-COMPRESORES-RECIPROCANTES

UNIVERSIDAD EXPERIMENTAL RAFAEL MARIA BARALT ASIGNATURA: EQUIPOS DE PROCESO II

REALIZADO POR: PROF. ROMAN LIRA

MARACAIBO, MAYO DE 2007

i Compresores Reciprocantes

ÍNDICE GENERAL

Pág.

ÍNDICE GENERAL……………………………………………………………….….................... i INTRODUCCIÓN.......................................................................................... ii

1. COMPRESORES……...................................................................................... 3 2. SELECCIÓN DEL COMPRESOR…………………………………………………………………… 4 3. COMPRESOR RECIPROCANTE…………………………………………………………………… 6

3.1 TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES………………….………………………… 7 3.2. COMPARACION ENTRE COMPRESORES RECIPROCANTES Y CENTRIFUGOS.. 9 3.3. PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE……………………………………………… 10

3.4. EQUIPOS DE PROCESO QUE CONFORMAN UN COMP. RECIPROCANTE……… 13 3.5. DESCRIPCION DEL PROCESO DE COMPRESIÓN………………………………………. 15 3.6. SIST. PARA LA OPERACIÓN CONTROLADA DE UN COMP. RECIPROCANTE…. 16

3.7. PROCEDIMIENTO PARA ESPECIFICAR UN COMPRESOR RECIPROCANTE……. 17 3.7.1. Número de Etapas de Compresión………………………………………………………. 18 3.7.2. Potencia Requerida para la Compresión.………………………………………………. 20

3.7.3. Diseño del Cilindro de Compresión………………………………………………………. 25 3.7.4. Cargas en las Barras del Compresor………………………….…………………………. 26 4. EJEMPLO………………………………………………………………………………………………… 27

CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………. iii BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………… v

ANEXOS……………………………………………………………………………………………………. vii

ii Compresores Reciprocantes

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.

3 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.

Desplazamiento Positivo Dinámicos

Reciprocante Rotativo

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

Centrífugos Flujo Axial

- Simple etapa - Múltiple etapa - Split Horizontal - Integral

Diafragma

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

Compresores

Figura-1 Tipos de Compresores


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. 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. 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.


Los compresores reciprocantes, se utilizan generalmente para los siguientes servicios

indicados en la Tabla-1:

Tabla-1 Servicios Comunes de Compresores Reciprocantes

Refinerias y Petroquimica Petroleo y Gas

• 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.


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

3 CILINDROS (integral) 4 CILINDROS 6 CILINDROS

1ERA ETAPA 1 CILINDRO 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. Larga vida de operación

c. Bajo costo de operación y mantenimiento comparado con los separables de alta

velocidad.


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 Centrífugos Ventajas Ventajas

Mayor flexibilidad en capacidad de flujo y rango de presiones.

Mas alta eficiencia y costo de potencia mas bajo.

Capacidad de manejar pequeños volúmenes de gas.

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


Continuación Tabla-3 Comparación entre Compresores Reciprocantes y Centrífugos

Reciprocantes Centrífugos Desventajas 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.

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).

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.

3.3. 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.

Compresores Reciprocantes

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.

11


Sello Intermedio CAJA DE LUBRICACIÓN

Escurridor de Aceite

Ventana que permite retirar el sello de laberinto

Sello , entrada de agua y purga para empaque

Anillos de Compresión

Cigüeñal de Acero Forjado

Cojinetes Ajustados a la Precisión

Caja de Lubricación Simple o Doble

Camisa del cilindro 57 HRC

Materiales y Tipos de válvula según especificación

Pistón Simple o Doble Acción

Sellos tipo laberinto

ROCESO

FIGURA-3 COMPRESOR RECIPROCANTE SEPARABLE

CILINDRO DE P

Cilindros de acero forjado o fundición dúctil

Cilindros Lubricados o No Lubricados

Anillos de Aleación Resistentes al Desgaste

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

Unión Tipo Cruceta

Cilindros Opuestos Balanceados

Bielas de Acero Forjado

Bolsillos, para este caso no ajustable

Entrada, conexión con la botella de pulsación

Orificios de Inspección

Montura del Compresor (Frame)


- Acero Forjado para presiones mayores que 2200 Psig

3.4. EQUIPOS DE PROCESO QUE CONFORMAN UN COMPRESOR RECIPROCANTE

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

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:

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.

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:

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.

- Hierro Fundido para presiones entre 1000 a 1200 Psig

- Hierro Fundido Dúctil para presiones hasta 1500 Psig

- Acero 1000 – 2200 Psig

13

Boquilla de Succión

14

Válvula de Alivio

Silenciador del Motor de Combustión Interna

Compresor Reciprocante:Modelo: Ariel JGC 4

Botellas de Pulsación

Separador Interetapa (Scrubber)

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

Driver:Motor Reciprocante Modelo: Cat 3515 TA Combustible: Gas Natural

Montura del Compresor (Frame)

Figura-4 Compresor Reciprocante Separable Tipo Skid

Sistema de Recirculación Panel de Control

Unidad de Enfriamiento: Fin Fan Cooler Incluye todos los enfriadores Inter-etapas AIR X CHANGERS 156 EH



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

3era Etapa 2da Etapa

1era Etapa

Slug Catcher Sistema de Recolección de Líquidos

CompresorSeparador Interetapa Enfriador Interetapa

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


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.


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.


n

PinPoutR

/1

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= (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.


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.

( )⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ −+=

−

EisenRxTT

kk

inout11

1

(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 0.65 – 0.75

Reciprocante Alta Velocidad 0.65 – 0.75

Reciprocante Baja Velocidad 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.


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:

∫=2

1

P

Pteorico VdpW (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) PVK=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)


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:

)( 12

*hhmPotencia −= (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.

Ehm

Potencia isentREAL

)(*∆

= (6)

Donde:

=∆ isenthm*

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


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.

( )( ) ))3)2()1((4,14

xFFxFMMSCFdZavgTTinPs

MMCFdBHPBHP

S⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= (7)

Donde:

MMCFdBhp

: 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*


Tabla – 5 Porcentaje de Incremento de Potencia para Unidades de Alta Velocidad*

Gravedad Específica Porcentaje de Incremento de Potencia

0.5 – 0.8 4 0.9 5 1 6

1.1 8 1.5 y sistemas de refrigeración con propano 10

Figura-9 Potencia de Compresión

*(Fuente GPSA DATABOOK, Sección 13)


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.

pistonbarridoVolumentotalmuertoVolumenCL =% (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.

IdealVolumenalVolumen

VdVEvz Re1

== (9); ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−−== 11)(*)(96 /1

ZdZRCLR

QidealQactualEvz K (10)

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).


3

3

22

lg17284

)*2)()((

pupiex

xddRPMStrokeQactual rodcilindro π−

= (11)

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= (13) )()( PsAcPdAp −

Cargas de tensión aplicadas en el cilindro:

LT= (14) )()( PsApPdAc −

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.


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 548.9988 Methane 78,06417 Mass flow lb/h 12216.4395 Ethane 7,088808 Temp F 90 Propane 4,685904 Pres psia 79.7 I-Butane 1,067401 Vapor mole fraction 0.9998 N-Butane 1,602401 Cp/Cv 1.2553 I-Pentane 0,4986 Tc F -7.3913 N-Pentane 0,499301 Pc psia 1166.3679 N-Hexane 0,3716 Std. sp gr. air = 1 0.768 N-Heptane 0,2475 Degree API 248.3705 N-Octane 0,1271 Average mol wt 22.2522 N-Nonane 0,0421 Actual dens lb/ft3 0.3057 N-Decane 0,0159 Actual vol ft3/hr 39964.4882 N-Dodecane 0,0017 Std liq ft3/hr 525.8204 Carbon Dioxide 5,453407 Std vap 60F scfh 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:

Pin (Psia) Pout (psia) Etapas R estimada

79.7 1019.7 1 12.79422836 79.7 1019.7 2 3.576902061 79.7 1019.7 3 2.338862546

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= n

PinPoutR

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:


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

( )⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ −+=

−

EisenRxTT

kk

inout11

1

Resultados:

CONFIGURACIÓN DE DOS ETAPAS Pin (Psia) P(out) Psia R ajustada Tin (ºF) Tout (ºF) K

ETAPA-1 79.7 309.7 3.8858 90 302.2383124 1.23 ETAPA-2 304.7 1019.7 3.3466 120 316.3029762 1.23

CONFIGURACIÓN DE TRES ETAPAS

Pin (Psia) Pout (Psia) R ajustada Tin (ºF) Tout (ºF) K ETAPA-1 79.7 189.7 2.38018 90 219.3547128 1.23 ETAPA-2 184.7 440.7 2.38603 120 256.8148507 1.23 ETAPA-3 435.7 1019.7 2.34037 120 253.5295614 1.23

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:

( )( ) ))3)2()1((5204,14

7.14 xFFxFMMSCFdZavgTinMMCFd

BHPBHP ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

Resultados:

BHP/MMCFd (FIGURA-8) Tin (ºF) Zin Zavg MMPCED

Etapa-1 51.5 90 0.9839 0.9834 5 Etapa-2 51.5 120 0.9693 0.9711 5 Etapa-3 51 120 0.9293 0.94 5

F1

(FIGURA-7) F2

(FIGURA-9) F3

(TABLA-5) BHP/MMPCED BHP

Etapa-1 1 1 1.04 59.10954893 295.5477446 Etapa-2 1 1 1.04 61.55597087 307.7798543 Etapa-3 1 1 1.04 59.00611644 295.0305822

POTENCIA TOTAL (BHP) 898.3581812

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


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 4.5A VIP4 Separable 4 1080 BHP @ 1500 RPM 4.5 pulg 15400 lbs

ARIEL JGJ-4 Separable 4 1240 BHP @ 1800 RPM 3.5 Pulg 23000 lbs AJAX DPC 2804 Integral 3 898 BHP @ 440 RPM 11 Pulg 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

Pstd Tstd Tin etapa Pin etapa MMPCED Q actual CFM (entrada etapa)

Etapa-1 14.7 529.67 559.67 79.7 5 676.6953279 Etapa-2 14.7 529.67 579.67 184.7 5 302.4359409 Etapa-3 14.7 529.67 579.67 435.7 5 128.2072947

Calculo de la eficiencia Volumetrica Ecuación -10

Clearance Asumido R K Zin Zout Evz

Etapa-1 20 2.38018 1.23 0.9839 0.9833 73.11739215 Etapa-2 20 2.38603 1.23 0.9693 0.9739 73.24686147 Etapa-3 20 2.34037 1.23 0.9293 0.941 74.22952602


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 Q actual CFM Q ideal CFM Stroke RPM D (pulg)

338.6966634 439.207747 3.5 1600 9.352880853Etapa-1 338.6966634 439.207747 3.5 1600 9.352880853

Etapa-2 308.25571 419.677978 3.5 1600 9.14530963Etapa-3 130.6743852 167.491761 3.5 1600 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 Bore (pulg) Clearance D Acting

9 3/4 RJ 9.75 16.1 SI Etapa-1 9 3/4 RJ 9.75 16.1 SI

Etapa-2 9 3/4 RJ 9.25 19.8 SI Etapa-3 6 3/8 RJ 6.375 16.1 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:

Calculo de la eficiencia Volumetrica Clearance R K Zin Zout Evz Etapa-1 16.1 2.38018 1.23 0.9839 0.9833 77.11536642 Etapa-2 19.8 2.38603 1.23 0.9693 0.9739 73.45053254 Etapa-3 16.1 2.34037 1.23 0.9293 0.941 78.01839594


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= (13) )()( PsAcPdAp −

Cargas de tensión aplicadas en el cilindro:

LT= (14) )()( PsApPdAc −

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)

Area Piston - Area rod

(pulg)

Ps Pd Carga

Compresión (lbs)

Carga Tracción

(lbs)

Carga Permisible

Compresión (lbs)

74.66 72.89 79.7 189.7 8353.669 7876.831 23000 Etapa-1 74.66 72.89 79.7 189.7 8353.669 7876.831 23000

Etapa-2 67.2 65.43 179.7 440.7 17857.269 16759.16 23000 Etapa-3 31.92 30.15 379.7 1019.7 21100.869 18623.93 23000

No supera las maximas cargas permisibles; sin embargo, podria 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

Tercera Etapa: Un Cilindro

Segunda Etapa: Un Cilindro Primera Etapa:

Dos Cilindros

iii Compresores Reciprocantes

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 Compresores Reciprocantes

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

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vii

ANEXOS

-COMPRESORES-RECIPROCANTES

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