Curso Diseño ay Calculo de Compresores

DISEÑO Y CALCULO DE

DISEÑO Y CALCULO DE

COMPRESORES

COMPRESORES

AUTOR

AUTOR

INGENIERO INDUSTRIAL

INGENIERO INDUSTRIAL

PEDRO A GOMEZ RIVAS

PEDRO A GOMEZ RIVAS

Compresor. Compresor.

Es una máquina que fundamentalmente se utiliza para elevar Es una máquina que fundamentalmente se utiliza para elevar la presión de un gas pasando de presión baja a otra más alta. la presión de un gas pasando de presión baja a otra más alta. Una variante de ésta máquina sirve tambien para producir Una variante de ésta máquina sirve tambien para producir vació; sin embargo, no estudiaremos esta variante porque la vació; sin embargo, no estudiaremos esta variante porque la demanda para ésta utilización es muy escasa.

demanda para ésta utilización es muy escasa. Grupo de compresor autónomo.

Grupo de compresor autónomo.

Es un grupo completo montado en un patín y está formado Es un grupo completo montado en un patín y está formado por el accionamiento primario, compresor, aparatos por el accionamiento primario, compresor, aparatos necesarios para la refrigeración, depuradores, colectores de necesarios para la refrigeración, depuradores, colectores de humedad, mandos de seguridad y tuberías. O sea, un grupo humedad, mandos de seguridad y tuberías. O sea, un grupo completo para conectarlo con las tuberias de aspiración o completo para conectarlo con las tuberias de aspiración o descarga.

descarga.

Usos de un compresor. Usos de un compresor. Un compresor se utiliza en: Un compresor se utiliza en:

1.

1. Transferencia  Transferencia de de gas gas desde desde pozos pozos productores productores de de bajabaja presión hasta las Plantas de Procesamiento.

presión hasta las Plantas de Procesamiento. 2.

2. Comprimir gas para devolverlo a la formación petrolíferaComprimir gas para devolverlo a la formación petrolífera con el objetivo de mantener presión o aumentar la con el objetivo de mantener presión o aumentar la presión del yacimiento.

presión del yacimiento. 3.

3. Devolver el gas a la formación cuando el propietarioDevolver el gas a la formación cuando el propietario desea reducir la proporción gas-petroleo. Algunos desea reducir la proporción gas-petroleo. Algunos estados limitan la cantidad de gas que se puede estados limitan la cantidad de gas que se puede producir o vender por barril de petroleo producido. Por producir o vender por barril de petroleo producido. Por lo tanto, el propietario de los pozos que producen lo tanto, el propietario de los pozos que producen demasiado gas por barril de petróleo tiene que devolver demasiado gas por barril de petróleo tiene que devolver parte del gas al yacimiento para obtener más petróleo. parte del gas al yacimiento para obtener más petróleo. 4.

4. Transferir gas para llevarlo a Transferir gas para llevarlo al punto de consumo.l punto de consumo. 5.

5. Aumentar presión en tubería de almacenamiento.Aumentar presión en tubería de almacenamiento. 6.

6. Comprimir aire para distintos usos en todas lasComprimir aire para distintos usos en todas las industrias.

Compresor. Compresor.

Es una máquina que fundamentalmente se utiliza para elevar Es una máquina que fundamentalmente se utiliza para elevar la presión de un gas pasando de presión baja a otra más alta. la presión de un gas pasando de presión baja a otra más alta. Una variante de ésta máquina sirve tambien para producir Una variante de ésta máquina sirve tambien para producir vació; sin embargo, no estudiaremos esta variante porque la vació; sin embargo, no estudiaremos esta variante porque la demanda para ésta utilización es muy escasa.

demanda para ésta utilización es muy escasa. Grupo de compresor autónomo.

Grupo de compresor autónomo.

Es un grupo completo montado en un patín y está formado Es un grupo completo montado en un patín y está formado por el accionamiento primario, compresor, aparatos por el accionamiento primario, compresor, aparatos necesarios para la refrigeración, depuradores, colectores de necesarios para la refrigeración, depuradores, colectores de humedad, mandos de seguridad y tuberías. O sea, un grupo humedad, mandos de seguridad y tuberías. O sea, un grupo completo para conectarlo con las tuberias de aspiración o completo para conectarlo con las tuberias de aspiración o descarga.

descarga.

Usos de un compresor. Usos de un compresor. Un compresor se utiliza en: Un compresor se utiliza en:

1.

1. Transferencia  Transferencia de de gas gas desde desde pozos pozos productores productores de de bajabaja presión hasta las Plantas de Procesamiento.

presión hasta las Plantas de Procesamiento. 2.

2. Comprimir gas para devolverlo a la formación petrolíferaComprimir gas para devolverlo a la formación petrolífera con el objetivo de mantener presión o aumentar la con el objetivo de mantener presión o aumentar la presión del yacimiento.

presión del yacimiento. 3.

3. Devolver el gas a la formación cuando el propietarioDevolver el gas a la formación cuando el propietario desea reducir la proporción gas-petroleo. Algunos desea reducir la proporción gas-petroleo. Algunos estados limitan la cantidad de gas que se puede estados limitan la cantidad de gas que se puede producir o vender por barril de petroleo producido. Por producir o vender por barril de petroleo producido. Por lo tanto, el propietario de los pozos que producen lo tanto, el propietario de los pozos que producen demasiado gas por barril de petróleo tiene que devolver demasiado gas por barril de petróleo tiene que devolver parte del gas al yacimiento para obtener más petróleo. parte del gas al yacimiento para obtener más petróleo. 4.

4. Transferir gas para llevarlo a Transferir gas para llevarlo al punto de consumo.l punto de consumo. 5.

5. Aumentar presión en tubería de almacenamiento.Aumentar presión en tubería de almacenamiento. 6.

6. Comprimir aire para distintos usos en todas lasComprimir aire para distintos usos en todas las industrias.

Compresor reciprocante Compresor reciprocante

Compresor reciprocante es una máquina que comprime e

Compresor reciprocante es una máquina que comprime el gasl gas mediante el desplazamiento de un piston dentro de un mediante el desplazamiento de un piston dentro de un cilindro. A continuación describiremos el ciclo ideal y el real cilindro. A continuación describiremos el ciclo ideal y el real en un compresor reciprocante.

en un compresor reciprocante.

n el ciclo ideal de la compresión, la descarga del gas n el ciclo ideal de la compresión, la descarga del gas

esarrollada por el motor del esarrollada por el motor del

P P R R E E S S II O O N N VOLUMEN VOLUMEN C I C I C L C L O O I I D E D E A LA L  A  A BB C C D D P1 P1 P2 P2 V1 V1 V2 V2 E E

comprimido es 100%. El vector A-B representa el movimiento comprimido es 100%. El vector A-B representa el movimiento del stroke o carrera de succión en el cual el gas empieza a del stroke o carrera de succión en el cual el gas empieza a ingresar al cilindro a travez de la válvula de succión hasta el ingresar al cilindro a travez de la válvula de succión hasta el volumen V1 que es el volumen total del cilindro de volumen V1 que es el volumen total del cilindro de compresión, durante éste movimiento la presión P1 compresión, durante éste movimiento la presión P1 permanece constante y es igual a la presión en la succión o permanece constante y es igual a la presión en la succión o tubería de carga al compresor.

tubería de carga al compresor. En el punto “B”, la fuerza d En el punto “B”, la fuerza d

compresor actua positivamente y comprime el gas hasta el compresor actua positivamente y comprime el gas hasta el punto “C” en el cual se alcanza la presión deseada de punto “C” en el cual se alcanza la presión deseada de descarga P2 y es éste el momento en el cual la válvula de descarga P2 y es éste el momento en el cual la válvula de salida se abre permitiendo la transferencia total del gas del salida se abre permitiendo la transferencia total del gas del cilindro de compresiónal sistema en el punto D. Como cilindro de compresiónal sistema en el punto D. Como asumimos que estamos operando un compresor ideal o asumimos que estamos operando un compresor ideal o perfecto que nos permite hacer una compresión ideal, el perfecto que nos permite hacer una compresión ideal, el punto “D” corresponderá a un volumen de cero cuando se punto “D” corresponderá a un volumen de cero cuando se cierran las válvulas de salida. Aquí empieza el retorno del cierran las válvulas de salida. Aquí empieza el retorno del pistón, pasando del punto “D” al punto “A” y de la presión P2 pistón, pasando del punto “D” al punto “A” y de la presión P2 a la presión P1 idealmente, ya que al llegar al punto “D”, a la presión P1 idealmente, ya que al llegar al punto “D”, como el volumen es cero, no habrá moléculas remanentes de como el volumen es cero, no habrá moléculas remanentes de gas y la presión, en éste instante, no tendrá ningún valor, gas y la presión, en éste instante, no tendrá ningún valor,

luego tan pronto se abran las válvulas de entrada de gas en el punto “A” la presión será la de carga o succión al compresor, “P1”, iniciándose nuevamente el ciclo de compresión.

En la realidad los equipos de compresión no son perfectos, ni se puede pensar en una compresión ideal, por lo que es mejor analizar el ciclo real que sucede en un compresor reciprocante, modelo más conocido en el campo petrolero.

P R E S I O N VOLUMEN

C I C L O R E A L

0

4

3

1

2

6

5

CLEARANCE

Posición 1

INICIO DEL STROKE O CARRERA DE COMPRESIÓN VÁLVULAS DE SUCCIÓN Y DESCARGA CERRADAS Posición 2  APERTURA DE VÁL VULA DE DESCARGA Posición 3

INSTANTE FINAL DEL STROKE O CARRERA DE COMPRESIÓN E INICIO DEL STROKE

O CARRERA DE DE SUCCIÓN. VALVULAS DE SUCCIÓN O CARGA Y DESCARGA CERRADAS.

Posición 4

VÁLVULAS DE SUCCIÓN O CARGA ABIERTAS

C I C L O R E A L D E C O M P R E S I O N

En las figuras de los ciclos ideal y real se puede observar claramente las diferencias en diagramas. Complementamos la explicación con el gráfico de posición del pistón en cada uno de los puntos del ciclo real de compresión que podemos observar en cualquier comprsor reciprocante.

Posición 1

Este es el inicio del stroke o carrera de compresión. El cilindro está lleno de gas a la presión de succión. El pistón empieza a desplazarse para llegar a la posición 2, el gas es comprimido por éste desplazamiento del pistón y está representado por el tramo curvo 1-2.

Posición 2

En éste punto la presión del cilindro supera en un diferencial a la presión existente en la tubería de descarga. Este diferencial origina la apertura de la válvula de la descarga. La descarga o transferencia de gas continúa hacia la tubería . Esta acción está representada por el tramo 2-3 en el diagrama y por el cambio de posición del pistón desde la posición 2 a la posición 3.

Posición 3

En ésta posición, el pistón completó toda la descarga o transferencia del gas desde el cilindro de compresión hasta la tubería ó linea de descarga. En éste instante termina el stroke o carrera de descarga.

Es obvio que el diseño de un compresor no pueda lograr un acoplamiento perfecto de las superficie circular del pistón y el extremo del cilindro, éste es el origen del volumen remanente de gas, el cual recibe el nombre de CLEARANCE VOLUMEN 0 VOLUMEN MUERTO.

Al empezar el retorno del pistón, la presión dentro del cilindro será mayor que la presión de succión, porque el volumen muerto o volumen clearance está a la presión de descarga, y se irá expandiendo (Ley de Boyle) con la consecuente disminución de presión a lo largo de la curva 3-4, hasta llegar a la presión de succión en el punto 4.

Posición 4

En éste punto, al estar la presión del cilindro igualizada con la presión de succión o de carga al compresor, y empezar el stroke o carrera de succión, se produce la apertura de la válvula de succión permitiendo el ingreso del gas al cilindro. Esta acción está representada por el tramo 4-1.

La compresión del gas natural origina tambien incremento de temperatura, éste incremento de temperatura hace necesario enfriar el gas para que pase a la siguiente etapa de compresión a la temperatura adecuada.

Despues de la exposición de los ciclos ideal y real de compresión pasamos a conocer otros conceptos necesarios para poder calcular un compresor

de gas.

Desplazamiento del pistón: “PD”

Es el volumen de gas natural desplazado por el pistón en su desplazamiento desde la Posicion 1 (botton dead center) hasta la posición 3 (top dead center). El “PD” se expresa normarmente en pies cubico por minuto, PCM.

En el caso de los cilindros de doble acción se incluye el barrido de la otra superficie del cilindro descontando el volumen del eje (Piston Rod Displaces). Su ecuación es:

AHE x S x RPM PD =

---1728 donde:

AHE = Area HE del pistón S = Stroke, inches

RPM = Revoluciones x minuto

PD = PCM, pies cubicos por minuto

Para un cilindro de Doble Acción, el PDDA es: AHE x S x RPM ACE  x S x RPM PDDA = +

---1728 1728

Esta ecuación podemos reducirla:

S x RPM x 2 AR

PDDA = --- x [ AHE - --- ]

1728 2

donde AR = Area Rod HE = Head End CE = Crank End

Los valores PD vienen tabulados en función de los otros parámetros, S, RPM, Areas.

P I S T O N D E D O B L E A C C I O N

HEAD END

CRANK END

COMPRIME A

LA IDA

COMPRIME A

_{LA VUELTA}

Relación de compresión.

Llamada tambien THE COMPRESSION RATIO, (R)

se define como la relación de la presión absoluta de descarga entre la presión absoluta de la succión o carga de un cilindro compresor.

En el gráfico del ciclo real de compresión, el trazo 2-3 representa la presión de descarga y el trazo 4-1 representa la presión de succión o carga al cilindro compresor.

Espacio muerto

Llamado tambien CLEARANCE VOLUMEN, (CL) es el volumen remanente en el cilindro compresor al final del stroke o carrera de descarga. En el gráfico del ciclo real el punto 3 el volumen del espacio muerto. Este incluye el espacio entre el final del pistón y el cabezo del cilindro, el espacio libre en las válvulas de succión y descarga, entre estas y sus respectivos asientos.

Porcentaje de espacio muerto

Llamado tambien PERCENT CLEARANCE, (% CL) es el volumen de espacio muerto, pero expresado como porcentaje del desplazamiento del pistón. Por ésta razón el término por ciento del espacio muerto está representado así:

Vc (Espacio muerto en inch3)

CL ( % Espacio muerto) = ---h3)

ara cada lado de la acción del pistón es diferente y el

pendiente utilizaremos:

% CL HE (ida) = --- x 100

VcCE

% CL CE (vuelta) = --- x 100

están en pulgadas cúbicas pies cúbicos por minuto.

s un valor adimensional que se obtiene de la relación entre

K =

---fico a presión constante lor específico a volumen constante

ante %

PD (Despzmto del pistón en inc En los cilindros de Doble Acción el porcentaje de Clearance p

porcentaje final será igual a la suma de los espacios muertos, entre la suma de los PD ( descontando el volumen del ROD o barra del pistón.

Para el cálculo ind

VcHE PDHE

PDCE Las unidades en estas ecuaciones  y 

Constante K de los gases. E calores específicos: Cp Cv Donde Cp = Calor especí Cv = Ca

Esta ecuación permite la igualdad PVK  _{= Const}

Eficiencia volumétrica

e representa por “Ev” y como su nombre lo indica sirve para étrica de un cilindro compresor.

rácterísticas del gas que dependen de la conastante K

- %CL ( (----)1/K _{- 1)}

del diagrama “PV” S

medir la eficiencia volum

La Eficiencia Volumétrica es afectada por el Espacio Muerto (CL).

El efecto está en función de la Razón de Compresión (R) y de las ca

La formula para encontrar el porcentaje de la Eficiencia Volumétrica es:

P2 % Ev = 100 – R

P1

esta ecuación puede ser derivada

P R E S I O N VOLUMEN

D I A G R A M A P V

V3

4

3

1

2

P2 , P3

P1 , P4

V4

V2

V1

Volumen Desplazado……… VD = V1 – V3 Volumen inducido dentro del cilindro = V1 – V4

V1 – V4 ntonces: Ev =

---i => CL = ---- (expresado como fracc---ión)

spejamos V1 = VD + V3 VD ---- = ---ción a 1/k ---- = ( --- )1/K P4 er lo siguiente nces V4 = V3 ( --- )1/K P2 V4 = CL x VD ( --- )1/K E VD V3 S VD Entonces ---> V3 = CL x VD De la ecuación VD = V1 – V3, de

Y en ésta ecuacion reemplazamos V3. V1 = VD + CL x P3 x V3k _{= P4 x V4}K

V4k _P3

V3K _P4

Elevamos los dos términos de la ecua

V4 P3

V3

Pero , en el diagrama PV podemos v

P2 = P3 y P1 = P4, ento

P2 P1 Reemplazamos el valor de V3

La Eficiencia Volumétrica es : V1 - V4 Ev = ---or de V1 y V4 y nemos: + (CL x V_D)) - (CL x V_D x (P2/P1)1/K ₎ v = ---(CL x (P2/P1)1/K ₎ métrica es:

o toma encuenta los ctores que afectan la Eficiencia Volumétrica del cilindro

de compresión y el calor residual dentro del

n la finalidad VD

En ésta ecuación reemplazamos el val te

(V_D E

V_D Eliminando VD, nos queda:

Ev = 1 + CL

-Ordenamos para sacar el factor CL y tenemos Ev = 1 - (CL   x (P2/P1)1/K _{) + CL}  Sacamos el factor común CL y la Eficiencia Volu

Ev = 1- CL ( (P2/P1)1/K - 1 ) Ecuación basada en el diagrama PV n fa

compresor, por debajo de las reales condiciones de operación. No debemos olvidar que en la práctica, las presiones dentro del cilindro son ligeramente mayores que las presiones de succión y descarga en las bridas por efectos de “▲ Ps” (caida de presión).

La linea de reexpansión real, tiene un poco más de pendiente que la linea

cilindro tiende a transferirse al gas de succión.

Por ésta razón se adiciona el factor “RC” (razón de compresión a la ecuación ideal, calculada anteriormente, co

de compensar los efectos de los factores de variación mencionados antes.

En consecuencia, la ecuación final de porcentaje de eficiencia volumétrica se convierte en:

- %CL ( R1/k - 1 )

a potencia requerida para un cilindro compresor depende de ajo que se necesita durante un ciclo

potencia por unidad de

as leyes de los gases ideales nos permiten analizar el Ideales.

a Presión Absoluta es igual a la suma de la Presión sférica tomada a nivel del

ABS = Pman + 14.73

a temperatura absoluta se expresa en grados Rankine y se atura real medida en

ahrenheit + 460º

temperatura constante ( en termodinámica se conoce como ico) el volumen de un gas es inversamente % E_V = 100 – R

Potencia (Horsepower) L 

la cantidad neta de trab completo de compresión.

Las pruebas reales efectuadas en talleres y laboratorio, permiten preparar, curvas de

volumen. Estas curvas tienen como entradas la Relación de compresión R_C y el valor “K” del gas natural comprimido.

Leyes de los Gases Ideales L 

comportamiento de los Gases Concepto de Presión Absoluta L 

Manómétrica más la Presión Atmo mar, es decir 14.73

P

Concepto de Temperatura Absoluta L 

calcula sumando 460º a la temper grados Fahrenheit.

 T ABS RANKINE = T real en F Ley de Boyle

“A

proceso isotérm

V1 P2 ey de Boyle --- =

---Ley de Charles

  presión constante ( en termodinámica se conoce como co) el volumen de un gas es directamente

ey de Charles =

---s de Boyle y Charle---s

--- =

---ca e un s perfecto

sta ecuación es necesaria para las conversiones entre pesos

WRT onde:

en PSIA V = Volumen en Pies cúbicos

45

gas

l valor K de un gas está en función de la relación de los sión constante y a volumen L 

V2 P1

“A

proceso adiabáti

proporcional a la temperatura absoluta:

V1 T1

L 

V2 T2

Ley combinada de de las Leye

P1 V1 P2 V2

 T1 T2

Ecuación Característi d ga E

 y volúmenes de los gases. PV = D P = Presión Absoluta W = Libras  T = Temperatura Absoluta ºR 15 R = ---Peso molecular del Calculo de la constante K

E

calores específicos a pre constante.

D e la cua ión e c anterior tenemos: K = MCP/ MCV carburos aseosos tenemos: cuación de K y nemos: K = ---ond :

CP = Capacidad Molar calórica a presión constante r calorica a volumen constante

on ndo

ólo la Capacidad Calórica a presión constante, (MCP).

ante la

Nombre

Formula MC

_P

a 150 ºF

Por otro lado recordamos que para todos los hidro g

MCV = MCP - 1.986

Este valor de MCV lo reemplazamos en la e te MC_P MC_P - 1.986 D e M = Peso Molecular M MCV = Capacidad Mola

  1.986= Constante para todos los hidrocarburos gaseosos

C ésta ecuación es posible calcular el valor K conocie s

Existen tablas, como la siguiente, donde figuran los valores de MCP correspondiente a la temperatura asumida dur

compresión de 150 ºF.

Metano

CH

4

8.97

Etano

C H

2 6

13.78

Propano

C

3

H

8

1

9.58

I Butano

C

4

H

10

25.82

N Butano

C

4

H

10

26.16

I Pentano

C

5

H

12

32.20

N Pentano

C

5

H

12

32.39

Hexano

C

6

H

14

38.70

Heptano

C

7

H

16

45.00

Ejemplo del valor K par una mezcla gaseosa

iente mezcla Encontrar el valor de la constante K para la sigu

Nombre

Símbolo

%

Metano C1 92.16 Etano C2 4.88 Propano C3 1.85 I Butano i - C4 0.39 N Butano n -C4 0.55 I Pentano I - C5 0.17  T O T A L 100.00 Solución:  A B C D B=A/100 D = B x C

Nombre % Fracción molar MCp a 150 ºF

Metano 92.16 0.9216 8.97 _8.267 Etano 4.88 0.0488 13.78 _0.672 Propano 1.85 0.0185 19.58 _0.362 I Butano 0.39 0.0039 25.82 _0.101 N Butano 0.55 0.0055 26.16 _0.144 I Pentano 0.17 0.0017 32.2 _0.055 N Pentano 0.00 0.0000 32.39 _0.000 Hexano 0.00 0.0000 38.7 _0.000 Heptano 0.00 0.0000 45 _0.000 Total _{100.00 1.0000 9.6008} valor K = MCp/ (MCp - 1.986) = 1.260809133 1.26

Tipos de Compresores

 xisten cuatro tipos de compresores conocidos.

- Rotativos

gos tes Compresores Axiales

stan compuestos por dos grupos de hojas axiales, un grupo otro permanece estacionario. El gas

rir

 xisten dos tipos de compresores rotativos: de alta presión.

as de 125 psig) stán conformados por dos hélices rotativas que giran dentro

n hacen al funcionar. E - Axiales - Centrífu - Reciprocan E

axial rota mientras el

circula en forma paralela al eje de rotación del compresor.

En precio, estos equipos son mas económicos que los centrífugos cuando su aplicación se hace para transfe caudales mayores a 70 MPC (mil pies cúbicos por minuto). Son compresores de tamaño pequeño pero su eficiencia es ligeramente mayor que las centrífugas.

Eficiencia de compresión: Entre 75 y 82 % . Compresores rotativos

E

1.- Compresores rotativos

2.- Compresores rotativos de baja presión. Compresores rotativos de alta presión (m E

de un ambiente cerrado sin entrar en contacto. So compresores de bajo costo y tiene una eficiencia mayor que los compresores centrifugos equivalentes tipo centrífugos. No son muy sensitivas a las propiedades del gas, pueden comprimir gas ligeramente sucio.

La desventaja más notoria pero que la tecnología está logrando controlar es el ruido que

Compresores rotativos de baja presión (hasta 125 psig) ifieren de los anteriores en el diseño mecanico de las hélices

la

gos

stán compuestos por uno o varios impulsores que giran a il RPM) dentro de la caja de

ral superiores a los 100

n (+ de 18000 horas de trabajo) sin requerir

 y a la constante politrópica del gas.

n la

os compresores reciprocantes tienen ventajas operativas que s conocidos en el campo de la

descarga y de succión

las operaciones de campo. D

rotativas. El costo es menor que los de alta presión por metalurgia de los materiales. La eficiencia de compresión varía entre 75 y 80 %.

Compresores centrífu E

altas revoluciones (+ de m

impulsores (casing). El caudal que circula dentro de la caja de impulsores es de tipo continuo.

La alta velocidad, típica en éstos compresores, hace posible comprimir volúmenes de gas natu

mpcd y el tamaño del equipo no requiere gran espacio en planta.

Se caracterizan por operar durante periodos largos de operació

Reparación Mayor.

La alta velocidad de trabajo hace sensible a la densidad del gas, peso molecular

El efecto más significativo es el incremento de la constante politrópica del gas originado por la disminución e

densidad o disminución en el peso molecular. La consecuencia inmediata es la variación de la Relación de compresión (R).

La Eficiencia de compresión varía entre 70 y 78 %. Compresores reciprocantes.

L 

los han ubicado como los má

Industria del crudo y del gas natural.

Están compuestos por pistones que se desplazan dentro de los cilindros hasta que las válvulas de

actúen de acuerdo con el diseño.

Este tipo de compresor es de menor precio y de mayor eficiencia que los otros modelos en

En el campo de Talara y Selva del Perú se utilizan desde 1960 los compresores reciprocantes.

Ventajas de un compresor reciprocante

Las ventajas de un compresor reciprocante son las iguientes:

uy sensibles a las cambios de las características el gas.

e adaptan facilmente a los requerimientos de Refinerias, antas de proceso de gas natural y sistemas de recolección volúmenes de gas

l compresor reciprocante es de desplazamiento con simple o nstante pero no continuo como los centrífugos.

l en s

- Capacidad adaptable en la industria petrolera - No son m

d

- Permite controlar cargas intermitentes.

- Son económicos para operaciones de alta presión.

Capacidad adaptable a requerimientos. S

Pl

de gas en campo, en función de los

disponibles pueden diseñarse con cilindros de diferente tamaño y de 1,2 ó 3 etapas. Son accionados por motor a gas o motor eléctrico acoplados directamente. Tambien hay modelos integrales (un sólo cigueñal mueve a motor y compresor. El diseño de cada etapa permite intercalar enfriadores y separadores de condensado cuyo valor es significativo.

No son muy sensibles a las cambios de las características del gas.

E

doble acción, este desplazamiento de ir y venir origina un caudal co

Comprimen el mismo volumen de gas a los mismos niveles de presión independiente si lo que comprimen es hidrógeno o butano. Esta característica es de importancia fundamenta los campos de petróleo porque permite comprimir gas aunque la composición del gas sufra alguna variación en su composición y porque permite reubicar físicamente el equipo de un lugar a otro según la producción de gas natural.

Si comparamos con un centrifugo, el diseño y tamano del centrifugo requería mayor número de impulsores para llegar a igual descarga que un reciprocante.

Pero tambien debemos señalar que la tecnología continúa con los avances y está logrando acortar las diferencias entre uno  y otro modelo.

Permite controlar cargas intermitentes.

El diseño de cada etapa permite manejar manual y ficientemente las cargas intermitentes. Esta ventaja es

ión de gas en los

istemas de lta presión porque los caudales en alta presión son bajos y

altos.

ntajas de los compresores reciprocantes Periodos cortos de operación continua.

Factor de servicio menor al 100 %.

ua.

n válvulas de metalurgia ntigua, los mantenimientos de operación se incrementan. e

significativa considerando que la producc

reservorios es constante pero el caudal no es continuo. Se usan Bolsillos ( Clearance pockets o válvulas aliviadoras de succión), que minimizan las pérdidas de potencia.

Son económicos para operaciones de alta presión. Existe la tendencia a no usar los centrífugos en s a

los centrífugos tiene impulsores que mueven caudales

La aplicación de los reciprocantes en los sistemas de alta presión es muy apropiada en rangos de 2500 hasta 50000 psig.

Desve

-- Problemas de pulsación y vibración.

-Periodos cortos de operación contin Si los compresores reciprocantes usa a

SERVICIO MESES ENTRE PARADAS

Gas sucio 2 a 3

Gas limpio 4 a 6

Aire 6 a 10

Estos periodos se acortan si el motor es de combustión a y no se hace mantenimiento predict

En algunas empresas para superar este cuadro, se opta por compresores SPARE ( de repuesto o de reemplazo ).

ctualmente los grandes avances en investigaciones de o lado el

mientos de los pistones en los cilindros originan audales constantes pero no continuos, además los caudales n continuos originan

or al 100 % se origina por s tiempos de parada para mantenimiento, teniendo en

ace en un periodo de 5 A

metalurgia y en modelos de válvulas, hacen posible la fabricación de válvulas termoplasticas y por otr

analisis predictivo aplicado en los motores de combustión interna han revolucionado los tiempos de parada de los equipos.

Problemas de pulsación y vibración. Los movi

c

de succión en algunos casos no so

vibraciones que incrementan el desgaste de las piezas. Los avances en análisis de esfuerzos y vibraciones permiten diseñar bases con perfiles de acero rellenados parcialmente con concreto armado principalmente debajo del motor y compresor. Estos equipos ya no necesitan construir bases profundas y costosas.

Se puede completar, si el caso lo requiere, con instalación de botellas de pulsación (DAMPERS).

Factor de servicio menor al 100 %. El origen del factor de servicio men lo

cuenta que una reparación mayor se h

a 14 días en función de la potencia del equipo. Los porcentajes del factor de servicio varían de 93 % en equipos que comprimen gas sucio hasta 98 % en equipos que comprimen gas limpio. El uso de gas combustible que viene directamente de los separadores de las baterías de producción origina carbonización rápida en las válvulas de los motores de combustión interna. El uso de este gas representa un ahorro para el área operativa pero incrementa los costos de mantenimiento. Costos que afectan la rentabilidad de las compañías dedicadas al mantenimiento de los equipos. Por ésta razón es recomendable utilizar gas comprimido, filtrado y enfriado, para que la combustión sea lo más limpia posible.

Diseño de compresores

Para diseñar un compresor un comprsor se requiere básicamente conocer la composición, volumen, temperaturas succión y descarga, y altura sobre

son las consideraciones básicas:

Motores

gas

mpresión

nto interetapas (intercooler) que

Presión

n la tabla siguiente podemos observar la presión de trabajo el tipo de material para gas no corrosivo.

de entrada, presiones de nivel del mar.

Consideraciones Generales Las siguientes Presion  Temperatura Sobrecar Relación de co Enfriamie Aire de arran E  y 

Tipo de cilindro Presión de trabajo (Psig)

Cast iron (hierro colado o Hasta 1000 fundido)

Cast iron nodular Hasta 1500

Cast Steel (acero fundido) HastA 2500 Refined Steel (acero refinado)

es.

Encima de 2500 Se aplican aleacion

Para seleccionar el tipo de ma amos en la

sivo, se hace tratamiento químico del as o se slecciona material de acuerdo con las normas de

. El diseño de cada válvula implicará calibración con un valor de asentamiento de 10 % como mínimo. Por

terial cuando est presencia de gas corro

g

AGA y API.

Es indispensable instalar una válvula de seguridad en cada etapa, previendo la generación de altas presiones no controlables

ejemplo, si un etapa está descargando a 300 psig, la válvula de seguridad debe actuar a 330 psig, caso contario se pone en peligro inicialmente el motor porque generará mayor potencia si es que su caballaje lo permite o puede fallar quebrando brazos de biela. Por ejemplo si tenemos un compresor de 6 etapas diseñado con 15 psig de succión y 5000 de descarga, pero lo hacemos trabajar con 20 psig de succión, estaremos sobrecargando el motor en un 25 % , lo que significa riesgo alto para el motor. La posible rotura pone en peligro no sólo el motor sino las instalaciones cercanas. Si se trata del cilindro de primera etapa debemos cuidar que la presión no supere la calidad del material, es posible que se originen recalentamientos que posteriormente produzcan fallas por fatiga de material.

La válvula de seguridad en el cilindro de descarga debe estar calibrada con 25 psig encima de la presión de descarga. En algunos casos por necesidades de operación se asienta a mayor presión, lo cual origina riesgos que no deberían

requerida supera los 100 HP , no debe superar s 350 ºF porque encima de ésta tempertura se alteran las ropiedades de los lubricantes y es temperatura crítica para

hierro fundido.

rga de cada etapa debe

los ompresores a motores de combustión interna o a motores con reductor de velocidad. Las turbinas no son recomendables por la alta velocidad que desarrollan.

presentarse. Temperatura Si la potencia lo p los cilindros de

La temperatura mínima para los lubricantes es –40 ºF, porque si se trabaja con temperaturas más frias se requiere compresores sin lubricación.

Las temperaturas de desca

especificarse en función de las condiciones de operación, ésta especificación influye en el diseño del enfriador del gas.

Motores

Los compresores reciprocantes operan entre 350 y 950 rpm, velocidad que hace posible acoplar directamente

c

BHPs mínimos requeridos por un motor

(BHP Normal del compresor) (Factor de carga) BHP (mín requeridos) =

---Eficiencia mecánica de la transmisión

obrecargas S

Cualquier incremento en la presión de succión o de carga al

uy buen estado y con filtro (gorro de bruja) instalado en la de carga.

nen materiales y diseños patentados ue les permite aplicarlas. Se llega algunas veces a encontrar de hasta 7.8 en compresores de

ando la presor no podrá abajar por los peligros que representa en el material del estructura de los

l compresor o por motores compresor resulta en sobrecarga al motor. Por ésta razón debe operarse el compresor con un regulador de presión en m

tubería o línea

Relación de compresión

En general la relación de compresión recomendada es de 5.0. sin embargo algunos fabricantes aplican mayores relaciones de compresión porque tie

q 

Relaciones de Compresión

aire que cargan con cero psig y descargan 100 psig.

La Relación de compresión va ligada directamente al diseño de resistencia de la barra del piston (ROD)

Enfriamiento interetapas ( intercooler )

El enfriamiento es necesario siempre y cu

temperatura no exceda los 350 º F porque si es mayor definitivamente el conjunto motor com

tr

cilindro de la primera etapa y en la componentes de los lubricantes.

El diseño de los enfriadores implica un sistema cerrado con agua tratada químicamente y de radiadores con tubos por donde circulan gas calente y tubos por donde circula agua caliente que se enfriarán por la acción de los ventiladores movidos por el mismo motor de

auxiliares. Es importante la dirección del viento para que los ventiladores trabajen adecuadamente en campo.

El enfriamiento interetapas origina condensación de hidrocarburos como propano, butano, pentano, hexano y

gasolina liviana y agua cuyo valor por barril supera los 10 dólares.

El tratamiento del agua de enfriamiento es muy importante

teados.

s avances tecnológicos en el para arranque de los motores de ombustión interna baje de 250 psig hace unos 15 años

o gas utilizados no tengan

eterminar la temperatura del gas en la descarga.

2 = T 1 x Rc( ---)

ida ºRanquine 1 = Temperatura de entrada ºRanquine

= Relación de compresión (sin unidad) K = Constante del gas ( sin unidad )

porque incide directamente en el tiempo de vida util de los tubos del enfriador. El costo de un panel radiadores supera los mil dólares. Algunos equipos necesitan varios paneles de tubos ale

Si se enfría correctamente el gas se puede ahorrar entre 3 y 5 % de los BHPs requeridos.

Requerimientos para el arranque de un compresor Las investigaciones científicas y lo

diseño de los arrancadores han hecho posible que las presiones de gas o de aire

c

hasta 150 psig actualmente.

Algunas empresas utilizan gas comprimido, pero la tendencia es a eliminarlo por los riesgos que respresenta. Es obvio que el adecuarse a las normas actuales implica inversiones adicionales que cada empresa debe evaluar debidamente.

Es importante que el aire presencia de líquidos.

En otros casos se utilizan un conjunto de baterías para arranque de los motores de combustión interna

Fórmulas auxiliares D

Se utiliza la siguiente fórmula: K-1

 T 

K

Donde: T 2 = Temperatura de sal T 

Determinar el número de etapas de un compresor.

Para determinar el número de las etapas de un compresor

Donde: Re = Relaci n = Núme Pn = Presión Po

ple de etapa simple

(medidos a 14.7 psig 60 ºF

Presión de descarga = 40 Psig a de Succión = 90 ºF

ción: 3000 pies de altura sobre el nivel del mar. alcular:

resores requeridos

cilindros de compresión para I.- Capacidad controlada.

co y encontramos que a 3000 pies de altura , .1 psig, entonces:

P1 = 5 + 13.1 = 18.1 psig P2 = 40 + 13.1 = 53.1 psig multicilindrico se utiliza la siguiente ecuación:

n Pn

Po ón de compresión

ro aproximado de etapas final de descarga

= Presión inicial de succión Cálculo de un compresor de etapa sim Información:

1.- Capacidad requerida: 10,500 MSCFD  y 

2.- Condiciones de presión: Presión de succión = 5 Psig 3.- Temperatur

4.- Constante del gas K = 1.25 5.- Loca

C

I .- Tipo, caballaje, y número de comp II.- Tamaño, clase y número de

cada máquina. II

Solución

Necesitamos la presión atmosférica a 3000 pies de altura. Revisamos gráfi

La relación de de compresión será:

53.1/18.1 = 2.93

 y con el dato de inal aplicando

programa y tenemos

Revisamos la curva respectiva y encontramos que para Rc igual a 2.93 y Constante del gas K = 1.25 se necesitan 64.9 BHP por cada MMCFD. Debemos encontrar el volumen a 4.4 psig (presión en curva revisada) y a la temperatura de

Rc, calculamos la temperatura f  la ecuación: K-1  T 2 = T 1 x Rc( ---) K Aplicamos el

BHP requeridos por Millón de pies cúbicos

1

succión. Aplicamos el programa

Temperatura de succión 90 F = 460 = 550 Rankine

= 2.9337

Constante del gas = 1.25

Constante menos uno = 0.25

(K menos 1) / k = 0.200

Rc elevado a { (k - 1)/K } = 1.24018

T2 = T1 por Rc elevado a {(k-1)/k} = Grados Rankine

T final = 222 Grados F

álculo de temperatura de descarga C

Relación de compresión

682

Volumen a las condiciones de medición = 10500000 PCD

Temperatura de medicion del gas. F

Cálculo del volumen a la temperatura de succión

60 = 520 Rankine

Temperatura de succión del gas F 90 = 550 Rankine

Presión atmosférica de medición del gas, psig = 14.7 psig

Presión atmosférica (curva BHP) = 14.4 psig

Volumen a 14.4 psig y temperatura de succión = 11337139 PCD a

14.4 psig.

Según el manual que dispongamos, es posible a ar la cifra de la potencia requerida.

n la marca Cooper bessemer el equipo que más se acerca a 36 HP es el de 800 hps y considerando que el equipo abajará en una locación ubicada a 3000 pies sobre el nivel del mar, para esa altura Coper Bessemer recomienda ajusta

 xcede las 10 psig. Se aplica la

PD x EV =

2.- Igualm a presión

e 10 psig, la eficiencia volumétrica se determina con los ráficos EV y además se usa la ecuación:

BHP requeridos = (BHP/MMPCD) * (Capacidad/1000000) BHP / MMPCD =

64.9

BHP requeridos =

736

BHP

Cálculo de la potencia requerida

 just E

7 tr

la potencia con el factor 0.934. Aplicamos el programa y tenemos:

HPS equipo mas cercano 800 000 pies 0.93 BHP disponibles 747

Cálculo de la potencia requerida

factor a los 3

Selección de los cilindros compresores

En la selección de los cilindros compresores debemos tener en cuenta lo siguiente:

1.- Si la presión de succión no e ecuación:

BHP x 104

---( BHP/MMPCD ) * ---(P1 – 0.5)

ente, si la presión de succión no excede l d

P2

a selección de cilindros debe cumplir los siguientes

- La presión de trabajo permisible para

cualquier cilindro seleccionado no en exceso.

los cilindros de perar dentro de todos los parámetros.

el fabricante.

arga efectiva nunca debe exceder iba del 3% de los BHPs les en el motor. lumétrica) PD x EV = ---( BH / Aplicamos el programa BHP X 10000 P1 - 0.5 BHP / MMPCD

64.9

TERIOR

6542

Cálculo

Rc2  = ---P1 - 0.5 L  requerimientos: debe estar - Verificar que compresión puedan o

- Las cargas sobre las barras del pistón

no deben exceder las

recomendaciones d

- La c

más arr disponib

Calculo del PD x EV requerido (Desplazamiento del pistón por Eficiencia Vo BHP x 104 ---P MM---PCD ) * (---P1 – 0.5) PD x Ev = 6542 CFM

7472000

17.6

(BHP/MMPCD)*(P1 - 0.5)

1142.24

BPHx10000) / PRODUCTO AN

Si deseamos trabajar con un sólo cilindro, el PD x Ev de 6542 s alto razón por la cual es mejor utilizar dos cilindros. /2 = 3271 volumen con el que se va al manual de la marca y si se trata de un compresor Cooper fórmula: Apli c = 3.02 1.25 el manual de la marca y Ev e Entonces tenemos 6542

Bessemer GMVA de 300 rpm, evaluamos la Rc con la P2

Rc2  = ---P1 - 0.5 camos el program y tenemos

De donde Rc = 3.02

Entonces ya tenemos PD x Ev = 3271 R

K = on estos datos revisamos C

encontramos:

Diámetro Clase % Clearance PD EV PD x 32” CF5 - 14 8.4 3980 0.846 = 3365

requeri

Si no dis te

na lista de los cilindros que fabrica y en base a nuestros el apropiado. No debemos olvidar que etalurgia que utiliza en

Cálculo de la Rc

P2

53.1

P1 - 0.5 =

17.6

Rc = P2 / (P1-0.5) =

3.02

=

Podemos concluir que es el cilindro apropiado para nuestro miento.

ponemos del manual es posible solicitar al fabrican u

cálculos seleccionar

cada fabricante tiene patentes de la m us c indr s.

Evaluación de los cilindros seleccionados

Primero, debemos evaluar la máxima presión permisible.

La p d scarg 40 psig y generalmente la

etalu de ndro e pri op hasta

ercero, verificar si la tensión de la barra, está dentro de los que la máxima

area x P1)

programa para calcular la tensión:

40 ndro) 804 rra 3" ) 7.07  Area rod * P2 283 Te 7 = = = = resión e de a es de

m rgia los cili s d mera etapa s orta

150 psig. Podemos afirmar que no tendremos dificultades para trabajar con el primer cilindro.

Segundo, verificar si los cilindros son afines.

Cada fabricante tiene carácterísticas singulares para sus cilindros, en éste caso son cilindros iguales para la primera etapa y pueden trabajar en paralelo sin ningún problema por

er iguales. s

 T 

límites permisibles.

or ejemplo, si el fabricante nos informa P

tensión que soporta su material de barra (Rod) es:  Tensión = 52500 libras

Compresión = 76000 libras

Entonces para la carga de tensión aplicamos:  T.L. = (CE * Area P2) - (HE

ó la siguiente fórmula

 T.L. = (P2 - P1) AHE - AR x R Para la carga de compresión, utilizamos

C.L. = (P2 – P1) AHE + AR x P1 Las unidades son PSIG

plicamos el A

P2 (psig)

Cálculo de las cargas a la barra (rod)

P1 (psig) 5

P2 -P1 (psig) 35

= =  Area HE ( área HE del cili

 Area rod (área sección ba

(P2-P1) * Area HE = 28140

Ahora aplicamos el programa para calcular la carga de compresió

Ahor P.

Se usa la siguiente fórmula:

BHP = PD x Ev x P1 x BHP/MMPCD x Aplicamos el programa y tenemos:

La

40

5

P2 -P1 (psig)

35

 Area HE ( área HE del cilindro)

04

 Area rod (área sección barra 3" )

.07

(P2-P1) * Area HE

0

 Area rod * P1

3

Carga compresión en barra (libras)

28 5

= = = = = =

sión

= n: P2 (psig)

Cálculo de las cargas compre

P1 (psig) =

8

7

2814

5

17

a procedemos a calcular la carga real en BH  10-4

Número d

Cálculo de las carga real en BHP

e cilindros

2

PD ( manual del fabricante)

3980

60

6

P1 - 0.5 ( psia )

17.6

BHP X 10 a la menos 4

0.00649

Carga real BHP

769

100 % carga

% que representa 0.5 psig

2.8

= = = = = = = PD * # de cilindros =

79

Ev

0.84

0.5

= = sobrecarga en psig

18.1