fespindola

Contenido

CUCEIBIBLIOTECA CENTRAL

Introduccin vii

Seccin 1 SELECCIN

Compresores y bombas: los impulsores de fluidos ms importantesClaves para la seleccin de compresoresCmo obtener la mejor distribucin fsica de la plantapara bombas y compresores

Seccin II CLCULOS Y EVALUACIONES

Evaluacin de compresores centrfugos de etapas mltiplesEmpleo de las curvas de rendimiento para evaluar el comportamientode los compresores centrfugosInterenfriadores y postenfriadores de compresores:prediccin de funcionamiento en condiciones que no son las de diseoEficiencia del compresor: la diferencia est en la definicin;Se puede adaptar un compresor centrfugo?

Una forma fcil de tomar las temperaturas de compresin

Seccin III CONTROL DE OSCILACIONES

Conceptos bsicos sobre el control de oscilacionesen compresores centrfugosControl mejorado de oscilaciones en compresores centrfugosSistemas de control de oscilaciones en turbocompresoresControl de oscilaciones en compresores centrfugos de etapas mltiples

315

33

47

52

61656974

7989

100110

iqebooks

fespindola

Seccin IV

Seccin V

Seccin VI

Seccin VII

OPERACIN Y MANTENIMIENTO

Operacin segura de compresores para oxgenoLubricacin de compresores de aireSeleccin y mantenimiento de bielas de compresores reciprocantesGua para compresores sin problemas

119125129134

SELLOS Y EMPAQUETADURAS

Seleccin e instalacin de sellos mecnicos 147Sellos mecnicos: ms duracin, menos mantenimiento 154Deteccin de fallas en sellos mecnicos 160Por qu fallan los sellos mecnicos 171Seleccin e instalacin de empaquetaduras mecnicas 175

MOTORES PRIMARIOS: TURBINAS DE VAPOR Y DE GAS

Turbinas de vapor y de gasConsidrense las turbinas de gas para cargas pesadasEficiencia de la turbina determinada con calculadora programable

187204216

UNIDADES MOTRICES DE VELOCIDAD AJUSTABLE

Seleccin de unidades motrices de velocidad ajustable 225

Seccin VIII VENTILADORES Y SOPLADORES

ndice

Seleccin de ventiladores y sopladoresVentiladores y sistemas de los ventiladoresEstablecimiento de la curva de rendimiento de un ventilador centrfugoConsidrense los ventiladores de flujo axial cuando se tratede mover gases

243259277

286291

Introduccin

Los compresores utilizados en las plantas de la industria de procesos qumicos suelen ser com-plejos, construidos con precisin y costosos. Por ello, su seleccin, operacin y mantenimientodeben ser cuidadosos. Por ejemplo, la operacin incorrecta puede ocasionar oscilaciones de pre-sin (inestabilidad), condicin en la cual se invierte un instante el flujo de gas dentro del compre- sor. Estas oscilaciones pueden daar los componentes internos del compresor, producir daospor miles de dlares en un corto tiempo y aumentar el costo del tiempo perdido para su repara-cin.

Esta GUA PARA EL USO DE COMPRESORES Y VENTILADORES sugerida por la Revista Che-mical Engineering, est concebida para ayudar a eliminar las osciIaciones y otros costosos proble-mas. Tambin se describe la seleccin de la mquina adecuada para una aplicacin determina-da. Es una obra completa que abarca todos los aspectos que necesita conocer el ingenieroqumico sobre compresores y ventiladores y temas relacionados, como sellos y empaquetaduras.La informacin contenida en este libro proviene de artculos seleccionados que se publicaron enChemical Engineering en los ltimos aos. Es una gua prctica, enfocada a resolver los proble-mas cotidianos de los ingenieros de diseo, planta, operaciones y mantenimiento y les dar losmedios de manejar estas mquinas tan complejas.

Este libro consta de ocho secciones:Seccin 1: Seleccin. Incluye tres artculos sobre la seleccin de compresores en las plantas de

las industrias de procesos qumicos. Se describe cmo funcionan, cmo se seleccionan y el mejorlugar para instalarlos en la planta.

Seccin II: Clculosy evaluaciones. Una serie de artculos que explican y ayudan a simplificar pro-cedimientos como el empleo de las curvas para evaluar el comportamiento de los compresorescentrfugos, la prediccin de funcionamiento en condiciones que no son de diseo en interenfria-dores y postenfriadores, la adaptacin de un compresor centrfugo, la determinacin de las tem-peraturas y otros temas.

Seccin III: Control de oscilaciones. Se incluyen estrategias de control para eliminar las oscilacio-nes en compresores centrfugos, turbocompresores y de etapas mltiples. Se explican las oscila-ciones de presin en detalle y los mtodos convencionales de control para eliminarlas. Se inclu-yen mtodos mejorados.

Seccin IV: Operacin y mantenimiento. Se presentan aqu las formas de lubricar los compresoresde aire; operar con seguridad los compresores para oxgeno, seleccionar y mantener las bielasde compresores reciprocantes y lograr un funcionamiento sin problemas.

Seccin V: Sellos y empaquetaduras. Se estudian en detalle los sellos mecnicos y empaquetadurasjunto con su seleccin, instalacin, funcionamiento, deteccin de fallas y mantenimiento.

Seccin VI: Motores primarios. Se describen las turbinas de vapor y de gas, que son los principa-les. Estos se utilizan para mover equipos y se detallan su teora y funcionamiento.

Seccin VII: Unidades motrices de velocidad ajustable. Se describen los cinco tipos bsicos: c.a.de estado slido, c. c. de estado slido, mecnicas, electromecnicas y fluidas.

Seccin VIII: Ventiladores y sopladores. Se incluyen porque tienen una estrecha relacin con loscompresores. Se muestra la forma de seleccionar ventiladores y sopladores, establecen la curvade rendimiento de un ventilador centrfugo y de emplear los ventiladores de flujo axial para mo-ver gases.

Todo el material que se presenta en las ocho secciones es de ndole general y tan amplio comoha sido posible y le dar al lector vasta informacin acerca de los compresores y equipo relativo.Esta GUA PARA EL USO DE COMPRESORES sugerida por Chemical Engineering seguir siendouna til obra de consulta en aos futuros.

Seccin 1Seleccin

Compresores y bombas: Los impulsores de fluidos ms importantesClaves para la seleccin de compresoresCmo obtener la mejor distribucin fsica de la planta para bombas y compresores

Compresores y Bombas:.Los impulsores de fluidosms importantesSe presenta una gua de la estructura y caractersticas de funcionamiento de compresoresy bombas centrfugos y de desplazamiento positivo y la informacin necesaria para ase-gurar la seleccin correcta y funcionamiento libre de problemas.

Robert W. Abraham, The Badger Co.

La tendencia en la industria de procesos qumicos esconstruir plantas cada vez ms grandes con equipo deun solo componente, ms grande y confiable.

La confiabilidad del equipo rotatorio siempre se debedefinir en trminos de la duracin esperada de la plantay el tiempo de amortizacin requerido para producirutilidades al propietario. Muchas plantas de productosqumicos tienen una duracin esperada de cinco aos omenos, pues el proceso ya ser anticuado al cabo de esetiempo, mientras que las refineras 0 las plantas petro-qumicas tienen un tiempo de amortizacin de 10 a 15aos 0 ms.

Hay algunas preguntas de primordial importanciaque parecen no tener relacin entre s, para evaluar, se-leccionar e instalar equipo rotatorio. Va a ser la plantade proceso continuo o por cargas a lotes? Qu prima seaplica al costo de operacin contra el costo del capital?;Se cuenta con personal idneo para mantenimiento ose piensa minimizar la mano de obra con un control msautomtico del proceso?

Con esos datos, presentes, se puede tratar de evaluary utilizar el equipo existente en el mercado.

El corazn de muchos procesos y el que ms pro-blemas puede ocasionar es el compresor. Cuando se se-lecciona un tipo de compresor, es indispensable contarcon todas las condiciones del proceso para su examen.Si hay algn especialista en la planta, debe estar infor-mado de esas condiciones; no hacerlo, ha ocasionado in-finidad de problemas.

En la figura 1 se ilustran los lmites de funcionamien-to de los compresores de mayor empleo en la IPQ. Sedebe tener cuidado al aplicar la figura 1 porque se pue-den utilizar dos o ms tipos de compresores y hay queestudiar las opciones. El primer paso es definir los tiposy principios de funcionamiento de los compresores.

Compresores centrfugos

En un compresor centrfugo se produce la presin alaumentar la velocidad del gas que pasa por el impulsory, luego, al recuperarla en forma controlada para pro-ducir el flujo y presin deseados. En la figura 2 se ilus-tran un impulsor y difusor tpicos. La forma de la curvacaracterstica depende del ngulo de los labes del im-pulsor en el dimetro exterior del mismo y tambin deltipo de difusor. En la referencia 1 se presenta la teoray tcnica de operacin de los diferentes tipos de impulso-res. Estos compresores suelen ser unitarios, salvo que elflujo sea muy grande o que las necesidades del procesoexijan otra cosa.

La mayor parte de los impulsores para la IPQ son deltipo de inclinacin hacia atrs o inversa, que permitemejor control porque su curva de rendimiento tiene ma-yor pendiente. La velocidad en las puntas de un impul-sor convencional suele ser de 800 a 900 ft/s. Estosignifica que el impulsor podr producir alrededor de9 500 ft de carga, lo que depende del gas que se compri-ma. Si se requieren valores ms altos, se emplean com-

4 SELECCIN

32 00016 000

8000

.z 4 0 0 0c9I 2 000

Capacidad de entrada, Milos de f?/min

Fig. 1 Los compresores cubren lmites amplios parauso en procesos

presores de etapas mltiples. Los gases pesados como elpropano, el propileno o fren necesitan una reduccinen la velocidad en las puntas, porque estos gases tienenvelocidades snicas ms bajas, comparadas con el aire.Para ellos, el nmero de Mach relativo en el lado del im-pulsor est limitado a 0.8.

En la referencia bibliogrfica 2 se encuentra un resu-men que describe la razn del cambio de las curvas ca-ractersticas. Cuando se evala un compresor centrfu-go, se debe prestar mucha atencin al porcentaje de au-mento en la presin, desde el punto normal de funciona-miento hasta el punto de oscilacin. Este punto se definecomo el lugar en donde una reduccin adicional en elflujo ocasionar inestabilidad en forma de flujo a pulsa-ciones y pueden ocurrir daos por sobrecalentamiento,falla de los cojinefes por la inversin de empuje o por vi-bracin excesiva.

Debido a las altas velocidades de los compresores cen-trfugos, se debe tener ms cuidado con el balanceo delrotor. La industria ha aceptado, en general, la siguientefrmula para los lmites de vibracin permisibles en eleje o rbol del compresor:

en donde 2 es el lmite de vibracin permisible, pico apico, en mils (milsimas de pulgada) y rz es la velocidad,en rpm. 2 tiene un lmite mximo de 2.0 mil a cualquiervelocidad. Debido a las altas velocidades, muchos usua-rios especifican la instalacin de monitores de vibracindel tipo sin contacto para detectar las vibraciones excesi-vas del eje.

Segn sea el sistema para el proceso, se necesitan di-versos controles contra oscilacin para evitar que elcompresor llegue al valor en el cual se producen. Por logeneral, se debe incluir un factor de seguridad de 5 a10 % para los controles automticos. Los circuitos de re-sistencia simple quiz no necesitarn controles contra

Perfil depresin

Fig. 2 Flujo de gas en un compresor centrfugo

oscilaciones porque nunca se llegar a la lnea en que seproducen (Fig. 3).

Cuando se aplica una contrapresin ftja en el compre-sor, se debe tener cuidado especial para seleccionar unacurva de rendimiento de pendiente pronunciada; es de-cir, un aumento en la carga de alrededor de 10 a 15 %desde el punto nominal hasta el punto de oscilacin oinestabilidad (Fig. 4). Cuando se recircula el gas en elcircuito contra oscilaciones, hay que enfriarlo antes dedevolverlo a la entrada del compresor. Adems, si se de-sea velocidad variable, se utiliza un control de presinpara regular la velocidad de la unidad motriz.

Capacidad, % del punto nominal

Fig. 3 La resistencia al flujo se debe slo a la

friccin

COMPRESORES Y BOMBAS:

Cuando se requieren contrapresin y cada porfriccin fijas, se necesitar un sistema contra oscilacio-nes, en especial si pueden haber grandes variaciones enel flujo y la presin (Fig. 5). El aumento en la carga des-de el punto nominal hasta el de oscilacin debe ser,cuando menos, del 10% para tener buena estabilidad.El sistema de control es el mismo que el de la figura 4y, por lo general, estar basado en la medicin del flujoen el compresor. Tambin en este caso se debe enfriarel flujo en derivacin (bypass) antes de devolverlo al com-presor.

Para el proceso, el compresor centrfugo tiene la ven-taja de que enva gas libre de aceite y de que no haypiezas que se desgasten en la corriente del compresor.Hay disponibles varios tipos de sellos de extremo. La se-leccin depende de la presin de succin del compresor,porque casi todos tienen el extremo de descarga equili-brado contra la presin de succin; es decir, los extre-mos de entrada y descarga del compresor tienen la pre-sin de succin. A continuacin se mencionan tipos desellos y sus lmites normales de presin. La configura-cin se muestra en la figura 6

Tipo de sello Presin aproximada,

psigLaberinto 15Anillo de carbn 1 0 0Contacto mecnico 500Pelcula de aceite 3 000 0 mayor

Hay variantes de estos sellos. Por ejemplo, si el gas deproceso contiene un componente agrio como el H,S,

Flujo, % del punto nominal

Fig. 4 La contrapresin fija requiere controlcuidadoso

LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MAS IMPORTANTES 5

Capacidad, % de la entrada nominal, ft3/min

Fig. 5 El control antioscilacin maneja lacontrapresin fija

se puede utilizar un gas dulce o neutro como el nitr-geno, para amortiguar la zona entre el sello de contactomecnico o de pelcula de aceite y el gas del proceso(Fig. 6). Se podra utilizar un eductor en combinacincon la inyeccin de gas dulce a fin de que las fugas exter-nas sean en el sentido de la educcin.

La ventaja del sello de laberinto es que es del tipo deholgura sin piezas con rozamiento y es el ms sencillo detodos. Tambin se utiliza entre las etapas (pasos) de loscompresores de etapas mltiples. Su desventaja es lagran cantidad de fugas que permite, las cuales no sepueden tolerar con gases costosos como el nitrgeno o eloxgeno.

Los sellos de anillo de carbn no se suelen utilizarmucho, salvo cuando el gas est limpio o hay un medioamortiguador limpio que incluya un lubricante. Comoestos sellos son de mnima holgura, sufren desgaste. Sonde menor costo que los sellos de pelcula de aceite o decontacto mecnico y tienen la ventaja de que impidenlas fugas externas del gas comprimido.

En el sello de contacto mecnico hay una pelcula deaceite que se mantiene entre sus caras estacionaria y gi-ratoria. Tiene la ventaja de que minimiza el paso deaceite hacia el lado del gas. Tambin es ms o menos in-sensible a la presin diferencial entre la presin de suc-cin del gas y la presin del aceite para sello. Sudesventaja es una posible prdida de la pelcula de acei-te, lo cual puede ocasionar serios daos en las caras pa-readas.

En el sello de pelcula de aceite, como en el decontacto mecnico, se emplea la pelcula para sellar elgas comprimido de la atmsfera. Al contrario del sello

6 SELECCl6N

Se puede agregar unorificio para barrido o parasellado con gas inerte

Presin internadel gas

Laberinto

Entrada aceite limpio

Camisa da,, descarga de

Salida deaceite

Atm6sfera

Salida aceitasucio Salida aceite Salida- de aceitesucio

Mechico (de contacto)API 617 Pelcula de lquido

Fig. 6 Los sellos de extremo del eje de compresores centrfugos controlan una serie de presiones condiversos gases

Se puede agregar un, Orificio de barrido para

I a p l i c a r vacio

Se puede agregarun or i f ic io para

Anillo de restriccin

Entrada aceite limpio

\ II

CaAsa in ternaCamisa externa

de contacto mecnico, es del tipo con holgura reduciday se necesita una diferencia muy precisa entre la presinde succin y la de sellamiento para minimizar las fugasinternas de aceite. Cuando el aceite para el sello es partedel sistema de lubricacin, podran ocurrir prdidas ex-cesivas y problemas de mantenimiento para eliminar elaceite contaminado y volver a llenar el sistema de lubri-cacin. Este tipo de sello se utiliza por las altas presionesde succin que son comunes en la IPQ.

La desventaja de los sistemas de sellos de pelcula deaceite y de contacto mecnico es que necesitan controles

complicados, bombas adicionales y un enfriador y filtrodel aceite de sello, si es que se emplea un sistema separa-do para ello. En las referencias bibliogrficas 2 y 3 apa-recen detalles adicionales de los sistemas de aceite parasellos y lubricacin.

Las carcasas de los compresores pueden ser del tipodividido o partido, horizontal o verticalmente, con res-pecto al eje.

Para el mantenimiento, es ms fcil el acceso al rotorcon la carcasa dividida horizontalmente que con la quelo est en forma vertical. Sin embargo, la de tipo hori-

COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MS IMPORTANTES. 7

zontal tiene capacidad limitada de presin debido a lagran superficie de sellamiento en la unin. El Subcomitde Equipo Mecnico del API estableci un lineamientoque requiere una unin de sellamiento vertical, y la basepara cambiar a carcasa dividida verticalmente o de ba-rril es:

Fraccin molar de Presin mxima deH,, % trabajo de la carcasa,

% Psk100 20090 22280 2507 0 295

Cuando se utiliza carcasa dividida en sentido vertical,se debe dejar espacio para sacar la carcasa interna y elrotor .

La seleccin del material para las carcasas y rotoresdepende del gas que se comprima. Algunos estudios re-cientes indican que los gases que contienen sulfuro dehidrgeno (H,S) ocasionan corrosin por esfuerzo enlas piezas muy esforzadas. Para contrarrestarlo, se nece-sitan materiales ms blandos en el impulsor, lo cual re-quiere menores velocidades en las puntas del impulsor.En algunos casos, debido a esta reduccin de la veloci-dad, habr que seleccionar el compresor del tamao in-mediato mayor. Esto quiere decir que se debe informaral fabricante del compresor de todos los componentesdel gas y las condiciones de operacin.

Las ventajas del empleo de un compresor centrfugoson:

1. En el intervalo de 2 000 a 200 000 ft/min, ysegn sea la relacin de presin, este compresor es eco-nmico porque se puede instalar una sola unidad.

2. Ofrece una variacin bastante amplia en el flujocon un cambio pequeo en la carga.

3. La ausencia de piezas rozantes en la corriente decompresin permite trabajar un largo tiempo entre in-tervalos de mantenimiento, siempre y cuando los siste-mas auxiliares de aceite lubricante y aceite de sellosestn correctos.

4. Se pueden obtener grandes volmenes en un lu-gar de tamao pequeo. Esto puede ser una ventajacuando el terreno es muy costoso.

5. Cuando se genera suficiente vapor en el proceso,un compresor centrfugo ser adecuado para moverlocon una turbina de vapor de conexin directa.

6. Su caracterstica es un flujo suave y libre de pul-saciones.

Las desventajas son:1. Los centrfugos son sensibles al peso molecular

del gas que se comprime. Los cambios imprevistos en elpeso molecular pueden hacer que las presiones de des-carga sean muy altas o muy bajas.

2. Se necesitan velocidades muy altas en las puntaspara producir la presin. Con la tendencia a reducir eltamao y a aumentar el flujo, hay que tener mucho mscuidado al balancear los rotores y con los materiales em-pleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos.

3. Un aumento pequeo en la cada de presin enel sistema de proceso puede ocasionar reducciones muygrandes en el volumen del compresor.

4. Se requiere un complicado sistema para aceite lu-bricante y aceite para sellos.

Compresores de desplazamiento positivo

Estos compresores se pueden dividir en rotatorios yreciprocantes para las aplicaciones ms comunes en unproceso. Al contrario de los centrfugos, son de capaci-dad constante y tienen presiones de descarga variables.En la figura 7 se presenta una curva tpica de rendi-miento, para la cual se supone que la presin y tempera-tura de succin y la presin de descarga son constantes.La capacidad se cambia por la velocidad o con el descar-gador de la vlvula de succin. Adems, slo hay unapequea variacin en el flujo en una amplia gama depresiones.

Los compresores reciprocantes funcionan con el prin-cipio adiabtico mediante el cual se introduce el gas enel cilindro por las vlvulas de entrada, se retiene y com-prime en el cilindro y sale por las vlvulas de descarga,en contra de la presin de descarga. Estos compresoresrara vez se emplean como unidades individuales, salvoque el proceso requiera funcionamiento intermitente.Por ejemplo, si hay que regenerar un catalizador cadados o tres meses o se tiene un suministro de reserva enotra fuente, esto dara tiempo para reparar o reemplazarlas vlvulas o anillos de los pistones, si es necesario. Loscompresores reciprocantes tienen piezas en contacto, co-mo los anillos de los pistones con las paredes del cilin-dro, resortes y placas o discos de vlvulas que se acoplancon sus asientos y entre la empaquetadura y la biela.Todas estas partes estn sujetas a desgaste por friccin.

Los compresores reciprocantes pueden ser del tipo lu-bricado o sin lubricar. Si el proceso lo permite, es prefe-rible tener un compresor lubricado, porque las piezasdurarn ms. Hay que tener cuidado de no lubricar enexceso, porque la carbonizacin del aceite en las vlvu-

Capacidad, % del punto nominal

Curva del compresor de desplazamientopositivo

8 SELECCIN

Lubricante de la empaquetaduraRespiradero

Drenaje .- ,Entrada y sslida del agua deenfriamiento del casquillo

Montaje esthndar en cilindro

Respiradero.\

Respiradero , Lubricante de la\

Diafragma y, I empaquetadura

Desviador de aceiteEntrada y salida del agua de

enfriamiento del casquillo

Compartimiento sencillo

Diafragma yempaquetadura ,

Respiradero

Gua de cruceta - . I , Compart imiento 81 Respiradero I II , Lubricante de la

smpaquetadura,.Biela del.compresor

/( D ia f ragmaempaquetadura

vrr,a,aEntrada y salida del agua de

:/Drenaje 1 [ enfriamiento del casquillo

Desviador del aceite\ Compartimiento A

Dos compartimientos largos

Diafragma y RespiraderoGua de CrUCeta _ , empaquetadura, : , Compartimiento 6

\I Respiradero , , Lubricante de la

Lado de la carcasa : .J ); /1 I , , empaquetadura

Diafragma ;empaquetadura

empaquetadura

./I , Entrada y salida del agua de

Drenaje//enfriamiento del casquillo

Compartimiento ADesviador del aceita

Dos compartimientos cortos

Fig. 8 Los espaciadores protegen las zonascontra fugas

las puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento.Adems, los tubos de descarga saturados con aceite sonun riesgo potencial de incendio, por lo que se debe colo-car corriente abajo un separador para eliminar el aceite.Los problemas ms grandes en los compresores con ci-lindros lubricados son la suciedad y la humedad, puesdestruyen la pelcula de aceite dentro del cilindro.

La mejor forma de evitar la mugre es utilizar colado-res temporales en la succin para tener un sistema lim-pio al arranque. La humedad y los condensables quellegan a la succin del compresor se pueden evitar conun separador eficaz colocado lo ms cerca que sea posi-ble del compresor. Si se va a comprimir un gas hmedo,habr que pensar en camisas de vapor o precalenta-miento del gas de admisin, corriente abajo del separa-dor.

En los compresores sin lubricacin, la mugre suele serel problema ms serio, y hay otros problemas que puedeocasionar el gas en s. Por ejemplo, un gas absolutamen-te seco puede ocasionar un severo desgaste de los ani-llos; en este caso, hay que consultar con el fabricante,pues constantemente se obtienen nuevos datos de prue-bas. En los compresores no lubricados, los anillos delpistn y de desgaste se suelen hacer con materiales relle-nos con teflon, bronce, vidrio o carbn, segn sea el gasque se comprime. El pulimento del cilindro a 12 p(rms.) suele prolongar la duracin de los anillos (Ref.4).La empaquetadura es susceptible del mismo desgasteque los anillos del pistn.

Si se comprime un gas agrio o si el lubricante utiliza-do para el cilindro no es compatible con el empleado enel cuerpo del compresor o viceversa, se debe especificarun espaciador extralargo; en la figura 8 se ilustran lasconfiguraciones de algunos. Cuando el gas es peligroso,se debe especificar un espaciador doble, y el que estjunto al cilindro se debe purgar con un gas inerte.

Las fugas por la empaquetadura se deben enviar a unsistema de quemador o devolverlas a la succin. Loscompresores lubricados pueden necesitar tubos separa-dos para lubricar la empaquetadura, aunque en los ci-lindros de dimetro pequeo quiz no se requieran. Lasempaquetaduras de teflon sin lubricacin suelen necesi-tar enfriamiento por agua, porque su conductividad tr-mica es muy baja. Si se manejan gases a temperaturasinferiores a 10F, el fabricante debe calcular la cantidadde precalentamiento del gas mediante recirculacin in-terna. Esto.significa que se necesitar un cilindro un po-co ms grande para mover el mismo peso de flujo.

Los compresores reciprocantes deben tener, de prefe-rencia motores de baja velocidad, de acoplamiento di-recto, en especial si son de ms de 300 hp; suelen ser develocidad constante. El control de la velocidad se logramediante vlvulas descargadoras, y estas deben ser deltipo de abatimiento de la placa de vlvula o del tipo dedescargador con tapn o macho. Los descargadores quelevantan toda la vlvula de su asiento pueden crear pro-blemas de sellamiento. La descarga puede ser automti-ca o manual. Los pasos normales de descarga sonO-100%, O-50-100%, O-25-60-75-100% y se pueden ob-tener pasos intermedios con cajas de espacio muerto obotellas de despejo; pero, no se deben utilizar estas cajas

COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MS IMPORTANTES 9

si puede ocurrir polimerizacin, salvo que se tomen lasprecauciones adecuadas.

Enfriamiento de los cilindros

Si las relaciones de presin son bajas y la temperaturade descarga es de 190F o menor, se puede utilizar unsistema esttico cerrado o uno de enfriamiento por ter-mosifn. En este caso se debe tener cuidado de no hacer-lo funcionar durante un tiempo prolongado sin carga.

. En otra forma, se debe utilizar un sistema forzado concircuito cerrado. La temperatura de entrada del agua deenfriamiento se debe mantener siempre, cuando menos10F por arriba de la temperatura de succin del gas deentrada, para evitar que se forme condensacin en el ci-lindro del compresor.

La temperatura en la descarga de compresores sin lu-bricacin para procesos se debe mantener a un mximode 350F; en los compresores lubricados se debe mante-ner a 300F. Si se emplean lubricantes sintticos, sepuede aumentar la temperatura a 350F, pero hay quedeterminar que estos lubricantes no acten como remo-vedores de pintura.

Esos lmites se pueden reducir. Por ejemplo, el oxge-no en compresores no lubricados se debe limitar a unatemperatura de descarga de 300F; en los compresorespara cloro se debe limitar a 225F para evitar la carbo-nizacin (Ref.9)

Cargas, velocidades y pulsacionesdel compresor

Los compresores se clasifican de acuerdo con las car-gas en la biela. Una carrera ms larga significa, por logeneral, mayores cargas nominales en la biela y mayorcapacidad de presin diferencial y de caballaje. La ma-yor parte de los fabricantes han establecido los tamaosrequeridos para la carcasa. Es importante no exceder lascargas en la carcasa y en la biela, ni siquiera cuandofunciona la vlvula de seguridad.

Las velocidades promedio del pistn en compresoresno lubricados deben ser de unos 700 ft/min mximo; enlos lubricados, puede llegar a un mximo de unos 850ft/min. Las velocidades de rotacin en los compresoresde trabajo pesado deben ser inferiores a 600 rpm y toda-va ms bajas en los de alto caballaje, de ms de 400 hp.

Las pulsaciones de presin son inherentes en los com-presores reciprocantes y las ocasiona el movimiento al-ternativo del pistn. Para evitarlas, se instalan amorti-guadores de pulsaciones lo ms cerca que sea posible delcompresor. La siguiente frmula puede servir comogua para tener mxima limitacin de pulsaciones picoa pico en los tubos de succin y descarga del compresor:

en donde P, es la pulsacin mxima permisible en por-centaje, y p es la presin media efectiva en la tubera,psia. El valor de P, es el que se obtiene con la frmula,0 1 % , lo que sea mayor. Si se cumple con estos lmites,

no slo se reducirn las pulsaciones, sino que se tendrmejor funcionamiento de las vlvulas del compresor.

Para tener la seguridad de que el sistema total delcompresor es adecuado, incluyendo la tubera y los tan-ques, el fabricante debe hacer un estudio semejante. Enel caso de sistemas complicados, hay instituciones comoel Southwest Research Institute5 o similares en otrospases, que pueden hacer pruebas de vibraciones mec-nicas y acsticas.

Una excelente fuente de informacin para compreso-res reciprocantes es la Norma API 618.6 Si se aplica,aumenta el costo del equipo, pero representa muchosaos de experiencia y puede significar la reduccin decostosas reparaciones al arranque o despus de empezarel funcionamiento.

Compresores rotatorios dedesplazamiento positivo

Hay varios tipos de compresores rotatorios de despla-zamiento positivo, entre ellos estn el de tipo de sopla-dor con lbulos (como el diseo de Rootes), el tipo deespiral rotatorio SRM, el diseo de anillo de agua y deaspas deslizables. Todos tienen el mismo tipo de curvade rendimiento que el compresor reciprocante; es decir,son de capacidad fija con contrapresin variable. Loscompresores rotatorios se prestan ms para las unidadesmotrices de velocidad variable, como las turbinas de va-por, que los compresores reciprocantes. Por lo general,estos compresores tienen una capacidad mxima deunos 25 000 ft3/min, en los de espiral rotatoria y de l-bulos. El diseo de anillo de agua tiene la ventaja de queel gas no hace contacto con las partes rotatorias metli-cas. Los aspectos crticos son la presin de vapor del gasde entrada, comparada con la presin de vapor del lqui-do que forma el anillo de agua y el aumento de tempera-tura en el mismo. La presin de vapor del fluido parasellos debe ser muy inferior al punto de ebullicin, puesen otra forma se evaporar el anillo de agua, ocasionarprdida de capacidad y quiz serios daos por sobreca-lentamiento.

Como los compresores de aspas deslizables necesitanlubricacin slo se emplean en procesos en que ye puedepermitir la presencia de lubricante. El aceite en la cma-ra de compresin reduce las temperaturas ,de descargay el consumo de aceite es elevado, por comparacin conuno reciprocante. El compresor de a$as deslizables esmuy compacto, pero tiene la misma desventaja que elreciprocante porque se necesitan piezas con rzamientoen la corriente de gas, y la prdida de lubricante puedeocasionar sobrecalentamiento del cilindro. Estos com-presores necesitan interruptores por alta temperaturadel agua y del aire. La reduccin en la velocidad se limi-ta a alrededor del 60% de la normal, porque la disminu-cin en la fuerza centrfuga produce prdida de elicien-cia de sellamiento.

Los tipos ms comunes de compresores rotatorios dedesplazamiento positivo en la IPQ son los de espiral yde lbulos rotatorios, que ofrecen la ventaja de que el ai-re no contiene aceite, porque no hay contacto con nin-guna parte en la zona de compresin. Su diseo rotato-

1 0 SELECCIN

rio les da una capacidad mucho mayor que la del com-presor reciprocante y sin problemas de pulsaciones.

Se utilizan engranes de sincronizacin para mantenerla.separacin entre los rotores para que no se toquen. Enel soplador del tipo Rootes, estos engranes transmitenalrededor del 30% del par motor, mientras que en losde espiral rotatoria transmiten alrededor del 10% delpar. Como se trata de compresores de desplazamientopositivo, se debe colocar una vlvula de desahogo entreel compresor y la vlvula de bloque.

determinada flexibilidad. En las de tamao ms grande,hay que construir bases para montarlas. La normal0tambin incluye la dimensin estndar entre las bridas.

2. Segn sea el tamao de la bomba, la viscosidadmxima es entre 3 000 y 5 000 SSU; si es ms elevada,se puede pensar en el empleo de bombas de desplaza-miento positivo. Cuando es posible, se recomienda ca-lentar el lquido para reducir su viscosidad.

3. Las bombas para altas temperaturas y presiones sedeben especificar segn la norma API 610. *

El tipo con lbulos de Rootes tiene poca capacidad 4. Es importante comprobar que la carga neta positi-para presin diferencial; por lo general, de unas 15 psig. va de succin disponible (NPSH,) sea mayor que la re-El de espiral rotatoria puede tener presin diferencial querida (NPSH,) por la bomba. La (NPSH,) se definemucho ms alta. Ambos tienen un deslizamiento fijo como la carga neta positiva de succin disponible mayorque ocasiona derivacin interna y precalentamiento del que la presin de vapor del lquido, ms la carga de suc-gas en la succin. Cuanto ms baja sea la velocidad en cin (o menos la altura de aspiracin), menos las prdi-un tamao dado, mayor ser la derivacin interna. Si la das por friccin. En algunas plantas se utiliza unvelocidad es muy baja, habr sobrecalentamiento, con margen de seguridad de 2 ft o ms entre la (NPSH),posibles daos en los rotores. El fabricante, por tanto, de- requerida y la disponible, para evitar problemas des-be especificar la velocidad mnima de funcionamiento. pus de la instalacin.

Si la temperatura de descarga del compresor de espi-ral rotatoria pasa de 350F, se deben utilizar rotoresenfriados por aceite. Tambin conviene determinar si elfabricante especifica una contrapresin mnima, paraevitar el juego entre dientes de los engranes de sincroni-zacin. Otra precaucin aconsejable es pedir al fabricante que haga un anlisis torsional del compresor y dela unidad motriz

5. Los gases no disueltos en los lquidos alteran la ca-pacidad de las bombas centrfugas; se deben limitar a un5% como mximo.

La primera velocidad crtica lateral en estos compre-sores suele ser mayor que la velocidad de funcionamien-to. Se debe establecer esa velocidad crtica para elcompresor y la unidad motriz, y debe ser, cuando me-nos, 20% ms alta que la mxima de funcionamiento y,adems, ser la velocidad de disparo si se utiliza unidadcon turbina.

Cabe mencionar que estos compresores son muy rui-dosos y no suelen tener proteccin como silenciadores desuccin y descarga, y pueden necesitar casetas con aisla-miento acstico, pues algunos reglamentos ya lo exigen.Vase la referencia 8.

6. Algunos procesos requieren que la bomba funcio-ne con bajo flujo; todas las centrfugas tienen un flujomnimo con el que su funcionamiento es satisfactorio.Si no trabajan con ese mnimo, ocurrir sobrecalenta-miento de la bomba y menor duracin de los cojinetes.La forma de resolver este problema es instalar una vl-vula dederivacin para flujo mnimo (Fig. 9) el cualpuede ser continuo o con control automtico. Si la vl-vula de derivacin tiene control automtico, se abrircuando se llegue al flujo mnimo. Si la carga diferencialpasa de 200 ft. en el tubo para flujo mnimo, se requiereun orificio o puede instalarse una v&ula de control. Elsistema de derivacin continua se emplea cuando se re-quiere poca potencia o baja presin de descarga. El flujoen el orificio para flujo mnimo se debe sumar al del pro-

Controlador daOrificio Vlyla de derivacin contrapresinS

I \Bombas para procesos

En casi todos los procesos, se transfiere el lquido deun recipiente a otro con una bomba. La ms comn esla bomba centrfuga, que funciona con los mismos prin-cipios que los compresores de ese tipo, excepto que el l-quido que manejan es incompresible. Sus grandesespacios libres y el hecho de que no tienen piezas endonde haya rozamiento, excepto los cojinetes y sellos,les han .dado la preferencia en muchas aplicaciones.

Algunos lineamientos para especificar y evaluar lasbombas centrfugas son: ::

1. Para capacidad de 20 a 500 gpm, se utilizan bom-bas horizontales de la norma B73.1-1974 ANSI,O,aunque tambin las hay con capacidades hasta ,de 1 500gpm. Estas bombas suelen estar limitadas a unos 500F.Es probable que las de menos de 20 gpm necesiten unaderivacin con flujo mximo. Las bombas verticales, enlnea, tienen la ventaja de que no necesitan cimentacio-nes en los tamaos de menos de 50 hp ni tuberas con

1I

FT0

Orificio para Controlador de contrapresin

B o m b a b. Cont inua

Fig. 9 La derivacin mantiene la bomba en funcionamilcon bajo flujo

COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MAS IMPORTANTES 11

ceso cuando se determine el tamao de la bomba. Losorificios deben ser del tipo de pasos mltiples si la cargadiferencial es de 300 ft. o ms, o cuando ocurre vapori-zacin. En ambos sistemas, el flujo mnimo normal esde 20 a 25 % del que hay en el punto de mxima eficien-cia. El aumento en la carga debe ser, cuando menos, de10 % entre el valor nominal y el punto de corte. Para notener que calentar el flujo de succin, el flujo mnimosiempre se debe devolver al recipiente de succin y noal tubo de succin de la bomba. Estos sistemas slo senecesitan si puede variar el flujo del proceso; si ste esfijo y cerca de su valor nominal, no se necesitan vlvulasde derivacin.

7. Cuando sea posible, es conveniente emplear moto-res elctricos bipolares. Cuanto ms alta sea la veloci-dad, mayor ser la eficiencia y menor el costo de labomba, aunque sta requiere una NPSH ms alta.Siempre se debe ponderar el costo de la bomba en con-tra del de elevar un recipiente para tener NPSH adecua-da.

8. Siempre se deben especificar bombas que tengancurvas de ascenso constante. Las bombas que funcionanen paralelo deben tener un ascenso de 15 % entre el pun-to nominal y el corte.

9. Se debe tener cuidado con las bombas con impul-sor de flujo mixto, en particular con las de capacidadmayor a 2 000 gpm, porque algunas pueden tener pre-sin de corte hasta 200% de la nominal. Esto puede oca-sionar problemas en el equipo de corriente abajo, por locual se debe disear para la presin de corte o instalaruna vlvula de desahogo.

10. Las bombas centrfugas no son autocebantes ydeben tener succin inundada o, cuando hay altura deaspiracin, un dispositivo para vaco con el fin de redu-cir la presin en la carcasa de la bomba para que el lqui-do pueda entrar en ella por la diferencia de presin. Noobstante, hay bombas centrfugas autocebantes.

ll. Para servicio con temperaturas mayores de350F, en bombas grandes de una etapa o en las de eta-pas mltiples para ms de 150F, se debe tener un siste-ma de calentamiento para asegurar una dilatacintrmica uniforme.

12. Las primeras velocidades crticas en las bombasde una etapa suelen ser mayores que la de funciona-miento. Pero, en bombas de etapas mltiples sta puedeser menor que la primera velocidad crtica.

13. La mayor parte de las bombas centrfugas tienenvelocidad especfica inferior a 2 OOOJ3. En las bombasgrandes para torres de enfriamiento o para carga puedeser hasta de 5 000:

en donde: N, es la velocidad especfica, n es la veloci-dad, rpm, Q es el flujo, gpm y H es la carga, ft. en elpunto de mxima eficiencia.

Las bombas centrfugas suelen tener control por flujoo por nivel. Al contrario de la curva caracterstica delcompresor centrfugo, la de la bomba, por lo general,sube desde el punto nominal hasta el de corte.

Si la bomba es de tamao mayor al necesario y la pre-sin del sistema es baja, la bomba puede funcionar al fi-

3 0s!

z

Capacidad -

Fig. 10 La viscosidad iel lquido influye en la bombacentrfuga

nal de la curva, lo que ocasionar vibracin excesiva ymayores cargas en los cojinetes. Si se necesita capacidadadicional para el futuro, hay que utilizar un controladorde flujo con una derivacin para mnimo flujo segn lascondiciones actuales de operacin.

En las bombas que manejan lquidos con viscosidadmayor de 100 SSU, se debe determinar si hay una posi-ble correccin por viscosidad.13 En la figura 10 se pre-senta un ejemplo de cmo la viscosidad puede influir enla curva de rendimiento de la bomba. Se vern la cadaen la capacidad y la carga cuando se trabaja eon un lf-quido viscoso. La cantidad de reduccin de la carga ydel flujo dependen de la viscosidad del lquido y del tipoy tamao de la bomba. En la curva (Fig. 10) habra queincrementar el impulsor seleccionado hasta el punto Bsi se desea operar en el punto A. Si se selecciona el mo-tor sin tener en cuenta la disminucin en la eficiencia,puede ocurrir sobrecarga del motor en el punto A.

Flujo, gpm

Fig. Il Las bombas tienen muchas capacidades paraIlquidos de procesos

12 SELECCIN

f

Pis tn ax ia l

Aspas Externas

-

-

Tres l bu los

Fuente: Hydraulic Institute Standars

Engranes externos

Engranes in te rnos(s in med ia luna)

Espiral sencilla

Camisa f l ex i b l e

E s p i r a l d o b l e

Engranes in te rnos(con media luna)

P is tn c i r cun fe renc ia1

Esp i ra l y rueda

Tres esp i ra les

Fig. 12 Las bombas rotatorias de desplazamiento positivo manejan muchos lquidos, por lo generalviscosos con flujos hasta de 500 gpm

COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MS IMPORTANTES 13

.O3LL.

.Tii

.O=G

Dp lex

0 9 0 180 270 360 90 180Angu lo de l c igea l , g rados

Fig. 13 Flujo de descarga de bombas reciprocantes

La mayor parte de las bombas para la IPQ tienen se-llos mecnicos, los cuales son de los tipos balanceado odesbalanceado, segn sean la presin en el prensaesto-pas y la velocidad perifrica de las caras correlativas delos sellos. Se emplean, por lo general, sellos sencillos,excepto si el lquido es peligroso o abrasivo; entonces seemplea sello doble.

Bombas de desplazamiento positivo

Estas bombas suelen ser adecuadas para aplicacionescon bajo flujo y carga elevada (Fig. 11). Siempre que seaposible, se deben utilizar bombas centrfugas. Para vis-cosidades mayores de 3 000 SSU, se debe pensar prime-ro en una bomba rotatoria. Para flujos de alrededor de100 gpm y con viscosidades de 100 SSU y mayores, senecesitan bombas de desplazamiento positivo. Los tiposgenerales para los procesos qumicos son reciprocanteso rotatorias, sean stas de engranes o de espiral. Estasbombas funcionan con los mismos principios que loscompresores de desplazamiento positivo excepto que ellquido no se puede comprimir a presiones inferiores a3 000 psi; si son mayores, hay que tener en cuenta lacompresibilidad. Adems, tienen espacios libres muy

de bombas rotatorias. Igual que en los compresores dedesplazamiento positivo, la capacidad permanece cons-tante, pero vara la contrapresin.

Las bombas reciprocantes suelen ser para bajo volu-men; igual que en el compresor reciprocante, el movi-miento rotatorio se convierte en alternativo con uncigeal y una cruceta. Se succiona el lquido hacia elcilindro y se le aplica presin en contra de la vlvula dedescarga del sistema. Estas bombas tambin tienen flujoo pulsaciones; para reducirlo, se deben mantener bajasvelocidades en el lado de succin, de 2 a 3 ft/s o menos,y las velocidades de descarga deben ser de 3 a 4 ft/s. Laspulsaciones tambin se pueden reducir con un amorti-guador o un acumulador.

Las bombas reciprocantes grandes se suelen especifi-car del tipo trplex para reducir las pulsaciones. En la fi-gura 13 se ilustra la diferencia entre las curvas de unabomba smplex, una dplex y una trplex, espaciadas ensta 120, y adems tiene una curva mucho ms suave.Cuando se calcule la NPSH disponible, hay que tener encuenta la carga de aceleracin y la velocidad mximapara la bomba trplex. En la Ref. 14 aparece un procedi-miento detallado para el clculo de la NPSH disponibleen bombas reciprocantes.

En las bombas reciprocantes se utiliza una empaque-tadura o un sello de anillos en V; esto significa que sedeben descargar las fugas en algn lugar, lo cual se debetener en cuenta al instalar el equipo. Las bombas reci-procantes pequeas, de menos de 25 hp, tienen unida-des motrices de velocidad variable, como la Reeves. Enlas de ms de 25 hp se pueden emplear motores elctri-cos de velocidad variable, con acoplamiento por corrien-tes parsitas o acoplamiento fluido. Las unidadesmotrices normales para las bombas reciprocantes soncon motor elctrico y un reductor de engranes que debetener un factor de servicio mnimo de 2.017. El motordebe ser de un tamao que funcione segn la graduacinde la vlvula de desahogo para evitar sobrecargarlo.

Las bombas rotatorias pueden ser de engranes o deespiral rotatoria, con engranes de sincronizacin o sinellos, y se emplean para materiales viscosos. Estas bom-bas no son muy adecuadas,para lquidos abrasivos o de

De impu ls in De reacc in

/

Fig. 14

En mov imiento En mov imiento

~?addpfigdei

Flujo de vapor en turbinas de impulsin y dereaccin

14 SELECCIN

baja viscosidad. Para los lquidos abrasivos se necesitanrotores especiales, y los cojinetes y engranes de sincroni-zacin deben ser externos.

Las bombas rotatorias pueden manejar aproximada-mente hasta 500 gpm. Si la viscosidad es menor de 100SSU, se deben utilizar engranes de sincronizacin. Perocon engranes externos se necesitarn, cuando menos,cuatro prensaestopas, lo cual significa mayor posibili-dad de fugas. Para lquidos lubricantes limpios, comolos aceites lubricantes y combustibles a menos de 200Fy de 100 psi., y con viscosidad mayor de 100 SSU esprobable que se puedan utilizar bombas de engranes.

Cuando los lquidos que se manejan con estas bombasse pueden solidificar a la temperatura ambiente, la bom-ba debe tener camisas o calentamiento por vapor. Si seespecifica esta modificacin, se debe tener cuidado deque la temperatura del vapor no exceda la especificadapara los materiales de la bomba o de los sellos. Se debeespecificar una vlvula de desahogo (alivio) entre labomba y la primera vlvula de corte corriente abajo.

Referencias

5.6.

7.

8.

9.

10.

ll.

12.

13.

14.

Southwest Rescarch Institute, San Antonio, Tex.Reciprocal Compresson for General Refmery Scrvicc, API 618,Amencan Petroleum Institute, Washington, D. C.Enginecring Data Book, Natural Gas Processors Supplicrs Assn..Tulsa, Okla., 1973.Abraham, R. W., Selection of Rotary Screw Compressors, Oil GasI., June 12. 1972, pp. 91-93.Jones, C. A., Chlonne: Glamor Product of the CPI, Power and Flu-io!r From Worrhington, 10, No. 1 (1967).Amcrican National Standard S ecification for Centrifufor Process Use, ANSI B123.1, Rmenean National Stan d

al Pumpsards Insti-

tute, New York, 1971.Vertical Inline Ccntrifugal Pumps for Process Use, Manufaeturing Chcmists Assn., Washington, D. C.Centrifucan Pctrok

al Pumps for General Refinery Servicc, API 610, Ameti-eum lnstitute, Washington. D. C.

H draulic Institutc Standards, Hydraulic Institute, New York,719 2.

Hattiangadi, U . S . , Srcifyint Centrifu alPumps, Chem Eng., Fe .23,19 0, pp. IOI-

p08.

a n d Recprocating

El autor

Robert W. Abraham es supervisorde equipo rotatorio en The BadgerCo., One Broadway, Cambridge,MA 02142. Trabaja con grupos deproyectos para todos los tipos deequipo rotatorio para las industriasqumica, petroqumica y refineras.Tiene ttulo de ingeniero mecnico

Claves paracompresores

la seleccin de

El manejo de gases en las plantas de proceso va desde presiones muy altas hasta unvaco en muchas condiciones decfujo. Se presenta un anlisis de las caractersticasdel equipo para hacer una seleccin preliminar del compresor de tipo y tamaoadecuados

Richard F. Neerken, The Ralph A4. Parsons Co.

En las industrias de procesos qumicos se utilizan el ingeniero de proyectos. La seleccin se basa en loscompresores de todos los tipos y tamaos para aire y ga- fundamentos de la termodinmica, y no se debe consi-ses. derar que sea tan difcil o complicada, que slo los fabri-

En este artculo se presentar una descripcin general cantes puedan hacer la eleccin inicial del compresorde todos los tipos de compresores, como ejemplos espec- para condiciones dadas del proceso.fkos para indicar la forma en que los puede seleccionar Algunas aplicaciones tpicas son:

1 6 SELECCIN

n Compresores de aire para servicios e instrumentosen casi cualquier planta.

w Sopladores sencillos en plantas de recuperacin deazufre.

w Sopladores grandes en unidades de craqueo catal-tico.

Fig. 1 Tipos de compresores para procesos qumicos

n Compresores de refrigeracin de baja temperaturaen unidades para etileno, polietileno o p-xileno.

w Compresores de alta presin para gas de alimen-tacin, reforzadores y para gas recirculado en plantas dehidrocarburos, amoniaco y sntesis de metanol.

Los compresores son del tipo dinmico o de desplaza-miento positivo (Fig. 1). Los dinmicos incluyen centr-fugos de flujo radial y axial y, en menor grado, los deemisin parcial para bajo flujo. Los tipos de desplaza-miento positivo son de dos categoras bsicas: recipro-cantes y rotatorios. El compresor reciprocante tiene unoo ms cilindros en los cuales hay un pistn o mbolo demovimiento alternativo, que desplaza un volumen posi-tivo con cada carrera. Los rotatorios incluyen los tiposde lbulos, espiral, aspas o paletas y anillo de lquido,cada uno con una carcasa, con uno o ms elementos ro-tatorios que se acoplan entre s, como los lbulos o lasespirales, o desplazan un volumen fijo en cada rotacin.

Condiciones de funcionamiento

Se debe tener cierta informacin acerca de a) las con-diciones de funcionamiento de cualquier compresor y b)las propiedades del aire, gas o mezcla de gases que se vaa comprimir

El anlisis del gas se suele expresar en porcentaje envolumen. Un anlisis mola1 se puede convertir con faci-lidad en un anlisis en porcentaje mola1 para determinarlas propiedades de la mezcla de gases. En los compreso-res de aire se requiere la humedad relativa o temperatu-

CLAVES PARA LA SELECCIN DE COMPRESORES

Tabla I Anhlisis del gas, otros datos y clculos para el Ejemplo 1

Componente,

Hidrgeno

Metano

Etano

Propano

Isobutano

n-Butano

Mezcla de gases Peso

molecular,

Moles, % M,

ITotal

Aportacin*,

% IM J/lCd

Calor especficoa 150F. cp,

Btu/llb.moll WIAportacin*, '% IPJloo

Presibn

crtica,PC, psia

1.714 6.94 5.899 327

1.444 0.95 0.805 673

0.902 13.77 0.413 708

0.882 19.53 0.390 617

0.291 25.75 0.128 529

0.291 25.81 0.129 551

5.524 7.764 i

Aportacin*, '

% IPJloo

27861

21

12

3

3

378

Temperatura

crtica,

Tc, OR

03

344

550

666

735

766

Aportacin*,

% IT~/lW

71

31

17

13

4

4

140

Al multiplicar la composicin de cada componente en la mezcla oor la propiedad da ese componente, se obtiene la aportacin de asa propiedadcorrespondiente a la cantidad de ese componente en la mezcla.

ra del bulbo hmedo en la entrada, con la cual se puededeterminar la cantidad de humedad que hay en el aire.

La razn de los calores especficos, k en donde (k =c lc) se puede expresar a la temperatura de succin.6ara un clculo ms exacto, k debe estar a la temperatu-ra promedio durante el ciclo de compresin.

Los factores de compresibilidad, que indican la des-viacin con respecto a un gas ideal, se dan o calculan enlas condiciones de succin y de descarga. Para el aire opara un gas puro hay disponibles grficas de factores decompresibilidad, como funciones de la presin y tempe-ratura reales. Si no se cuenta con esas grficas para ga-ses mezclados se acostumbra utilizar las tablas generalesde compresibilidad1,,,4 que requieren calcular la pre-sin reducida, P, y la temperatura reducida, T,. Estostrminos se definen mediante P, = P/Pc y Tr = T/T(,en donde P, T, son la presin y temperatura re-ducidas, P y T son presin psia, y temperatura OR, enlas condiciones reales de funcionamiento; Pc y Tc son lapresin crtica, psia, y la temperatura crtica, OR, de lamezcla. Para demostrar las diversas relaciones, se exa-minar el procedimiento para una mezcla de gases.

Ejemplo 1. Una mezcla tpica de hidrgeno y gas hi-drocarburo tiene la composicin indicada en la tabla 1.Se trata de encontrar el peso molecular, la razn de loscalores especficos, la presin crtica y temperaturacrtica. Los clculos para los componentes de la mezclase presentan en la tabla 1 junto con los datos pertinentesde cada componente puro. La razn de los calores espe-cficos, K, se calcula como sigue:

k=zE= cP1.164

CV cp - 1.906 = 1.164 - 1.986= 1.343

Para este ejemplo, se tom el calor especfico molal,C,, como 15OF, supuesta como temperatura promediotpica durante el ciclo de compresin, con una tempera-tura de 100F en la succin. Si la temperatura promediovara mucho desde ese valor, se debe utilizar el calor es-pecfico mola1 para la temperatura promedio durante lacompresion.

Estos clculos pueden hacerse con calculadora o concomputadora; en este caso, se almacenan en la memorialos valores estndar para todos los gases comunes del pe-so molecular, calor especfico molal, presin y tempera-tura crticas.

Las presiones y temperaturas se deben dar en las con-diciones de succin, y la presin en las condiciones dedescarga, incluso la presin de cualquier carga lateral orequisito intermedio en el ciclo total de compresin. Nose da la temperatura de descarga, sino que se calcula pa-ra incluir los efectos del aumento de temperatura duran-te la compresin. Las presiones, por lo general, seexpresan en lb/in2 manomtricas (psia) o en lb/in ab-solutas (psia).

Las capacidades se pueden expresar en diversas for-mas:

w Flujo en peso, W, lb/h o lb/minH Gasto, referido a las condiciones estndar, que

suele ser 14.7 y 60F en las industrias de procesos qu-micos, expresado como

PCME: pies cbicos estndar por minutoPCHE: pies cbicos estndar por horaMMPCDE: millones de pies cbicos estndar por

da de 24 horas

n El gasto, en relacin con las condiciones en la sue-cin que se suele expresar como:

PCMS, ft3/min o ft3/sQ o Q$, ft/min, o ftl/s.

No importa la forma en que se exprese la capacidad,pues hay que convertirla a la capacidad en las condicio-nes de succin para seleccionar el compresor del tamaocorrecto. Esta conversin se puede hacer con el empleode cualquiera de las siguientes relaciones, 0. todas ellas:

(1)

en donde Ves el volumen, P es la presin absoluta, Tes la temperatura absoluta y z es el factor de compresibi-lidad. En la ecuacin (i) se puede suponer que el factorde compresibilidad, z,, es de 1.0 si P, y T, estn a lascondiciones estndar de 14.7 psia y 520R.

PCMS, = Q, = W = W/P (2)

18 SELECCl6N

en donde Wes el flujo, lb/min, U es el volumen especfi-co, ft3/lb, y e es la densidad, lb/ft3. El volumen espec-fico, V, se puede calcular con:

= q.Lg)(&)

en donde AYm es el peso molecular.

PCME = 379.46M/t% (0

en donde M es el flujo, de mol/h

w = M(M,) (4)

en donde W es el flujo en peso, lb/h, M es el flujo,mol/h, Mw es el peso molecular.

en donde el subndice s denota las propiedades en lascondiciones de succin.

Carga y caballaje del compresor

Para cualquier compresor el caballaje requerido es:

VQw, = W,/33 .O@-x,, (5)

en donde (HP)xca(Ud, es el caballaje adiabtico, para elgas, hp; W es el flujo en peso, lb/min; Had es la cargaadiabtica, (ft-lb)/lb; qad es la eficiencia adiabtica; z,esel factor de compresibilidad en las condiciones de suc-cin, zd es el factor de compresibilidad en las condi-ciones de descarga; Mu es el peso molecular, T, es la

3 0

temperatura de succin, OR, y rc es la relacin de com-presin, es decir, P$,.

La temperatura de descarga adiabtica, Tdcdj, OR, es

Tda = Tr-l/kI c (8)

Ciertos tipos de compresores funcionan muy cerca delas condiciones adiabticas; muchos otros tienen desvia-ciones importantes de las adiabticas, y el ciclo de com-presin se debe considerar como politrpico. En estecaso, las relaciones necesarias son:

W&cpo/~> = WHp0,,/33 OOOlpor, (9)

Hport = (y)(F)q[;-r;, ] (lo)

en donde (HP) es el caballaje politrpico para elgas, hp, W es ei %jo en peso, lb/min, ycfioh) es la cargapolitrpica, (ft-lb)/lb; q(pOu es la eficiencia politrpica 2y zd son los factores de compresibilidad para las condl-ciones de succin y de descarga, Mw es el peso molecu-lar, Tr es la temperatura de succin, OR, y rc es larelacin de compresin.

La temperatura de descarga politrpica, Td(pU,iI secalcula con:

Tri(po,rj = T,rc(-ls (11)

El valor de la cantidad n en las diversas relaciones po-litrpicas se obtiene con

Cuando se utilizan las tablas de las propiedades de losgases o los diagramas de Mollier para hacer los clculosdel compresor, la carga adiabtica, Had, se obtiene con

Ha4 = 778Ah (12)

k.

! ! !!H!!! Ii! Fuente: BaljeI I IlCC

n=l-cl Bomba 0 compresor de I I I I I I I Bombas o comwesores

Ne = N a/H314

LI, = DH141c

N= Velocidad, rpm

D = Dimetro del imp

0 . 3 0 . 6 1 3 6 1 0 3 0 6 0 1 0 0 3 0 0 6 0 0 1,000 3 , 0 0 0 10,000velocidad especfica, N,

Fig. 2 La velocidad especfica y el diamtro especfico permiten la seleccin inicial de un tipo definido decompresor de una etapa

CLAVES PARA LA SELECCIN DE COMPRESORES 19

en donde h es la entalpa, Btu/lb. Como el empleo de estos valores en la figura 2, se en-La relacin de la eficiencia adiabtica a la eficiencia cuentra que un compresor centrfugo, con impulsor sen-

politrpica es: tillo, de flujo radial, ser el que ofrezca mxima

vod = (r>k-l)k - 1)

[ \,n-1vm - 1) 1Velocidad especfica

La velocidad especfica, Ns, es un nmero ndice pa-ra los impulsores o rotores de los diversos tipos de bom-bas y compresores. La definicin es la misma paraambos.

N, = Nfi/?P (14)

Cuando se utiliza la ecuacin (14) para compresores,la velocidad N se expresa en rpm, la capacidad Q, enft3/s en las condiciones de succin, y la carga H, en (ft-lb)/lb.

Otra cantidad adimensional para impulsores o rotoreses el dimetro especfico, DC, definido con

(13)

eficiencia.

Seleccin de compresores centrfugos

en donde D es el dimetro del impulsor o el rotor, ft.Balje5 prepar una grfica de velocidad especfica

(Fig. 2) en la cual se combinan las relaciones de las ecua-ciones (14) y (15). Si se utiliza esta grfica, debe ser so-bre la base de carga por etapa; es decir, se debeseleccionar cada impulsor o etapa con respecto a la ca-pacidad de entrada y carga para esa etapa. Aunque laexperiencia que se tenga con los compresores de tiposexistentes muchas veces no requerir consultar la figura2, sta ofrece una correlacin lgica para seleccionar eltipo de compresor para una aplicacin dada. En los si-guientes ejemplos se ilustrar el empleo tpico de la igu-ra 2.

Ejemplo 2. Se har la seleccin preliminar de un com-presor para manejar 90 000 PCMS de aire cuando lascondiciones en la succin son 14.3 psia, 90F y 70% dehumedad relativa. La presin de descarga ser de 22.3psia, el peso molecular = 28.59, k = cpc, = 1.395. Sesupondr un impulsor con dimetro D de 55 in y veloci-dad de rotacin N de 3 550 rpm.

Para poder utilizar la figura 2, hay que encontrar lavelocidad y el dimetro especficos con las ecuaciones(14) y (15). Para ello, primero se calcula el flujo de airea la entrada, QJ = 90 000/60 = 1 500 ft3/s y la cargaadiabtica con la ecuacin (7); hay que recordar que losfactores de compresibilidad son unitarios en estas condi-ciones. Por tanto:

H,, = ($.f$SO)[ (22.31;:;;= - ] = 14,072

NI

D*

= (55/12)( 14 072)qi33

= 1.29

Los compresores centrfugos son el tipo que ms seemplea en las industrias de procesos qumicos porque suconstruccin sencilla, libre de mantenimiento, permiteun funcionamiento continuo durante largos periodos

\- compresor centrfugo ms sencillo es el suspendi-do, de una sola eta a:

-3Los hay disponibles para flujos

desde alrededor e 3 000 hasta 150 000 PCMS. El im-pulsor convencional, cerrado o con placas (Fig. 3), seutilizara para cargas adiabticas hasta de unas 12 000(ft-lb)/lb. El impulsor abierto, de labes radiales (Fig. 3),pr;;dlucir ms carga con los mi

Identificaci6n

Compresor de Seleccinrecirctilacin alterna

Capacidad MMPCDE

Capacidad, W, Ib/hCapacidad de succibn, 0, PCME

Presin de succin, P,, psiaTemperatura de succin, FTemperatura de succin, ORHumedad relativa, %Presin de descarga, P,, psia

Peso molecular, M,

Constante del gas, R = 1 545/M,

Razn de calores especificos, k

80 Misma

2 961300100560-

4505.524

279.69

1.343

t-

cctt

ct

c

t

Compresibilidad en la succin, z, 1 .Ol c

Compresibilidad en la descarga, zd 1.022 t

Compresibilidad promedio (z, = z,)/2 1.016

Volumen especfico, V, ft3/lb 3.86

Flujo en peso, W,, Ib/min 809

Exponente del calor especfico, (k -1)k 0.255

Velocidad acstica en la entrada, Ua, ft/s 2616

Relacin de compresin, r, = P,lP, 1 . 5

Coeficiente de carga, c< 0.49

Eficiencia politrpica, ~~~~~~ % 73

Dimetro nominal del impulsor, D, in 18

t

t

t

c

c

t

t

c

t

Razn del exponente politrpico, (n - 1 )ln = k 0.349 c

Temperatura de descarga, politrpica, T,, OR

Temperatura de descarga, politrpica, T,, F

Zarga politrpica, /-/pOrL, (ft-lb)/lb

Caballaje del gas, LWp,, hp

Wdida de caballaje en cojinetes, hp

Wdida de caballaje en sellos, hp

Drdidzi de caballaje, caja de engranes

l

l

f

I

1

(

1

\

r

1

:C

1.152

645

185

69 307

2 328

28

27

0

c

c

t

c

c

34

35

0

Caballaje total al freno, bhp 2 383

9000

2 397

lelocidad en la punta de impulsor, mxima, Uft/s

/elocidad en la punta de impulsor, real, U, ft/: 807 871

Jmero de etapaS, N,, 7 6

ramao o designacin del cuerpo (carcasa)/elocidad de rotacin, N, rpmCoeficiente de flujo en la succin, 4,

.Coeficiente de flujo en la descarga, 9,

En este ejemplo, la velocidad mxima en la punta del

#2 #210.267 ll 0810.0346 0.03210.0269 0.0249

pulsor se establece PO:s

r las limitaciones en el esfuerzo en un impulsor convencional;tica. Conclusin: la seleccin preliminar es un compresor

Clculo para compresor centrfugo

de aspas de curvatura inversa, no por comparacin con la velocidad accentrfugo de 7 o de 6 etapas, sin interenfriamiento, que requiere alrededor de 2 400 bhp y funciona a 10 267 u ll 081 rpm.

Fuente o explicacin

Tabla II Ejemplo 3. Mtodo para carga politrpica total

Dada

Dada (a veces)Ecuacin (5)

DadaDadaDadaDada (si es aire)

DadaDada

Calculada

Dada o calculada.Vase tabla I

Dada o calculada.Vase tabla l

Dada o calculada.

Vase tabla l

Calculada

Vase Ecuacin (2)

Vase Ecuacin (2)

Calculada

u, = AifqCalculada

-

Tabla IV

Figura 4

Tabla IV

Calculada

Ecuacin (10)

Ecuacin (9)

Seleccinese en la figura 6

Seleccinese en la figura 6

rlinguno. Emplese turbina de vapor.

istmese en un 2% del caballaje del ga!

U 5 0.9 a 1 .O(UJ

J-mglJ= -NIBZon la relacin precedente

Tabla IV o con el fabricanteN = 229U/DEcuacin (17)Ecuacin (17)

CLAVES PARA LA SELECCl6N DE COMPRESORES 21

primido a 125 psig. En servicio con gases, en especial sison corrosivos, txicos 0 estn sucios, no se utilizan mu-cho. En este tipo, los impulsores estn montados sobreejes de piones que giran a diferentes velocidades en lasetapas sucesivas. Esto le permite al diseador lograr p-timas dimensiones y eficiencia con un volumen de aireo de gas que se reduce en forma continua, debido a lacompresin. Esto permite que el compresor sea ms eh-ciente que los convencionales de un solo eje para gas oaire.

Un derivado delbmpresor de etapas m quese utiliza mucho,&tipo de carcasa con tornillos exter-nos o modular, destinado a servicio con aire o gas a bajapresin. Se utiliza para flujos de entre 400 y 20 000PCMS con cargas hasta de 18 000 a 20 000 (ft-lb)/lb. Lacarcasa se ensambla por mdulos, que son anillos en for-

Impulsor radial abierto

Impulsor con inductor abierto

Impulsor cerrado

Fig. 3 Impulsores de una etapa para compresores

0.6 1 2 3 4 6 810 2 0 3 0 60 1 0 0

Capacidad a las condiciones de succin, miles de fs/min

Fig. 4 Eficiencia de compresores centrfugos deetapas mltiples

ma de rosca que contienen, cada uno, una seccin de di-fusor y un impulsor; funciona de 3 000 a 4 OOO~r;em, loque permite el empleo de cojinetes de bolas con anillode aceite o lubricados con grasa.JAdems, las bajas velo-cidades en las puntas permiten emplear impulsores dealuminio fundido o fabricado, en vez de los ms costososde acero forjado que se utilizan en compresores para ve-locidades ms altas.

Tambin hay tipos modulares para velocidades msaltas, para flujos de 500 a 15 000 ft3/min y cargas hastade 60 000 ft, con una sola carcasa. Este tipo modular tie-ne cojinetes, sellos, eje e impulsor para alta velocidad,pero cuesta mucho menos que el de etapas mltiples concarcasa dividida en sentido horizontal.

Todos estos tipos tienen limitaciones mecnicas, debi-das a la rigidez del eje y cojinetes, flexin del eje, veloci-dad crtica y problemas dinmicos con el rotor. Cuandoel proceso requiere mayor carga que la que se puedeproducir con el nmero mximo de impulsores en unasola carcasa, se pueden utilizar dos o tres carcasas en se-rie hasta con 25 o 30 impulsores en serie. La seleccinde esta combinacin tambin requiere determinar lo si-guiente, es decir, a) calcular los PCMS (ft3/min en lasuccin) con cualquier carcasa que se considere, b) car-ga adiabtica o politrpica total en esa etapa o secciny c) hacer concordar los tamaos y velocidades disponi-bles para carcasas e impulsores, con engranes de reduc-cin de velocidad o sin ellos, para obtener la seriecompleta de carcasas.

Antes de \selecciom un compresor de etapas mlti-ples, hay que tener muy en cuenta el aumento de &ratura durante la compresin. Si las temperaturas dedescarga son superiores a 350F, se debe inchrir algnsistema para enfriar el gas, con el fin de evitar el riesgocon los gases calientes de descarga o problemas con losmateriales de construccin a altas temperaturas. Por logeneral, se necesitan interenfriadores para los gases des-pus de cada etapa, antes de que haya compresin adi-cional (en algunos tipos) o despus de cada ciertonmero de etapas.

J

Mtodos para clculos

El flujo en peso, la capacidad de succin, la cargaadiabtica o la politrpica y el caballaje aproximado se

Tabla III Ejemplo 4. M6todo del diagrama de Mollier

Clculos para compresor centrfugo

CargaSeccin 0 etapa Primera lateral Segunde Fuente o explicacin

Gas Propano + + Dada

Peso molecular, M, 4 4 t + Dada

Raz6n de calores especficos, K 1.13 c c Dada

Compresibilidad, z, 0.95 --- 0.915 Dada; o en tablas o el diagrama de Mollie

Carga, W,, Ib/h 64,200 --- --- Dada

Carga, W,, Ib/min 1,070 --- ---

Carga agregada, Wz Iblh - - - 42,300 --- Dada

Carga agregada, WY Ib/min - - - 705 ---

Cara total, W, + Wz Ib/min 1070 --- 1 775

Presin de succin, F,, psia 2 4 5 6 5 6 DadaTemperatura de succin, t,, F - 2 0 +20 +35* Dada (0 calculada)

Temperatura de succibn, TX, R 440 460 495

Entalpa de succin, h,, Btu/lb 104.5 115 122.2 Las tablas o el diagrama de Mollier

Volumen especfico de succin, v , ft3/lb 4.25 1.96 Las tablas o el diagrama de Mollier

rlmero de etapas, N,

Xmetro preliminar del impulsor, D, in. Tabla IV o datos del fabricante

Coeficiente prel iminar, de carga 4 Tabla IV o datos del fabricantefelocidad preliminar en las puntas, U, ft/s

Velocidad acstica, Ua, ft/s

qelacin U/y

ielocidad del eje, N, rpm 6 943 6 943 N = 229U/D

64 200 Ib/h 106.500 Iblh

CLAVES PARA LA SELECCIN DE COMPRESORES 23

pueden calcular con rapidez mediante las relaciones b-sicas ya descritas. En los dos ejemplos siguientes se resu-men los procedimientos.

Ejemplo 3. Hay que hacer una seleccin preliminar deun compresor centrfugo para manejar 80 MMPCDEde un gas recirculado con peso molecular de 5.524. Seutilizarn los mtodos para una carga politrpica total.En la tabla II aparecen otros datos pertinentes y losclculos requeridos.

Ejemplo 4. Se har una seleccin preliminar de uncompresor centrfugo para manejar una corriente prin-cipal de 64 200 lb/h y una corriente lateral adicional de42 300 lb/h de propano. Se utilizar el mtodo que re-quiere un diagrama de Mollier. En la tabla III aparecenotros datos pertinentes y los clculos requeridos.

Para efectuar los clculos de los ejemplos 3 y 4, se ne-cesitarn informacin y explicacin adicionales del con-tenido de las tablas II y III.

En la figura 4 y en la tabla IV aparecen algunos valo-res representativos de la eficiencia politrpica, lmites deflujo, dimetro del impulsor y coeficiente de carga paralos compresores que hay en el mercado. Para datos msespecficos, se debe consultar al fabricante.

El coeficiente de carga p y el coeficiente de flujo 4, sonvalores adimensionales que se utilizan para describir elrendimiento de cualquier impulsor sencillo o grupo deellos en el compresor. La relacin se puede presentarcomo curva de rendimiento (Fig. 5). Se escoge el valorde ~1 a la mxima eficiencia, o cerca de ella, para la selec-cin primaria. Los coeficientes de carga y de flujo se de-finen con:

P = H,,g/@ (16)$ =100Q,/ND3 (17)

en donde H,* es la carga por etapa, ft., g es la constan-te de la gravedad, 32.2 ft/s2, U es la velocidad en lapunta del impulsor, ft/s, Q es la capacidad en la entra-da, ft3/min, N es la velocidad del impulsor, rpm, y Des el dimetro del impulsor, ft.

Los valores reales de p y la forma de la curva depen-den del diseo del impulsor7. Se necesita informacin

Coeficiente de flujo, 6

Fig. 5 Rendimiento de un compresor centrfugo

Velocadad del rbol. N. mh?s de rpm

7 06 05 0

Velocidad del rbol, N. miles de rpm

Fig. 6 Perdidas por friccin en cojinetes y sellos

adicional respecto al punto de oscilacin (inestabilidad)y el aumento en la carga, antes de tratar de calcular laforma de una curva real.

Despus de determinar el caballaje para el gas concualquiera de los mtodos, se deben sumar las prdidasde caballaje por friccin en los cojinetes, sellos y engra-nes de reduccin. En la figura 6 se muestran las prdi-das probables para compresores convencionales deetapas mltiples, con base en que tengan sellos de pel-cula de aceites.

Todos estos clculos slo dan resultados preliminares.El diseador del compresor hace determinaciones msexactas con base en los datos de un impulsor, lo cualpermite una seleccin rueda a rueda en la que el ren-dimiento de cada una se determina sobre la base de suscondiciones especficas en la entrada y despus se sumanpara obtener el rendimiento total.

Control de los compresores centrfugos

Cuando cambia cualquiera de los siguientes parme-tros: peso molecular, razn de los calores especficos,presin o temperatura de succin o descarga, con res-pecto al flujo, se llega a un punto diferente en la curvade carga contra capacidad en cualquier compresor, puesste produce carga, pero no presin.

En los compresores y sopladores (ventiladores) centr-fugos se aplican las leyes de los ventiladores o leyes

24 SELECCIN

Tabla IV Valores para la seleccin preliminar decompresores centrfugos de etapasmltiples

TamaAonominal

12

3

4

5

6

7- -

C o n

Coeficiente deLmites de flujo, carga*, promedio,

ft3/min P

800 a 2,000 0.461,500 a 7,000 0.49 a 0.50

4.000 a 12,000 0.50 a 0.516,000 a 17,000 0.51 a 0.528,000 a 35,000 0.51 a 0.5235,000 a 65,060 0.53

65,000 a 100,000 0.54;a an impulsores con labes de inclin

da labes radiales tienen valores mas altos

Dihmetro nominaldel impulsor, D,

I n

14 a 1617 a 1921 a22

24

32

42 a 4554 a 60

i6n inversa; los

de afinidad referentes a la variacin en la capacidad yla carga, como funcin de la velocidad.

en donde N es la velocidad, (2 es la capacidad en la en-trada y H es la carga.

Por tanto, la forma ms eficaz de hacer corresponderla caracterstica del compresor con la salida requerida,es cambiar la velocidad de acuerdo con la ecuacin (18).Esta es una de las ventajas principales del empleo de tur-binas de vapor o de gas para impulsar el compresor,porque son idneas para funcionar con velocidad va-riable. Con estas unidades motrices, el operador puedecontrolar la velocidad en forma manual al ajustar el re-gulador de la turbina. 0 bien, el ajuste de velocidadpuede ser automtico con un controlador neumtico oelectrnico, que cambia la velocidad en respuesta a unaseal de flujo o de presin.

Para unidades motrices de velocidad constante, comolos motores elctricos, el compresor se debe controlar enuna de tres formas:

1. Aspas de gua de la admisin (la ms eficiente)2. Estrangulacin de la presin de succin3. Estrangulacin de la presin de descarga (la me-

nos eficiente)Las aspas o paletas de gua de la admisin son aspas

fijas de ajuste manual o automtico en la entrada a laprimera etapa (y a veces en las sucesivas) que hacen quecambie el ngulo de aproximacin del gas con relacinal impulsor giratorio. Esto cambia la caracterstica deflujo en respuesta a las variaciones de los requisit s decarga. En la figura 7 se ilustra el efecto de este c trolsobre la carga y la capacidad. Aunque.las aspas 60e guade la admisin son las ms eficientes, hay que estudiarel aspecto econmico porque son costosas, complejas enalgunos tipos de mquinas y son un componente adicio-nal que requiere mantenimiento y ajuste.

Un trmino medio para lograr sencillez y eficienciasuele ser la estrangulacin de la succin. Esto produceuna presin de succin ligeramente ms baja que la dediseo y produce una carga total ms elevada si la pre-

sin de descarga permanece constante; lo que se puedehacer concordar con la curva de carga contra la capaci-dad del compresor; es decir, mayor carga con flujo redu-cido. Cuando se estrangula la succin, se reduce ladensidad del gas y se llega a tener correspondencia entreel flujo en peso requerido con la capacidad de volumende succin del compresor en otros puntos de la curva decarga contra capacidad.

El mtodo de control menos eficiente es la estrangula-cin de la descarga. Con un flujo reducido, el compresorproduce carga (y presin) mayores que las que necesitael proceso; stas se estrangulan antes de que lleguen alequipo, pero el caballaje para la compresin se desperdi-cia y de ah proviene la inefciencia relativa. Sin embar-go, este mtodo tiene la ventaja de que es muy sencillo,y se aplica a menudo en compresores de poco caballaje,en donde no importa la inefkiencia.

Control de oscilaciones encompresores centrfugos

Todos los compresores dinmicos tienen un intervalolimitado de capacidad, a velocidad fija, para una selec-cin dada de impulsores. Por debajo del valor mnimo,que suele ser de 50 a 70% del nominal, el compresortendr oscilaciones; es decir, inestabilidad de funciona-miento. Entonces, pueden ocurrir vibraciones excesivasy fallas 0 paros repentinos.

Es esencial disear todos los sistemas de compresorespara evitar oscilaciones (inestabilidad) cuando funcio-nan y, por lo general, se logra utilizando algn tipo decontrol antioscilacin. El ms sencillo se utiliza en loscompresores de aire y consiste en una vlvula de purgaautomtica, que se abre y deja salir el exceso de capaci-dad a la atmsfera, si el flujo requerido en el proceso esmuy bajo. A veces, se utilizan mtodos ms eficientes abase de vlvulas de control de la succin.

Nota. Tambin hay unidades motrices con motor elctrico de veloci-dad variable, pero rara vez se emplean en las industrias de procesosqumicos. Los motores de dos velocidades o de rotor devanado de ve-locidad mltiple pueden ser un problema en zonas peligrosas. Los em-,bragues o acoplamientos elctricos o hidrulicos pueden ocasionarproblemas de mantenimiento y suelen ser ineficientes cuando trabajanen condiciones que no son de diseo.

s 1 2 0&-.oL

1 1 0

- 1 0 0::E 9 0 s

.- 80 lOOcc2:fd O 80

mmc%,m 60 60 ,+

maUU 40 ;j

dd20 40 60 80 100 1 2 0

Capacidad, % de la nominal

Fig. 7 Las aspas de gua de entrada influyen en elrendimiento

Se puede agregar un4 orificio para barrido o

ra sellado con gas inerte

Presibn interna

8. laberinto

CLAVES PARA LA SELECCIN DE COMPRESORES

mEntrada de aceite limpio

H presih

Asiento estacionario

Salida de aceite

Presi6n interna del Atmsfera

Salida de aceitesucio

b. Mechico (de contacto)

S e p u e d eagregar unorif icio parasellado

Entrada de aceite limpio

Buje interno Buje #externo /

Salida aceite Saiidasucio aceite

d . Pallcula de l qu ido con bujes c i l ndr icos

Atmsfera Recirculacin Presinaceite limoio interna del

da aceite sucioSalide aceite Entrada aceite

limpio

25

e. Pelkx~la de Ifquido con buja de bombeo

Fig. 8 Los sellos de extremo del hrbol de compresoresrotatorios retienen el gas que secomprime o permiten fugas controladas

c. Anillo de restricci6n

26 SELECCl6N

Con un gas que no se puede desperdiciar, el controlantioscilacin ms comn es un control de derivacin,o sea el que devuelve el flujo indeseado a la fuente desuccin. Como este gas ya ha sido comprimido y su tem-peratura es ms alta, hay que enfriarlo antes de que en-tre por segunda vez en el compresor, y se puedenecesitar un enfriador en la derivacin. En sistemas endonde la fuente de succin es de tamao suficiente o esta cierta distancia, con lo cual el calor se disipa por mez-clado o radiacin, quiz no se necesite el enfriador.

Hay en el mercado algunos sistemas antioscilacin,que fabrican empresas especializadas en control de pro-cesos. Quiz sea preferible comprar el sistema que dise-arlo.g

Sellos para el rbol decompresores rotatorios

Se necesitan sellos en el rbol de todos los compreso-res rotatorios, para contener el gas que se co rime 0

-ipara permitir una fuga controlada. Los sellos son decuatro tipos bsicos: 1) de laberinto, 2) anillo de restric-cin (de carbono) 3) de pelcula de aceite y 4) de contac-to mcanico (Fig.8)6

Los tipos de laberinto o de anillos de restriccin slose utilizan~cuando se pueden permitir determinadas fu-gas de aire o de gas. Los de pelcula de aceite se utilizancon gases de proceso, en especial los que contienen im-purezas que son peligrosas o txicas, como el sulfuro dehidrgeno. El tipo de contacto mecnico se puede em-plear con la mayor parte de los gases, pero casi siemprepara gases limpios de hidrocarburos pesados, refrige-rantes, etc.

En ocasiones se necesitar un gas amortiguador paratener una amortizacin entre el gas comprimido y la at-msfera, y se emplea a menudo cuando se comprimengases peligrosos o txicos, de los cuales no se puedenpermitir fugas. Este sistema tiene la desventaja de quenecesita un suministro externo de gas a una presinmayor que la de succin del compresor. En el sistematambin se necesita un gas amortiguador limpio ycompatible con el que se comprime, porque algo del gasamortiguador se puede escapar hacia dentro, y que susuministro sea continuo. Si no es posible, se puede nece-

ZEv 1

Capacidad, % del valor de diseo

Fig. 9 Control de aspas del estator en el compresoraxial

sitar tambin un gas de apoyo, como nitrgeno en cilin-dros, con lo que el sistema se vuelve muy complicado ycostoso.

Sistemas de aceite para lubricacin y sellos

Cuando se utilizan sellos de pelcula de aceite o decontacto mecnico, se necesita aceite para sellos, quesuele ser con un sistema integrado con recirculacin, elcual enva aceite a presin a los sellos y recibe el aceiteque descargan en una o dos corrientes separadas, si esque hay aceite contaminado o sucio por contacto con elgas.

Por ejemplo, si el gas contiene sulfuro de hidrgeno,se contaminar el aceite que escapa hacia dentro y se po-ne en contacto con el gas. Este aceite se descarga por se-parado en trampas para ese propsito, con el fin dedesecharlo o, a veces, regenerarlo para un nuevo empleo.Si el gas no es txico, las trampas para el escurrimientointerno se pueden conectar con el sistema de retorno deaceite para sellos, con el fin de aprovechar el aceite.

En todos los compresores centrfugos que tienen coji-netes de manguito (chumaceras) lubricadas a presin, senecesita un sistema de lubricacin: tambin se empleauno semejante en cualquier compresor que necesiteaceite para sellos. Se pueden combinar en un solo siste-ma o bien en uno que tenga bomba reforzadora para au-mentar la presin del aceite para sellos hasta larequerida. En las instalaciones ms complejas, se nece-sitan sistemas separados de aceite lubricante y para se-llos.

Estos sistemas los suele incluir el fabricante delcompresor o de la unidad motriz, y puede servir para lu-bricar los cojinetes del compresor y de la unidad. En al-gunos casos especiales, la unidad motriz tendr supropio suministro de aceite. Por lo general, se especificaque los sistemas los monte el fabricante en una consolao una placa de base junto al compresor. A veces, en sis-temas pequeos y sencillos, el equipo de lubricacinpuede estar montado en la misma base que el compresoro la turbina. Para mayor informacin, vese la Ref. 10

Compresores de flujo axial

En estos compresores, el flujo del gas es paralelo al ejeo rbol del compresor y no cambia de sentido como enlos centrfugos de flujo radial. Los lmites de capacidadde los compresores axiales (Fig. 2) est a la derecha delos centrfugos, lo cual indica el empleo de axiales paraflujos ms grandes que los centrfugos, La carga por eta-pa del axial es mucho menor (menos de la mitad) quela de una del tipo centrfugo; por ello, la mayor partede los axiales son de cierto nmero de etapas en serie.Cada etapa consta de aspas rotatorias y fijas. En un di-seo de reaccin de 50%, la mitad del aumento de lapresin ocurre en las aspas del rotor, y la segunda mi-tad, en las del estator.

Los compresores de flujo axial estn disponibles desdeunos 20 000 PCMS hasta ms de 400 000 PCMS y pro-ducen presiones de hasta 65 psig en un compresor in-dustrial tpico de 12 etapas, o de un poco ms de 100

C L A V E S P A R A L A S E L E C C I N D E C O M P R E S O R E S 27

psig, con los turbocompresores de 15 etapas; estos tiposse emplean en turbinas de gas y motores de reaccin(jet) para aviones, excepto los muy pequeos. Tambinse emplean mucho en aplicaciones que requieren flujosde gas superiores a 75 000 o 100 000 PCMS, en especialporque son ms eficientes que los centrfugos de etapasmltiples, de tamao comparable. El axial suele costarms que el centrfugo y, en tamaos ms pequeos, slose justifica por su mayor eficiencia.

La curva caracterstica de un compresor axial es mu-cho ms pronunciada que la de uno centrfugo. Debidoa las caractersticas de flujo del rotor y al gran nmerode etapas, el axial tiene lmites de estabilidad muy estre-chos (Fig.9). Se controla con ms facilidad mediante unmecanismo de control de aspas variables del estator, porlo general en las primeras etapas (control parcial de lasaspas del estator) y, a veces, en todas las etapas para te-ner estabilidad, capacidad y eficiencia mximas.

Los aspectos mecnicos como cojinetes, sellos del r-bol, sistemas de lubricacin y de aceite de sellos, tam-bin referentes al control y rendimiento a velocidadesvariables, son muy similares a los de los compresorescentrfugos.

Hay menos informacin respecto a los mtodos de se-leccin preliminar de compresores axiales que para loscentrfugos. Aunque los axiales se rigen con las mismasleyes bsicas referentes a la carga adiabtica y politrpi-ca, flujo en peso, velocidad perifrica (en la lnea de pa-so de las aspas del rotor), etc., el ingeniero de proyectoslo debe hacer una seleccin preliminar y, luego, con-sultar al fabricante con el fin de obtener datos exactospara los clculos y costos.

Compresores reciprocantes dedesplazamiento positivo

Los compresores reciprocantes abarcan desde una ca-pacidad muy pequea hasta unos 3 000 PCMS. Paraequipo de procesos, por lo general, no se utilizan mucholos tamaos grandes y se prefieren los centrfugos. Sihay alta presin y un gasto ms bien bajo, se necesitanlos reciprocantes. El nmero de etapas o cilindros se de-be seleccionar con relacin a las temperaturas de descar-ga, tamao disponible para los cilindros y carga en elcuerpo o biela del compresor.

LEtamaos ms bien pequeos, hasta de unos 100hp, pueden tener cilindros de accin sencilla, enfria-miento con aire, y se puede permitir que los vapores delaceite en el depsito (crter) se mezclen con el aire o gascomprimidos. Estos tipos slo son deseables en diseosespeciales modificados.

Lepos pequeos para procesos, de un cilindro y 25o 200 hp, tienen enfriamiento por agua, pistn de dobleaccin, prensaestopas separado que permite fugas con-troladas y pueden ser del tipo no lubricado, en el cualel lubricante no toca el aire o gas comprimido. Se utili-zan para aire para instrumentos 0 en aplicaciones pe-queas para gas de proceso.

Los compresores ms grandes para aire o gas son dedos o ms cilindros. En casi todas las instalaciones, loscilindros se disponen en forma horizontal y en serie de

Tabla V TamaAos nominales de compresoresreciprocantes

Tipo

Carcasas de cigeflal%?ncillo

Carcasas para baja s

velocidad: ,ta,HOdZOlltalCilindros opuestos(dos o m8sl

Carcasas para velocidadesmediana y alta

HorizontalCilindros opuestos(dos o m8slhasta 35

CWrWatIpica, L. h

577,9

9, llll,13

9,9%10, 10%ll,12

1 415,15/2.16

17,lE19,20

56,8

9

Velocidad Caballaje

tpica. N aproximado,wm hp

6OOio514 to 354 5 0 3010604Q0 50 to 125

300 to 327 100 to 175

600 10 514 200 to 8004 5 0 400101200

450 to 400 8001o20003 2 7 1000102500

327 to 300 1500104000

277 to 257 3oOOto 10000

1,000 150 to 400720 to 900 1000104500

6 0 0 4OOOtoEOOO

modo que presenten dos o ms etapas de compresin.En la tabla V se presentan las capacidades y tamaos t-picos actuales para procesos. El nmero de etapas decompresin depende, en gran parte de la elevacin detemperatura en una etapa, que suele estar limitada aunos 250F; de la carga en el cuerpo o biela que se pue-de manejar y, de vez en cuando, del aumento total enla presin en una etapa, respecto del diseo de las vlvu-las del compresor, que suelen ser para menos de 1 000psi .

La relacin o razn total de compresin se determinapara tener una idea inicial aproximada del nmero deetapas. Si la relacin es muy alta, entre 3.0 y 3.5 parauna sola etapa, entonces la raz cuadrada de la relacintotal ser igual a la relacin por etapa para las dos eta-pas, a la raz cbica para tres etapas, etc. Las presionesinteretapas y la relacin por etapa reales se modificarndespus de tener en cuenta las cadas de presin en inte-renfriadores, tubera entre etapas, separadores y amor-tiguadores de pulsaciones, si se utilizan.

Seleccin de compresores reciprocantes

Un mtodo rpido y de exactitud razonable para de-terminar el caballaje requerido para cada etapa de uncompresor reciprocante, es el empleo de la grfica decaballaje por milln de la figura 10, aunque en ellaslo se presenta una parte de las