Turboexpander – Wikipedia

Schematische Darstellung eines Turboexpanders, der einen Kompressor antreibt

EIN Turboexpander, auch als bezeichnet Turbo-Expander oder ein Expansionsturbineist eine Zentrifugal- oder Axialturbine, durch die ein Hochdruckgas expandiert wird, um Arbeit zu erzeugen, die häufig zum Antrieb eines Kompressors oder Generators verwendet wird.[1][2][3]

Da dem expandierenden Hochdruckgas Arbeit entzogen wird, wird die Expansion durch einen isentropischen Prozess (dh einen Prozess mit konstanter Entropie) angenähert, und das Niederdruckabgas aus der Turbine hat eine sehr niedrige Temperatur von –150 ° C oder weniger, abhängig vom Betriebsdruck und den Gaseigenschaften. Eine teilweise Verflüssigung des expandierten Gases ist nicht ungewöhnlich.

Turboexpander werden häufig als Kühlquellen in industriellen Prozessen wie der Extraktion von Ethan und Erdgasflüssigkeiten (NGLs) aus Erdgas verwendet.[4] die Verflüssigung von Gasen (wie Sauerstoff, Stickstoff, Helium, Argon und Krypton)[5][6] und andere Niedertemperaturprozesse.

Derzeit in Betrieb befindliche Turboexpander haben eine Größe von etwa 750 W bis etwa 7,5 MW (1 PS bis etwa 10.000 PS).

Anwendungen[edit]

Obwohl Turboexpander üblicherweise in Niedertemperaturprozessen verwendet werden, werden sie in vielen anderen Anwendungen verwendet. In diesem Abschnitt werden einer der Niedertemperaturprozesse sowie einige andere Anwendungen erläutert.

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Ein schematisches Diagramm eines Demethanisierers, der Kohlenwasserstoffflüssigkeiten aus Erdgas extrahiert

Rohes Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (CH4), das kürzeste und leichteste Kohlenwasserstoffmolekül, zusammen mit verschiedenen Mengen schwererer Kohlenwasserstoffgase wie Ethan (C.2H.6), Propan (C.3H.8), normales Butan (n-C4H.10), Isobutan (ich-C4H.10), Pentane und noch höhermolekulare Kohlenwasserstoffe. Das Rohgas enthält auch verschiedene Mengen an sauren Gasen wie Kohlendioxid (CO)2), Schwefelwasserstoff (H.2S) und Mercaptane wie Methanthiol (CH3SH) und Ethanthiol (C.2H.5SCH).

Bei der Verarbeitung zu fertigen Nebenprodukten (siehe Erdgasverarbeitung) werden diese schwereren Kohlenwasserstoffe gemeinsam als NGL (Erdgasflüssigkeiten) bezeichnet. Die Extraktion des NGL beinhaltet häufig einen Turboexpander[7] und eine Niedertemperatur-Destillationskolonne (genannt a Demethanisierer) wie in der Abbildung gezeigt. Das Einlassgas zum Demethanisator wird zuerst in einem Wärmetauscher (als a bezeichnet) auf etwa –51 ° C abgekühlt kalte Box), die das Einlassgas teilweise kondensiert. Das resultierende Gas-Flüssigkeits-Gemisch wird dann in einen Gasstrom und einen Flüssigkeitsstrom getrennt.

Der Flüssigkeitsstrom aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider fließt durch ein Ventil und durchläuft a Drosselung Expansion von einem absoluten Druck von 62 bar auf 21 bar (6,2 bis 2,1 MPa), was ein isenthalpischer Prozess (dh ein Prozess mit konstanter Enthalpie) ist, der dazu führt, dass die Temperatur des Stroms von ungefähr –51 ° C auf ungefähr –81 gesenkt wird ° C, wenn der Strom in den Demethanisierer eintritt.

Der Gasstrom aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider tritt in den Turboexpander ein, wo er eine isentrope Expansion von einem absoluten Druck von 62 bar auf 21 bar (6,2 bis 2,1 MPa) erfährt, die die Gasstromtemperatur von etwa –51 ° C auf etwa –51 ° C senkt. 91 ° C beim Eintritt in den Demethanisator, um als Destillationsrückfluss zu dienen.

Flüssigkeit aus der oberen Schale des Demethanisierers (bei etwa –90 ° C) wird durch die Kühlbox geleitet, wo sie beim Abkühlen des Einlassgases auf etwa 0 ° C erwärmt wird, und wird dann in den unteren Abschnitt des Demethanisierers zurückgeführt . Ein weiterer Flüssigkeitsstrom aus dem unteren Teil des Demethanisierers (bei etwa 2 ° C) wird durch die Kühlbox geleitet und bei etwa 12 ° C zum Demethanisierer zurückgeführt. Tatsächlich liefert das Einlassgas die Wärme, die erforderlich ist, um den Boden des Demethanisierers „aufzukochen“, und der Turboexpander entzieht die Wärme, die erforderlich ist, um einen Rückfluss in der Oberseite des Demethanisierers bereitzustellen.

Das Überkopfgasprodukt aus dem Demethanisierer bei etwa –90 ° C ist verarbeitetes Erdgas, das von geeigneter Qualität für die Verteilung an Endverbraucher per Pipeline ist. Es wird durch die Kühlbox geleitet, wo es beim Abkühlen des Einlassgases erwärmt wird. Es wird dann in dem vom Turboexpander angetriebenen Gaskompressor komprimiert und in einem von einem Elektromotor angetriebenen Gaskompressor der zweiten Stufe weiter komprimiert, bevor es in die Verteilungsleitung eintritt.

Das Bodenprodukt des Demethanisierers wird ebenfalls in der Kühlbox erwärmt, da es das Einlassgas abkühlt, bevor es als NGL das System verlässt.

Die Betriebsbedingungen eines Offshore-Gaskonditionierungsturboexpanders / -rekompressors sind wie folgt[8]::

Turbo-Expander Rekompressor
Einlass Auslauf Einlass Auslauf
Temperatur ° C. 11.0 –13,0 22.0 40.0
Druckbarg 75,0 39.31 38,62 47.24
Durchfluss kg / h 27728 20658
Molekulargewicht 22.08 20.74
Energie gewonnen / verbraucht kW 345 345

Energieerzeugung[edit]

Schematische Darstellung eines Stromerzeugungssystems mit einem Turboexpander

Die Abbildung zeigt ein Stromerzeugungssystem, das eine Wärmequelle, ein Kühlmedium (Luft, Wasser oder anderes), ein zirkulierendes Arbeitsmedium und einen Turboexpander verwendet. Das System kann eine Vielzahl von Wärmequellen aufnehmen, z.

Das zirkulierende Arbeitsfluid (normalerweise eine organische Verbindung wie R-134a) wird auf einen hohen Druck gepumpt und dann im Verdampfer durch Wärmeaustausch mit der verfügbaren Wärmequelle verdampft. Der entstehende Hochdruckdampf strömt zum Turboexpander, wo er sich isentrop ausdehnt und als Dampf-Flüssigkeits-Gemisch austritt, das dann durch Wärmeaustausch mit dem verfügbaren Kühlmedium zu einer Flüssigkeit kondensiert. Die kondensierte Flüssigkeit wird zum Verdampfer zurückgepumpt, um den Zyklus abzuschließen.

Das System in der Abbildung implementiert einen Rankine-Zyklus, wie er in Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen verwendet wird, in denen Wasser das Arbeitsmedium ist und die Wärmequelle aus der Verbrennung von Erdgas, Heizöl oder Kohle zur Erzeugung von Hochdruckdampf stammt . Der Hochdruckdampf erfährt dann eine isentrope Expansion in einer herkömmlichen Dampfturbine. Der Abgasdampf der Dampfturbine wird als nächstes zu flüssigem Wasser kondensiert, das dann zum Dampferzeuger zurückgepumpt wird, um den Zyklus abzuschließen.

Wenn ein organisches Arbeitsfluid wie R-134a im Rankine-Zyklus verwendet wird, wird der Zyklus manchmal als organischer Rankine-Zyklus (ORC) bezeichnet.[9][10][11]

Kühlsystem[edit]

Schematische Darstellung einer Kälteanlage mit Turboexpander, Kompressor und Motor

Ein Kühlsystem verwendet einen Kompressor, einen Turboexpander und einen Elektromotor.

Abhängig von den Betriebsbedingungen reduziert der Turboexpander die Belastung des Elektromotors um 6–15% im Vergleich zu einem herkömmlichen Dampfkompressionskältesystem, das a verwendet Drosselung Expansion Ventil statt Turboexpander.[12] Grundsätzlich kann dies als eine Form der Turbo-Compoundierung angesehen werden.

Das System verwendet ein Hochdruckkältemittel (dh eines mit einem niedrigen normalen Siedepunkt) wie:[12]

Wie in der Abbildung gezeigt, wird Kältemitteldampf auf einen höheren Druck komprimiert, was ebenfalls zu einer höheren Temperatur führt. Der heiße, komprimierte Dampf wird dann zu einer Flüssigkeit kondensiert. Im Kondensator wird Wärme aus dem zirkulierenden Kältemittel ausgestoßen und von dem im Kondensator verwendeten Kühlmedium (Luft, Wasser usw.) abgeführt.

Die Kältemittelflüssigkeit fließt durch den Turboexpander, wo sie verdampft wird, und der Dampf erfährt eine isentrope Expansion, die zu einem Niedertemperaturgemisch aus Dampf und Flüssigkeit führt. Das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch wird dann durch den Verdampfer geleitet, wo es durch die vom gekühlten Raum absorbierte Wärme verdampft wird. Das verdampfte Kältemittel fließt zum Kompressoreinlass, um den Zyklus abzuschließen.

Energierückgewinnung in einem flüssigen katalytischen Cracker[edit]

Ein schematisches Diagramm des Energierückgewinnungssystems in einer fluiden katalytischen Crackanlage

Das Verbrennungsabgas aus dem Katalysatorregenerator eines flüssigen katalytischen Crackers hat eine Temperatur von etwa 715ºC und einen Druck von etwa 2,4 bar (240 kPa). Seine gasförmigen Bestandteile sind hauptsächlich Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO)2) und Stickstoff (N.2). Obwohl das Rauchgas zwei Zyklonstufen (innerhalb des Regenerators) durchlaufen hat, um mitgerissene Katalysatorfeinstoffe zu entfernen, enthält es immer noch einige restliche Katalysatorfeinstoffe.

Die Abbildung zeigt, wie Energie zurückgewonnen und genutzt wird, indem das Regeneratorabgas durch einen Turboexpander geleitet wird. Nachdem das Rauchgas den Regenerator verlassen hat, wird es durch einen sekundären Katalysatorabscheider geleitet, der enthält Wirbelrohre entwickelt, um 70–90% der restlichen Katalysatorfeinstoffe zu entfernen.[13] Dies ist erforderlich, um Erosionsschäden am Turboexpander zu vermeiden.

Wie in der Abbildung gezeigt, liefert die Expansion des Rauchgases durch einen Turboexpander ausreichend Leistung, um den Verbrennungsluftkompressor des Regenerators anzutreiben. Der Elektromotor-Generator im Energierückgewinnungssystem kann elektrischen Strom verbrauchen oder erzeugen. Wenn die Ausdehnung des Rauchgases nicht genügend Leistung liefert, um den Luftkompressor anzutreiben, liefert der Elektromotor-Generator die erforderliche zusätzliche Leistung. Wenn die Rauchgasexpansion mehr Leistung liefert als zum Antrieb des Luftkompressors erforderlich ist, wandelt der Elektromotor-Generator die überschüssige Leistung in elektrischen Strom um und exportiert sie in das elektrische System der Raffinerie.[14] Die Dampfturbine wird verwendet, um den Verbrennungsluftkompressor des Regenerators während des Starts des katalytischen Fluidcrackers anzutreiben, bis genügend Verbrennungsabgas vorhanden ist, um diese Aufgabe zu übernehmen.

Das expandierte Rauchgas wird dann durch einen Dampferzeugungskessel (bezeichnet als a) geleitet CO-Kessel), wo das Kohlenmonoxid im Rauchgas als Brennstoff verbrannt wird, um Dampf zur Verwendung in der Raffinerie bereitzustellen.[14]

Das Rauchgas aus dem CO-Kessel wird durch einen Elektrofilter (ESP) aufbereitet, um Partikelrückstände zu entfernen. Das ESP entfernt Partikel im Größenbereich von 2 bis 20 Mikrometern aus dem Rauchgas.[14]

Geschichte[edit]

Die mögliche Verwendung einer Expansionsmaschine zur isentropischen Erzeugung niedriger Temperaturen wurde 1857 von Carl Wilhelm Siemens (Siemens-Zyklus), einem deutschen Ingenieur, vorgeschlagen. Etwa drei Jahrzehnte später, 1885, versuchte der Belgier Ernest Solvay, eine Hubkolbenexpandermaschine zu verwenden konnte aufgrund von Problemen mit der Schmierung der Maschine bei solchen Temperaturen keine Temperaturen unter –98 ° C erreichen.[2]

Im Jahr 1902 setzte Georges Claude, ein französischer Ingenieur, erfolgreich eine Hubkolbenexpansionsmaschine ein, um Luft zu verflüssigen. Er verwendete eine entfettete, verbrannte Lederpackung als Kolbendichtung ohne Schmierung. Mit einem Luftdruck von nur 40 bar (4 MPa) erreichte Claude eine nahezu isentrope Ausdehnung, was zu einer niedrigeren Temperatur als bisher möglich führte.[2]

Die ersten Turboexpander scheinen um 1934 oder 1935 von Guido Zerkowitz, einem italienischen Ingenieur der deutschen Firma Linde AG, entworfen worden zu sein.[15][16]

1939 perfektionierte der russische Physiker Pjotr ​​Kapitsa das Design von zentrifugalen Turboexpandern. Sein erster praktischer Prototyp bestand aus Monel-Metall, hatte einen Außendurchmesser von nur 8 cm, arbeitete mit 40.000 Umdrehungen pro Minute und expandierte 1.000 Kubikmeter Luft pro Stunde. Es verwendete eine Wasserpumpe als Bremse und hatte einen Wirkungsgrad von 79–83%.[2][16] Die meisten Turboexpander, die seitdem industriell eingesetzt werden, basieren auf dem Design von Kapitsa, und zentrifugale Turboexpander haben fast 100% der Anforderungen an die Industriegasverflüssigung und den Niedertemperaturprozess übernommen.[2][16] Die Verfügbarkeit von flüssigem Sauerstoff revolutionierte die Stahlproduktion nach dem grundlegenden Verfahren zur Herstellung von Sauerstoffstahl.

1978 erhielt Pjotr ​​Kapitsa für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Niedertemperaturphysik einen Nobelpreis für Physik.[17]

1983 war San Diego Gas and Electric eines der ersten Unternehmen, das einen Turboexpander in einer Erdgas-Entspannungsstation zur Energierückgewinnung installierte.[18]

Turboexpander können nach Ladevorrichtung oder Lagern klassifiziert werden.

Drei Hauptladevorrichtungen, die in Turboexpandern verwendet werden, sind Radialkompressoren, elektrische Generatoren oder hydraulische Bremsen. Bei Radialkompressoren und elektrischen Generatoren wird die Wellenleistung des Turboexpanders entweder zur erneuten Komprimierung des Prozessgases oder zur Erzeugung elektrischer Energie zurückgewonnen, wodurch die Stromkosten gesenkt werden.

Hydraulische Bremsen werden verwendet, wenn der Turboexpander sehr klein ist und die Ernte der Wellenleistung wirtschaftlich nicht vertretbar ist.

Die verwendeten Lager sind entweder Öllager oder Magnetlager.

Man sollte auch die neue Quasiturbine-Technologie beachten [19]Dies ist ein Rotationsturbinentyp mit Verdrängung.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Heinz Bloch und Claire Soares (2001). Turboexpander und Prozessanwendungen. Gulf Professional Publishing. ISBN 0-88415-509-9.
  2. ^ ein b c d e Frank G. Kerry (2007). Industriegashandbuch: Gastrennung und -reinigung. CRC Drücken Sie. ISBN 0-8493-9005-2.
  3. ^ Thomas Flynn (2004). Kryotechnik (Zweite Ausgabe). CRC Drücken Sie. ISBN 0-8247-5367-4.
  4. ^ Demethanzer.
  5. ^ Veröffentlichung von BOC (NZ): Verwenden Sie die Suchfunktion für das Schlüsselwort „Erweiterung“.
  6. ^ Wasserstoffprogramm des US-Energieministeriums.
  7. ^ Gasprozesse 2002, Kohlenwasserstoffverarbeitung, Seiten 83–84, Mai 2002 (schematische Flussdiagramme und Beschreibungen der NGL-Pro- und NGL-Rückgewinnungsprozesse).
  8. ^ Prozessflussdiagramm NW Hutton 1987
  9. ^ ORC-Technologie für Abwärmeanwendungen
  10. ^ Das integrierte Rankine-Zyklus-Projekt.
  11. ^ Der Rankine Cycle Turbogenerator in Altheim, Österreich.
  12. ^ ein b Kältetechnik mit Expansionsturbine, Europäisches Patent EP 0 676 600 B1, 6. September 2000, Joost J. Brasz, Carrier Corporation EP 0 676 600 B1 (Diese Website erfordert eine Registrierung).
  13. ^ Alex C. Hoffnab und Lewis E. Stein (2002). Gaszyklone und Wirbelrohre: Prinzipien, Design und Betrieb (1. Aufl.). Springer. ISBN 3-540-43326-0.
  14. ^ ein b c Reza Sadeghbeigi (2000). Handbuch zum katalytischen Cracken von Flüssigkeiten (2. Aufl.). Gulf Publishing. ISBN 0-88415-289-8.
  15. ^ Turbine zur Niedertemperatur-GastrennungUS-Patent 2,165,994, Juli 1939 (Fortsetzung einer Anmeldung im März 1934), Guido Zerkowitz, Linde AG US-Patent US2165994 (Diese Website erfordert eine Registrierung).
  16. ^ ein b c Ebbe Almqvist (2002). Geschichte der Industriegase (Erste Ausgabe). Springer. p. 165. ISBN 0-306-47277-5.
  17. ^ Pjotr ​​Kapitsa, Nobelpreis für Physik 1978.
  18. ^ Turboexpander: Das verborgene Potenzial unseres Erdgasverteilungssystems nutzen.
  19. ^ Quasiturbine Expander: Nutzung mechanischer Energie aus Druckgas- und Dampfsystemen.

Externe Links[edit]