UNIVERSIDAD DE ORIENTE.UNIVERSIDAD DE ORIENTE.NCLEO MONAGASNCLEO MONAGAS

ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEO.ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEO.MATURN / MONAGAS / VENEZUELA.MATURN / MONAGAS / VENEZUELA.

Curso Gasotecnia (063-3423) Unidad IX

Dr. Fernando Pino MoralesEscuela de Ingeniera de Petrleo UDO_ MONAGAS

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Programa de la Unidad

UNIDAD IX: Concepto y utilidad de los Compresores de Gas. Factores que influyen en el Proceso de Compresin de Gas Natural. Criterios utilizados para la seleccin de un compresor Reciprocante o Centrfugo. Ciclos de Compresin para gases ideales y reales. Concepto y Utilidad de los Procesos Isotrmicos, Isentrpicos y Politrpicos, para la Compresin de un Gas Natural. Concepto y utilidad del Volumen Muerto, Presin de Succin y Descarga, Temperatura de Succin y Descarga. Mtodos y Ecuaciones utilizadas para la determinacin del Trabajo de Compresin, a travs del Mtodo Analtico, Termodinmico y Curvas de Potencia. Factores que influyen en la eficiencia del Proceso de Compresin de Gas. Formacin de Lquidos, Manejo del Proceso de Corrosin. Utilizacin de los Modelos de Simulacin, para Describir los Procesos de Compresin de Gas. Importancia y Utilidad del Proceso de Fraccionamiento de Gas y de los Procesos Criognicos. Resolucin de Problemas Tipos.

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INDICE Pgina

Portada 01Programa de la Unidad 02ndice de la Unidad 03Proceso de Compresin del Gas Natural 07Importancia del proceso de Compresin del Gas 07Justificacin del proceso de Compresin 07Descripcin del Proceso de Compresin del Gas Natural 08Representacin Termodinmica del proceso de Compresin del Gas Natural 09Planta Compresora 10Parmetros de Importancia en el Proceso de Compresin del Gas Natural 10

a.- Presin de Vapor (PV) 11b.- Gas y Vapor 11c.- La humedad relativa (HR) 12d.-La humedad especfica (SH) 12

Tipos de Compresores 12Clasificacin de los Compresores 13Tipos de Compresores Utilizados en la Industria 13

a.- Compresores de Desplazamiento Positivo 13Compresores Reciprocantes 13Elemento Bsico de un Cilindro Compresor Reciprocante 16Compresores Rotatorios 16

b.- Compresores Dinmicos 17Compresores Centrfugos 17Norma de Trabajo de los Compresores Centrfugos 20Utilidad de los Compresores Centrfugos 20

Compresores Axiales 21Tipos de Compresores Axiales 21Tipos de Compresores Utilizados en la Industria 22Compresores Dinmicos 22Criterios que s Deben de Utilizar para Seleccionar un Compresor 22Proceso de Compresin del Gas Natural 23

a.-Compresores Reciprocantes 23Tipos de Compresores Reciprocantes 24Forma de Trabajo de un Compresor Reciprocante 24Elemento Bsico de la Compresin ReciprocanteEficiencia de los Compresores Reciprocantes 24

b. Los Compresores Centrfugos 25Diseo del Compresor Centrfugo 25Utilidad del Compresor Centrfugo 26Fundamento de Trabajo de un Cilindro Compresor 27Criterios Vlidos Para la Seleccin de un Compresor para el Gas Natural 27Rendimiento Volumtrico de un Cilindro Compresor 28Relacin de calores Especficos 28Determinacin de la Capacidad de los Compresores 30Ciclos de Compresin 31

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INDICE Pgina

Ciclos Tericos de Compresin 33La compresin isotrmica 33La compresin adiabtica (Isentrpica) 33Determinacin del Exponente Politrpico (N) 36Bombeo o Surge en los compresores 36Choque o estrangulacin 36Parmetros de Importancia en el Proceso de Compresin 37Requerimientos de Potencia para Compresores 37Caudal empleado en la Industria 38Compresin Isentrpica 39Los Compresores Centrfugos 40Temperatura de Descarga 41Correccin por Compresibilidad En el Proceso de Compresin 41Etapas Simples y Mltiples en La Compresin de Gas Natural 42Compresin por Etapas 42Limitaciones en el proceso de Compresin 43Eleccin del Nmero de Etapas en el proceso de Compresin 44Eficiencia de los Compresores 46Capacidad y Rendimiento Volumtrico de Compresores 47Operacin con Compresores Reciprocantes 47Capacidad Mxima Terica de un Compresor Reciprocante 48La eficiencia volumtrica (Ev) 49Volumen Muerto (VM) 50Frmula Matemtica del Volumen Muerto 50Diseo del Compresin y su Relacin con la Eficiencia 51La Relacin de los Bolsillos en los Compresores 53Desplazamiento del Pistn 54El Valor del Desplazamiento del Pistn 54Proceso de Compresin de Gas Natural, en un Compresor Reciprocante 55Mtodos Utilizados para Determinar la Potencia RequeridaPara un Proceso de Compresin de Gas Natural 55Necesidades de Potencia 56Mtodo Analtico 57Ecuaciones para Gases Reales Para el Mtodo Analtico 59Mtodo Termodinmico 60Comportamiento de un Gas Real Comprimido 61Mtodo de Curvas de Potencia 64Determinacin de la Temperatura de Descarga 65Parmetros Involucrados en la Compresin del Gas Natural 66

a.- Velocidad del compresor 66b.- Mtodo de sellado 66c.- Lubricantes 66d.- Caballaje 66e.- Presin 66f.- Mantenimiento del compresor 67

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INDICE Pgina

Operacin con Compresores Reciprocantes 67Volumen de Gas Manejado 67Capacidad Volumtrica en (MM PCND) 67Carga de Tensin y Compresin en los Vstagos 68Factores que Influyen en el Rendimiento del Compresor Reciprocante 68

a.- Volumen muerto (VM) 68b.- Presin de Succin (Ps) 68c.- Presin de descarga (Pd) 69d.- Temperatura de Succin (Ts) 69e. Coeficiente de la Relacin de Calores especficos (k) 69f.- Velocidad 69

Factores que influyen en la eficiencia de los compresores centrfugos 69Estabilidad 70Cambios en la velocidad del compresor 70Tipo de fuente motriz 70Sistema de Control 70Otros Procesos de Tratamientos del Gas Natural 72Endulzamiento 72

1.- Absorcin 722.- Adsorcin 723.- Conversin Directa 724.- Procesos con Membranas 72

Deshidratacin 721.- Absorcin. 732.- Adsorcin 733.- Expansin 734.- Inyeccin 73

Proceso de Absorcin de los Gases 731.- Presin 732.- Temperatura 733.- Relacin del rgimen de flujo (RRF) de aceite de absorcin 73

Proceso de Refrigeracin 731.- Sistema de Refrigeracin por Compresin 742.- Sistema de Refrigeracin por Absorcin 74

Procesos Criognicos 76Importancia de los procesos Criognicos 76Efecto de Joule y Thompson 76Proceso de Fraccionamiento 77

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INDICE de Figuras Pgina

Figura 1 Diagrama Simplificado de un Sistema de Compresin 08Figura 2 Una Planta Compresora de Petrleos de Venezuela 10Figura 3 Partes de Un Compresor Reciprocante 14Figura 4. Etapas de un Cilindro Compresor Centrfugo 18Figura 5 Una Representacin Grfica de un Compresor Centrfugo 19Figura 6 Ejemplo de un Compresor Centrfugo 20Figura 7 Ejemplo de un Compresor Axial 22Fig. 8 Ciclo de un Proceso de Compresin de Gas ideal 32Figura 9 Ciclo de Compresin de un Gas Real 33Figura 10 Diagrama Presin- Volumen para el proceso de Compresin 34Figura 11 Diagramas (P- V) para el Proceso de Compresin de Gas 34Figura 12 Diagrama de Mollier para la obtencin de (hd y hs) 62

INDICE de Cuadros Pgina

Cuadro 1: Valores de la Capacidad Calorfica de Hidrocarburos 29Cuadro 2: Resultado del clculo de (k) 30

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Proceso de Compresin del Gas Natural

Importancia del proceso de Compresin del Gas: Por lo general previo a la utilizacin de un gas es necesario someterlo a un proceso de compresin, con lo cual se incrementa el nivel energtico del gas. El aumento de energa se logra mediante el trabajo que se ejerce sobre el fluido en el compresor. El aumento de energa se manifiesta por incrementos de presin y en la mayora de los casos por aumentos de la temperatura.

Un ejemplo del proceso de compresin del gas, es cuando se quiere transportar gas a travs de los gasoductos, en este caso se requiere aplicar una presin necesaria para vencer la resistencia de frotamiento. Cuando los compresores comunican presin en el gas, que es un fluido compresible reducen el volumen del gas

Justificacin del proceso de Compresin La compresin del gas se realiza en diferentes situaciones, tales como:

a.- para efectuar extraccin desde los equipos de produccin.

b- .En la captacin del gas natural a baja presin para aspirarlo de las redes conectadas a los cabezales de los pozos.

c.-En el transporte con el objetivo de conducir el gas producido a travs de gasoductos o redes de bombeo.

d.-.En el almacenaje, cuando el mismo se efecta a alta presin y no se cuenta con presin disponible de alguna de las etapas precedentes mencionadas.

e.-En la utilizacin, en caso de tratarse de un consumo industrial cuyo artefacto requiera una presin mayor que la de distribucin.

f.- Cuando requerirse comprimir el gas en casos especiales tales como en plantas de tratamiento; plantas de reinyeccin de gas natural a la napa petrolfera, almacenaje subterrneo, procesos de refrigeracin, consumo industrial no petroqumico o domstico en forma de materia prima y/ o combustible, etc.

Se puede concluir que los compresores son el vnculo esencial en el proceso de conversin de la materia prima en productos terminados. Los compresores tienen, tambin la capacidad de transformar la energa de una forma a otra, tambin son importantes a la hora de la conservacin de la energa en las plantas de reinyeccin de gas natural, en el procesos de recuperacin secundaria. La economa y viabilidad de todas las aplicaciones de los compresores dependen de la confiabilidad de los mismos, y de la capacidad que tenga el usuario para seleccionar el compresor adecuado, para manejar un determinado gas a las condiciones de operacin deseada. Luego es de vital importancia los criterios de seleccin de un compresor, de tal forma que el proceso de compresin sea una

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SEPARADOR

P3 T3

P1 T2 P1 T1

P2 T2

INTERCAMBIADOR DE CALOR

SEPARADOR INTERCAMBIADOR DE CALOR

COMPRESOR P3 T4

alta eficiencia, y mantengan los niveles adecuados de rentabilidad, que son necesarios en cualquier proceso industrial.

Descripcin del Proceso de Compresin del Gas Natural: La compresin se refiere al aumento de energa que se logra en un fluido gaseoso por medio de un trabajo que se efecta sobre l, los fluidos que ms comnmente se comprimen son: el aire, gas natural, componentes separados del gas natural y gases comerciales con propsitos industriales. El gas natural se somete a un proceso de compresin para elevar su nivel energtico, los compresores tienen como funcin principal aumentar la presin del gas, por lo cual el compresor somete el gas a un trabajo de tal manera que se incremente la energa total del mismo, este incremento se manifiesta por aumentos de presin y temperatura. El proceso de compresin del gas natural se puede representar a travs de un proceso termodinmico; en donde el gas con una presin P1, se comprime y posteriormente se descarga a los niveles de presin P2 superiores requeridos. Este proceso puede darse en una o varias etapas. En la figura 1 se presenta un diagrama simplificado de un sistema de compresin.

Figura 1 Diagrama Simplificado de un Sistema de Compresin

En la figura 1 se puede observar que el gas proveniente de la fuente entra a un intercambiador de calor donde se reduce la temperatura desde T1 hasta T2. Producto de este descenso en la temperatura, se puede o no producir la condensacin de ciertos componentes, por lo tanto en aquellos casos donde este proceso se produzca, es necesario instalar un separador, del cual salen tpicamente dos corrientes, una de gas por el tope y una de lquido por el fondo; la corriente de gas es enviada hacia el compresor en donde se eleva la presin desde P2 hasta P3, lo que origina un aumento de temperatura desde T2 hasta T3; la corriente de gas que sale del compresor a T3 entra a un intercambiador de calor de donde sale a una temperatura menor T4; esta corriente de gas, con cierto contenido de lquido, es enviada a un separador de donde salen dos corrientes,

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una de gas por el tope y una de lquido por el fondo; as se cuenta con el volumen de gas a las condiciones de presin y temperatura requeridas por el proceso.

Proceso de Compresin del Gas Natural: En el proceso de compresin del gas natural, los compresores tienen como funcin principal, aumentar la presin del fluido gaseoso, con el aumento de la presin son comprimidos y por ende pueden ser almacenado o confinados en recipientes de determinados volmenes. El proceso de compresin es una parte integral de los ciclos para refrigeracin y las turbinas de gas.

Los compresores son mquinas que disminuyen el volumen de una determinada cantidad de gas y aumenta su presin, todo esto ocurre a travs de procedimientos mecnicos. Luego el gas comprimido posee una gran energa potencial. El aumento en la energa potencial se debe a que en el proceso de compresin se elimina la presin a la cual esta sometido el gas, y durante la compresin se expande rpidamente. El control de esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas mquinas y herramientas. El proceso de compresin, como proceso es termodinmico, el cual se lleva a cabo a travs de una serie de etapas. La principal funcin de los compresores es someter el gas a un trabajo, para as aumentar la energa total.

Representacin Termodinmica del proceso de Compresin del Gas Natural: El proceso de compresin del gas natural se puede representar a travs de un proceso termodinmico. Para ello, una cantidad determinada del gas al inicio del proceso se encuentra en un nivel inferior de presin Luego se comprime y posteriormente, se descarga a los niveles de presin superiores requeridos. Este proceso se repite de manera continua Dependiendo de la aplicacin que se vaya a dar los compresores.

Todo compresor esta compuesto por uno o ms elementos bsicos. Un solo elemento, o un grupo de elementos en paralelo, comprenden un compresor de una etapa. En realidad la mayora de los problemas de compresin, es que estn involucradas condiciones, que representan mucho ms de una sola etapa de compresin. Luego, si el proceso de compresin involucra mucho ms de una etapa, se relaciona con la relacin de compresin, que no es otra cosa que la relacin entre la presin de descarga y succin.

Una relacin de compresin demasiado elevada causa una excesiva temperatura de descarga y otros problemas de diseo, uno de los principales problemas, en este caso es el calentamiento del cilindro compresor. Por lo tanto, puede ser necesario combinar elementos o grupos de elementos en serie para formar una unidad de etapas mltiples, en la cual habr dos o ms pasos de compresin. El gas se enfra con frecuencia entre las etapas para reducir la temperatura y el volumen que ingresa a la siguiente etapa. Cada etapa en s misma es un compresor bsico individual y esta dimensionado para operar con uno o ms compresores bsicos adicionales, y aun cuando todos puedan operar a partir de una sola fuente de poder, cada uno sigue siendo un compresor separado.

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Planta Compresora Se entiende por planta compresora a una instalacin diseada para aumentar la presin del gas natural recolectado, desde un nivel de menor presin a uno de mayor de presin con el objeto de transportar el gas Las plantas compresoras pertenecen al sistema bsico de produccin de la industria petrolera El gas natural cumple un ciclo en su recorrido, desde su produccin por los pozos productores hasta su retorno al yacimiento, pasando por las estaciones de produccin y las compresoras. La mezcla de hidrocarburos crudo agua - gas asciende desde el fondo del pozo fluyente hasta la superficie, dirigindose por medio de las redes de transmisin a las distintas estaciones de produccin, donde se inicia el proceso de separacin. El crudo es enviado a la estacin de descarga para ser tratado, el agua s reinyecta a los yacimientos y el gas se transporta por medio de tuberas hasta la planta, donde es comprimido por la accin de unidades motocompresoras para ser reinyectado en los yacimientos que han perdido su energa natural por el agotamiento de la presin

Una planta compresora est normalmente formada por una o ms unidades compresoras, accionadas cada una de stas por un motor que normalmente es de combustin interna. Las unidades motocompresoras se instalan en el inferior de los edificios especialmente diseados para protegerlas de la accin del medio ambiente y a la vez facilitar las tareas de operacin y mantenimiento de las mismas. En la figura 2 se presenta una Planta Compresora de Petrleos de Venezuela

Figura 2 Una Planta Compresora de Petrleos de Venezuela

Parmetros de Importancia en el Proceso de Compresin del Gas Natural. El gas natural utilizado en el proceso de compresin esta conformado por una mezcla de diferentes componentes, los cuales constituyen una mezcla. Y, para un eficiente proceso de compresin es necesario conocer con mucha precisin las

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propiedades que definen una mezcla y su comportamiento. La mayora de estos conceptos han sido tratado en este texto, pero es conveniente tener en cuenta, la necesidad de recordar siempre: Mol; Volumen especfico, densidad, volumen y porcentaje molar, peso molecular aparente; gravedad especfica, presin parcial, calor especfico a presin y volumen constante, condiciones crticas y reducidas y Factor de compresibilidad. Todos estos parmetros deben de ser manejados por el usuario, para una mejor compresin del captulo, entre los parmetros se tiene.

a.- Presin de Vapor (PV) A medida que los lquidos se transforman fsicamente en gases, sus molculas viajan a mayor velocidad y algunas emergen del lquido para formar vapor sobre el mismo. Estas molculas crean una presin de vapor, la cual es la nica presin a una temperatura determina, en donde un lquido puro y su vapor coexistan en equilibrio. Si en un sistema cerrado lquido- vapor, el volumen se reduce en forma isotrmica, la presin se incrementar hasta que la condensacin de parte de vapor a lquido haya disminuido la presin hasta la presin de vapor original correspondiente a dicha temperatura. Es lgico que la temperatura correspondiente a cualquier presin de vapor dada corresponde al punto de ebullicin del lquido, as como el punto de roco del vapor. Si se agrega calor, causar que el lquido hierva y, si se reduce el calor, se iniciar la condensacin del vapor. Esto significa, que los trminos: Temperatura de saturacin, punto de ebullicin y punto de roco, se refieran a la misma temperatura fsica a una presin de vapor dada. Su empleo depende del contexto que les rodee.

b.- Gas y Vapor Por definicin un gas es un fluido que no tiene ni forma ni cuerpo independiente y que tiende a expandirse de manera indefinida. Mientras que un vapor es un lquido o slido gasificado, una sustancia en forma gaseosa. Todos los gases pueden licuarse bajo condiciones adecuadas de presin y temperatura y, por lo tanto, tambin pueden llamarse vapores. Por, lo general el trmino gas se emplea cuando las condiciones son tales que el retorno al estado lquido sera difcil dentro del rango de operacin considerado. Sin, embargo, un gas sometido a tales condiciones es, en realidad un vapor sobrecalentado.

La presin de vapor creada por un lquido puro no afectara la presin de vapor de un segundo lquido puro, cuando los lquidos sean insolubles y no reactivos, y los lquidos o vapores se mezclen dentro del mismo sistema. Adems, la presin total del vapor ser la suma de las presiones de vapor de cada componente presente en la mezcla. Los principios de la presin parcial son aplicables durante el proceso de compresin de cualquier gas que no sea un gas puro o un gas seco. Despus de la compresin, las presiones parciales se emplean para determinar la condensacin y remocin de la humedad en interenfriadores y postenfriadores.

En una mezcla, cuando se alcanza la temperatura de roco de cualquier componente, se dice que el espacio ocupado esta saturado por ese componente En ocasiones, un volumen s especfica como parcialmente saturado con vapor de agua a una cierta temperatura Esto significa que el vapor se encuentra en realidad sobrecalentado y que el punto de roco es menor a la temperatura real. La presin

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parcial del componente en cuestin se determina si se conocen los moles de cada componente o multiplicando la presin de vapor del componente a la temperatura de la mezcla existente, por la humedad relativa. Los trminos gas saturado o gas parcialmente saturado son incorrectos. El gas no es el que esta saturado con vapor, sino el volumen o espacio ocupado. El vapor y el gas existen de manera independiente en un volumen o espacio.

c.- La humedad relativa (HR) Este trmino se emplea para representa la cantidad de humedad presente en una mezcla, aunque se emplean presiones parciales al hacerlo, y es:

%HR =S

V

PxP 100

(1)

En donde:(PV) es la presin parcial real del vapor y (PS) es la presin saturada de vapor a la temperatura existente de la mezcla

d.-La humedad especfica (SH) Este parmetro es empleado para los clculos de ciertos compresores es un trmino totalmente diferente de la humedad relativa. Se define como la relacin del peso del vapor de agua entre el peso del aire seco, y se representa por la frmula:

SH = a

v

v

vv

PxP

PPxP

ww )622,0(

)()622,0(

=

= (2)

En donde (Pa) es la presin parcial del aire. El grado de saturacin (GS) denota la verdadera relacin entre el peso de humedad existente en un espacio y el peso que habra si el espacio estuviera saturado:

%GS=saturado

real

SHxSH 100

= )()(

v

S

PPPPHR

(3)

La aplicacin prctica de las presiones parciales en los problemas de compresin, se centra en gran medida alrededor de las determinaciones de los volmenes o pesos de la mezcla que se manejarn en la succin de cada etapa de compresin.

Tipos de Compresores Un compresor es una mquina trmica generadora, donde el flujo de un fluido compresible intercambia trabajo tcnico con el exterior. Estos aparatos Se utilizan para comprimir gases, el principal objetivo del proceso de compresin es aumentar la presin, diminuyendo con ello el volumen especfico En los distintos usos industriales son de gran utilidad, y se utilizan de diversos tipos, segn las necesidades. Los compresores se relacionan por su forma de trabajo con las bombas o mquinas hidrulicas, que se utilizan para trabajar con lquidos, aunque los compresores trabajan fundamentalmente con gases y vapores.

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Clasificacin de los Compresores: Los compresores pueden clasificarse segn diferentes criterios. As, en funcin de la presin final alcanzada se habla de compresin de baja, media, alta y muy alta presin. Son numerosas las aplicaciones de los compresores, en la industria, como por ejemplo: Turbinas, instalaciones frigorficas, gaseoductos, sobrealimentacin de motores de combustin interna, para mquinas neumticas, industria qumica en general, etc.

El proceso de compresin es de tipo mecnico, proceso que necesita de trabajo auxiliar para el proceso. Los compresores consumen trabajo. Si el estudio del proceso de compresin, se realiza desde el punto de vista mecnico, lo cual es vlido, ya que trabajar con gases o vapores, tiene su similitud con la mecnica de las turbinas de vapor (que producen trabajo) y con las bombas que trabajan con lquidos. El estudio termodinmico de la compresin es vlido para todos los tipos, distinguindose dos formas de trabajo, adiabticos y refrigerados Este ultimo, por lo general es un proceso isotermo, con lo cual requieren menos trabajo que los adiabticos.

En general se puede asegurar que los compresores son maquinas de flujo continuo en donde se transforma la energa cintica (velocidad) en presin. La capacidad real de un compresor es menor que el volumen desplazado del mismo, debido a razones tales como:

a.- Cada de presin en la succin.

b.- Calentamiento del aire de entrada.

c.- Expansin del gas retenido en el volumen muerto.

d.- Fugas internas y externas

Tipos de Compresores Utilizados en la Industria En general: En la industria fundamentalmente son:

a.- Compresores de Desplazamiento Positivo En todas las mquinas de desplazamiento positivo, una cierta cantidad de volumen de gas de admisin se confina en un espacio dado y despus se comprime al reducir este espacio o volumen confiando. En esta etapa de presin elevada, el gas se expulsa enseguida haca la tubera de descarga o al sistema contenedor. Los compresores de desplazamiento positivo incluyen un amplio espectro de mquinas compresores, pero los de mayor importancia se pueden clasificar en dos categoras bsicas: Reciprocantes y Rotatorias.

Compresores Reciprocantes:. Son ampliamente utilizados en la industria petrolera, plantas de refinacin, qumicas y petroqumicas, en aplicaciones tales como: la inyeccin de gas natural a los yacimientos para mantener la presin de la formacin, la inyeccin de gas natural a la columna de fluidos del pozo o

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levantamiento artificial, la distribucin de gas en redes de suministro, compresin de aire para instrumentacin y control y muchas otras aplicaciones. Estos compresores pueden ser de una etapa (simple) o de mltiples etapas; el nmero de etapas est determinado por la relacin de compresin (presin de descarga / presin de succin), la cual a su vez est limitada por la temperatura mxima permisible de descarga del gas a la salida del compresor. De acuerdo a la norma API 617 para el diseo y manufactura de compresores reciprocantes se ha establecido, en base a recomendaciones de los fabricantes de compresores, una temperatura mxima permisible de 300 F para el gas a la descarga del compresor, razn por la cual la relacin de compresin por etapa por lo general no excede de cuatro (4).

Los compresores reciprocantes, por tener ms partes en movimiento, tienen una eficiencia mecnica ms baja que otros compresores, cada cilindro consiste en un pistn, el cilindro propiamente dicho, cabezales de los cilindros, vlvulas de succin y descarga y todas las partes necesarias para convertir el movimiento de rotacin en desplazamiento positivo. En la figura 3, se pueden apreciar los principales componentes de un compresor reciprocante

Figura 3 Partes de Un Compresor Reciprocante

En la figura 3 se observa que, tanto del bastidor como del cilindro compresor, el movimiento rotativo del cigeal se convierte en un movimiento alternativo a travs de la cruceta, la cual transmite este movimiento a la barra del pistn, ensamblada al mismo, lo que origina la compresin del gas mediante la reduccin del volumen en el cilindro; el espaciador o pieza distanciadora est acoplada a la carcasa o bastidor del compresor y permite distanciar la cmara donde se encuentra la cruceta (gua de cruceta) del cilindro compresor; dentro del espaciador se encuentra ubicado el empaque o caja de empaque, a travs del cual se desplaza la barra del pistn este elemento permite sellar la presin

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Biela

Barra del Pistn

Pistn

Vlvulas

Chaquetas de agua

EmpaqueCrucetaVlvula

manual de cavidad de

espacio libre

CigealEspaciador

Gua de la Cruceta

Bastidor

existente dentro del cilindro evitando de esta forma fugas de gas hacia el exterior del mismo.

El compresor reciprocante emplea vlvulas automticas accionadas por resortes que se abren slo cuando existe una presin diferencial adecuada que acta sobre la vlvula, las vlvulas de admisin se abren cuando la presin en el cilindro es un poco inferior a la presin de aspiracin, las vlvulas de descarga se abren cuando la presin en el cilindro es un poco superior a la presin de descarga. Estas vlvulas de succin y descarga se encuentran ubicadas alrededor del cilindro, as como las chaquetas de agua que permiten la refrigeracin del cilindro removiendo el calor generado durante la compresin.

En trminos generales se puede sealar que el compresor reciprocante tiene uno o ms cilindros en los cuales hay un pistn o embolo de movimiento alternativo que desplaza un volumen positivo en cada carrera. Los rotatorios incluyen los tipos de lbulos, espiral, aspas o paletas y anillo de lquido. Cada uno con una carcasa, o con ms elementos rotatorios que se acoplan entre s, como los lbulos o las espirales, o desplazan un volumen fijo en cada rotacin. Los compresores reciprocantes son de gran utilidad en el tratamiento del gas natural-.

Los Compresores Reciprocantes abarcan desde una capacidad muy pequea hasta unos tres millones de pies cbicos normales por segundo (3MMPCNS) En los equipos de procesos, por lo general, no se utilizan mucho los tamaos grandes y se prefieren los compresores centrfugos. Si hay alta presin y un gasto ms bien bajo, se necesitan los compresores reciprocantes. El nmero de etapas o cilindros se debe seleccionar con relacin a las o temperaturas de descarga, tamao disponible para los cilindros y carga en el cuerpo o biela del compresor. Los tamaos ms bien pequeos, hasta unos 100 Caballos de Fuerza (HP) pueden tener cilindros de accin sencilla, enfriamiento con aire, y se pueden permitir que los valores de aceite en l deposito se mezclen con el aire o gas comprimidos. Estos tipos slo son deseables en diseos especiales modificados. Los tipos de compresores reciprocantes pequeos para procesos, de un cilindro y 25 o 200 caballos de fuerza (HP) tienen enfriamiento por agua, pitn de doble accin, prensaestopas separado que permite fugas controladas y pueden ser del tipo no lubricado, en el cual el lubricante no toca el aire o gas comprimido. Se utilizan para aire para instrumentos o en aplicaciones pequeas para gas de proceso. Los compresores reciprocantes ms grandes para aire o gas son de dos o ms cilindros. En casi todas las instalaciones, los cilindros se disponen en forma horizontal y en serie de modo que presenten dos o ms etapas de compresin

La compresin reciprocante se realiza con una unidad independiente, que le suministra la energa necesaria a los cilindros de compresin, para realizar el trabajo de compresin del gas. Por la naturaleza del mecanismo, un compresor reciprocante es una instalacin cuya capacidad se mantiene relativamente constante. Los compresores reciprocantes Son mquinas de desplazamiento positivo, en las cuales el elemento que comprime se desplaza es un pistn que

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tiene un movimiento alternativo de un cilindro Los compresores reciprocantes son conocidos como unidades de volumen constante y presin variable. El sustento es que cada compresor est diseado para manejar un volumen de gas determinado, a la presin de descarga que sea diseado. Se caracterizan por suministrarle gas limpio, por lo que filtros o depuradores de succin son recomendados. Los compresores reciprocantes no pueden manejar lquidos satisfactoriamente. Los lquidos tienden a generar graves daos a la unidad Los compresores reciprocantes se pueden clasificar, segn:

a.- Su velocidad de operacin. En este caso se tiene compresores de baja velocidad, la cual oscila entre 300 y 600 Revoluciones por Minuto (RPM). Compresores de alta velocidad, la cual tiene un valor de entre 850 y 1000 RPM.

b.-La conexin de los elementos motrices. A este grupo pertenecen los compresores Integrales. Estos compresores, tienen como caracterstica, que los pistones de compresin y los del motor estn acoplados al mismo cigeal. A este grupo pertenecen, tambin Los Compresores de Cuerpos Separados u Opuestos Balanceados. Aqu los pistones de compresin estn colocados en forma opuesta unos contra otros, acoplados a un cigeal distinto al del motor. La torsin del motor a los pistones de compresin se transmite a travs de un acople mecnico, que permite una mayor eficiencia del proceso de compresin.

Elemento Bsico de un Cilindro Compresor Reciprocante: El elemento bsico de compresin reciprocante es un nico cilindro que comprime en un solo lado del pistn, es por ello, que se denomina efecto simple. Mientras, que si una unidad comprime en ambos lados del pistn, en este caso la accin se denomina efecto doble. El efecto doble consiste de dos elementos bsicos de efecto simple que operan en paralelo en una misma carcasa fundida. El compresor reciprocante emplea vlvulas automticas accionadas por resortes que se abren solo, cuando existe una presin adecuada, para llevar a cabo el proceso de compresin. Esta presin adecuada acta sobre la vlvula. Las vlvulas de admisin se abren cuando la presin del cilindro es un poco inferior a la presin de succin.

Las vlvulas de descarga se abren cuando la presin en el cilindro es un poco superior a la presin de descarga. Los compresores reciprocantes, suelen ser apropiados para manejar flujos de caudales reducidos y elevadas relaciones de compresin (r). En trminos generales, se puede sealar que estos compresores pueden ser utilizados en casi todos los rangos de presin y volmenes moderados.

Compresores Rotatorios Los sopladores, bombas de vaco y compresores rotatorios son todos de desplazamiento positivo, en los cuales un elemento rotatorio desplaza un volumen fijo con cada revolucin. El ms antiguo y conocido es el soplador de lbulos, en el cual dos o tres rotores en forma de ocho (8) se acoplan entre s y se impulsan con engranes de sincronizacin montados en cada eje. Los sopladores de lbulos van desde muy pequeos, para compresores producidos en serie, desde unos dos pies cbicos por minutos (2 3pie /min), hasta

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los ms grandes, para unos veinte mil pies cbicos normales por segundo (20000 PCNS). Estos compresores se usan principalmente como sopladores de baja presin, que comprimen el aire o gases desde la presin atmosfrica hasta 5 a 7 (lpcm) y, algunos hasta 25 (lpcm), en tipos especiales. Tambin se utilizan mucho como bombas de vaco, que son en realidad compresores que funcionan con presiones de succin inferiores a la atmosfrica y con presiones de descarga iguales a la atmosfrica o un poco mayores.

El segundo estilo de los compresores rotatorios es el de aspas o paletas deslizantes, que tiene un rotor con ranuras, dentro de las cuales se deslizan las aspas hacia dentro y afuera en cada revolucin. Las aspas atrapan el aire o gas y en forma gradual reducen su volumen y aumentan la presin, hasta que escapa por orificios en la carcasa. En las industrias de procesos qumicos los tipos de lbulos y de aspas tienen aplicacin limitada porque producen presiones bajas y slo se pueden obtener, en general con carcasa de hierro fundido, que los hacen inadecuados para ciertos gases corrosivos o peligrosos.

Un tercer tipo es el compresor de espiral rotatorio que se utilizan para altas presiones y vienen en tamaos grandes. Estn disponibles en estructuras enfriadas por aceite y secas. Sus capacidades van desde unos 50 hasta 3500 (PCNS) en el tipo inundado por aceite, y de 1000 a 20000 PCMS en los de tipo seco, estos pueden funcionar a velocidades de 10000 a 12000 (rpm) y con presiones de descarga de 200 a 400 (lpcm), o sea un aumento de 50 (lpcm) por carcasa

b.- Compresores Dinmicos Estos compreso se fundamentan en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y luego convertir esta velocidad en energa de presin. Con frecuencia a estos compresores se les denomina turbocompresores .Las mquinas centrfugas comprenden casi el 80% de los compresores dinmicos. Los compresores centrfugos tienen por lo general muy pocos problemas, en el proceso de compresin del gas. Adems son confiables para comprimir cualquier tipo de gas. En un compresor dinmico, el aumento de presin se obtiene comunicando un flujo de gas, cierta velocidad o energa cintica, que se convierte en presin al desacelerar el gas, cuando este pasa a travs de un difusor. En este tipo de compresores se tiene: los Centrfugos y los Axiales.

Compresores Centrfugos: En los compresores centrfugos el aumento de presin viene dado por el intercambio de energa entre el impulsor del compresor y el gas; en el impulsor, el gas es acelerado y comprimido al mismo tiempo, a la salida de ste el gas adquiere su ms alto nivel de energa, la cual es producto del incremento de presin y la energa cintica impartida por el impulsor. La energa cintica proveniente del impulsor es recibida por el gas y transformada en energa potencial una vez desacelerado ste en el difusor del compresor, localizado aguas abajo del impulsor, aproximadamente las dos terceras partes del incremento de presin del gas es generado en el impulsor y el resto se genera en el difusor a

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travs de la reduccin de la velocidad del gas. Todo esto se representa en la figura 4.

Figura 4. Etapas de un Cilindro Compresor Centrifugo

Los compresores centrfugos son los equipos de compresin que ms se han desarrollado en los ltimos aos. Esto se debe a que en muchas aplicaciones han resultado ms eficientes que los compresores reciprocantes, esta eficiencia se expresa en trminos del consumo total de energa por unidad de costo y por unidad de peso del sistema compresor. Este factor, por ejemplo, ha sido determinante en la seleccin de los sistemas que deben instalarse en las plataformas construidas costa afuera.

Los compresores centrfugos pueden ser mquinas tanto de una sola etapa, como de etapas mltiples, ya sean de impulsin directa o indirecta a travs de engranajes; estos compresores se subdividen a su vez en dos tipos principales de acuerdo a su carcasa, en tal sentido se tienen: carcasa dividida en forma horizontal y carcasa dividida en forma vertical, tambin conocidos como compresores tipo barril; los primeros manejan altos valores de flujo y baja relacin de compresin, tienen gran aplicacin en lneas de transmisin y procesos; los de tipo barril manejan valores de flujo de medios a altos y alta relacin de compresin son empleados; en aplicaciones de levantamiento artificial, reinyeccin, almacenamiento, etc. En la figura 5 se representa tambin un esquema de Un Compresor Centrfugo, donde se observa parte del manejo del cilindro compresor, que no de gran utilidad en la industria de la produccin de Hidrocarburos

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C

B

AI

mpulsor

Difusor

Canal de retorno o voluta

Impulsor

Difusor

Curva de

VelocidadC

urva de Incremento de

Presin Incremento de

Presin

en el Difusor

Incremento de Presin en el

Impulsor

2/3

1/3

Incremento de Presin Total generado en una

etapa de compresin

Figura 5 Una Representacin Grfica de un Compresor Centrfugo

Figura 2-7. Componentes de un compresor centrfugo.(Fuente: Centrifugal Compressors, Rolls Royce)

En trminos generales se puede sealar que estos compresores el desplazamiento del fluido es esencialmente radial. El compresor consta de uno o ms impulsores y de nmeros de difusores, en los que el fluido se desacelera. El fluido aspirado por el centro de una rueda giratoria, ojo del impulsor, es impulsado por los labes de sta y debido a la fuerza centrfuga, hacia los canales del difusor. Despus que la energa cintica se ha convertido en presin, el fluido es conducido hacia el centro del prximo impulsor y as sucesivamente. Las velocidades de funcionamiento son bastante altas comparadas con otros compresores. La gama comprendida entre 50.000 - 100.000 (RPM). es bastante frecuente en industrias aeronuticas y especiales donde el peso es un factor dominante.

Los compresores centrfugos, con velocidades prximas a las 20.000 (RPM) suelan ser la gama comercial ms comn, an cuando estn fabricando con velocidades un tanto mayores. Debido a las elevadas velocidades con que se construyen los compresores dinmicos de tamao medio, se utilizan cojinetes amortiguadores inclinados o abiertos en lugar de los rodillos, que son los que se incorporan a los compresores de desplazamiento. El caudal mnimo de un compresor centrfugo, est limitado principalmente por el flujo de la ltima etapa. Estos equipos han tenido un gran desarrollo, en los ltimos aos, debido fundamentalmente al consumo total de energa por unidad de costo y por unidad de peso del sistema compresor, teniendo como funcin la compresin del gas natural. En estos casos el gas es acelerado por el movimiento de aspas en rpida rotacin, corriente arriba dispositivos internos convierten esa energa cintica en presin a la descarga.

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DescargaAdmisinDiafragmaImpulsor

Rotor Sello

Cojinete radial

Cojinete de Empuje

Carcasa

Los compresores centrfugos son los equipos adecuado para comprimir grandes volmenes de gas, con relaciones de compresin reducidas. Estos compresores tienen un intervalo de condiciones de operacin relativamente estrecho, que puede llegar a tener un efecto importante en la capacidad del sistema. Las condiciones de operacin son determinadas en banco de pruebas. Y los resultados se plasman en la curva del compresor. Los compresores centrfugos se pueden utilizar a presiones relativamente bajas o medianas, con caudales altos y diferenciales de presin baja, estos compresores, por lo general son de alta eficiencia, la cual se expresa en trminos del consumo total de energa por unidad de costo y por unidad de peso del sistema de compresin.

Norma de Trabajo de los Compresores Centrfugos: La norma de trabajo de los compresores centrfugos es en dos etapas. En una de ellas se le aade energa al gas en forma de velocidad o energa cintica, y luego esta energa se convierte en presin. Estos compresores utilizan la tendencia centrfuga. Esto significa que al alejarse del centro de rotacin para darle presin y velocidad al compresor. La parte del compresor que hace mover el gas es el impelente, el cual mueve el gas hacia la parte exterior, con lo cual aumenta la velocidad del gas. Este incremento en la velocidad ocasiona una cada de presin, y crea una succin que permite la entrada de ms gas. El gas entra al rotor a alta velocidad en los pasajes cercanos del difusor y donde la velocidad se hace disminuir en forma rpida y la energa es cambiada a presin

Utilidad de los Compresores Centrfugos: Los compresores centrfugos son el tipo que ms se emplea en la industria de procesos qumicos porque su construccin sencilla, libre de mantenimiento permite un funcionamiento continuo durante largos periodos. El compresor centrfugo ms sencillo es el suspendido, de una sola etapa. Los hay disponible para flujo desde 3000 hasta 150.000 pies cbicos normales por segundo (150 MPCNS). El impulsor convencional, cerrado o con placas se utilizara para cargas adiabticas hasta de unas 12000(pie-lb/lb). El impulsor abierto, de labes radiales producir mas carga con los mismos dimetros y velocidad, sus variantes, con inductor o alabes tridimensionales producir hasta 20.000 (pie-lb/lb) de carga. En la figura 6 se presenta en forma esquemtica un ejemplo de Compresor Centrfugo

Figura 6 Ejemplo de un Compresor Centrfugo

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Compresores Axiales. Estos compresores se caracterizan, y de aqu su nombre, por tener un flujo axial en forma paralela al eje. El gas pasa axialmente a lo largo del compresor, que a travs de hileras alternadas de paletas, estacionarias y rotativas, comunican cierta velocidad del gas o energa, que despus se transforma en presin (P). La capacidad mnima de este tipo de compresores, viene a ser del orden de los quince metros cbicos por segundo (m3/s) Utilizan un tambor de equilibrio para contrarrestar la reaccin o empuje axial. Debido a su pequeo dimetro y para un mismo tipo de trabajo, funcionan a velocidades ms elevadas que los compresores centrfugos. Estas velocidades son superiores en un 25% aproximadamente.

Los compresores Axiales se destinan a aquellas aplicaciones, en que es preciso disponer de un caudal constante a presiones moderadas. Los compresores axiales son ms adecuados, para aquellas plantas que precisen grandes y constantes caudales de aire. Una aplicacin muy frecuente es el soplado de los altos hornos. Normalmente se utilizan para capacidades alrededor de los 65 metros cbicos por segundo y para presiones efectivas de hasta 14 bar.

Para el caso de los compresores axiales Al movimiento a lo largo de un eje se le llama movimiento axial. El movimiento axial es recto. Un compresor que mueve el gas en direccin paralela con su eje es un compresor axial. Estos compresores tienen placas de rotor y placas de estator. Las placas del rotor estn fijadas al eje y giran con l. Mientras que las placas del estator estn fijadas a la cubierta. Cuando el gas es lanzado dentro de las placas del estator, las aberturas entre las placas actan como difusores, reduciendo la velocidad del gas. Con la prdida de velocidad, la presin del gas aumenta. En general, se puede sealar que el compresor axial eleva la presin mediante el uso de muchos juegos de placas de estator y del rotor

En los compresores axiales, el flujo del gas es paralelo al eje o al rbol del compresor y no cambia de sentido como en los centrfugos de flujo radial. La carga por etapa del axial es mucho menor (menos de la mitad) que la de un tipo centrifugo, por ello, la mayor parte de los axiales son de cierto numero de etapas en serie. Cada etapa consta de aspas rotatorias y fijas. En un diseo de reaccin de 50 %, la mitad del aumento de la presin ocurre en las aspas del rotor, y las de la segunda mitad en las del estator.

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Tipos de Compresores Axiales: Los compresores de flujo axial estn disponibles desde unos veinte mil pies cbicos normales por segundos (20 MPCNS) hasta ms de (40 PCNS) y producen presiones de hasta 65 (lpcm)en un compresor industrial tpico de 12 etapas, o de un poco ms de 100 (lpcm), con los turbocompresores de 15 etapas, estos tipos se emplean en turbinas de gas y motores de reaccin (jet) para aviones, excepto los muy pequeos. Tambin se emplean mucho en aplicaciones que requieren flujos de gas superiores a 75 o 100 (MPCNS) en especial porque son ms eficientes que los centrfugos de etapas mltiples, de tamao comparable. El axial suele costar ms que el compresor centrifugo y, en tamaos ms pequeos, solo se justifica por su mayor eficiencia. En la figura 7 se presenta un ejemplo de un Compresor Axial

Figura 7 Ejemplo de un Compresor Axial

Tipos de Compresores Utilizados en la Industria Los compresores que se utilizan en la industria son los Compresores de Desplazamiento Positivo, y los Compresores Dinmicos. En todas las mquinas de desplazamiento positivo, una cierta cantidad de volumen de gas de admisin se confina en un espacio dado y despus se comprime al reducir este espacio o volumen confiando. En esta etapa de presin elevada, el gas se expulsa enseguida haca la tubera de descarga o al sistema contenedor. Los compresores de desplazamiento positivo incluyen un amplio espectro de mquinas compresores, pero una de mayor utilidad en la compresin del gas natural son los Compresores Reciprocantes.

Compresores Dinmicos Estos compreso se fundamentan en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y luego convertir esta velocidad en energa de presin. Con frecuencia a estos compresores se les denomina turbocompresores .Las mquinas centrfugas comprenden casi el 80% de los compresores dinmicos. Los compresores centrfugos tienen por lo general muy pocos problemas, en el proceso de compresin del gas. Adems son confiables para comprimir cualquier tipo de gas.

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Criterios que s Deben de Utilizar para Seleccionar un Compresor. Para una mayor eficiencia en el proceso de compresin del gas natural, tiene una gran influencia los criterios que se utilicen en la seleccin del cilindro compresor, para ello se deben de tener en cuenta lo siguiente:

a.-El uso que se va a destinar y aquellos otros requerimientos relativos a presin, aire exento de aceite, etc.

b.- Mxima y mnima demanda de aire, variaciones estacinales, desarrollo futuro previsto, etc.

c.- Condiciones ambientales; los factores que hay que considerar aqu son: temperaturas extremas, grado de contaminacin del aire, altitud, etc.

d.- Clase de edificacin en la que se va a instalar el compresor; los factores a considerar son: limitaciones del espacio, carga que puede soportar el suelo, limitaciones de la vibracin, etc.

e.- Costo de la energa.

f.- Cantidad de calor que puede recuperarse.

g.- Limites de la disponibilidad de potencia

h.- Limitaciones de ruido i.- Continuidad o intermitencia en la necesidad de aire.

j.- Experiencia que tiene tanto el usuario como el personal de mantenimiento.

Proceso de Compresin del Gas Natural El gas natural tiene que ser comprimido para su posterior utilizacin, todo esto conlleva a que el proceso de compresin del gas natural tenga mucha importancia, como por ejemplo: Disminucin del volumen para su almacenamiento, facilidades en el transporte, utilizacin en los procesos de Inyeccin secundaria, transformacin de una forma de energa a otra. El proceso de Compresin del gas natural se puede llevar a cabo en:

a.-Compresores Reciprocantes Su uso se sustenta, en los procesos, en los cuales los caudales de alimentacin son variables. En la industria existen compresores reciprocantes de movimiento alternativo de etapa simple o etapas mltiples. El nmero de etapas se determina por la razn de compresin:

r=S

d

PP

(4)

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En donde: (r) representa las etapas de la compresin; (Pd) es la presin absoluta a la descarga, mientras (Ps) es la presin absoluta a la succin. En el proceso de compresin, el cilindro compresor aumenta la presin. La diferencia entre la presin absoluta a la descarga (Pd) y la presin absoluta de la succin representa el trabajo hecho sobre el gas por el compresor, menos lo que se pierde por calor y friccin. La relacin de compresin (r) es la cantidad por la que se multiplica la presin de succin para obtener la presin de descarga. Para determinar (r) se da una presin absoluta. En vista que generalmente los manmetros son calibrados para indicar cero(0 ) a presin atmosfrica. Siendo que la compresin siempre sube a la presin del gas, la presin de descarga despus de la compresin es siempre ms alta que la succin. (r ) indica la cantidad de presin que el compresor le aade al gas., luego mientras ms grande sea (r), mayor ser el incremento de presin del gas.

Tipos de Compresores Reciprocantes: Los compresores reciprocantes de proceso, son unos equipos de compresin de alta eficiencia y confiable para comprimir cualquier mezcla gaseosa, con presiones que parten del vaco hasta valores de presin tan alto como 3.000 atmsferas. Adems, tienen una gran cantidad de aplicaciones. Las especificaciones nominales de potencia varan en una gran gama de valores, con capacidades de hasta 35000 m3/hora en las condiciones de especificacin estipuladas por el compresor. Estos compresores tienen una gran versatilidad, ya que al ser compresores de desplazamiento positivo, las unidades reciprocantes pueden comprimir con facilidad una amplia gama de gases.

Los compresores reciprocantes se pueden ajustarse con rapidez a condiciones variantes de presin con relaciones de compresin por etapas que varan desde 1,1 en servicios de reciclaje, hasta ms de 5 en gases con valores del coeficiente del exponente (k) bajos o relaciones de calor especfico bajas. Las relaciones de compresin ms comunes se acercan a 3 por cada etapa para limitar las temperaturas de descarga en valores de alrededor de 300 -350 F

Forma de Trabajo de un Compresor Reciprocante: En todas las mquinas de desplazamiento positivo, una cierta cantidad de volumen de gas de succin se confina en un espacio dado y despus se comprime al reducir este espacio o volumen confiando. En esta etapa de presin elevada, el gas se expulsa enseguida hacia la tubera de descarga o al sistema contenedor. El compresor reciprocante es un dispositivo de desplazamiento positivo. Durante su operacin normal admitir una cantidad de gas de su lnea de succin y lo comprimir tanto como sea necesario para moverlo a travs de su lnea de descarga. Quizs una de las partes negativas del compresor reciprocante es que no pueda autorregular su capacidad contra una presin de descarga dada; simplemente desplazar gas hasta que se le indique no hacerlo.

Elemento Bsico de la Compresin Reciprocante: El elemento bsico de compresin reciprocante es un nico cilindro que comprime en un solo lados del pistn (efecto simple). Una unidad que comprime en ambos lados del pistn

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(efecto doble) consiste en dos elementos bsicos de efecto simple que operan en paralelo en una misma carcasa fundida. Este compresor emplea vlvulas automticas accionadas por resorte que se abren solo cuando existe una presin diferencial ptima que acta sobre la vlvula. Las vlvulas de admisin s abren cuando la presin del cilindro es un poco inferior a la presin de aspiracin. Las vlvulas de descarga se abren cuando la presin en el cilindro es un poco superior a la presin de descarga.

Eficiencia de los Compresores Reciprocantes: Los compresores reciprocasteis por tener ms partes en movimiento, tienen una eficiencia mecnica ms baja, que otros compresores .Cada cilindro consiste en un pistn, el cilindro propiamente dicho, cabezales de los cilindros, vlvulas de succin y descarga y todas las partes necesarias para convertir el movimiento de rotacin en desplazamiento positivo.

Los compresores reciprocasteis impulsados por motores por encima de aproximadamente 75 (KW) van equipados por lo comn con un control de etapas. Se trata en realidad de una variacin del control de velocidad constante, en donde la descarga se realiza en una serie de etapas, que varan de la carga completa ala falta total de carga. El control de 3 etapas (carga completa, 3/4 de carga, 1/2 de Carga ,1/4 de carga y carga nula) se realiza mediante bolsas de espacio libre.

b. Los Compresores Centrfugos A pesar que su eficiencia no es ptima son muy utilizados, en la industria petrolera Los compresores centrfugos, por lo general son de menor peso y tamao que los reciprocasteis. En los ltimos aos se ha incrementado el uso de estos compresores, en vista que no presentan fuerzas inerciales que inducen a vibraciones. El propsito de un compresor centrfugo es incrementar la presin del gas y esto se efecta en dos etapas.

a.- Primero se aade energa al gas en forma de velocidad o energa cintica

b.- Luego se convierte esta energa a presin.

Los compresores dinmicos, grupo al que pertenecen los compresores centrfugos se basan en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y, luego convertir esta energa en velocidad. Con frecuencia a estos compresores se les denomina turbocompresores y los cilindros centrfugos comprenden, tal vez, el 80% o ms de los compresores dinmicos. Los compresores centrfugos tienen relativamente pocos problemas y son confiables para mover gas. La mayora de los compresores centrfugos son cilindros de una sola etapa

Diseo del Compresor Centrfugo: El compresor centrfugo esta diseado para comprimir gas entre ciertos lmites de presin mediante la energa impartida a este ltimo. Esta compresin se efecta en el impulsor o rotor, cuyas paletas u hojas imparten energa al fluido, aumentando la energa cintica y la presin esttica del mismo. El gas que sale del rotor a gran velocidad, entra en el difusor que transforma esa energa cintica en presin esttica. Este compresor utiliza la

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tendencia centrfuga (Aunque, la tendencia centrfuga no es una fuerza, sino el resultado de la tendencia del objeto a moverse en lnea recta mientras lo atrae la fuerza centrpeta hacia el centro de rotacin). La tendencia centrfuga de un objeto es la tendencia a alejarse del centro de rotacin, o sea de la fuerza centrfuga.

La parte del compresor centrfugo que hace mover el gas, es el impelente. Cuando gira el impelente, hace mover el gas hacia la parte exterior, luego el gas se mueve hacia el bordo del impelente, y su velocidad aumenta. Este aumento en la velocidad ocasiona una baja de presin, la cual crea una succin que permite la entrada de ms gas. El compresor centrfugo usa la relacin velocidad - presin para elevar la presin del gas. El gas entra al rotor a alta velocidad en los pasajes cercanos del difusor, y donde la velocidad es disminuida rpidamente y la energa es cambiada a presin. Cambiar velocidad a presin es el primer principio de los compresores centrfugos, el segundo principio son las fuerzas de centrfugas, las cuales son generalmente por rotacin. La cantidad de presin empujando contra el fondo depende de la velocidad de rotacin. Un compresor centrfugo usa el rotor para obtener la presin rotacional del gas, y con ello realizar el proceso de compresin del gas natural. En el difusor al igual que en el resto de los elementos del compresor, como son las volutas de entrada y salida, las paletas para guiar el gas, se producen prdidas por friccin; por lo tanto, el rotor debe desarrollar suficiente energa para satisfacer los requerimientos de presin ms las prdidas del compresor.

Utilidad del Compresor Centrfugo: Por lo general, los compresores centrfugos son utilizados para el manejo de grandes volmenes de gases con elevaciones de presin desde 3,454 Kpa hasta varios centenares de kilopascales (Kpa) de presin. Tienen su mayor utilidad en la industria de compresin de gases, con el objetivo de abastecer de aire a la planta de transporte de slidos en suspensin Tambin para abastecer de aire u oxgeno los hornos en la industria del hierro.

Los compresores centrfugos pueden ser de etapa simple o mltiple dentro de una carcasa sencilla. El principio del funcionamiento es el mismo de una bomba centrfuga y su diferencia principal es la del gas manejado en un compresor centrfugo o soplador es compresible, mientras que los lquidos con los que trabaja una bomba son prcticamente incompresibles. Las condiciones que hay que tomar en cuenta para el diseo de un compresor centrfugo son:

a.- La presin baromtrica ms baja

b.- La presin de admisin ms baja

c.- La temperatura mxima de admisin

d.- La razn ms alta de calores especficos

e.- El peso especfico menor

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f.- El volumen mximo de admisin

g.- La presin mxima de descarga

Las unidades motrices de los compresores centrfugos son generalmente turbinas de vapor, turbinas de gas o motores elctricos. La mayor parte de estos compresores operan a velocidades superiores a 60 (pie /s), con un motor de 2 polos cuya velocidad es 3600 RPM.

En un compresor centrfugo manejado bajo un flujo podra ocurrir un fenmeno Que tiene por nombre surge. Describindolo de una manera sencilla se podra decir que l surge es un contraflujo, el cual se lleva a cabo en un compresor. Dentro de un compresor centrfugo no existen vlvulas de chequeo o cualquier otro dispositivo mecnico para prevenir que el flujo de gas de descarga no ocurra en sentido contrario (hacia el lado de succin del compresor). El. Contraflujo puede existir si se presentan dos condiciones: Bajo flujo de gas, y alta relacin de compresin. Una alta relacin de compresin puede resultar de una alta presin de descarga, baja presin o una combinacin de las dos. Cuando en el compresor entra el surge, el gas de descarga fluye en direccin opuesta Tan pronto como esto ocurre la presin de descarga cae y el flujo vuelve a su direccin original; alimentando nuevamente la presin de descarga hasta el punto surge, y contina el ciclo.

Fundamento de Trabajo de un Cilindro Compresor El fundamento de trabajo de un compresor esta regido por varios factores y/o procesos. Por ejemplo, el elemento bsico de compresin reciprocante es un nico cilindro que comprime en un solo lado del pistn. Este proceso se denomina Efecto Simple. Cuando una unidad comprime en ambos lados del pistn, se denomina Efecto Doble, en este caso consiste en dos elementos bsicos de efecto simple que operan en paralelo en una misma carcasa fundida.

El compresor reciprocante emplea vlvulas automticas accionadas por resortes que se abren solo cuando existe una presin diferencial adecuada para que el proceso se lleve cabo en forma eficiente o para que el proceso ocurra, segn sea estimado. La presin diferencias acta sobre la vlvula. Las vlvulas de admisin se abren cuando la presin del cilindro es un poco inferior a la presin de succin. Todo esto recibe en nombre de Carrera de Expansin, durante esta carrera tanto la vlvula de admisin como la descarga permanecen cerradas. En un compresor reciprocante elemental de dos etapas, los cilindros se proporcionan de acuerdo con la relacin de compresin (r), siendo la segunda etapa ms pequea ya que el gas, una vez que se ha comprimido y enfriado de manera parcial, ocupa un volumen menor que en la succin de la primera etapa. Por lo general estos procesos se estudian a travs de los diagramas presin- volumen (PV)

En vista de la dificultad para realizar rangos experimentales completos de valores de temperatura y presin, se ha optado por elaborar Grficos Generalizados de

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Compresibilidad. Estas grficas se fundamentan en las condiciones reducidas. Se ha determinado que las curvas de compresibilidad en la base reducida son iguales para un elevado nmero de gases.

Criterios Vlidos Para la Seleccin de un Compresor para el Gas Natural Se supone que la seleccin debe estar fundamentada, en los tres criterios, que cualquier ingeniero debe manejar, que son, que el mtodo seleccionado sea de fcil aplicacin, que sea eficiente y que sea econmico. Se supone, tambin que Se deben conocer algunas propiedades del gas a comprimir, como por ejemplo, peso molecular aparente, gravedad especfica, relacin de calores especficos, factor de compresibilidad a la succin y descarga, densidad del gas. Se necesita tambin conocer la capacidad y rendimiento volumtrico del cilindro compresor. El rendimiento se supone que es la cantidad real del gas entregado a una presin y temperatura dada, el mismo se puede determinar a travs de la siguiente ecuacin:

min)/(min);/( 3 PCmsenCilindradarelcompresoCapadidadd

= (5)

Rendimiento Volumtrico de un Cilindro Compresor: El valor del rendimiento volumtrico real, puede variar entre 50 y 85% y se obtiene nicamente mediante pruebas o ensayos del compresor real. Siempre es necesario tener en cuenta que un compresor puede ser tcnicamente ptimo, si no es econmico, se deber de optar por otro compresor, que tenga mayor economicidad. Por ejemplo, en el manejo y transporte del gas natural, los compresores reciprocantes y centrfugos, son los que ms se utilizan, ahora si se trata de procesos de refrigeracin y plantas de licuefaccin, son de mayor utilidad loas compresores axiales. Luego entonces, hay que tener en cuenta todo estos criterios que se han sealados, para una seleccin de un compresor, mantienen como criterios que, el proceso de compresin del gas natural sea de alta eficiencia, de fcil manejo y de alta rentabilidad, que lo que cualquier ingeniero debera de tener bien en cuenta, sobre todo al inicio de su carrera laboral, que es cuando se deben de desarrollar la mayor cantidad de proyecto, sin tener todava muchos conocimientos en el rea econmica.

Relacin de calores Especficos. Esta relacin tiene una gran importancia, ya que permite determinar el coeficiente o exponente politrpico (k). Luego, entonces la relacin entre el calor especfico a presin constante y calor especfico a volumen constante se representa a travs de (k) Si se toma una lbmol de gas y se determina su calor especfico se obtiene:

MCP= MCV +R(1,986 (Btu)/(lbmol F) (6)

Aqu (M) es el peso molecular aparente del gas en (lb/lbmol), y (MCP y; MCV) son los calores especficos molares a presin y volumen constantes. El calor especfico de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado

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centgrado la temperatura de un gramo de ese cuerpo. Como para la mayora de los elementos esa unidad es muy pequea, se emplea otras mil veces mayor que es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centgrado (1C) la temperatura de un kilogramo (kg) de ese cuerpo. El calor especfico de los cuerpos puede variar con las condiciones de temperatura y presin. Este calor especfico se expresa en calora por grados centgrados y kilogramos (Cal/C Kg), y a travs de los factores de conversin se puede establecer las unidades en cualquier sistema. Luego para el exponente politrpico se tiene:

k= 986,1PP

MCMC

(7)

Las unidades del calor especfico en el Sistema Britnico son (Btu/lb/F). Es lgico que a travs de los factores de conversin, se pueden obtener las unidades en cualquier sistema. Este calor especfico se relaciona con el incremento de la temperatura. Luego se puede calcular el calor necesario para incrementar la temperatura de cada componente gaseoso en 1 F, y sumarlos para obtener el total de la mezcla (MCP), que viene a ser el requisito calorfico para una lbmol. Para trabajo con compresores es frecuente emplear esta capacidad calorfica molar a 150 F, la cual se considera una temperatura promedio, luego Para el caso de mezclas de un gas natural la frmula (7) debe escribirse de la siguiente manera:

k =

=

=

n

iii

n

iii

CpxY

xCpY

1

1

)986,1()(

)((8)

En el cuadro (1) se presenta la capacidad calorfica molar en condiciones ideales (MCP ) para varios gases en (Btu/ lbmol x R)

Cuadro 1: Valores de la Capacidad Calorfica de Hidrocarburos

Comp F.Q M 50F 60F 100F 150F 200F 250F 300FC1 CH4 16,043 8,42 8,46 8,65 8,95 9,28 9,64 10,01C2 C2H6 30,070 12,17 12,32 12,95 13,78 14,63 15,49 16,34C3 C3H8 44,097 16,88 17,13 18,17 19,52 20,89 22,25 23,56iC4 C4H10 58,123 22,15 22,51 23,95 25,77 27,59 29,39 31,11nC4 C4H10 58,123 22,38 22,72 24,08 25,81 27,55 29,23 30,90iC5 C5H12 72,150 27,17 27,61 29,42 31,66 33,87 36,03 38,14nC5 C5H12 72,150 27,61 28,02 29,71 31,86 33,99 36,08 38,13nC6 C6H14 86,177 32,78 33,30 35,37 37,93 40,45 42,94 45,36nC7 C7H16 100,20 38,00 38,61 41,01 44,00 46,94 49,81 52,61Agua H20 18,015 8,00 8,01 8,03 8,07 8,12 8,17 8,23Oxgeno 02 31,999 6,99 7,00 7,03 7,07 7,12 7,17 7,23Nitrgeno N2 28,013 6,95 6,95 6,96 6,96 6,97 6,98 7,00

29

Hidrgeno H2 2,016 6,86 6,87 6,91 6,94 6,95 6,97 6,98Sul de hid H2S 34,080 8,09 8,11 8,18 8,27 8,36 8,46 8,55Mo n deC C0 28,010 6,96 6,96 6,96 6,97 6,99 7,01 7,03Dix de C C02 44,010 8,70 8,76 9,00 9,29 9,56 9,81 10,05

Ejemplo: Una mezcla de gas natural, que esta sometida a una temperatura igual a 150 F, tiene la siguiente concentracin porcentual: C1=83,80 ;C2=2,75;C3=1,93; nC4 =1,25; iC4 = 1,05 ; nC5=0,85; iC5= 0,45;C6=0,25 ;C02=3,72; H2S=1,25 y N2 = 1,35. Sobre la base los datos del cuadro 1Cul sera el valor de la constante (k) de la mezcla a la temperatura dada?. Los resultados se muestran en el cuadro 2

MCV =MCP -R=10,0203-1,986=8,0343 k=10,0203/8,0343=1,25Cuadro 2: Resultado del clculo de (k)

Gas yi Mi MCP yi MCPC1 0,8515 16,043 8,95 7,7209C2 0,0275 30,070 13,77 0,3787C3 0,0193 44,097 19,52 0,3767NC4 0,0125 58,125 25,81 0,3226IC4 0,0105 58,125 25,77 0,2706NC5 0,0085 72,150 31,86 0,2708NC5 0,0045 72,150 31,66 0,1425C6 0,0025 86,177 37,91 0,0948C02 0,0372 44,010 9,28 0,3452H2S 0,0125 34,080 8,27 0,1034N2 0,0135 28,013 6,97 0,0941Total 1,0000 10,0203

Cuando solo se conoce el peso molecular de la mezcla gaseosa. El valor de (k) se estima en forma aproximada, por lo general en forma grfica, aunque tambin para un gas natural se puede estimar a travs de la gravedad especfica, con lo cual da origen a una ecuacin netamente emprica:

MCV =MCP -R=10,0203-1,986=8,0343 k=10,0203/8,0343=1,25

Cuando solo se conoce el peso molecular de la mezcla gaseosa. El valor de (k) se estima en forma aproximada, por lo general en forma grfica, aunque tambin para un gas natural se puede estimar a travs de la gravedad especfica, con lo cual da origen a una ecuacin netamente emprica:

k=1,3 - (0,31)( -0,55) (9)

Determinacin de la Capacidad de los Compresores. Este parmetro es de gran importancia para determinar la eficiencia de un cilindro compresor. Mientras,

30

que el caudal expresado como tasa volumtrica o tasa msica es de utilidad para realizar los balances de los materiales, y se expresa en el Sistema Britnico de Unidades como pies cbicos por segundo o minuto (PC/s o PC/min), lo que estara relacionado con la tasa volumtrica, mientras que la tasa msica en el mismo sistema, sera libras masa por segundo (lb/s), si se asume que el Factor de Compresibilidad en condiciones normales de presin y temperatura es (ZCE=1), luego se llega a lo siguiente: S el caudal esta expresado en pies cbicos normales por minutos, el caudal de operacin sera:

=

=

=

CO

COCOCE

CO

COCOCE

CO

CC

CE

CECECO P

xZTxx

PxZT

xPxZT

TP 0283,0

52073,1400 (

10)

Ejemplo: 100 MMPCND de un gas que tiene una gravedad especfica al aire ( )G de 0,65. Cual ser el caudal de este gas a una presin de 1200 lpca y 120 F de Temperatura? Solucin: Con ( )G se obtiene en forma grfica: 670=SCP lpca y 375=SCT R, luego: se tiene que : 57,1=SRT ; 79,1=SRP 84,0=COZ , luego aplicando la frmula (10), para la resolucin del problema, entonces quedara la siguiente ecuacin, donde se utilizan los factores de conversin, para el manejo de las unidades.

MMPCNDda

PCNlpcaxRxda

xRxlpcaxPCNxCO 15,1)(

)(77,1147730)(1200)(520)(

84,0)(580)(7,14)(101 8===

En este caso se estara cometiendo un error de unidades, ya que el caudal de gas en condiciones de operacin seguira estando expresado en (PCN/da). Quizs numricamente no haya error, pero si lo habra del punto de vista de las unidades. Para expresar el caudal como tasa msica en condiciones de operacin expresado en (lb/s) y utilizando la misma frmula (10) en conjunto con los factores de conversin, habra que realizar lo siguiente:

=

=

=

slb

sxlpcaxRxlbmolxPCNxdadaxxRxlpcalbxxlbmolxPCNx

CO 66,0(86400)(1200)(520)()(6,379)()(84,0)(580)(7,14)(97,2865,0)1()(101 8

Para cambiar la tasa msica en (lb/s) a tasa volumtrica en ( 3pie /s) bastara con multiplicar por la densidad en (lb/PC), luego si se asume que la densidad tiene un valor de 4,32(lb/PC), luego la tasa volumtrica y con la utilizacin de la ecuacin (10) y los factores de conversin quedaran:

xPxZTxxCO

COCOCECO

=

5207,14

(11)

31

==

sPC

lbxsxlpcaxRxlbmolxPCNxdaPCxdaxxRxlpcaxlbxxlbmolxPCNx

CO 15,0)(32,4)(86400)(1200)(520)()(6,379)()()(84,0)(580)(7,14)(97,2865,0)()(101 8

Ciclos de Compresin El gas natural despus de haber pasado por los separadores, deshidratadores y ser endulzado debe ser sometido al proceso de compresin, con el objetivo de realizar un trabajo en el gas de tal manera que se incremente la energa total, y desde luego se aumente la presin del fluido en estado gaseoso. En la figura 8 se presenta un ciclo de compresin para una mezcla de gas natural.

En la figura 8 se observa que el ciclo se lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales son perfectamente diferenciarles en la grfica. Luego se tiene que:

En la Etapa I, que corresponde a la (trayectoria AB): Aqu el gas es admitido a travs de las vlvulas de succin. El valor de la presin en este punto se conoce Figura. 8 Ciclo de un Proceso de Compresin de Gas ideal

como Presin de succin y se simboliza como (PS). En forma simultnea el pistn se dirige hacia la otra cara del cilindro Cuando el pistn alcanza el tope de su recorrido, el cilindro queda lleno de gas, caudal que corresponde al (V1).

Etapa II (trayectoria BC). Aqu el pistn invierte su direccin de movimiento y acta sobre el volumen de gas (V1) comprimindolo de la presin de succin hasta una presin. Denominada Presin de Descarga, y que se simboliza como (PD).Etapa III (trayectoria CD). Esta etapa se inicia, justo en el momento en que la presin de descarga se hace igual a una presin existente en la lnea de descarga, y que hace que el proceso de compresin se realice.

En la Etapa III (trayectoria CD). Esta etapa se inicia, justo en el momento en que la presin de descarga se hace igual a una presin existente en la lnea de descarga, el pistn continua movindose desplazando el volumen de gas comprimido (V2) a la presin constante de descarga (PD).

32

PRESIN

VOLUMENPs

V1

Pd

V2

ETAPA 1 A B

ETAPA 2 B C

ETAPA 3 C D

ETAPA 4 D A

A

D C

Etapa IV ( Trayectoria DA). Esta etapa comienza cuando nuevamente el pistn cambia de sentido de movimiento. En esta etapa se cierra la vlvula de descarga y se abre la vlvula de succin, para dar inicio a un nuevo ciclo de compresin Todas las etapas mostradas en la figura 8 son vlidas para un gas ideal. En donde, las etapas ocurren casi en forma instantnea. En la figura 9 se presenta un ciclo de compresin para un gas real.

En este caso al igual que en la figura 8 existen cuatro etapas. La mayor diferencia entre las figuras 8 y 9 se presenta en la cuarta etapa. En la figura 8 esta etapa es casi instantnea debido a que no existe un volumen muerto. Mientras que en la figura 6 por haber volumen muerto, hace que al completarse la etapa de descargaqueda un volumen remanente de gas entre la cara activa del pistn y el extremo del cilindro. Esto indica que necesariamente deben de haber prdidas en las vlvulas de succin y descarga

.Figura 9 Ciclo de Compresin de un Gas Real

Ciclos Tericos de Compresin Existen dos ciclos de compresin tericos aplicables a los compresores de desplazamiento positivo. Aunque ninguno de ellos puede obtenerse de manera comercial, ambos se emplean como base para el clculo y comparaciones.

a.- La compresin isotrmica. En este caso se tiene una extraccin continua del calor de compresin, y se debe de cumplir la frmula:

P1xV1 =P2xV2 (12)

b.- La compresin adiabtica (Isentrpica) Este es un proceso reversible, en el cual no hay adicin ni extraccin de calor del gas durante la compresin. Esto concuerda con la definicin de entropa, ya que la entropa es una funcin directa de la transferencia de calor, en este caso debe de permanecer constante, y con ello dar origen al proceso Isentrpico, en el cual se debe de cumplir la frmula:

33

PRESIN

VOLUMENV

3

Volumen Muerto

V1

V2

B C

V4

Pd

PS

E D

A

( ) ( ) kk xVPxVP 2211 =(13)

En donde: (k) es la relacin de los calores especficos; (P1 y V1) son la presin y el volumen a la succin y (P2 y V2) son el volumen y la presin a la descarga. La entalpa para este proceso se puede determinar a travs de la ecuacin:

( )

=

1/)1(

/1 KK

S

dPSIsen P

PKxMKxRxZTH (14)

Donde ( IsenH )= Cambio de entalpa para el proceso isentrpico; ( )ST = temperatura de succin; ( )dS PP ; =Presin de succin y descarga, respectivamente; ( R)= constante universal de los gases; (K)= coeficiente isentrpico; (M)= peso molecular del gas y ( )PZ = Factor de compresibilidad promedioEn las figuras 10 y 11 se representan los ciclos de compresin tericos, tanto el isotrmico, como el adiabtico sin espacio libre, sobre una base de presin- volumen (PV) para una relacin de compresin de 5.

Figura 10 Diagrama Presin- Volumen para el proceso de Compresin

Figura 11 Diagramas (P- V) para el Proceso de Compresin de Gas

34

En la figura 10 se observa que el rea ADEF corresponde al trabajo que habra que realizar para que el proceso de compresin se realice en condiciones isotrmicas. Mientras que el rea ABEF, representa el trabajo necesario, para que el proceso se lleve a cabo bajo condiciones adiabticas. Al comparar las reas de la grfica, resulta evidente que el trabajo realizado en el proceso isotrmico es menor que el trabajo realizado en el proceso adiabtico. Luego la compresin a travs del proceso isotrmico representa el ciclo de mxima economa de compresin. Pero.

Aunque la realidad indica que este proceso es imposible realizarlo del punto de vista comercial, ya que es imposible disear un compresor que realice una mxima extraccin de calor, durante el proceso de compresin.

Pero, hay que tener en cuenta, que tanto el proceso isotrmico, como el adiabtico isentrpico, vienen a representar dos ciclos de compresin casi ideal, en vista que es casi imposible producir una compresin adiabtica exacta, ya que siempre hay prdidas o ganancias de calor. Luego la compresin ocurre fundamentalmente. En la figura 10 este ciclo se representa por el rea ACEF. El ciclo politrpico es un proceso real irreversible, ya que tiene parmetros en donde se cumple la irreversibilidad, como la friccin y la prdida de calor, por ejemplo. Para el caso del proceso adiabtico politrpico se debe cumplir la siguiente frmula:

(P1xV1 )N=(P2xV2 )N = constante (15)

Aqu (N) representa el exponente politrpico, y se determina de manera experimental para un tipo dado de compresor. Por lo general en los compresores de desplazamiento positivo se cumple que (N

observar que la lnea AD representa al proceso isotrmico, mientras que la lnea AB es adiabtica y AC es politrpica. En general un proceso politrpico se puede representar a travs de la siguiente ecuacin:

(PV)N= C= constante (16)

Ya sea (N ) o (N-1)/N se pueden determinar en forma experimental a partir de datos de pruebas si se conocen las temperaturas y presiones de succin y descarga, para lo cual puede emplearse la siguiente ecuacin:

NNN

N

S

d

S

d rPP

TT )1(

)1(

=

=

(17)

Es lgico pensar que tanto (k), como (N) pueden tener valores diferentes. Aunque hay ingenieros que piensan que se pueden utilizar ambos smbolos para representar la relacin de los calores especficos, pero esto es un gran error, ya que hay una marcada diferencia entre ellos. Para analizar la diferencia entre (k) y (N) se debe regresar al anlisis de la figura 6, luego se tiene que: La grfica de la presin en funcin del volumen para cada valor del exponente (N) se conoce como curva Politrpica. Puesto que el trabajo (W) que se realiza al pasar de (PS) a (Pd) a lo largo de una curva politrpica (AC), se representa por la frmula:

W = =212

1

P

P

VdpVdP

(18)En las figuras 10 y 11 se observa que la cantidad de trabajo requerido para que ocurra el proceso depende de la curva envolvente del proceso politrpico. Este proceso disminuye, al reducirse los valores del exponente (N) Si N=1 el proceso de compresin esta representado por una curva isotrmica (AD). Lo que significa que mientras se realiz la compresin no hubo cambios en la temperatura Mientras que para el proceso de compresin isentrpico curva (AB) N =k. Ahora en el caso del proceso politrpico N k. Esto indica que hay casos, donde N y k estn representados de forma diferente, en la grfica de presin- volumen (P-V). Luego lo ms lgico es determinar, tanto (k), como (N), tal como lo indican los diferentes procesos..

Determinacin del Exponente Politrpico (N) El exponente politrpico (N) se puede determinar, tambin a travs de la frmula de Woodhouse:

( )( )dS

Sd

VVPPN

/log/log

= (19)

En la ecuacin (19) : (Pd y Ps) representan la presin a la descarga y la succin en (lpca), respectivamente , Mientras que el (Vd y Vs) representan el volumen a la descarga y la succin en pies cbicos (PC).

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Los requisitos de seleccin de un cilindro compresor se fundamentan en una serie de procesos, tales como: a.- Las limitaciones de sellado; b.- Limitaciones de temperatura; c.-Mtodo de sellado, d.- Mtodo de lubricacin; e.- Velocidad de Flujo o gasto; f- La carga o presin; g.- Mtodo de lubricacin; h.- Consumo de Potencia y i.- Mantenimiento

Bombeo o Surge en los compresores En algunos casos es necesario usar en el compresor caudales menores que el valor para el cual fue diseado. Si el caudal se reduce demasiado el compresor entra en una regin de inestabilidad llamada regin de bombeo o surge. El valor del caudal donde comienza la inestabilidad se llama punto de bombeo o surge. El bombeo es una oscilacin de todo el caudal en el compresor y en las tuberas. Esta oscilacin hace que el compresor se sacuda golpeando los cojinetes de empuje lo cual puede daar o destruir el compresor.

Choque o estrangulacin. El punto de estrangulacin o choque, es el mximo caudal que puede pasar por el compresor a una determinada velocidad. La estrangulacin se produce cuando en una determinada parte del compresor. Esta parte por lo general se toma en donde esta la mnima seccin de pasaje del gas, o muy cerca de all, la velocidad del gas llega a ser igual a la velocidad del sonido. Esa barrera snica produce tantas prdidas que marca el lmite mximo de caudal y solamente al aumentar la velocidad de rotacin se puede pasar ms gas. La estrangulacin no afecta para nada la vida del compresor, lo que hace es solamente delimitar el caudal.

Parmetros de Importancia en el Proceso de Compresin: Existen una serie de parmetros, en los cuales su variacin tiene una influencia directa en otros parmetros, que participan en el proceso de compresin. Por ejemplo. Una variacin en la velocidad en los compresores, provoca una variacin directa sobre la capacidad del compresor. La realidad es que la capacidad del compresor vara en proporcin directa con la razn de la velocidad. La variacin de velocidad influye, tambin sobre la presin. En vista, que la presin vara como el cuadrado de la razn de velocidad. Mientras que los caballos de potencia varan como el cubo de la razn de velocidades.

Cuando vara la temperatura del gas, los caballos de potencia y la presin varan en proporcin inversa a la temperatura absoluta (cuando la capacidad y velocidad se mantienen constantes). Mientras que una variacin de la densidad del gas, los caballos de potencia y la presin varan en proporcin directa la densidad (si se mantienen constantes la velocidad y la capacidad).

Requerimientos de Potencia para Compresores: El requisito de potencia de cualquier compresor es la base principal para calcular las dimensiones del impulsor, as como para seleccionar y disear los componentes del compresor El requisito de potencia real se relaciona con un ciclo terico mediante la eficiencia de compresin, la cual se ha determinado con base en pruebas de cilindros

37

compresores. La eficiencia de compresin es la relacin de los caballos de potencia tericos del gas sobre los reales, y tal como se emplea en la industria, no incluye las prdidas por friccin mecnica, las cuales se agregan despus, ya sea al emplear una eficiencia mecnica o al sumar las prdidas mecnicas reales determinadas con anterioridad, para el caso de los compresores reciprocantes la eficiencia mecnica oscila entre 88 y 95%, dependiendo del tamao y tipo de Compresor.

Histricamente, el ciclo isotrmico era la base para calcular la potencia de los compresores, pero eso ya quedo en el pasado. Los compresores de desplazamiento positivo, como es el caso de los compresores reciprocantes. En la actualidad se comparan contra el ciclo isentrpico o politrpico, ciclos que tienen mayor veracidad, ante lo que realmente sucede en el cilindro compresor. Al calcular los caballos de potencia (HP) debe tomarse en consideracin el factor de compresibilidad (Z ), en vista que su influencia es considerable en muchos gases, sobretodo cuando se trabaja a altas presiones. Tambin es importante tener una base de volumen de succin, lo cual es prcticamente universal en los compresores de desplazamiento positivo. Es importante diferenciar entre un volumen de succin en una base de gas ideal (Vgi) y otro en una base de gas real (Vgr). Los volmenes se dan a la presin y temperatura de succin (PS y Ts), luego: se tiene la siguiente frmula.

Vgr=VgixZs (20)

La frmula bsica para determinar los caballos de potencia de una sola etapa terica adiabtica es la siguiente:

( ) SdSk

kgrS

ZZZxrx

kkx

xVPadHP

21

1229)(

1+

=

(21)

La frmula (21) representa el rea de un diagrama (PV) adiabtico terico para el volumen expresado en volumen/ minuto (V/min) de succin (VS) manejado. Una base para (VS), la cual por lo general se emplea 100 PCN/ minutos reales en las condiciones de succin, para lo cual la ecuacin (21) se transforma en

=

100))adHP xPS

229x

kk )1(

xr kk

1)()1(

S

dS

ZZZ

2+

(22)

Caudal empleado en la Industria: En la industria se emplea un caudal de un milln de pies cbicos normales por da (1 MMPCND), cantidad que es la base para las grficas. En este nico caso (Vs) se mide, como si fuera un gas ideal, para el cual la presin tiene un valor en el sistema Britnico de 14,4 (lpca) y a la temperatura de succin, luego la capacidad real del compresor debe referirse a estas condiciones, antes de calcular la potencia finales del compresor

38

21

)1(67,43)(

1dSk

k ZZxrk

kxPCNDMM

adHP +

=

(23)

En vista que el ciclo isotrmico se fundamenta en la ausencia de cambios de temperatura durante el proceso de compresin, y que adems el calor se elimina de manera continua al momento mismo en que se genera, luego no hay ganancias ni prdida de calor al emplear incluso etapas mltiples. Esto significa que necesariamente tiene que haber una ecuacin que se aplique a cualquier nmero de etapas siempre que (r) represente la compresin total del proceso:

HP(isot)=S

dSgrS

ZZZxrx

xVP2

)ln(229

+

(24)

En trminos generales la potencia requerida para comprimir un flujo dado de gas a una relacin de compresin en un compresor reciprocante es:

xHP )03,3(=

xEP

i

CE xk

k )1( CE

S

CE

S

TTx

ZZ

1

)1(k

k

s

d

PP

(25)

Donde:(HP) es la potencia requerida; ( ) es la tasa de flujo a condiciones de base o en condiciones estndar en millones de pies cbicos normales por da, lo cual se representa de la siguiente manera: (MMPCND); (PCE) es la presin base o estndar; (k) es la relacin de los calores especficos; (Zs) es el factor de compresibilidad a las condiciones de succin; (TS) es la temperatura a la succin; (Ei) es la eficiencia del compresor; (ZCE) es el factor de compresibilidad en las condiciones estndar; (TCE) es la temperatura estndar; (Pd y Ps) son las presiones a las condiciones de descarga y succin, respectivamente.

Compresin Isentrpica: Si el proceso de compresin ocurre en una forma isentrpica, y a entropa constante la potencia se representa a tra