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PDVSA N ° TITULO
REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.
APROB. FECHAAPROB.FECHA
COMPRESORES
� PDVSA, 1983
MDP–02–K–03 SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR
APROBADO
MAY.96 MAY.96
MAY.960 F.R.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
ESPECIALISTAS
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Indice1 OBJETIVO 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 TIPOS DE COMPRESORES Y APLICACIONES 2. . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Clasificación del Tipo de Compresor 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Selección del Tipo Optimo de Compresor 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Tipos de Compresores que Requieren Atención Especial 4. . . . . . . . . . . . . 4.4 Condiciones de Servicio que Afectan la Selección del Tipo
de Compresor 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Gráficos de Rango de Aplicación 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Comparación de Características de Varios Tipos de Compresores 7. . . . . 4.7 Tipos de Compresores para Servicio en Vacío 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Tipos de Compresores para Servicio de Aire de Planta 10. . . . . . . . . . . . . . .
5 GUIA PARA LA SELECCION 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Incentivos para la Selección de Compresores 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Principios de Operación 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Limitaciones Críticas 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 PROGRAMA DE COMPUTACION 22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1 OBJETIVOEl objetivo de este capítulo es presentar los tipos de compresores disponiblescomercialmente, sus aplicaciones y las bases para hacer la selección del mismo.
2 ALCANCEEn este capítulo se muestra la información básica y consideraciones relevantespara la selección óptima del compresor.
Se presenta la amplia variedad de compresores disponibles, sin embargo sólo tresde ellas son mostradas en detalles: centrífugos, flujo axial y reciprocantes.
3 REFERENCIAS
Prácticas de Diseño (versión 1986)
Vol.1, Sec. 1 “Consideraciones Económicas de Diseño”
Vol. VI, Sec. 11 “Compresores”
Normas Nacionales (USA) e Intrernacionales
API Standard 618 “Reciprocanting Compressors for General Refinery Services”
Otras Referencias
Perry, Robert H., et. al., “Chemical Engineers Handbook”, 5th ed. Mc Graw HillBook Company, 1983. (Subsection on Pumping of Liquids and Gases).
Gibbs, C.W. “Compressed Air and Gas Data”, Ingersoll–Rand Company, NewYork, 1971.
Ludwig, E.E., “Applied Process Design For Chemical and Petrochemical Plants”,Volume II, Gulf Publishing Company, 1983.
4 TIPOS DE COMPRESORES Y APLICACIONES
4.1 Clasificación del Tipo de Compresor
Los principales tipos de compresores se muestran en la Fig. 1; en la misma seobservan dos grandes grupos: dinámicos y de desplazamiento positivo. Loscompresores dinámicos son máquinas rotatorias de flujo continuo en la cual elcabezal de velocidad del gas es convertido en presión. Los compresoresdinámicos se clasifican de acuerdo al flujo que manejan en centrífugos (flujoradial), axial (flujo axial) y flujo mezclado.
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Los compresores de desplazamiento positivo son unidades de flujo intermitente,donde sucesivos volúmenes de gas son confinados en un espacio y elevado a altapresión. Se dividen en dos grandes grupos: reciprocantes y rotatorios. Losprimeros son máquinas en las cuales la compresión y el elemento desplazado esun pistón con un cilindro. Los compresores rotatorios son máquinas en la cual lacompresión y el desplazamiento es afectado por la acción positiva de loselementos que rotan.
Dentro de este capítulo nos limitaremos a estudiar los tipos de compresores máscomunes usados a nivel industrial, tales como centrífugos, axiales y reciprocantes.
4.2 Selección del Tipo Optimo de CompresorLa selección del tipo de compresor puede ser realizada por el ingeniero deproyecto. Para lograr una selección satisfactoria se deben considerar una granvariedad de tipos, cada uno de los cuales tiene ventajas peculiares paraaplicaciones dadas. Entre los principales factores que se deben tomar enconsideración, dispuesto hasta cierto punto en orden de importancia, seencuentran la velocidad de flujo, la carga o presión, las limitaciones detemperatura, el consumo de potencia, posibilidades de mantenimiento y el costo.En la Fig. 2 se muestra el intervalo de operación de los tipos más comunes.
La selección del tipo de compresor puede ser realizada de la siguiente manera:
1. Compare el nivel de potencia requerida con el rango de capacidad normal depotencia incluido en este capítulo, para así eliminar algunos tipos y juzgar sila aplicación es de rutina o si por el contrario es excepcional.
2. Usando los criterios de la Fig. 2 de Rango de Aplicación del compresor, esposible seleccionar el tipo de compresor “económico ó factible”. Para ellosólo se requiere del flujo de entrada m3/s (pie3/s) y el valor de la presión dedescarga.
3. Eliminar los tipos que resulten técnicamente inadecuados debido a losrequerimientos del servicio en particular.
4. Para los tipos de compresores “económicos”, decida cuantas unidades y deque capacidad serían instalados, y que equipos auxiliares principales seríanrequeridos.
5. Determine que tipos de compresores han sido aplicados a este servicio enproyectos recientes, observando cuales han sido las variaciones de flujo enlos otros proyectos.
6. Haga una breve comparación económica de los casos competitivos, elprocedimiento es ilustrado en las Prácticas de Diseño (versión 1986) vol I,Sección 1, “Consideraciones Económicas de Diseño”.
7. Si el breve estudio económico muestra una fuerte competencia entre dos omás tipos, obtenga asesoría de un especialista en maquinarias para
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conseguir costos actuales y datos de rendimiento de por lo menos dossuplidores de cada tipo de compresor.
La experiencia que haya adquirido una refinería en particular o un área geográficacon un tipo particular de compresor puede influenciar la selección en casosmarginales. Experiencias previas favorable o desfavorable con un tipo decompresor pueden estar relacionadas a:
1. La selección del tipo de compresor apropiado para la aplicación previa.
2. El modelo particular previamente aplicado.
3. La proximidad de facilidades de servicio del suplidor y del personal.
4. El tamaño y recursos especializados del personal de mantenimiento de laplanta.
5. La disponibilidad de las herramientas adecuadas para el mantenimiento y losservicios disponibles.
4.3 Tipos de Compresores que Requieren Atención EspecialLos siguientes tipos de compresores son rara vez usados en servicios de refineríay en consecuencia no son cubiertos extensivamente en esta Práctica de Diseño.La Asistencia de especialistas en maquinarias deberán en consecuenciaemplearse en la selección de estos tipos en especial:
1. Compresores centrífugos de alta velocidad y de una sola etapa.
2. Compresores axiales para servicios de gas.
3. Ventiladores para servicios de gas.
4. Compresores reciprocantes de muy alta presión (por encima de 40000 KPa(6000 psi)).
5. Compresores de diafragma.
6. Compresores rotatorios diferentes al tipo de alta presión de tornillo helicoidal.
4.4 Condiciones de Servicio que Afectan la Selección del Tipo deCompresor
Los siguientes aspectos del diseño de servicio de compresión influyengrandemente en la Selección del tipo de compresor óptimo, estilo de construccióny aspectos de diseño:
Disponibilidad Comercial de Modelos de Compresores
1. Flujo volumétrico – Ver gráficos de Rango de Aplicación, Fig. 2.
2. Presión de Descarga – Ver gráficos de Rango de Aplicación.
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3. Nivel de Potencia – Ver “Capacidad Normal de Potencia” en este capítulo.
Confiabilidad de los Tipos de Compresores
1. Requerimientos de tiempo de operación entre períodos de mantenimiento.
2. Potencial de Disponibilidad, lo cual afecta la multiplicidad seleccionada.
Este tema se cubre ampliamente en las Prácticas de Diseño (versión 1986), vol.VI,secc. “11C” “Durabilidad de máquinas compresoras y uso de auxiliares”.
Características del Gas y del Sistema de Proceso.
1. Inyección de aceite lubricante en las corrientes de proceso – Loscompresores que requieren lubricación interna (reciprocante lubricado y elde aletas deslizantes) son insatisfactorios para servicios de oxígeno y paraciertos servicios de alimentación a reactores donde la formación dedepósitos de aceite contaminan seriamente a los catalizadores. Lalubricación interna al compresor no es deseable (a pesar de que es usadafrecuentemente) para servicios de aire de instrumentos y de refrigeración.
2. Arrastre de líquido en gas de proceso – Los compresores de anillo líquidoson los menos sensibles, seguido por compresores de alta presión de tornillohelicoidal. Los tipos más sensibles son el de aletas deslizante, losreciprocantes lubricados, y los centrífugos de alta velocidad.
3. Sólidos en gas de proceso – Los compresores de anillo líquido son losmenos sensibles, seguidos por los compresores a alta presión de tornillohelicoidal. Los tipos más sensibles son los de aletas deslizante, losreciprocantes no–lubricados, y los centrífugos de alta velocidad.
4. Oscilaciones en peso molecular – Los compresores de desplazamientopositivo son relativamente insensibles; los compresores dinámicos tienenque ser diseñados anticipadamente para el rango completo, y no sonadecuados para variaciones amplias en operación normal.
5. Sensibilidad a la temperatura de descarga del gas – Todos los tipospueden ser diseñados con etapas múltiples para limitar la elevación detemperatura. Los tipos de tornillo rotativo y de lóbulo recto pueden serdiseñados para enfriamiento por inyección de líquido.
Los compresores de anillo líquido mantienen la temperatura de descargacercana a la temperatura de entrada del líquido de compresión.
6. Temperatura de entrada alta – Los compresores centrífugos y ventiladorespueden ser diseñados especialmente para temperaturas de entrada en unrango entre 110 y 540°C (230 y 1000°F). Los compresores de tornillohelicoidal de alta presión pueden ser diseñados para temperaturas hasta de230°C (450°F), por medio del uso de rotores enfriados con aceite.
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7. Tendencia de ensuciamiento del gas – Los compresores axiales y de altavelocidad, y los centrífugos de etapa sencilla, no son adecuados paraservicios sucios. Un sistema de lavado permite a los compresores del tipo detornillo helicoidal y a los compresores centrífugos ser usados en un serviciosucios.
Factores Técnicos que Favorecen Ciertos Tipos de Compresores
1. Requerimiento de Cabezal – Los compresores de desplazamiento positivotienden a ser mas económicos que los tipos dinámicos para requerimientosde alto cabezal.
2. Relación de Presión – Los compresores reciprocantes de etapas múltiplestienden a ser más económicos para altas relaciones de presión.
3. Tipo de Elemento Motriz – Las turbinas a gas o a vapor tienden a favorecerlos tipos de compresores dinámicos y de tornillo helicoidal de alta presiónsobre los reciprocantes, porque el engranaje de trasmisión es eliminado osimplificado.
Factores que Incluyen Directamente sobre las Comparaciones Económicas
1. Precios de Máquina – Consulte a especialistas en maquinarias paraestimados suplementarios.
2. Nivel de costo de instalación que resulta del tamaño físico, complejidadmecánica y requerimiento de multiplicidad. Los compresores dinámicos y detornillo helicoidal de alta presión tienen costos significativamente menoresque lo compresores reciprocantes.
3. Eficiencia – Influye en los costos de operación. Ver datos de eficiencia en
el capítulo PDVSA–MDP–02–K–04.
4. Requerimientos de mantenimiento – Ver “Costos de Mantenimiento deMaquinarias para compresores”, Prácticas de Diseño (versión 1986), vol.VI,Sec. “11C” “Durabilidad de Máquinas Compresoras y Uso de Auxiliares”.
4.5 Gráficos de Rango de AplicaciónEn la Fig. 2 de este capítulo se incluyen gráficos de rango de aplicación para cadauno de los tipos principales de compresores y estilos de construcción, usando elflujo volumétrico actual a la entrada y nivel de presión a la descarga comoparámetros distintivos. Observe que se indican dos rangos para cada tipo y estilo.
1. El rango “Factible”, en el cual se ofrecen modelos comerciales de por lomenos un suplidor mayor, indicando factibilidad técnica.
2. El rango “Económico”, en el cual cerca del 90% de las solicitudes sonactualmente hechas, y para las cuales se ofrecen modelos de por lo menosdos suplidores, indicando la competencia económica con otros tipos.
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Para el campo de aplicación que queda dentro del rango de factibilidad pero fueradel rango económico la experiencia de operaciones a menudo muy limitada, lasfuentes de suministro usualmente son limitadas, y se requiere de algún grado dediseño especial (en vez de normalizado) para la mayoría de los suplidores.
Para servicios donde el flujo volumétrico y la presión de descarga caen dentro delrango económico de un tipo de compresor solamente, el proceso de selección deltipo de compresor es directo. Para servicios donde el flujo volumétrico y la presiónde descarga caen dentro del rango económico de más de un tipo de compresor,se requiere un estudio de selección del tipo de compresor.
4.6 Comparación de Características de Varios Tipos de Compresores
Capacidades Normales de Potencia – Las Capacidades Normales de Potenciaen kW (HP) (por carcaza o estructura) de los tipos de compresores más aplicadoscomúnmente, pueden resumirse como sigue:
Tipo de Compresor
Menor CapacidadNormal dePotencia Común
Mayor CapacidadNormal dePotenciaComúnmenteAplicada
CapacidadMáxima Normalde PotenciaActualmenteFactible
kW (HP) kW (HP) kW (HP)
Centrífugo Multietapa
900 (1200) 15000 (20000) 26000 (35000)
Centrífugo deAlta Velocidad
20 ( 25 ) 150 ( 200) 300 ( 400 )
Axial 3750 (5000) 20000 (28000) 60000 (80000)
Reciprocante 40 ( 50 ) 3000 ( 4000) 9000 (12000)
Diafragma 1 ( 1) 45 ( 60)
TornilloHelicoidal deAlta Presión
225 ( 300) 1100 ( 1500) 4500 ( 6000)
TornilloHelicoidal deBaja Presión
7.5 ( 10) 375 ( 500)
Tornillo Espiralde Baja Presión
40 ( 50) 600 ( 800)
Lóbulo Recto 1 (1) 340 ( 450)
Alabe DirectorDeslizante
1 ( 1) 325 ( 430)
Anillo Líquido 2 ( 3) 375 ( 500)
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Características Mecánicas – Refiérase a la Tabla 1 para una comparación de lascaracterísticas mecánicas de los tipos de compresores usados másfrecuentemente en las plantas de proceso. La Tabla 2 describe las formas en quelas condiciones de servicio influyen en el diseño mecánico de los compresores.
Características de Eficiencia del Cabezal – Capacidad – Una comparacióngeneral de las formas de las curvas características de cabezal (o relación depresión) contra capacidad para los diferentes tipos de compresores se muestranen la Fig. 3. Las formas de las curvas son importantes en el diseño de sistemasde control, determinando las calibraciones de las válvulas de seguridad;seleccionando el tamaño del elemento motriz, etc. Detalles sobre las formas delas curvas de compresores axiales y centrífugos se incluyen en las Prácticas deDiseño (versión 1986), vol.VI, Sec. “11E y F” “Compresores Centrífugos yCompresores Axiales”.
4.7 Tipos de Compresores para Servicio en Vacío
Tipos Aplicables – El término “Bomba de Vacío” se refiere a cualquier tipo decompresor con una presión de entrada por debajo de la atmosférica. Para obteneruna presión absoluta de entrada muy baja (“altos vacíos”). Por ejemplo, por debajodel 13.5 KPa (4 pulg Hg) absoluta, se colocan en serie dos o más bombas de vacío,con frecuencia de diferentes tipo. Por ejemplo, un equipo de bomba de vacíocomercial consiste en un eyector trabajando con aire atmosférico descargando aun compresor de anillo líquido. La Fig. 4 muestra los rangos de presión en que losdiferentes tipos son aplicados.
Características Especiales – Los servicios al vacío tienen varias característicassignificativamente diferentes de otros servicios de compresión, algunas son:
1. Los compresores son físicamente grandes para un flujo másico dado, debidoa la baja densidad del gas a las condiciones de entrada a vacío.
2. Silenciadores a la entrada, filtros y tuberías deben ser dimensionadosholgadamente para caídas de presiones muy bajas debido al efectosignificativo de la relación de presión y el requerimiento de cabezal.
3. Los sellos de ejes de los compresores tienen que prevenir la fuga de airehacia la máquina, como también prevenir la fuga de gas a la atmósfera.
4. La masa y la inercia de las partes movibles tienden a ser altas en relación conla capacidad normal requerida por el elemento motriz, porque la bajadensidad del gas origina que el requerimiento normal de potencia sea bajo.Frecuentemente se requiere sobredimensionar el elemento motriz a fin deproporcionar suficiente torque y así poder acelerar la unidad a máximavelocidad.
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5. Para los compresores reciprocantes, el enfriamiento de la chaqueta delcilindro tiende a ser poco efectivo en la remoción del calor de compresión,debido al bajo flujo másico de gas con respecto al flujo de agua deenfriamiento.
6. El dimensionamiento del elemento motriz tiene que permitir máxima cargadurante el período de evacuación del sistema de arranque, este períodotambién es conocido como “bombeo disminuido” o “barrido inicial”. A medidaque disminuye la presión de entrada durante la evacuación, el caballajerequerido alcanza un pico entre la condición de entrada atmosférica y lacondición de entrada de operación. Esta característica de potencia contrapresión de entrada tiene que ser evaluada por el suplidor de bombas de vacíopara determinar el tamaño del elemento motriz mínimo permisible.
El servicio de evacuación para eyectores es cubierto en el documentoMDP–02–J–01 “Eyectores”
Selección del Tipo de Compresor para Servicio en Vacío – La selección del tipode compresor para servicios en vacío es algo más difícil que para otros servicios,ya que existe una amplia variedad de selección entre eyectores y varios tipos decompresores rotativos, reciprocantes y centrífugos. Los conjuntos deequipos–paquetes normales están comercialmente disponibles para variascapacidades y niveles de vacío. La selección final del tipo de compresor puede noser práctica, antes de que sean solicitadas las propuestas completas al suplidor.El siguiente procedimiento se recomienda:
1. Use la Fig. 4 para determinar los tipos aplicables, basados en la presión deentrada. Para presiones de descarga mayores que la atmosférica,seleccione los tipos de compresores aplicables, en base a la relación decomparación de presión.
2. Elimine tipos inadecuados técnicamente, por razones tales como:
a. Compresores reciprocantes y los de álabe director deslizante. No sonadecuados donde el arrastre de líquido pueda ser posible.
b. El vapor, la electricidad, o el agua de enfriamiento podrían no estardisponibles en el sitio de instalación.
c. El requerimiento de capacidad puede estar fuera del rango factible paraalgunos tipos (ver gráficos de Rango de Aplicación).
d. Una variación grande en el peso molecular no es adecuada paracompresores dinámicos.
e. Características de ausencia de aceite podrán requerirse.
f. Los eyectores multietapa no condensantes son ineficientes para servicioscontinuos.
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Las características de cada tipo de compresor se presentan en detalle en lasPrácticas de Diseño (versión 1986),vol. VII 11F hasta 11J.
3. Decida entre eyectores y compresores basandose en:
a. Necesidades de confiabilidad y uso de auxiliares.
b. Costos de inversión preliminar.
c. Consumo de servicios y costos.
Los eyectores son muy confiables y tienen bajo costo inicial, pero las bombasmecánicas de vacío, son de 3 a 10 veces más eficiente.
4. Si la selección no resulta obvia sobre esta base, haga una comparacióneconómica detallada de inversión y costos de operación de los tipos quesean aplicables.
4.8 Tipos de Compresores para Servicio de Aire de PlantaSelección del Tipo de Compresor: Debido a la amplia variedad para elegir, latecnología cambiante y la gran competencia entre los tipos de compresores,usualmente resulta más ventajoso hacer la selección final del tipo de compresorpara servicio de aire de planta durante la ingeniería de detalle, basándose en laspropuestas comerciales competentes, en vez de hacerlo durante la fase de diseñode planta. Vea los gráficos de Rango de Aplicación para determinar los tipos máspropensos a ser competitivos.
Un tipo de compresor libre de aceite es preferido al reciprocante lubricado cuandocualquier porción del aire comprimido sea usado como aire de instrumento, de talmanera que la limpieza del sistema de aire de instrumento de la planta no dependedel mantenimiento y del rendimiento del equipo de remoción de aceite.
Tipos Aplicables – Los siguientes seis tipos de compresores compiten ahorapara aplicaciones de servicios de planta y servicio de aire de instrumento (760 a900 Kpa. barométrica (110 a 130 psia)) de acuerdo a los rangos de capacidadcomúnmente necesitados para grandes refinerías y plantas químicas:
1. Reciprocantes Lubricados – Este fue por mucho tiempo el tipo másfrecuente, hasta 1965. Los modelos están bien desarrollados y altamentenormalizados; la eficiencia y la confiabilidad son altas. Las desventajas son:
a. Las facilidades para la remoción de aceite lubricante del pistón deberánubicarse en la parte de la descarga, cuando se alimente el sistema dedistribución de aire para instrumentos; este equipo requiere de unmantenimiento frecuente y no es por lo general completamente efectivo.
b. Las paradas para mantenimiento de estos compresores son más frecuentesque para los rotativos y centrífugos.
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c. Los costos son elevados para flujos altos.
2. Reciprocantes no Lubricados con Anillos de Presión de Teflón – Losdiseños de los materiales y las paredes de desgaste han mejorado a talpunto, que el requerimiento de mantenimiento de los modelos comercialescompletamente desarrollados es moderadamente mayor que para losmodelos reciprocantes lubricados convencionales.
3. De Tornillo Helicoidal de Alta Presión – Este tipo ha sido usadoampliamente en Europa para plantas y servicios de aire de proceso desdefinales de la década del cincuenta . Los costos son bajos para capacidadesaltas; la operación es libre de aceite.
4. Unidad Paquete Centrífugo de Aire de Planta – Este tipo es de multietapasy de velocidad muy alta. La mayoría de los modelos usan carcazasseparadas para cada impulsor, montadas sobre una caja de engranajescomún e impulsadas por multiples piñones.
El compresor viene en el paquete con un sistema de interenfriamientopre–entubado. La mayoría de los fabricantes de estos compresores tienenmodelos comerciales con un gran número de instalaciones que van desde0.85 m3/s (1800 pie3/m) hasta 7 m3/s (15000 pie3/min). Modelos para flujosmayores y menores se están desarrollando actualmente. Las unidades soninterenfriadas para lograr una eficiencia alta; ellas son de bajo costo paragrandes volúmenes; la operación es libre de aceite. Los registros deconfiabilidad no han alcanzado a los de los centrífugos de procesosconvencionales.
5. Centrífugos Interenfriados de Gran Volumen – Son de carcaza sencilladividida horizontalmente, de baja velocidad. Desarrollados en los añoscincuenta, para la compresión de baja potencia de grandes volúmenes deaire en los servicios de proceso (licuefacción, plantas de amoníaco, etc.),pero aplicables y económicos para servicios de aire de planta en refineríasgrandes.
6. Reciprocante de Pistón Tipo Laberinto (Sulzer) – Libre de aceite, de costomás alto y eficiencia marginalmente más baja que los de estilo no lubricadosde anillo plástico; pero más bajos en requerimientos de mantenimiento. Elalto costo inicial es difícil de justificar para servicios de aire de planta, a pesarde los bajos requerimientos de mantenimiento.
Práctica del uso de Auxiliares para Compresores de Aire de Planta – Todoslos tipos de compresores mencionados anteriormente a excepción del tipocentrífugo interenfriador de gran volumen, requieren un mínimo de dos unidadesiguales instaladas. El centrífugo interenfriador de gran volumen, requiere de unauxiliar parcial (con cualquier tipo de compresor) para cubrir las necesidadesmínimas de aire de planta durante las paradas poco frecuentes para
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mantenimiento. Este grado de conservacionismos en compresores auxiliares deaire de planta se requiere a fin de proveer un suministro de aire continuo mientrasel otro compresor este recibiendo mantenimiento. Esto permite que elmantenimiento de los compresores de aire de planta sea realizado mientras laplanta está operando, en vez de realizarse durante las paradas de planta, cuandoel consumo de aire de servicio puede estar a su máximo.
Las refinerías que son expandidas frecuentemente tendrán unidadescompresores de aire colocadas en paralelo con las unidades originales. Eldimensionamiento de las unidades incrementales esta basado en un mínimo de100% de capacidad disponible con cualquier compresor parado.
5 GUIA PARA LA SELECCIONLos tipos de compresores usados en la industria son: Centrífugos, de flujo axialy reciprocantes. Los compresores rotatorios sólo son usados en serviciosespeciales.
A continuación se presenta una guía para la selección del tipo de compresorbasados en ventajas y desventajas, principios de operación y limitaciones críticasde cada uno.
5.1 Incentivos para la Selección de Compresores
Compresores Centrífugos
Aunque los compresores centrífugos ocasionalmente compiten con loscompresores axiales y rotatorios, como también con los reciprocantes, losincentivos para la selección de este tipo de compresor puede ser usualmenterelacionada a su principal o más frecuente competidor: el compresor reciprocante.Las principales ventajas y desventajas con respecto a los reciprocantes puedenser sintetizadas como sigue:
Ventajas
1. Continuos y largos tiempos de funcionamiento (típicamente 3 años) sonposibles con una alta confiabilidad, eliminando la necesidad de múltiplescompresores y la instalación de equipos de reserva.
2. Por las mismas condiciones de operación, los costos del equipo son bajosdado los altos flujos manejados.
3. Los compresores centrífugos son pequeños y livianos con respecto a sucapacidad de flujo, por lo que requieren poca área para su instalación.
4. Los costos de instalación son bajos debido a su pequeño tamaño, ausenciade fuerzas recíprocas y porque generalmente se requiere la instalación deuna sola unidad.
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5. Costos más bajos por atención y por mantenimiento total.
6. Cuando se selecciona una turbina a vapor como equipo motriz, los rangosde velocidad alcanzados permiten un acople directo (no requiere unidadreductora) por lo tanto se minimizan los costos por equipo, reduciendo losrequerimientos de potencia e incrementando la confiabilidad de la unidad.
7. El control de flujo es simple, continuo y eficiente en un amplio rango.
8. No existe contaminación con aceite lubricante del gas de proceso (o aire)como ocurre en el caso de los compresores reciprocantes.
9. Características de flujo suave, sin pulsaciones de presión (por encima delpunto de oleaje (surge)).
Desventajas
1. Menor eficiencia (de 7 a 13%) que la mayoría de los tipos de compresoresde desplazamiento positivo al mismo flujo y relación de presión,especialmente con relaciones de presiones mayor que 2.
2. La operación no es eficiente por debajo del punto de oleaje, puesto que larecirculación es necesaria.
3. La presión diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas,especialmente en el peso molecular. Esto hace que el diseño decompresores sea muy crítico para corriente de gases con pesos molecularesvariables debido a que este tipo de maquinaria tiene una definida limitaciónde cabezal.
4. Para gases con bajos pesos moleculares, la relación de presión por etapa esbaja, teniendo que requerirse un largo número de etapas por maquinaria,creando por tanto complejidad mecánica.
5. Los modelos centrífugos convencionales generalmente no están disponiblespara manejo de flujos a condiciones de descarga bajo 0.15 m3/s (300pie3/min), real.
Compresores Axiales
Los compresores axiales compiten directamente con los centrífugos en el rangode 24 a 90 m3/s real (50000 a 190000 pie3/min real). Usualmente, es necesariouna comparación económica específica en dicho rango, por debajo de 33 m3/s real(70000 pie3/min real) el compresor centrífugo es más atractivo, por encima de 61m3/s real (130000 pie3/min real), el axial es más atractivo desde el punto de vistaeconómico y de experiencia de diseño. Los resultados tienden a depender de lascircunstancias específicas del caso, más que de comparaciones generalizadas delos dos tipos de equipo. La siguiente lista de ventajas y desventajas generalespretende servir de guía para el estudio de cada caso:
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Ventajas
1. Capacidades muy altas de flujo por cada compresor: de 140 a 190 m3/s real(300000 a 400000 pie3/min real). Por encima de los 61 m3/s real (130000pie3/min real) más diseños de compresores axiales que centrífugos estándisponibles.
2. La eficiencia puede ser hasta 10% mayor que la de los centrífugos,resultando en menor consumo energético, al igual que el motor o turbina yun sistema de suministro de servicios más pequeños.
3. Menor tamaño físico y menor peso que los centrífugos, permitiendo menorescostos de instalación; por ejemplo, menor tamaño del resguardo techado,grúas más pequeñas, menos espacio requerido, fundaciones menores,menores esfuerzos de manejo e instalación, etc.
4. Si se mueve con una turbina de gas o vapor, la mayor velocidad usualmentepermite acoplamiento directo (sin caja reductora) y diseños eficientes deturbina.
5. El diseño de rotor y carcaza puede proveer flexibilidad para hacermodificaciones menores de comportamiento de manera un poco másconveniente (agregando, quitando o cambiando etapas y ajustando losángulos de los álabes del estator) que en los compresores centrífugos.
6. Mayor relación de compresión por carcaza debido a mayor eficiencia, segúnla limitación de temperatura de descarga.
7. Más fáciles de operar en paralelo con compresores de cualquier tipo que loscentrífugos, debido a su empinada curva cabezal–capacidad.
Desventajas
1. Rango más estrecho de flujo para operación estable, especialmente conimpulso de velocidad constante, a menos que se use un costoso diseño deálabes de estator de ángulo variable.
2. Los sistemas de control de flujo y los controles de protección anti–oleaje sonmás complejos y costosos que para los centrífugos. El control anti–oleajedebe ser muy confiable, pues el oleaje puede dañar un compresor axial muyrápidamente.
3. El deterioro de su desempeño debido a ensuciamiento en la ruta del gas ya erosión es más severo que en los centrífugos. Esto requiere mayorfiltración en la succión y hace a los compresores axiales no aptos paracorridas continuas largas en servicios sujetos a ensuciamiento.
4. Los daños por objetos extraños succionados tienden a ser más extensos queen los centrífugos.
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5. Hasta el presente, los modelos desarrollados para la utilización en procesostienen generalmente un límite de presión más bajo que los centrífugos (sinembargo, los axiales tienen el potencial para ser desarrollado para nivelesde presión por lo menos tan altos como los de los centrífugos).
6. La experiencia en servicios diferentes al del aire es muy limitada hasta lafecha, haciendo difícil la justificación de su utilización para un nuevo gas.
7. Si se considera necesario un rotor completo de repuesto para el axial en lugarde un juego de álabes sueltos del rotor, el costo de los repuestos principales(incluyendo los álabes de estator) tiende a ser mayor en el axial que en elcentrífugo, aproximadamente 37 a 43% del precio base del equipo vs. 26 a32% para el centrífugo. Si, por otra parte, se compran etapas sueltas del rotorcomo repuestos para el axial en lugar de un rotor completo, el costo del rotorde repuesto, y los álabes del estator totalizará sólo de 19 a 24% del costobase del axial, con una ventaja neta sobre el centrífugo.
8. Niveles de ruido más altos que el centrífugo, requiriendo tratamiento acústicomás extensivo y severo.
Compresores Reciprocantes
Los compresores reciprocantes compiten con el resto de los compresores exceptocon los compresores centrífugos y axiales a flujos muy grandes. Sus principalesventajas y desventajas son las siguientes:
Ventajas
1. Disponible para capacidades por debajo del rango de flujo económico de loscompresores centrífugos.
2. Son económicos para altos cabezales típicos de gases de servicio de bajopeso molecular.
3. Disponibles para altas presiones; casi siempre son usados para presionesde descarga por encima de 25000 KPa man. (3500 psig).
4. Son mucho menos sensitivos a la composición de los gases y a suspropiedades cambiantes que los compresores dinámicos
5. Apropiado para cambios escalonados de flujo de 0 a 100%, a través delespacio muerto y las válvulas de descarga con un mínimo desgaste depotencia a bajos flujos.
6. La eficiencia total es mayor que la de los compresores centrífugos para unarelación de presiones mayor que 2.
7. La intensidad del flujo cambia para los diferentes niveles de presión dedescarga.
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8. Presentan una temperatura de descarga menor que los compresorescentrífugos debido a su alta eficiencia y a su sistema encamisado deenfriamiento.
9. Son mucho menos sensitivos a desalineamiento en el acoplador y aesfuerzos en la tubería que los compresores centrífugos, axiales y rotatorios,los cuales operan a velocidades de rotación mayores.
Desventajas
1. Fundaciones mucho más grande para eliminar las altas vibraciones debidoa las fuerzas reciprocantes.
2. En servicios continuos, se requieren múltiples unidades para impedirparadas de planta debido al mantenimiento de compresores.
3. Los costos de mantenimiento son de 2 a 3 veces mayores que los costos paracompresores centrífugos.
4. El potencial de funcionamiento continuo es mucho más corto que el de loscompresores centrífugos, la frecuencia de paradas es mucho mayor, debidoa fallas en las válvulas.
5. Los compresores reciprocantes son sensitivos al arrastre de sólidos, debidoa la fricción presente de las diferentes partes del equipo.
6. Las máquinas lubricadas son sensitivas al arrastre de líquido, debido a ladestrucción de la película lubricante.
7. Es necesario un área de ubicación mayor que la utilizada por loscompresores de tipo rotatorio y centrífugo.
8. Las máquinas lubricadas inyectan aceite de lubricación en la corriente degas; mientras que las máquinas no lubricadas requieren el cambio frecuentede partes desgastadas.
9. Comparado con otros tipos de compresores se requiere una inspección máscontinua, debido a la susceptibilidad a fallar en las válvulas y en el sistemade lubricación.
5.2 Principios de Operación
Compresores Centrífugos
Los compresores centrífugos generan un cabezal de descarga por desarrollaraltas velocidades del gas en un impulsor centrífugo, convirtiendo una porción deesta velocidad en presión en el impulsor y completando la conversión en el pasajedel difusor, este modo de operación clasifica el equipo como un compresor“dinámico”. Los compresores y ventiladores centrífugos desarrollan la más alta
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velocidad en un plano perpendicular al eje, mientras que los compresores yventiladores axiales, los cuales también pueden operar según el principiodinámico, desarrollan velocidad en la misma dirección del eje.
La cantidad de energía que un compresor es capaz de impartir a cada unidad demasa de gas es limitada por la velocidad periférica de los álabes del impulsor. Deesta manera el compresor centrífugo tiene un máximo cabezal de capacidad,siendo limitado por la velocidad giratoria del rotor, la cual a su vez es limitada porel esfuerzo permisible del impulsor. Para permitir la operación de impulsoressometidos a esfuerzos que pueden llegar tan alto como 400 a 590 MPa (60000 a85000 psi) se utilizan aceros de alta dureza en la fabricación de éstos.
Compresores Axiales
Los compresores axiales son máquinas “dinámicas” por cuanto desarrollanpresión acelerando el gas y convirtiendo (por difusión) la alta velocidad resultanteen presión. Mientras el compresor centrífugo (que también es una máquina de tipo“dinámico”) desarrolla velocidad por medio de “fuerza” centrífuga, con flujo en ladirección radial, el axial emplea álabes especialmente construidos para forzar elflujo en una dirección predominantemente axial. La energía es transmitida al gasusando los álabes del rotor para incrementar el impulso en la dirección tangencial.La función primaria de los álabes del estator es redireccionar el flujo de una hilerade álabes rotatorios hacia la siguiente con un ángulo eficiente. La conversión develocidad a presión (difusión) es compartida entre los álabes rotatorios y losálabes estacionarios en la mayoría de los diseños de compresores comerciales.
Máquinas de una sola etapa que aplican este principio de diseño son llamadossopladores axiales de aspas. Las versiones multietapas son llamados“compresores axiales”. Pueden ensamblarse hasta 17 etapas en una solacarcaza, con colocación alternada de álabes rotatorios y estacionarios.
Los compresores axiales son enfriados sólo por radiación superficial nominal, yeste efecto menor es usualmente anulado por el aislamiento acústico.
Los compresores axiales tienen volutas grandes y de baja velocidad en losextremos de entrada y de descarga para permitir el flujo en dirección axial haciay desde el rotor, así como para minimizar disturbios de flujo en cada extremo delrotor, manteniendo bajas las caídas de presión en las boquillas. La velocidad delgas entrando a los álabes de la primera etapa es típicamente dos veces lavelocidad comparable del gas a la entrada de la primera etapa impulsora de uncompresor centrífugo, en el orden de 120 a 150 m/s (400 a 500 pie/s). Esto resultaen una reducción de presión estática tan significativa en el plano donde el gasentra al rotor que la presión diferencial entre ese plano y la brida de entrada proveeun medio bastante preciso para la medición de flujo, una vez efectuada unacalibración adecuada.
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Compresores Reciprocantes
Los compresores reciprocantes son máquinas de “desplazamiento positivo” loscuales operan mediante una reducción positiva de un cierto volumen de gasatrapado dentro del cilindro mediante un movimiento reciprocante del pistón. Lareducción en volumen origina un alza en la presión hasta que la misma alcanzala presión de descarga; y ocasiona el desplazamiento del fluido a través de laválvula de descarga del cilindro.
El cilindro está provisto de válvulas las cuales operan automáticamente pordiferenciales de presión, al igual que válvulas de retención (check valves), paraadmitir y descargar gas. La válvula de admisión abre cuando el movimiento delpistón ha reducido la presión por debajo de la presión de entrada en la línea. Laválvula de descarga se cierra cuando la presión acumulada en el cilindro deja deexceder la presión en la línea de descarga luego de completar el golpe dedescarga, previniendo de esta manera el flujo en sentido reverso.
La teoría de compresión en el cilindro de compresores reciprocantes es tratadamás a fondo en los libros técnicos. Refiérase a “Compressed Air Gas Data” paraun resumen más detallado.
5.3 Limitaciones Críticas
Compresores Centrífugos
Temperatura de Descarga – La temperatura permitida de descarga de loscompresores centrífugos está limitada de las siguientes maneras:
Temperatura permitida de descarga:
1. Consideraciones de Proceso – Debido a que el funcionamiento delcompresor centrífugo es sensible a las restricciones de flujo, elensuciamiento por polimerización se debe evitar. Esto limita la temperaturapermitida a 120°C (250°F) en la descarga a aquellas corrientes ricas endiolefinas y olefinas.
2. Limitaciones del Material – El hierro fundido, el cual se empleanormalmente en carcazas de baja presión, limita la temperatura delcompresor a 230°C (450°F). El plomo se usa en algunos compresorescentrífugos en los laberintos opuestos del pistón de balance, limitando así lamáquina a más o menos 195°C (380°F).
3. Limitaciones Estructurales – Las formas complejas de carcazas usadas enmodelos de compresores centrífugos para servicios de volumen alto, presiónbaja y boquillas múltiples tienden a distorsionar excesivamente cuando estánexpuestos a gradiente de temperatura mayor de 175°C (350°F). Lastolerancias muy pequeñas, radiales y axiales, que se requieren para altaeficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcaza.
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Los diseños especiales de compresores centrífugos están disponibles paratemperaturas a la descarga tan altas como 425 a 540°C (800 a 1000°F).
Para servicios de regeneración en caliente hasta 260°C (500°F), se usancomúnmente construcciones de etapa simple suspendida con modificaciones soloa los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425°C (800°F).
Temperatura de Entrada – Temperaturas de entrada tan bajas como –115°C(–175°F) pueden ser manejadas por diseños convencionales con la selección demateriales adecuados. Para servicios de más bajas temperaturas, debeconsultarse a especialistas.
Presión de Descarga – Los diseños de compresores centrífugos estándisponibles comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man.(5500 psig), y están siendo desarrollados para presiones de 48000 a 62000 kPaman. (7000 a 9000 psig).
Cabezal – Muchos de los diseños de compresores centrífugos se limitan de 8 a9 impulsores por carcaza. Unos pocos diseños comerciales pueden acomodar 10,11 ó 12 etapas. El cabezal que cada etapa del compresor puede desarrollar estípicamente de 3000 m (10000 pie) para gases cuyos pesos moleculares están enel rango del aire, 2600 m (8500 pie) para gases con M = 55 y 3500 m (11500 pie)para gases con M = 5. El cabezal promedio por etapa es usualmente menor queel máximo cabezal desarrollado por etapa. El cabezal total por carcaza rara vezexcede los 30000 m (100000 pie). Muchos modelos tienen limitaciones muy pordebajo de este nivel.
Los compresores de etapa simple y alta velocidad se pueden especificar paracabezales tan altos como 8500 m (28000 pie). Las etapas de los compresorescentrífugos, paquetes que manejan aire de planta, alcanza de 6100 a 6700m/etapa (20000 a 22000 pie / etapa). Los impulsores especiales de altodesempeño que se utilizan en compresores multietapas desarrollan cabezales tanaltos como 5200 m (17000 pie).
Flujo Volumétrico a la Entrada – El mínimo para máquinas convencionales estácercano a 0.17 m3/s (350 pie3/min) real para gases limpios y 0.24 m3/s (500pie3/min) real para gases sucios. El máximo de unos pocos fabricantes está en elrango de 71 a 90 m3/s (150000 a 190000 pi3/min) para el aire y cerca de la mitadde este nivel para gases. Este nivel ha sido alcanzado por arreglos tanto de flujosencillo como de flujo doble.
Flujo Volumétrico a la Descarga – El mínimo es ligeramente más bajo que lalimitación a la entrada, típicamente entre 0.14 y 0.19 m3/s (300 a 400 pie3/min) real,actuando a condiciones de descarga. El máximo no es significante.
Sensibilidad Mecánica – Los compresores centrífugos son especialmentesensibles a las siguientes condiciones mecánicas:
1. Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes.
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2. Sucio en el aceite lubricante.
3. Desalineación del acoplamiento.
4. Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extraños que se alojan en elimpulsor o por pérdida irregular de metal en los impulsores.
5. Líquido entrampado.
Compresores Reciprocantes
Sensitividad a los Líquidos – Los compresores reciprocantes estánespecialmente propensos a dañarse por líquidos en la corriente de gas. VerCapítulo PDVSA–MDP–02–K–02 “Principiuos Básicos”, Líquidos en CorrientesGaseosas. El arrastre de líquido en forma de neblina tiende a quitar la películalubricante en el cilindro y en los anillos del pistón, acortando por consiguientedrásticamente la vida de servicio entre paradas. Una gota de líquido llevada dentrodel compresor a través de la boquilla de entrada, puede ser extremadamentepeligroso debido a que ésta es no comprimible; muchas de las explosiones eincendios han ocurrido por la rotura de cilindros. Cilindros de compresoreshorizontales deben tener descargas en el tope y en la parte inferior de la succióncuando el gas que se maneja es saturado, según API Standar 618, de tal maneraque cualquier líquido que entre sea drenado en la menor oportunidad posible paraevitar acumulación de depósitos.
Limitaciones en la Relación de Compresión – En general la relación de presiónen compresores de aire de una sola etapa está limitada entre 4.4 y 5.0 a presionesrelativamente bajas, y de 2 a 2.5 en la succión para presiones por encima de 7000KPa (1000 psig). La relación de compresión está limitada por el diseño mecánicodel compresor; es decir la máxima carga que un brazo puede llevar debido aldiferencial de presión que actua en el pistón y por la baja eficiencia volumétrica queacompañan los aumentos en la relación de compresión. También, una alta relaciónde compresión está normalmente acompañada por un incremento grande detemperatura, el cual puede causar problemas de lubricación.
Como una excepción al criterio arriba indicado los compresores de una sola etapa,de bajo costo, hasta 75 Kw (100 HP), son usados para cocientes de compresióntan altos como 7.8 (700 KPa man. (100 psig) de descarga), aunque las altastemperaturas y los diferenciales de presión llevan a factores de servicio más bajosen este tipo de equipos. Estos altos cocientes no deben ser especificados cuandoel servicio es continuo y se requiere un alto grado de confiabilidad; etapasadicionales deben agregarse para reducir la relación de compresión por etapa.
Limitaciones en la Temperatura de Descarga – Ver la Tabla 3, donde se indicanlas temperaturas de descarga permitidas para compresores reciprocantes paravarios gases y diseños. Los factores que limitan la temperatura de descarga encompresores reciprocantes son:
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1. En todos los compresores lubricados, el mantenimiento de una adecuadaviscosidad en la película lubricante y la prevención de la degradación delaceite lubricante en depósitos de coque.
2. En aire y otros servicios ricos en oxígeno, la prevención de la ignición dedepósitos de aceite lubricante en el sistema de descarga.
3. En servicios de bajo peso molecular, un valor de diseño conservador debeusarse para permitir compensación por el deterioro debido a la inevitablefuga en válvulas y paso de gases de combustión al pistón.
4. En servicios de alta presión de polietileno, prevención de polimerización delos gases.
5. Cilindros fundidos en compresores registrados para presiones superiores a2100 kPa man. (300 psig) y todos los cilindros forjados los cuales tienenparedes y recubrimientos gruesos, por consiguiente un enfriamiento muypobre del aceite lubricante, requieren por lo tanto límites de temperatura dedescarga más bajos.
6. La temperatura de descarga de compresores no lubricados y con sellos deteflón, está limitada por el teflón el cual esta expuesto al calor generado porla fricción al mismo tiempo que al calor generado por la compresión.
Pequeños compresores reciprocantes (potencias por debajo de 75 hasta 115 kW(100 a 150 HP)), diámetro de cilindro 300 mm (12 pulg) producen temperaturasde descarga por debajo de la isentrópica debido al alto cociente de enfriamientode la superficie, al flujo de enfriamiento y al flujo de la masa de gas. Porconsiguiente los mismos son aplicados a los valores de temperatura de descargaisentrópicos por encima del valor de temperatura de descarga permitido. Serecomienda consultar al especialista en la maquinaria.
Donde existe alarmas indicadoras de temperaturas de descarga, las mismasdeben ser calibradas a 14°C (25°F) más que la temperatura de descarga normal(real) para iniciar la investigación. Un incremento de 22°C (40°F) sobre lo normalgarantiza una parada para inspección interna.
Diseño de Etapas para Limitar la Temperatura de Descarga – Gran parte delenfriamiento del gas en un cilindro de un compresor reciprocante enfriado serealiza a medida que el gas fluye hacia afuera, a través de la cámara de la válvulade descarga, en la vía hacia la boquilla de descarga luego de que el tiempo decompresión es completado. (Esta es la razón por la cual el enfriamiento tiene sóloun efecto muy pequeño en el desempeño del compresor). La temperatura picoalcanzada por el gas (y la máxima temperatura a la cual está expuesta la películalubricante) es por consiguiente mucho más grande que la que se pueda medir ala descarga.
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La temperatura a la cual hay un efecto adverso en el desgaste del cilindro, debidoa la reducción en la viscosidad del lubricante, es la verdadera temperatura pico,en lugar del estimado isentrópico de la temperatura de descarga, a la temperaturaa la que el gas sale de la boquilla de descarga. Por consiguiente, cuando existeuna condición que tiende a colocar la temperatura de descarga significativamentemás alta que la temperatura isentrópica de descarga, o la temperatura pico delcilindro significativamente mayor que la temperatura de descarga de la boquilla,debe ponerse un especial cuidado en la realización del diseño de las etapas.
Las pruebas del suplidor, y las experiencias de servicio son los recursos máspreciados para datos sobre funcionamiento y recomendaciones para el diseño delas etapas para el manejo de servicios donde el punto de temperatura de descargaes crítico.
Limitaciones en la Temperatura de Entrada – La mínima temperaturapermisible para cilindros de hierro gris fundido es –45°C (–50°F). La resistenciaal impacto del hierro fundido no cambia con bajas temperaturas.
La temperatura más baja para compresores lubricados es de –48 °C (–55°F). Elaceite lubricante debe ser seleccionado muy cuidadosamente para temperaturasde entrada bajo cero. Se requieren compresores no lubricados en el caso de quela temperatura de succión se encuentre por debajo de –48 °C (–55°F), o si el aceitelubricante no se tolera en el gas. El uso de compresores no lubricados para gasesse debe evitar (especialmente gases secos e inertes) cuando sea posible, ya quelos requerimientos de mantenimiento son casi el doble que para las máquinaslubricadas.
Para temperaturas de entrada por debajo de 15°C (60°F), la temperatura mínimade entrada debe ser especificada en el diseño.
Características de Servicio – Ver Prácticas de Diseño (versión 1986), vol. VI,Secc. “11C” para datos sobre el tiempo de trabajo o tiempo entre paradas,practicas de disponibilidad, costos de mantenimiento, y factores de utilidad.
6 PROGRAMA DE COMPUTACIONINTEVEP, S.A dispone de un programa que permite la selección de compresorescentrífugos, reciprocantes o axiales basado en la presión de descarga y el flujo quemanejan. Este programa se encuentra disponible en la base de cálculo Procalc.
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TABLA 1. CARACTERISTICAS MECANICAS DE LOS TIPOS PRINCIPALES DE COMPRESORES
Tipo Com –presores
Velocidadde rotación
Rev/min(Rev/s)
Relación depresión olimitación de cabezal
por etapa decompresión
Rango comúnde eficienciade compren-
sión
Rangocomún deeficienciamecánica
Rendi-mientototal
Sensibilidadrelativa aensucia-
miento y par-ticulas desolidos
niveles degenera-ción de
ruido rela-tivo
Sensibili-dad rela-
tiva al con-tenido dehumedad
Requerimien-tos relativosde manteni-
miento
Centrifugo
Convencio-nal
3000–18000(50–300) 40000 m 0.70–0.80 0.99 Media Alto Media Bajo
Alta Veloci-dad, Bajoflujo
15000–33000
(50–170)8500 m 0.45–0.60
0.96(Incluye
engranaje)Muy alta Muy alta Muy alta Muy alta
Axial3000–10000
(50–170)23000 m 0.75–0.85 0.99 Alta Muy alto Alta Bajo
VentiladorAxial TipoIntercam-biador decalor
150–750(2.5–12) 0.25 kpa –– ––
0.30–0.50(Estático) Baja
Medio (ate-nuación
impractica)Baja Medio
Ventiladorcentrifugo
600–3600(10–60) 7.5 kpa –– ––
0.50–0.90(Estático) Media Alto Bajo Medio
Recipro-cante
Lubricado300–1000
(5–15) r = 5 0.75–0.90 0.95 Alta Bajo Muy alta Alto
No Lubri-cado 0.75–0.90 0.94 Muy alta Bajo Alta muy alto
Diafragma Alta Bajo Bajo alto
Rotatorio
Tornillo Heli-coidal dealta Presión
3500–9000(60–150) r = 4 a 5 0.74–0.78 0.96 Bajo Muy alto Bajo Media
Tornillo Heli-coidal debaja Pre-sión
1750–3500(30–60) r = 2 a 3
0.70–0.78(Aumenta a
medida que rdecrece)
0.95 Media Alto Media Medio
Tornilloespiral debaja presión
1600–4500(25–75) r = 30 0.7 0.95 Media Alto Media Medio
LóbuloRecto r = 1.7 0.66–0.70 0.95 Media Alto Media Medio
AlabeDirectoDeslizante
450–1800(7–30) r = 4.4 0.90 0.95 Muy alta Alto Muy alta Muy alto
AnilloLíquido
200–3500(3–60)
r = 2.5Diseño espe-cial para ser-vicio de aire
(r=8.0)
–– –– 0.35–0.50 Baja Medio Ninguna Medio
NOTA:Factores de conversión de m a pie, multiplique por 3.2808 de kpa a pulg H2O multiplique por 4.0161.
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TABLA 2. SIGNIFICADO DE LOS PARAMETROS DE RENDIMIENTO EN EL DISEÑO DE MAQUINAS COMPRESORAS
Parámetro Compresores Dinámicos CompresoresReciprocantes
CompresoresRotatorios
Velocidadde flujovolumétrico
Dimensionamiento decacaza y boquilla,selección de impulsor
Diámetro interior del cilindro,recorrido y velocidad,volumen de espacio muertoprovisto; dimensionamientode válvula
Tamaño del rotor,velocidad
Presión deEntrada
Diseño del sistema desellado de eje
Diseño de válvula; factibilidadde válvulas des cargadoras ala entrada y cavidades deespacio muerto accionadaspor vástagos de válvulas
Diseño de sistema desellado de eje
Aumento dePresión
Carga del cojinete deempuje
Tensión del vástago delpistón
Empuje axial, longitud detornillo doblamiento derotores
Presión deDescarga
Estilo de conexión de ladescarga, clasificación deboquillas
Material de cilindro y métodosde fabricación; diseño delempaque del vástago delpistón
Selección entre variostipos rotativos
Cabezal Número de etapas.Diámetro de rotor,velocidad
No significativo No significativo
TemperaturadeDescarga
Fuerzas resultantes sobretuberías y momentos sobreboquillas; juegos internos;arreglos para conservar laalineación deacoplamiento; distorsión decarcazas de forma irregular
Mantenimiento de la películalubricante; tendencia dellubricante a la formación deCoque y a la combustión;mantenimiento del espaciomuerto adecuado entre elpistón y el cilindro concaracterísticas de expansióntérmica diferente
Juegos de punta delrotor; necesidad paraenfriamiento del rotor
Requerimiento dePotencia
Diámetro de eje Clasificación del bastidor(Carter)
Clasificación debastidores estandard
Tipo deAccionador
El accionamiento deturbina normalmentepermite pulsión directa; lavelocidad óptima de turbinapuede influenciar laoptimización de velocidad /diámetro / etapas delcompresor
La propulsión de motores agas permite la construcciónintegral; la propulsión delmotor permite montaje delrotor del motor directamentesobre una extensión delcigüeñal
La propulsión de laturbina normalmentepermite la propulsióndirecta; la velocidadóptima de la turbinapuede influir en laoptimización de:velocidad / diámetro derotor del compresor
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MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR MAY.960
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TABLA 3. TEMPERATURAS DE DESCARGA PERMISIBLES PARA COMPRESORES RECIPROCANTES (1)
Presión deDescarga(6)
Método deLubricación
Temperatura de DescargaPermitida °C (7)
Gas Máxima
(2)Simple predicción
Isentrópica (3)
aire < 2100 kPa aceite dehidrocarburo
175 160
Aire > 2100 kPa aceite dehidrocarburo
160 (5) 150 (5)
Aire < 2100 kPa aceite sintético 190 175
Cualquiera < 7000 kPa no lubricado 200 (4) –––
Hidrógenorico M 15
cualquiera aceite dehidrocarburo
150 135
GasSíntesisamoníaco
cualquiera aceite dehidrocarburo
150 135
Etileno > 140000 kPa
aceite dehidrocarburo
120 –––
NOTAS:
1. Por encima de 75 KW (100 HP), compresores por debajo de 75 KW (100 HP) requieren atenciónespecial, se deberán utilizar los consejos del suplidor.
2. Real, en una situación de operación; o predicción basada en el trabajo de enfriamiento del modeloespecífico del cilindro, si los datos están disponibles; o la predicción isentrópica, usando el cocientetotal de presiones, incluyendo las pérdidas de presión en las válvulas (asumiendo que los detallesde diseño de la máquina están disponibles).
3. Excluyendo las pérdidas permitidas en válvulas.4. Ver el contenido del texto en lo referente a limitaciones en el diseño de anillos de teflón para
compresores.5. 14°C (25°F) menos para cilindros de acero forjado, debido al deficiente enfriamiento de las paredes
del cilindro.6. Para convertir KPa en psig, multiplique por el factor 0.14504.7. Para convertir °C a °F = °C x 1.8 + 32
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Fig 1. CLASIFICACION DE LOS TIPOS DE COMPRESORES(1)
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Fig 2. GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORES CENTRIFUGOSROTATIVOS Y DE PAQUETES
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Fig. 2 (cont.) GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORESCENTRIFUGOS ROTATIVOS Y DE PAQUETES
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Fig. 2 (cont.) GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORES YVENTILADORES CENTRIFUGOS DE DIAFRAGMAS Y CONVENCIONALES
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Fig. 2 (cont.) GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORESCENTRIFUGOS DE ALTA VELOCIDAD AXIALES Y RECIPROCANTES
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Fig 3. COMPARACION DE LAS CURVAS CARACTERISTICAS DE CABEZAL /CAPACIDAD DE LOS TIPOS PRINCIPALES DE COMPRESORES
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Fig 4. RANGO DE APLICACION DE VARIOS TIPOS DE BOMBAS DE VACIO