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.AplicacionesAunque 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.Extraccin de hidrocarburos lquidos a partir de gas naturalGas natural crudo se compone principalmente de metano, la molcula ms corta y ms ligera de hidrocarburos, as como diversas cantidades de gases de hidrocarburos ms pesados, tales como etano, propano, butano normal, isobutano, pentano e hidrocarburos incluso de mayor peso molecular. El gas crudo tambin contiene diversas cantidades de gases cidos tales como dixido de carbono, sulfuro de hidrgeno y mercaptanos, tales como metanotiol y etanotiol.Cuando se procesan en terminado subproductos, estos hidrocarburos ms pesados se denominan colectivamente como NGL. La extraccin de la NGL a menudo implica un turboexpansor y una columna de destilacin a baja temperatura como se muestra en la Figura 2 - El gas de entrada al desmetanizador primero se enfra a aproximadamente -51 C en un intercambiador de calor que se condensa parcialmente el gas de entrada. La mezcla de gas-lquido resultante se separa en una corriente de gas y una corriente lquida.La corriente de lquido a partir de los flujos de separador de gas-lquido a travs de una vlvula y se somete a una expansin de estrangulamiento de una presin absoluta de 62 bar a 21 bar, que es un proceso isoentlpica que resulta en la reduccin de la temperatura de la corriente de alrededor de -51 C a aproximadamente -81 C como la corriente entra en el desmetanizador.La corriente de gas desde el separador de gas-lquido entra en la turbina de expansin donde se somete a una expansin isoentrpica de una presin absoluta de 62 bar a 21 bar que baja la temperatura de la corriente de gas de alrededor de -51 C a aproximadamente -91 C a medida que entra la desmetanizadora a servir como reflujo destilacin.Lquido de la bandeja superior de la desmetanizadora se enruta a travs de la caja fra donde se calienta a aproximadamente 0 C medida que se enfra el gas de entrada, y se devuelve a continuacin a la seccin inferior de la desmetanizadora. Otra corriente de lquido desde la seccin inferior de la desmetanizadora se enruta a travs de la caja fra y se devuelve al desmetanizador en alrededor de 12 C. En efecto, la entrada de gas proporciona el calor necesario para "calentar la" la parte inferior de la desmetanizadora y el turboexpansor elimina la el calor necesario para proporcionar reflujo en la parte superior del desmetanizador.El producto de gas de cabeza del desmetanizador alrededor de -90 C se procesa gas natural que es de una calidad adecuada para su distribucin a los consumidores finales por gasoducto. Se dirige a travs de la caja fra donde se calienta mientras se enfra el gas de entrada. Luego se comprime en el compresor de gas que es accionado por el expansor turbo y se comprime an ms en un compresor de gas de la segunda etapa impulsada por un motor elctrico antes de entrar en la tubera de distribucin.El producto de fondo de la desmetanizadora tambin se calienta en la caja fra, medida que se enfra el gas de entrada, antes de que abandone el sistema como NGL.La generacin de energaLa figura 3 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:Agua caliente geotrmicaLos gases de escape de los motores de combustin interna quema de una gran variedad de combustiblesUna variedad de fuentes de calor de residuosHaciendo referencia a la Figura 3, el fluido de trabajo que circula se bombea a una presin alta y luego vaporizado en el evaporador por intercambio de calor con la fuente de calor disponible. El vapor de alta presin resultante fluye a la turbina de expansin donde se somete a una expansin isoentrpica y sale como una mezcla de vapor-lquido que se condensa a continuacin en un lquido por intercambio de calor con el medio de enfriamiento disponible. El lquido condensado se bombea de vuelta al evaporador para completar el ciclo.El sistema en la Figura 3 es un ciclo de Rankine como se utiliza en centrales elctricas de combustibles fsiles, donde el agua es el fluido de trabajo y la fuente de calor se deriva de la combustin de gas natural, aceite combustible o carbn utilizado para generar vapor de alta presin. El vapor de alta presin a continuacin, se somete a una expansin isentrpica en una turbina de vapor convencional. La turbina de vapor de escape de vapor se condensa en agua prxima lquido que se bombea de nuevo al generador de vapor para completar el ciclo.Cuando se utiliza un fluido de trabajo orgnico tal como el R-134a en el ciclo de Rankine, el ciclo se refiere a veces como un ciclo de Rankine orgnico.Sistema de refrigeracinLa figura 4 representa un sistema de refrigeracin con una capacidad de aproximadamente 100 a 1000 toneladas de refrigeracin. El sistema utiliza un compresor, una turbina de expansin y un motor elctrico.Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, la turbina de expansin reduce la carga sobre el motor elctrico alrededor de un 6 a un 15% en comparacin con un sistema de refrigeracin por compresin de vapor convencional que utiliza una vlvula de expansin de estrangulamiento en lugar de un turboexpansor.El sistema emplea un refrigerante a alta presin, tales como:Clorodifluorometano conocido como R-22, con un punto de ebullicin normal de -47 C1,1,1,2-tetrafluoroetano conocido como R-134a, con un punto de ebullicin normal de -26 C.Como se muestra en la Figura 4, vapor de refrigerante se comprime a una presin ms alta que resulta en una temperatura ms alta tambin. El calor, el vapor comprimido se condensa entonces en un lquido. El condensador es donde el calor es expulsado del refrigerante que circula y se deja llevar por cualquier medio de refrigeracin se utiliza en el condensador.El lquido refrigerante fluye a travs del turboexpansor donde se vaporiza y el vapor se somete a una expansin isoentrpica que se traduce en una mezcla de baja temperatura de vapor y lquido. La mezcla de vapor-lquido se encamina entonces a travs del evaporador donde se vaporiza por el calor absorbido desde el espacio que est siendo enfriado. El refrigerante vaporizado fluye a la entrada del compresor para completar el ciclo.La recuperacin de energa en el craqueo cataltico fluidoEl gas de combustin de la combustin de un regenerador de catalizador de craqueo cataltico fluido est a una temperatura de aproximadamente 715 C y a una presin de aproximadamente 2,4 barg. Sus componentes gaseosos son principalmente monxido de carbono, dixido de carbono y nitrgeno. Aunque el gas de combustin ha sido a travs de dos etapas de ciclones para eliminar los finos de catalizador arrastrados, que an contiene algunos finos de catalizador residuales.

La Figura 5 muestra cmo se recupera la energa y de enrutamiento utilizada por el gas de combustin del regenerador a travs de un turboexpansor. Despus de las salidas de gases de combustin del regenerador, que se enruta a travs de un separador de catalizador secundario que contiene tubos de remolino diseados para eliminar 70 a 90 por ciento de los finos de catalizador residuales. Esto es necesario para evitar daos a la erosin de la turboexpansor.Como se muestra en la Figura 5, la expansin de los gases de combustin a travs de un turboexpansor proporciona suficiente potencia para accionar el compresor de aire de combustin del regenerador. El motor-generador elctrico en el sistema de recuperacin de energa puede consumir o producir energa elctrica. Si la expansin de los gases de combustin no proporciona suficiente potencia para accionar el compresor de aire, el motor-generador elctrico provee la energa adicional necesaria. Si la expansin de los gases de combustin proporciona ms energa que la necesaria para accionar el compresor de aire, que el motor elctrico-generador convierte el exceso de energa en energa elctrica y la exporta al sistema elctrico de la refinera. La turbina de vapor se muestra en la Figura 5 se usa para accionar el compresor de aire de combustin del regenerador durante la creacin de empresas de la planta de craqueo cataltico fluido hasta que haya suficiente combustin de gases de combustin para hacerse cargo de esa tarea.El gas de combustin expandido se encamina entonces a travs de una caldera generadora de vapor donde el monxido de carbono en el gas de combustin se quema como combustible para proporcionar vapor para uso en la refinera.El gas de combustin de la caldera de CO se procesa a travs de un precipitador electrosttico para eliminar la materia particulada residual. El ESP elimina las partculas en el intervalo de tamao de 2 a 20 micrmetros de los gases de combustin.HistoriaLa posible utilizacin de una mquina de expansin para crear isoentrpicamente bajas temperaturas fue sugerido por Carl Wilhelm Siemens, un ingeniero alemn en 1857 - Alrededor de tres dcadas despus, en 1885, Ernest Solvay de Blgica trat de utilizar una mquina de expansin alternativo, pero no pudo alcanzar cualquier temperatura inferior a -98 C debido a problemas con la lubricacin de la mquina a tales temperaturas.En 1902, Georges Claude, un ingeniero francs, que se utiliza con xito una mquina de expansin alternativo para licuar aire. l utiliz una desengrasada, cuero quemado empaque como sello del pistn sin lubricacin. Con una presin de aire de slo 40 bar, Claude logra una expansin casi isentrpico que resulta en una temperatura ms baja que antes haba sido posible.Los primeros turboexpansores parecen haber sido diseados en alrededor de 1934 o 1935 por Guido Zerkowitz, un ingeniero italiano que trabaja para la firma alemana Linde AG.

En 1939, el fsico ruso Pyotr Kapitsa perfeccion el diseo de centrfuga turboexpansores. Su primer prototipo prctica fue hecha de metal Monel, tena un dimetro exterior de slo 8 cm, que trabajan a 40.000 revoluciones por minuto y se expandi 1.000 metros cbicos de aire por hora. Se utiliza una bomba de agua como un freno y tena una eficacia del 79 al 83 por ciento. La mayora de turboexpansores en uso industrial desde entonces se han basado en el diseo de Kapitsa y turboexpansores centrfugas se han apoderado de casi el 100 por ciento de la licuefaccin de gas industrial y los requisitos del proceso de baja temperatura. La disponibilidad de oxgeno lquido revolucion la produccin de acero mediante el proceso bsico de fabricacin de acero de oxgeno.En 1978, Pyotr Kapitsa fue galardonado con el premio Nobel de fsica por su cuerpo de trabajo en el rea de la fsica de bajas temperaturas.En 1983, San Diego Gas and Electric fue de los primeros en instalar una turbina de expansin en una estacin de bajada de gas natural para la recuperacin de energaTiposTurboexpansores se puede clasificar por la carga de dispositivo o cojinetes.Tres dispositivos de carga principales utilizados en turboexpansores son compresores centrfugos, generadores elctricos o frenos hidrulicos. Con los compresores centrfugos y los generadores elctricos de la potencia en el eje de la turbina de expansin se recupera ya sea para volver a comprimir el gas de proceso o para generar energa elctrica la reduccin de facturas de servicios pblicos.Frenos hidrulicos se utilizan cuando el turboexpansor es muy pequea y la cosecha de la potencia en el eje no es econmicamente justificable.Los rodamientos utilizados son o bien los rodamientos de aceite o cojinetes magnticos.