Contenido                                              CUCEI                                        BIBLIOTECA C T L      ...
Sección IV    OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO              Operación segura de compresores para oxígeno                         ...
Introducción   Los compresores utilizados en las plantas de la industria de procesos químicos suelen ser com-plejos, const...
Sección III: Control de oscilaciones. Se incluyen estrategias de control para eliminar las oscilacio- nes en compresores c...
Sección 1                            SelecciónCompresores y bombas: Los impulsores de fluidos más importantesClaves para l...
Compresores y Bombas:.‘Los impulsores de fluidos más importantesSe presenta una guía de la estructura y características de...
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6       SELECCl6N                                                                                                         ...
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8          SELECCIÓN                                            Lubricante de            la   empaquetadura               ...
COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MÁS IMPORTANTES                           9    si puede ocurrir polimeriza...
10       SELECCIÓNrio les da una capacidad mucho mayor que la del com-           determinada flexibilidad. En las de tamañ...
COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MAS IMPORTANTES                           11 ceso cuando se determine el t...
12        SELECCIÓN                                                               Engranes     externos                   ...
COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MÁS IMPORTANTES                               13                          ...
14       SELECCIÓNbaja viscosidad. Para los líquidos abrasivos se necesitan        5.   Southwest Rescarch Institute, San ...
Claves para la selección decompresoresEl manejo de gases en las plantas de proceso va desde presiones muy altas hasta unva...
16       SELECCIÓN   n Compresores de aire para servicios e instrumentos       n Compresores de refrigeración de baja temp...
CLAVES PARA LA SELECCIÓN DE COMPRESORESTabla I       Anhlisis    del gas, otros datos y cálculos para el Ejemplo 1        ...
18        SELECCl6Nen donde Wes el flujo, lb/min, U es el volumen específi-                       temperatura  de succión,...
CLAVES PARA LA SELECCIÓN DE COMPRESORES                    19en donde h es la entalpía, Btu/lb.                           ...
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Compresores richard w. greene

  1. 1. Contenido CUCEI BIBLIOTECA C T L ER NAIntroducción viiSección 1 SELECCIÓN Compresores y bombas: los impulsores de fluidos más importantes 3 Claves para la selección de compresores 15 Cómo obtener la mejor distribución física de la planta para bombas y compresores 33Sección II CÁLCULOS Y EVALUACIONES Evaluación de compresores centrífugos de etapas múltiples 47 Empleo de las curvas de rendimiento para evaluar el comportamiento de los compresores centrífugos 52 Interenfriadores y postenfriadores de compresores: predicción de funcionamiento en condiciones que no son las de diseño 61 Eficiencia del compresor: la diferencia está en la definición 65 ¿;Se puede adaptar un compresor centrífugo? 69 Una forma fácil de tomar las temperaturas de compresión 74Sección III CONTROL DE OSCILACIONES Conceptos básicos sobre el control de oscilaciones en compresores centrífugos 79 Control mejorado de oscilaciones en compresores centrífugos 89 Sistemas de control de oscilaciones en turbocompresores 100 Control de oscilaciones en compresores centrífugos de etapas múltiples 110
  2. 2. Sección IV OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Operación segura de compresores para oxígeno 119 Lubricación de compresores de aire 125 Selección y mantenimiento de bielas de compresores reciprocantes 129 Guía para compresores sin problemas 134Sección V SELLOS Y EMPAQUETADURAS Selección e instalación de sellos mecánicos 147 Sellos mecánicos: más duración, menos mantenimiento 154 Detección de fallas en sellos mecánicos 160 Por qué fallan los sellos mecánicos 171 Selección e instalación de empaquetaduras mecánicas 175Sección VI MOTORES PRIMARIOS: TURBINAS DE VAPOR Y DE GAS Turbinas de vapor y de gas 187 Considérense las turbinas de gas para cargas pesadas 204 Eficiencia de la turbina determinada con calculadora programable 216Sección VII UNIDADES MOTRICES DE VELOCIDAD AJUSTABLE Selección de unidades motrices de velocidad ajustable 225Sección VIII VENTILADORES Y SOPLADORES Selección de ventiladores y sopladores 243 Ventiladores y sistemas de los ventiladores 259 Establecimiento de la curva de rendimiento de un ventilador centrífugo 277 Considérense los ventiladores de flujo axial cuando se trate de mover gases 286Índice 291
  3. 3. Introducción Los compresores utilizados en las plantas de la industria de procesos químicos suelen ser com-plejos, construidos con precisión y costosos. Por ello, su selección, operación y mantenimientodeben ser cuidadosos. Por ejemplo, la operación incorrecta puede ocasionar oscilaciones de pre-sión (inestabilidad), condición en la cual se invierte un instante el flujo de gas dentro del compre- ’sor. Estas oscilaciones pueden dañar los componentes internos del compresor, producir dañospor miles de dólares en un corto tiempo y aumentar el costo del tiempo perdido para su repara-ción. Esta GUíA PARA EL USO DE COMPRESORES Y VENTILADORES sugerida por la Revista Che-mical Engineering, está concebida para ayudar a eliminar las osciIaciones y otros costosos proble-mas. También se describe la selección de la máquina adecuada para una aplicación determina-da. Es una obra completa que abarca todos los aspectos que necesita conocer el ingenieroquímico sobre compresores y ventiladores y temas relacionados, como sellos y empaquetaduras.La información contenida en este libro proviene de artículos seleccionados que se publicaron enChemical Engineering en los últimos años. Es una guía práctica, enfocada a resolver los proble-mas cotidianos de los ingenieros de diseño, planta, operaciones y mantenimiento y les dará losmedios de manejar estas máquinas tan complejas. Este libro consta de ocho secciones: Sección 1: Selección. Incluye tres artículos sobre la selección de compresores en las plantas delas industrias de procesos químicos. Se describe cómo funcionan, cómo se seleccionan y el mejorlugar para instalarlos en la planta. Sección II: Cúlculosy evaluaciones. Una serie de artículos que explican y ayudan a simplificar pro-cedimientos como el empleo de las curvas para evaluar el comportamiento de los compresorescentrífugos, la predicción de funcionamiento en condiciones que no son de diseño en interenfria-dores y postenfriadores, la adaptación de un compresor centrífugo, la determinación de las tem-peraturas y otros temas.
  4. 4. Sección III: Control de oscilaciones. Se incluyen estrategias de control para eliminar las oscilacio- nes en compresores centrífugos, turbocompresores y de etapas múltiples. Se explican las oscila- ciones de presión en detalle y los métodos convencionales de control para eliminarlas. Se inclu- yen métodos mejorados. Sección IV: Operación y mantenimiento. Se presentan aquí las formas de lubricar los compresoresde aire; operar con seguridad los compresores para oxígeno, seleccionar y mantener las bielasde compresores reciprocantes y lograr un funcionamiento sin problemas. Sección V: Sellos y empaquetaduras. Se estudian en detalle los sellos mecánicos y empaquetadurasjunto con su selección, instalación, funcionamiento, detección de fallas y mantenimiento. Sección VI: Motores primarios. Se describen las turbinas de vapor y de gas, que son los principa-les. Estos se utilizan para mover equipos y se detallan su teoría y funcionamiento. Sección VII: Unidades motrices de velocidad ajustable. Se describen los cinco tipos básicos: c.a.de estado sólido, c. c. de estado sólido, mecánicas, electromecánicas y fluidas. Sección VIII: Ventiladores y sopladores. Se incluyen porque tienen una estrecha relación con loscompresores. Se muestra la forma de seleccionar ventiladores y sopladores, establecen la curvade rendimiento de un ventilador centrífugo y de emplear los ventiladores de flujo axial para mo-ver gases. Todo el material que se presenta en las ocho secciones es de índole general y tan amplio comoha sido posible y le dará al lector vasta información acerca de los compresores y equipo rel’ativo.Esta GUÍA PARA EL USO DE COMPRESORES sugerida por Chemical Engineering seguirá siendouna útil obra de consulta en años futuros.
  5. 5. Sección 1 SelecciónCompresores y bombas: Los impulsores de fluidos más importantesClaves para la selección de compresoresCómo obtener la mejor distribución física de la planta para bombas y compresores
  6. 6. Compresores y Bombas:.‘Los impulsores de fluidos más importantesSe presenta una guía de la estructura y características de funcionamiento de compresoresy bombas centrífugos y de desplazamiento positivo y la información necesaria para ase-gurar la selección correcta y funcionamiento libre de problemas. Robert W. Abraham, The Badger Co. La tendencia en la industria de procesos químicos es En la figura 1 se ilustran los límites de funcionamien-construir plantas cada vez más grandes con equipo de to de los compresores de mayor empleo en la IPQ. Seun solo componente, más grande y confiable. debe tener cuidado al aplicar la figura 1 porque se pue- La confiabilidad del equipo rotatorio siempre se debe den utilizar dos o más tipos de compresores y hay quedefinir en términos de la duración esperada de la planta estudiar las opciones. El primer paso es definir los tiposy el tiempo de amortización requerido para producir y principios de funcionamiento de los compresores.utilidades al propietario. Muchas plantas de productosquímicos tienen una duración esperada de cinco años o Compresores centrífugosmenos, pues el proceso ya será anticuado al cabo de esetiempo, mientras que las refinerías 0 las plantas petro- En un compresor centrífugo se produce la presión alquímicas tienen un tiempo de amortización de 10 a 15 aumentar la velocidad del gas que pasa por el impulsoraños 0 más. y, luego, al recuperarla en forma controlada para pro- Hay algunas preguntas de primordial importancia ducir el flujo y presión deseados. En la figura 2 se ilus-que parecen no tener relación entre sí, para evaluar, se- tran un impulsor y difusor típicos. La forma de la curvaleccionar e instalar equipo rotatorio. ¿Va a ser la planta característica depende del ángulo de los álabes del im-de proceso continuo o por cargas a lotes? ¿Qué prima se pulsor en el diámetro exterior del mismo y también delaplica al costo de operación contra el costo del capital? tipo de difusor. En la referencia 1 se presenta la teoría;Se cuenta con personal idóneo para mantenimiento o y técnica de operación de los diferentes tipos de impulso-se piensa minimizar la mano de obra con un control más res. Estos compresores suelen ser unitarios, salvo que elautomático del proceso? flujo sea muy grande o que las necesidades del proceso Con esos datos, presentes, se puede tratar de evaluar exijan otra cosa.y utilizar el equipo existente en el mercado. La mayor parte de los impulsores para la IPQ son del El “corazón” de muchos procesos y el que más pro- tipo de inclinación hacia atrás o inversa, que permiteblemas puede ocasionar es el compresor. Cuando se se- mejor control porque su curva de rendimiento tiene ma-lecciona un tipo de compresor, es indispensable contar yor pendiente. La velocidad en las puntas de un impul-con todas las condiciones del proceso para su examen. sor convencional suele ser de 800 a 900 ft/s. EstoSi hay algún especialista en la planta, debe estar infor- significa que el impulsor podrá producir alrededor demado de esas condiciones; no hacerlo, ha ocasionado in- 9 500 ft de carga, lo que depende del gas que se compri-finidad de problemas. ma. Si se requieren valores más altos, se emplean com-
  7. 7. 4 SELECCIÓN 32 000 16 000 8000 .z 4 0 0 0 c 9 I 2 000 ã Perfil de presión Capacidad de entrada, Milos de f?/minFig. 1 Los compresores cubren límites amplios para uso en procesos Fig. 2 Flujo de gas en un compresor centrífugopresores de etapas múltiples. Los gases pesados como el oscilaciones porque nunca se llegará a la línea en que sepropano, el propileno o freón necesitan una reducción producen (Fig. 3).en la velocidad en las puntas, porque estos gases tienen Cuando se aplica una contrapresión ftja en el compre-velocidades sónicas más bajas, comparadas con el aire. sor, se debe tener cuidado especial para seleccionar unaPara ellos, el número de Mach relativo en el lado del im- curva de rendimiento de pendiente pronunciada; es de-pulsor está limitado a 0.8. cir, un aumento en la carga de alrededor de 10 a 15 % En la referencia bibliográfica 2 se encuentra un resu- desde el punto nominal hasta el punto de oscilación omen que describe la razón del cambio de las curvas ca- inestabilidad (Fig. 4). Cuando se recircula el gas en elracterísticas. Cuando se evalúa un compresor centrífu- circuito contra oscilaciones, hay que enfriarlo antes dego, se debe prestar mucha atención al porcentaje de au- devolverlo a la entrada del compresor. Además, si se de-mento en la presión, desde el punto normal de funciona- sea velocidad variable, se utiliza un control de presiónmiento hasta el punto de oscilación. Este punto se define para regular la velocidad de la unidad motriz.como el lugar en donde una reducción adicional en elflujo ocasionará inestabilidad en forma de flujo a pulsa-ciones y pueden ocurrir daños por sobrecalentamiento,falla de los cojinefes por la inversión de empuje o por vi-bración excesiva. Debido a las altas velocidades de los compresores cen-trífugos, se debe tener más cuidado con el balanceo delrotor. La industria ha aceptado, en general, la siguientefórmula para los límites de vibración permisibles en eleje o árbol del compresor:en donde 2 es el límite de vibración permisible, pico apico, en mils (milésimas de pulgada) y rz es la velocidad,en rpm. 2 tiene un límite máximo de 2.0 mil a cualquiervelocidad. Debido a las altas velocidades, muchos usua-rios especifican la instalación de monitores de vibracióndel tipo sin contacto para detectar las vibraciones excesi-vas del eje. Según sea el sistema para el proceso, se necesitan di-versos controles contra oscilación para evitar que el Capacidad, % del punto nominalcompresor llegue al valor en el cual se producen. Por logeneral, se debe incluir un factor de seguridad de 5 a10 % para los controles automáticos. Los circuitos de re- Fig. 3 La resistencia al flujo se debe sólo a lasistencia simple quizá no necesitarán controles contra fricción
  8. 8. COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MAS IMPORTANTES 5 Cuando se requieren contrapresión y caída porfricción fijas, se necesitará un sistema contra oscilacio-nes, en especial si pueden haber grandes variaciones enel flujo y la presión (Fig. 5). El aumento en la carga des-de el punto nominal hasta el de oscilación debe ser,cuando menos, del 10% para tener buena estabilidad.El sistema de control es el mismo que el de la figura 4y, por lo general, estará basado en la medición del flujoen el compresor. También en este caso se debe enfriarel flujo en derivación (bypass) antes de devolverlo al com-presor. Para el proceso, el compresor centrífugo tiene la ven-taja de que envía gas libre de aceite y de que no haypiezas que se desgasten en la corriente del compresor.Hay disponibles varios tipos de sellos de extremo. La se-lección depende de la presión de succión del compresor,porque casi todos tienen el extremo de descarga equili-brado contra la presión de succión; es decir, los extre-mos de entrada y descarga del compresor tienen la pre-sión de succión. A continuación se mencionan tipos desellos y sus límites normales de presión. La configura-ción se muestra en la figura 6 Tipo de sello Presión aproximada, psig Capacidad, % de la entrada nominal, ft3/min Laberinto 15 Anillo de carbón 100 Fig. 5 El control antioscilación maneja la Contacto mecánico 500 contrapresión fija Película de aceite 3 000 0 mayor se puede utilizar un gas “dulce” o neutro como el nitró- Hay variantes de estos sellos. Por ejemplo, si el gas de geno, para amortiguar la zona entre el sello de contactoproceso contiene un componente “agrio” como el H,S, mecánico o de película de aceite y el gas del proceso (Fig. 6). Se podría utilizar un eductor en combinación con la inyección de gas dulce a fin de que las fugas exter- nas sean en el sentido de la educción. La ventaja del sello de laberinto es que es del tipo de holgura sin piezas con rozamiento y es el más sencillo de todos. También se utiliza entre las etapas (pasos) de los compresores de etapas múltiples. Su desventaja es la gran cantidad de fugas que permite, las cuales no se pueden tolerar con gases costosos como el nitrógeno o el oxígeno. Los sellos de anillo de carbón no se suelen utilizar mucho, salvo cuando el gas está limpio o hay un medio amortiguador limpio que incluya un lubricante. Como estos sellos son de mínima holgura, sufren desgaste. Son de menor costo que los sellos de película de aceite o de contacto mecánico y tienen la ventaja de que impiden las fugas externas del gas comprimido. En el sello de contacto mecánico hay una película de aceite que se mantiene entre sus caras estacionaria y gi- ratoria. Tiene la ventaja de que minimiza el paso de aceite hacia el lado del gas. También es más o menos in- sensible a la presión diferencial entre la presión de suc- ción del gas y la presión del aceite para sello. Su desventaja es una posible pérdida de la película de acei- te, lo cual puede ocasionar serios daños en las caras pa- readas. Flujo, % del punto nominal En el sello de película de aceite, como en el deFig. 4 La contrapresión fija requiere control contacto mecánico, se emplea la película para sellar el cuidadoso gas comprimido de la atmósfera. Al contrario del sello
  9. 9. 6 SELECCl6N Se puede agregar un , Orificio de barrido para I a p l i c a r vacio Se puede agregar un orificio para barrido o para Se puede agregar sellado con gas inerte un o r i f i c i o para Presión interna del gas Laberinto Anillo de restricción Entrada aceite limpio Entrada aceite limpio Camisa da ,, descarga de I Camisa externa I CaAsa i n t e r n a Sali’da de aceite Atm6sfera Salida aceita Salida aceite Salida- de aceite sucio sucio Mechico (de contacto) Película de líquido API 617Fig. 6 Los sellos de extremo del eje de compresores centrífugos controlan una serie de presiones con diversos gasesde contacto mecánico, es del tipo con holgura reducida complicados, bombas adicionales y un enfriador y filtroy se necesita una diferencia muy precisa entre la presión del aceite de sello, si es que se emplea un sistema separa-de succión y la de sellamiento para minimizar las fugas do para ello. En las referencias bibliográficas 2 y 3 apa-internas de aceite. Cuando el aceite para el sello es parte recen detalles adicionales de los sistemas de aceite paradel sistema de lubricación, podrían ocurrir pérdidas ex- sellos y lubricación.cesivas y problemas de mantenimiento para eliminar el Las carcasas de los compresores pueden ser del tipoaceite contaminado y volver a llenar el sistema de lubri- dividido o partido, horizontal o verticalmente, con res-cación. Este tipo de sello se utiliza por las altas presiones pecto al eje.de succión que son comunes en la IPQ. Para el mantenimiento, es más fácil el acceso al rotor La desventaja de los sistemas de sellos de película de con la carcasa dividida horizontalmente que con la queaceite y de contacto mecánico es que necesitan controles lo está en forma vertical. Sin embargo, la de tipo hori-
  10. 10. COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MÁS IMPORTANTES. 7zontal tiene capacidad limitada de presión debido a la 3. Un aumento pequeño en la caída de presión engran superficie de sellamiento en la unión. El Subcomité el sistema de proceso puede ocasionar reducciones muyde Equipo Mecánico del API estableció un lineamiento grandes en el volumen del compresor.que requiere una unión de sellamiento vertical, y la base 4. Se requiere un complicado sistema para aceite lu-para cambiar a carcasa dividida verticalmente o de ba- bricante y aceite para sellos.rril es: Compresores de desplazamiento positivo Fracción molar de Presión máxima de Estos compresores se pueden dividir en rotatorios y H,, % trabajo de la carcasa, reciprocantes para las aplicaciones más comunes en un % Psk proceso. Al contrario de los centrífugos, son de capaci- 100 200 dad constante y tienen presiones de descarga variables. 90 222 En la figura 7 se presenta una curva típica de rendi- 80 250 miento, para la cual se supone que la presión y tempera- 70 295 tura de succión y la presión de descarga son constantes. La capacidad se cambia por la velocidad o con el descar- Cuando se utiliza carcasa dividida en sentido vertical, gador de la válvula de succión. Además, sólo hay una se debe dejar espacio para sacar la carcasa interna y el pequeña variación en el flujo en una amplia gama de rotor. presiones. La selección del material para las carcasas y rotores Los compresores reciprocantes funcionan con el prin-depende del gas que se comprima. Algunos estudios re- cipio adiabático mediante el cual se introduce el gas encientes indican que los gases que contienen sulfuro de el cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y com-hidrógeno (H,S) ocasionan corrosión por esfuerzo en prime en el cilindro y sale por las válvulas de descarga,las piezas muy esforzadas. Para contrarrestarlo, se nece- en contra de la presión de descarga. Estos compresores sitan materiales más blandos en el impulsor, lo cual re- rara vez se emplean como unidades individuales, salvoquiere menores velocidades en las puntas del impulsor. que el proceso requiera funcionamiento intermitente.En algunos casos, debido a esta reducción de la veloci- Por ejemplo, si hay que regenerar un catalizador cadadad, habrá que seleccionar el compresor del tamaño in- dos o tres meses o se tiene un suministro de reserva enmediato mayor. Esto quiere decir que se debe informar otra fuente, esto daría tiempo para reparar o reemplazaral fabricante del compresor de todos los componentes las válvulas o anillos de los pistones, si es necesario. Losdel gas y las condiciones de operación. compresores reciprocantes tienen piezas en contacto, co- Las ventajas del empleo de un compresor centrífugo mo los anillos de los pistones con las paredes del cilin-son: dro, resortes y placas o discos de válvulas que se acoplan 1. En el intervalo de 2 000 a 200 000 ft”/min, y con sus asientos y entre la empaquetadura y la biela.según sea la relación de presión, este compresor es eco- Todas estas partes están sujetas a desgaste por fricción.nómico porque se puede instalar una sola unidad. Los compresores reciprocantes pueden ser del tipo lu- 2. Ofrece una variación bastante amplia en el flujo bricado o sin lubricar. Si el proceso lo permite, es prefe-con un cambio pequeño en la carga. rible tener un compresor lubricado, porque las piezas 3. La ausencia de piezas rozantes en la corriente de durarán más. Hay que tener cuidado de no lubricar encompresión permite trabajar un largo tiempo entre in- exceso, porque la carbonización del aceite en las válvu-tervalos de mantenimiento, siempre y cuando los siste-mas auxiliares de aceite lubricante y aceite de sellosestén correctos. 4. Se pueden obtener grandes volúmenes en un lu-gar de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventajacuando el terreno es muy costoso. 5. Cuando se genera suficiente vapor en el proceso,un compresor centrífugo será adecuado para moverlocon una turbina de vapor de conexión directa. 6. Su característica es un flujo suave y libre de pul-saciones. Las desventajas son: 1. Los centrífugos son sensibles al peso moleculardel gas que se comprime. Los cambios imprevistos en elpeso molecular pueden hacer que las presiones de des-carga sean muy altas o muy bajas. 2. Se necesitan velocidades muy altas en las puntaspara producir la presión. Con la tendencia a reducir el Capacidad, % del punto nominaltamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho máscuidado al balancear los rotores y con los materiales em- Curva del compresor de desplazamientopleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos. positivo
  11. 11. 8 SELECCIÓN Lubricante de la empaquetadura las puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Respiradero ’ Además, los tubos de descarga saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio, por lo que se debe colo- car corriente abajo un separador para eliminar el aceite. Los problemas más grandes en los compresores con ci- lindros lubricados son la suciedad y la humedad, pues destruyen la película de aceite dentro del cilindro. ’ La mejor forma de evitar la mugre es utilizar colado- res temporales en la succión para tener un sistema lim- pio al arranque. La humedad y los condensables que Drenaje .-’ , llegan a la succión del compresor se pueden evitar con Entrada y sslida del agua de un separador eficaz colocado lo más cerca que sea posi- enfriamiento del casquillo ble del compresor. Si se va a comprimir un gas húmedo, Montaje esthndar en cilindro habrá que pensar en camisas de vapor o precalenta- miento del gas de admisión, corriente abajo del separa- dor. Respiradero , Lubricante de la Respiradero. , I empaquetadura En los compresores sin lubricación, la mugre suele ser Diafragma y el problema más serio, y hay otros problemas que puede ocasionar el gas en sí. Por ejemplo, un gas absolutamen- te seco puede ocasionar un severo desgaste de los ani- llos; en este caso, hay que consultar con el fabricante, pues constantemente se obtienen nuevos datos de prue- bas. En los compresores no lubricados, los anillos del pistón y de desgaste se suelen hacer con materiales relle- nos con teflon, bronce, vidrio o carbón, según sea el gas Entrada y salida del agua de que se comprime. El pulimento del cilindro a 12 p Desviador de’ aceite’ ’ enfriamiento del casquillo (rms.) suele prolongar la duración de los anillos (Ref.4). Compartimiento sencillo La empaquetadura es susceptible del mismo desgaste que los anillos del pistón. Si se comprime un gas agrio o si el lubricante utiliza- Diafragma y empaquetadura , Respiradero do para el cilindro no es compatible con el empleado en Guía de cruceta - . I , Compartimiento “8” el cuerpo del compresor o viceversa, se debe especificar 1 Respiradero I II , Lubricante de la smpaquetadura un espaciador extralargo; en la figura 8 se ilustran las ,.Biela del configuraciones de algunos. Cuando el gas es peligroso, .compresor se debe especificar un espaciador doble, y el que está junto al cilindro se debe purgar con un gas inerte. Las fugas por la empaquetadura se deben enviar a un / sistema de quemador o devolverlas a la succión. Los ( Diafragma vrïr,a,a compresores lubricados pueden necesitar tubos separa- empaquetadura Entrada y salida del agua de :‘/ enfriamiento del casquillo dos para lubricar la empaquetadura, aunque en los ci- Drenaje’ 1 [ Compartimiento “A” lindros de diámetro pequeño quizá no se requieran. Las Desviador del aceite’ empaquetaduras de teflon sin lubricación suelen necesi- Dos compartimientos largos tar enfriamiento por agua, porque su conductividad tér- mica es muy baja. Si se manejan gases a temperaturas inferiores a 10°F, el fabricante debe calcular la cantidad Diafragma y Respiradero de precalentamiento del gas mediante recirculación in- Guía de CrUCeta _ , empaquetadura, : , Compartimiento “6” terna. Esto.significa que se necesitará un cilindro un po- / ,’ , Lubricante de la I Respiradero ; co más grande para mover el mismo peso de flujo. Lado de la carcasa : .J’ ) 1 I ,’ ,’ empaquetadura Los compresores reciprocantes deben tener, de prefe- rencia motores de baja velocidad, de acoplamiento di- recto, en especial si son de más de 300 hp; suelen ser de velocidad constante. El control de la velocidad se logra mediante válvulas descargadoras, y estas deben ser del empaquetadura tipo de abatimiento de la placa de válvula o del tipo deDiafragma ;empaquetadura ./I , Entrada y salida del agua de descargador con tapón o macho. Los descargadores que enfriamiento del casquillo Drenaje/‘/ ‘Compartimiento “A” levantan toda la válvula de su asiento pueden crear pro- ‘Desviador del aceita blemas de sellamiento. La descarga puede ser automáti- Dos compartimientos cortos ca o manual. Los pasos normales de descarga son O-100%, O-50-100%, O-25-60-75-100% y se pueden ob-Fig. 8 Los espaciadores protegen las zonas tener pasos intermedios con cajas de espacio muerto o contra fugas botellas de despejo; pero, no se deben utilizar estas cajas
  12. 12. COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MÁS IMPORTANTES 9 si puede ocurrir polimerización, salvo que se tomen las no sólo se reducirán las pulsaciones, sino que se tendrá precauciones adecuadas. mejor funcionamiento de las válvulas del compresor. Para tener la seguridad de que el sistema total del Enfriamiento de los cilindros compresor es adecuado, incluyendo la tubería y los tan- ques, el fabricante debe hacer un estudio semejante. En Si las relaciones de presión son bajas y la temperatura el caso de sistemas complicados, hay instituciones como de descarga es de 190’F o menor, se puede utilizar un el Southwest Research Institute5 o similares en otros sistema estático cerrado o uno de enfriamiento por ter- países, que pueden hacer pruebas de vibraciones mecá- mosifón. En este caso se debe tener cuidado de no hacer- nicas y acústicas. lo funcionar durante un tiempo prolongado sin carga. Una excelente fuente de información para compreso-. En otra forma, se debe utilizar un sistema forzado con res reciprocantes es la Norma API 618.6 Si se aplica, circuito cerrado. La temperatura de entrada del agua de aumenta el costo del equipo, pero representa muchos enfriamiento se debe mantener siempre, cuando menos años de experiencia y puede significar la reducción de 10’F por arriba de la temperatura de succión del gas de costosas reparaciones al arranque o después de empezar entrada, para evitar que se forme condensación en el ci- el funcionamiento. lindro del compresor. La temperatura en la descarga de compresores sin lu- Compresores rotatorios de bricación para procesos se debe mantener a un máximo desplazamiento positivo de 350°F; en los compresores lubricados se debe mante- ner a 300°F. Si se emplean lubricantes sintéticos, se Hay varios tipos de compresores rotatorios de despla- puede aumentar la temperatura a 350°F, pero hay que zamiento positivo, entre ellos están el de tipo de sopla- determinar que estos lubricantes no actúen como remo- dor con lóbulos (como el diseño de Rootes), el tipo de vedores de pintura. espiral rotatorio SRM, el diseño de anillo de agua y de Esos límites se pueden reducir. Por ejemplo, el oxíge- aspas deslizables. Todos tienen el mismo tipo de curva no en compresores no lubricados se debe limitar a una de rendimiento que el compresor reciprocante; es decir, temperatura de descarga de 300°F; en los compresores son de capacidad fija con contrapresión variable. Los para cloro se debe limitar a 225’F para evitar la carbo- compresores rotatorios se prestan más para las unidades nización (Ref.9) motrices de velocidad variable, como las turbinas de va- por, que los compresores reciprocantes. Por lo general, Cargas, velocidades y pulsaciones estos compresores tienen una capacidad máxima de del compresor unos 25 000 ft3/min, en los de espiral rotatoria y de ló- bulos. El diseño de anillo de agua tiene la ventaja de que Los compresores se clasifican de acuerdo con las car- el gas no hace contacto con las partes rotatorias metáli- gas en la biela. Una carrera más larga significa, por lo cas. Los aspectos críticos son la presión de vapor del gas general, mayores cargas nominales en la biela y mayor de entrada, comparada con la presión de vapor del líqui- capacidad de presión diferencial y de caballaje. La ma- do que forma el anillo de agua y el aumento de tempera- yor parte de los fabricantes han establecido los tamaños tura en el mismo. La presión de vapor del fluido para requeridos para la carcasa. Es importante no exceder las sellos debe ser muy inferior al punto de ebullición, pues cargas en la carcasa y en la biela, ni siquiera cuando en otra forma se evaporará el anillo de agua, ocasionará funciona la válvula de seguridad. pérdida de capacidad y quizá serios daños por sobreca- Las velocidades promedio del pistón en compresores lentamiento. no lubricados deben ser de unos 700 ft/min máximo; en Como los compresores de aspas deslizables necesitan los lubricados, puede llegar a un máximo de unos 850 lubricación sólo se emplean en procesos en que ye puede ft/min. Las velocidades de rotación en los compresores permitir la presencia de lubricante. El aceite en la cáma- de trabajo pesado deben ser inferiores a 600 rpm y toda- ra de compresión reduce las temperaturas ,de descarga vía más bajas en los de alto caballaje, de más de 400 hp. y el consumo de aceite es elevado, por comparación con Las pulsaciones de presión son inherentes en los com- uno reciprocante. El compresor de a$as deslizables es presores reciprocantes y las ocasiona el movimiento al- muy compacto, pero tiene la misma desventaja que el ternativo del pistón. Para evitarlas, se instalan amorti- reciprocante porque se necesitan piezas con rózamiento guadores de pulsaciones lo más cerca que sea posible del en la corriente de gas, y la pérdida de lubricante puede compresor. La siguiente fórmula puede servir como ocasionar sobrecalentamiento del cilindro. Estos com- guía para tener máxima limitación de pulsaciones pico presores necesitan interruptores por alta temperatura a pico en los tubos de succión y descarga del compresor: del agua y del aire. La reducción en la velocidad se limi- ta a alrededor del 60% de la normal, porque la disminu- ción en la fuerza centrífuga produce pérdida de elicien- cia de sellamiento. Los tipos más comunes de compresores rotatorios de en donde P, es la pulsación máxima permisible en por- desplazamiento positivo en la IPQ son los de espiral y centaje, y p es la presión media efectiva en la tubería, de lóbulos rotatorios, que ofrecen la ventaja de que el ai- psia. El valor de P, es el que se obtiene con la fórmula, re no contiene aceite, porque no hay contacto con nin- 0 1 % , lo que sea mayor. Si se cumple con estos límites, guna parte en la zona de compresión. Su diseño rotato-
  13. 13. 10 SELECCIÓNrio les da una capacidad mucho mayor que la del com- determinada flexibilidad. En las de tamaño más grande,presor reciprocante y sin problemas de pulsaciones. hay que construir bases para montarlas. La normal0 Se utilizan engranes de sincronización para mantener también incluye la dimensión estándar entre las bridas.la.separación entre los rotores para que no se toquen. En 2. Según sea el tamaño de la bomba, la viscosidadel soplador del tipo Rootes, estos engranes transmiten máxima es entre 3 000 y 5 000 SSU; si es más elevada,alrededor del 30% del par motor, mientras que en los se puede pensar en el empleo de bombas de desplaza-de espiral rotatoria transmiten alrededor del 10% del miento positivo. Cuando es posible, se recomienda ca-par. Como se trata de compresores de desplazamiento lentar el líquido para reducir su viscosidad.positivo, se debe colocar una válvula de desahogo entre 3. Las bombas para altas temperaturas y presiones seel compresor y la válvula de bloque. deben especificar según la norma API 610. ‘* El tipo con lóbulos de Rootes tiene poca capacidad 4. Es importante comprobar que la carga neta positi-para presión diferencial; por lo general, de unas 15 psig. va de succión disponible (NPSH,) sea mayor que la re-El de espiral rotatoria puede tener presión diferencial querida (NPSH,) por la bomba. La (NPSH,) se definemucho más alta. Ambos tienen un deslizamiento fijo como la carga neta positiva de succión disponible mayorque ocasiona derivación interna y precalentamiento del que la presión de vapor del líquido, más la carga de suc-gas en la succión. Cuanto más baja sea la velocidad en ción (o menos la altura de aspiración), menos las pérdi-un tamaño dado, mayor será la derivación interna. Si la das por fricción. En algunas plantas se utiliza unvelocidad es muy baja, habrá sobrecalentamiento, con margen de seguridad de 2 ft o más entre la (NPSH),posibles daños en los rotores. El fabricante, por tanto, de- requerida y la disponible, para evitar problemas des-be especificar la velocidad mínima de funcionamiento. pués de la instalación. Si la temperatura de descarga del compresor de espi- 5. Los gases no disueltos en los líquidos alteran la ca-ral rotatoria pasa de 350°F, se deben utilizar rotores pacidad de las bombas centrífugas; se deben limitar a unenfriados por aceite. También conviene determinar si el 5% como máximo.fabricante especifica una contrapresión mínima, para 6. Algunos procesos requieren que la bomba funcio-evitar el juego entre dientes de los engranes de sincroni- ne con bajo flujo; todas las centrífugas tienen un flujozación. Otra precaución aconsejable es pedir al fabri mínimo con el que su funcionamiento es satisfactorio.cante que haga un análisis torsional del compresor y de Si no trabajan con ese mínimo, ocurrirá sobrecalenta-la unidad motriz miento de la bomba y menor duración de los cojinetes. La primera velocidad crítica lateral en estos compre- La forma de resolver este problema es instalar una vál-sores suele ser mayor que la velocidad de funcionamien- vula de’derivación para flujo mínimo (Fig. 9) el cualto. Se debe establecer esa velocidad crítica para el puede ser continuo o con control automático. Si la vál-compresor y la unidad motriz, y debe ser, cuando me- vula de derivación tiene control automático, se abrirános, 20% más alta que la máxima de funcionamiento y, cuando se llegue al flujo mínimo. Si la carga diferencialademás, será la velocidad de disparo si se utiliza unidad pasa de 200 ft. en el tubo para flujo mínimo, se requierecon turbina. un orificio o puede instalarse una v&ula de control. El Cabe mencionar que estos compresores son muy rui- sistema de derivación continua se emplea cuando se re-dosos y no suelen tener protección como silenciadores de quiere poca potencia o baja presión de descarga. El flujosucción y descarga, y pueden necesitar casetas con aisla- en el orificio para flujo mínimo se debe sumar al del pro-miento acústico, pues algunos reglamentos ya lo exigen.Véase la referencia 8. Controlador da Orificio Vályla de derivación contrapresiónSBombas para procesos I 1 I En casi todos los procesos, se transfiere el líquido deun recipiente a otro con una bomba. La más común es 0 FTla bomba centrífuga, que funciona con los mismos prin-cipios que los compresores de ese tipo, excepto que el lí-quido que manejan es incompresible. Sus grandesespacios libres y el hecho de que no tienen piezas endonde haya rozamiento, excepto los cojinetes y sellos,les han .dado la preferencia en muchas aplicaciones. Orificio para Controlador de contrapresión Algunos lineamientos para especificar y evaluar lasbombas centrífugas son: :: 1. Para capacidad de 20 a 500 gpm, se utilizan bom-bas horizontales de la norma B73.1-1974 ANSI,‘O,aunque también las hay con capacidades hasta ,de 1 500gpm. Estas bombas suelen estar limitadas a unos 500’F.Es probable que las de menos de 20 gpm necesiten una Bomba b. Continuaderivación con flujo máximo. Las bombas verticales, enlínea, tienen la ventaja de que no necesitan cimentacio- Fig. 9 La derivación mantiene la bomba en funcionamilnes en los tamaños de menos de 50 hp ni tuberías con con bajo flujo
  14. 14. COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MAS IMPORTANTES 11 ceso cuando se determine el tamaño de la bomba. Los orificios deben ser del tipo de pasos múltiples si la carga diferencial es de 300 ft. o más, o cuando ocurre vapori- zación. En ambos sistemas, el flujo mínimo normal esde 20 a 25 % del que hay en el punto de máxima eficien- cia. El aumento en la carga debe ser, cuando menos, de 10 % entre el valor nominal y el punto de corte. Para notener que calentar el flujo de succión, el flujo mínimo siempre se debe devolver al recipiente de succión y noal tubo de succión de la bomba. Estos sistemas sólo senecesitan si puede variar el flujo del proceso; si éste esfijo y cerca de su valor nominal, no se necesitan válvulas 30de derivación. s! 7. Cuando sea posible, es conveniente emplear moto-res eléctricos bipolares. Cuanto más alta sea la veloci- zdad, mayor será la eficiencia y menor el costo de labomba, aunque ésta requiere una NPSH más alta. Capacidad -Siempre se debe ponderar el costo de la bomba en con-tra del de elevar un recipiente para tener NPSH adecua- Fig. 10 La viscosidad íiel líquido influye en la bombada. centrífuga 8. Siempre se deben especificar bombas que tengancurvas de ascenso constante. Las bombas que funcionanen paralelo deben tener un ascenso de 15 % entre el pun- nal de la curva, lo que ocasionará vibración excesiva yto nominal y el corte. mayores cargas en los cojinetes. Si se necesita capacidad 9. Se debe tener cuidado con las bombas con impul- adicional para el futuro, hay que utilizar un controladorsor de flujo mixto, en particular con las de capacidad de flujo con una derivación para mínimo flujo según lasmayor a 2 000 gpm, porque algunas pueden tener pre- condiciones actuales de operación.sión de corte hasta 200% de la nominal. Esto puede oca- En las bombas que manejan líquidos con viscosidadsionar problemas en el equipo de corriente abajo, por lo mayor de 100 SSU, se debe determinar si hay una posi-cual se debe diseñar para la presión de corte o instalar ble corrección por viscosidad.13 En la figura 10 se pre-una válvula de desahogo. senta un ejemplo de cómo la viscosidad puede influir en 10. Las bombas centrífugas no son autocebantes y la curva de rendimiento de la bomba. Se verán la caídadeben tener succión inundada o, cuando hay altura de en la capacidad y la carga cuando se trabaja eon un lf-aspiración, un dispositivo para vacío con el fin de redu- quido viscoso. La cantidad de reducción de la carga ycir la presión en la carcasa de la bomba para que el líqui- del flujo dependen de la viscosidad del líquido y del tipodo pueda entrar en ella por la diferencia de presión. No y tamaño de la bomba. En la curva (Fig. 10) habría queobstante, hay bombas centrífugas autocebantes. incrementar el impulsor seleccionado hasta el punto B ll. Para servicio con temperaturas mayores de si se desea operar en el punto A. Si se selecciona el mo-350°F, en bombas grandes de una etapa o en las de eta- tor sin tener en cuenta la disminución en la eficiencia,pas múltiples para más de 150°F, se debe tener un siste- puede ocurrir sobrecarga del motor en el punto A.ma de calentamiento para asegurar una dilatacióntérmica uniforme. 12. Las primeras velocidades críticas en las bombasde una etapa suelen ser mayores que la de funciona-miento. Pero, en bombas de etapas múltiples ésta puedeser menor que la primera velocidad crítica. 13. La mayor parte de las bombas centrífugas tienenvelocidad específica inferior a 2 OOOJ3. En las bombasgrandes para torres de enfriamiento o para carga puedeser hasta de 5 000:en donde: N, es la velocidad específica, n es la veloci-dad, rpm, Q es el flujo, gpm y H es la carga, ft. en elpunto de máxima eficiencia. Las bombas centrífugas suelen tener control por flujoo por nivel. Al contrario de la curva característica delcompresor centrífugo, la de la bomba, por lo general, Flujo, gpmsube desde el punto nominal hasta el de corte. Si la bomba es de tamaño mayor al necesario y la pre- Fig. Il Las bombas tienen muchas capacidades parasión del sistema es baja, la bomba puede funcionar al fi- Ilquidos de procesos
  15. 15. 12 SELECCIÓN Engranes externos Aspas Externas Engranes internos f (con media luna) Pistón axial - Engranes internos - (sin media luna) Pistón circunferencia1 Espiral sencilla Camisa flexible E s p i r a l y rueda Espiral doble Tres lóbulos Tres espiralesFuente: Hydraulic Institute StandarsFig. 12 Las bombas rotatorias de desplazamiento positivo manejan muchos líquidos, por lo general viscosos con flujos hasta de 500 gpm
  16. 16. COMPRESORES Y BOMBAS: LOS IMPULSORES DE FLUIDOS MÁS IMPORTANTES 13 Las bombas reciprocantes grandes se suelen especifi- car del tipo tríplex para reducir las pulsaciones. En la fi- .O 3 gura 13 se ilustra la diferencia entre las curvas de una L. bomba símplex, una dúplex y una tríplex, espaciadas en ésta 120°, y además tiene una curva mucho más suave. Cuando se calcule la NPSH disponible, hay que tener en Dúplex cuenta la carga de aceleración y la velocidad máxima .T para la bomba tríplex. En la Ref. 14 aparece un procedi- ii miento detallado para el cálculo de la NPSH disponible en bombas reciprocantes. En las bombas reciprocantes se utiliza una empaque- tadura o un sello de anillos en V; esto significa que se deben descargar las fugas en algún lugar, lo cual se debe .O= tener en cuenta al instalar el equipo. Las bombas reci- G procantes pequeñas, de menos de 25 hp, tienen unida- des motrices de velocidad variable, como la Reeves. En 0 90 180 270 360 90 180 las de más de 25 hp se pueden emplear motores eléctri- Angulo del cigüeñal, grados cos de velocidad variable, con acoplamiento por corrien- tes parásitas o acoplamiento fluido. Las unidadesFig. 13 Flujo de descarga de bombas reciprocantes motrices normales para las bombas reciprocantes son con motor eléctrico y un reductor de engranes que debe La mayor parte de las bombas para la IPQ tienen se- tener un factor de servicio mínimo de 2.017. El motorllos mecánicos, los cuales son de los tipos balanceado o debe ser de un tamaño que funcione según la graduacióndesbalanceado, según sean la presión en el prensaesto- de la válvula de desahogo para evitar sobrecargarlo.pas y la velocidad periférica de las caras correlativas de Las bombas rotatorias pueden ser de engranes o delos sellos. Se emplean, por lo general, sellos sencillos, espiral rotatoria, con engranes de sincronización o sinexcepto si el líquido es peligroso o abrasivo; entonces se ellos, y se emplean para materiales viscosos. Estas bom-emplea sello doble. bas no son muy adecuadas,para líquidos abrasivos o deBombas de desplazamiento positivo De impulsión De reacción Estas bombas suelen ser adecuadas para aplicacionescon bajo flujo y carga elevada (Fig. 11). Siempre que seaposible, se deben utilizar bombas centrífugas. Para vis-cosidades mayores’ de 3 000 SSU, se debe pensar prime- /ro en una bomba rotatoria. Para flujos de alrededor de100 gpm y con viscosidades de 100 SSU y mayores, senecesitan bombas de desplazamiento positivo. Los tiposgenerales para los procesos químicos son reciprocanteso rotatorias, sean éstas de engranes o de espiral. Estasbombas funcionan con los mismos principios que loscompresores de desplazamiento positivo excepto que ellíquido no se puede comprimir a presiones inferiores a3 000 psi; si son mayores, hay que tener en cuenta lacompresibilidad. Además, tienen espacios libres muyde bombas rotatorias. Igual que en los compresores dedesplazamiento positivo, la capacidad permanece cons-tante, pero varía la contrapresión. Las bombas reciprocantes suelen ser para bajo volu-men; igual que en el compresor reciprocante, el movi- En movimiento En movimientomiento rotatorio se convierte en alternativo con uncigüeñal y una cruceta. Se succiona el líquido hacia elcilindro y se le aplica presión en contra de la válvula de ~?addpfigdeidescarga del sistema. Estas bombas también tienen flujoo pulsaciones; para reducirlo, se deben mantener bajasvelocidades en el lado de succión, de 2 a 3 ft/s o menos,y las velocidades de descarga deben ser de 3 a 4 ft/s. Laspulsaciones también se pueden reducir con un amorti- Fig. 14 Flujo de vapor en turbinas de impulsión y deguador o un acumulador. reacción
  17. 17. 14 SELECCIÓNbaja viscosidad. Para los líquidos abrasivos se necesitan 5. Southwest Rescarch Institute, San Antonio, Tex.rotores especiales, y los cojinetes y engranes de sincroni- 6. “Reciprocal Compresson for General Refmery Scrvicc,” API 618,zación deben ser externos. 7. Amencan Petroleum Institute, Washington, D. C. “Enginecring Data Book,” Natural Gas Processors Supplicrs Assn.. Las bombas rotatorias pueden manejar aproximada- Tulsa, Okla., 1973. 8. Abraham, R. W., Selection of Rotary Screw Compressors, Oil Gasmente hasta 500 gpm. Si la viscosidad es menor de 100 I., June 12. 1972, pp. 91-93.SSU, se deben utilizar engranes de sincronización. Pero 9. Jones, C. A., Chlonne: Glamor Product of the CPI, Power and Flu- io!r From Worrhington, 10, No. 1 (1967).con engranes externos se necesitarán, cuando menos, 10. “Amcrican National Standard S ecification for Centrifu al Pumpscuatro prensaestopas, lo cual significa mayor posibili- for Process Use,” ANSI B123.1, Rmenean National Stan dards Insti- tute, New York, 1971.dad de fugas. Para líquidos lubricantes limpios, como ll. “Vertical Inline Ccntrifugal Pumps for Process Use,” Manufaelos aceites lubricantes y combustibles a menos de 200°F turing Chcmists Assn., Washington, D. C. 12. “Centrifu al Pumps for General Refinery Servicc,” API 610, Ameti-y de 100 psi., y con viscosidad mayor de 100 SSU es can Pctrokeum lnstitute, Washington. D. C.probable que se puedan utilizar bombas de engranes. 13. “H draulic Institutc Standards,’ Hydraulic Institute, New York, 1972. Cuando los líquidos que se manejan con estas bombas 14. Hattiangadi, U . S . , Srcifyint Centrifu pal a n d Recíprocatingse pueden solidificar a la temperatura ambiente, la bom- Pumps, Chem Eng., Fe .23,19 0, pp. IOI- 08.ba debe tener camisas o calentamiento por vapor. Si seespecifica esta modificación, se debe tener cuidado de El autorque la temperatura del vapor no exceda la especificadapara los materiales de la bomba o de los sellos. Se debe Robert W. Abraham es supervisorespecificar una válvula de desahogo (alivio) entre la de equipo rotatorio en The Badger Co., One Broadway, Cambridge,bomba y la primera válvula de corte corriente abajo. MA 02142. Trabaja con grupos de proyectos para todos los tipos de equipo rotatorio para las industriasReferencias química, petroquímica y refinerías. Tiene título de ingeniero mecánico
  18. 18. Claves para la selección decompresoresEl manejo de gases en las plantas de proceso va desde presiones muy altas hasta unvacío en muchas condiciones decfíujo. Se presenta un análisis de las característicasdel equipo para hacer una selección preliminar del compresor de tipo y tamañoadecuados Richard F. Neerken, The Ralph A4. Parsons Co. En las industrias de procesos químicos se utilizan el ingeniero de proyectos. La selección se basa en loscompresores de todos los tipos y tamaños para aire y ga- fundamentos de la termodinámica, y no se debe consi-ses. derar que sea tan difícil o c’omplicada, que sólo los fabri- En este artículo se presentará una descripción general cantes puedan hacer la elección inicial del compresorde todos los tipos de compresores, como ejemplos especí- para condiciones dadas del proceso.fkos para indicar la forma en que los puede seleccionar Algunas aplicaciones típicas son:
  19. 19. 16 SELECCIÓN n Compresores de aire para servicios e instrumentos n Compresores de refrigeración de baja temperaturaen casi cualquier planta. en unidades para etileno, polietileno o p-xileno. w Sopladores sencillos en plantas de recuperación de w Compresores de alta presión para gas de alimen-azufre. tación, reforzadores y para gas recirculado en plantas de w Sopladores grandes en unidades de craqueo catalí- hidrocarburos, amoniaco y síntesis de metanol.tico. Los compresores son del tipo dinámico o de desplaza- miento positivo (Fig. 1). Los dinámicos incluyen centrí- fugos de flujo radial y axial y, en menor grado, los de emisión parcial para bajo flujo. Los tipos de desplaza- miento positivo son de dos categorías básicas: recipro- cantes y rotatorios. El compresor reciprocante tiene uno o más cilindros en los cuales hay un pistón o émbolo de movimiento alternativo, que desplaza un volumen posi- tivo con cada carrera. Los rotatorios incluyen los tipos de lóbulos, espiral, aspas o paletas y anillo de líquido, cada uno con una carcasa, con uno o más elementos ro- tatorios que se acoplan entre sí, como los lóbulos o las espirales, o desplazan un volumen fijo en cada rotación. Condiciones de funcionamiento Se debe tener cierta información acerca de a) las con- diciones de funcionamiento de cualquier compresor y b) las propiedades del aire, gas o mezcla de gases que se va a comprimir El análisis del gas se suele expresar en porcentaje en volumen. Un análisis mola1 se puede convertir con faci- lidad en un análisis en porcentaje mola1 para determinar las propiedades de la mezcla de gases. En los compreso-Fig. 1 Tipos de compresores para procesos químicos res de aire se requiere la humedad relativa o temperatu-
  20. 20. CLAVES PARA LA SELECCIÓN DE COMPRESORESTabla I Anhlisis del gas, otros datos y cálculos para el Ejemplo 1 Mezcla de gases Peso Calor específico Presibn Temperatura molecular, Aportación*, a 150°F. cp, Aportación*, crítica, Aportación*, crítica, Aportación*, Componente, Moles, % M, % IM J/lCd Btu/llb.moll WI % IPJloo PC, psia % IPJloo Tc, OR % IT~/lW Hidrógeno 1.714 6.94 5.899 327 278 03 71 Metano 1.444 0.95 0.805 673 61 344 31 Etano 0.902 13.77 0.413 708 21 550 17 Propano 0.882 19.53 0.390 617 12 666 13 Isobutano 0.291 25.75 0.128 529 3 735 4 n-Butano 0.291 25.81 0.129 551 3 766 4 Total 5.524 7.764 378 140 I i “Al multiplicar la composición de cada componente en la mezcla oor la propiedad da ese componente, se obtiene la aportación de asa propiedad correspondiente a la cantidad de ese componente en la mezcla.ra del bulbo húmedo en la entrada, con la cual se puede Las presiones y temperaturas se deben dar en las con-determinar la cantidad de humedad que hay en el aire. diciones de succión, y la presión en las condiciones de La razón de los calores específicos, k en donde (k = descarga, incluso la presión de cualquier carga lateral oc lc) se puede expresar a la temperatura de succión. requisito intermedio en el ciclo total de compresión. No6”ra un cálculo más exacto, k debe estar a la temperatu- a se da la temperatura de descarga, sino que se calcula pa- ra promedio durante el ciclo de compresión. ra incluir los efectos del aumento de temperatura duran- Los factores de compresibilidad, que indican la des- te la compresión. Las presiones, por lo general, seviación con respecto a un gas ideal, se dan o calculan en expresan en lb/in2 manométricas (psia) o en lb/in’ ab-las condiciones de succión y de descarga. Para el aire o solutas (psia).para un gas puro hay disponibles gráficas de factores de Las capacidades se pueden expresar en diversas for-compresibilidad, como funciones de la presión y tempe- mas:ratura reales. Si no se cuenta con esas gráficas para ga- w Flujo en peso, W, lb/h o lb/minses mezclados se acostumbra utilizar las tablas generales H Gasto, referido a las condiciones estándar, quede compresibilidad1,‘,“,4 que requieren calcular la pre- suele ser 14.7 y 60’F en las industrias de procesos quí-sión reducida, P, y la temperatura reducida, T,. Estos micos, expresado comotérminos se definen mediante P, = P/Pc y Tr = T/T(,en donde P, T, son la presión y temperatura re- PCME: pies cúbicos estándar por minutoducidas, P y T son presión psia, y temperatura OR, en PCHE: pies cúbicos estándar por horalas condiciones reales de funcionamiento; Pc y Tc son la MMPCDE: millones de pies cúbicos estándar porpresión crítica, psia, y la temperatura crítica, OR, de la día de 24 horasmezcla. Para demostrar las diversas relaciones, se exa-minará el procedimiento para una mezcla de gases. n El gasto, en relación con las condiciones en la sue- Ejemplo 1. Una mezcla típica de hidrógeno y gas hi- ción que se suele expresar como:drocarburo tiene la composición indicada en la tabla 1.Se trata de encontrar el peso molecular, la razón de loscalores específicos, la presión crítica y temperatura PCMS, ft3/min o ft3/scrítica. Los cálculos para los componentes de la mezcla Q o Q$, ft”/min, o ftl/s.se presentan en la tabla 1 junto con los datos pertinentes No importa la forma en que se exprese la capacidad,de cada componente puro. La razón de los calores espe- pues hay que convertirla a la capacidad en las condicio-cíficos, K, se calcula como sigue: nes de succión para seleccionar el compresor del tamaño correcto. Esta conversión se puede hacer con el empleo 1.164 k=zE= cP = 1.343 CV cp - 1.906 = 1.164 - 1.986 de cualquiera de las siguientes relaciones, 0. todas ellas: Para este ejemplo, se tomó el calor específico molal, C,, como 15O’F, supuesta como temperatura promediotípica durante el ciclo de compresión, con una tempera- (1)tura de 100’F en la succión. Si la temperatura promediovaría mucho desde ese valor, se debe utilizar el calor es- pecífico mola1 para la temperatura promedio durante la en donde Ves el volumen, P es la presión absoluta, Tcompresion. es la temperatura absoluta y z es el factor de compresibi- Estos cálculos pueden hacerse con calculadora o con lidad. En la ecuación (i) se puede suponer que el factorcomputadora; en este caso, se almacenan en la memoria de compresibilidad, z,, es de 1.0 si P, y T, están a laslos valores estándar para todos los gases comunes del pe- condiciones estándar de 14.7 psia y 520’R.so molecular, calor específico molal, presión y tempera-tura críticas. PCMS, = Q, = Wü = W/P (2)
  21. 21. 18 SELECCl6Nen donde Wes el flujo, lb/min, U es el volumen específi- temperatura de succión, OR, y rc es la relación de com-co, ft3/lb, y e es la densidad, lb/ft3. El volumen especí- presión, es decir, P$,.fico, V, se puede calcular con: La temperatura de descarga adiabática, Tdcdj, OR, es ü= q.Lg)(&) Tda’ = Tr”-l’/k I c (8) Ciertos tipos de compresores funcionan muy cerca deen donde AYm es el peso molecular. las condiciones adiabáticas; muchos otros tienen desvia- PCME = 379.46M/t% (0 ciones importantes de las adiabáticas, y el ciclo de com- presión se debe considerar como politrópico. En esteen donde M es el flujo, de mol/h caso, las relaciones necesarias son: w = M(M,) (4) W’&cpo/~> = WHp0,,/33 OOOîlpor, (9)en donde W es el flujo en peso, lb/h, M es el flujo, Hport = (y)(F)q[‘;-r;,’ ] (lo)mol/h, Mw es el peso molecular. en donde (HP) es el caballaje politrópico para el gas, hp, W es ei %jo en peso, lb/min, ycfioh) es la carga politrópica, (ft-lb)/lb; q(pOu es la eficiencia politrópica 2 y zd son los factores de compresibilidad para las condl-en donde el subíndice s denota las propiedades en las ciones de succión y de descarga, Mw es el peso molecu-condiciones de succión. lar, Tr es la temperatura de succión, OR, y rc es la relación de compresión.Carga y caballaje del compresor La temperatura de descarga politrópica, Td(pU,iI se calcula con:Para cualquier compresor el caballaje requerido es: Tri(po,rj = T,rc(“-l”s (11) VQw, = W,/33 .O@-‘x,, (‘5) El valor de la cantidad n en las diversas relaciones po- litrópicas se obtiene conen donde (HP)xca(Ud, es el caballaje adiabático, para elgas, hp; W es el flujo en peso, lb/min; Had es la cargaadiabática, (ft-lb)/lb; qad es la eficiencia adiabática; z,es Cuando se utilizan las tablas de las propiedades de losel factor de compresibilidad en las condiciones de suc- gases o los diagramas de Mollier para hacer los cálculosción, zd es el factor de compresibilidad en las condi- del compresor, la carga adiabática, Had, se obtiene conciones de descarga; Mu es el peso molecular, T, es la Ha4 = 778Ah (12) k. 30 Fuente: Balje’ ! ! !!H!!! Ii! I I IlCC n=l-‘cl Bomba 0 compresor de I I I I I I I Bombas o comwesores Ne = N a/H314 LI, = DH’141c N= Velocidad, rpm D = Diámetro del imp 0.3 0.6 1 3 6 10 30 6 0 100 300 6 0 0 1,000 3,000 10,000 velocidad específica, N,Fig. 2 La velocidad específica y el diamétro específico permiten la selección inicial de un tipo definido de compresor de una etapa
  22. 22. CLAVES PARA LA SELECCIÓN DE COMPRESORES 19en donde h es la entalpía, Btu/lb. Como el empleo de estos valores en la figura 2, se en- La relación de la eficiencia adiabática a la eficiencia cuentra que un compresor centrífugo, con impulsor sen-politrópica es: tillo, de flujo radial, será el que ofrezca máxima eficiencia. 1 od = (r>k-l)‘k - 1) v (13) [ ,n-1vm - 1) Selección de compresores centrífugosVelocidad específica Los compresores centrífugos son el tipo que más se emplea en las industrias de procesos químicos porque su La velocidad específica, Ns, es un número índice pa- construcción sencilla, libre de mantenimiento, permitera los impulsores o rotores de los diversos tipos de bom- un funcionamiento continuo durante largos periodosbas y compresores. La definición es la misma para - compresor centrífugo más sencillo es el suspendi-ambos. do, de una sola eta a: Los hay disponibles para flujos N, = Nfi/?P” desde alrededor-3 000 hasta 150 000 PCMS. El im- e 3 (14) pulsor convencional, cerrado o con placas (Fig. 3), se Cuando se utiliza la ecuación (14) para compresores, utilizaría para cargas adiabáticas hasta de unas 12 000la velocidad N se expresa en rpm, la capacidad Q, en (ft-lb)/lb. El impulsor abierto, de álabes radiales (Fig. 3),ft3/s en las condiciones de succión, y la carga H, en (ft- pr;;dlucirá más carga con los mi<;& diámetro y velo-lb)/lb. cidad; sus variantes, con inductor o con álabes tridi- Otra cantidad adimensional para impulsores o rotores mensionales producirá hasta 20 000 (ft-lb)/lb de car L-J a.es el diámetro específico, DC, definido con Se utilizan diseños similares, hechos con materiales más resistentes y a velocidades más altas, en aplicacio- nes especiales como compresores de aire con engranes integrales, para aplicaciones aeroespaciales, en los tur- bocargadores para motores de combustión, compresoresen donde D es el diámetro del impulsor o el rotor, ft. de carga, etc. Balje5 preparó una gráfica de velocidad específica(Fig. 2) en la cual se combinan las relaciones de las ecua- Compresores centrífugosciones (14) y (15). Si se utiliza esta gráfica, debe ser so- de, múlti;gles etapasbre la base de carga por etapa; es decir, se debe --~“-.-“A.II l”i.,_.seleccionar cada impulsor o etapa con respecto a la ca- Cuando la carga requerida es muy grande para un so-pacidad de entrada y carga para esa etapa. Aunque la lo impulsor, la solución lógica son dos o más impulsoresexperiencia que se tenga con los compresores de tipos en serie, que forman los compresores de etapas múltiples,existentes muchas veces no requerirá consultar la figura que tienen muchas aplicaciones. El más común es el de2, ésta ofrece una correlación lógica para seleccionar el carcasa dividida horizontalmente con impulsores en se-tipo de compresor para una aplicación dada. En los si- rie, cuyo número puede variar de tres a ocho con o singuientes ejemplos se ilustrará el empleo típico de la íigu- interenfriamiento, como el que se ilustra en la página J 5.ra 2. Hay disponibles algunos para flujos desde 1 000 has- Ejemplo 2. Se hará la selección preliminar de un com- ta 100 000 PCMS, con cargas politrópicas totales depresor para manejar 90 000 PCMS de aire cuando las 20 000 a 100 000 (ft-lb)/lb, con base en el número de im-condiciones en la succión son 14.3 psia, 90°F y 70% de pulsores o etapas en cada carcasa. Estas carcasas, a ve-humedad relativa. La presión de descarga será de 22.3 ces, están dispuestas con impulsores opuestos para lapsia, el peso molecular = 28.59, k = cpc, = 1.395. Se compensación parcial del empuje y para simplificar lossupondrá un impulsor con diámetro D de 55 in y veloci- problemas de diseño de cojinetes de empuje, tamboresdad de rotación N de 3 550 rpm. de compensación y sellos para los ejes. Para poder utilizar la figura 2, hay que encontrar la En las carcasas divididas verticalmente o de barril,velocidad y el diámetro específicos con las ecuaciones hechas con acero soldado, fundido o forjado, se utiliza(14) y (15). Para ello, primero se calcula el flujo de aire una disposición similar en los impulsores; estas carcasasa la entrada, QJ = 90 000/60 = 1 500 ft’3/s y la carga son más adecuadas para altas presiones que las de divi-adiabática con la ecuación (7); hay que recordar que los siones horizontales.factores de compresibilidad son unitarios en estas condi- La actual Norma API 617 para Compresores Centrí-ciones. Por tanto: fugo@, especifica que las carcasas tipo barril se deben utilizar para presiones superiores a unas 200 a 250 psig si el contenido de hidrógeno de la mezcla de gases es de H,, = ($.f$SO)[ (22.3’1;:;;= - ’ ] = 14,072 70% o mayor, para evitar las fugas; sus capacidades son entre 1 000 y 100 000 PCMS, y se han construido carca- N sas para presiones hasta de 10 000 psig. I El compresor de aire más común en la actualidad es el de tres o cuatro etapas con interenfriador, como el D = (55/12)( 14 072)“’ = 1.29 ilustrado en la página 15, en tamaños que van desde 500 * qi33 hasta 70 000 PCMS, basados en aire atmosférico com-
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