903 HM120 P09 GUD 073(Guia Sistema de Aire)

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PROCESOS 903-HM120-P09-GUD-073

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GUA DE DISEO Y ESPECIFICACIN DE SISTEMAS DE AIRE DE PLANTA E INSTRUMENTO

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903-HM120-P09-GUD-073.docx/01/12/09/CT/sp 1 de 66 INEDON

FECHA OBJETO ELABOR

Iniciales

REVIS

Iniciales

APROB

Iniciales/Cargo

NOV. 09 Emisin Original CT/AB MJP/GD ABA/GD

MS/VPO SN/VPO

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n d i c e

2. INTRODUCCIN .................................................................................................... 6

3. OBJETIVOS............................................................................................................ 6

4. ALCANCE ............................................................................................................... 7

5. EXCEPCIONES ...................................................................................................... 7

6. USOS DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA .................................................... 8

7. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA .................................................................... 8

8. INSTRUCCIONES DE TRABAJO INELECTRA...................................................... 9

9. ACRNIMOS Y SIGLAS ..................................................................................... 10

10. LECCIONES APRENDIDAS ................................................................................. 10

11. NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES UTILIZADAS COMO REFERENCIA....................................................................................................... 11

12. DEFINICIONES .................................................................................................... 12

13. CONCEPCIN BSICA DEL SISTEMA DE AIRE DE PLANTA E INSTRUMENTO ................................................................................................... 21

14. ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE AIRE DE PLANTA E INSTRUMENTO ................................................................................................... 22

14.1. Estimacin del Consumo de Aire de Instrumento ................................................. 22 14.2. Estimacin de los Consumos de Aire de Planta ................................................... 25 14.3. Consideraciones Generales ................................................................................. 26 15. CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEO DEL SISTEMA DE AIRE DE

INSTRUMENTO Y PLANTA ................................................................................. 28

15.1. Equipos que conforman el paquete de aire de planta e instrumentos .................. 31 15.1.1. Compresores de Aire ............................................................................................ 32 15.1.2. Enfriadores Inter-etapa y Post-enfriadores ........................................................... 35 15.1.3. Tambor Acumulador de Aire ................................................................................. 37 15.1.4. Filtros de Aire........................................................................................................ 39 15.1.4.1. Pre-Filtros ......................................................................................................... 40 15.1.4.2. Post-Filtros ....................................................................................................... 41 15.1.5. Secadores de Aire ................................................................................................ 41 15.1.5.1. Secadores Tipo Desecantes Regenerativos .................................................... 42 15.1.5.2. Secadores Desecantes Con Calentamiento ..................................................... 44 15.1.5.3. Secadores Desecantes Sin Calentamiento ...................................................... 45 15.1.5.4. Secadores Calor de Compresion Heat of Compression HOC ....................... 47 15.1.5.5. Secadores Refrigerantes.................................................................................. 49 15.2. Necesidades del sistema de aire de planta e instrumentos .................................. 51 15.2.1. Las condiciones del aire atmosfrico .................................................................... 51

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15.2.2. Requerimiento de calidad del aire ........................................................................ 52 15.2.3. Condiciones de operacin y diseo ...................................................................... 55 16. FILOSOFA BSICA DE CONTROL Y SEGURIDAD ........................................... 55

17. DISEO DEL SISTEMA Y RED DE DISTRIBUCIN DE AIRE DE INSTRUMENTOS Y DE PLANTA ......................................................................... 57

17.1. Sistema de distribucin ......................................................................................... 57 17.2. Seleccin del Dimetro de las Tuberas ............................................................... 59 17.3. Materiales ............................................................................................................. 59 17.4. Importancia de Mangueras Apropiadas ................................................................ 60 18. FORMATO DE HOJA DE DATOS UNIDAD PAQUETE ....................................... 60

19. RECOMENDACIONES VARIAS PARA EL DISEO Y POSTERIOR OPERACIN DEL SISTEMA DE AIRE DE INSTRUMENTO Y DE PLANTA ....... 61

20. REFERENCIAS .................................................................................................... 63

ANEXO 1. HOJA DE CALCULO PAQUETE DE AIRE COMPRIMIDO . 65 ANEXO 2. HOJA DE DATOS PAQUETE DE AIRE COMPRIMIDO ..... 66

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Smbolo Definicin Unidad

Cest.serv Consumo promedio estacin de servicio [Sm3/h], [Scfm]

Cext.inst Consumo extra de aire de instrumento propio del proceso

[Sm3/h], [Scfm]

Cext.plnt Consumo extra de aire de planta propio del proceso

[Sm3/h], [Scfm]

Chi Consumo promedio de aire de planta por herramienta segn tipo de vlvula

[Sm3/h], [Scfm]

Ctotal.inst Consumo total de aire de instrumento [Sm3/h], [Scfm]

Ctotal.plnt Consumo total de aire de planta [Sm3/h], [Scfm]

Cvi Consumo promedio segn tipo de vlvula [Sm3/h], [Scfm]

fmax Frecuencia del ciclo de arranque [s-1]

Fsi Factor de simultaneidad segn tipo de herramienta

[ - ]

Fui Factor de uso segn tipo de herramienta [ - ] msale Flujo msico de salida [kg/h], [lb/h] Nest.serv Nmero de estaciones de servicio de la

planta [ - ]

Nvi Cantidad de vlvulas por tipo [ - ] p1 Presin de arranque/carga del compresor [barg], [psig] P1 Presin del aire en la entrada del compresor [barg], [psig] Patm Presin atmosfrica [bara], [psia] PM Masa molecular del aire = 28.95 [kg/kgmol], [lb/lbmol] Pmx Presin de operacin mxima del recibidor [bara], [psia] Pmfi Presin mnima para el funcionamiento de

instrumentos [barg], [psig]

Pmn Presin mnima que se alcanza en el recibidor

[bara], [psia]

Pmop Presin mnima normal de operacin [barg], [psig] PRP Punto de Roco a Presin [C], [F] pu Presin de parada/descarga del compresor [barg], [psig] Q Capacidad del compresor [m3/min], [ft3/min] Qc Flujo volumtrico a las condiciones

ambientales [m3/h], [ft3/h]

R Constante universal de los gases [J/molK], [psia ft3/lbmolR] t Tiempo de compensacin [min] To Temperatura en el recibidor [C], [F] T1 Temperatura del aire en la entrada del

compresor [C], [F]

Top Temperatura de operacin [K], [R] treserva Tiempo de reserva deseado [s]

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Tstd Temperatura estndar [C], [F] Vacum Volumen del acumulador [m

3], [ft3] Vrecib Volumen del recibidor [m

3], [ft3]

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2. INTRODUCCIN La Disciplina de Procesos define los requerimientos de aire comprimido en una planta de procesos o servicios. El Ingeniero de Procesos realiza el diseo, clculo, seleccin y, por ltimo, elabora las especificaciones primarias de unidades paquete de aire de instrumento y de planta (generalmente visto como una unidad paquete), de vital importancia en el control y automatizacin de los procesos productivos. Para ello, el personal del Departamento de Procesos realiza clculos hidrulicos del comportamiento del sistema desde la estimacin de los consumos en toda la planta, a fin de dimensionar las lneas de succin y descarga, equipos, instrumentos, y establecer los requerimientos neumticos y elctricos mnimos de los equipos e instrumentos que componen la planta, para un funcionamiento adecuado de los mismos, en materia de consumo y/o de presin de instrumentos (vlvulas de control, elementos primarios de medicin de flujo, etc.) y equipos (bombas, compresores, expansores, etc.). La especificacin final es elaborada por la Disciplina Mecnica con el apoyo de Electricidad e Instrumentacin y Control. De acuerdo a la capacidad requerida por el proceso, la unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta vara en tamao, cantidad de equipos y disposicin de los mismos dentro del paquete, que podrn ser configurados todos en un mismo skid o varios de ellos, que conformen la unidad paquete.

3. OBJETIVOS Este INEDON es una gua para la especificacin de las unidades paquete que proveen aire de planta y aire de instrumentos. Los principales objetivos de este INEDON son:

Orientar al ingeniero de procesos en la especificacin primaria de las unidades paquete de aire de instrumentos y aire de planta.

Establecer las Bases y Criterios de Diseo de la disciplina Procesos, que sern utilizados durante el desarrollo de la Ingeniera de cualquier proyecto que contemple la instalacin de un paquete de aire comprimido.

Lograr una comprensin general del funcionamiento e importancia de la unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta, as como una revisin de sus componentes, distintas configuraciones y principales caractersticas.

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Conocer los modelos de clculo para determinar la capacidad de la unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta, as como estimar y/o especificar el volumen del acumulador de aire de instrumento de la planta. As mismo, algunos Clientes solicitan un acumulador de aire de planta; en este caso debe especificarse el volumen del mismo.

Realizar la seleccin adecuada de los equipos que conforman la unidad paquete dependiendo de las condiciones del aire atmosfrico, del proceso y de la demanda de aire comprimido de la planta de procesos segn los parmetros, consideraciones y criterios de diseo de ingeniera que normalmente se aplican.

Mostrar los arreglos tpicos en planta y las consideraciones para su operacin y mantenimiento.

4. ALCANCE Esta gua de diseo est enfocada en la especificacin primaria de los equipos del sistema de aire de planta e instrumentos como una unidad paquete. Posee criterios tericos y prcticos sugeridos tanto por empresas fabricantes de unidades paquetes de aire como de la experiencia en el diseo y especificacin de unidades paquetes en distintos proyectos ejecutados por inelectra. La gua de diseo incluye los modelos de clculos a realizarse al momento de especificar una unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta y / o servicio.

5. EXCEPCIONES No se consideran como parte de esta gua el diseo del sistema de distribucin de aire de instrumento y aire de planta. Slo se ofrecen nociones y criterios generales de stos, para comprender el funcionamiento general de la unidad paquete. Las lneas de distribucin de aire de instrumento y aire de planta hacia los instrumentos son especificadas por la Disciplina de Automatizacin y Control. En las Ingenieras Conceptuales, el costo de la unidad de aire es obtenido en base a las referencias de otros proyectos similares, a excepcin que la unidad

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de aire sea considerada importante para lograr el rango de precisin del estimado de costos.

6. USOS DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA I. Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los

indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algn criterio, el Lder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobacin del Cliente para usar los criterios mostrados aqu.

II. El usuario de este INEDON tiene la obligacin de utilizar la revisin ms

actualizada de la normativa (normas, cdigos, estndares, especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional aplicada en el Proyecto. As como, solicitar al Cliente o ente gubernamental correspondiente, la normativa local usada en el pas donde se construye la instalacin.

7. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA Procedimientos relacionados con este INEDON: Ingeniera (HM010) 903-HM010-A90-TEC-003 Equivalencia de Trminos entre Centros de

Ejecucin 903-P3000-A20-ADM-917 Procedimiento para la Identificacin, Registro

y Aplicacin de Lecciones Aprendidas Gestin de la Calidad (HM060) 903-HM060-G09-ADM-901 Elaboracin y Actualizacin de INEDONES Procesos (HM120) 903-P3100-P09-ADM-901 Bases de Diseo 903-P3100-P09-ADM-906 Diseo y Especificacin de Equipos

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8. INSTRUCCIONES DE TRABAJO INELECTRA Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON: Procesos (HM120) 903-HM120-P09-GUD-013 Bases y Criterios de Diseo

903-HM120-P09-GUD-014 Gua para los Datos de Procesos de las Vlvulas de Control y Dimensionamiento de los Desvos

903-HM120-P09-GUD-025 Gua para la Elaboracin Diagramas de Tuberas e Instrumentacin

903-HM120-P09-GUD-031 Gua para la Especificacin de Compresores

903-HM120-P09-GUD-041 Gua de Diseo para los Sistemas de Alivio de Presin

903-HM120-P09-GUD-046 Gua de Diseo de Equipos Finales de Alivio y Venteo

903-HM120-P09-GUD-050 Gua sobre Flujo Crtico para Fluidos Compresibles

903-HM120-P09-GUD-052 Gua para la Elaboracin de la Memoria de Clculo

903-HM120-P09-GUD-054 Gua para Seleccin de Materiales de Construccin

Automatizacin y Control (HM160) 903-P3200-I01-GUD-033 Criterios de Diseo Automatizacin y Control

Las instrucciones de trabajo estn relacionadas con este INEDON de manera directa: el INEDON es citado en este documento, o indirecta: el INEDON contiene informacin adicional para el usuario; pero no es citado en este documento.

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9. ACRNIMOS Y SIGLAS

Espaol Ingls

API American Petroleum Institute

ANSI Instituto Nacional de Normalizacin Estadounidense

American National Standard Institute

ASME American Society of Mechanical Engineers

DOE Departamento de Energa del Gobierno de los Estados Unidos

Department of Energy

INEDON inelectra Documento Normalizado

ISA International Society of Automation

ISO International Organization for Standardization

PDVSA Petrleos de Venezuela

10. LECCIONES APRENDIDAS Las Lecciones Aprendidas estn disponibles a travs de la pgina de intranet de Ingeniera. El sistema de Lecciones Aprendidas puede contener informacin adicional para el tema de este INEDON. El INEDON Procedimiento para la Identificacin, Registro y Aplicacin de Lecciones Aprendidas, N 903-P3000-A20-ADM-917, establece los pasos para la identificacin, captura, registro en el sistema, etc. de las Lecciones Aprendidas.

El INEDON Procedimiento para la Identificacin, Registro y Aplicacin de Lecciones Aprendidas, N 903-P3000-A20-ADM-917, indica lo siguiente cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema de Lecciones Aprendidas, se levantar una No Conformidad durante una revisin tcnica.

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11. NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES UTILIZADAS COMO REFERENCIA El Cuadro 1 muestra un resumen de las normas internacionales recomendadas como referencia para profundizar en la informacin terica descrita en este INEDON y consideradas por las Disciplinas de Diseo Mecnico, Automatizacin y Control y Procesos para el diseo y la especificacin de los sistemas de aire de planta e instrumentos.

Cuadro 1. Resumen de la Normativa Nacional e Internacional.

Instituto emisor Norma Informacin Referencia

en este INEDON

API American Petroleum Institute, 552

Transmission Systems [13]

ASME B31.3 American Society Mechanical

Engineering B31.3.

Petroleum Refinery Piping Code

N/A

ASME B16.5 American Society Mechanical

Engineering B16.5.

Steel Pipe Flanged and Fitting

N/A

FONDONORMA 2000 Cdigo Elctrico Nacional (CEN) 2004

N/A

COVENIN 253-1999 Codificacin para la

Identificacin de Tuberas que conduzcan fluidos

N/A

IEC International Electrotechnical Committee

N/A

ANSI/ISA Instrumentation Systems and Automation

Society 7.0.01 1996

Quality Standard for Instrument Air

[12]

NFPA National Fire Protection Association

70, 59A N/A

PDVSA K-341 Instrument Air System

Criteria [2]

PDVSA GB-203

Plant and Instrument Positive Displacement Air

Compressor

[5]

PDVSA MDP-02-K-02/03

Compresor Principios

Bsicos / Seleccin del Tipo de Compresor

[6], [7]

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Instituto emisor Norma Informacin Referencia

en este INEDON

PDVSA MDP-05-E-01/03

Intercambiadores de Calor Principios Bsicos / Procedimiento de Diseo para Enfriadores por Aire

[8], [9]

12. DEFINICIONES Aire de Instrumentos (Instrument Air) Aire comprimido libre de humedad, aceite y partculas slidas que se utiliza en las plantas de procesos como medio de trabajo para accionar diversos dispositivos de control como vlvulas de control, vlvulas on/off e instrumentos principalmente. Aire de Planta, de Servicio (Plant, Service, Utility air) Aire comprimido con elevado contenido de humedad utilizado en las plantas de procesos para operaciones de herramientas neumticas en los talleres, operaciones de mantenimiento y limpieza de equipos y como suministro a las estaciones de servicio. Bases de Diseo (Design Basis) Consulte el INEDON Bases y Criterios de Diseo, N 903-HM120-P09-GUD-013. Capacidad de un Compresor (Compressor Capacity) Es el volumen completo de flujo de gas comprimido y entregado a condiciones de temperatura y presin total. A veces significa tasa de flujo en lugar de volumen de flujo nominal. Tambin es llamado Entrega de Aire Libre (Free Air Delivery, por sus siglas en ingls, FAD), es decir, el aire en condiciones atmosfricas en un lugar especfico. Este trmino no significa que el aire es enviado en condiciones idnticas o normales porque la altitud, presin, y temperatura pueden variar en diferentes localidades y en diferentes momentos.

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Condiciones Estndar, Reales y Normales (Standard, Actual & Normal Conditions) Presin y temperatura base para la especificacin del volumen de gas y lquido, los valores tpicos son:

Cuadro 2. Condiciones Estndar, Reales y Normales.

Condicin

Presin absoluta

Temperatura

[bar] [psi] [C] [F]

Real Presin del fluido a las

condiciones especficas del sistema

Temperatura del fluido a las condiciones

especficas del sistema

Estndar 1 atm.

estndar 1,01325

14,6959

15,56

60,00

Normal 0,00

32,00

Las designaciones S para estndar, N para normal y a de real (actual en ingls) son de uso comn en la industria. Ejemplos: SCF (Sft3), pie cbico estndar; Nm3, metro cbico normal; acfm, pies cbicos reales por minuto.

Las condiciones estndar o normales estn definidas en las Bases de Diseo del Proyecto; mientras que las condiciones reales estn dadas por las condiciones en el punto de operacin del sistema.

Contenido de Humedad (Moisture Content) Es la cantidad de vapor de agua presente en el aire.

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Eficiencia del Compresor (Compressor Efficiency) Diferentes medidas de eficiencia del compresor son utilizadas: eficiencia volumtrica, eficiencia adiabtica, eficiencia isotrmica y eficiencia mecnica. Las eficiencias adiabtica e isotrmica son definidas o calculadas como el cociente entre la potencia isotrmica o adiabtica y el consumo real de potencia.

Estacin de Servicio En la industria corresponde al trmino empleado para referir al lugar fsico donde se dispone de un servicio especfico que sirve de fuente de suministro para los diferentes usuarios.. La ubicacin de las estaciones de servicio es determinada por la Disciplina de Diseo Mecnico. Factor de Utilizacin o Factor de Carga Normalmente en una planta, en condiciones normales de operacin, los dispositivos neumticos funcionan al mnimo de la mxima capacidad. La relacin entre el consumo de aire real en una planta y el mximo consumo de aire continuo, se conoce como factor de carga:

horasenAiredeContinuoConsumoMaximo

horasenAiredeRealConsumoCargadeFactor

24

24 (5)

El factor de carga juega un papel vital en la estimacin del total de aire comprimido requerido en la fase de diseo. Dependiendo de la planta y las condiciones de funcionamiento, un adecuado factor de carga considera los requisitos de aire intermitentes, mientras se estiman los requerimientos totales del aire. Para establecer el factor de carga, es muy conveniente utilizar las experiencias con plantas similares. El factor de carga puede ser determinado con la ayuda de estudio-trabajo. Otra fuente de informacin y orientacin son los proveedores de equipos y fabricantes de compresores. Herramientas Neumticas Dispositivos mecnicos de accionamiento neumtico utilizados en la industria, generalmente en talleres y sitios de reparacin de equipos o instrumentos. Las ms utilizadas se muestran a continuacin:

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Llave de Impacto Herramienta normalmente utilizada para ajustar y desajustar tuercas en todo tipo de maquinaria (Figura 1). Esta herramienta controla el torque (fuerza para hacer girar un cuerpo) para evitar dao a las tuercas de un equipo.

Figura 1. Llave de Impacto. Fuente: Chicago Pneumatic.

Taladro Es la herramienta ms utilizada, y se basa en realizar agujeros sobre una superficie (Figura 2). La pieza se mantiene fija mientras la taladradora avanza y realiza el agujero.

Figura 2. Taladro. Fuente: Chicago Pneumatic.

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Esmeriladora Mquina que consta bsicamente de un motor y de un disco abrasivo para perfeccionar superficies (Figura 3). Realizan un trabajo de desgaste muy poco preciso.

Figura 3. Esmeriladora. Fuente: Milwaukee Electric Tools.

Rectificadora Son ms precisas que las esmeriladoras, debido a sus dimensiones y a la velocidad de giro del disco, mayor que la de cualquier otra mquina (10 000 rpm) (Figura 4). La rectificadora es una herramienta utilizada para conseguir acabados de precisin tanto en dimensiones como en superficie.

Figura 4. Rectificadora. Fuente: Wyco.

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Polipastos Mquina que se utiliza para levantar o mover una carga con una gran ventaja mecnica, porque se necesita aplicar una fuerza mucho menor al peso que hay que mover (Figura 5). Lleva dos o ms poleas incorporadas para minimizar el esfuerzo.

Figura 5. Polipasto. Fuente: Shaw-Box

Estos mecanismos se utilizan mucho en las industrias que cargan elementos y materiales muy pesados para hacer ms rpida y fcil la elevacin y colocacin de estas piezas en las diferentes mquinas-herramientas que hay en los talleres o almacenes, as como cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan. Suelen estar sujetos a un brazo giratorio que hay acoplado a una mquina, o pueden ser mviles guiados por rieles colocados en los techos de las instalaciones industriales.

Atornillador Herramienta que sirve para apretar o aflojar tornillos hacindolos girar; consiste en una barra metlica sujeta a un mango y terminada en una punta que se ajusta a la cabeza del tornillo (Figura 6).

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Figura 6. Atornillador. Fuente: Bosch.

Pistola de Limpieza Esta herramienta provee a presin un fluido de limpieza que es inyectado sobre una superficie a limpiar (Figura 7).

Figura 7. Pistola de limpieza. Fuente: Goodway.

Pistola de Pintura En esta herramienta el aire comprimido se suministra a travs de la pistola a una boquilla y cuando el usuario tira del gatillo la pintura se entrega por gravedad desde un depsito ubicado en la parte superior a la boquilla (Figura

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7). Como resultado de ello, la pintura es pulverizada a la salida de esta boquilla para su aplicacin sobre superficies.

Figura 8. Pistola de Pintura. Fuente: Sagola. Humedad (Humidity) Es la medida de la concentracin de vapor de agua en el aire hmedo. Humedad Absoluta (Absolut Humidity) Se define como la cantidad de vapor de agua por cantidad de aire seco, expresada en relacin msica o molar. Humedad relativa (Relative Humidity) Es la relacin (expresada en porcentaje) entre la presin parcial de vapor de agua contenida en el aire a una temperatura dada y la mxima presin parcial de vapor de agua que puede estar presente a la misma temperatura bajo condiciones de saturacin. Micrmetro, m (Micrometer, m) Unidad de medida mtrica con un valor de 0,000001 m (antes referido como un micrn).

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Presin de punto de roco (Dew Point Pressure) Es la presin a la cual el vapor contenido en el aire atmosfrico comienza a precipitarse en forma de condensado. Rango de Remocin de Contaminacin (Contamination Removal Range) Es el tamao ms pequeo de contaminantes que el filtro retiene con una eficiencia del 100% en peso. Temperatura ambiente (Ambient Temperature) Temperatura del medio ambiente que rodea al equipo o paquete a ser especificado. Temperatura de Bulbo Seco (Dry Bulb Temperature) Es la temperatura del aire atmosfrico medida con un termmetro expuesto libremente al aire, pero protegido de la radiacin solar y de la humedad. Temperatura de Bulbo Hmedo (Wet Bulb Temperature) Es la temperatura en que la mezcla aire-vapor de agua, se enfra hasta obtener la saturacin. En otras palabras es la mxima cantidad de humedad que puede haber en la superficie sin que ocurra la condensacin. Es medida con un termmetro normal, cuyo bulbo est envuelto con un componente esponjoso y humedecido con agua que permite la evaporacin normal de la misma. Temperatura de punto de roco (Dew Point Temperature) El punto de roco o temperatura de roco es la temperatura a la cual empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo roco, neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.

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13. CONCEPCIN BSICA DEL SISTEMA DE AIRE DE PLANTA E INSTRUMENTO

Esta seccin presenta las consideraciones bsicas para la especificacin del Sistema de Aire Comprimido, no pretende abarcar toda la teora, sino por el contrario refrescar conocimientos previamente adquiridos por el Ingeniero de Procesos. Adicionalmente, se insta a consultar la bibliografa respectiva para profundizar en el tema.

El aire comprimido es uno de los servicios que con mayor frecuencia utiliza la industria, es empleado como un fluido de limpieza, refrigerante, elemento transportador, activador de herramientas neumticas y de diversos sistemas de control. El Sistema de Aire de Instrumentos debe ser tan confiable como cualquier otra unidad operativa en una Planta. La calidad del aire de instrumentos es de vital importancia en plantas de proceso, considerando el tamao reducido para las conexiones de suministro de aire a los instrumentos. El aire usado debe ser limpio, seco y libre de aceite para asegurar que las lneas pequeas, restricciones y boquillas no sean ensuciadas o bloqueadas por slidos, aceite o agua. El agua en las lneas puede causar corrosin y oxidacin del sistema de aire y de los instrumentos asociados, los depsitos de agua pueden causar daos delicados a instrumentos, lneas y boquillas; adems, cuando se alcanza la temperatura de congelacin se presenta bloqueo o ruptura de instrumentos o lneas de aire. El aire de instrumentos no debe ser usado como suministro para la operacin de equipos o herramientas neumticas, para limpieza de tubera y equipos, ni tampoco para el suministro de aire para respirar o cualquier otra emergencia respiratoria. Generalmente, los sistemas de aire para respirar poseen sus propias unidades de secado, filtros de carbn y lechos catalticos que proveen la calidad requerida del aire.

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14. ESTIMACION DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE AIRE DE PLANTA E INSTRUMENTO Para determinar la capacidad de un equipo paquete de aire de instrumento y aire de planta se deben conocer todos los usuarios, equipos y procesos que requieran del servicio de aire de instrumento y aire de planta. Normalmente los consumidores de aire de instrumento son las vlvulas de control, vlvulas on/off, paneles de control y cualquier otro equipo neumtico, de instrumentacin y control de la planta. Los consumidores comunes de aire de planta son las estaciones de servicio y las diversas herramientas de funcionamiento neumtico que se usan en los talleres de mantenimiento de la planta. Para la estimacin del caudal de aire comprimido se determina un consumo tpico de todos los usuarios que requieren el servicio, ms un porcentaje de sobre diseo entre 20 y 40%, que cubre perdidas presentadas en la operacin normal por fugas (10-15%), regeneracin del desecante y futura expansin del sistema (10-20%).

14.1. Estimacin del Consumo de Aire de Instrumento La capacidad total para el aire de instrumentos se puede calcular, definiendo primero la capacidad terica requerida por el sistema; para esto se debe determinar la cantidad de: vlvulas de control en la planta, vlvulas on/off, vlvulas del sistema de parada y mechurrios (antorchas, quemadores de desfogue, Teas, Flares). Para el clculo del consumo de aire de instrumento se tienen en cuenta los siguientes aspectos:

Conocer el nmero exacto de vlvulas presentes en la planta.

Estimar el consumo promedio de las vlvulas de control (Generalmente entre 1 y 3 scfm (1,7 y 5,1 m3/h). Vase Cuadro 3).

Estimar el consumo promedio de las vlvulas on/off (Generalmente 3 scfm (5,1 m3/h). Vase Cuadro 3).

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Cuadro 3. Consumos Tpicos de Aire de Instrumentos para las vlvulas.

Requerimientos de Aire Consumo

(scfm/unidad)

Vlvulas de Control Posicionador tipo Diafragma Posicionador tipo Pistn

1* 3*

Vlvulas On/off 3**

Vlvulas del Sistema de Parada 3**

*Capacidad indicada en el documento de referencia [14].

**Capacidad estimada segn informacin de fabricantes.

Conocer cualquier otro uso del aire de instrumento, propio del proceso, como presurizacin de paneles de control, alimentacin de aire para reactores, etc.

Considerar un 20% del flujo total resultante para uso en la regeneracin de los secadores.

Considerar un 20% de sobre diseo sobre el flujo total de aire de instrumento estimado, en los que se incluye factor de fugas y futuras expansiones.

Durante el desarrollo de la ingeniera de detalle se debe evaluar el diseo del sistema de aire de acuerdo a los consumos especificados por los fabricantes de las vlvulas e instrumentos, para lo cual es conveniente consultar a la Disciplina de Automatizacin y Control. Algunos modelos de vlvulas de control tienen una mxima capacidad de salida (Maximum Output Capacity) muy superior a su consumo estable de aire de instrumentos, el diseo del sistema de aire de instrumento debe ser revisado para poder cumplir con estos requerimientos.

Considerar los equipos tipo paquete que pueden existir en la planta, que requieran aire de instrumentos. Este consumo debe ser indicado por el fabricante del paquete.

Deben considerarse tambin los paneles presurizados; para estimar su consumo es conveniente consultar a la Disciplina de Automatizacin y Control.

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Los consumos indicados en el Cuadro 3 deben ser confirmados con la Disciplina de Automatizacin y Control cuando se disponga de la informacin de los fabricantes de las vlvulas. Generalmente, los consumos indicados en el Cuadro 3 son conservadores; sin embargo, para fluidos de proceso de muy alta presin o con vlvulas de gran dimetro puede ser necesario especificar de nuevo la unidad de aire, si los factores de sobre diseo no han sido suficientes.

Los Mechurrios (antorchas, quemadores de desfogue, teas o antorchas) tienen un consumo discontinuo aproximado de 25 scfm (42,5 m3/h), utilizado para encender los pilotos del panel de ignicin de estos equipos. Este consumo es discontinuo ya que slo se requiere durante la ignicin de los pilotos. Vase INEDON Gua de Diseo de Equipos Finales de Alivio y Venteo, N 903-HM120-P09-GUD-046.

Una vez definida la cantidad de instrumentos y equipos que requieren del servicio, se puede conocer el consumo total, de acuerdo a los estimados del Cuadro 3, al cual se le adiciona un factor de uso y simultaneidad. Generalmente el factor de uso para las vlvulas de control y on-off es uno (1), si la planta est en operacin continua. El factor de simultaneidad se estima de acuerdo a las condiciones especficas de operacin de cada proceso. En las ecuaciones 1 y 2 se muestra el clculo de la capacidad total requerida en los sistemas de aire de instrumentos.

dadsimultaneidefactorusodefactorQQ tericareal ** Ec. 1

fugasporfactorexpansindefactorQQ realTotal ** Ec. 2

Donde:

tericaQ : Consumo calculado multiplicando el nmero de usuarios

por el consumo estimado, scfm. Factor de expansin: 10-20% Factor por fugas: 10-15%

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En algunos sistemas, el aire comprimido es utilizado para suplir las demandas de aire para instrumentos y tambin para aire industrial. Si este es el caso, el consumo de aire industrial debe ser considerado para la definicin del consumo total que debe manejar el compresor de aire.

14.2. Estimacin de los Consumos de Aire de Planta

Para el clculo del consumo de aire de planta deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

El consumo de aire para una estacin de servicio se puede estimar entre 10 y 30 scfm (17,0 y 51,0 m3/h) por cada estacin de servicio para una etapa de ingeniera bsica. La definicin del nmero total de estaciones de servicio requeridas en una Planta industrial se realiza por medio del plano de distribucin de Planta (Plot-plan). Una prctica comn considera la instalacin de estaciones de servicio aproximadamente cada 82 a 98 ft (25 a 30 metros), pero los requerimientos especficos del Cliente tienen prioridad para la definicin de la cantidad de estaciones de servicio a instalar.

Tpicamente se considera la simultaneidad de operacin de dos o tres estaciones de servicio para estimar la capacidad total del Sistema de Aire de Planta e Instrumentos.

Para una etapa de ingeniera de detalles se puede precisar el consumo de cada estacin de servicio, definiendo la cantidad de herramientas mecnicas accionadas neumticamente que se pueden usar por estacin, ms un factor promedio de utilizacin de las herramientas y el factor de simultaneidad de uso de las estaciones totales de la planta industrial.

Conocer cualquier otro uso del aire de planta, propio del proceso, como activacin de bombas o consumo de turbogeneradores. Las bombas neumticas generalmente son utilizadas para servicios de bajo caudales, como aceite lubricante o inyeccin de qumicos. Para un estimado preliminar, aire a una presin de 70 psig (4,8 barg), se puede asumir que se consume 1 scfm (1,7 m3/h) por cada galn por minuto que maneja la bomba. Por ejemplo para una bomba con capacidad de 20 gpm, el consumo estimado puede ser 20 scfm (34 m3/h). Estos estimados se deben validar con informacin de fabricantes durante una etapa ms avanzada de ingeniera.

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Los consumos representativos de aire para las herramientas, se determinan de acuerdo a cuntas pueden funcionar simultneamente por estacin, y el tipo de herramienta.

En el Cuadro 4 se muestra un estimado de algunos consumos promedios con su factor de utilizacin. La Figura 9 muestra el factor de simultaneidad en funcin de la cantidad de herramientas utilizadas.

Cuadro 4. Consumos de aire y grado de utilizacin para herramientas de aire comprimido [3].

Tipo de Herramienta Consumo de Aire

cfm (l/s) Factor de Utilizacin

Llave de Impacto

1/2" > 1/2"

17 (8) 27 (13)

0.05 0.15

Taladro 12 mm > 12 mm

10.5 (5) 21 (10)

0.2 0.25

Rectificadoras 17 (8) -

Esmeriladora < 6" > 6"

21 (10) 114 (54)

0.2 0.3

Polipastos 11 ton > 11 ton

74 (35) 95 (45)

- 0.05

Atornillador 13 (6) -

Pistola de Limpieza

13 (6) -

Pistola de Pintura

Automtico Manual

10.5 (5) 10.5 (5)

0.2 -

El clculo del consumo total de aire requerido para las estaciones de servicio se realiza con las ecuaciones 1 y 2 mostradas anteriormente.

14.3. Consideraciones Generales

Todo sistema puede presentar picos de demanda que se pueden satisfacer a travs de recipientes acumuladores o tanques pulmn; stos son ms efectivos si se localizan lo ms cerca posible de donde se requieran estas altas demandas. En muchos casos, una evaluacin cuidadosa de la demanda del sistema nos puede llevar a una adecuada estrategia de control a travs de

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estos acumuladores, de tal suerte que podamos reducir la capacidad global del compresor que se vaya a adquirir. Estos acumuladores pueden ser especificados para suministrar aire a una o varias vlvulas, estas ltimas ubicadas cercanas entre s. Estos recipientes son mostrados en los Diagramas de Tuberas e Instrumentacin y su tamao es determinado por la Disciplina de Automatizacin y Control, en conjunto con el fabricante de las vlvulas.

Figura 9. Factor de Simultaneidad dependiente del nmero de herramientas [1]. El sobredimensionar excesivamente los compresores de aire es extremadamente ineficiente, porque la mayora de los sistemas, operando a carga parcial, consumen ms energa por unidad de volumen de aire producido. Es preferible especificar varios compresores pequeos con un control secuenciador de arranque, permitiendo as una operacin ms eficiente cuando la demanda es menor que la demanda pico. Si a pesar de que el sistema fue diseado apropiadamente y recibe un mantenimiento adecuado, sigue experimentando problemas de capacidad, una alternativa, antes de aadir otro compresor, es volver a analizar el uso del aire comprimido en cada una de las reas de aplicacin, ya que tal vez se puedan utilizar, de manera ms efectiva, sopladores o herramientas elctricas o, tal vez, simplemente se puedan detectar usos inapropiados. Otra forma efectiva de disear y operar apropiadamente un sistema de aire comprimido es evaluar su perfil de carga. Las variaciones de demanda durante

Fa

cto

r d

e S

imu

lta

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ida

d

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70

Nmero de Herramientas

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el tiempo total de uso del aire comprimido es una de las principales consideraciones cuando se disea un sistema de esta ndole. Las plantas con grandes variaciones de demanda necesitarn de un sistema que opere eficientemente bajo carga parcial; en tales casos, el uso de compresores mltiples con controles secuenciadores de arranque, pueden operar el sistema de forma ms econmica. En cambio, en plantas con un perfil de carga con pocas o nulas variaciones, se pueden utilizar estrategias simples de control. Por otro lado, los usos inapropiados dan lugar a una demanda artificial ya que requieren de un exceso en el volumen de aire y, por consecuencia, una mayor presin. El uso de controladores de flujo puede ayudar a minimizar esta demanda artificial. El requerimiento de capacidad de un Sistema de Aire de Instrumentos es determinado por la suma de todos los consumos que operarn simultneamente en una Planta industrial. La definicin exacta de simultaneidad es una tarea difcil de definir, ya que un proceso en condiciones estables consume menos aire que un proceso que presente fluctuaciones en sus condiciones operacionales. Algunas reglas generales definen los consumos tpicos de los diferentes instrumentos que requieren de aire para su correcto funcionamiento.

15. CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEO DEL SISTEMA DE AIRE DE INSTRUMENTO Y PLANTA El sistema de aire comprimido se divide en dos (2) partes principales: el suministro y la demanda. Del lado del suministro, se tiene el paquete de compresin, compuesto por el compresor, el motor del compresor, controladores y equipo de tratamiento del aire, como filtros, enfriadores, secadores, tanques de almacenamiento, etc. Por el lado de la demanda, estn el cabezal principal, compuesto por las lneas principales de distribucin, mangueras, reguladores de presin, vlvulas, lubricadores, equipo neumtico, etc. Cada uno de los elementos mencionados, tanto del suministro como de la demanda, tienen una aplicacin especfica para el mejor desempeo del sistema y, en cada caso, se debe cuidar su funcionamiento a travs de un adecuado mantenimiento.

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Los sistemas de aire de instrumentos son crticos para la propia operacin de las facilidades ya que todos los instrumentos y controles dependen de su grado de humedad. Muchos sistemas son diseados con 100% o ms de respaldo en el sistema de compresin de aire. Generalmente los sistemas son diseados para proveer una presin de 100 psig (6,9 barg) a los diferentes usuarios de la planta. El valor de 100 psig (6,9 barg) es solicitado en el lmite de batera de la unidad de aire en operacin normal, es decir, aguas abajo de los equipos de tratamiento de aire. Las vlvulas grandes con requerimientos de cierre rpido habitualmente necesitan esta presin para operar en forma apropiada. Un nmero variado de tipos de compresores es utilizado para los sistemas de aire de instrumentos. Puesto que el aire es necesario a 100 psig (6,9 barg) de presin, la razn de compresin debe estar sobre 7,5. Si se utilizan compresores reciprocantes, se necesitan mltiples etapas. Los compresores de tornillo (bien sea lubricados o libres de aceite) son los ms utilizados para este servicio. Un ejemplo de unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta se muestra en la Figura 10. Su capacidad depende de los requerimientos de aire necesarios para el funcionamiento de las vlvulas de control y vlvulas de accionamiento neumticos (on/off), la presurizacin de los paneles de control local, operacin de herramientas en los talleres de mantenimiento, estaciones de servicio y equipos o sistemas de procesos donde el aire es una fuente de alimentacin y no se dispone de ventiladores y/o compresores dedicados para prestar esa funcin. La unidad paquete opera de la siguiente manera: los compresores toman aire de la atmsfera, el cual se hace pasar por un filtro de succin, y lo comprime hasta la presin que es requerida en la planta. De all el aire se pasa por un enfriador que le baja la temperatura adquirida por el efecto de la compresin y por una trampa de condensado en la que se le retira el aceite y el agua que se forma, para luego llegar a un recipiente acumulador, que permite la estabilizacin de la presin del sistema y provee un tiempo de reserva para el funcionamiento de la planta, as mismo en este acumulador se elimina el resto del condensado que se forma, drenndolo por el fondo del recipiente. Luego segn el uso previsto del aire, una fraccin se pasa directamente a la red de distribucin de aire de planta y la otra se enva a la seccin de secado, donde el aire se filtra, para remover impurezas y contaminantes, antes y despus de su paso por unos recipientes adsorbedores en donde se remueve la humedad

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por medio del contacto con un lecho adsorbente. Finalmente el aire es enviado a un receptor de aire de instrumento o pulmn, especialmente diseado para suministrar al sistema un tiempo de reserva para el servicio, durante contingencias, y se permita a la planta parar de manera segura.

Figura 10. Esquema Tpico de Unidad Paquete de Aire de Planta y Aire de Instrumento.

La unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta es un sistema basado en la compresin y tratamiento del aire atmosfrico, con el fin de otorgarle las condiciones necesarias de presin y temperatura para su uso industrial dentro de una planta de procesos qumicos, petroqumicos, produccin, termoelctrica, de gas (extraccin y fraccionamiento) refinacin y/o mejoramiento de crudos, entre otras. Dependiendo de la capacidad de las unidades paquetes de aire de instrumento y aire de planta, los vendedores agrupan los equipos de la unidad en uno o varios skids o patines. Para el caso de unidades paquetes de baja capacidad

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todos los equipos vienen ensamblados en un solo patn o skid, mientras que para unidades paquetes de alta capacidad se agrupan los equipos por patines o skid de equipos paquetes. La funcin de estos equipos paquetes es hacer ms cmoda y verstil la procura, movilizacin, instalacin y mantenimiento de la unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta. La Figura 11 muestra un skid tpico del paquete de aire de instrumentos.

Figura 11. Diagrama Isomtrico de una Unidad Paquete de Aire Comprimido.

Fuente: Catlogo Ingersoll - Rand

15.1. Equipos que conforman el paquete de aire de planta e instrumentos A continuacin se explica de forma breve las caractersticas de los equipos que conforman una unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta.

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15.1.1. Compresores de Aire Los tipos de compresores normalmente usados en una unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta son: centrfugos, axiales y reciprocantes del tipo no lubricados, ya que con ello se evita la introduccin de aceite lubricante a la unidad, favoreciendo la calidad del servicio y evitando incluir mecanismos extras de separacin que son necesarios para retirar dicho material. Definir los equipos como no lubricados implica que no se agrega aceite lubricante a la cmara de compresin del aire, sin embargo el compresor continuar usando aceite lubricante en la seccin del motor, engranajes, acoples, cojinetes, entre otros. [6]

Figura 12. Principales equipos utilizados en Sistemas de Aire de Instrumentos.

En la Figura 12 se muestra un cuadro resumen con los principales tipos de compresores utilizados en estos sistemas, indicando las capacidades mximas aproximadas con lo cual se puede realizar una pre-seleccin inicial. Los Compresores del tipo centrfugos y los rotatorios de pistn lquido eliminan la necesidad de aceite lubricante ya que no es requerida una lubricacin interna en estos equipos.

Tipos de Compresores

Flujo Intermitente Flujo Continuo

Reciprocantes Rotativos Dinmicos

* Efecto Simple

* Doble Efecto

Capacidad hasta

de 1500 scfm.

Comunmente los

ms utilizados

en estos

Sistemas

* Tornillo

Capacidad de

400-1300 scfm

* Pistn lquido

Capacidad de

20-450 scfm

* Paleta deslizante:

Capacidad de

100-500 scfm

* Centrifugos

Altas capacidades

>1500 scfm

* Axiales

Flujos hasta

1000 000 scfm, Muy

poco utilizados en

estos Sitemas

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Algunos compresores son identificados como libres de aceite (Oil-free), aunque internamente estn lubricados con aceite, ya que utilizan unos filtros para remover las partculas remanentes de aceite en el aire comprimido. Estos filtros pueden limitar con el tiempo la calidad del aire, por lo tanto, compresores No lubricados son los ms recomendados. En los compresores lubricados, vapores de aceite son generados debido a altas temperaturas y al esfuerzo cortante mecnico de la pelcula de aceite lubricante. La cantidad y fineza de las partculas de vapor de aceite son determinadas por factores mecnicos en la cmara de compresin, velocidad del pistn, clearance, viscosidad del aceite, etc. Si es necesario utilizar compresores lubricados, aunque no sea una prctica comn, se puede hacer pero se requiere asegurar la remocin de aceite para evitar daos en los componentes del sistema de aire y en los usuarios finales. Si los vapores de aceite no son removidos del compresor de aire, lentamente se formarn gotas lo suficientemente grandes como para taponar el sistema de tuberas con lquidos de aceite; adems, la presencia de aceite causa contaminacin en la instrumentacin y la posibilidad de crear una mezcla combustible. Este fenmeno ocurre en orificios, reductores de presin, boquillas, etc. Las partculas de aceite varan en tamao aproximado de 5 micrones o menos y pasan a travs de los filtros convencionales de aire diseados para remover grandes tamaos de gotas de agua y suciedad, por lo cual es necesario utilizar filtros coalescentes para remover partculas de aceite por debajo de 3 micrones, que remueven a su vez grandes tamaos de gotas sin causar taponamiento o una apreciable cada de presin. Previsiones deben ser tomadas para la recuperacin y posterior disposicin de aceites lubricantes de acuerdo a las regulaciones ambientales locales vigentes. Si un aceite sinttico es utilizado para lubricar compresores, se debe evaluar su compatibilidad con los instrumentos finales de uso. Por ejemplo, vapores de steres generados por aceites sintticos pueden causar daos en los elastmeros de los mecanismos finales de utilizacin. En general, comparando los costos de instalacin de compresores en Sistemas de Aire de Instrumentos, las siguientes observaciones pueden ser tenidas en cuenta para su seleccin:

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Compresores Reciprocantes y centrfugos son la eleccin usual para Sistemas de Aire de Instrumentos. Los tipos reciprocantes deben ser considerados para flujos inferiores a 1500 scfm (2550 m3/h). Modelos no lubricados tienen altos costos tanto en instalacin como en mantenimiento, pero estos proveen sistemas de aire de instrumentos limpios y libres de aceite.

Para flujos de aire superiores a 1500 scfm (2550 m3/h), compresores centrfugos deben ser considerados. Los costos de instalacin y mantenimiento son bajos y ellos estn disponibles en modelos no lubricados.

Los compresores de pistn lquido pueden ser considerados para flujos de aire libre de aceite hasta de 500 scfm (850 m3/h), usualmente son ms econmicos que compresores lubricantes no lubricados.

Para un flujo de aire entre 100 a 500 scfm (170 a 850 m3/h), los compresores rotatorios tipo paleta son utilizados y tienen un bajo costo de instalacin, pero modelos tipo no lubricados no estn disponibles.

En el rango de 500 a 1500 scfm (850 a 2550 m3/h) de flujo de aire, los compresores tipo tornillo pueden ser instalados a un menor costo que los compresores centrfugos o reciprocantes. Sin embargo, estos equipos no son libres de aceite.

La presin de descarga del compresor comnmente se especifica en 125 psig (8,6 barg), de tal forma que al considerar las prdidas de presin en los equipos de secado, filtros, lneas de distribucin y reguladores de presin, la presin del aire en la salida de las unidades de secado sea de mnimo 100 psig (6,9 barg). Instrumentos operados neumticamente requieren una presin de aire de 35 psig (2,4 barg) o menor. Posicionadores de vlvulas de control y actuadores tipo pistn pueden requerir aire seco a una presin de 60 psig (4,1 barg) o mayor. Generalmente se usan como mnimo dos compresores, los cuales pueden trabajar con diferentes tipos de accionadores: turbina de vapor, motores de combustin, motor elctrico, para evitar problemas de suministro al momento de una falla en la planta. No existe una regla para establecer el nmero de compresores en una unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta, normalmente se especifica una

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unidad paquete con dos compresores al 100% (uno en operacin y otro de respaldo). No obstante, la instalacin de ms de 2 compresores debe ser considerada al tener en cuenta la reparacin o mantenimiento de los equipos, variaciones significativas en el consumo de aire comprimido en la planta o que la procura de varias unidades pequeas resulte ms atractiva econmicamente que la de dos unidades de alta capacidad. En algunos casos especiales se coloca un equipo extra de emergencia con capacidad suficiente para suplir los requerimientos de aire de instrumento asociado a los instrumentos de los equipos crticos del proceso que deben seguir en funcionamiento en cualquier contingencia que se presente.

Aunque se han expuesto los aspectos ms relevantes para la seleccin del compresor, conviene consultar al fabricante del equipo, exponerle las condiciones especficas de la aplicacin, para que ste haga su mejor recomendacin. Para mayor informacin se recomienda ver los criterios de seleccin de compresores en la Gua para la Especificacin de los Compresores 903-HM120-P09-GUD-031 de inelectra.

15.1.2. Enfriadores Inter-etapa y Post-enfriadores El aire, como cualquier gas, cuando es comprimido genera calor asociado al trabajo realizado sobre el mismo. Este calor puede ser considerable al trabajar con relaciones de compresin medianas o altas, pudindose alcanzar temperaturas extremas.

Para alargar la vida til del compresor y sus componentes, evitar prdidas de capacidad y disminuir el consumo de potencia, muchos compresores multi-etapas incluyen dentro de su configuracin inter enfriadores que permiten aumentar la eficiencia del equipo.

Es comn agregar post enfriadores a la salida de los compresores de la unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta con la finalidad de enfriar el aire comprimido y satisfacer los requerimientos de temperatura del sistema (normalmente se garantiza una temperatura de salida de 10F (5,6 C) sobre la mxima temperatura ambiente), as como disminuir la humedad de la corriente de aire, ya que al bajar la temperatura el vapor de agua presente en el aire se condensa y puede ser retirado del sistema.

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Figura 13. Post-Enfriadores de Aire. Fuente: MPARent Los sistemas de enfriamiento usados en la unidad paquete de aire de instrumento y aire de planta pueden ser del tipo enfriadores por aire (Figura 13) o enfriadores por agua. Estos se seleccionan de acuerdo a la disponibilidad del servicio de agua de enfriamiento en la planta y la capacidad de diseo de la unidad paquete a instalar, ya que en unidades paquete de gran capacidad se requieren enfriadores de aire que ocupan un mayor espacio que los enfriadores por agua convencionales de tubo y carcasa. Los enfriadores por aire son los sistemas ms econmicos y prcticos ya que usan aire ambiental como fluido de enfriamiento, sin embargo se ven limitados por la mxima temperatura de enfriamiento que ofrecen. Los enfriadores por agua son equipos con dimensiones ms pequeas y eficientes en los que se puede lograr enfriar el aire a una temperatura ms baja que la que normalmente se alcanza con los enfriadores por aire.

Los inter-enfriadores (en caso de tenerlos) y post-enfriadores de aire deben estar provistos de un separador mecnico, con el cual se recolecte cerca del 70-80% del condensado generado por el enfriamiento del aire. El separador debe poseer una vlvula de drenado automtico y un desvo para el drenado manual para cuando la vlvula automtica se encuentre en mantenimiento. La temperatura de salida de los post enfriadores debe ser 5-10F (2,8 5,6 C) por encima de la temperatura de entrada del fluido de enfriamiento. El proveedor del sistema se encargar de informar la necesidad de incorporar inter enfriadores entre las etapas de compresin y el tipo de enfriador (por aire o por agua) usado para los inter enfriadores y post enfriadores.

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15.1.3. Tambor Acumulador de Aire El tambor acumulador de aire (Figura 14), ubicado aguas abajo de los post enfriadores, acta como un depsito de compensacin o antioleaje para amortiguar las pulsaciones de las descarga del compresor, como tambor para separacin de condensados y como tambor de almacenamiento para proporcionar un suministro de aire por un tiempo predeterminado cuando se presente una falla del compresor y permitir una parada segura de las unidades de proceso.

Figura 14. Acumulador de Aire Vertical. Fuente: Kaeser Compresores. Para plantas con requerimientos de alta capacidad y tiempo de reserva de aire de instrumento que originan acumuladores de gran tamao, este equipo se ubica aguas abajo del secador, por esta razn en su lugar se debe colocar un pequeo tanque recibidor que retire el condensado que se genera en la lnea y permita estabilizar la presin del sistema con el fin de regular el ciclo de trabajo del compresor. El tambor pulmn se ubica aguas abajo de los secadores y normalmente no se especifica y/o solicita dentro de la unidad paquete. En algunos casos, pueden ser especificados varios tambores acumuladores de tamao moderado para evitar un solo equipo con dimensiones muy grandes. Normalmente se utiliza una relacin L/D igual a 3 para el diseo del tambor acumulador o del recibidor. Si los requerimientos de capacidad son pequeos y el tiempo de reserva del aire de instrumento origina acumuladores de menor tamao, el equipo se sita luego del post enfriador.

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El acumulador de aire o pulmn, de acuerdo a su ubicacin, brinda beneficios adicionales como control del ciclo de arranque y parada del compresor, control del auto encendido del compresor auxiliar, disminuye la temperatura, intercambiando calor con el ambiente, y retira humedad de la corriente de aire.

La temperatura de operacin del acumulador es tpicamente menor que la temperatura de roco del aire entrando al acumulador, esto causa que la humedad condense en el interior del acumulador. Para ayudar a prevenir la intrusin de partculas y condensado, la lnea de salida de aceite debe ser localizada lo ms cerca posible al tope del tambor y por encima de la lnea de entrada. Una trampa de drenaje automtico, con un desvo (by-pass) manual, debe ser instalada lo ms cerca posible al fondo del acumulador para disponer los condensados. Los drenajes de un acumulador son susceptibles a taponamientos, por lo cual las lneas deben ser provistas de una facilidad para su limpieza. En estos equipos se recomienda la instalacin de indicadores, visores o alarmas de nivel a fin de poder monitorear una posible falla en la trampa de condensado. El volumen de tambor recibidor puede ser calculado con la siguiente frmula: Unidades inglesas:

)460(*)(

)460(***

TstdPP

TPQtV

mnmx

opatm

recib Ec. 3

Unidades mtricas:

)15,273(*)(

)15,273(***

TstdPP

TPQtV

mnmx

opatm

recib Ec. 4

El tiempo de compensacin es el tiempo requerido para que la presin en el recibidor cambie desde el lmite mximo de presin (Pmx) hasta la presin mnima requerida (Pmn). Este tiempo puede ser definido generalmente en cinco a diez (5-10) minutos, el cual puede ser considerado adecuado para disponer de aire cuando se presente una parada de emergencia en la Planta o para activar un sistema de respaldo de aire. Sin embargo, este tiempo debe ser definido de acuerdo a las caractersticas operativas del sistema de aire de

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instrumentos a ser instalado y del sistema de respaldo y de emergencia que se disponga o se prevea instalar. Instalaciones que no posean un sistema de respaldo o que la accin correctiva de la falla del compresor no se puede realizar en corto tiempo, deben ser diseados con tiempos de almacenamiento mayor, por lo cual se considera conveniente analizar con el Cliente el valor de este criterio. La presin mxima de operacin del recibidor ser la correspondiente al mximo valor de presin de descarga del compresor. Para definir el valor de presin mnima que alcanza el recibidor cuando ocurre una falla del compresor, se debe tener en cuenta que por lo general los posicionadores de las vlvulas de control requieren una presin de aire superior a 60 psig (4,1 barg)[1], por lo que, si se considera las prdidas por friccin en tuberas, pre-filtros, unidades de secado y en los post-filtros, una presin mnima aproximada de 75 psig (5,2 barg) en el recibidor de aire es requerida. Una vez definido el volumen del tambor se puede estimar un dimetro, calcular el rea del cilindro y por consiguiente la longitud; luego se calcula la relacin L/D (longitud/dimetro), verificando que esta se encuentre entre 2,5 a 5, que es comnmente aceptado como ptimo de acuerdo a criterios econmicos y operacionales.

El Anexo 1 muestra la Hoja de clculo desarrollada por el Departamento de Procesos para calcular el volumen del tambor recibidor del sistema de aire de planta e instrumento.

15.1.4. Filtros de Aire

En las plantas de procesos se requiere aire de instrumento y aire de planta con altos criterios de calidad, el aire debe estar libre de contaminantes como aceite, agua (humedad) y partculas de slido; la mejor forma de evitarlos es con el uso de filtros. Generalmente estos filtros se ubican en lugares crticos donde se generan los contaminantes. Un filtro de succin en la alimentacin del compresor, reduce la introduccin de polvo atmosfrico presente en el aire, un filtro a la salida del secador atrapa las partculas de lecho adsorbente que se desprenden de los secadores y evita su penetracin en la red de distribucin de aire comprimido, mientras que es obligatorio el uso de un pre filtro a los secadores tipo adsorbentes, para evitar el paso de agua libre y aceite que saturaran y contaminaran el lecho rpidamente [2].

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A pesar de usar compresores no lubricados, existe el riesgo de la presencia de aceite en el sistema, ya que puede ingresar en el aire atmosfrico, por esta razn se instalan los tipos de filtros que retengan tanto vapores de aceite como condensado. Generalmente se usan filtros coalescentes ya que remueven agua y aceite, poseen una eficiencia del 99.98% para partculas de 0.1 y 0.01 micrmetros y su cada de presin vara entre 1 y 3.5 psi (0,07 y 0,24 bar) [1].

En la Figura 15 se muestran estos filtros.

Figura 15. Filtros coalescentes. Fuente: Sullair.

15.1.4.1. Pre-Filtros Pre-filtros, generalmente del tipo cartucho coalescentes, son requeridos para evitar la entrada de aceite, agua u otros condensados a los secadores de aire, por lo cual son instalados aguas arriba de las unidades de secado. Una trampa de drenaje automtico con desvo (by-pass) manual es recomendada para su instalacin. Adems, pre-filtros instalados en paralelo, con sus respectivas vlvulas de corte, deben ser utilizados cuando el sistema no pueda salir de operacin para mantenimiento de los equipos. Generalmente los filtros cuentan con tomas de presin diferencial para instalacin de instrumentos indicadores, y transmisores de presin diferencial

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con alarma, por obstruccin del filtro, para permitir un intercambio manual al otro filtro mediante un desvo (by-pass) sin sacar de operacin la unidad. En la Figura 16 se muestran estos filtros.

Figura 16. Pre-Filtros. Fuente: General Air Products.

15.1.4.2. Post-Filtros Los post-filtros proveen la limpieza final de la corriente de aire removiendo las partculas de material desecante que pudiera arrastrar la corriente de aire a la salida del secador. El post filtro debe disearse para filtrar cualquier residuo de almina desecante u otras partculas que estn dispersas en el aire proveniente de las columnas desecantes. Para secadores tipo refrigerados, se recomienda el uso de filtros coalescentes. Se deben instalar dos (2) unidades con capacidad del 100% del flujo del aire. El proveedor debe suministrar la informacin asociada al ciclo de vida del filtro, generalmente se trabaja con filtros de 120 meses de vida til a operacin normal.

15.1.5. Secadores de Aire El aire atmosfrico est cargado de humedad que condensa posterior a su compresin y enfriamiento, sin embargo, permanece saturado y a medida que el aire se vaya enfriando, se ir condensando mayor cantidad de agua. Para evitar daos al sistema y a los equipos que lo utilizan es necesario retirar la mayor cantidad de humedad posible. Esto se logra por medio de la instalacin

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de unidades secadoras especialmente diseadas para tratar el aire de instrumento. Los secadores de aire deben ser diseados para lograr que la temperatura de punto de roco se encuentre a -40F (-40 C) a 100 psig (6,9 barg) en la lnea de presin, ya que generalmente el valor de temperatura no cae por debajo de este valor. En reas de extremo fro, el punto de roco debe ser ms bajo, hasta de -100F (-73 C) a la presin de operacin. En general, el punto de roco debe estar varios grados por debajo de la mnima temperatura que se encuentre en el sistema. Para instalaciones que se encuentran bajo cubierta o donde las lneas de aire nunca estn expuestas a bajas temperaturas, una temperatura de roco de -40F (-40 C) no es necesaria. Para determinar la mnima temperatura del sistema debe ser considerado el efecto de enfriamiento del gas, luego de una expansin adiabtica del gas comprimido hasta una baja presin. Varios tipos de secadores son utilizados para remover la humedad del aire comprimido. Los dos tipos bsicos de secadores utilizados en sistemas de aire de instrumentos son los refrigerantes y los desecantes regenerativos. Separadores mecnicos estn disponibles (tipo expansin y cicln), pero estos no producen la calidad del aire requerida para un sistema de aire de instrumentos. La seleccin del tipo de secador a utilizar depende de las condiciones reales del flujo de entrada bajo las cuales se espera opere el secador, de la calidad del aire a ser producido, de la presin del aire, de la humedad relativa deseada y de los costos de operacin del sistema (electricidad, vapor, agua, etc.). El Cuadro 5 muestra los tipos de secadores de aire ms utilizados en la industria [16].

15.1.5.1. Secadores Tipo Desecantes Regenerativos Los secadores tipo desecantes o por adsorcin, son los equipos ms utilizados en sistemas de aire de instrumentos instalados a la intemperie. Este tipo de secador es el que se muestra en la Figura 17. El desecante es un material higroscpico que fcilmente toma y retiene la humedad del aire en su superficie. Un material desecante tpico adsorber aproximadamente un 45% de su peso en agua.

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Cuadro 5. Tipos de Secadores de Aire

Tipo de Secador Rango de Flujo (1) Rango de Punto de

Roco a la salida de la lnea de presin

Requerimiento de servicios

Desecante Regenerativo

Con Calentamiento (2)

0 10 000 scfm @ 100F y 100psig

(0 -16 990 m3/h @ 38C y 6,9 barg)

0 a -40F (0 a -40C) Electricidad o

Vapor

Desecante Regenerativo

Sin Calentamiento

0 10 000 scfm @ 100F y 100psig

(0 -16 990 m3/h @ 38C y 6,9 barg)

-40F (-40C) Aire

comprimido seco

Desecante Regenerativo Tipo Calor de compresin (3)

0 10 000 scfm @ 300F y 100psig

(0 -16 990 m3/h @84C y 6,9 barg)

0F a 40F (-18C a 4C )

Aire caliente y electricidad

Refrigerante

0 -5 000 scfm @ 100F y 100psig (0

8500 m3/h @ 38C y 6,9 barg)

35F a 40F (2C a 4C)

Electricidad

5000 -10 000 scfm @ 100F y 100psig (8500

16990 m3/h @38C y 6,9 barg)

50F (10C )

Electricidad

(1) Valores mostrados son tpicos pero pueden variar de acuerdo al fabricante. (2) Secadores no recomendados cuando se utilizan compresores lubricados. (3) Si la temperatura de descarga del aire comprimido es menor a 275F (135C), un

calentador adicional es requerido para la regeneracin del desecante.

Los secadores desecantes estn llenos con un desecante slido, tal como Almina activada o slica gel, el cual remueve vapor de agua cuando el aire pasa a travs del lecho de secado. El desecante debe ser regenerado para remover el agua que ha adsorbido en el proceso. Cuando se requiere una calidad de aire con puntos de roco extremadamente bajos, se pueden utilizar tamices moleculares que permiten la adsorcin de pequeas molculas de agua. Normalmente, si se presenta este caso, el aire es pasado primero por un desecante estndar antes de pasar a travs de los tamices moleculares. La capacidad de adsorcin de los materiales desecantes disminuye con el tiempo, por lo que algunos fabricantes recomiendan una vida til del desecante de tres a cinco aos, dependiendo de las condiciones de operacin. Se recomienda monitorear las condiciones del desecante para de esta forma

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asegurar la calidad del aire, reducir el tiempo de cambio del desecante y reducir los costos de mantenimiento. Los secadores para aire de instrumentos son subclasificados de acuerdo al mtodo de regeneracin utilizado para remover el agua; algunos son regenerados con calentamiento, otros sin calentamiento y otros aprovechando el calor de compresin.

Figura 17. Secadores Tipo Desecantes Regenerativos. Fuente: Hankison

International.

15.1.5.2. Secadores Desecantes Con Calentamiento

Los secadores con calentamiento constan bsicamente de dos cmaras o torres llenas de desecante, las cuales se encuentran conectadas en paralelo. El desecante en una de las dos torres es utilizado para secar la corriente de aire, mientras que el desecante en la otra torre est siendo regenerado por la aplicacin de calor. El vapor de agua eliminado en la regeneracin del desecante puede ser enviado nuevamente a la atmsfera. Este sistema est normalmente diseado para un ciclo de operacin de 4 a 8 horas. Calentamiento con vapor o electricidad es utilizado para la regeneracin, y el sistema de calentamiento puede ser interno, dentro de la cmara de secado, o provenir de una fuente externa de calentamiento, calentador fuera de la cmara de secado. En la Figura 18 se muestra un esquema de operacin de este tipo de equipos.

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Figura 18. Esquema de operacin Secadores desecantes con Calentamiento

Los costos de operacin de estos equipos son altos debido al consumo energtico del calentador y tambin por las prdidas de aire en la purga que puede ser del 1 a 2% de aire. La unidad que se est regenerando es purgada con aire seco antes de que entre en servicio. Posteriormente la torre que estaba en regeneracin pasa a servicio y la que estaba en servicio a regeneracin, completando as el ciclo de secado.

15.1.5.3. Secadores Desecantes Sin Calentamiento

Los secadores desecantes sin calentamiento son similares a los secadores tipo con calentamiento, excepto que no se utiliza una fuente externa de calor para la regeneracin del lecho de secado. El cambio de operacin de una cmara de secado a otra se puede realizar desde 1 a 5 minutos, dependiendo del requerimiento de punto de roco de la corriente de salida. Para la regeneracin del desecante en una cmara, una porcin de aire seco que ha pasado por la cmara de secado, es expandida para reducir su presin (atmosfrica) y pasa a travs del lecho de desecante saturado en agua.

Pu

rga

Unidad en

RegeneracinUnidad en

servicio

Puga Aire (2% )

a la Atmsfera

Aire Seco

Aire Comprimido

vv v v

vvv

v

v

vv

v

v

vvv

v

vv

v

vv v

v vv v v

v

vvv

v

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v

v

vvv

v

vv

v

v

v

v

v

Calentador

Vapor

Condensado

v

v

v

v

v

v

v

vv

v

vv v

vvv

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La porcin de aire utilizada para reactivar el desecante es llamada purga. Una vez el aire pasa por el lecho de secado, este es desorbida de agua y el aire es enviado a la atmsfera. La cantidad de aire purgado es mayor que el purgado en los secadores del tipo regenerativo con calentamiento. En la Figura 19 se muestra un esquema de operacin de este tipo de equipos.

Figura 19. Esquema de operacin Secadores desecantes sin Calentamiento

La cantidad exacta de aire para regenerar depende de la presin de operacin, la temperatura del aire, el flujo de aire y el grado de secado requerido. Esta cantidad puede ser entre 8-11% para climas medios, 12-13% para climas fros y hasta de 18% en climas extremadamente fros (hasta -20F). La Figura 20 muestra algunas curvas tpicas de porcentaje de aire utilizado para reactivacin versus el porcentaje de humedad relativa a diferentes presiones de operacin.

Pu

rga

Unidad en

RegeneracinUnidad en

servicio

Puga Aire

(10-15%) a la

Atmsfera

Aire Seco

Aire Comprimido

vv v v

vvv

v

v

vv

v

v

vvv

v

vv

v

vv v

v vv v v

vvv

v

v

v

v

v

vvv

v vv

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Figura 20. Porcentaje de aire utilizado para reactivacin Vs Porcentaje de humedad relativa para secadores sin calentamiento

15.1.5.4. Secadores Calor de Compresion Heat of Compression HOC

En este tipo de compresores, el aire comprimido seco es utilizado para regenerar el desecante, por lo que no se requiere calentamiento y, a diferencia de los anteriores, las prdidas por fugas se reducen al mnimo, por lo cual estos tipos de equipos son muy usados actualmente por sus bajos costos operativos. El secador consta de dos tambores, A y B, uno se encontrar en servicio por un tiempo aproximado de cuatro horas, mientras que el otro estar en etapa de reactivacin, la cual consiste en un perodo de calentamiento por dos horas y media y un perodo de enfriamiento durante una hora y media. Despus de este ciclo, el tambor que est en reactivacin pasa a servicio y el que estaba en servicio pasa a reactivacin. El ciclo de regeneracin consiste de un ciclo de calentamiento y uno de enfriamiento, como se explica a continuacin: Tambor A en servicio, tambor B en reactivacin:

% d

e H

um

edad R

ela

tiva d

el A

ire d

e s

alid

a

25

50

75

100

0 5 10 15 20

0

75 psig

% de Aire utilizado para la Regeneracin

100 psig

150 psig

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Ciclo de Calentamiento En la Figura 21 se muestra el esquema de operacin para este ciclo.

Figura 21. Ciclo de Calentamiento en secadores HOC

Aire del compresor pasa por la vlvula de cuatro vas V2 y V1 y es direccionado hacia el tambor B para iniciar el ciclo de calentamiento. Desde el tambor B el aire pasa a travs de la vlvula V3 y V2 hacia el post-enfriador AC1, donde se retiene parte de la humedad. Luego, el aire pasa nuevamente por la vlvula de cuatro vas V3 y se dirige al tambor A, donde la humedad es adsorbida por el desecante y finalmente pasa por la vlvula V1 hacia un post-enfriador AC2, donde el aire es enfriado a 95-104F (35-40C). El tiempo de duracin del ciclo de calentamiento es normalmente de dos horas y media (2 horas).

Ciclo de Enfriamiento En la Figura 22 se muestra el esquema de operacin para este ciclo.

Unidad en

Calentamiento

Unidad en

servicio

Aire Seco

Aire

Comprimido

vv v v

vvv

v

v

vv

v

v

vvv

v

vv

v

vv v

vvv v v

vvv

v

v

vv

v

v

vvv

v

vv

v

vv v

v

A B

AC1

AC2V1

V2

V3

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Figura 22. Ciclo de Enfriamiento en secadores HOC

Aire del compresor pasa por la vlvula de cuatro vas V2, luego es enfriado en el post-enfriador AC1 y direccionado al tambor B, al pasar por la vlvula V3. Despus de enfriado el desecante en el tambor B, el aire pasa a travs de las vlvulas de cuatro vas V1, V2 y V3 y entra al tambor A, el cual est en servicio. El aire seco obtenido entra luego al post-enfriador AC2, al pasar antes por la vlvula V1, y es enfriado a 95-104F (35-40C). El tiempo de duracin del ciclo de enfriamiento es normalmente de una hora y media (1 hora), con el cual se completa el ciclo de secado de cuatro horas aproximadamente.

15.1.5.5. Secadores Refrigerantes

Este tipo de equipos utilizan un refrigerante para enfriar el aire, y de esta forma reducir el punto de roco, hasta una baja temperatura que no puede ser obtenida con aire o agua. Los componentes del sistema son un compresor refrigerante, un evaporador, un condensador, un separador y un intercambiador de calor.

Unidad en

Enfriamiento

Unidad en

servicio

Aire Seco

Aire

Comprimido

vv v v

vvv

v

v

vv

v

v

vvv

v

vv

v

vv v

vvv v v

vvv

v

v

vv

v

v

vvv

v

vv

v

vv v

v

A B

AC1

AC2V1

V2

V3

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Estos equipos conforman un ciclo cerrado en el cual el aire comprimido es pre-enfriado en un intercambiador de calor, con aire fro proveniente del evaporador, y direccionado al evaporador, en donde un refrigerante enfra el aire a unas condiciones dadas de temperatura. El refrigerante evaporado en el evaporador pasa luego por una unidad de refrigeracin, que consta de un compresor refrigerante, un condensador, un intercambiador de calor y un tambor recibidor de lquidos, para luego entrar nuevamente al evaporador y cerrar el ciclo de refrigeracin. En la Figura 23 se muestra el esquema tpico de operacin de este tipo de secadores.

Figura 23. Esquema de operacin de Secadores Refrigerantes

Los secadores refrigerantes son diseados comnmente con una temperatura de salida del aire de 35F (2C) en la lnea de presin, con un punto de roco considerablemente bajo a la presin atmosfrica, de -10 a -20F (-23 a -29C), por lo cual pueden ser utilizados en varias aplicaciones.

Aire Seco

Aire

Comprimido

Recibidor

lquido

Separador

Intercambiador

de calor

Condensador

Evaporador

Agua de

Enfriamiento

T

Int

Documents

903 HM120 P09 GUD 073(Guia Sistema de Aire)