL

2012 2013 2012 2013 2012 2013 2012 2013

ENE 175,69 193,02 58,54 63,41 9,24 9,41 243,48 265,84

FEB 183,07 195,24 59,08 62,96 10,74 10,15 252,89 268,35

M AR 189,31 176,43 67,38 58,24 10,39 10,10 267,07 244,76

ABR 170,71 182,12 62,05 65,66 10,72 8,36 243,48 256,15

M AY 172,20 180,44 60,66 70,45 10,96 9,62 243,82 260,51

JUN 163,08 179,69 59,17 66,83 5,17 10,46 227,41 256,98

JUL 159,96 180,46 42,13 53,07 8,13 10,61 210,23 244,14

AGO 175,34 171,78 25,20 63,03 9,77 8,05 210,31 242,86

SEP 168,37 167,64 57,33 54,96 9,16 10,71 234,86 233,31

OCT 61,95 190,02 58,79 55,47 9,31 11,01 130,04 256,50

NOV 170,74 154,25 64,89 55,14 10,31 11,00 245,94 220,39

DIC 203,14 183,11 63,53 71,99 10,49 10,12 277,17 265,23

PROM 166,13 179,52 56,56 61,77 9,53 9,97 232,23 251,25

PART % 71,54% 71,45% 24,36% 24,58% 4,10% 3,97% 100% 100%

Fuente: Gerencia Nacional de Comercializacin.

Elaboracin: GNPIE.

PLANTAS EN EJECUCIN EN BOLIVIA

PLANTA SEPARADORA DE LOS LIQUIDOSGRAN CHACO Procesar 32 millones de metros cbicos da (MMmcd) de gas natural para producir 2.247 Toneladas Mtricas Da TMD de Gas Licuado de Petrleo; 1.658 Barriles Por Da (BDP) de gasolina, 1.044 BDP de pentano y 3.144 TMD de etano. Inversin: 643.8 millones de dlares.

PLANTA SEPARADORA DE LOS LIQUIDOS DE RO GRANDE La Planta de Separacin de Lquidos de Ro Grande permitir a Bolivia solucionar el abastecimiento de Gas Licuado de Petrleo (GLP) y convertir al pas en productor y exportador neto en Latinoamrica. El complejo hidrocarburifero procesar un caudal de 5,6 millones de metros cbicos por da (MMmcd) para obtener 361 toneladas mtricas da de GLP, 350 barriles por da de gasolina estabilizada y 195 barriles por da de gasolina rica en iso-pentano. Estos productos sern procesados por las refineras Guillermo Elder (Santa Cruz) y Gualberto Villarroel (Cochabamba), para satisfacer la demanda del mercado interno. Inversin: 159,4 millones de dlares.

INVERSIONES DE YPFB EN REFINERAS

YPFB Refinacin, en el marco de su plan quinquenal 2013 -2017, tiene programado una inversin de 550 millones de dlares para incrementar la capacidad del procesamiento de crudo en sus refineras Gualberto Villarroel de Cochabamba y Guillermo Elder Bell de Santa


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Cruz. 168 millones de dlares sern destinados para la implementacin de equipos en la refinera crucea y 379 millones de dlares para la refinera de Cochabamba. La implementacin de las nuevas plantas de proceso y el constante mantenimiento de las instalaciones actuales permiten que las refineras funcionen con 100 por ciento de confiabilidad operativa y para garantizar la disponibilidad oportuna de combustibles a la poblacin. Inversin: 550 millones de dlares.


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CAPITULO IV

ESPESIFICACIONES DE LOS EQUIPOS 4.1. CONCEPTOS BSICOS DE PROPIEDADES DE OPERACION

Temperatura: La temperatura es la propiedad que caracteriza el estado trmico de un cuerpo. En el

sistema SI la unidad de temperatura es el Kelvin (K) (absoluta), grados ceslcius (C) (relativa), grados

rankine (R) (absoluta), grados Fahrenheit (F) (relativa)

Presin: la presin se defina como una fuerza ejercida sobre una superficie, perpendicular al la

superficie. Segn esta teora la presin sobre las paredes del recipiente no es otra cosa que el resultado

de los choques de las molculas contra las mismas. La presin origina una fuerza P normal a la pared e

igual a

= (Ec.4.1)

Donde:

A= la superficie sobre la cual acta la presin.

F = fuerza normal

Entre ambas existe la relacin:

= + (Ec.4.2)

Donde:

P = La presin absoluta

Patm = es la presin atmosfrica a nivel del mar Patm=760mmHg, Sucre Patm=542 mmHg

Pman = presin baromtrica o definida tambin ocmo presin del instrumento

Densidad: La densidad () es una relacin de la masa (m) respecto a su volumen (V).

=

(Ec.4.3)

La ecuacin de los gases ideales:

(Ec.4.4)

Donde

P= presin

= es la densidad

R=constante universal del gas ideal

T=temperatura. Absoluta

m=masa

V=volumen


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M= masa molar o peso molecular

El volumen especfico (v) en el sistema SI es el volumen por unidad de masa, o sea, el reciproco de la

densidad:

=1

(Ec.4.5)

Donde:

= densidad

Viscosidad. A partir de la Ley de Newton

(Ec.4.6)

Donde:

= viscosidad dinmica

= esfuerzo por unidad de rea

dv/dy= velocidad de cizalla o deformacin

Viscosidad cinemtica

=

(Ec.4.7)

Donde

= viscosidad dinmica =

Conductividad trmica: La Conductividad Trmica ( con unidades W/ (mK) describe el transporte de

energa en forma de calor a travs de un cuerpo con masa como resultado de un gradiente de

temperatura

(Ec.4.8)

Donde:

= calor transmitido por unidad de tiempo.

k = es la conductividad trmica.

A = rea de la superficie de contacto.

T1-T2 = diferencia de temperatura entre el foco caliente y el fro.

x = espesor del material.

Calor de vaporizacin: Generalmente se determina en el punto de ebullicin de la sustancia y se

corrige para tabular el valor en condiciones normales.

Ecuacin de Clausius-Clapeyron


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(Ec.4.9)

Donde

dP/dT= pendiente de dicha curva del diagrama P-T

V= variacin de volumen

T= temperatura

H= calor de cambio de fase

Calor especifico

(Ec.4.10)

Donde:

C =es la capacidad calorfica, que en general ser funcin de las variables de estado.

Q=es el calor absorbido por el sistema.

= variacin de temperatura

Calores especficos del gas ideal suelen correlacionarse por expresiones de ajuste del tipo:

Cp = a+ bT + cT2+.. (Ec.4.11)

Donde:

a,b,c,= constantes empiricas dependiendo al fluido

T=temperatura

Capacidad calorfica a volumen constante CV: es la cantidad de calor que es necesario suministrar a

un mol de gas ideal para elevar su temperatura un grado mediante una transformacin iscora.

= (

)

(Ec.4.12)

Capacidad calorfica a presin constante Cp: es la cantidad de calor que es necesario suministrar a

un mol de gas ideal para elevar su temperatura un grado mediante una transformacin isbara.

= (

)

(Ec.4.13)

Relacin entre Cp y Cv: relacin de Mayer, slo para gas ideal

= (Ec.4.14)

Ecuacin de Watson para diferentes condiciones

2

1= (

12

11)

.38 (Ec.4.15)


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Donde:

2=calor latente de vaporizacin 1= calor latente de vaporizacin de referencia 1= temperatura reducida de referencia 2= temperatura reducida Referencia: termodinmica avanzada

Energa interna: La energa interna se dedujo en el tema anterior a partir de la Primera Ley. Para

sistemas cerrados en reposo, se cumple

= (Ec.4.16)

Ecuacin de Gibbs

dU = TdS PdV (Ec.4.17)

Donde:

Q = calor

W = trabajo

T= temperatura

P= presin

V=volumen

S= entropa

Entalpia

= + (Ec.4.18)

Donde

H= entalpia

U= energa interna de los enlaces qumicos y de vibracin, rotacin y traslacin de molculas

PV= trabajo de presin y volumen

BALANCE DE ENERGIA. - La ecuacin del balance de energa acompaado del balance de matria

[( +2

2+

)]

[ ( +

2

2+

)]

+ + =

[( +

2

2+

)]

(Ec. 4.19)

[] [] = [

]

(Ec.4.21)

Donde:

m:Flujo masico m: Masa acumulada en el sistema


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H: Hentalpia espesifica en la corriente de entrada o salida del sistema U: Energia interna en el sistema v: Velocidad cinematica

gc: factor de conversion (1kgm s2

N)

g: graveda 9.81m/s2

: Flujo de calor

:Flujo de trabajo

La ecuacin del balance de energa es aplicable a cualquier sistema, dependiendo al tipo de sistema

algunas variables se pueden simplificar

Entropa:

Entropa es el grado de desorden que tiene un sistema. La estabilidad de un sistema depende mucho

de este variable un estado se considera estable cuando es mayor su entropa.

(Ec.4.22)

Expansin isoterma reversible de un gas ideal.

(Ec.4.23)

Expansin isoterma irreversible de un gas ideal.

(Ec.4.24)

Cambio de fase.

(Ec.4.25)

Donde:

S= entropa

H= entalpia de cambio de fase

Tcf= temperatura de cambio de fase

R= ctte de gases ideales

n= nro de moles

V1,V2= volumen inicial y final

Qrev= flujo de calor

1

2sis

V

VlnnRS

2

1

rev

12T

QSSS

d

1

2sis

V

VlnnRS

cf

cf

cfT

HS


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T= temp. De superficie

BALANCE DE ENTROPA

[ ]

[ ]

+

+ = [

]

(Ec.4.26)

Donde:

m:Flujo masico m: Masa acumulada en el sistema : Entropa espesifica

: Generacin de entropa (proseso ideal =0)

v: Velocidad cinematica

: Flujo de calor :Temperatura de la superficie

La ecuacin de balance de entropa es ms usual para cualquier sistema dependiendo si hay o no la

acumulacin se simplifica la variacion de la masa y entropa en el sistema o si el sistema es cerrado o

abierto respectivamente.

FACTOR DE COMPRENSIBILIDAD. Es la relacin del volumen actual de un gas al volumen de un gas

perfecto a las mismas condiciones.

- Cuando z es diferente a 1 entonces el gas se comporta como un gas real - Cuando z es igual a 1 entonces el gas se comporta como un gas real

=

(Ec.4.27)

Donde

z= factor de comprensibilidad

p= presin

V=volumen

T= temperatura

n=nro de moles

Principios estados correspondientes: sustancias que poseen propiedades reducidas iguales

=

(Ec.4.28)

Donde:

Pr, Vr, Tr = propiedades reducidas

zc = propiedad critica


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Propiedades reducidas:

- Punto crtico: zona donde coexiste lquido y gas sin que se los pueda distinguir uno del otro

=

(Ec.4.29)

=

(Ec.4.30)

=

(Ec.4.31)

PARA MEZCLAS:

Propiedades pseudoreducidas:

=

(Ec.4.32)

=

(Ec.4.33)

=

(Ec.4.34)

Propiedades Pseudocriticas:

Para gas: = =1 (Ec.4.35)

: = =1 (Ec.4.36)

Para gas: = =1 (Ec.4.37)

: = =1 (Ec.4.38)

4.2. ECUACIONES DE ESTADO

Las ecuaciones de estado son un conjunto de interrelacin de varias propiedades intensivas

Se obtienen tres races reales, correspondiendo:

z valor mayor = corresponde a la fase vapor

z valor intermedio = no tiene uso prctico.

z valor menor = corresponde a la fase lquida (ZL).


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1. Ecuacin Readlich Kwong. Es adecuada para calcular las propiedades de la fase gaseosa cuando el cociente entre la presin y la presin crtica es menor que la mitad del cociente entre la temperatura y la temperatura crtica.

=

(+)0.5 (Ec.4.39)

3 2 + ( 2) = 0 (Ec.4.40)

= 0.42748 2 2.5

(Ec.4.41)

= 0.08664

\ (Ec.4.42)

=

(22.5)2 (Ec.4.43)

=

(Ec.4.44)

2. Soave Readlich Kwong. Presenta la desventaja de que su aplicabilidad se restringe a sistemas que no se desven mucho de la idealidad. No se puede emplear con mezclas lquidas no ideales de compuestos polares. Intervalo ms amplio de condiciones de operacin

=

(+) (Ec.4.45)

3 2 + ( 2) = 0 (Ec.4.46)

= 0.08664

(Ec.4.47)

= (Ec.4.48)

= 0.42748( )2

(Ec.4.49)

0.5 = 1 + (1 0.5) (Ec.4.50)

= 0.48 + 1.574 0.1762 (Ec.4.51)

. (Ec.4.52)

. (Ec.4.53)


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RTbPZ

Z

b

CcZRTHH o

/ln)1( (Ec.4.54)

iijjjijiji

i j

ji TrkTrkaayyCc 2

1 (Ec.4.55)

3. Peng-Robinson. Da unos resultados similares a la de Soave, aunque es bastante mejor para predecir las densidades de muchos compuestos en fase lquida, especialmente los apolares.

=

(+)+() (Ec.4.56)

3 + (1 )2 + ( 2 32) ( 2 3) = 0 (Ec.4.57)

= 0.077796

(Ec.4.58)

= (Ec.4.59)

= 0.457235( )2

(Ec.4.60)

0.5 = 1 + (1 0.5) (Ec.4.61)

= 0.37464 + 1.54226 0.269922 (Ec.4.62)

Calculo de entalpia y entropa

H = H - (H-H) (Ec.4.63)

S = S - (S-S) (Ec.4.64)

21

21ln1

81

BZ

BZ

A

D

B

AZRTHH o (Ec.4.65)

21

21ln

8lnln

BZ

BZ

B

D

P

PBZRSS oo (Ec.4.66)

0)( 223 ABZBBAZZ (Ec.4.67)

Entalpa y Entropia del gas ideal a Po=1 at

C

i

T

ToiToii

o dTCpHxH1

(Ec.4.68)


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C

i

T

Toi

iToii

o xRdTT

CpSxS

1

ln (Ec.4.69)

(Ec.4.70)

C

i

C

j

jiijji AAkxxA1 1

1 (Ec.4.71)

C

i

iiBxB1

(Ec.4.72)

2/11 ciii TTm (Ec.4.73)

2/

/45724.0

ci

ciii

TT

PPA (Ec.4.74)

ci

cii

TT

PPB

/

/07780.0 (Ec.4.75)

226992.054226.137464.0 iiim (Ec.4.76)

Calculo de diferencia de entropas y entalpia segn la ecuacin de Soave

0)()32()1( 32223 BBABZBBAZBZ (Ec.4.77)

Z

B

A

D

B

AZRTHH o 1ln11 (Ec.4.78)

BZ

Z

B

D

P

PBZRSS oo lnlnln (Ec.4.79)

Los reglas de mezclado de A, B y el calculo dei es la misma que la de Peng Robinson

2/

/42747.0

ci

ciii

TT

PPA (Ec.4.80)

ci

cii

TT

PPB

/

/08664.0 (Ec.4.82)

21561.05517.148508.0 iiik (Ec.4.83)


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4.3. COMPRESORES

Los compresores son maquinas rotativas capaces de impulsar gases de un punto a otro aumentando a

su vez la presin, permitiendo el desplazamiento del fluido y su suministro a mayor presin. Un

compresor es una mquina de fluido que est construida para aumentar la presin y desplazar cierto

tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a travs

de un intercambio de energa entre la mquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor

es transferido a la substancia que pasa por l convirtindose en energa de flujo, aumentando su

presin y energa cintica impulsndola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores tambin desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras

que son mquinas hidrulicas, stos son mquinas trmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible,

sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, tambin de temperatura; a diferencia de los

ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presin,

densidad o temperatura de manera considerable.

Clasificacin de los compresores

Principalmente se clasifican en compresores de desplazamiento volumtrico o desplazamiento positivo, y compresores de desplazamiento cintico o dinmico.

FIGURA 10: CLASIFICACIN DE LOS COMPRESORES

Fuente: (3).


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Compresores reciprocantes.

el compresor reciprocante se compone de uno o ms cilindros cada uno con un mbolo o pistn que se

mueve hacia adelante y hacia atrs, desplazando un volumen positivo con cada golpe. stos funcionan

con el principio adiabtico mediante el cual se introduce el gas en el cilindro por las vlvulas de entrada,

se retiene y comprime en el cilindro y sale por las vlvulas de descarga, en contra de la presin de

descarga.

Los compresores alternativos pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar. Si el proceso lo permite, es preferible tener un compresor lubricado, porque las piezas durarn ms. Hay que tener cuidado de no lubricar en exceso, porque la carbonizacin del aceite en las vlvulas puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Adems, los tubos de descarga saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio, por lo que se debe colocar corriente abajo un separador para eliminar el aceite. Los problemas ms grandes en los compresores con cilindros lubricados son la suciedad y la humedad, pues destruyen la pelcula de aceite dentro del cilindro.

Compresores centrfugos

Segn Morn y Shapiro (2004), el compresor centrfugo es una turbomquina que consiste en un rotor

que gira dentro de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso del fluido.

El rotor es el elemento que convierte la energa mecnica del eje en cantidad de movimiento y por tanto

energa cintica del fluido. En la carcasa se encuentra incorporado el elemento que convierte la energa

cintica (EC), en energa potencial de presin (el difusor) completando as la escala de conversin de

energa.

Como su nombre lo implica este tipo de compresor comprime los gases por fuerza centrfuga ms que

por fsica. Esta accin es realizada principalmente por el rotor o impulsor que succiona los gases cerca

al eje del rotor y es descargado por la apertura al filo exterior del rotor. Con la rotacin del impulsor, el

gas es succionado y llevado rpidamente a las cmaras del impulsor, donde es forzado al exterior por

las secciones de la carcaza a travs de fuerza centrifuga, el impulsor es operado a una alta rata de de

velocidad por una fuerza conductora exterior, tal como un motor elctrico, motor de gasolina, o turbina

de vapor.

Un compresor centrfugo puede tener uno o ms impulsores. Los compresores con varias etapas son

construidos de tal manera que la descarga de un impulsor o etapa entra a la succin de la siguiente. Si

la velocidad del motor conductor no provee la velocidad y operacin deseada del compresor, pueden

usarse engranajes de incremento de velocidad o acoplamientos fludicos para obtener condiciones de

operacin ptimas. Ya que no hay pistones o vlvulas de succin interna de descarga, hay pequeos

desgastes o golpeteo en la unidad. Los cojinetes principales en la carcaza que soportan el eje

conductor son los componentes ms sujetos a desgastes.


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Compresor Axial

El compresor axial se desarroll para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas para

servicios en motores de reaccin de la aviacin, as como tambien para procesos donde el volumen de

gas procesado es muy alto. Su aceptacin por la industria para instalaciones estacionarias fue lenta;

pero se construyeron varias unidades de gran capacidad para altos hornos, elevadores de la presin de

gas y servicios en tneles aerodinmicos.

En los compresores de este tipo, la corriente de aire fluye en direccin axial, a travs de una serie de

paletas giratorias de un motor y de los fijos de un estator, que estn concntricos respecto al eje de

rotacin. A diferencia de la turbina, que tambin emplea las paletas de un motor y los de un estator, el

recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de rea de su seccin transversal, en

la direccin de la corriente en proporcin a la reduccin de volumen del aire segn progresa la

compresin de escaln a escaln.

Relacin de compresin total

La relacin de compresin es la relacin que existe entre la presin de descarga del compresor y la presin de succin. Rc = Ps/Pd (Ec.4.84)

Donde: Rc: relacin de compresin. Pd: presin de descarga. Numero de etapas

El nmero de etapas se determina de acuerdo con la relacin de compresin recomendable para compresores, este valor se encuentra entre (1.5-3), y la temperatura no debe sobrepasar los 300F Rc(por etapas) = Rc^1/n (Ec.4.85) Donde: n: Nmero de etapas.

Compresin Isentrpica

(Pvk = const.) : Compresin Adiabtica reversible. Entropa constante, es ideal

Compresin politrpica

(Pvn = const.) : Es una compresin irreversible, la entropa no es constante

Donde:

P = presin absoluta


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V = volumen molar

k = Cp/Cv

n = Constante que depende de las propiedades del gas, el enfriamiento al cuerpo del compresor y las

prdidas de energa debidos a la friccin y la irreversibilidad

Compresores centrfugos

Caractersticas

- Es politrpica - Cambios de forma de energa: de cintica a presin - Los compresores centrfugos operan con velocidades de flujo de hasta 140 m3/s y presiones de

hasta 700 bars. - Incrementan la energa cintica de un gas aumentando la velocidad tangencial del gas. - En el compresor centrifugo la presin es aprox. constante para diferentes flujos

Ventajas del compresor centrfugo

- Alta disponibilidad, bajo mantenimiento

- Capacidad de manejo de grandes flujos

- Tolera el contenido de pequeas cantidades de liquido y partculas en el gas

- Flujo ms estable: ms fcil la medicin del caudal, el control

- Rango de flujo mayor: Se tiene un mayor rango de flujo a una presin relativamente constante

Desventajas del compresor centrfugo

- Rango en el peso molecular: Debe disearse teniendo en cuenta el rango de peso molecular a

manejar

- Baja eficiencia para bajos flujos: El consumo de energa del compresor centrfugo por debajo de

1000 acfm es 20%-30% mayor que el reciprocante

Eficiencia politrpica de los compresores centrfugos y de flujo axial

Para un compresor la eficacia viene dada por la relacin entre la potencia isoentrpica (ideal) requerida

y la potencia real requerida.

Eficiencia de Compresin: es la relacin del requerimiento de trabajo terico (usando un proceso

establecido) y el trabajo actual requerido a ser hecho sobre el gas a comprimir. Tomando en cuenta

prdidas por fuga internas y friccin as como variaciones del proceso termodinmico terico.

=

(Ec.4.86)

Potencia del Compresor


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BHP = ((wZRT)(

(k1))(

k1

1))

33000Np (Ecc.4.87)

Donde:

k = Cp/Cv

Np = eficiencia politrpica

R = 1545 / P.M.

Z = compresibilidad promedio

r = Relacin de compresin Pd/Ps

w = lb/min

Temperatura de salida Td

= 6.33(2547 )/( ) (Ecc.4.88)

Donde:

Ts = Temp. Succin

L = perdida de calor hacia los alrededores, BTU/hr

Q = SCFM, 60F, 14.7 psia

El trabajo (W) para un proceso reversible mecnicamente se puede determinar a partir de la expresin:

Proceso isotrmico PV= cte . (Ec.4.89)

Proceso adiabtico/isontropico PVk = cte . (Ec.4.90)

Proceso politropico PVn = cte . (Ec.4.91)

Balance de energa

Psal. > Pent

Solo se trabaja con gases: ya sea vapor recalentado o como mnimo vapor saturado

La energa potencial y cintica se desprecia debido a la disminucin o aumento de presin

(Hent - Hsal) + Q W = 0 (Ec.4.92)

Donde:

Hent, Hsal= entalpia especifica molar de entrada y salida

= flujo masico

Q= flujo de calor

W= flujo de calor


Pgina 42

4.4. TURBO-EXPANSIN

El expansor se usa para disminuir la presin de un gas a alta presin en la entrada y producir un gas a

baja presin y alta velocidad. Un proceso de expansin implica convertir la energa interna del gas en

energa cintica y finalmente en trabajo. Para el uso del Turboexpansor es necesario que exista una

cada de presin en el flujo de gas.

4.4.1. PROCESOS DE TURBOEXPANDER

FIGURA 11: TURBOEXPANSOR ACCIONAR UN COMPRESOR.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Turboexpansor

Un turboexpansor, tambin referido como un turbo-expansor o una turbina de expansin, es una turbina

de flujo centrfugo o axial a travs del cual se expande un gas de alta presin para producir trabajo que

se utiliza a menudo para conducir un compresor.

Dado que el trabajo se extrae del gas de alta presin de expansin, la expansin es aproximada por un

proceso isentrpico y el gas de escape de baja presin de la turbina est a una temperatura muy baja, -

150 C o menos dependiendo de la presin de funcionamiento y las propiedades del gas. Licuefaccin

parcial del gas expandido no es infrecuente.

Turboexpansores se utiliza ampliamente como fuente de refrigeracin de procesos industriales, tales

como la extraccin de etano y lquidos de gas natural a partir del gas natural, la licuefaccin de los

gases y otros procesos de baja temperatura.

Turboexpansores actualmente en el rango de operacin en tamao desde aproximadamente 750 W a

aproximadamente 7,5 MW.

4.4.1.1. APLICACIONES

Aunque turboexpansores se utilizan muy comnmente en los procesos de baja temperatura, que se

utilizan en muchas otras aplicaciones tambin. En esta seccin se discute uno de los procesos de baja

temperatura, as como algunas de las otras aplicaciones.


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Extraccin de hidrocarburos lquidos a partir de gas natural

Este tipo de procesos ya fueron mencionados en el punto 3.3.3. PROCESOS CRIOGNICOS

La generacin de energa

FIGURA 12: SISTEMA DE GENERACIN DE ENERGA USANDO UN TURBOEXPANSOR

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Turboexpansor

La figura 12 representa un sistema de generacin de energa elctrica que utiliza una fuente de calor,

un medio de enfriamiento, un fluido de trabajo que circula y un turboexpansor. El sistema puede

adaptarse a una amplia variedad de fuentes de calor, tales como:

prosesamiento gas turbo expander

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