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COMPRESORES Y EXPANSORESIngeniería del GasNaydú Yesenia Rico Serrano Código: 2052321Martha Cecilia Navarro Macana Código: 2053022Fabián Rodríguez Duarte Código:
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS2011
CONTENIDO
CONCEPTOS PREVIOS
CÓMO TRABAJA UN COMPRESOR
COMPRESORES RECIPROCANTES
TIPOS DE COMPRESORES
INTRODUCCIÓN
COMPRESORES CENTRÍFUGOS
COMPRESORES ENGRANADOS INTEGRALMENTE
COMPRESORES AXIALES
COMPRESORES DE TORNILLO
EYECTORES
COMPRESORES DE PALETAS DESLIZANTES
CONCLUSIÓN
INTRODUCCIÓNLos compresores utilizados en las plantas de la
industria de procesos químicos suelen ser precisos y costosos. Por ello, su selección, operación y mantenimiento deben ser cuidadosos.
A continuación se presentan los tipos de compresores según su aplicación, cálculos de rendimiento, de potencia, entre otros, con el fin de proporcionar información que permita el entendimiento de la estructura y características de funcionamiento de los compresores.
Tipos de CompresoresCOMPRESORES
TIPO DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Reciprocante
Una etapa
Multi etapa
Accionado por el motor-Gas integral
Separable
Balanceado/ Opuesto
Diafragma
Rotatorio
Lóbulo derecho
Lóbulo helicoidal (tornillo)
Paletas deslizantes
Pistón líquido
TIPO DINÁMICO
Flujo Radial (Centrífugo)
Una etapa
Multi etapa
Divididos horizontalmente
Divididos verticalmente
Engranaje integral
Flujo Axial
Multi etapa
Paletas del estator fijas
Paletas del estator variables
Flujo mixto
TIPO TÉRMICO
Eyectores
Una etapa
Multi etapa
Fuente: ENGINEERING DATA BOOK, Pág. 2
PR
ES
IÓN
DE D
ES
CA
RG
A,
psig
FLUJO DE ENTRADA, acfm
Gráf. 2. Rango de aplicación para compresores
VentajasCompresor centrífugo sobre uno reciprocante. Bajo costo de la primera
instalación. Bajo costo de
mantenimiento Mayor continuidad de
servicio y confiabilidad. Menos atención de
funcionamiento. Mayor capacidad de
volumen. Adaptabilidad a los
conductores de alta velocidad.
Compresor reciprocante sobre uno centrífugo. Mayor flexibilidad en el
rango de capacidad y temperatura.
Mayor eficiencia del compresor y menor costo de energía
Capacidad de suministrar presiones más altas,
Capacidad de manejo de volúmenes más pequeños.
Menos sensible a los cambios en la composición y densidad del gas.
COMPRESORES RECIPROCANTES
CÓMO TRABAJA UN COMPRESOR
Pre
sión
Volumen del stroke
Vol.
esp
aci
o
libre
P2
P12
C34
1
P1: Presión de SucciónP2: Presión de Descarga
Posición 1.
Posición 2.
Posición 4.
Posición 3.
Diagrama del Ciclo de un Compresor
Fuente: Surface Production Operations Vol.2. Pág. 237
Diagrama PV para un compresor de dos etapas
CONCEPTOS BÁSICOS
• Cada vez que una cantidad de un tipo de energía desaparece, un total equivalente exacto de otros tipos de energía debe producirse.
1. La primera ley de la termodinámica.
• La energía existe en varios niveles y se encuentra disponible para emplearse sólo si puede moverse de un nivel alto a otro más bajo.
2. La segunda ley de la termodinámica.
• Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Amonton, Ley de Dalton, Ley de Amagat, Lay de Avogadro, La Fórmula del gas perfecto.
3. Ley de los gases ideales
• Es la única presión a la cual un líquido puro y su vapor coexisten.
4. Presión de Vapor
CONCEPTOS BÁSICOS
• Para la determinación de los volúmenes o pesos de las mezclas que se manejarán en la aspiración de cada etapa de compresión.
5. Presiones parciales.
• Relación entre el calor específico a un volumen cte y el calor específico a una presión cte.
6. Relación de calores específicos k.
• La compresión isotérmica. La compresión adiabática.
7. Ciclos de compresión
• Se relaciona con un ciclo teórico mediante la eficiencia de compresión, (relación de lo s hp teóricos del gas sobre los reales y no incluye las pérdidas por fricción mecánica.
8. Requisito de potencia real.
cteVpVp 2211 cteVpVp kk 2211
99.1
p
p
v
p
Mc
Mc
Mc
Mck
Los compresores reciprocantes están diseñados típicamente para una de las siguientes especificaciones estándar de la industria:
• Compresores de velocidad baja a moderada (300-700 rpm).
• Pueden ser de un diseño separable o un diseño “integral”.
API Estándar 618 "Reciprocating
Compressors for Petroleum, Chemical,
and Gas Industry Services."
• Son compresores separables de alta velocidad (900-1800 rpm).
• Con usados para aplicaciones de compresión de gas en el campo, incluyendo plantas de gas.
API Espec. 11P "Specification for
Packaged Reciprocating
Compressors for Oil & Gas Production
Services."
API Estándar 618: Grupo de motor-compresor de gas natural de tipo integral.Ejemplo CAMERON AJAX DPC 2803 (743 KW@440RPM)
Fuente: Jereh Petroleum Equipment Technologies Co.,Ltd.
CÁLCULOS DE RENDIMIENTO
Para un proceso de compresión, el cambio de la entalpía es la mejor manera de evaluar el trabajo de compresión.
La única diferencia en la evaluación de la potencia entre compresores reciprocantes o centrífugos es la eficiencia de la máquina. Aparte de eso las ecuaciones termodinámicas básicas son las mismas para toda compresión.
Los cálculos termodinámicos para compresión pueden ser llevadas a cabo asumiendo:
Camino reversible isoentrópico:Camino reversible politrópico:
ctepvk
ctepvn
La mayoría de las máquinas tienden a operar a lo largo de un camino politrópico que se acerca al isoentrópico. La mayoría de los cálculos del compresor están basados por eso, en una eficiencia aplicada para tener en cuenta el comportamiento real.
Fuente: ENGINEERING DATA BOOK, Pág. 4
Para calcular k de un gas es necesario conocer únicamente la capacidad calorífica molar a presión constante (MCp) para el gas.
La capacidad calorífica varía considerablemente con la temperatura. Ya que la temperatura del gas incrementa cuando pasa de succión a descarga en el compresor, k es determinada normalmente del promedio de las temperaturas de succión y descarga.
986.1
p
p
v
p
v
p
MC
MC
MC
MC
C
Ck
FIG. 6: Capacidad calorífica molar MCp (Estado de gas ideal), Btu/(lbmol*°R)
Para un gas multi-componente, el valor promedio del peso de la mol debe ser determinado a la temperatura promedia del cilindro.
Ejemplo mezcla de gas
Determinación del PM de la
mezcla
Determinacion de la Capacidad Calorífica
Determinación de la Presión (Ppc) y Temperatura (Tpc)Pseudo Crítica
Comp.Fraccion Molar
y
PM del comp.
y*PM MCp @ 150°F
y*MCp @ 150°F
Presión Crítica Pc
(psia)y*Pc
Temperatura Crítica
Tc °Ry*Tc
Metano 0,9216 16,04 14,782 8,95 8,248 667 614,71 343 316,11
Etano 0,0488 30,07 1,467 13,78 0,672 707 34,50 550 26,84
Propano 0,0185 44,1 0,816 19,52 0,361 616 11,40 666 12,32
i-butano 0,0039 58,12 0,227 25,77 0,101 528 2,06 734 2,86n-butano
0,0055 58,12 0,320 25,81 0,142 551 3,03 765 4,21
i-pentano
0,0017 72,15 0,123 31,66 0,054 490 0,83 829 1,41
Total 1,00 PM=17,735 MCp= 9,578 Ppc=666,53 Tpc=363,75
MCv=MCp-1,986=7,592 K= MCP/MCv = 9,578/7,592 =
1,26
Si solamente el peso molecular del gas es conocido y no su composición, un valor aproximado para k puede ser determinado desde las siguientes curvas.
FIG. 8: Relaciones de capacidad calorífica aproximados de gases de Hidrocarburos
ESTIMACIÓN DE LOS CABALLOS DE FUERZA DEL COMPRESOR
Fue desarrollada para compresores : Grandes de baja velocidad (300 a 400 rpm). Que manipulan gases con una gravedad
específica de 0.65. Que tienen relaciones de etapas de compresión
por encima de 2.5 Para compresores de alta velocidad (de 1000 rpm,
y algunos hasta 1800 rpm) el requerimiento de potencia puede ser de un 20% más.
FMMpcdetapasetapa
relaciónfrenodelPotencia #)22(..
1.0 para compresión de una
etapa
1.08 para compresión de dos
etapas
1.01 para compresión de tres
etapas
FIG.9: Potencia Aproximada Requerida para Comprimir Gases.
Comprimir 2 MMpcd de gas a 14.4 psia y temperatura de entrada a través de una relación de compresión de 9 en un compresor de 2 etapas. ¿Cuál será la potencia?
Solución 1.1. Para aplicar la ecuación se debe calcular la relación
de compresión por etapa rs.
2. Se halla la potencia del freno. (22) (3) (2) (1.08) = 285 Bhp
Ejemplo 13.1:
39 sts rr
Ejemplo 13.1: Solución 2.De la fig.13.9, usando una k de 1.15, hallamos el requerimiento de potencia para una relación de compresión global de 9 y de la misma manera, para una k de 1.4.
Usando una k de 1.15, el requerimiento de potencia para que sea 136 Bhp/MMcfd o 272 Bhp.
Para una k de 1.4, el requerimiento de energía debería ser de 147 Bhp/MMcfd o 294 de potencial total.
FIG.9: Potencia Aproximada Requerida para Comprimir Gases.
136 Bhp/MMcfd
147 Bhp/MMcfd
Cálculos detallados
De SCFM (Pies cúbicos por
minutos medidos a 14.7 psia y 60°F)
Del flujo de peso (w,
lb/min)
Del flujo molar (Nm, mols/min)
LZP
ZTSCFMQ
1
11
520
7.14
LZP
ZwT
PMQ
1
1173.10
L
m
ZP
ZTNQ
1
11
520
7.14*5.379
CapacidadEstá expresada como la cantidad volumétrica actual de gas en la entrada de cada etapa de compresión sobre una base por minuto (ICFM).
Tabla 2. Ejemplo de Selección del Tipo de Compresor.
Servicio Tasa de Flujo (MMscfd)
R n Bhp apróx.
Más probale
Booster. 100 2.0 1 4.400 Centrifugo
Gas lift
10 2.0 1 440 Alta vel.
5 2.7 3 980 Alta vel.
20 2.7 3 3.920 centrifugo
Flash Gas
100 2.7 3 19.602 Centrífugo
2 2.0 1 88 Tornillo
2 2.0 2 190 Alta vel.
4 2.0 2 380 Alta vel.
Recobro de Vapor.
0.1 4.0 1 9 Paletas
1.0 3.0 2 143 Tornillo
2.0 3.0 2 286 Alta vel.Fuente: Surface Production Operations Vol.2. Pág. 252
Cálculos detallados
Para un pistón de efecto simple comprimiendo solo en el extremo exterior.
Para un pistón de efecto simple comprimiendo únicamente sobre el final de la manivela
Desplazamiento del pistón
1728*4
2 DNstrokePD
241055.4 DNstroke
1728*4
22 dDNstrokePD
2241055.4 dDNstroke
Cálculos detallados
Para un pistón de acción doble (sea de tipo barra de cola)
Donde: o Stroke (Distancia
del movimiento del pistón): pulg.
o N (Velocidad): rpm.o D (Diámetro interno
del cilindro): pulg.o d (Diámetro del
vástago del pistón):pulg.
Desplazamiento del pistón
1728*4
2 22 dDNstrokePD
224 21055.4 dDNstroke
Cálculos detallados
Volumen de aclaramientoEs el espacio entre el final del pistón y la cabeza del cilindro cuando el pistón está en el final de su stroke. Este espacio incluye el volumen en los puertos de la válvula, el volumen en las guardias de las válvulas de succión, y el volumen alrededor de los asientos de las válvulas de descarga.
100lg..
lg..3
3
pupistóndelentoDesplazami
putoaclaramiendeVolC
Cálculos detallados
Eficiencia VolumétricaEl efecto del gas contenido en el volumen de
espacio libre sobre la capacidad de la bomba de un cilindro puede ser representado por:
Las eficiencias volumétricas como las determinadas por la Ecuación anterior son teóricas en la que no tienen en cuenta las pérdidas en la válvula de succión y descarga
1100 1 k
d
S rZ
ZCrVE
FIG.10: Valores de kr1
Fuente: ENGINEERING DATA BOOK, Pág. 8
Cálculos detallados
Capacidad EquivalenteLa capacidad neta para un compresor, en pies
cúbicos por día @ 14.4 psia y temperatura de succión, puede ser calculada :
Puede simplificarse cuando Z14.4 se asuma igual a 1.
S
S
Zinlb
Zft
MMftinlb
PVE
dft
PDMMcfd
2
4.143
36
2
3
4.14
*10**100%
*min
1400*min
S
S
Z
PVEPDMMcfd
610***
Cálculos detallados
Capacidad EquivalenteSi el contrato de venta del gas o regulación especifica alguna otra medida estándar para el volumen del gas, se convierten los volúmenes calculados usando la ecuación anterior (a 14.4 psia y temperatura de succión) a una base PL y TL:
S
L
S
L
LLL Z
Z
T
T
PanteriorecuaciónMMcfdTPaMMcfd
4.14..,..
Cálculos detallados
Temperatura de descarga
Temperaturas están en unidades absolutas, °R o °K
Es un valor teórico.No considera el calor de la fricción, efectos
irreversibles, etc.Puede ser algo baja.Pero, los valores obtenidos de esta ecuación
serán estimaciones de campo razonables.
kkSd rTT 1
Cálculos detallados
Carga del vástagoLa capacidad de carga de un armazón de
compresor involucra dos consideraciones primordiales: potencia y carga del vástago.
Las cargas del vástago están establecidas para limitar las cargas estáticas e inerciales en el cigüeñal, biela, armazón, vástago del pistón, perno y superficies de apoyo proyectadas
Cálculos detallados
Carga del vástagoLa capacidad de carga de un armazón de
compresor involucra dos consideraciones primordiales: potencia y carga del vástago.
Las cargas del vástago están establecidas para limitar las cargas estáticas e inerciales en el cigüeñal, biela, armazón, vástago del pistón, perno y superficies de apoyo proyectadas
Cálculos detallados
rpspd AAPAPCompresiónaC ´.arg
psrpd APAAPTensiónenaC ´..arg
rspSd APAPP
rdpSd APAPP
Dirección de movimiento
Dirección de movimiento
Las cargas del vástago reales serían aquellas calculadas usando presiones del cilindro interno después considerar pérdidas en válvulas.
Cálculo detallado de la Potencia
Un cálculo más detallado de los requerimientos de energía de un compresor reciprocante puede ser llevado a cabo usando la siguiente ecuación.
Donde:BHP= Potencia del frenoQg= tasa del flujo de gas, MMSCFD
Zprom= (ZS+Zd)/2
ZS= factor de compresibilidad de succión.
1**1***03.3 1
kk
SdL
LSgprom PP
T
PkkETQZEtapaBHP
Cálculo detallado de la Potencia
Donde:Zd= factor de compresibilidad de descargaE= eficiencia total Unidades del
reciprocante de alta velocidad: 0.82 Unidades del reciprocante de baja velocidad: 0.85
K= relación de calores específico, Cp/Cv
PS= presión de succión, psia Pd= presión de descarga, psiaPL= presión estándar, psiaTL= temperatura estándar, °R
1**1***03.3 1
kk
SdL
LSgprom PP
T
PkkETQZEtapaBHP
Cálculo detallado de la Potencia
La potencia total para el compresor es la suma de la potencia requerida por cada una de las etapas que son utilizadas. Para máquinas varias etapas un ajuste debe ser hecho por las caídas de presión entre etapas asociadas con tubería, enfriador, separador (scrubber), etc., típicamente 5-10 psi.
1**1***03.3 1
kk
SdL
LSgprom PP
T
PkkETQZEtapaBHP
Comprimir 2 MMpcd de gas medido a 14.65 psia y 60°F. La presión de entrada es 100 psia, y a temperatura de entrada (consumo) es 100°F. La presión de descarga es 900 psia. El gas tiene una gravedad específica de 0.8 (23 PM). ¿Cuál es la potencia requerida, asumiendo un compresor de alta velocidad?
Solución.1. Se calcula la relación de compresión total o
general.
Este sería un compresor de 2 etapas, por lo tanto, la relación por etapa.
Ejemplo 13.2:
9100900 Sdfinalt PPr
39or
Solución.2. Multiplicando r por la presión de succión absoluta
de la etapa que es considerada dará la presión de descarga de la etapa.
100 psia * 3 = 300psia (presión de descarga de la 1era etapa)
300 psia = 295 psia (succión para la 2da etapa) Donde los 5 psia representa la caída de presión
entre la descarga de la primera etapa y la succión de la segunda etapa.
Ejemplo 13.2:
etapalaparaCompresiónderelación da2.....05.3295
900
Solución.3. Calcularla potencia requerida para la etapa. De la fig. 8 un gas con gravedad específica de
0.8 a 150°F tendría una k aproximada de 1.21. Para la mayoría de las aplicaciones de compresión, la curva de 150°F será adecuada. Esto debe ser revisado después determinando la temperatura promedio del cilindro
4. Determinar la temperatura de descarga para la primera etapa a partir de la ecuación 13-18. Para una relación de compresión de 3, temperatura de descarga= 220°F aproximadamente. Temperatura promedio del cilindro=160°F.
Ejemplo 13.2:
5. La temperatura de descarga para la segunda etapa (con r= 3.05 y suponiendo enfriamiento entre etapas a 120°F) aproximadamente igual a 244°F. la temperatura promedio del cilindro=182°F.
6. De la sección de propiedades
(GPSA Cap. 23), estimar los factores de compresibilidad a la presión y temperatura de descarga y succion para cada etapa.Primera etapa:
Segunda etapa:
Ejemplo 13.2:
98.0SZ
97.0dZ
975.0avgZ
94.0SZ
92.0dZ93.0avgZ
Solución .
Solución.7. Calcular la potencia requerida para la primera y
segunda etapa, a partir de la ecuación:.
Ejemplo 13.2:
6.137
1100
300*
520
65.14*
121.1
21.1*
82.0
560*2*975.0*03.3
1..21.1121.1
etapaparaBHP era
1**1***03.3 1
kk
SdL
LSgprom PP
T
PkkETQZEtapaBHP
Solución.
Ejemplo 13.2:
8.2752.1386.137.. requeridaTotalBHP
2.138
1295
900*
520
65.14*
121.1
21.1*
82.0
580*2*93.0*03.3
2..21.1121.1
etapaparaBHP da
Diseño del cilindroDependiendo del tamaño de la máquina y del número de etapas, los compresores reciprocantes están equipados con cilindros acondicionados ya sea
a) con pistones de acción simple :
Fig.: Cilindro actuador tipo émbolo de simple efecto.
Fig.: Cilindro actuador a pistón de accionamiento simple a resorte
Diseño del cilindrob) Con pistones de acción doble :
Fig. : Cilindro émbolo de doble efecto
Fig.: Cilindro actuador tipo pistón, de doble accionamiento y balanceado
Fuente:http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica22.htm
Límites de presión de descarga generalmente usados en la industria del gas para la selección del material del cilindro.
Material del Cilindro Presión de Descarga (psig)
Hierro Fundido Hasta 1.200
Hierro Nodular Alrededor de 1.500
Acero Fundido 1.200 a 2.500
Acero Forgado Superior a 2.500
La norma API estándar 618 recomienda 1000 psig como la presión máxima tanto para el hierro fundido, como para el hierro nodular
CONCLUSIONES
El compresor reciprocante (de pistón o de émbolo) es una de los más usados a nivel industrial, por ser el más versátil y eficaz, especialmente cuando se requieren presiones elevadas.
Hay dos especificaciones del API para compresores reciprocantes. La Especificación API 618 es para servicios generales de Refinería, y la Especificación 11P es para compresores de gas del campo.
BIBLIOGRAFÍAENGINEERING DATA BOOK. Gas Processors
Suppliers Association. Volumen I. Edición — FPS. 2004.
Surface Production Operations. Volumen 2. Design of Gas-Handling Systems and Facilities. Ken Arnold, Maurice Stewart. Segunda Edición. 1999.
Compressors, Selection and Sizing. Royce N. Brown. Segunda Edición. 1998.
http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica22.htm
http://www.youtube.com/watch?v=Lr67rIxOP-s&feature=related
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