PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO COMPRESORES PDVSA N ° MDP–02–K–03 0 MAY.96 REV. FECHA APROB. E1994 TITULO SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR APROBADO 32 DESCRIPCION FECHA MAY.96 PAG. REV. APROB. F.R. APROB. APROB. FECHA MAY.96 ESPECIALISTAS MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 1 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 TIPOS DE COMPRESORES Y APLICACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4.1 4.2 4.3 4.4 Clasificación del Tipo de Compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selección del Tipo Optimo de Compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de Compresores que Requieren Atención Especial . . . . . . . . . . . . . Condiciones de Servicio que Afectan la Selección del Tipo de Compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gráficos de Rango de Aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparación de Características de Varios Tipos de Compresores . . . . . Tipos de Compresores para Servicio en Vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de Compresores para Servicio de Aire de Planta . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 7 8 10 5 GUIA PARA LA SELECCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.5 4.6 4.7 4.8 5.1 5.2 5.3 2 3 4 Incentivos para la Selección de Compresores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principios de Operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Limitaciones Críticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 16 18 6 PROGRAMA DE COMPUTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 2 .Menú Principal 1 Indice manual Indice volumen Indice norma OBJETIVO El objetivo de este capítulo es presentar los tipos de compresores disponibles comercialmente, sus aplicaciones y las bases para hacer la selección del mismo. 2 ALCANCE En este capítulo se muestra la información básica y consideraciones relevantes para la selección óptima del compresor. Se presenta la amplia variedad de compresores disponibles, sin embargo sólo tres de 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 Hill Book Company, 1983. (Subsection on Pumping of Liquids and Gases). Gibbs, C.W. “Compressed Air and Gas Data”, Ingersoll–Rand Company, New York, 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 se observan dos grandes grupos: dinámicos y de desplazamiento positivo. Los compresores dinámicos son máquinas rotatorias de flujo continuo en la cual el cabezal de velocidad del gas es convertido en presión. Los compresores dinámicos se clasifican de acuerdo al flujo que manejan en centrífugos (flujo radial), axial (flujo axial) y flujo mezclado. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 3 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Los compresores de desplazamiento positivo son unidades de flujo intermitente, donde sucesivos volúmenes de gas son confinados en un espacio y elevado a alta presión. Se dividen en dos grandes grupos: reciprocantes y rotatorios. Los primeros son máquinas en las cuales la compresión y el elemento desplazado es un pistón con un cilindro. Los compresores rotatorios son máquinas en la cual la compresión y el desplazamiento es afectado por la acción positiva de los elementos que rotan. Dentro de este capítulo nos limitaremos a estudiar los tipos de compresores más comunes usados a nivel industrial, tales como centrífugos, axiales y reciprocantes. 4.2 Selección del Tipo Optimo de Compresor La selección del tipo de compresor puede ser realizada por el ingeniero de proyecto. Para lograr una selección satisfactoria se deben considerar una gran variedad de tipos, cada uno de los cuales tiene ventajas peculiares para aplicaciones dadas. Entre los principales factores que se deben tomar en consideración, dispuesto hasta cierto punto en orden de importancia, se encuentran la velocidad de flujo, la carga o presión, las limitaciones de temperatura, 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 de potencia incluido en este capítulo, para así eliminar algunos tipos y juzgar si la 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, es posible seleccionar el tipo de compresor “económico ó factible”. Para ello sólo se requiere del flujo de entrada m3/s (pie3/s) y el valor de la presión de descarga. 3. Eliminar los tipos que resulten técnicamente inadecuados debido a los requerimientos del servicio en particular. 4. Para los tipos de compresores “económicos”, decida cuantas unidades y de que capacidad serían instalados, y que equipos auxiliares principales serían requeridos. 5. Determine que tipos de compresores han sido aplicados a este servicio en proyectos recientes, observando cuales han sido las variaciones de flujo en los otros proyectos. 6. Haga una breve comparación económica de los casos competitivos, el procedimiento 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 o más tipos, obtenga asesoría de un especialista en maquinarias para MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR Página 4 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma conseguir costos actuales y datos de rendimiento de por lo menos dos suplidores de cada tipo de compresor. La experiencia que haya adquirido una refinería en particular o un área geográfica con un tipo particular de compresor puede influenciar la selección en casos marginales. Experiencias previas favorable o desfavorable con un tipo de compresor pueden estar relacionadas a: 4.3 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 la planta. 5. La disponibilidad de las herramientas adecuadas para el mantenimiento y los servicios disponibles. Tipos de Compresores que Requieren Atención Especial Los siguientes tipos de compresores son rara vez usados en servicios de refinería y en consecuencia no son cubiertos extensivamente en esta Práctica de Diseño. La Asistencia de especialistas en maquinarias deberán en consecuencia emplearse en la selección de estos tipos en especial: 4.4 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. Condiciones de Servicio que Afectan la Selección del Tipo de Compresor Los siguientes aspectos del diseño de servicio de compresión influyen grandemente en la Selección del tipo de compresor óptimo, estilo de construcción y 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. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 5 .Menú Principal 3. Indice manual Indice volumen Indice norma 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 – Los compresores que requieren lubricación interna (reciprocante lubricado y el de aletas deslizantes) son insatisfactorios para servicios de oxígeno y para ciertos servicios de alimentación a reactores donde la formación de depósitos de aceite contaminan seriamente a los catalizadores. La lubricación interna al compresor no es deseable (a pesar de que es usada frecuentemente) para servicios de aire de instrumentos y de refrigeración. 2. Arrastre de líquido en gas de proceso – Los compresores de anillo líquido son los menos sensibles, seguido por compresores de alta presión de tornillo helicoidal. Los tipos más sensibles son el de aletas deslizante, los reciprocantes lubricados, y los centrífugos de alta velocidad. 3. Sólidos en gas de proceso – Los compresores de anillo líquido son los menos sensibles, seguidos por los compresores a alta presión de tornillo helicoidal. Los tipos más sensibles son los de aletas deslizante, los reciprocantes no–lubricados, y los centrífugos de alta velocidad. 4. Oscilaciones en peso molecular – Los compresores de desplazamiento positivo son relativamente insensibles; los compresores dinámicos tienen que ser diseñados anticipadamente para el rango completo, y no son adecuados para variaciones amplias en operación normal. 5. Sensibilidad a la temperatura de descarga del gas – Todos los tipos pueden ser diseñados con etapas múltiples para limitar la elevación de temperatura. Los tipos de tornillo rotativo y de lóbulo recto pueden ser diseñados para enfriamiento por inyección de líquido. Los compresores de anillo líquido mantienen la temperatura de descarga cercana a la temperatura de entrada del líquido de compresión. 6. Temperatura de entrada alta – Los compresores centrífugos y ventiladores pueden ser diseñados especialmente para temperaturas de entrada en un rango entre 110 y 540°C (230 y 1000°F). Los compresores de tornillo helicoidal de alta presión pueden ser diseñados para temperaturas hasta de 230°C (450°F), por medio del uso de rotores enfriados con aceite. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 6 .Menú Principal 7. Indice manual Indice volumen Indice norma 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 del tipo de tornillo helicoidal y a los compresores centrífugos ser usados en un servicio sucios. Factores Técnicos que Favorecen Ciertos Tipos de Compresores 1. Requerimiento de Cabezal – Los compresores de desplazamiento positivo tienden a ser mas económicos que los tipos dinámicos para requerimientos de alto cabezal. 2. Relación de Presión – Los compresores reciprocantes de etapas múltiples tienden a ser más económicos para altas relaciones de presión. 3. Tipo de Elemento Motriz – Las turbinas a gas o a vapor tienden a favorecer los tipos de compresores dinámicos y de tornillo helicoidal de alta presión sobre los reciprocantes, porque el engranaje de trasmisión es eliminado o simplificado. Factores que Incluyen Directamente sobre las Comparaciones Económicas 4.5 1. Precios de Máquina – Consulte a especialistas en maquinarias para estimados suplementarios. 2. Nivel de costo de instalación que resulta del tamaño físico, complejidad mecánica y requerimiento de multiplicidad. Los compresores dinámicos y de tornillo helicoidal de alta presión tienen costos significativamente menores que 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 de Maquinarias para compresores”, Prácticas de Diseño (versión 1986), vol.VI, Sec. “11C” “Durabilidad de Máquinas Compresoras y Uso de Auxiliares”. Gráficos de Rango de Aplicación En la Fig. 2 de este capítulo se incluyen gráficos de rango de aplicación para cada uno de los tipos principales de compresores y estilos de construcción, usando el flujo volumétrico actual a la entrada y nivel de presión a la descarga como parámetros 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 lo menos un suplidor mayor, indicando factibilidad técnica. 2. El rango “Económico”, en el cual cerca del 90% de las solicitudes son actualmente hechas, y para las cuales se ofrecen modelos de por lo menos dos suplidores, indicando la competencia económica con otros tipos. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 7 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Para el campo de aplicación que queda dentro del rango de factibilidad pero fuera del rango económico la experiencia de operaciones a menudo muy limitada, las fuentes de suministro usualmente son limitadas, y se requiere de algún grado de diseño especial (en vez de normalizado) para la mayoría de los suplidores. Para servicios donde el flujo volumétrico y la presión de descarga caen dentro del rango económico de un tipo de compresor solamente, el proceso de selección del tipo de compresor es directo. Para servicios donde el flujo volumétrico y la presión de 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 Potencia en kW (HP) (por carcaza o estructura) de los tipos de compresores más aplicados comúnmente, pueden resumirse como sigue: Tipo de Compresor Capacidad Máxima Normal de Potencia Actualmente Factible Menor Capacidad Normal de Potencia Común Mayor Capacidad Normal de Potencia Comúnmente Aplicada kW (HP) kW (HP) kW (HP) Centrífugo Multi etapa 900 (1200) 15000 (20000) 26000 (35000) Centrífugo de Alta Velocidad 20 ( 25 ) 150 ( 200) 300 ( 400 ) Axial 3750 (5000) 20000 (28000) 60000 (80000) Reciprocante 40 ( 50 ) 3000 ( 4000) 9000 (12000) Diafragma 1 ( 1) Tornillo Helicoidal de Alta Presión 225 ( 300) Tornillo Helicoidal de Baja Presión 7.5 ( 10) 375 ( 500) Tornillo Espiral de Baja Presión 40 ( 50) 600 ( 800) Lóbulo Recto 1 (1) 340 ( 450) Alabe Director Deslizante 1 ( 1) 325 ( 430) Anillo Líquido 2 ( 3) 375 ( 500) 45 ( 60) 1100 ( 1500) 4500 ( 6000) MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 8 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Características Mecánicas – Refiérase a la Tabla 1 para una comparación de las características mecánicas de los tipos de compresores usados más frecuentemente en las plantas de proceso. La Tabla 2 describe las formas en que las condiciones de servicio influyen en el diseño mecánico de los compresores. Características de Eficiencia del Cabezal – Capacidad – Una comparación general de las formas de las curvas características de cabezal (o relación de presión) contra capacidad para los diferentes tipos de compresores se muestran en la Fig. 3. Las formas de las curvas son importantes en el diseño de sistemas de control, determinando las calibraciones de las válvulas de seguridad; seleccionando el tamaño del elemento motriz, etc. Detalles sobre las formas de las curvas de compresores axiales y centrífugos se incluyen en las Prácticas de Diseño (versión 1986), vol.VI, Sec. “11E y F” “Compresores Centrífugos y Compresores Axiales”. 4.7 Tipos de Compresores para Servicio en Vacío Tipos Aplicables – El término “Bomba de Vacío” se refiere a cualquier tipo de compresor con una presión de entrada por debajo de la atmosférica. Para obtener una presión absoluta de entrada muy baja (“altos vacíos”). Por ejemplo, por debajo del 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 vacío comercial consiste en un eyector trabajando con aire atmosférico descargando a un compresor de anillo líquido. La Fig. 4 muestra los rangos de presión en que los diferentes tipos son aplicados. Características Especiales – Los servicios al vacío tienen varias características significativamente diferentes de otros servicios de compresión, algunas son: 1. Los compresores son físicamente grandes para un flujo másico dado, debido a la baja densidad del gas a las condiciones de entrada a vacío. 2. Silenciadores a la entrada, filtros y tuberías deben ser dimensionados holgadamente para caídas de presiones muy bajas debido al efecto significativo de la relación de presión y el requerimiento de cabezal. 3. Los sellos de ejes de los compresores tienen que prevenir la fuga de aire hacia 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 con la capacidad normal requerida por el elemento motriz, porque la baja densidad del gas origina que el requerimiento normal de potencia sea bajo. Frecuentemente se requiere sobredimensionar el elemento motriz a fin de proporcionar suficiente torque y así poder acelerar la unidad a máxima velocidad. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 9 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 5. Para los compresores reciprocantes, el enfriamiento de la chaqueta del cilindro 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 de enfriamiento. 6. El dimensionamiento del elemento motriz tiene que permitir máxima carga durante el período de evacuación del sistema de arranque, este período también es conocido como “bombeo disminuido” o “barrido inicial”. A medida que disminuye la presión de entrada durante la evacuación, el caballaje requerido alcanza un pico entre la condición de entrada atmosférica y la condición de entrada de operación. Esta característica de potencia contra presión de entrada tiene que ser evaluada por el suplidor de bombas de vacío para determinar el tamaño del elemento motriz mínimo permisible. El servicio de evacuación para eyectores es cubierto en el documento MDP–02–J–01 “Eyectores” Selección del Tipo de Compresor para Servicio en Vacío – La selección del tipo de 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 de compresores rotativos, reciprocantes y centrífugos. Los conjuntos de equipos–paquetes normales están comercialmente disponibles para varias capacidades y niveles de vacío. La selección final del tipo de compresor puede no ser 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 de entrada. Para presiones de descarga mayores que la atmosférica, seleccione los tipos de compresores aplicables, en base a la relación de comparación de presión. 2. Elimine tipos inadecuados técnicamente, por razones tales como: a. Compresores reciprocantes y los de álabe director deslizante. No son adecuados donde el arrastre de líquido pueda ser posible. b. El vapor, la electricidad, o el agua de enfriamiento podrían no estar disponibles en el sitio de instalación. c. El requerimiento de capacidad puede estar fuera del rango factible para algunos tipos (ver gráficos de Rango de Aplicación). d. Una variación grande en el peso molecular no es adecuada para compresores dinámicos. e. Características de ausencia de aceite podrán requerirse. f. Los eyectores multietapa no condensantes son ineficientes para servicios continuos. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR Página 10 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Las características de cada tipo de compresor se presentan en detalle en las Prácticas 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 bombas mecánicas de vacío, son de 3 a 10 veces más eficiente. 4. 4.8 Si la selección no resulta obvia sobre esta base, haga una comparación económica detallada de inversión y costos de operación de los tipos que sean aplicables. Tipos de Compresores para Servicio de Aire de Planta Selección del Tipo de Compresor: Debido a la amplia variedad para elegir, la tecnología cambiante y la gran competencia entre los tipos de compresores, usualmente resulta más ventajoso hacer la selección final del tipo de compresor para servicio de aire de planta durante la ingeniería de detalle, basándose en las propuestas comerciales competentes, en vez de hacerlo durante la fase de diseño de planta. Vea los gráficos de Rango de Aplicación para determinar los tipos más propensos a ser competitivos. Un tipo de compresor libre de aceite es preferido al reciprocante lubricado cuando cualquier porción del aire comprimido sea usado como aire de instrumento, de tal manera que la limpieza del sistema de aire de instrumento de la planta no depende del mantenimiento y del rendimiento del equipo de remoción de aceite. Tipos Aplicables – Los siguientes seis tipos de compresores compiten ahora para aplicaciones de servicios de planta y servicio de aire de instrumento (760 a 900 Kpa. barométrica (110 a 130 psia)) de acuerdo a los rangos de capacidad comúnmente necesitados para grandes refinerías y plantas químicas: 1. Reciprocantes Lubricados – Este fue por mucho tiempo el tipo más frecuente, hasta 1965. Los modelos están bien desarrollados y altamente normalizados; la eficiencia y la confiabilidad son altas. Las desventajas son: a. Las facilidades para la remoción de aceite lubricante del pistón deberán ubicarse en la parte de la descarga, cuando se alimente el sistema de distribución de aire para instrumentos; este equipo requiere de un mantenimiento frecuente y no es por lo general completamente efectivo. b. Las paradas para mantenimiento de estos compresores son más frecuentes que para los rotativos y centrífugos. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 11 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma c. Los costos son elevados para flujos altos. 2. Reciprocantes no Lubricados con Anillos de Presión de Teflón – Los diseños de los materiales y las paredes de desgaste han mejorado a tal punto, que el requerimiento de mantenimiento de los modelos comerciales completamente desarrollados es moderadamente mayor que para los modelos reciprocantes lubricados convencionales. 3. De Tornillo Helicoidal de Alta Presión – Este tipo ha sido usado ampliamente en Europa para plantas y servicios de aire de proceso desde finales de la década del cincuenta . Los costos son bajos para capacidades altas; la operación es libre de aceite. 4. Unidad Paquete Centrífugo de Aire de Planta – Este tipo es de multietapas y de velocidad muy alta. La mayoría de los modelos usan carcazas separadas para cada impulsor, montadas sobre una caja de engranajes común e impulsadas por multiples piñones. El compresor viene en el paquete con un sistema de interenfriamiento pre–entubado. La mayoría de los fabricantes de estos compresores tienen modelos comerciales con un gran número de instalaciones que van desde 0.85 m3/s (1800 pie3/m) hasta 7 m3/s (15000 pie3/min). Modelos para flujos mayores y menores se están desarrollando actualmente. Las unidades son interenfriadas para lograr una eficiencia alta; ellas son de bajo costo para grandes volúmenes; la operación es libre de aceite. Los registros de confiabilidad no han alcanzado a los de los centrífugos de procesos convencionales. 5. Centrífugos Interenfriados de Gran Volumen – Son de carcaza sencilla dividida horizontalmente, de baja velocidad. Desarrollados en los años cincuenta, para la compresión de baja potencia de grandes volúmenes de aire en los servicios de proceso (licuefacción, plantas de amoníaco, etc.), pero aplicables y económicos para servicios de aire de planta en refinerías grandes. 6. Reciprocante de Pistón Tipo Laberinto (Sulzer) – Libre de aceite, de costo más alto y eficiencia marginalmente más baja que los de estilo no lubricados de anillo plástico; pero más bajos en requerimientos de mantenimiento. El alto costo inicial es difícil de justificar para servicios de aire de planta, a pesar de los bajos requerimientos de mantenimiento. Práctica del uso de Auxiliares para Compresores de Aire de Planta – Todos los tipos de compresores mencionados anteriormente a excepción del tipo centrífugo interenfriador de gran volumen, requieren un mínimo de dos unidades iguales instaladas. El centrífugo interenfriador de gran volumen, requiere de un auxiliar parcial (con cualquier tipo de compresor) para cubrir las necesidades mínimas de aire de planta durante las paradas poco frecuentes para MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 12 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma mantenimiento. Este grado de conservacionismos en compresores auxiliares de aire de planta se requiere a fin de proveer un suministro de aire continuo mientras el otro compresor este recibiendo mantenimiento. Esto permite que el mantenimiento de los compresores de aire de planta sea realizado mientras la planta está operando, en vez de realizarse durante las paradas de planta, cuando el consumo de aire de servicio puede estar a su máximo. Las refinerías que son expandidas frecuentemente tendrán unidades compresores de aire colocadas en paralelo con las unidades originales. El dimensionamiento de las unidades incrementales esta basado en un mínimo de 100% de capacidad disponible con cualquier compresor parado. 5 GUIA PARA LA SELECCION Los tipos de compresores usados en la industria son: Centrífugos, de flujo axial y reciprocantes. Los compresores rotatorios sólo son usados en servicios especiales. A continuación se presenta una guía para la selección del tipo de compresor basados en ventajas y desventajas, principios de operación y limitaciones críticas de cada uno. 5.1 Incentivos para la Selección de Compresores Compresores Centrífugos Aunque los compresores centrífugos ocasionalmente compiten con los compresores axiales y rotatorios, como también con los reciprocantes, los incentivos para la selección de este tipo de compresor puede ser usualmente relacionada a su principal o más frecuente competidor: el compresor reciprocante. Las principales ventajas y desventajas con respecto a los reciprocantes pueden ser sintetizadas como sigue: Ventajas 1. Continuos y largos tiempos de funcionamiento (típicamente 3 años) son posibles con una alta confiabilidad, eliminando la necesidad de múltiples compresores y la instalación de equipos de reserva. 2. Por las mismas condiciones de operación, los costos del equipo son bajos dado los altos flujos manejados. 3. Los compresores centrífugos son pequeños y livianos con respecto a su capacidad de flujo, por lo que requieren poca área para su instalación. 4. Los costos de instalación son bajos debido a su pequeño tamaño, ausencia de fuerzas recíprocas y porque generalmente se requiere la instalación de una sola unidad. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 13 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 5. Costos más bajos por atención y por mantenimiento total. 6. Cuando se selecciona una turbina a vapor como equipo motriz, los rangos de velocidad alcanzados permiten un acople directo (no requiere unidad reductora) por lo tanto se minimizan los costos por equipo, reduciendo los requerimientos 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 del punto de oleaje (surge)). Desventajas 1. Menor eficiencia (de 7 a 13%) que la mayoría de los tipos de compresores de 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 la recirculación 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 de compresores sea muy crítico para corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria tiene una definida limitación de cabezal. 4. Para gases con bajos pesos moleculares, la relación de presión por etapa es baja, teniendo que requerirse un largo número de etapas por maquinaria, creando por tanto complejidad mecánica. 5. Los modelos centrífugos convencionales generalmente no están disponibles para manejo de flujos a condiciones de descarga bajo 0.15 m3/s (300 pie3/min), real. Compresores Axiales Los compresores axiales compiten directamente con los centrífugos en el rango de 24 a 90 m3/s real (50000 a 190000 pie3/min real). Usualmente, es necesario una 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 61 m3/s real (130000 pie3/min real), el axial es más atractivo desde el punto de vista económico y de experiencia de diseño. Los resultados tienden a depender de las circunstancias específicas del caso, más que de comparaciones generalizadas de los dos tipos de equipo. La siguiente lista de ventajas y desventajas generales pretende servir de guía para el estudio de cada caso: MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 14 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 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 (130000 pie3/min real) más diseños de compresores axiales que centrífugos están disponibles. 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 y un sistema de suministro de servicios más pequeños. 3. Menor tamaño físico y menor peso que los centrífugos, permitiendo menores costos 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 usualmente permite acoplamiento directo (sin caja reductora) y diseños eficientes de turbina. 5. El diseño de rotor y carcaza puede proveer flexibilidad para hacer modificaciones menores de comportamiento de manera un poco más conveniente (agregando, quitando o cambiando etapas y ajustando los ángulos de los álabes del estator) que en los compresores centrífugos. 6. Mayor relación de compresión por carcaza debido a mayor eficiencia, según la limitación de temperatura de descarga. 7. Más fáciles de operar en paralelo con compresores de cualquier tipo que los centrífugos, debido a su empinada curva cabezal–capacidad. Desventajas 1. Rango más estrecho de flujo para operación estable, especialmente con impulso de velocidad constante, a menos que se use un costoso diseño de álabes de estator de ángulo variable. 2. Los sistemas de control de flujo y los controles de protección anti–oleaje son más complejos y costosos que para los centrífugos. El control anti–oleaje debe ser muy confiable, pues el oleaje puede dañar un compresor axial muy rápidamente. 3. El deterioro de su desempeño debido a ensuciamiento en la ruta del gas y a erosión es más severo que en los centrífugos. Esto requiere mayor filtración en la succión y hace a los compresores axiales no aptos para corridas continuas largas en servicios sujetos a ensuciamiento. 4. Los daños por objetos extraños succionados tienden a ser más extensos que en los centrífugos. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 15 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 5. Hasta el presente, los modelos desarrollados para la utilización en procesos tienen generalmente un límite de presión más bajo que los centrífugos (sin embargo, los axiales tienen el potencial para ser desarrollado para niveles de presión por lo menos tan altos como los de los centrífugos). 6. La experiencia en servicios diferentes al del aire es muy limitada hasta la fecha, 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 lugar de 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 el centrífugo, aproximadamente 37 a 43% del precio base del equipo vs. 26 a 32% para el centrífugo. Si, por otra parte, se compran etapas sueltas del rotor como repuestos para el axial en lugar de un rotor completo, el costo del rotor de repuesto, y los álabes del estator totalizará sólo de 19 a 24% del costo base del axial, con una ventaja neta sobre el centrífugo. 8. Niveles de ruido más altos que el centrífugo, requiriendo tratamiento acústico más extensivo y severo. Compresores Reciprocantes Los compresores reciprocantes compiten con el resto de los compresores excepto con los compresores centrífugos y axiales a flujos muy grandes. Sus principales ventajas y desventajas son las siguientes: Ventajas 1. Disponible para capacidades por debajo del rango de flujo económico de los compresores centrífugos. 2. Son económicos para altos cabezales típicos de gases de servicio de bajo peso molecular. 3. Disponibles para altas presiones; casi siempre son usados para presiones de descarga por encima de 25000 KPa man. (3500 psig). 4. Son mucho menos sensitivos a la composición de los gases y a sus propiedades cambiantes que los compresores dinámicos 5. Apropiado para cambios escalonados de flujo de 0 a 100%, a través del espacio muerto y las válvulas de descarga con un mínimo desgaste de potencia a bajos flujos. 6. La eficiencia total es mayor que la de los compresores centrífugos para una relación de presiones mayor que 2. 7. La intensidad del flujo cambia para los diferentes niveles de presión de descarga. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 16 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 8. Presentan una temperatura de descarga menor que los compresores centrífugos debido a su alta eficiencia y a su sistema encamisado de enfriamiento. 9. Son mucho menos sensitivos a desalineamiento en el acoplador y a esfuerzos en la tubería que los compresores centrífugos, axiales y rotatorios, los cuales operan a velocidades de rotación mayores. Desventajas 5.2 1. Fundaciones mucho más grande para eliminar las altas vibraciones debido a las fuerzas reciprocantes. 2. En servicios continuos, se requieren múltiples unidades para impedir paradas de planta debido al mantenimiento de compresores. 3. Los costos de mantenimiento son de 2 a 3 veces mayores que los costos para compresores centrífugos. 4. El potencial de funcionamiento continuo es mucho más corto que el de los compresores centrífugos, la frecuencia de paradas es mucho mayor, debido a fallas en las válvulas. 5. Los compresores reciprocantes son sensitivos al arrastre de sólidos, debido a la fricción presente de las diferentes partes del equipo. 6. Las máquinas lubricadas son sensitivas al arrastre de líquido, debido a la destrucción de la película lubricante. 7. Es necesario un área de ubicación mayor que la utilizada por los compresores de tipo rotatorio y centrífugo. 8. Las máquinas lubricadas inyectan aceite de lubricación en la corriente de gas; mientras que las máquinas no lubricadas requieren el cambio frecuente de partes desgastadas. 9. Comparado con otros tipos de compresores se requiere una inspección más continua, debido a la susceptibilidad a fallar en las válvulas y en el sistema de lubricación. Principios de Operación Compresores Centrífugos Los compresores centrífugos generan un cabezal de descarga por desarrollar altas velocidades del gas en un impulsor centrífugo, convirtiendo una porción de esta velocidad en presión en el impulsor y completando la conversión en el pasaje del difusor, este modo de operación clasifica el equipo como un compresor “dinámico”. Los compresores y ventiladores centrífugos desarrollan la más alta MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 17 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma velocidad en un plano perpendicular al eje, mientras que los compresores y ventiladores axiales, los cuales también pueden operar según el principio dinámico, desarrollan velocidad en la misma dirección del eje. La cantidad de energía que un compresor es capaz de impartir a cada unidad de masa de gas es limitada por la velocidad periférica de los álabes del impulsor. De esta 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 por el esfuerzo permisible del impulsor. Para permitir la operación de impulsores sometidos a esfuerzos que pueden llegar tan alto como 400 a 590 MPa (60000 a 85000 psi) se utilizan aceros de alta dureza en la fabricación de éstos. Compresores Axiales Los compresores axiales son máquinas “dinámicas” por cuanto desarrollan presión acelerando el gas y convirtiendo (por difusión) la alta velocidad resultante en presión. Mientras el compresor centrífugo (que también es una máquina de tipo “dinámico”) desarrolla velocidad por medio de “fuerza” centrífuga, con flujo en la dirección radial, el axial emplea álabes especialmente construidos para forzar el flujo en una dirección predominantemente axial. La energía es transmitida al gas usando 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 hilera de álabes rotatorios hacia la siguiente con un ángulo eficiente. La conversión de velocidad a presión (difusión) es compartida entre los álabes rotatorios y los álabes estacionarios en la mayoría de los diseños de compresores comerciales. Máquinas de una sola etapa que aplican este principio de diseño son llamados sopladores axiales de aspas. Las versiones multietapas son llamados “compresores axiales”. Pueden ensamblarse hasta 17 etapas en una sola carcaza, con colocación alternada de álabes rotatorios y estacionarios. Los compresores axiales son enfriados sólo por radiación superficial nominal, y este efecto menor es usualmente anulado por el aislamiento acústico. Los compresores axiales tienen volutas grandes y de baja velocidad en los extremos de entrada y de descarga para permitir el flujo en dirección axial hacia y desde el rotor, así como para minimizar disturbios de flujo en cada extremo del rotor, manteniendo bajas las caídas de presión en las boquillas. La velocidad del gas entrando a los álabes de la primera etapa es típicamente dos veces la velocidad comparable del gas a la entrada de la primera etapa impulsora de un compresor centrífugo, en el orden de 120 a 150 m/s (400 a 500 pie/s). Esto resulta en una reducción de presión estática tan significativa en el plano donde el gas entra al rotor que la presión diferencial entre ese plano y la brida de entrada provee un medio bastante preciso para la medición de flujo, una vez efectuada una calibración adecuada. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 18 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Compresores Reciprocantes Los compresores reciprocantes son máquinas de “desplazamiento positivo” los cuales operan mediante una reducción positiva de un cierto volumen de gas atrapado dentro del cilindro mediante un movimiento reciprocante del pistón. La reducción en volumen origina un alza en la presión hasta que la misma alcanza la presión de descarga; y ocasiona el desplazamiento del fluido a través de la válvula de descarga del cilindro. El cilindro está provisto de válvulas las cuales operan automáticamente por diferenciales de presión, al igual que válvulas de retención (check valves), 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 acumulada en el cilindro deja de exceder la presión en la línea de descarga luego de completar el golpe de descarga, previniendo de esta manera el flujo en sentido reverso. La teoría de compresión en el cilindro de compresores reciprocantes es tratada más a fondo en los libros técnicos. Refiérase a “Compressed Air Gas Data” para un resumen más detallado. 5.3 Limitaciones Críticas Compresores Centrífugos Temperatura de Descarga – La temperatura permitida de descarga de los compresores centrífugos está limitada de las siguientes maneras: Temperatura permitida de descarga: 1. Consideraciones de Proceso – Debido a que el funcionamiento del compresor centrífugo es sensible a las restricciones de flujo, el ensuciamiento por polimerización se debe evitar. Esto limita la temperatura permitida a 120°C (250°F) en la descarga a aquellas corrientes ricas en diolefinas y olefinas. 2. Limitaciones del Material – El hierro fundido, el cual se emplea normalmente en carcazas de baja presión, limita la temperatura del compresor a 230°C (450°F). El plomo se usa en algunos compresores centrífugos en los laberintos opuestos del pistón de balance, limitando así la máquina a más o menos 195°C (380°F). 3. Limitaciones Estructurales – Las formas complejas de carcazas usadas en modelos de compresores centrífugos para servicios de volumen alto, presión baja y boquillas múltiples tienden a distorsionar excesivamente cuando están expuestos a gradiente de temperatura mayor de 175°C (350°F). Las tolerancias muy pequeñas, radiales y axiales, que se requieren para alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcaza. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 19 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Los diseños especiales de compresores centrífugos están disponibles para temperaturas 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 usan comúnmente construcciones de etapa simple suspendida con modificaciones solo a 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 de materiales adecuados. Para servicios de más bajas temperaturas, debe consultarse a especialistas. Presión de Descarga – Los diseños de compresores centrífugos están disponibles comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man. (5500 psig), y están siendo desarrollados para presiones de 48000 a 62000 kPa man. (7000 a 9000 psig). Cabezal – Muchos de los diseños de compresores centrífugos se limitan de 8 a 9 impulsores por carcaza. Unos pocos diseños comerciales pueden acomodar 10, 11 ó 12 etapas. El cabezal que cada etapa del compresor puede desarrollar es típicamente de 3000 m (10000 pie) para gases cuyos pesos moleculares están en el 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 que el máximo cabezal desarrollado por etapa. El cabezal total por carcaza rara vez excede los 30000 m (100000 pie). Muchos modelos tienen limitaciones muy por debajo de este nivel. Los compresores de etapa simple y alta velocidad se pueden especificar para cabezales tan altos como 8500 m (28000 pie). Las etapas de los compresores centrífugos, paquetes que manejan aire de planta, alcanza de 6100 a 6700 m/etapa (20000 a 22000 pie / etapa). Los impulsores especiales de alto desempeño que se utilizan en compresores multietapas desarrollan cabezales tan altos como 5200 m (17000 pie). Flujo Volumétrico a la Entrada – El mínimo para máquinas convencionales está cercano a 0.17 m3/s (350 pie3/min) real para gases limpios y 0.24 m3/s (500 pie3/min) real para gases sucios. El máximo de unos pocos fabricantes está en el rango de 71 a 90 m3/s (150000 a 190000 pi3/min) para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases. Este nivel ha sido alcanzado por arreglos tanto de flujo sencillo como de flujo doble. Flujo Volumétrico a la Descarga – El mínimo es ligeramente más bajo que la limitación 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 especialmente sensibles a las siguientes condiciones mecánicas: 1. Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 20 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 2. Sucio en el aceite lubricante. 3. Desalineación del acoplamiento. 4. Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extraños que se alojan en el impulsor o por pérdida irregular de metal en los impulsores. 5. Líquido entrampado. Compresores Reciprocantes Sensitividad a los Líquidos – Los compresores reciprocantes están especialmente propensos a dañarse por líquidos en la corriente de gas. Ver Capítulo PDVSA–MDP–02–K–02 “Principiuos Básicos”, Líquidos en Corrientes Gaseosas. El arrastre de líquido en forma de neblina tiende a quitar la película lubricante en el cilindro y en los anillos del pistón, acortando por consiguiente drásticamente la vida de servicio entre paradas. Una gota de líquido llevada dentro del compresor a través de la boquilla de entrada, puede ser extremadamente peligroso debido a que ésta es no comprimible; muchas de las explosiones e incendios han ocurrido por la rotura de cilindros. Cilindros de compresores horizontales deben tener descargas en el tope y en la parte inferior de la succión cuando el gas que se maneja es saturado, según API Standar 618, de tal manera que cualquier líquido que entre sea drenado en la menor oportunidad posible para evitar acumulación de depósitos. Limitaciones en la Relación de Compresión – En general la relación de presión en compresores de aire de una sola etapa está limitada entre 4.4 y 5.0 a presiones relativamente bajas, y de 2 a 2.5 en la succión para presiones por encima de 7000 KPa (1000 psig). La relación de compresión está limitada por el diseño mecánico del compresor; es decir la máxima carga que un brazo puede llevar debido al diferencial de presión que actua en el pistón y por la baja eficiencia volumétrica que acompañan los aumentos en la relación de compresión. También, una alta relación de compresión está normalmente acompañada por un incremento grande de temperatura, 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 compresión tan altos como 7.8 (700 KPa man. (100 psig) de descarga), aunque las altas temperaturas y los diferenciales de presión llevan a factores de servicio más bajos en este tipo de equipos. Estos altos cocientes no deben ser especificados cuando el servicio es continuo y se requiere un alto grado de confiabilidad; etapas adicionales deben agregarse para reducir la relación de compresión por etapa. Limitaciones en la Temperatura de Descarga – Ver la Tabla 3, donde se indican las temperaturas de descarga permitidas para compresores reciprocantes para varios gases y diseños. Los factores que limitan la temperatura de descarga en compresores reciprocantes son: MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 21 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 1. En todos los compresores lubricados, el mantenimiento de una adecuada viscosidad en la película lubricante y la prevención de la degradación del aceite lubricante en depósitos de coque. 2. En aire y otros servicios ricos en oxígeno, la prevención de la ignición de depósitos de aceite lubricante en el sistema de descarga. 3. En servicios de bajo peso molecular, un valor de diseño conservador debe usarse para permitir compensación por el deterioro debido a la inevitable fuga en válvulas y paso de gases de combustión al pistón. 4. En servicios de alta presión de polietileno, prevención de polimerización de los gases. 5. Cilindros fundidos en compresores registrados para presiones superiores a 2100 kPa man. (300 psig) y todos los cilindros forjados los cuales tienen paredes y recubrimientos gruesos, por consiguiente un enfriamiento muy pobre del aceite lubricante, requieren por lo tanto límites de temperatura de descarga más bajos. 6. La temperatura de descarga de compresores no lubricados y con sellos de teflón, está limitada por el teflón el cual esta expuesto al calor generado por la 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 temperaturas de descarga por debajo de la isentrópica debido al alto cociente de enfriamiento de la superficie, al flujo de enfriamiento y al flujo de la masa de gas. Por consiguiente los mismos son aplicados a los valores de temperatura de descarga isentrópicos por encima del valor de temperatura de descarga permitido. Se recomienda consultar al especialista en la maquinaria. Donde existe alarmas indicadoras de temperaturas de descarga, las mismas deben 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 normal garantiza una parada para inspección interna. Diseño de Etapas para Limitar la Temperatura de Descarga – Gran parte del enfriamiento del gas en un cilindro de un compresor reciprocante enfriado se realiza a medida que el gas fluye hacia afuera, a través de la cámara de la válvula de descarga, en la vía hacia la boquilla de descarga luego de que el tiempo de compresión es completado. (Esta es la razón por la cual el enfriamiento tiene sólo un efecto muy pequeño en el desempeño del compresor). La temperatura pico alcanzada por el gas (y la máxima temperatura a la cual está expuesta la película lubricante) es por consiguiente mucho más grande que la que se pueda medir a la descarga. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 22 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma La temperatura a la cual hay un efecto adverso en el desgaste del cilindro, debido a la reducción en la viscosidad del lubricante, es la verdadera temperatura pico, en lugar del estimado isentrópico de la temperatura de descarga, a la temperatura a la que el gas sale de la boquilla de descarga. Por consiguiente, cuando existe una condición que tiende a colocar la temperatura de descarga significativamente más alta que la temperatura isentrópica de descarga, o la temperatura pico del cilindro 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 más preciados para datos sobre funcionamiento y recomendaciones para el diseño de las etapas para el manejo de servicios donde el punto de temperatura de descarga es crítico. Limitaciones en la Temperatura de Entrada – La mínima temperatura permisible para cilindros de hierro gris fundido es –45°C (–50°F). La resistencia al impacto del hierro fundido no cambia con bajas temperaturas. La temperatura más baja para compresores lubricados es de –48 °C (–55°F). El aceite lubricante debe ser seleccionado muy cuidadosamente para temperaturas de entrada bajo cero. Se requieren compresores no lubricados en el caso de que la temperatura de succión se encuentre por debajo de –48 °C (–55°F), o si el aceite lubricante no se tolera en el gas. El uso de compresores no lubricados para gases se debe evitar (especialmente gases secos e inertes) cuando sea posible, ya que los requerimientos de mantenimiento son casi el doble que para las máquinas lubricadas. Para temperaturas de entrada por debajo de 15°C (60°F), la temperatura mínima de 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 COMPUTACION INTEVEP, S.A dispone de un programa que permite la selección de compresores centrífugos, reciprocantes o axiales basado en la presión de descarga y el flujo que manejan. Este programa se encuentra disponible en la base de cálculo Procalc. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–K–03 SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 23 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma TABLA 1. CARACTERISTICAS MECANICAS DE LOS TIPOS PRINCIPALES DE COMPRESORES Velocidad de rotación Rev/min (Rev/s) Relación de presión o limitación de cabezal por etapa de compresión Rango común de eficiencia de comprensión Convencional 3000–18000 (50–300) 40000 m 0.70–0.80 Alta Velocidad, Bajo flujo 15000– 33000 (50–170) 8500 m Tipo Com – presores Sensibilidad relativa a ensuciamiento y particulas de solidos niveles de generación de ruido relativo Sensibilidad relativa al contenido de humedad Requerimientos relativos de mantenimiento 0.99 Media Alto Media Bajo 0.45–0.60 0.96 (Incluye engranaje) Muy alta Muy alta Muy alta Muy alta 23000 m 0.75–0.85 0.99 Alta Muy alto Alta Bajo Rango Rendicomún de miento eficiencia total mecánica Centrifugo 3000–10000 Axial (50–170) Ventilador Axial Tipo Intercambiador de calor 150–750 (2.5–12) 0.25 kpa –– –– 0.30–0.50 (Estático) Baja Medio (atenuación impractica) Baja Medio Ventilador centrifugo 600–3600 (10–60) 7.5 kpa –– –– 0.50–0.90 (Estático) Media Alto Bajo Medio 300–1000 (5–15) r=5 0.75–0.90 0.95 Alta Bajo Muy alta Alto 0.75–0.90 0.94 Muy alta Bajo Alta muy alto Alta Bajo Bajo alto Reciprocante Lubricado No Lubricado Diafragma Rotatorio Tornillo Helicoidal de alta Presión 3500–9000 (60–150) Tornillo Helicoidal de baja Presión Tornillo espiral de baja presión r=4a5 0.74–0.78 0.96 Bajo Muy alto Bajo Media 1750–3500 (30–60) r=2a3 0.70–0.78 (Aumenta a medida que r decrece) 0.95 Media Alto Media Medio 1600–4500 (25–75) r = 30 0.7 0.95 Media Alto Media Medio r = 1.7 0.66–0.70 0.95 Media Alto Media Medio Muy alta Alto Muy alta Muy alto Baja Medio Ninguna Medio Lóbulo Recto Alabe Directo Deslizante 450–1800 (7–30) r = 4.4 0.90 0.95 Anillo Líquido 200–3500 (3–60) r = 2.5 Diseño especial para servicio de aire (r=8.0) –– –– 0.35–0.50 NOTA: Factores de conversión de m a pie, multiplique por 3.2808 de kpa a pulg H2O multiplique por 4.0161. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 24 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma TABLA 2. SIGNIFICADO DE LOS PARAMETROS DE RENDIMIENTO EN EL DISEÑO DE MAQUINAS COMPRESORAS Parámetro Compresores Dinámicos Compresores Reciprocantes Compresores Rotatorios Tamaño del rotor, velocidad Velocidad de flujo volumétrico Dimensionamiento de cacaza y boquilla, selección de impulsor Diámetro interior del cilindro, recorrido y velocidad, volumen de espacio muerto provisto; dimensionamiento de válvula Presión de Entrada Diseño del sistema de sellado de eje Diseño de válvula; factibilidad Diseño de sistema de de válvulas des cargadoras a sellado de eje la entrada y cavidades de espacio muerto accionadas por vástagos de válvulas Aumento de Carga del cojinete de Presión empuje Tensión del vástago del pistón Presión de Descarga Estilo de conexión de la descarga, clasificación de boquillas Material de cilindro y métodos Selección entre varios tipos rotativos de fabricación; diseño del empaque del vástago del pistón Cabezal Número de etapas. Diámetro de rotor, velocidad No significativo No significativo Mantenimiento de la película lubricante; tendencia del lubricante a la formación de Coque y a la combustión; mantenimiento del espacio muerto adecuado entre el pistón y el cilindro con características de expansión térmica diferente Juegos de punta del rotor; necesidad para enfriamiento del rotor Temperatura Fuerzas resultantes sobre de tuberías y momentos sobre Descarga boquillas; juegos internos; arreglos para conservar la alineación de acoplamiento; distorsión de carcazas de forma irregular Empuje axial, longitud de tornillo doblamiento de rotores Requerimie nto de Potencia Diámetro de eje Clasificación del bastidor (Carter) Clasificación de bastidores estandard Tipo de Accionador El accionamiento de turbina normalmente permite pulsión directa; la velocidad óptima de turbina puede influenciar la optimización de velocidad / diámetro / etapas del compresor La propulsión de motores a gas permite la construcción integral; la propulsión del motor permite montaje del rotor del motor directamente sobre una extensión del cigüeñal La propulsión de la turbina normalmente permite la propulsión directa; la velocidad óptima de la turbina puede influir en la optimización de: velocidad / diámetro de rotor del compresor MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 25 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma TABLA 3. TEMPERATURAS DE DESCARGA PERMISIBLES PARA COMPRESORES RECIPROCANTES (1) Gas Presión de Descarga(6) Método de Lubricación Temperatura de Descarga Permitida °C (7) Máxima (2) Simple predicción Isentrópica (3) aire < 2100 kPa aceite de hidrocarburo 175 160 Aire > 2100 kPa aceite de hidrocarburo 160 (5) 150 (5) Aire < 2100 kPa aceite sintético 190 175 Cualquiera < 7000 kPa no lubricado 200 (4) ––– Hidrógeno rico M 15 cualquiera aceite de hidrocarburo 150 135 Gas Síntesis amoníaco cualquiera aceite de hidrocarburo 150 135 Etileno > 140000 kPa aceite de hidrocarburo 120 ––– NOTAS: 1. Por encima de 75 KW (100 HP), compresores por debajo de 75 KW (100 HP) requieren atención especial, se deberán utilizar los consejos del suplidor. 2. Real, en una situación de operación; o predicción basada en el trabajo de enfriamiento del modelo específico del cilindro, si los datos están disponibles; o la predicción isentrópica, usando el cociente total de presiones, incluyendo las pérdidas de presión en las válvulas (asumiendo que los detalles de 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 HACIA ADELANTE ALABES INCLINADOS UNA SOLA ETAPA DE AIRE DE PROCESO (2) CONFIGURACION DE LA CARCAZA COMO EN LOS CENTRIFUGOS PAQUETE TIPO PLANTA 2–4 ETAPAS (HASTA 100 kPa man 15 psig) ALTA PRESION (ROTORES FUNDIDOS) LUBRICADO * PISTON (250 psig) (PERFIL DEL ROTOR ”SRM”) (HASTA 1725 kP man) HELICOIDAL BAJA PRESION * (ROTORES FUNDIDOS) CUADRADO) ENGRANAJE INTEGRAL) TIPO TORNILLO ESPIRAL AXIAL (FILETE DE BORDE DE LOBULOS) (ROTORES AXIALES TIPO LOBULAR (RAICES) TIPO MULTIETAPA (ROTOR MULTIPLE/ ALTA VELOCIDAD ANILLO DE LIQUIDO ( o PISTON DE LIQUIDO) DOS ROTORES man (570 A 1000 psig) DIAFRAGMA (50000 A 100000 psig) 350000 A 700000 kPa man EXTREMADA ALTA PRESION DE ACCION) EMBOLO BUZO (DE UNA SOLA ALTA PRESION * (DE 40000 A 70000 kPa NO LUBRICADO ACCION DIRECTA Indice volumen (1) UN ASTERISCO (*), INDICA LOS TIPOS MAS FRECUENTEMENTE USADOS EN LAS PLANTAS DE PROCESOS. ALABES RADIALES VENTILADORES CENTRIFUGOS VENA DESLIZANTE UN SOLO ROTOR RECIPROCANTES SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR NOTAS: HACIA ATRAS ALABES INCLINADOS TIPO MULTIETAPA DOBLE CARCAZA (BARRIL) TIPO EN VOLADIZO UNA SOLA ETAPA TIPO TUBERIA MULTIETAPA CARCAZA CON DIVISION VERTICAL MULTIETAPA ROTATORIOS DESPLAZAMIENTO POSITIVO Indice manual UNA SOLA ETAPA (DOBLE SUCCION) CARCAZA CON DIVISION HORIZONT AL AXIAL MAYOR QUE LA ATMOSFERICA) COMPRESORES TERMICOS (PRESION DE SUCCION .Menú Principal TIPO DE ALABE AXIAL VENTILADORES DE UNA SOLA ETAPA FLUJO MEZCLADO (UNA SOLA ETAPA)(2) EYECTORES DE VACIO EYECTORES PDVSA TIPO DE PROPELA CENTRIFUGOS (FLUJO RADIAL) DINAMICO MECANICOS COMPRESORES MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 26 Indice norma Fig 1. CLASIFICACION DE LOS TIPOS DE COMPRESORES(1) MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 27 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Pie3/min Fig 2. GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORES CENTRIFUGOS ROTATIVOS Y DE PAQUETES MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 28 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Fig. 2 (cont.) GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORES CENTRIFUGOS ROTATIVOS Y DE PAQUETES MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 29 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Pie3/min Fig. 2 (cont.) GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORES Y VENTILADORES CENTRIFUGOS DE DIAFRAGMAS Y CONVENCIONALES MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 30 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Fig. 2 (cont.) GRAFICOS DE RANGOS DE APLICACION DE COMPRESORES CENTRIFUGOS DE ALTA VELOCIDAD AXIALES Y RECIPROCANTES MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 31 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Fig 3. COMPARACION DE LAS CURVAS CARACTERISTICAS DE CABEZAL / CAPACIDAD DE LOS TIPOS PRINCIPALES DE COMPRESORES MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA SELECCION DEL TIPO DE COMPRESOR PDVSA MDP–02–K–03 REVISION FECHA 0 MAY.96 Página 32 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Fig 4. RANGO DE APLICACION DE VARIOS TIPOS DE BOMBAS DE VACIO