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• David Solis

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Compresores del gas Antes de utilizar el gas natural u otros gases es necesario someterlos a un proceso de compresión a fin de elevarles su nivel energético. Para realizar este proceso se utilizan compresores, los cuales son máquinas construidas que tienen como finalidad comprimir fluidos en estado gaseoso a determinadas presiones. Tipos de Compresores La industria dispone de una gran variedad de compresores, los cuales se dividen de acuerdo a su principio de operación en dos grandes grupos: a) Compresores Dinámicos o de flujo continuo b) Compresores de Desplazamiento Positivo o de flujo intermitente.

Compresores dinámicos (Centrífugos) En un compresor centrífugo se produce la presión al aumentar la velocidad del gas que pasa por el impulsor y luego al recuperarla en forma controlada para producir el flujo y presión deseada. Estos compresores suelen ser unitarios, salvo que el flujo sea muy grande o que las necesidades del proceso exijan otra cosa. Compresores de Desplazamiento Positivo Son de capacidad constante y tienes descarga de presiones variables. La capacidad se cambia por la velocidad o con el descargador de la válvula de succión. Además, solo hay una pequeña variación en el flujo en una amplia gama de presiones.

Compresores Reciprocantes Los compresores Reciprocantes funcionan con el principio adiabático mediante el cual se introduce el gas en el cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y comprime el cilindro y sale por las válvulas de descarga, en contra de la presión de descarga. Estos compresores rara vez se emplean como unidades individuales, salvo que el proceso requiera funcionamiento intermitente. Compresores de Tornillo Lo que esencialmente constituye el compresor de tornillo, es un par de rotores que tienen lóbulos helicoidales de engranaje constante. Los rotores van montados en un cárter de hierro fundido provisto de una admisión para gas en un extremo y una salida en el otro. Según giran los rotores, los espacios que hay entre los lóbulos van siendo ofrecidos al orificio de admisión y el incremento de volumen experimentado provoca un descenso de presión, con lo que dichos espacios empiezan a llenarse de gas. Al mismo tiempo se inyecta aceite sometido a presión neumática en el gas entrante; no hay bomba de aceite. Cuando los espacios interlobulares están completamente cargados de gas, la rotación, que prosigue, cierra el orificio de admisión y comienza la compresión. El volumen de gas que hay entre los rotores en engrane continuo sufre aún mayor reducción. Cuando se alcanza la presión final a que se somete el gas, el espacio interlobular queda conectado con el orificio de salida. La mezcla descargada de aire/aceite pasa por un separador que elimina las partículas de aceite. Entonces fluye el gas limpio por la tubería neumática.

Selección del compresor Caudal Por caudal entiendo la cantidad de aire que suministra el compresor. Existen dos conceptos. 1. El caudal teórico 2. El caudal efectivo o real En el compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de cilindrada * velocidad de rotación. El caudal efectivo depende de la construcción del compresor y de la presión. En este caso, el rendimiento volumétrico es muy importante.

Presión También se distinguen dos conceptos: La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. En la mayoría de los casos, es de 600 kPa (6 bar). Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta presión. Importante: Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un valor constante. De ésta dependen: - la velocidad - las fuerzas

- el desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo.

Accionamiento Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la mayoría de los casos los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. Generalmente el motor gira un número de rpm fijo por lo cual se hace necesario regular el movimiento a través de un sistema de transmisión compuesto en la mayoría de los casos por un sistema de poleas y correas.

Aunque la aplicación anterior es la más difundida y utilizada industrialmente, el elemento de accionamiento también puede ser un motor de combustión interna. Este tipo de energía es especialmente útil para trabajos en terreno en que no se cuenta con electricidad. Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel ). Regulación Al objeto de adaptar el caudal suministrado por el compresor al consumo que fluctúa, se debe proceder a ciertas regulaciones del compresor. Existen diferentes clases de regulaciones. El caudal varía entro dos valores límites ajustados (presiones máxima y mínima).

Regulación en marcha de vacío a) Regulación por escape a la atmosfera En esta simple regulación se trabaja con una válvula reguladora de presión a la salida del compresor. Cuando en el depósito (red) se ha alcanzado la presión deseada, dicha válvula abre el paso y permite que el aire escape a la atmósfera. Una válvula anti retorno impide que el depósito se vacíe (sólo en instalaciones muy pequeñas). b) Regulación por aislamiento de la aspiración En este tipo de regulación se bloquea el lado de aspiración. La tabuladora de aspiración del compresor está cerrada. El compresor no puede aspirar y sigue funcionando en el margen de depresión. Esta regulación se utiliza principalmente en los compresores rotativos y también en los de émbolo oscilante. c) Regulación por apertura de la aspiración Se utiliza en compresores de émbolo de tamaño mayor. Por medio de una mordaza se mantiene abierta la válvula de aspiración y el aire circula sin que el compresor lo comprima. Esta regulación es muy sencilla. Regulación de carga parcial e) Regulación de la velocidad de rotación El regulador de velocidad del motor de combustión interna se ajusta en función de la presión de servicio deseada, por medio de un elemento de mando manual o automático. Si el accionamiento es eléctrico, la velocidad de rotación puede regularse de forma progresiva empleando motores de polos conmutables. No obstante, este procedimiento no es muy utilizado. d) Regulación del caudal aspirado Se obtiene por simple estrangulación de la tabuladora de aspiración. El compresor puede ajustarse así a cargas parciales predeterminadas. Este sistema se presenta en compresores rotativos o en turbocompresores. Refrigeración Por efecto de la compresión del aire se desarrolla calor que debe evacuarse. De acuerdo con la cantidad de calor que se desarrolle, se adoptará la refrigeración más apropiada.

En compresores pequeños, las aletas de refrigeración se encargan de irradiar el calor. Los compresores mayores van dotados de un ventilador adicional, que evacua el calor.

Cuando se trata de una estación de compresión de más de 30 kW de potencia, no basta la refrigeración por aire. Entonces los compresores van equipados de un sistema de refrigeración por circulación de agua en circuito cerrado o abierto. A menudo se temen los gastos de una instalación mayor con torre de refrigeración. No obstante, una buena refrigeración prolonga la duración del compresor y proporciona aire más frío y en mejores condiciones. En ciertas circunstancias, incluso permite ahorrar un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia. Acumulador de aire comprimido El acumulador o depósito sirve para estabilizar el suministro de aire comprimido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías a medida que se consume aire comprimido. Gracias a la gran superficie del acumulador, el aire se refrigera adicionalmente. Por este motivo, en el acumulador se desprende directamente una parte de la humedad del aire en forma de agua.

Especificaciones técnicas de un compresor El diseño de un compresor y de sus distintos elementos determina su capacidad de trabajo y, por tanto, las aplicaciones en las que puede usarse.

Conocer y comprender las especificaciones técnicas de un compresor es crucial para saber si este es apto o no para un determinado trabajo. A continuación, vamos a tratar dichas especificaciones para que sepamos cómo manejarlas a la hora de elegir un compresor. Alimentación Cuando hablamos de compresores eléctricos, la alimentación se refiere a la tensión nominal de trabajo del motor en Voltios. La tensión nominal habitual son 220 V, pero los compresores con motores eléctricos más potentes, a partir de 4/5CV , trabajan a una tensión nominal de 380 V. Obviamente, este último tipo de compresor queda descartado para uso doméstico, por lo que hay que tenerlo en cuenta a la hora de elegir compresor. Potencia Se refiere a la potencia del motor eléctrico medida en Caballos (CV). Como ya hemos mencionado antes, a mayor potencia del motor, mayor capacidad de mover un compresor de más cubicaje (volumen del cilindro/s), y, por tanto, mayor capacidad de suministro de aire. La potencia del motor de un compresor puede oscilar entre 1,5CV para los compresores más pequeños, y 15CV o más para los compresores industriales más grandes…. Aunque no es una regla exacta y tiene excepciones, cuando vayamos a elegir un compresor podemos tener presente que por cada caballo de potencia del motor, la capacidad de suministro del compresor es de 100 litros/minuto. Número de cilindros Se refiere a cuantos cilindros tiene el compresor. Lo más habitual en bricolaje es un único cilindro, aunque algunos modelos más eficientes pueden disponer de dos cilindros. Capacidad del calderín Es el volumen de aire comprimido expresado en litros que es capaz de almacenar un depósito. Cuanto mayor sea este, más desahogado trabajará el compresor, pero también ocupará más espacio… Los compresores más pequeños disponen de un calderín de 15 o 25 litros, pero pueden llegar hasta 200 litros en compresores domésticos, y mucho más en compresores industriales.

Presión de trabajo La presión de trabajo es aquella a la que se almacena el aire comprimido en el interior del calderín. Está directamente relacionada con la capacidad de suministro del compresor y la potencia del motor, pudiendo ser la presión más alta cuanto mayor sean estas. La presión se mide habitualmente en Bares, y la presión máxima de trabajo puede ser de 6 a 10 Bar, según sea el rendimiento del compresor. Caudal El caudal se refiere a la tan mencionada hasta ahora capacidad de suministro de aire comprimido. Se suele medir en litros/minuto, y es la cantidad de aire que puede suministrar el compresor por unidad de tiempo.

Procesos de compresión. El gas proveniente de la línea madre del sistema de captación ingresa a un separador de entrada, cuya función específica es retener las partículas de agua en estado líquido, residuos de petróleo e impurezas que pueden ser arrastrados conjuntamente con el fluido. Luego de pasar por el separador de entrada el gas ingresa al sistema de la planta compresora, que inicia con un scrubber de succión donde se extraerá las gotas de líquidos, luego el gas pasa por un filtro de succión para retener las impurezas antes de ingresar al compresor. La compresión del gas se realiza por medio de un compresor reciprocante o centrífugo accionado por un motor a gas. El gas entra a la succión del compresor donde es arrastrado para elevar la presión en la línea. Los compresores son lubricados con aceite, con los siguientes propósitos:  Lubricar todas las piezas móviles del compresor  Sellar el ingreso del gas a las partes móviles del compresor Posteriormente el gas sale por el puerto de descarga del compresor y se dirige a un enfriador por aire (Aero enfriador o fan cooler), para rebajar su temperatura y continuar el proceso, ya que el gas requiere entrar a una temperatura inferior a los 140 °F al sistema de deshidratación, además logra la condensación de algunos líquidos. Para retirar los líquidos condensados el flujo de gas se dirige a un despojador (recipiente metálico que puede

estar en posición horizontal o vertical) en donde se separan los fluidos gas y líquidos. Este proceso se repite de acuerdo a la presión de salida que requiera las líneas de distribución de gas, por lo tanto, se requiere de varias etapas para lograr la compresión del gas natural. El gas que se emplea para la venta proveniente de la Planta Compresora debe ser enviado a una unidad de deshidratación y endulzamiento, de acuerdo a las características o propiedades del gas. Para el caso del gas que es inyectado a los pozos no es necesario ser enviado a las unidades de eliminación de contaminantes.

Diseño fundamental del compresor. Para diseñar un compresor se requiere básicamente conocer la composición, volumen, temperaturas de entrada, presiones de succión y descarga, y altura sobre nivel del mar. Consideraciones Generales Las siguientes son las consideraciones básicas:

Presión Temperatura Motores gas Sobrecargas Relación de compresión Enfriamiento interetapas Aire de arranque Presión En la tabla siguiente podemos observar la presión de trabajo y el tipo de material para gas no corrosivo.

Tipo de cilindro Presión de trabajo (Psig) Cast iron (hierro colado o Hasta 1000 fundido) Cast iron nodular Cast Steel (acero fundido) Refined Steel (acero refinado)

Hasta 1500 HastA 2500 Encima de 2500

Se aplican aleaciones. 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 presentarse. Temperatura Si la potencia requerida supera los 100 HP, no debe superar los 350 ºF porque encima de ésta temperatura se alteran porque encima de ésta temperatura se alteran las propiedades de los lubricantes y es temperatura crítica para los cilindros de hierro fundido. La temperatura mínima para los lubricantes es –40 ºF, porque si se trabaja con temperaturas más frías se requiere compresores sin lubricación. La temperatura de descarga de cada etapa debe 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 los compresores a motores de combustión interna o a motores eléctricos con reductor de velocidad. Las turbinas no son recomendables por la alta velocidad que desarrollan.

Sobrecargas Cualquier incremento en la presión de succión o de carga al compresor resulta en sobrecarga al motor. Por ésta razón debe operarse el compresor con un regulador de presión en muy buen estado y con filtro (gorro de bruja) instalado en la tubería o línea de carga. Relación de compresión En general la relación de compresión recomendada es de 5.0 sin embargo algunos fabricantes aplican mayores relaciones de compresión porque tienen materiales y diseños patentados que les permite aplicarlas. Se llega algunas veces a encontrar Relaciones de Compresión de hasta 7.8 en

compresores de 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 pistón (ROD). Enfriamiento interetapas ( intercooler ) El enfriamiento es necesario siempre y cuando la temperatura no exceda los 350 º F porque si es mayor definitivamente el conjunto motor compresor no podrá trabajar por los peligros que representa en el material del cilindro de la primera etapa y en la estructura de los 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 caliente 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 del compresor o por motores hidrocarburos como propano, butano, pentano, hexano y gasolina liviana y agua cuyo valor por barril supera los 10 dólares. 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 aires avances tecnológicos en el para arranque de los motores de combustión interna baje de 250 psig hace unos 15 años 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 los aires no tengan presencia de líquidos. o gas utilizado

Diseño de Compresores Reciprocantes: Estos compresores son ampliamente utilizados en la industria petrolera, como también en las plantas de refinación, químicas y petroquímicas, en aplicaciones tales como: la inyección de gas natural a los yacimientos para mantener la presión de la formación, la inyección de gas natural a la columna de fluidos del pozo o levantamiento artificial, la distribución de gas en redes de suministro, compresión de aire para instrumentación y control y

muchas otras aplicaciones. Estos compresores pueden ser de una etapa (simple) o de múltiples etapas; el número de etapas está determinado por la relación de compresión (presión de descarga / presión de succión), la cual a su vez está limitada por la temperatura máxima permisible de descarga del gas a la salida del compresor. Según lo estipula la norma API 617 para el diseño y manufactura descompresores reciprocantes se ha establecido, en base a recomendaciones delos fabricantes de compresores, una temperatura máxima permisible de 300 F para el gas a la descarga del compresor, razón por la cual la relación de compresión por etapa por lo general no excede de cuatro (4), produciendo con ello un proceso suficientemente eficiente, por lo que se considera de alta utilidad práctica, para la industria de los hidrocarburos gaseosos. Los compresores reciprocantes, por tener más partes en movimiento, tienen una eficiencia mecánica más baja que otros compresores, cada cilindro consiste en un pistón, el cilindro propiamente dicho, cabezales de los cilindros, válvulas de succión y descarga y todas las partes necesarias para convertir el movimiento de rotación en desplazamiento positivo. En la figura 9, se pueden apreciar los principales componentes de un compresor reciprocante, y su respectiva función en el proceso de compresión.

En la figura 9 se observa que, tanto del bastidor como del cilindro compresor, el movimiento rotativo del cigüeñal se convierte en un movimiento alternativo a través de la cruceta, la cual transmite este movimiento a la barra del pistón, ensamblada al mismo, lo que origina la compresión del gas mediante la reducción del volumen en el cilindro; el espaciador o pieza distanciadora está acoplada a la carcasa o bastidor del compresor y permite distanciar la cámara donde se encuentra la cruceta (guía de cruceta) del cilindro compresor; dentro del espaciador se encuentra ubicado el empaque o caja de empaque, a través del cual se desplaza la

barra del pistón este elemento permite sellar la presión existente dentro del cilindro evitando de esta forma fugas de gas hacia el exterior del mismo. El compresor reciprocante emplea válvulas automáticas accionadas por resortes que se abren sólo cuando existe una presión diferencial adecuada que actúa sobre la válvula, las válvulas de admisión se abren cuando la presión en el cilindro es un poco inferior a la presión de aspiración, las válvulas de descarga se abren cuando la presión en el cilindro es un poco superior a la presión de descarga. Estas válvulas de succión y descarga se encuentran ubicadas alrededor del cilindro, así como las chaquetas de agua que permiten la refrigeración del cilindro removiendo el calor generado durante la compresión. Los tipos de compresores reciprocantes pequeños para procesos, de un cilindró y 25 o 200 caballos de fuerza (HP) tienen enfriamiento por agua, pitón de doble acción, prensaestopas separado que permite fugas controladas y pueden ser del tipo no lubricado, en el cual el lubricante no toca el aire o gas comprimido. Se utilizan para aire para instrumentos o en aplicaciones pequeñas para gas de proceso. Los compresores reciprocantes más grandes para aire o gas son de dos o más cilindros. En casi todas las instalaciones, los cilindros se disponen en forma horizontal y en serie de modo que presenten dos o más etapas de compresión La compresión reciprocante se realiza con una unidad independiente, que le suministra la energía necesaria a los cilindros de compresión, para realizar el trabajo de compresión del gas. Por la naturaleza del mecanismo, un compresor reciprocante es una instalación cuya capacidad se mantiene relativamente constante. Los compresores reciprocantes Son máquinas de desplazamiento positivo, en las cuales el elemento que comprime se desplaza es un pistón que tiene un movimiento alternativo de un cilindro. Los compresores reciprocantes son conocidos como unidades de volumen constante y presión variable. El sustento es que cada compresor está diseñado para manejar un volumen de gas determinado, a la presión de descarga quesea diseñado. Se caracterizan por suministrarle gas limpio, por lo que filtros o depuradores de succión son recomendados. Los compresores reciprocantes no pueden manejar líquidos satisfactoriamente. Los líquidos tienden a generar graves daños a la unidad, y provocan una disminución de la eficiencia del cilindro compresor, y teniendo en cuenta que, del proceso de compresión, dependen muchos otros procesos Diseño de compresores rotativos.

Bibliografía http://www.pintarmicoche.com/como-elegir-un-compresor/ http://www.miconstruguia.com/como-elegir-un-compresor-de-aire/ http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica3.htm https://es.scribd.com/upload-document? archive_doc=141754129&escape=false&metadata=%7B%22context %22%3A%22archive_view_restricted%22%2C%22page%22%3A %22read%22%2C%22action%22%3A%22missing_page_signup %22%2C%22logged_in%22%3Atrue%2C%22platform%22%3A%22web %22%7D https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/6243/23/5.%20C AP.%20IV%20Compresi%C3%B3n%20y%20Tratamiento%20del%20gas %20natural.pdf