84256115-COMPRESORES-RECIPROCANTES

UNIVERSIDAD EXPERIMENTAL RAFAEL MARIA BARALT ASIGNATURA: EQUIPOS DE PROCESO II

REALIZADO POR: PROF. ROMAN LIRA

MARACAIBO, MAYO DE 2007

i

Compresores Recipr Reciprocantes ocantes

ÍNDICE GENERAL Pág. ÍNDICE GENERAL…… GENERAL…………… …………… ………… …………… …………… …………… …………… ………… …………… ……….… .….. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. i INTRODUCCIÓN.... INTRODUCCIÓN........ ........ ........ ......... ......... ........ ......... .......... ......... ........ ........ ......... .......... ......... ........ ......... ......... ......... ......... ....... ... ii 1. COMPRESORES…… COMPRESORES……..... ......... ......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... ......... ....... ... 2. SELEC SELECCI CIÓN ÓN DEL COMP COMPRES RESOR… OR………… …………… ………… …………… …………… …………… …………… ………… …………… …………… ……… … 3. COMP COMPRES RESOR OR RECI RECIPRO PROCA CANT NTE…… E………… …………… …………… ………… …………… …………… …………… …………… ………… …………… ……… 3.1 TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES………………….………………………… 3.2.. COMP 3.2 COMPARA ARACIO CION N ENTRE ENTRE COMPRES COMPRESORE ORESS RECI RECIPRO PROCAN CANTES TES Y CENTR CENTRIFU IFUGOS. GOS... 3.3.. PA 3.3 PARTES RTES DEL COMP COMPRESO RESOR R RECIPRO RECIPROCAN CANTE…… TE……………… …………………… ………………… ………………… …………… … 3.4. EQUIPOS DE PROCESO QUE CONFORMAN UN COMP. RECIPROCANTE……… 3.5.. DESCR 3.5 DESCRIPC IPCION ION DEL PROCES PROCESO O DE COMPRESI COMPRESIÓN…… ÓN……………… …………………… ………………… ……………. ……. 3.6.. SIST. 3.6 SIST. PARA PARA LA OPERAC OPERACIÓN IÓN CONTR CONTROLA OLADA DA DE UN COMP COMP.. RECIPRO RECIPROCAN CANTE…. TE…. 3.7.. PROCED 3.7 PROCEDIMIE IMIENTO NTO PARA PARA ESPEC ESPECIFIC IFICAR AR UN COMPR COMPRESOR ESOR RECIP RECIPROCA ROCANTE… NTE……. …. 3.7.1. Número de Etapas de Compresión………………………………………………………. 3.7.2. Potencia Requerida para la Compresión.………………………………………………. 3.7.3. Diseño del Cilindro de Compresión………………………………………………………. 3.7.4. 3.7 .4. Carg Cargas as en las las Barras Barras del del Compre Compresor sor………… …………………… ………………. …….………… ………………… ………………. ………. 4. EJEMP EJEMPLO… LO………… …………… …………… ……………… …………… …………… …………… ………… …………… …………… …………… …………… …………… …………… ……… … CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………… BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………… ANEXOS……… ANEXOS…………… ………… …………… ……………… …………… …………… …………… …………… …………… …………… …………… …………… …………… …………… ………..

3 4 6 7 9 10 13 15 16 17 18 20 25 26 27 iii v vii

ii

Compresores Recipr Reciprocantes ocantes

INTRODUCCIÓN La producción de gas natural en Venezuela, desempeña un papel de importante dentro del marco energético, su utilización está alrededor de un 96% en actividades relacionadas con: producción de petróleo, generación eléctrica, materia prima en diversos procesos petroquímicos y como combustible en los sectores industrial, comercio y domestico. Su utilización para estos fines, generalmente requiere el incremento de presión a niveles mayores a la presión de producción, para transportalo por tuberías a los sitios donde se realizará su transformación final. El uso de este recurso continúa incrementándose aun más en el mediano y largo plazo. En el año 1991 los sectores industriales, petroquímico, eléctrico y domestico utilizaron 411.769 MMPCED, equivalentes a 194.000 Barriles de petróleo por día; lo cual, permitió liberar considerables volúmenes de combustibles líquidos para la exportación. Actualmente, la producción de gas natural, alcanza aproximadamente 6.500 MMPCED y la mayor parte es enviado a plantas compresoras para ser comprimido. La presión de salida de la planta depende del uso y destino que tendrá el gas; si este va a ser utilizado para inyección en los yacimientos con fines de extracción, es necesario que su presión se eleve por el orden de 4000 Psig. El gas enviado a centros de consumo o plantas de remoción de líquidos se comprime hasta el orden de 1000 Psig. Para el año 2001, la industria petrolera operaba 180 plantas de gas con 540 unidades compresoras que representaban unos 2.1 MMBHP de potencia instalada y esta infraestructura tenía la capacidad de manejar hasta 8.5 MMPCED. En una planta compresora la selección del equipo de compresión juega un papel muy importante en la operatividad y aprovechamiento de la instalación; los compresores reciprocantes, son compresores de desplazamiento positivo de gran utilidad, debido a que poseen mayor flexibilidad operacional que un compresor centrífugo; y por esto pueden denominarse compresores de carga variable; a pesar de manejar menores flujos de gas, pueden alcanzar altas presiones y en muchos casos con un cambio en la velocidad de giro, diámetro del cilindro o ajuste de bolsillos (revamping) se ajustan a nuevas condiciones de operación de la instalación. La siguiente investigación, muestra la información básica sobre equipos de compresión reciprocantes; así como también, los tipos, partes que lo conforman y los pasos para especificar un compresor reciprocante para una aplicación específica.

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Compresores Reciprocantes

1.

COMPRESORES

Son equipos que incrementan la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Se emplean principalmente para refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, transporte por tuberías, almacenamiento de gas natural, craqueo catalitico, polimerización y en muchos procesos quimicos. Según la forma de compresión se clasifican en:

a. Compresores de Desplazamiento Positivo: Son compresores de flujo intermitente, que basan su funcionamiento en tomar volúmenes sucesivos de gas para confinarlos en un espacio de menor volumen; logrando con este efecto, el incremento de la presión. Se dividen en dos grupos reciprocantes y rotativos. b. Compresores Dinámicos: Son maquinas rotatorias de flujo continuo en la cual el cabezal de velocidad del gas es convertido en presión; estos compresores, se dividen de acuerdo al flujo que manejan en centrifugo (flujo radial) y axiales (flujo axial) y flujo mezclado. Compresores

Dinámicos

Desplazamiento Positivo

Reciprocante - Simple etapa - Múltiple etapa - Integral - Separable - Balanceado/opuesto

Rotativo - Vena deslizante - Lóbulo deslizante - Sello de líquidos - Tornillos - lóbulo helicoidal

Centrífugos - Simple etapa - Múltiple etapa - Split Horizontal - Integral

Diafragma

Figura-1 Tipos de Compresores

Flujo Axial

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2.

SELECCIÓN DEL COMPRESOR Para lograr una selección satisfactoria del compresor, debe considerarse una

gran variedad de tipos, cada uno tiene ventajas específicas para alguna aplicacion. Entre los principales factores que se deben tomar en consideración, se encuentran: la velocidad de flujo, la carga o presión, limitaciones de temperatura, el consumo de potencia, posibilidades de mantenimiento y costo. Con la Figura 2, puede hacerse una rápida selección del compresor en función del flujo actual (ACFM) y la presión de descarga requerida; no obstante, existe otros aspectos a considerar referentes al servicio de compresión para la selección acertada del tipo de compresor: a. Nivel de Potencia,

disponibilidad Comercial del Compresor y costo de

instalación. b. Flujo volumétrico – Presión de Descarga (Figura-2 ). c. Requerimientos de tiempo de operación entre períodos de mantenimiento. d. Características del Gas y del proceso. e. Inyección de aceite lubricante en las corrientes de proceso – Los compresores que requieren lubricación interna (reciprocante lubricado) son insatisfactorios para servicios de oxígeno. f. Arrastre de líquido en gas de proceso y sólidos en gas de proceso – Los compresores más sensibles son el de aletas deslizante, los reciprocantes lubricados, y los centrífugos de alta velocidad. g. Oscilaciones en peso molecular – Los compresores de desplazamiento positivo son relativamente insensibles; los compresores dinámicos tienen que ser diseñados anticipadamente para el rango de variación completo, y no son adecuados para variaciones amplias en operación normal. h. Temperatura de descarga del gas – Todos los tipos pueden ser diseñados con etapas múltiples para limitar la elevación de temperatura.


i.

5

Tendencia de ensuciamiento del gas – Los compresores axiales y de alta velocidad, y los centrífugos de etapa sencilla, no son adecuados para servicios sucios. Un sistema de lavado permite a los compresores de tornillo helicoidal y a los centrífugos ser usados en servicios sucios.

j.

Relación de Presión – Los compresores reciprocantes de etapas múltiples tienden a ser más económicos para altas relaciones de presión.

k. Tipo de Elemento Motriz – Las turbinas a gas o a vapor tienden a utilizarse en los compresores dinámicos que en los reciprocantes, ya que el sistema de transmisión es simplificado. l.

La proximidad de facilidades de servicio del suplidor y del personal.

m. Servicios adicionales de la instalación, energía electrica, lubricación, agua de servicio y enfriamiento, aire de arranque, sistemas de alivio, etc. n. La cantidad y recursos especializados del personal de mantenimiento de la planta. Asi como también, la disponibilidad de las herramientas adecuadas para el mantenimiento y los servicios disponibles.

Figura-2 Diagrama para Selección de Compresores (GPSA databook, Secc. 13)


3.

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COMPRESOR RECIPROCANTE Es un compresor de desplazamiento positivo, en el que la compresión se obtiene por

desplazamiento de un pistón moviéndose lineal y secuencialmente de atrás hacia adelante dentro de un cilindro; reduciendo de esta forma, el volumen de la camara (cilindro) donde se deposita el gas; este efecto, origina el incremento en la presión hasta alcanzar la presión de descarga, desplazando el fluido a través de la válvula de salida del cilindro. El cilindro, está provisto de válvulas que operan automáticamente por diferenciales de presión, como válvulas de retención para admitir y descargar gas. La válvula de admisión, abre cuando el movimiento del pistón ha reducido la presión por debajo de la presión de entrada en la línea. La válvula de descarga, se cierra cuando la presión en el cilindro no excede la presión de la línea de descarga, previniendo de esta manera el flujo reverso. Los compresores reciprocantes deben ser alimentados con gas limpio ya que no pueden manejar líquidos y partículas sólidas que pueden estar contenidas en el gas; estas partículas, tienden a causar desgaste y el líquido como es no compresible puede causar daños a las barras del pistón. La potencia de los compresores reciprocantes puede ser de hasta 20000 Hp y para presiones desde el vacío hasta los 50000 Psig. Son diseñados de simple y múltiples etapas, que están determinadas por la relación de compresión (relación entre la presión de descarga y succión), que generalmente no excede de 4 por etapa. Los equipos de múltiples etapas deben ser provistos de enfriadores entre etapas, los cuales disminuyen la temperatura del gas hasta valores aceptables por la siguiente etapa de compresión. El enfriamiento, reduce la temperatura y el volumen real del gas que es enviado a los cilindros de alta presión de las siguientes etapas; logrando con esto, reducir la potencia requerida para la compresión y mantener la temperatura debajo de la máxima permisible.

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Los compresores reciprocantes, se utilizan generalmente para los siguientes servicios indicados en la Tabla-1: Tabla-1 Servicios Comunes de Compresores Reciprocantes Petroleo y Gas

Refinerias y Petroquimica • Amoniaco • Urea • Metanol • Etileno • Oxido de Etileno • Polipropileno • Gas de Alimentación • Separacion de Componentes de Gas Natural • Almacenamiento de GNL • Craqueo Catalitico • Destilacion

• Levantamiento Artificial • Reinyección • Tratamiento de Gas • Almacenamieto de Gas • Transmisión • Gas Combustible • Booster • Distribución de Gas

Sin embargo, existen aplicaciones específicas donde se requiere utilizar compresores reciprocantes: 







Altas presiones de descarga, los compresores reciprocantes tienen un amplio rango de presiones mayores que el centrífugo. Disponibles para bajos flujos de gas, inferiores al menor flujo de los centrífugos. Son mucho menos sensibles a la composición del gas y a propiedades cambiantes que los compresores dinámicos; esta propiedad es muy importante, ya que a medida que un pozo petrolero se agota, el gas pasa de ser un gas rico a un gas pobre; y este cambio afecta a los compresores dinámicos. Poseen mayor flexibilidad operacional, ya que con solo cambio en los cilindros o ajuste de los pockets pueden ajustarse a nuevas condiciones de proceso.

3.1. TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES a. Simple Etapa: Son compresores con una sola relación de compresión, que incrementan la presión una vez; solo poseen un depurador interetapa, un cilindro y un enfriador interetapa (equipos que conforman una etapa de compresión) generalmente se utilizan como booster en un sistema de tuberías.

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b. Múltiples Etapas: Son compresores que poseen varias etapas de compresión, en los que cada etapa incrementa progresivamente la presión hasta alcanzar el nivel requerido. El número máximo de etapas, puede ser 6 y depende del número de cilindros; no obstante, el número cilindros no es igual al número de etapas, pueden existir diferentes combinaciones; como por ejemplo, si se requiere un sistema de tres etapas, puede utilizarse 3, 4 o 6 cilindros, como se indica en la tabla-2. Tabla-2 Diferentes Configuraciones de Cilindros para un Sistema de Tres Etapas Configuraciones Posibles 1ERA ETAPA

3 CILINDROS (integral) 1 CILINDRO

4 CILINDROS

6 CILINDROS

2 CILINDROS

2 CILINDROS

2DA ETAPA

1 CILINDRO

1 CILINDRO

2 CILINDROS

3ERA ETAPA

1 CILINDRO

1 CILINDRO

2 CILINDROS

El uso de varios cilindros para una etapa de compresión permite la selección de cilindros de menor tamaño, generalmente esto sucede con la primera etapa de compresión. c.

Balanceado - Opuesto: Son compresores separables, en los cuales los cilindros están ubicados a 180º a cada lado del frame.

d.

Integral: Estos compresores utilizan motores de combustión interna para trasmitirle la potencia al compresor; los cilindros del motor y del compresor están montados en una sola montura (frame) y acoplados al mismo cigüeñal. Estos compresores pueden ser de simple o múltiples etapas y generalmente son de baja velocidad de rotación 400 – 900 RPM. Poseen una eficiencia y bajo consumo de combustible; sin embargo, son mas costosos y difíciles de transportar que los separables; a pesar de esto, hay muchas aplicaciones en tierra donde esta es la mejor opción. Tienen mayor rango de potencia 2000 – 13000 BHP que los separables, entre sus ventajas se encuentran: a.

Alta eficiencia

b. c.

Larga vida de operación Bajo costo de operación y mantenimiento comparado con los separables de alta velocidad.

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e.

Separable: En este equipo, el compresor y el motor poseen cigüeñales y monturas diferentes acoplados directamente. Generalmente, vienen montados sobre un skid y pueden ser de simple o múltiples etapas. Los compresores reciprocantes separables en su mayoría son unidades de alta velocidad 900 – 1800 RPM que pueden ser accionados por motores eléctricos, motores de combustión interna o turbinas, manejan flujos menores de gas que los integrales y pueden tener una potencia de hasta 5000 HP, entre sus ventajas se encuentra: a. Pueden ser montados en un skid; son de fácil instalación y transporte y poseen amplia Flexibilidad operacional.

3.2.

COMPARACION ENTRE COMPRESORES RECIPROCANTES Y CENTRÍFUGOS. Diferentes tipos de compresores están disponibles para compresión de gas natural,

pero los más utilizados son los reciprocantes y centrífugos. A continuación en la tabla-3, se especifican las ventajas y desventajas de estos equipos:

Tabla-3 Comparación entre Compresores Reciprocantes y Centrífugos Reciprocantes Ventajas 











Centrífugos Ventajas

Mayor flexibilidad en capacidad de flujo y rango de presiones.



Mas alta eficiencia y costo de potencia mas bajo. Capacidad de manejar volúmenes de gas.

pequeños 

Son menos sensitivos a la composición de los gases y las propiedades cambiantes. Presentan menores temperaturas de descarga por su enfriamiento encamisado. Pueden alcanzar las presiones más altas.







Como existe menor rozamiento permite trabajar largo tiempo entre intervalos de mantenimiento. (típicamente 3 años), siempre y cuando los sistemas auxiliares de lubricantes y aceites de sellos estén correctos. Son pequeños y livianos con respecto a su capacidad de flujo, por lo que requieren poca área de instalación No presentan alta vibración Costos mas bajos por atención y mantenimiento total Son requeridos para altos flujos de gas

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Continuación Tabla-3 Comparación entre Compresores Reciprocantes y Centrífugos Reciprocantes Desventajas 











Fundaciones mas grandes para eliminar las altas vibraciones por el flujo pulsante. En servicios continuos se requieren unidades de reserva, para impedir paradas de planta debido a mantenimiento. Los costos de mantenimiento son 2 a 3 veces mas altos que los compresores centrífugos.

Centrífugos Desventajas 





El funcionamiento contínuo es más corto que para los centrífugos Requieren inspección más continua. Cambios en la presión de succión pueden ocasionar grandes cargas en las barras del pistón (rod loading).







3.3.

Eficiencia de 7 a 13% menor que la mayoría de los compresores de desplazamiento positivo. Son sensibles al ensuciamiento y a los cambios en las propiedades del gas especialmente en el peso molecular. Cambios en la presión diferencial aumentan la caída de presión en el sistema y puede ocasionar reducciones muy grandes en el volumen del compresor o stonewall. No hay mucha disponibilidad comercial para flujos inferiores a 300 ACFM. El consumo de combustibles de las turbinas es mas alto que el de los compresores reciprocantes. Requieren mano de obra especializada.

PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE.

En la figura-3, se muestra las partes de un compresor reciprocante separable que se definen a continuación: a. Montura (frame): La montura de un compresor reciprocante es una estructura fundida, donde van montadas las partes rotativas del compresor como el cigüeñal, en este elemento, se instalan los cilindros en forma cruzada. Son especificadas por los fabricantes en función de: número de cilindros, la potencia que es capaz de transmitir, las cargas a soportar en las barras (rod loading) y al recorrido de los cilindros. Cada montura esta diseñada para un número máximo de cilindros, no obstante no indica el número de etapas del compresor. b. Cigüeñal (Crankshaft): Se encuentra instalado dentro de la montura y es el elemento que transmite la potencia del motor hacia las bielas.


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c. Biela: Es el componente que transmite el movimiento rotativo del cigüeñal y lo linealiza para trasmitirlo a la barra. d. Caja de Lubricación: Es el elemento que separa el cilindro de la montura, cualquier fuga se ventea o se drena a través de éste elemento, contiene la barra que mueve el pistón de adelante hacia atrás y los sellos de laberinto del cilindro. e. Cojinetes: La mayoría de los compresores utilizan cojinetes hidrodinámicos, el aceite entra al cojinete a través de los agujeros de suministro, que van perforados estratégicamente a lo largo de la circunferencia del cojinete que suministran y distribuyen formando una película de aceite en el contacto entre las partes móviles y estacionarias. f. Sellos: Proporciona el sellado dinámico entre el pistón - la barra y la barra - con la montura, consiste en una serie de anillos de teflón montados en una caja de sellado; la cual es atornillada a el cilindro, la barra se mueve en un movimiento reciprocante a través de la caja de sellos tipo laberinto. g. Barra (Rod): Es el componente que conecta el pistón con la biela y transmite el movimiento al pistón, está sometida a los esfuerzos generados durante la compresión del gas (tracción y compresión). h. Botellas de Pulsación: Son recipientes que se colocan en la succión y la descarga para minimizar los efectos de la vibración acústica causada por el flujo reciprocante. i. Válvulas: Son válvulas de retención tipo check que permiten la entrada y salida de gas al cilindro; en caso de cilindros de doble acción, existen válvulas de succión a ambos lados del cilindro, mientras que en cilindros de simple acción sólo se encuentran en un solo lado. Las válvulas pueden ser de placa, lengüeta y la mas aplicada para gas natural la de discos concentricos.


CILINDRO DE PROCESO

Pistón Simple o Doble Acción

FIGURA-3 COMPRESOR RECIPROCANTE SEPARABLE Camisa del cilindro 57 HRC

Sellos tipo laberinto

Materiales y Tipos de válvula según especificación

3

Cigüeñ al de Acero Forjado

Cojinetes Ajustados a la Precisión

Caja de Lubri cación Simple o Doble

Anillos de Compresión

Entrada, conexión con la botella de pulsación

Bielas de Acero Forjado Montura del Compresor (Frame)

Cilindros de acero forjado o fundición dúctil

CAJA DE LUBRICACIÓN Sello Intermedio

Orificios de Inspección

Cilindros Opuestos Balanceados

Unión Tipo Cruceta

Cilindros Lubricados o No Lubricados

Bolsillos, para este caso no ajustable

Anill os de Aleación Resistentes al Desgaste

Barras del Pistón de Acero Aleado: Nitruradas hasta 64 HRC, acero inoxidable o carburo de tungsteno

Sello , entrada de agua y purga para empaque

Ventana que permite retirar el sello de laberinto

Escurridor de Aceite

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3.4. EQUIPOS DE PROCESO QUE CONFORMAN UN COMPRESOR RECIPROCANTE a. Separadores: Tiene como función principal separar el vapor del líquido de la corriente de gas que va al sistema de compresión; son separadores verticales (scrubbers) diseñados para manejar corrientes con alta relación gas-líquido, usualmente con un demister como mecanismo de separación. Se instalan en las interetapas de compresión para remover el líquido que se obtiene producto del enfriamiento. b. Cilindro de Proceso: Es el componente que junto con el pistón se encarga de

disminuir el volumen del gas contenido en la camara, hasta llegar a un volumen determinado a la presión de descarga; el compresor debe tener al menos un cilindro por cada etapa de compresión y existen dos tipos de cilindros: Simple Acción: La compresión solo ocurre en uno de los dos lados del pistón durante una vuelta del cigüeñal Doble Acción: Mientras comprime por uno de los lados, expande por el otro lado durante una vuelta del cigüeñal. En los casos que se maneje helio u oxigeno, o que se requiera aire o gas sin lubricante, se debe utilizar un cilindro no lubricado; estos cilindros deben tener un acabado pulido y utilizan anillos de grafito o plastico (teflón). Dependiendo de la presión a alcanzar el cilindro puede ser de los siguientes materiales: - Hierro Fundido para presiones entre 1000 a 1200 Psig - Hierro Fundido Dúctil para presiones hasta 1500 Psig - Acero 1000 – 2200 Psig - Acero Forjado para presiones mayores que 2200 Psig c. Enfriadores: Reducen la temperatura del gas luego que es comprimido, ya que las temperaturas de succión están limitadas por la metalurgia de los materiales de fabricación y el lubricante del compresor. Generalmente se utilizan enfriadores por aire o fin fan coolers; instalandos en una sola unidad de enfriamiento que utiliza un ventilador para forzar el aire a trves del haz de tubos acoplado directamente al motor. Todos estos equipos se instalan lo mas cercano posible para conformar un modulo de compresión como el que se muestra en la Figura-4

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Figura-4 Compresor Reciprocante Separable Tipo Skid Unidad de Enfriamiento: Fin Fan Cooler Incluye todos los enfriadores Inter-etapas AIR X CHANGERS 156 EH

Silenciador del Motor de Combustión Interna

Compresor Reciprocante: Modelo: Ariel JGC 4 Driver: Motor Reciprocante Modelo: Cat 3515 TA Combustible: Gas Natural

Botellas de Pulsación

Separador Interetapa (Scrubber)

Cilindros de Compresión: Corresponden a una etapa de compresión, pocket variable

Boquilla Succión

Válvula de Alivio

Panel de Control

Sistema de Recirculación

Montura del Compresor (Frame)

de

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3.5. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE COMPRESIÓN El proceso de compresión en múltiples etapas se realiza con el objeto de comprimir el gas en procesos separados; debido a que alcanzar la presión de descarga requerida en una sola etapa, ocasionaría un alto trabajo de compresión y altas temperaturas de descarga que conllevan a la falla de los materiales del compresor. Los equipos de proceso principales que conforman cada etapa son: un separador, el cilindro de compresión y un enfriador. El primer equipo de proceso es el separador, donde se elimina el líquido de la corriente. Luego, el gas pasa al cilindro de la primera etapa, donde alcanza una presión de descarga máxima limitada por la temperatura máxima permisible de descarga (275 - 300 ºF). Sucesivamente, al salir el gas del cilindro pasa a un enfriador que disminuye su temperatura hasta aproximadamente la temperatura de entrada de la etapa (120 – 130 ºF), como el enfriamiento produce condensación de los componentes mas pesados del gas, el primer equipo de la siguiente etapa de compresión es un separador para eliminar todo el condensado producto del enfriamiento y evitar la entrada de liquido al compresor. En esta secuencia, el gas pasa por cada etapa hasta alcanzar la presión requerida. En la figura-5, se muestra el diagrama de flujo del proceso de un compresor de tres etapas. Múltiple de Descarga Entrada a la Planta

2da Etapa

3era Etapa

1era Etapa

Slug Catcher Sistema de Recolección de Líquidos

Separador Interetapa

Compresor

Enfriador Interetapa

Figura-5 Diagrama de Flujo de Proceso de un Compresor de Gas de Tres Etapas


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3.6. SISTEMAS PARA LA OPERACIÓN CONTROLADA DE UN COMP. RECIPROCANTE. Todo equipo de compresión debe estar dotado de sistemas que permitan: Mantenerlo en operación en caso de cambios en las condiciones de operación. Paradas seguras por mantenimiento o paradas generales de la planta. Activar sistemas de seguridad, en caso de condiciones inseguras. Estos sistemas se muestran en el Anexo-1 y se definen a continuación: a. Sistema de Recirculación: A una velocidad constante de giro del compresor, un determinado volumen de gas entra al cilindro; si este flujo disminuye, la presión de entrada al cilindro se reduce y la relación de compresión aumenta, ocasionando que la temperatura de descarga aumente. Para evitar esto, se utiliza un sistema de recirculación, con una válvula conectada a la descarga para llenar completamente el cilindro de la primera etapa y mantener en el rango permisible la presión de succión. b. Válvula hacia el Mechurrio: Si el flujo de gas se incrementa, aumenta: la presión de entrada, las cargas en las barras y la potencia requerida que puede llegar a superar la del motor. Para evitar esto, se instala una válvula de control en la línea de succión para desviar el exceso de gas hacia el flare o sistema de alivio de la instalación. Adicionalmente, en caso de un shut down por emergencia, esta válvula permite desviar la producción hacia el flare sin causar problemas en instalaciones aguas arriba. c. Válvula reguladora de la presión de succión: Consiste en una válvula de mariposa que permite regular la presión de entrada, se cerrará en caso de incremento de la presión, hasta que la presión aguas arriba aumenta lo suficiente para abrir la válvula de control hacia el mechurrio. d. Válvulas Blowdown: Estas válvulas se utilizan para vaciar el gas en el compresor, cuando está fuera de servicio ya sea por mal funcionamiento o mantenimiento, lo que minimiza el peligro potencial de reparaciones con gas atrapado. Estas válvulas se instalan en la en la descarga, y envían el gas hacia el flare o múltiple de venteo.


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e. Válvulas Shut-down: Éstas válvulas aíslan el compresor de la instalación y se instalan en la succión, se activan en caso de mantenimiento del compresor, alto nivel de liquido en los depuradores o paradas de emergencia; dependiendo del caso, secuencialmente se activa el blowdown de la planta. f. Válvulas de Alivio: Cada cilindro de compresión, debe tener instalada una válvula de alivio aguas arriba del enfriador, ajustada a 1,25 veces la presión de descarga o la MAWP; debido a que si el flujo llega a obstruirse, ninguno de los equipos serán sometidos a sobrepresión. g. Controlador de Velocidad: Este equipo aumenta la eficiencia del compresor y la flexibilidad operacional; si el flujo de gas se incrementa, la velocidad del compresor aumenta para manejar el excedente de gas. Al volver a ajustarse el flujo de gas, la velocidad de giro vuelve a estabilizarse. Si el flujo de gas decrece, el compresor gira lentamente hasta que la presión de entrada puede ser mantenida. El uso de este equipo, no elimina la instalación del sistema de recirculación, válvula hacia el flare o válvula reguladora de la succión, pero si minimizará su utilización. 3.7.

PROCEDIMIENTO PARA ESPECIFICAR UN COMPRESOR RECIPROCANTE. Considerando que el volumen de gas a manejar, la presión de succión y descarga, la

temperatura de entrada y la composición del gas son conocidas, el procedimiento para especificar un compresor reciprocante consiste en: establecer el tipo de compresor reciprocante, el número de etapas y la potencia requerida. 3.7.1. Número de Etapas de Compresión El proceso de compresión genera incremento de la temperatura del fluido; debido a esto, la presión máxima que puede alcanzarse en una etapa compresión está limitada por la temperatura de descarga máxima permisible; ésta temperatura debe mantenerse en un rango entre 275 – 300 ºF. Por lo tanto, el número de etapas de compresión debe ser la cantidad de etapas que garanticen temperaturas de descarga en el rango indicado, en cada una de las etapas de compresión del compresor. Una primera aproximación puede hacerse con la ecuación (1) variando el número de etapas hasta obtener una relación de compresión R entre 2,5 y 4.

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1/ n

⎛ Pout ⎞ R = ⎜ ⎟ ⎝ Pin ⎠

(1)

Pout: Presión de Salida (Psia) Pin: Presión de Entrada (Psia) n: Número de etapas La relación de compresión es similar por etapa, a menos que por diseño del proceso se requieran diferentes valores. Para dos etapas de compresión, el radio por etapas es igual a la raíz cuadrada de la relación de compresión (Ecuación-1); para tres etapas la raíz cúbica; no obstante, en caso de altas presiones la relación de compresión debe disminuir a medida que la etapa se incrementa para reducir las cargas en las barras del compresor. Adicionalmente; para establecer la relación de compresión por etapa, debe considerarse aspectos económicos, ya que una alta relación de compresión ocasiona una baja eficiencia volumétrica y se requiere cilindros de mayor tamaño para producir la misma capacidad. La implementación de múltiples etapas proporciona las siguientes ventajas al sistema de compresión: a. Para tener disponibles corrientes laterales, a niveles de presión intermedia, tales como en los sistemas de los procesos de refrigeración. b. Para aumentar la eficiencia total de compresión, manteniendo la compresión tan isotérmica como sea posible, haciendo rentable la inversión adicional en enfriadores y separadores interetapas contra el ahorro de potencia. c. Para fijar el aumento de presión por etapa a las limitaciones de presión diferencial del tipo de maquinaria: limitaciones en carga de empuje axial en los compresores centrífugos, limitaciones de tensión en la varilla del pistón en los compresores reciprocantes, deflexión del rotor y empuje en los rotativos. d. Para enfriar las entradas a las etapas y de ésta manera reducir los requerimientos de cabezal de compresión total, suficientemente a fin de reducir el número de etapas de compresión requeridas. Esto da como resultado compresores más compactos y de costos de construcción más bajos.

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e. Es beneficioso aumentar el número de etapas para disminuir temperatura; a pesar, de que se requiere un separador, un cilindro, un enfriador, más tuberías y sistemas de control aidicionales; ya que operar a menores temperaturas de descarga aumenta la durabilidad de sellos, anillos y lubricante de los compresores reciprocantes. Para calcular la temperatura de descarga de la etapa se utiliza la ecuación-2. ⎡ ( R ) k k −1 − 1 ⎤ ⎥ T out = T in x ⎢1 + ⎢ Eisen ⎥ ⎣ ⎦

(2)

Tout: Temperatura de Salida (ºR) Tin: Temperatura de Entrada (ºR) Eisen: Eficiencia Isentrópica (Tabla-4) Tabla -4 Valores Estimados de Eficiencia Isentrópica de Compresores (Fuente: J. M. CAMPBELL, “Gas Conditioning and Processing”, Tomo II, Pág. 197) Tipo de compresor

Eficiencia (E)

Centrifugo Reciprocante Alta Velocidad Reciprocante Baja Velocidad

0.65 – 0.75 0.65 – 0.75 0.75 – 0.85

En caso que se utilicen múltiples etapas; la presión de succión de la siguiente etapa, puede estimarse de la siguiente forma: 1. Obtener la relación por etapa con la ecuación-1. La relación de compresión (R) esta comprendida entre 2 y 4; el número de etapas (n) puede variarse hasta estar dentro el rango de R o hasta verificar que todas las temperaturas de descarga sean inferiores a 260 ºF. 2. Multiplicar la relación de compresión por la presión absoluta de succión, para obtener la presión de descarga del cilindro. 3. La presión de succión de la siguiente etapa, puede considerarse 3 a 5 Psi menor que la presión de descarga de la etapa anterior debido a las perdidas en los equipos interetapas. 4. La temperatura de salida del enfriador de la etapa puede considerarse 120 - 130ºF.

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3.7.2.

POTENCIA REQUERIDA PARA LA COMPRESIÓN La potencia de compresión, se define como la cantidad de energía teórica necesaria

para comprimir un gas a unas condiciones especificas de succión y descarga; esta energía es independiente del tipo de compresor, pero la cantidad de energía real si depende de la eficiencia del tipo compresor. La ecuación básica de termodinámica para el cálculo de trabajo es la siguiente: W teorico =

∫

P2

P1

Vdp (3)

El trabajo de compresión, es proporcional al área bajo la curva P-V presión-volumen (figura-6), el proceso de compresión se rige por la ecuación PVn=constante, el exponente n varía dependiendo de los siguientes procesos (Figura-6): 1. Isotérmico: para este caso el trabajo calculado es menor y no hay cambio de temperatura; n=1. 2. Isentrópico (S1=S2): Proceso en el cual no hay calor adicionado o removido del sistema y la entropía permanece constante, n=K (K: relación de calores específicos) PV K =constante (K: Relación de Calores Específicos) .El trabajo calculado en este proceso es intermedio (figura-6). 3. Politrópico: Proceso en el cual los cambios en las

propiedades del gas durante la

compresión permanecen constante y se rigen por la siguiente ecuación: n>K PVn=constante. La mayoria de los equipos tienden a operar en un proceso politrópico, donde el trabajo calculado es mayor que en los demás procesos.

Figura-6 Curva P-V de Compresión (Fuente: GPSA DATABOOK, Sección 13)

21


Para estimar el trabajo de compresión, la mayoría de programas computacionales utilizan la diferencia de entalpías del gas en el proceso de compresión, estas se obtienen a través de ecuaciones de estado y constituye una de las mejores opciones para evaluar el trabajo de compresión: *

Potencia = m( h2 − h1 )

(5)

*

m : Flujo

másico de vapor (lbm/hr) h2(isentrópico): Entalpía a las condiciones de descarga isentrópica (Btu/lbm) h1: Entalpía a las condiciones de succión (Btu/lbm) Sin embargo, a pesar de que la mayoría de los fabricantes de compresores utilizan el proceso de compresión politrópico para estimar la potencia, una buena estimación puede obtenerse considerando el proceso de compresión isentrópico (adiabático reversible), calculando la potencia en función del cambio de entalpía y luego se ajusta de acuerdo al tipo de compresor para obtener la potencia real con la ecuación-6. Este método es utilizado por los simuladores computacionales. *

Potencia REAL =

m( ∆hisent )

E

(6)

Donde: *

m ∆h isent = Trabajo

Teórico (Ecuación 5) E: Eficiencia puede considerarse los valores de la tabla-4(incluye la eficiencia mecánica y la isentrópica)

22


Métodos Gráficos. Otro método para obtener la potencia es el recomendado en el GPSA Databook con la Ecuación-7 y la Figura-9, la potencia requerida puede obtenerse de forma simple incluyendo la eficiencia mecánica y termodinámica. El buen uso de estas gráficas, provee una potencia razonable que puede ser comparada con la calculada por los fabricantes de compresores. Esta curva es para compresores de baja velocidad (300 – 450 RPM), para compresores de alta velocidad > 1000 RPM debe ajustarse la potencia con el factor F3. BHP =

⎛ Ps ⎞⎛ Tin ⎞ ⎟( Zavg )( MMSCFd )(( F 1) x( F 2) xF 3)) ⎜ ⎟⎜ MMCFd ⎝ 14,4 ⎠⎜⎝ T S ⎠⎟ BHP

Donde: Bhp MMCFd

: Se obtiene con la figura-9 en función de la relación compresión y K

Ps: Presión estándar (14.7 Psia) Ts: Temperatura a condiciones estándar (520ºR) Tin: Temperatura de entrada del gas (ºR) Zavg: Factor de compresibilidad promedio de la succión y la descarga MMSCFd: Flujo de gas x día @ condiciones estándar F1: Factor de corrección por baja presión de entrada (Figura-7) F2: Factor de corrección para gravedad específica (Figura-8) F3: Porcentaje de incremento de la potencia para compresores de alta velocidad (Tabla-5)

Figura-7 Factor de Corrección por Baja Presión de Admisión*

Figura-8 Factor de Corrección por Gravedad Específica*

(7)

23


Tabla – 5 Porcentaje de Incremento de Potencia para Unidades de Alta Velocidad* Gravedad Específica 0.5 – 0.8 0.9 1 1.1 1.5 y sistemas de refrigeración con propano

Porcentaje de Incremento de Potencia 4 5 6 8 10

Figura-9 Potencia de Compresión *(Fuente GPSA DATABOOK, Sección 13)

25


3.7.3.

Diseño del Cilindro de Compresión Las ecuaciones que se indican a continuación, permiten calcular el diámetro del

cilindro, para luego seleccionar los disponibles en manuales de fabricantes de compresores. 

Clearance: El pistón de un compresor reciprocante no viaja hasta el final del cilindro; ya que cierto espacio se necesita para las válvulas entre del cilindro, cuando el pistón se encuentra al final de su carrera; este espacio, se denomina volumen muerto (clearance) y se expresa como un porcentaje entre el volumen muerto total y el volumen total barrido por el pistón. puede asumirse en 20% para un cálculo previo y luego ajustarse con el valor real indicado por el fabricante del cilindro. %CL =



Volumen muerto total Volumen barrido piston

(8)

Eficiencia Volumétrica: El término eficiencia volumétrica, se refiere al desplazamiento real de un cilindro comparado con la capacidad de bombeo total si no existiese volumen muerto. Debido a este volumen muerto, el volumen de gas que desplaza el cilindro es menor que el volumen máximo del cilindro; por lo tanto, la eficiencia volumétrica (Ecuación 9), es la relación entre el volumen real (V1) que desplaza un cilindro sobre el volumen ideal (Vd) que desplazaría si no existiese el volumen muerto.

Evz =

V 1 Vd

=

Volumen Re al Volumen Ideal

(9);

Evz =

⎡ ⎛ Z 1 ⎞ ⎤ = 96 − R − (CL) * ⎢( R)1 / K ⎜ ⎟ − 1⎥ (10) Qideal ⎝ Zd ⎠ ⎦ ⎣

Qactual

Z1/Zd: Relación de factores de compresibilidad entre la entrada y la salida K: Relación de Calores Específicos V1: Flujo volumétrico real de gas a la entrada (pie3 /min) La ecuación 10, establece la eficiencia volumétrica en función de las dimensiones del cilindro. Al obtener la eficiencia volumétrica, el desplazamiento ideal del cilindro se determina (Qideal) y su diámetro se despejaría de la ecuación 11 para cilindros de doble acción. El desplazamiento actual (Qideal) es igual a flujo actual de gas (ACFM).

26


( Stroke)( RPM )(2 * d cilindro − d rod ) xπ 2

Qactual =

4 x1728

pie

2

3

pu lg

(11)

3

Recorrido: Puede obtenerse del fabricante del de compresores (STROKE) RPM: Velocidad de giro del compresor depende del tipo de compresor uno de alta velocidad (900 – 1800 RPM) d: Diámetro del cilindro (pulg) drod: Diámetro de la Barra (pulg) 3.7.4. Cargas en las Barras del Compresor. Los fabricantes de compresores reciprocantes, especifican sus monturas en función de la potencia promedio, velocidad de giro y cargas admisibles; estas cargas, corresponden a las fuerzas a compresión y tensión aplicadas (ecuaciones 13 y 14) y son proporcionales a la fuerza estática y a las cargas de inercia sobre los componentes del compresor, tales como: cigüeñal, barras de conexión, barra del pistón y el área proyectada de los cojinetes del cilindro; en ninguna circunstancia, las cargas aplicadas pueden exceder las admisibles. 



Cargas de compresión aplicadas en el cilindro: Lc= Ap( Pd ) − Ac( Ps)

(13)

Cargas de tensión aplicadas en el cilindro: LT= Ac( Pd ) − Ap( Ps)

(14)

Ac: Efectiva área (área del pistón – área de la barra) Ap: área del pistón Pd: presión de descarga (Psia) Ps: presión de Succión (Psia) En el proceso de cálculo del compresor, puede determinarse las cargas al final del cálculo; en caso de que las cargas superen las indicadas en la montura del compresor, puede ajustarse la relación de compresión estabilizando las temperaturas de descarga de las etapas. Con esto, se logra una disminución razonable de las cargas aplicadas al compresor pero ocasionará un incremento en la relación de compresión de la primera etapa y una disminución en las etapas sucesivas pero pueden ser razonables.

27


4.

Ejemplo: Se requiere comprimir 5 MMPCED de gas natural con la composición molar indicada, para enviarlo a un campo vecino para utilizarlo como gas combustible; el gas tiene un peso molecular de 23 lbm/lbmol y se incrementará su presión desde 65 Psig 90 ºF, hasta 1000 Psig y 120 ºF , la composición del gas es variable, determine: Molar flow lbmol/h Mass flow lb/h Temp F Pres psia Vapor mole fraction Cp/Cv Tc F Pc psia Std. sp gr. air = 1 Degree API Average mol wt Actual dens lb/ft3 Actual vol ft3/hr Std liq ft3/hr Std vap 60F scfh

548.9988 Methane

78,06417

12216.4395 Ethane

7,088808

90 Propane

4,685904

79.7 I-Butane

1,067401

0.9998 N-Butane

1,602401

1.2553 I-Pentane -7.3913 N-Pentane

0,499301

1166.3679 N-Hexane

0,3716

0,4986

0.768 N-Heptane

0,2475

248.3705 N-Octane

0,1271

22.2522 N-Nonane

0,0421

0.3057 N-Decane

0,0159

39964.4882 N-Dodecane 525.8204 Carbon Dioxide

0,0017 5,453407

208333.297 Nitrogen

0,2341

1. Número de Etapas Requeridas: Se calcula R (relación de compresión) variando el número de etapas hasta entrar en un rango entre 2 y 4 con la siguiente ecuación-1: ⎛ Pout ⎞ ⎟⎟ R = ⎜⎜ n Pin ⎝ ⎠

Pin (Psia)

Pout (psia)

Etapas

R estimada

79.7 79.7 79.7

1019.7 1019.7 1019.7

1 2 3

12.79422836 3.576902061 2.338862546

Nota: La relación de compresión calculada no considera las pérdidas de presión por etapa de compresión que están en el orden de 3 – 5 Psi La configuración de 2 y 3 etapas está dentro del rango de R, para establecer el número de etapas definitiva, debe calcularse la temperatura de descarga de las etapas, para seleccionar la que garantice temperaturas entre 275 – 300 ºF; debe establecerse la presión de descarga de cada etapa de compresión y calcular la temperatura con la siguiente ecuación-2:

28


⎡

T out = T in x ⎢1 +

⎢ ⎣

Notas: - Eisen = 0.75 (Eficiencia isentrópica para compresores reciprocantes de alta velocidad). - R ajustada: relación de compresión ajustada considerando las pérdidas en los equipos - La temperatura de salida de los enfriadores interetapas se fijo en 120 ºF, considerando enfriamiento inperfecto

( R ) k − 1 ⎤⎥ k −1

Eisen

⎥ ⎦

Resultados: Pin (Psia) ETAPA-1 ETAPA-2

79.7 304.7

Pin (Psia) ETAPA-1 ETAPA-2 ETAPA-3

79.7 184.7 435.7

CONFIGURACIÓN DE DOS ETAPAS P(out) Psia R ajustada Tin (ºF) 309.7 1019.7

3.8858 3.3466

90 120

Tout (ºF)

K

302.2383124 316.3029762

1.23 1.23

Tout (ºF)

K

219.3547128 256.8148507 253.5295614

1.23 1.23 1.23

CONFIGURACIÓN DE TRES ETAPAS Pout (Psia) R ajustada Tin (ºF) 189.7 440.7 1019.7

2.38018 2.38603 2.34037

90 120 120

Para dos etapas de compresión, la temperatura de descarga es superior a 300 ºF, por lo tanto, se seleccionará la configuración de tres etapas de compresión. 2. Potencia Requerida La potencia requerida por etapa, se calculará con la siguiente ecuación-7: BHP =

⎛ 14.7 ⎞⎛ Tin ⎞ ⎜ ⎟⎜ ⎟( Zavg )( MMSCFd )(( F 1) x( F 2) xF 3)) MMCFd ⎝ 14,4 ⎠⎝ 520 ⎠ BHP

Resultados: Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3 Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3

BHP/MMCFd (FIGURA-8)

Tin (ºF)

Zin

Zavg

MMPCED

51.5 51.5 51

90 120 120

0.9839 0.9693 0.9293

0.9834 0.9711 0.94

5 5 5

F1 (FIGURA-7)

F2 (FIGURA-9)

F3 (TABLA-5)

BHP/MMPCED

BHP

1 1 1

1 1 1

1.04 1.04 1.04

59.10954893 61.55597087 59.00611644

295.5477446 307.7798543 295.0305822

POTENCIA TOTAL (BHP)

Notas: La potencia se verificó con un simulador y se obtuvo: 878.4331 BHP

898.3581812

29


3. Especificar un Compresor Comercial. El compresor a seleccionar debe ser un compresor reciprocante separable con una potencia mayor a 754 BHP y con un número de cilindros mayor a tres. Al consultar catálogos de fabricantes (Anexo-2) puede seleccionarse los siguientes compresores:

Marca

Modelo

Tipo

# Cilindros

Potencia

STROKE

Carga Máxima

Dresser Rand ARIEL AJAX

4.5A VIP4 JGJ-4 DPC 2804

Separable Separable Integral

4 4 3

1080 BHP @1500 RPM 1240 BHP @ 1800 RPM 898 BHP @ 440 RPM

4.5 pulg 3.5 Pulg 11 Pulg

15400 lbs 23000 lbs 40000 lbs

4. Dimensionamiento de Los cilindros de Compresión Para el dimensionamiento, debe establecerse la velocidad de giro del compresor; para este cálculo, se seleccionará el compresor ARIEL JGJ-4, operando a 1600 RPM. Este cálculo provee una estimación de los cilindros y debe verificarse con el fabricante. a. Flujo actual: Debe calcularse el flujo actual de gas a la entrada que es proporcional al desplazamiento del pistón por minuto, luego con la eficiencia volumétrica se determina el desplazamiento real considerando el volumen muerto: Cálculo del Flujo Actual de Entrada a la etapa Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3

Pstd

Tstd

Tin etapa

Pin etapa

MMPCED

Q actual CFM (entrada etapa)

14.7 14.7 14.7

529.67 529.67 529.67

559.67 579.67 579.67

79.7 184.7 435.7

5 5 5

676.6953279 302.4359409 128.2072947

Calculo de la eficiencia Volumetrica Ecuación -10 Clearance R K Zin Zout Asumido Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3

20 20 20

2.38018 2.38603 2.34037

1.23 1.23 1.23

0.9839 0.9693 0.9293

0.9833 0.9739 0.941

Evz 73.11739215 73.24686147 74.22952602

30


b. Diámetro de los Cilindros: Se determina el desplazamiento real requerido con la eficiencia volumétrica y se despeja el diámetro del cilindro de la ecuación-11. DIÁMETRO DEL CILINDRO Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3

Q actual CFM 338.6966634 338.6966634 308.25571 130.6743852

Q ideal CFM 439.207747 439.207747 419.677978 167.491761

Stroke 3.5 3.5 3.5 3.5

RPM 1600 1600 1600 1600

D (pulg) 9.352880853 9.352880853 9.14530963 5.835672761

Notas: - Para disminuir el diámetro del cilindro de la primera etapa, se dividió el flujo actual en -

dos y utilizar dos cilindros de compresión, ya que el compresor posee cuatro cilindros. Se selecciona el diámetro inmediato superior y se ajusta el cálculo con el clearance real

-

La configuración es de dos cilindros para la primera etapa, un cilindro para la segunda y la tercera.

Luego de estimar los cilindros requeridos, se seleccionan los comerciales para el compresor del ARIEL DATABOOK (Anexo-3): DIÁMETRO DEL CILINDRO Dseleccion

Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3

9 3/4 RJ 9 3/4 RJ 9 3/4 RJ 6 3/8 RJ

Bore (pulg) 9.75 9.75 9.25 6.375

Clearance 16.1 16.1 19.8 16.1

D Acting SI SI SI SI

El Cálculo de la eficiencia volumetrica de los cilindros, fue reajustado con el clearance real de los cilindros indicados por el fabricante, como se indica a continuación:

Clearance Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3

16.1 19.8 16.1

Calculo de la eficiencia Volumetrica R K Zin Zout 2.38018 2.38603 2.34037

1.23 1.23 1.23

0.9839 0.9693 0.9293

0.9833 0.9739 0.941

Evz 77.11536642 73.45053254 78.01839594

31


c. Cargas en las barras: Al determinar los cilindros comerciales, se procede a verificar las cargas en las barras del compresor: 



Cargas de compresión aplicadas en el cilindro: Lc= Ap( Pd ) − Ac( Ps)

(13)

Cargas de tensión aplicadas en el cilindro: LT= Ac( Pd ) − Ap( Ps)

(14)

Ac: Efectiva área (área del pistón – área de la barra) Ap: área del pistón Pd: presión de descarga (Psia) Ps: presión de Succión (Psia) CARGAS EN LAS BARRAS Area Piston (pulg) Etapa-1 Etapa-2 Etapa-3

74.66 74.66 67.2 31.92

Area Piston Area rod (pulg) 72.89 72.89 65.43 30.15

Ps

Pd

Carga Compresión (lbs)

79.7 79.7 179.7 379.7

189.7 189.7 440.7 1019.7

8353.669 8353.669 17857.269 21100.869

Carga Tracción (lbs) 7876.831 7876.831 16759.16 18623.93

No supera las maximas cargas permisibles; sin embargo, podria

Carga Permisible Compresión (lbs) 23000 23000 23000 23000

evaluarse cambiar la

relación de compresión para disminuir las cargas en la ultima etapa, pero igual número de cilindros. El compresor queda configuado como se indica en la figura continuación: FRAME Primera Etapa: Dos Cilindros

Segunda Etapa: Un Cilindro

Tercera Etapa: Un Cilindro

iii


CONCLUSIONES 

En los casos que la composición del gas sea variable debe seleccionarse un compresor reciprocante, debido a que son menos sensibles que los compresores dinámicos a las propiedades cambiantes del gas. Adicionalmente, el compresor reciprocante posee mayor flexibilidad que el compresor centrífugo; ya que, puede adaptarse a diferentes rangos de presiones, sin realizar grandes cambios en su configuración inicial.



Un equipo de compresión está conformado por varias etapas; una etapa, posee un depurador para eliminar el líquido de la corriente a comprimir, un cilindro de compresión para aumentar la presión del gas y un enfriador para disminuir la temperatura del gas luego que este es comprimido para pasar a la etapa siguiente. la instalación de un depurador interetapa es obligatoria; a pesar, de que la simulación del proceso indique que no existe líquido en la corriente.



La relación de presión influye en la temperatura de descarga de la etapa y en las cargas aplicadas del compresor; por esto, en cada etapa debe establecerse que nivel de presión alcanzar, verificando que las cargas en las barras y las temperaturas de descarga sean inferiores a las admisibles recomendadas por el fabricante del compresor.



El número de etapas de compresión se determina en función de las temperaturas de descarga en cada etapa de compresión, y debe ser un número que garantice temperaturas inferiores a las máximas permisibles. A pesar de que el incremento de una etapa, representa la adición de un depurador, un cilindro y un enfriador adicional; si se requiere para que el compresor opere a temperaturas inferiores a las permisibles debe aumentarse la etapa.



En la montura (frame) del equipo de compresión, se especifican la potencia máxima, las cargas permisibles y el número de cilindros. El número de cilindros debe ser igual o mayor al número de etapas requeridas.




iv

Una baja presión de succión en los equipos de compresión, genera incremento de la relación de compresión y aumento de las cargas aplicadas al equipo; para evitar esto, se instala un sistema de recirculación que toma el gas de la descarga y lo introduce en la primera etapa, para compensar la disminución de presión.



En toda facilidad de compresión, debe instalarse un equipo de separación primaria o slug catcher aguas arriba del múltiple de succión para evitar la posibilidad de que algún líquido de forma irregular pueda llegar al compresor.



En la instalación donde se ubicará el compresor reciprocante debe existir sistemas de seguridad; no obstante, el equipo de compresión debe estar dotado de sistemas de seguridad que protejan al equipo en caso de emergencias o problemas operacionales, desviando la producción hacia el flare y desalojando los fluidos combustibles.



En la planta debe instalarse válvulas SDV (SHUT DOWN VALVE) y válvulas BDV (BLOW DOWN VALVE) en la succión aguas debajo de la válvula de control que desvía hacia el flare y en la descarga. En caso de una emergencia las válvulas SDV cierren la entrada de gas a la planta y desvían la producción al flare, las válvulas BDV abren y descargan el gas contenido en los equipos de compresión al sistema de venteo.



El montaje de enfriadores para compresión de gas es integral, se ubica todos los intercambiadores de las etapas mas los requeridos para servicios adicionales (enfriamiento de agua del motor y compresor) y generalmente poseen un solo ventilador acoplado directamente al motor del compresor. El enfriamiento interetapa disminuye el trabajo de compresión y lo hace más eficiente.

v

BIBLIOGRAFÍA

1. MARTÍNEZ J. Marcías., “Características y Comportamiento de los hidrocarburos”, Ingenieros Consultores Asociados, SA. 2. ENGINEERING DATA BOOK, “Gas Processors Suppliers Association” GPSA, 9th ed. Tulsa Oklahoma, 1972, with 1974 and 1976 revision. 3. CAMPBELL J. M., “ Gas Conditioning and Processing”. 4. PDVSA., MDP-02-K-02 “Manual de Diseño de Proceso Compresores Principios Básicos” 5. PDVSA., MDP-02-K-03 “Manual de Diseño de Proceso Compresores Selección del Tipo de Compresor” 6. PDVSA., MDP-02-K-04 “Manual de Diseño de Proceso Compresores Cálculos en Sistemas de Compresión” 7. Ludwig, E.E., “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants”, Volume II, Gulf Publishing Company, 1983. 8. Perry Robert H., “Chemical Engineers Databook”, 5th ed. Mc Graw Hill Book Company, 1983. 9. http://www.arielcorp.com 10. http://www.dresser-rand.com 11. http://www.coopercameron.com

84256115-COMPRESORES-RECIPROCANTES

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