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ESTANDARES DE INGENIERÍA
PROCESOS
Código Interno: XXXX-GD-P-001
DOC. Nº: XXXX-P-GD-001
GUIA DE DISEÑO
SISTEMA DE AIRE DE INSTRUMENTOS
REV. A
Revisión Hecho Por Descripción Fecha Elaborado Revisado
A SDFS Implementación de Estándares 09/07/2010 LRZ LRZ
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INDICE
1. OBJETIVO Y ALCANCE............................................................................................................................ 3
2. NORMAS Y/O ESTANDARES ASOCIADOS. ........................................................................................... 3
3. REQUERIMIENTOS GENERALES ............................................................................................................ 3
3.1 CALIDAD DEL AIRE ............................................................................................................................ 3
3.2 PRESIÓN .............................................................................................................................................. 4
3.3 CAPACIDAD Y DIMENSIONAMIENTO ............................................................................................... 4
3.4 EQUIPOS ..................................................................................................................................... 5
3.4.1 TOMA DE INGRESO DE AIRE .................................................................................................... 6
3.4.2 COMPRESOR .............................................................................................................................. 6
3.4.3 TANQUE PULMÓN ...................................................................................................................... 8
3.4.4 SECADOR .................................................................................................................................... 8
3.4.5 FILTROS PRE-SECADO ........................................................................................................... 10
3.4.6 FILTROS POST-SECADO ......................................................................................................... 10
3.4.7 MONITOREO Y CONTROL ....................................................................................................... 10
3.5 SISTEMA DE RESPALDO ................................................................................................................. 11
3.6 TUBERÍAS .......................................................................................................................................... 11
3.7 VALVES .............................................................................................................................................. 12
3.8 AIRSETS............................................................................................................................................. 12
3.9 PRUEBAS ........................................................................................................................................... 13
4. ANEXO A: CONFIGURACIONES DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO ............................................. 14
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1. OBJETIVO Y ALCANCE
El presente documento tiene como intención establecer las guías de diseño para sistemas de aire
comprimido como suministro neumático para la instrumentación o equipamiento industrial que lo
requiera.
El alcance la presente guía de diseño abarca desde la estimación de la demanda de aire comprimido
(flujo “SCFM” y presión “psig”) como suministro global, autonomía del sistema, características de
calidad del aire (Humedad, dew point, partículas, etc.), configuración del sistema, selección de los
elementos que lo conforman (Compresor, secador, filtros, tuberías, etc.), lazos de control, así como
los detalles a considerar para puesta en servicio, operación y mantenimiento.
2. NORMAS Y/O ESTANDARES ASOCIADOS.
Esta guía se encuentra basada en:
ANSI/ISA-7.0.01-1996 Quality Standard for Instrument Air.
ANSI/ISA -7.3 Air Quality Standards for Pneumatic Instruments
3. REQUERIMIENTOS GENERALES
El diseño de suministro de aire de instrumentos deberá ser adecuado para asegurar la seguridad y
garantizar la operación de las facilidades que lo requieran.
3.1 CALIDAD DEL AIRE
La calidad de aire deberá reunir los requerimientos establecidos en la ISA 7.0 y 7.3
La presión de punto de rocío medida a la salida del secador deberá ser al menos de 10 ºC (18ºF) por
debajo de la temperatura local donde se ubicará el sistema.
La presión del punto de rocío no deberá exceder los 4ºC (39ºF) en la línea de presión.
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Un máximo de 40 micrómetros (µm) en tamaño de partículas del sistema de aire de instrumentos es
aceptable para la mayoría de dispositivos neumáticos. Dispositivos neumáticos que requieran de aire
de instrumentos con tamaño de partículas menores a 40 micrómetros (µm) deberán tener un filtro
adicional para retener el tamaño de partícula límite del instrumento o dispositivo neumático.
El máximo contenido total de aceite o hidrocarburos deberá ser en lo posible próximo a cero, y bajo
ninguna circunstancia este deberá exceder 1 ppm en base volumen (v/v) o peso (w/w).
El aire de instrumentos debería estar libre de contaminantes corrosivos y gases peligrosos los cuales
podrían ser arrastrados dentro del suministro de aire de instrumentos.
3.2 PRESIÓN
Para flexibilidad de y tolerancia de la caída de presión a través del equipo de secado, líneas de
distribución y reguladores de presión, la presión en la salida del secador deberá ser como mínimo de
100 psig (6.9 Barg)1.
3.3 CAPACIDAD Y DIMENSIONAMIENTO
La capacidad del sistema deberá estar basada en los requerimientos totales de todos los puntos de
conexión que requieran aire comprimido, asumiendo que todos los instrumentos operan
simultáneamente al máximo consumo de aire. En adición a la capacidad para futuras expansiones un
mínimo de 10% de la capacidad deberá ser adicionada por purgas y fugas.
En ausencia de información de consumos de aire precisa, una estimación razonable deberá ser
asumir 2.0 pies cúbicos estándar por minuto (SCFM) por cada instrumento. (Ver Tabla 1)
1
Los instrumentos de operación neumática requieren presiones alrededor de 35 psig (2.4 Barg) o menos. Posicionadores
y actuadores de pistón de válvulas de control pueden requerir aire a 60 psig (4.1 Barg) o más.
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Las tuberías en el sistema de distribución deberán ser dimensionadas para una caída de presión
entre la salida del secador y el punto de mayor consumo que no exceda los 5 psi (0.35 Barg) cuando
todos los puntos de uso están operando al máximo consumo de aire.
Todos los cabezales deberán ser dimensionados para una aceptable caída de presión con una
tolerancia para un incremento del número de puntos de uso y venteos.
Cuando se dimensione el sistema de aire de instrumentos, el consumo de aire de los actuadores de
válvulas de gran tamaño deberán basarse en el desplazamiento x carrera/minuto.
TABLA 1. Tabla típica de demanda2 de aire de instrumentos según tipo
Tipo de dispositivo Aire requerido Nota
Convertidor de señal (I/P, P/I, E/P, etc.)
0.35 SCFM 0.55 SCFM
Actuación simple Actuación doble
Actuador de Válvula de bola
0.73 plg3/operación Mínimo
Posicionador 0.71 SCFM 12.6 SCFM
Venteo constante En operación durante la posición de ajuste
Solenoide 12.6 plg3/operación Al actuar (las fugas pueden ser mayores)
Bomba de Diafragma 50 SCFM Para pequeñas bombas, puede ser mayor
Motor de mezclador 20 SCFM Mezcladores de tambor
3.4 EQUIPOS
Un sistema de aire de instrumentos deberá contar con los siguientes equipos e instrumentos:
Toma de ingreso de aire
Compresor
Tanque pulmón
Secador
Filtros Pre-Secado
Filtros Post-Secado
Monitoreo y Control
2 Estos datos son solo referenciales, ya que los requerimientos de aire para cada instrumento varían según el tipo, fabricante, tamaño, rango de operación, entre otros factores.
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3.4.1 TOMA DE INGRESO DE AIRE
I. La toma de ingreso de aire deberá estar localizada lejos de fuentes toxicas, nocivas,
corrosivas, con suciedad, humedad, o alguna fuente de gases inflamables.
II. Si es posible, el ingreso de aire deberá estar en el lugar más fresco de las
instalaciones para aprovechar al máximo el efecto de la temperatura de la toma de
aire en la capacidad del compresor.
III. El ingreso de aire deberá ser instalado a una altura adecuada para evitar succión de
polvo o escombros del suelo.
3.4.2 COMPRESOR
Los compresores deberían estar dimensionados para entregar aire a la presión especificada
bajo todas las condiciones, y un margen adicional para futuras demandas y fugas.
Entre los tipos de compresores disponibles se incluyen los siguientes:
Pistón reciprocante lubricado.
Pistón reciprocante de poca lubricación.
Vena Rotatoria.
Anillo Rotatorio líquido.
Diafragma.
Tornillo rotatorio.
Centrifugo.
Algunos compresores son lubricados internamente con agua o agua con pequeñas
cantidades de jabón aceitoso. Los compresores identificados como no lubricados usan
lubricación para los rodamientos y demás partes, sin embargo la cámara o cilindro del
compresor no esta lubricada porque un plástico u otro sello de baja fricción es usado en
el pistón para eliminar las necesidades de lubricación de las paredes del cilindro.
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Los compresores del tipo diafragma son considerados como no lubricados porque la
cámara de compresión esta separada de las partes lubricadas a través de un diafragma.
Algunos compresores son identificados como libres de aceite a pesar de que el
compresor es internamente lubricado con aceite porque usan filtros, sin embargo los
limita la saturación del filtro, por lo que los compresores no lubricados son más
recomendables.
Aunque no es recomendado si compresores lubricados son usados, la eliminación de
lubricante es requerida para evitar los efectos de daño de los componentes de los
dispositivos de uso final del sistema de aire. Por lo cual se debe provisionar de un
sistema de recuperación de lubricantes para disposición de acuerdo con los
requerimientos ambientales locales y nacionales de la instalación.
Los requerimientos básicos para selección de un compresor deben considerar:
I. Los compresores deberán ser dimensionados para entregar aire a la presión y flujo
requerida a la temperatura ambiente especificada.
II. Si compresores lubricados son usados, se debe contar con filtros u otra provisión
que permita remover los lubricantes existentes en el aire de suministro3.
III. El compresor deberá tener un post-enfriador para remover la humedad y calor
compresión.
Un post-enfriador puede trabajar con agua o aire como fluido de enfriamiento.
Si se emplea agua el flujo es usualmente dimensionado para enfriar la salida de aire
comprimido dentro de 5 a 8 ºC (9-15 ºF) por encima de la temperatura de ingreso de
agua de enfriamiento. En el caso de emplearse aire del ambiente se dimensiona el
flujo de aire ambiental con el fin de enfriar la salida de aire comprimido dentro de 14
a 17 ºC (25 a 31ºF) por encima de la temperatura de aire del ambiente.
3 Los compresores no lubricados son comúnmente usados para prevenir problemas de contaminación con aceites lubricantes.
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3.4.3 TANQUE PULMÓN
El tanque pulmón deberá ser dimensionado para un tiempo de residencia de 1.5 minutos de la
capacidad nominal del compresor.
El tanque pulmón deberá estar construido de acuerdo con la ASME Boiler and Pressure Vessel
Code Section VIII, Division I y previsto con una válvula de alivio para protección del mismo, así
como de un manómetro que permita visualizar fácilmente la presión del recipiente.
El tanque pulmón deberá estar instalado lo más cercano posible del compresor dejando el espacio
suficiente para permitir una inspección y acceso fácil de cada manhole, handhole y drenajes.
Un línea de drenaje, válvulas y una trampa de condensados deberá ser instalada para la remoción
de los líquidos que puedan acumularse.
3.4.4 SECADOR
Un sistema de secado de aire que cumpla con los requerimientos de la ISA S7.0 deberá ser
proporcionado para la remoción de la humedad del aire comprimido.
Los siguientes factores deberían ser considerados cuando se seleccionen secadores:
Razón de flujo máxima: m3/s (m3/h, SCFM)
Máxima temperatura de ingreso: °C (°F)
Máximo porcentaje de humedad de saturación de ingreso (si es desconocido, asumir
temperatura de ingreso a la presión de rocío)
Mínima presión de ingreso: psig
Máxima presión de ingreso: psig
Máxima temperatura de rocío permisible en la salida a la presión de salida del secador: °C
(°F)
Accesorios requeridos (manómetros, válvulas de alivio, termómetros, switches de
seguridad, temporizadores, etc.).
Otra información pertinente como: contaminantes que se pueden presentar (aceite,
liquido, etc.)
Facilidades disponibles como: electricidad, vapor, agua, y control de potencia.
Clasificación de áreas donde el equipo va a ser instalado.
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Secadores refrigerados tienen aplicaciones limitadas debido a las restricciones del punto de rocío.
Si la aplicación del diseño permite usar secadores refrigerados, un continuo monitoreo es
recomendable.
TABLA 2. Secadores típicos de aire comprimido4
4 Tabla B.1 Typical compressed air dryer types de la ISA S7.0
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3.4.5 FILTROS PRE-SECADO
Un filtro deberá ser instalado antes de la entrada de aire comprimido al secador proveniente del
compresor. Este filtro previene el ingreso de aceite, agua u otros líquidos.
filtros en paralelo con válvulas de by-pass deberán ser considerados cuando las facilidades de
suministro de aire comprimido no pueden parar por mantenimiento.
Un tiempo adecuado de reemplazo de estos filtros por saturación puede ser de 06 meses, el cual
puede variar según la calidad de aire a la salida del compresor.
3.4.6 FILTROS POST-SECADO
Filtros en paralelo deberán ser instalados en todos los sistemas de aire de instrumento para
proporcionar una limpieza final de la corriente de aire por remoción de partículas de materia desde
la descarga del secador.
3.4.7 MONITOREO Y CONTROL
Donde aplique, las siguientes funciones deberán ser monitoreadas, controladas y alertadas para
garantizar la seguridad operativa e integral del sistema de aire de instrumentos y sus
componentes:
Temperatura del compresor entre etapas (alarmas y shutdown).
Velocidad del compresor (maquinas de velocidad variable).
Vibración del compresor (alarma y shutdown – para compresores centrífugos).
Flujo y temperatura de agua de enfriamiento.
Presión de descarga entre compresor, secador y tanque pulmón.
Presión del Cabezal (indicación remota).
Baja presión de cabezal de aire (alarma).
Requisitos de fabricante de las alarmas.
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3.5 SISTEMA DE RESPALDO
Se debe considerar un sistema de respaldo para el sistema de aire de instrumentos provisto con lo
siguiente:
Un compresor en stand-by con una fuente de energía alternativa para su funcionamiento.
Línea de conexión (TIE-IN) para otro sistema de aire de instrumentos.
El sistema de respaldo deberá estar configurado para corte automático y sonido de una alarma si la
caída de presión del sistema esta 10 psi (0.7 Barg) debajo de las condiciones de diseño.
Si un TIE-IN para otra fuente de aire es usada como stand-by y conectada entre el compresor y
secador, un filtro de pre-secado debe estar instalado antes del secador para remover el agua y
aceite desde la fuente en stand-by.
Un método de operación deberá ser provisto para el alineamiento y activación del sistema de
respaldo.
La capacidad del sistema de respaldo deberá ser igual a la del sistema primario y deberá estar a la
misma presión.
Sistemas de respaldo que utilicen gas inerte como fuentes neumáticas de respaldo deberán tener la
aprobación del propietario de la instalación5.
El diseño de sistemas de respaldo debe incluir la prevención de contraflujos y requiere la aprobación
del propietario de la instalación.
3.6 TUBERÍAS
El ramal de líneas de aire de instrumentos deberá originarse desde la parte superior del cabezal de
distribución.
Válvulas de bloqueo son requeridas para las conexiones cada ramal y deben estar localizadas cerca
al cabezal de distribución.
El cabezal de distribución deberá ser de 2 pulgadas como mínimo.
Una línea de 1 pulgada deberá ser empleada para suministrar aire a no más de 15 instrumentos.
El mínimo tamaño de cada toma individual de aire para instrumentos deberá ser de 0.5 pulgadas.
Un máximo de 04 usuarios (instrumentos neumáticos simples o válvulas) pueden ser conectados a
una toma de 0.5 pulgadas.
5 Aspectos de seguridad de reducción de oxigeno como resultado de venteos y purgados deben ser considerados cuando se diseñen sistemas con gas inerte de respaldo.
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Uniones roscadas para servicios de aire de instrumento deberán ser hechas usando TEFLON®
dispersante (en pasta o crema) como sellante. TEFLON® en cinta como un sustituto deberá ser
usado solo con aprobación del propietario de la instalación6.
Los cabezales deberán estar con válvula y tapones para futuras expansiones.
3.7 VALVES
Si válvula de bola de un cuarto de vuelta son usadas, estas deberán estar provistas con actuadores
manual a prueba de tropiezos (trip-proof handles).
Cada componente que consume aire de instrumentos deberá tener sus propias válvulas para
aislarlo del sistema de aire de instrumentos.
3.8 AIRSETS
Un airset aparte debe ser instalado para cada transmisor, controlador, válvula de control u otro
dispositivo neumático montado en campo.
Cada airset deberá tener filtros reguladores con elementos filtrantes distintos de papel y con llaves
de purga así como colectores de goteo.
Cada airset deberá estar provisto con alivios internos.
Manómetros deberán estar provistos para indicar la presión regulada desde cada airset.
6 Cuando se instala inapropiadamente pequeños pedazos de TEFLON® cinta puede ser arrastrados en las corrientes de aire y crear taponeos o atascamientos potencialmente peligrosos en los componentes internos de los dispositivos neumáticos.
Trip-proof handles Single handles
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3.9 PRUEBAS
Antes de energizar el suministro de aire para instrumentos, las tuberías del sistema deberán ser
inspeccionadas, limpiadas partículas u objetos ajenos a través de un purgado con limpieza (flushing)
empleando aire seco para tal fin.
A los sistemas de aire de instrumentos deberá realizárseles pruebas de presión neumática usando
aire seco o gas inerte. Las pruebas hidrostáticas no deben ser hechas por el riesgo de
contaminación del sistema con agua.
Las pruebas de fugas no deberán ser hechas a presiones superiores que la máxima presión de
operación del sistema.
Detectores líquidos de fugas (solución de jabón líquido) deberán ser usados para verificar fugas.
Las fugas deberán ser reparadas solo después de que el sistema se encuentre despresurizado.
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4. ANEXO A: CONFIGURACIONES DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO
Figura 1. Sistema de compresión y secado de aire: secador desecante.
Figura 2. Sistema de compresión y secado de aire: secador refrigerante (aire de enfriamiento).
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Figura 3. Sistema de compresión y secado de aire: secador refrigerante (agua de enfriamiento).
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