informe de pasantia larga sistema de aire comprimido para
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMPRESIÓN DE AIRE DE INSTRUMENTOS Y SERVICIOS EN UNA PLANTA DE PROCESOS
Por:
Eloisa Victoria De Brito Fernández
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Octubre de 2009
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMPRESIÓN DE AIRE DE INSTRUMENTOS Y SERVICIOS EN UNA PLANTA DE PROCESOS
Por: Eloísa Victoria De Brito Fernández
Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Geanette Polanco
Tutor Industrial: Ing. Thais Mesones
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Octubre de 2009
iv
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Mecánica Diseño del Sistema de Compresión de aire de instrumentos y servicios en una planta de procesos
PROYECTO DE GRADO Presentado por: Eloisa Victoria De Brito Fernández
REALIZADO CON LA ASESORÍA DE: Prof. Geanette Polanco (Tutor Académico)
Ing. Thais Mesones (Tutor Industrial)
RESUMEN
A continuación se presenta el proyecto de pasantía realizado en Empresas Y&V donde se hará
el diseño del sistema de compresión de aire de instrumentos y servicios en una planta de
procesos. Se estudiarán las demandas de aire de la planta y la calidad de aire que se le debe
suministrar, en base a ello se propondrá el diseño del sistema. Se analizarán las posibles
configuraciones de los recipientes almacenadores de aire a través un balance de presión, con estos
resultados se seleccionará la configuración final más eficiente. Una vez establecida dicha
configuración, conociendo las presiones de trabajo del sistema y la calidad de aire, se procederá a
la selección de los equipos que conformaran dicho sistema, como compresores de aire, secadores
y filtros. Al concluir el proyecto, se obtuvo como resultado una guía general explicativa que sirve
como base para la realización de cualquier otro diseño de sistema de aire comprimido en plantas
de procesos. Todo el diseño se llevó a cabo usando una metodología específica y siguiendo las
normas aplicables, principalmente la normas PDVSA, además de los criterios ingenieriles usados
en la industria y documentos usados en Empresas Y&V para la realización de proyectos, lo que
asegura un producto final de alta calidad dentro de las normas nacionales e internacionales
aplicables.
PALABRAS CLAVES Sistema, Aire comprimido, servicios, instrumentación, compresores, secadores, recipientes,
PDVSA.
v
A mis padres, Salomé y Luis, a mis hermanas Jhoana y Cristina,
a mis queridos abuelos, y a mi familia,
no los cambiaría por nada en este mundo.
vi
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios y a la Virgen por darme absolutamente todo lo que tengo.
Agradezco a mis padres Salomé y Luis porque sin su apoyo, sus sacrificios, sus enseñanzas y
consejos no habría llegado hasta aquí, los quiero mucho.
A Empresas Y&V y a la Ing. Thais Mesones, por su tutoría y darme la oportunidad de realizar
mi proyecto de pasantía en su reconocida Empresa, mi primera experiencia laboral que me
permitió crecer profesionalmente.
Al Ing. Nelson Abreu, una valiosa persona a la que agradezco por su dedicación, paciencia y
por siempre estar dispuesto a enseñar y transmitir todos sus conocimientos, de la manera más
interesante y alegre.
A la Prof Geanette Polanco, más que una profesora, se convirtió en una amiga, gracias por
darme tantas oportunidades y creer en mí.
Agradezco a mis padrinos Marisela y Santiago por sus consejos de vida, por su ayuda y por
estar ahí siempre que los necesito, realmente son mis segundos padres.
A mis Abuelos, a Cristina, Jhoana, Esther, David, Alejandro, Gabriel, tía Mariete y tío Numa,
mi familia querida que siempre me acompaña.
A mis mejores amigas Mave y Yune, y a Daniel por su apoyo y por estar ahí siempre que los
necesité, espero nunca perderlos, los quiero mucho. Y a mis compañeros de pasillo Ana y Sergio
por soportar todo lo que los fastidié y por hacer divertidos los días de trabajo.
vii
ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................. vi
ÍNDICE GENERAL ...................................................................................................................... vii
ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................................................... x
ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................. xi
LISTA DE SÍMBOLOS ............................................................................................................... xiii
LISTA DE ABREVIATURAS ..................................................................................................... xvi
LISTA DE SUBÍNDICES ............................................................................................................ xvi
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1
CAPÍTULO 1 .................................................................................................................................. 3
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ............................................................................................... 3
1.1. Y&V Construcción y Montaje .................................................................................................. 4
1.2. Y&V Ecoproyectos .................................................................................................................. 4
1.3. Y&V Operación y Mantenimiento ........................................................................................... 4
1.4. Y&V Ingeniería y Construcción. .............................................................................................. 5
1.5. Y&V Consulting and Construction Canada LTD .................................................................... 6
1.6. Y&V Engineering and Construction Inc .................................................................................. 6
1.7. Y&V Ingeniería y Construcción México.................................................................................. 6
1.8. Filosofía Empresarial ................................................................................................................ 6
1.8.1. Valores (2) ............................................................................................................................... 6
1.8.2. Misión .................................................................................................................................... 7
1.8.3. Objetivos ................................................................................................................................ 7
1.8.4. Política de Calidad ................................................................................................................. 7
CAPÍTULO 2 .................................................................................................................................. 8
MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................ 8
2.1. Ecuación de estado de Gas Ideal .............................................................................................. 8
2.2. Desviación del comportamiento de gas ideal ........................................................................... 9
2.3. Principios Termodinámicos de Gas Ideal ............................................................................... 11
2.4. Componentes del sistema de aire comprimido ...................................................................... 12
2.4.1. Compresor ........................................................................................................................... 13
2.4.1.1. Compresores de desplazamiento positivo......................................................................... 13
2.4.1.2. Compresores Dinámicos ................................................................................................... 17
viii
2.4.2. Filtros ................................................................................................................................... 18
2.4.3 Post enfriadores separadores de humedad y sistema de tratamiento de aire ........................ 19
2.4.4. Recibidores de aire .............................................................................................................. 22
2.5. Sistemas de distribución de aire comprimido ......................................................................... 23
2.5.1. Capacidad de aire requerida ................................................................................................ 23
2.5.2. Presión: ................................................................................................................................ 23
2.5.3. Volumen de aire: ................................................................................................................. 23
2.5.4. Calidad del aire .................................................................................................................... 24
2.6. Definiciones Importantes ................................................................................................... 26
CAPÍTULO 3 ................................................................................................................................ 28
DISEÑO DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO DE LA PLANTA DE PROCESOS ......... 28
3.1. Metodología usada para el diseño del sistema de aire comprimido ....................................... 28
3.2. Características del sitio de la instalación. ............................................................................... 30
3.3. Requerimiento de aire de la planta ......................................................................................... 30
3.4. Sistema de aire de arranque .................................................................................................... 31
3.4.1. Aire de prelubricación. ........................................................................................................ 31
3.5. Sistema de aire de instrumentos ............................................................................................. 32
3.6. Sistema de aire de servicio ..................................................................................................... 32
3.6.1. Aire para mantenimiento ..................................................................................................... 32
3.6.2. Aire para otros servicios auxiliares de la planta .................................................................. 33
3.7. Cálculo de demandas de aire .................................................................................................. 33
3.7.1. Demandas del sistema de aire de arranque .......................................................................... 33
3.7.2. Demandas sistema de aire de instrumentación .................................................................... 33
3.7.3. Demandas de aire para servicios auxiliares de la planta ..................................................... 34
3.8. Cálculo del volumen de los recipientes ................................................................................. 35
3.9. Propuestas de configuración de los recipientes recibidores. ................................................. 37
3.10. Descripción detallada de la opción 1 .................................................................................... 38
3.10.1. Cálculo del volumen del recipiente de instrumentación en la opción 1 ............................ 39
3.10.2. Cálculo del volumen del recipiente principal en la opción 1. ........................................... 40
Volumen arranque ......................................................................................................................... 40
3.11. Descripción detallada de la opción 2 .................................................................................... 44
3.11.1. Cálculo del volumen del recipiente de instrumentación para la opción 2. ....................... 45
3.12. Balance de presión en los recipientes de la opción 1 y la opción 2. ..................................... 46
ix
3.13. Resultados del balance de presión en la opción 1 y en la opción 2 ...................................... 53
3.14. Análisis de resultados ........................................................................................................... 53
3.15. Características de operación de la opción seleccionada, Opción 1. ..................................... 56
CAPÍTULO 4 ................................................................................................................................ 58
SELECCIÓN DE EQUIPOS ......................................................................................................... 58
4.1. Selección de compresor .......................................................................................................... 58
4.2. Selección del secador.............................................................................................................. 62
4.2.1. Características del secador................................................................................................... 65
4.3. Selección de los filtros ............................................................................................................ 66
CAPÍTULO 5 ................................................................................................................................ 69
DISEÑO BÁSICO DE LOS RECIPIENTES RECIBIDORES DE AIRE COMPRIMIDO ......... 69
5.1. Características principales ...................................................................................................... 69
5.2. Cálculo de tamaño óptimo de los recipientes ......................................................................... 70
5.2.1. Cálculo de tamaño óptimo del recipiente de instrumentación. ............................................ 71
5.2.2. Cálculo de tamaño óptimo del recipiente principal. ............................................................ 72
5.3. Verificación de diseño ............................................................................................................ 74
CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 77
REFERENCIAS ............................................................................................................................ 79
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 81
APÉNDICE A ............................................................................................................................... 83
APÉNDICE B ................................................................................................................................ 84
APÉNDICE C .............................................................................................................................. 101
APÉNDICE D ............................................................................................................................. 121
APÉNDICE E .............................................................................................................................. 122
APÉNDICE F .............................................................................................................................. 123
APÉNDICE G ............................................................................................................................. 124
APÉNDICE H ............................................................................................................................. 129
APÉNDICE I ............................................................................................................................... 132
APÉNDICE J ............................................................................................................................... 134
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Valores críticos de presión, temperatura y volumen para el aire. ................................ 11
Tabla 3.1 Características del sitio donde estará ubicado el sistema de aire comprimido .............. 30
Tabla 3.2 Datos del consumo de aire de arranque de los compresores de gas .............................. 33
Tabla 3.3 Datos del consumo total de aire para instrumentación en condiciones normales de
operación. ...................................................................................................................................... 34
Tabla 3.4 Datos del consumo total de aire para instrumentación en caso de emergencia. ............ 34
Tabla 3.5 Datos del consumo de aire para servicios de la planta .................................................. 35
Tabla 3.6 Datos del consumo de aire para funcionamiento de bombas de diafragma para la
lubricación. .................................................................................................................................... 35
Tabla 3.7 Tabla comparativa entre la opción 1 y la opción 2. ....................................................... 47
Tabla 4.1 Capacidad requerida en el compresor de aire. ............................................................... 58
Tabla 4.2 Condiciones del sitio donde será ubicado el compresor. ............................................... 58
Tabla 4.3 Tipos de compresores que cumplen con los requerimientos. ........................................ 59
Tabla 4.4 Característica compresor GA 75-175. ........................................................................... 59
Tabla 4.5 Características del secador seleccionado ....................................................................... 63
Tabla 4.6 Factores de corrección de la capacidad del secador por temperatura ambiente K1 ....... 64
Tabla 4.7 Factores de corrección de la capacidad del secador por temperatura de entrada K2 ..... 64
Tabla 4.8 Factores de corrección de la capacidad del secador por presión de entrada K3 ............ 64
Tabla 4.9 Descripción del filtro coalescente seleccionado PD 17. ................................................ 67
Tabla 4.10 Descripción del filtro coalescente seleccionado PD9. ................................................. 68
Tabla 4.11 Factores de corrección por presión del filtro coalescente seleccionado ..................... 68
Tabla 5.1 Criterio de diseño para establecer temperatura de diseño según PDVSA. .................... 69
Tabla 5.2 Criterio de diseño para establecer presión de diseño según PDVSA. ........................... 70
Tabla 5.3 Espesor de corrosión según el material del recipiente. .................................................. 70
Tabla 5.4 Temperatura y presión de diseño para recipiente de instrumentación. ......................... 71
Tabla 5.5 Temperatura y presión de diseño para recipiente principal. .......................................... 72
Tabla 5.6 Datos para diseño sísmico del recipiente de aire. .......................................................... 74
Tabla 5.7 Datos para diseño de viento del recipiente de aire. ....................................................... 74
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura.1.1 Logotipo de Empresas Y&V. ......................................................................................... 3
Figura1.2 Logotipo de Y&V Construcción y Montaje. ................................................................... 4
Figura 1.3 Logotipo de Y&V Ecoproyectos. ................................................................................... 4
Figura 1.4 Logotipo de Y&V Operación y Mantenimiento. ........................................................... 5
Figura 1.5 Logotipo de Y&V Ingeniería y Construcción. ............................................................... 5
Figura 2.1 Carta de compresibilidad generalizada. ....................................................................... 11
Figura 2.2 Esquema de clasificación de compresores según su principio de funcionamiento. ..... 13
Figura 2.3 Muestra de pistones tipo laberinto. .............................................................................. 14
Figura 2.4 Compresor rotativo de aletas o paletas deslizantes. ..................................................... 15
Figura 2.5 Elementos compresores en un compresor tipo tornillo. ............................................... 16
Figura 2.6 Elementos compresores en un compresor tipo tornillo. ............................................... 16
Figura 2.7 Funcionamiento de un compresor de lóbulos............................................................... 17
Figura 2.8 Compresor axial. .......................................................................................................... 18
Figura 2.9 Filtros de papel tipo cartucho. ...................................................................................... 19
Figura 2.10 Post enfriador. ........................................................................................................... 20
Figura 2.11 Secador refrigerado. ................................................................................................... 21
Figura 2.12 Secador tipo adsorción. .............................................................................................. 22
Figura 3.1 Esquema que muestra la metodología usada para realizar el diseño del sistema de aire
comprimido. ................................................................................................................................... 29
Figura 3.2 Esquema que muestra la distribución del sistema de aire comprimido. ...................... 30
Figura 3.3 Esquema que muestra la configuración de los equipos del sistema de aire comprimido
en la opción 1 de diseño. ............................................................................................................... 38
Figura 3.4 Esquema que muestra el consumo “C” de aire de instrumentos desde el recipiente
principal. ........................................................................................................................................ 42
Figura 3.5 Esquema que muestra la configuración de los equipos del sistema de aire comprimido
en la opción 2 de diseño. ............................................................................................................... 44
Figura 3.6 Esquema Diagrama de flujo que muestra el procedimiento para realizar el balance de
presión en los recipientes. .............................................................................................................. 52
Figura 3.7 Gráfica que muestra resultado de balance de presión en el recipiente principal de la
opción 1. ........................................................................................................................................ 54
xii
Figura 3.8 Gráfica que muestra resultado de balance de presión en el recipiente principal y el
recipiente de instrumentación de la opción 2. ............................................................................... 55
Figura 4.1 Diagrama esquemático del funcionamiento del compresor seleccionado.................... 62
Figura 4.2a Diagrama esquemático del funcionamiento del secador. ........................................... 65
Figura 4.2b Diagrama esquemático del funcionamiento del secador refrigerado seleccionado. .. 66
Figura 5.1 Ambiente de trabajo del Software PVElite 2007. ........................................................ 76
xiii
LISTA DE SÍMBOLOS
acfm Pies cúbicos por minuto actuales [ft3/m]
C Consumo de aire desde el tanque principal al tanque de instrumentación
Co Espesor de corrosión [mm]
E Eficiencia de la junta [%]
ENE Este-nor-este
D Diámetro del recipiente [m]
F Factor para dimensionamiento óptimo de recipientes.
Fe Factor de expansión
Ff Factor de fugas
Fs Factor de simultaneidad
Fu Factor de uso
GS Grado de saturación
HE Humedad específica
HH Horas hombre
HR Humedad relativa
K1 Factor de corrección del secador por temperatura ambiental
K2 Factor de corrección del secador por temperatura de entrada
K3 Factor de corrección del secador por presión de entrada
K4 Factor de corrección del filtro por presión de entrada
L Longitud del recipiente [m]
Ma Masa actual
Mas Masa de aire saturado [kg]
Mt Masa total
xiv
Mva Masa vapor de agua [kg]
m Masa del gas [kg]
msnm Metros sobre nivel del mar
m/m Relación masa / masa
n Numero de moles [kmol]
NA No aplica
P Presión [psi]
Pa Presión Actual
Pact Presión de aire condiciones actuales [psia]
Pambiente Presión ambiental
Pc Presión crítica
Pdescarga Presión absoluta a la descarga del compresor
Pentrada Presión absoluta a la entrada del compresor
PM Peso molecular del gas [kmol/kg]
Pmax Presión máxima
Pmezcla Presión mezcla
Pmin Presión mínima
Pr Presión reducida
Psat Presión de saturación a temperatura actual [psi]
Pstd Presión de aire condiciones estándar [psia]
Pvaa Presión de vapor de agua saturado
Pva Presión de vapor de agua a la entrada
Pvas Presión de vapor de agua actual
Pvdre Presión de vapor a la descarga referido a la entrada
ppm Partes por millón
xv
Qc Caudal suministrado por el compresor
Qreal Caudal real
Qteorica Caudal teórico
Qtotal Caudal total
R Constante de proporcionalidad del gas
Ru Constante universal de los gases [8.314 kJ/kmolK]
S Máximo esfuerzo permitido [psi]
scfm “Standard cubil feet per minute”, pies cúbicos estándar por minuto [ft3/m]
T Temperatura [°C]
Tact Temperatura de aire condiciones actuales [K]
Tc Temperatura crítica
Tr Temperatura reducida
Tstd Temperatura de aire condiciones estándar [K]
To temperatura en el recibidor
V Volumen [m3]
Vkmol Volumen de un kmol [m3]
v/v Relación volumen/ volumen
Z Factor de compresibilidad
∑Di Sumatoria de las demandas en un intervalo de tiempo
P∆ Variación de presión en el recipiente (Pmax - Pmin)
xvi
LISTA DE ABREVIATURAS
API American Petroleum Institute
COVENIN La Comisión Venezolana de Normas Industriales
FAD Free air delivery (Suministro de aire libre)
FONDONORMA Fondo para la normalización y certificación de la calidad
IPC Ingeniería, procura y construcción
ISA The Instrumentation, Systems, and Automation Society
ISO Organización Internacional para la estandarización
PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima
PIP Process Industry Practices
PRP Punto de rocío a presión
RASDA Registro de Actividades Susceptibles de Degradar el Ambiente
LISTA DE SUBÍNDICES
1 Condiciones iniciales
2 Condiciones finales
1
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de servicios en una planta para compresión de gas, tienen por objetivo suministrar
las facilidades para el funcionamiento de las unidades compresoras y de todo el proceso relativo a
él. Las plantas de procesos se caracterizan por tener un servicio principal, en este caso la
compresión de gas, y unos servicios llamados auxiliares. Entre los servicios auxiliares de una
planta de procesos tenemos los sistemas de gas combustible, sistemas de lubricación, agua de
servicio, alimentación eléctrica, los sistemas de aire comprimido, entre otros.
El aire comprimido es uno de los servicios auxiliares más importantes dentro de la planta ya
que se usa como elemento accionador de algunos equipos o herramientas y de la instrumentación
para el control del proceso. El diseño de un sistema de aire comprimido amerita un estudio
detallado de las demandas de aire y presiones de los equipos conectados a la red con un interés
especial en el aire que se usa para instrumentación y control. Generalmente los accionadores de
las válvulas, incluyendo las válvulas que llevan a condición segura los procesos de la planta en
caso de emergencia, son activados por aire comprimido, ya que se considera un suministro seguro
y confiable, esto le confiere gran importancia y por lo tanto su diseño se rige por una normativa
especial y tiene que cumplir con unos requerimientos de calidad específicos.
Un correcto diseño de la red podría significar ahorros apreciables de energía en el equipo
compresor, seguridad en los procesos de la planta basada en la confiabilidad de la
instrumentación, funcionamiento eficiente de los equipos a plena carga, economía en la
construcción de recipientes, mantenimiento, etc.
En el presente trabajo de pasantía, se propone el diseño de un sistema de aire comprimido para
su uso en las operaciones de arranque y demás servicios neumáticos de una planta compresora de
gas para inyección a pozo. Entre los requerimientos de aire de la planta se encuentra el aire para
arranque y prelubricación de los compresores de gas, aire de instrumentación, aire para el
accionamiento de dos bombas de diafragma, que suministran aceite a los compresores de gas, y
aire para servicios y puntos de mantenimiento.
Se efectuará la ingeniería básica que abarca el diseño del sistema, selección de equipos
compresores, selección de equipos secadores, selección de filtros, dimensionamiento de tanques y
configuración general de los equipos, además se realizará los balances de presión en los
recipientes respectivos para estimar los ciclos de carga y descarga de los compresores.
2
Todos los procedimientos dentro del siguiente informe de pasantía se ejecutan según lo
establecido en la Empresa, considerando las normas aplicables nacionales e internacionales
aplicables, principalmente normas PDVSA y otras herramientas, lo que asegura un diseño de alta
calidad. Se obtiene al final del proyecto los criterios para la elaboración de una guía de diseño
para sistemas de compresión de aire para plantas de procesos.
Es importante señalar, que todos los datos relativos a los requerimientos de aire usados en este
proyecto de pasantía fueron obtenidos de la información referente a las premisas de diseño del
proyecto de construcción de la planta compresora de gas en cuestión y por lo tanto se presume
que son correctos. Además, el diseño a continuación es una ingeniería básica del sistema de aire
comprimido y no abarca la ingeniería de redes de tuberías, sistemas de control, válvulas etc., ya
que esto depende de otras disciplinas que trabajen en el proyecto de diseño y construcción de la
planta compresora y están fuera del alcance de este proyecto de pasantía.
3
CAPÍTULO 1
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
Empresas Y&V es una empresa de servicios venezolana, orientada al desarrollo de proyectos de
ingeniería, construcción, operación, mantenimiento y gestión ambiental tanto para el sector
público como el sector privado.
La empresa fue creada en 1985 bajo el nombre de Yanes & Asociados, Estudios y Proyectos
C.A., ante la necesidad que existía en el mercado de encontrar en un solo lugar las diferentes
áreas de servicio. Hasta el mes de mayo de 2005 la empresa se conformaba como una agrupación
estratégica de 6 compañías que brindaban servicios integrales, estas empresas eran Yanes &
Asociados, DRV Construcciones, Procegas, Yanes – Vectra, Eco Proyectos y Net Tel.
A partir del año 2005, el grupo de empresas se unió formando así Empresas Y&V, esta unión
trajo una nueva imagen y una nueva distribución. Actualmente, Y&V se divide en cuatro
empresas que realizan actividades enfocadas a distintos aspectos de la ingeniería y la ejecución
de proyectos, las cuales gozan de autonomía en las decisiones y estructuras de costo, y a su vez,
comparten las mismas políticas en las áreas de recursos humanos, administrativa y financiera
permitiendo la interacción del personal en las distintas áreas. Estas empresas son: Y&V
Construcción y Montaje, Y&V Ecoproyectos, Y&V Operación y Mantenimiento, Y&V
Ingeniería y Construcción.
Figura.1.1 Logotipo de Empresas Y&V.
4
1.1. Y&V Construcción y Montaje
Y&V Construcción y Montaje, C.A. nace con el propósito de ofrecer soluciones integrales en el
área de la construcción, asegurando costos, calidad, tiempo de ejecución y seguridad. La empresa
actúa como contratista en la ejecución de obras de ingeniería y cuanta con una capacidad para
realizar obras que superan 1.500.000 HH/año. Y&V Construcción y Montaje ofrece servicios de
Ingeniería, Procura, Construcción, Gerencia de Proyectos y Proyectos IPC. (1)
Figura1.2 Logotipo de Y&V Construcción y Montaje.
1.2. Y&V Ecoproyectos
Y&V Ecoproyectos se encarga de diseñar y desarrollar soluciones en el área de ambiente,
fundamentalmente para los sectores de petróleo y gas, petroquímico e industrial. Surge en 1.989
por iniciativa de un grupo de profesionales de las áreas de Ecología e Ingeniería Ambiental
debido a las necesidades de la industria en materia ambiental. Actualmente Ecoproyectos posee la
certificación RASDA, otorgada por el Ministerio de Ambiente y de los Recursos Naturales, que
permite el manejo de desechos susceptibles de degradar el ambiente. (1)
Figura 1.3 Logotipo de Y&V Ecoproyectos.
1.3. Y&V Operación y Mantenimiento
Fundada en 1.968 bajo el nombre de Vectra, Y&V Operación y Mantenimiento presta servicios
técnicos y gerenciales en la operación y mantenimiento de plantas en los sectores de petróleo y
5
gas, petroquímico e industrial. Desde su fundación, la compañía ha prestado servicios
profesionales en forma continua en Venezuela, tanto a clientes del sector privado como del sector
público, a lo largo de las diferentes fases de un proyecto de inversión como son Investigación de
mercados, Evaluación económica, Arranque y puesta en marcha, Operación y mantenimiento. (1)
Figura 1.4 Logotipo de Y&V Operación y Mantenimiento.
1.4. Y&V Ingeniería y Construcción.
Yanes & Asociados, posteriormente Y&V Ingeniería y Construcción, se constituye como
Empresa de Servicios de Ingeniería de Consulta en 1985, siguiendo el camino dejado por la
Oficina Técnica de Ingeniería Adolfo Yanes, cuyas actividades comprenden el período 1954-
1985. Así, Yanes & Asociados ha acumulado más de 40 años de experiencia en consultoría,
prestando servicios en los sectores de petróleo y gas, petroquímica, industrial e infraestructura, lo
que le ha permitido adquirir una sólida experiencia que pone a disposición de sus clientes.
Y&V Ingeniería y Construcción ofrece sus servicios en diseño y desarrollo de soluciones en el
área de ingeniería de consulta y construcción para los sectores de petróleo y gas, petroquímica,
industrial e infraestructura. (1)
Figura 1.5 Logotipo de Y&V Ingeniería y Construcción.
Además, Empresas Y&V, tiene oficinas a nivel internacional en Canadá, Florida y México;
6
1.5. Y&V Consulting and Construction Canada LTD
Las oficinas se encuentran en Calgary y se encuentran activas desde 2006 con énfasis en
gerencia integral de proyectos, gerencia de construcción y servicios de asistencia técnica para
proyectos de petróleo pesado. (1)
1.6. Y&V Engineering and Construction Inc
Con oficinas en Florida, se encuentra prestando servicios desde 2003 haciendo énfasis
principalmente en la Gerencia integral de proyectos, Gerencia de construcción y Servicios de
asistencia técnica para proyectos de petróleo, gas e infraestructura. (1)
1.7. Y&V Ingeniería y Construcción México
Con oficinas en Ciudad de México y Minatitlan, presta servicios desde 2004 con el objetivo
principal marcado en Gerencia integral de proyectos, Gerencia de construcción y Servicios de
asistencia técnica para proyectos de producción y refinación de petróleo y gas. (1)
1.8. Filosofía Empresarial
1.8.1. Valores (2)
- Reconocimiento y respeto al individuo que se traduce en la búsqueda de su desarrollo
personal y profesional.
- Mística, pasión y compromiso.
- Integridad.
- Espíritu competitivo con fuerte sentido del logro.
- Disposición al reto con actitud preactiva y optimismo.
- Búsqueda de la excelencia mediante el mejoramiento continuo.
- Trabajo en equipo.
7
1.8.2. Misión
Prestar servicios de Ingeniería y Construcción de excelencia, que excedan las expectativas de
nuestros clientes y maximicen el bienestar de trabajadores y accionistas dentro de un entorno
ético y moral orientado al servicio del individuo, la sociedad y la conservación del ambiente.
1.8.3. Objetivos
Los objetivos que Empresas Y&V se ha planteado son:
- Líder Nº 1 en Venezuela.
- Importante jugador internacional.
- Organización de clase mundial.
- Personal satisfecho, autorrealizado y orgulloso.
1.8.4. Política de Calidad
Empresas Y&V, específicamente Y&V Ingeniería y Construcción, toma muy en cuenta los
procesos de calidad en sus actividades. La política de calidad de la empresa es:
“Satisfacer los requerimientos y expectativas de nuestros clientes, mediante un servicio adecuado,
confiable y oportuno, basado en: procesos normalizados, un sistema de mejoramiento continuo y
el compromiso de su personal con la calidad.” (2)
A partir del año 1.999, Y&V Ingeniería y Construcción está certificada por FONDONORMA
por establecer y mantener un sistema de calidad en conformidad con los requerimientos de la
Norma del Comité Venezolano de Normas Industriales – Organización Internacional de
Normalización COVENIN – ISO 9001:2008. (2)
8
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
A continuación se enuncian los conceptos y definiciones básicas más relevantes que se usaran
para el cálculo y diseño del sistema de aire comprimido.
2.1. Ecuación de estado de Gas Ideal
La ecuación de estado más sencilla que se usa para fase gaseosa es la ecuación de estado de
gas ideal. Esta ecuación modela el comportamiento de los gases en función de la temperatura,
presión y volumen específico. Los términos de vapor y gas son usados como sinónimos, sin
embargo, la fase de vapor es considerada como gaseosa cuando su temperatura es mayor que su
temperatura crítica.
La presión de los gases es inversamente proporcional a su volumen. A bajas presiones el
volumen de un gas es proporcional a su temperatura, como se muestra en la Ecuación 2.1
TRvP .. = (2.1)
Donde la constante de proporcionalidad R (Ecuación 2.2) se define como la constante del gas.
La constante R es diferente para cada gas y se calcula a partir de:
PM
RuR = (2.2)
Los valores de Ru dependiendo de las unidades en la que se expresen son las siguientes:
9
⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅
⋅⋅⋅
=
Rlbmollbfft
Rlbmolftpsia
RlbmolBtu
Kkmolmbar
KkmolmKPa
KkmolkJ
Ru
/1545
/73.10
/986.1
/08314.0
/314.8
/314.8
3
3
3
La masa molar de un gas se define como la masa de un mol de una sustancia en gramos o la
masa de un kmol por kg. La masa, m, de un sistema es igual al producto de su masa molar PM y
el número de moles, n.
nPMm ⋅= (2.3)
La ecuación de gas ideal trabaja con unidades absolutas de temperatura, y se define como se
enuncia en la Ecuación 2.4
TRunVP ... = (2.4)
Donde
P Presión [kN/m2]
V Volumen [m3]
n Número de moles [kmol]
Ru Constante universal de los gases 8.315K [kNm/kmol.K]
T Temperatura [K]
2.2. Desviación del comportamiento de gas ideal
Los gases se desvían de su comportamiento de gas ideal de manera considerable en estados
cercanos a su punto de saturación y punto crítico. Esta desviación se puede explicar mediante un
factor de corrección llamado factor de compresibilidad y se define como muestra la Ecuación 2.5.
10
RT
PVZ = (2.5)
Para gases ideales el valor de Z es igual a uno, (Z=1). Para gases reales, Z puede ser mayor o
menor que la unidad y mientras más difiera Z de la unidad, mayor será la desviación del gas en el
comportamiento de gas ideal.
Los gases se comportan de manera diferente a una determinada presión y temperatura pero se
comportan de forma muy parecida respeto a sus temperaturas y presiones normalizadas Pr y Tr.
Existe una temperatura límite de cuyo valor es imposible condensar un gas sin importar la
magnitud de la presión que se aplique, esta temperatura se conoce como temperatura crítica, Tcr.
La presión requerida para condensar cualquier gas a su temperatura crítica se denomina presión
crítica, Pcr. La normalización se efectúa como sigue:
Pcr
P=Pr (2.6)
Tcr
TTr = (2.7)
El factor Z es aproximadamente el mismo para todos los gases a la misma presión y
temperatura reducidas, llamado también principios de estados correspondientes.
En la Figura 2.1, se muestra la carta de compresibilidad generalizada que puede utilizarse para
todos los gases. A partir de la carta de compresibilidad generalizada se pueden hacer las
siguientes observaciones:
-A bajas presiones ( 1Pr << ) los gases se comportan como gas ideal sin considerar la
temperatura. (3)
-A elevadas temperaturas ( 2>Tr ), el comportamiento de gas ideal puede suponerse con buena
precisión sin importar la presión cuando (excepto cuando 1Pr >> ) (3)
-La desviación de un gas del comportamiento de gas ideal es mayor cerca del punto crítico. (3)
11
Aunque el aire es una mezcla de gases puede tomarse como gas ideal. Para el aire se tiene los
siguientes valores mostrados en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1 Valores críticos de presión, temperatura y volumen para el aire (3).
Temperatura crítica [K] Presión crítica [MPa] Volumen crítico [m3/kmol]
132.5 3.77 0.0883
Figura 2.1 Carta de compresibilidad generalizada. (4)
2.3. Principios Termodinámicos de Gas Ideal
Los gases ideales cumplen con las siguientes definiciones y leyes:
- Ley de Boyle
En condiciones de temperatura constante, el producto de presión por volumen es constante.
12
- Ley de Charles
A presión constante el volumen de un gas cambia en proporción directa a los cambios en la
temperatura absoluta.
- Ley de Amonton
Establece que la presión de un gas, a volumen constante, varía en relación directa con la
temperatura absoluta.
- Ley de Dalton
La presión total de una mezcla de gases, es igual a la suma de las presiones parciales de cada
uno de los gases constituyentes de la mezcla (Ecuación 2.8). La presión parcial de cada gas, es la
presión que cada gas ejercería si él solo ocupara el volumen de la mezcla.
nPPPPPmezcla +++= .....321 (2.8)
Esta ley se puede aplicar durante la compresión de gas. Cuando se comprime aire húmedo, el
compresor maneja aire y vapor de agua. El aire seco puede ser considerado como gas ya que no
hay variación de la composición del aire seco durante el proceso de compresión. La presión
atmosférica equivale a la suma de la presión parcial del aire y la presión parcial del vapor de
agua.
- Ley de Amagat
El volumen de una mezcla de gases es igual a la suma de los volúmenes parciales que
ocuparían cada uno de los gases constituyentes si cada uno existiera solo a la presión de la
mezcla.
2.4. Componentes del sistema de aire comprimido
El sistema de aire comprimido está compuesto principalmente por los siguientes equipos y
accesorios:
-Compresores.
13
-Filtros.
-Postenfriadores, separadores de humedad y sistema de tratamiento de aire.
-Recibidores de aire.
-Reguladores de presión.
-Válvulas de descarga.
-Red de Tuberías.
2.4.1. Compresor
Existe diversidad de equipos para la compresión de aire y otros gases y se clasifican según su
principio de funcionamiento en compresores dinámicos y compresores de desplazamiento
positivo, tal como se muestra en la Figura 2.2.
Figura 2.2 Esquema de clasificación de compresores según su principio de funcionamiento. (5)
2.4.1.1. Compresores de desplazamiento positivo
El incremento de presión en estos tipos de compresores se logra reduciendo mediante medios
mecánicos la cavidad que ocupa el gas. Los compresores de desplazamiento positivo se pueden
dividir en dos grupos, los rotativos y los reciprocantes.
14
a) Compresores reciprocantes
En este tipo de equipos la compresión se realiza mediante un pistón que se mueve
alternativamente dentro de una cavidad cilíndrica. Pueden ser simple o doble efecto según las
caras del pistón que realicen trabajo de compresión, además, pueden ser lubricado o no lubricado,
los del tipo no lubricado generalmente poseen un anillo de algún material especial que disminuya
el roce entre el pistón y la cavidad cilíndrica. Los compresores reciprocantes generalmente tienen
válvulas auto-accionadas que se abren y se cierran según la diferencia de presión que exista en
ellas. Algunos de los compresores reciprocantes más usados en la compresión de aire son los del
tipo laberinto y los compresores de diafragma. El compresor tipo laberinto es un compresor que
no necesita lubricación ya que los pistones están maquinados con una rosca en su superficie, (ver
Figura 2.3).
Cuando el pistón comprime el aire, este crea remolinos en las hendiduras que bloquean las
fugas. Los compresores de diafragma también son libres de aceite ya que usan una membrana
flexible como elemento de compresión, esta membrana puede ser accionada mecánicamente,
mediante una varilla que la conecta con el cigüeñal o hidráulicamente mediante un fluido como
aceite o agua. En el caso de la membrana accionada hidráulicamente, la presión hidráulica
alternativa para producir el movimiento de la membrana es suministrada por una bomba de
pistón.
Figura 2.3 Muestra de pistones tipo laberinto (6). Se observa que los pistones están mecanizados con una rosca en la parte superior.
15
b) Compresores rotativos
- Compresores de aletas
Consisten en máquinas que tienen aletas dispuestas en ranuras axiales sobre un rotor montado
excéntricamente dentro de una carcasa cilíndrica (ver Figura 2.4). Cuando el rotor gira las aletas
se pegan contra la carcaza por acción de la fuerza centrífuga, sellando el espacio entre dos aletas
consecutivas, que luego se va reduciendo a medida que gira el rotor debido a la excentricidad.
Figura 2.4 Compresor rotativo de aletas o paletas deslizantes. (7)
- Compresores de anillo líquido
Estos compresores no necesitan válvulas y son exentos de aceite, están constituidos por un rotor
de álabes fijos montados excéntricamente dentro de una cámara circular. El cilindro está
parcialmente lleno de líquido que durante el funcionamiento es proyectado hacia las paredes del
cilindro por acción de la fuerza centrífuga, formándose un anillo líquido que al igual que la
carcaza tiene excentricidad respecto al rotor. La compresión se logra al disminuir la cavidad entre
dos álabes y el líquido actúa como sello. En este tipo de compresor, el gas se encuentra saturado
con el líquido del anillo a la temperatura de descarga, y tiene alto consumo de energía debido al
hecho de que necesita mantener el anillo líquido en constante movimiento.
- Compresores de tornillo
Son máquinas que funcionan con dos rotores helicoidales tipo tornillo engranados entres si y
que están ubicados dentro de una carcaza. El proceso de compresión se realiza cuando el aire
16
llena el espacio entre los lóbulos y a medida que los rotores giran, el volumen disminuye,
obteniéndose la compresión deseada, (ver Figura 2.6).
Figura 2.5 Elementos compresores en un compresor tipo tornillo. Se observa el rotor conductor y el conducido. (8)
El compresor de tornillo puede funcionar a altas velocidades y combina la elevada capacidad
con pequeñas dimensiones. Existen tipos de compresores de tornillo sincronizados que contienen
una caja de engranajes en su interior que evita el contacto metal metal entre el rotor conductor y
el rotor conducido, por lo tanto no necesita lubricación dentro de la cámara de compresión.
Figura 2.6 Elementos compresores en un compresor tipo tornillo. (5)
- Compresores de lóbulos
Este tipo de compresores no producen compresión interna, y no poseen válvulas de aspiración y
descarga, el incremento de presión ocurre en un tanque posterior debido a las sucesivas entregas
17
de aire. Se componen de dos rotores idénticos (ver Figura 2.7), que giran en direcciones opuestas
dentro de una carcaza cilíndrica y que impulsan continuamente volúmenes iguales de aire.
Figura 2.7 Funcionamiento de un compresor de lóbulos. (9)
2.4.1.2. Compresores Dinámicos
Según la dirección del flujo de gas estos compresores se pueden dividir en axiales y radiales. En
los compresores radiales el flujo es radial, el aire a ser comprimido entra por el centro de un rotor
provisto de álabes que impulsan por fuerza centrífuga el gas hacia la periferia. Antes de pasar al
siguiente impulsor, el aire es guiado hacia un difusor donde se transforma la energía cinética en
energía de presión. Estos compresores son más voluminosos ya que son sensibles a las caídas de
presión, y la capacidad mínima de un compresor centrífugo esta limitada por el flujo en la última
etapa. En los compresores axiales (ver Figura 2.8), el flujo de gas sigue la dirección del eje. Están
compuestos por álabes móviles y fijos.
Los álabes móviles se encuentran dispuestos radialmente en su rotor mientras que en el estator
están dispuestos unos álabes fijos. El conjunto de una fila de álabes fijos y álabes móviles se
llama etapa. Los álabes móviles imparten velocidad y presión al fluido al girar al rotor y en los
álabes fijos la velocidad es convertida en presión.
El incremento de presión por etapa generalmente es muy pequeño, por ello para altas relaciones
de compresión se requiere un mayor número de etapas lo que representa un aumento en el tamaño
del compresor.
18
Figura 2.8 Compresor axial. (10)
En el Apéndice A se encuentra un resumen de las características más importantes de los
compresores nombrados. Se muestra la distribución de los tipos de compresor según sus
capacidades y los rangos de presiones que ofrecen. Son datos aproximados y que sirven como
referencia para la selección de un equipo compresor.
2.4.2. Filtros
Para garantizar un funcionamiento adecuado del equipo compresor, deberá colocarse a la
entrada del mismo un filtro de aire, que evita el paso de partículas sólidas u abrasivas que puedan
ocasionar desgaste en el elemento compresor o a las partes móviles internas sometidas a contacto.
Los filtros han de estar diseñados para producir poca resistencia al aire de entrada, así como gran
capacidad de acumulación. Existen varios tipos de filtros, los más comunes y básicos son los
filtros de laberinto, filtros secos y filtros de papel.
- Filtros de laberinto
Consiste en hacer que la corriente de aire cambie de dirección varias veces, aumentando y
disminuyendo su velocidad, lo que hace que las partículas más pesadas caigan hacia un
19
contenedor de depósitos. Este tipo de filtro se recomienda en compresores de poca capacidad, ya
que se le debe hacer mantenimiento frecuente dependiendo de la suciedad del aire.
- Filtros en baño de aceite.
El principio de funcionamiento de este filtro se basa en hacer circular la corriente de aire por un
depósito de aceite, donde las partículas de aceite o suciedad se quedan adheridas. Esta corriente
de aire hay que conducirla a un filtro tipo laberinto para extraer el aceite que pudiera quedar en el
aire. Para el correcto funcionamiento del filtro es necesario filtrar el aceite en periodos de
limpieza regulares y es muy efectivo para atrapar partículas de peso menor o igual al peso del
aceite.
- Filtros de papel
Son los filtros más eficientes pueden filtrar alrededor de un 99% de las partículas, y produce
bajas caídas de presión. Consiste en un papel impregnado de aceite o seco inserto entre dos
cilindros concéntricos, (ver Figura 2.9).Debido al material del filtro, no pueden ser sometidos a
altas temperaturas ni vibraciones.
Figura 2.9 Filtros de papel tipo cartucho. (11)
2.4.3 Post enfriadores separadores de humedad y sistema de tratamiento de aire
El aire de la atmósfera no es completamente seco, de por sí, este trae un porcentaje de humedad
que pasa al sistema a través del proceso de compresión, el porcentaje de humedad depende de las
20
condiciones climáticas en el sitio de la instalación. A altas presiones y al disminuir la temperatura
hasta la temperatura ambiental luego de la compresión, el vapor de agua presente en el aire
comprimido se condensa. El agua del condensado pudiera ocasionar problemas en algunos
equipos, por ello es necesario secar el aire comprimido.
Existen diversos métodos para secar el aire, los más comunes son por enfriamiento y por
sobrecompresión:
- Sobrecompresión
Con este método el aire es comprimido hasta que la presión parcial del vapor exceda la presión
de saturación La presión de compresión debe ser mayor que la del trabajo, de manera que,
cuando el aire se expanda luego del separador estará lo suficientemente seco como para no
producir condensado. Se recomienda usar este método solo para pequeñas capacidades ya que la
potencia consumida es muy alta y se producen además altas temperaturas.
- Enfriamiento
Mientras más frío esté el aire menor será la capacidad de este de contener vapor. El secado por
enfriamiento consiste en la colocación de un post enfriador o un refrigerador que enfría el aire
para condensar la mayor cantidad de agua posible y separarla en lo que se llama una trampa de
condensado. En la figura siguiente (ver Figura 2.10) se muestra un postenfriador típico.
Figura 2.10 Post enfriador. Enfría la corriente de aire a través de un ventilador y deposita el condensado en un drenaje automático de agua. (12)
21
- Secadores por refrigeración
Cuando el enfriamiento que se obtiene con el post enfriador no es suficiente para lograr la
condensación es necesario un enfriamiento adicional. El equipo que se utiliza para estos casos se
llama secador de aire por refrigeración (ver Figura 2.11), y que propicia el intercambio de calor
entre un refrigerante y el aire.
Con el uso de estos equipos se puede enfriar el aire aproximadamente 2 a 5°C por encima del
punto de congelación del agua.
Figura 2.11 Secador refrigerado. Enfría el flujo de aire a través de un circuito de refrigerante. (12)
- Secadores por absorción
El secado por absorción es un proceso químico donde el vapor de agua contenido en el aire se
transfiere a una sustancia absorbente. Estos absorbentes pueden ser sólidos o líquidos. Los
absorbentes líquidos como el ácido sulfúrico, glicerina, glycol, etc., son muy usados en aire
acondicionado, mientras que para aplicaciones de aire comprimido se suelen usar los absorbentes
sólidos. El más usado son los del tipo delicuescente, que se licua al reaccionar químicamente con
el vapor de agua y que se puede reemplazar periódicamente. Algunas de las sales delicuescentes
son la alúmina activada, cloruro de calcio, cloruro de litio, etc., y son agentes secantes altamente
corrosivos. Es importante señalar que aunque el costo inicial de estos equipos sea económico el
consumo constante de material absorbente lo hace costoso a largo plazo. Con estos equipos se
pueden obtener puntos de rocío aproximadamente de +15°C. Entre las desventajas del uso de
este tipo de secador esta la posibilidad de que el aire arrastre partículas de material absorbente
22
dentro de la red y que a temperaturas sobre los 30°C el material tiende a aglomerarse lo que
podría ocasionar pérdidas de presión.
- Secadores por adsorción
Con este método de secado se producen los puntos de rocíos más bajos. En los secadores tipo
adsorción (ver Figura 2.12), el secado se produce empleando un adsorbente sólido que mediante
un proceso físico retiene el vapor de agua contenido en el aire y lo elimina en un segundo ciclo de
desadsorción al ser sometido el absorbente a un proceso de reactivación.
Figura 2.12 Secador tipo adsorción. (13)
2.4.4. Recibidores de aire
Los recibidores de aire llamados también pulmones de aire son recipientes a presión que forma
parte integrante y fundamental de todo sistema de aire comprimido. Las principales funciones de
los depósitos de aire son:
- Almacenar aire para suplir las demandas picos superiores a la capacidad del compresor.
- Contribuir al enfriamiento y separación del condensado.
El diseño de los recibidores debe hacerse de manera de proporcionar el volumen adecuado de
aire y tomando en cuenta las expansiones futuras en la planta de procesos. Debe tener instalados
unas válvulas de alivio que cumplan con la normativa nacional e internacional vigente
En la mayoría de los casos la temperatura ambiental donde será colocado el recibidor, es más
baja que la temperatura interna del aire dentro del recibidor, por lo que la humedad presente
23
dentro del recipiente pudiera condensarse, para ello se usa colocar la tubería de descarga lo más
cercana posible al tope del recipiente por encima de la línea de entrada, además deberá colocarse
un drenaje automático en la parte inferior del mismo.
El cálculo del volumen de los recipientes depende del tipo de carga y descarga de aire que se
desee, es decir, si el tanque es de regulación continua o por el contrario tendrá demandas
eventuales de aire.
2.5. Sistemas de distribución de aire comprimido
2.5.1. Capacidad de aire requerida
El cálculo de la capacidad de aire requerida se debe realizar en base a un conocimiento exacto
de los requerimientos de la planta. Hay que ser precisos ya que una sobreestimación podría
significar costos excesivos de funcionamiento, de mantenimiento de equipos o desperdicio de
energía y un cálculo subestimado podría reducirse en un déficit de presión del sistema o
funcionamiento alterado de los ciclos del compresor o sobrecarga del mismo. Los cálculos de
capacidad de aire se realizan en base a la presión y el volumen de aire requerido.
2.5.2. Presión:
Se ha de tomar en cuenta las presiones de trabajo de los equipos que serán conectados a la red
de aire comprimido, aire para puntos de mantenimiento, aire para accionamiento de equipos, etc.
En aire para instrumentación la presión en el cabezal de distribución, es decir a la salida del
secador, debe ser mínimo 100 psig. Las válvulas neumáticas pudieran consumir menos de 35 psig
y las válvulas de control y actuadores de pistón pueden consumir más de 60 psig. (14)
La presión máxima que necesite cualquier equipo es la mínima que debe proporcionar el
compresor y se han de tomar en cuenta las caídas de presión a causa de filtros, secadores,
accesorios, etc.
2.5.3. Volumen de aire:
Para conocer el volumen de aire que debe suministrar el sistema, se calcula la carga teórica,
Q teórica , la cual es la sumatoria neta de todas las demandas de los equipos. Como no todos los
24
equipos conectados al sistema funcionan simultáneamente ni todo el tiempo, como por ejemplo,
en el caso de herramientas o puntos de aire para mantenimiento, se calcula la carga real, Qreal,
multiplicando la máxima carga teórica por el factor de uso, fu, y factor de simultaneidad fs,. Para
el cálculo del caudal total de aire que se ha de suministrar, Qtotal, se consideran además los
posibles requerimientos de aire a causa de expansiones futuras de la planta, fe, y fugas, ff, en el
sistema, tal como se muestra en las ecuaciones 2.9 y 2.10.Los criterios usados para el factor de
expansión y factor de fugas son los siguientes:
-Expansiones futuras: Si no se conoce la expansión con seguridad se han de considerar al menos
3 años con 10% a 15% por año. (5)
-Fugas: Se considerará un porcentaje de fugas de 5 a 10% (5)
fsfuQteoricaQreal ⋅⋅= (2.9)
fffeQrealQtotal ⋅⋅= (2.10)
2.5.4. Calidad del aire
Cuando se habla de calidad de aire se refiere a la pureza del mismo. Después de la compresión
el aire no está completamente limpio ya que puede contener vapor de agua, partículas de aceite
proveniente del ambiente de las instalaciones o de la lubricación del compresor y además
contener pequeñas partículas sólidas. Para aire de instrumentación y control, por ejemplo, el aire
debe ser tratado ya que la presencia de estas partículas pudiera ocasionar problemas en los
instrumentos, atascamientos o corrosión, a diferencia de otros servicios donde una calidad media
pudiera ser permitida.
En las plantas de procesos el aire destinado para instrumentación es el de mayor importancia y
su calidad se rige por ciertas normativas tales como, la norma PDVSA K-341 “Instrument air
system criteria” referida a la norma internacional ANSI/ISA– 7.0.01– 1996 “Quality Standard
for instrument air” que establece los siguientes criterios:
25
- Punto de rocío a presión
El punto de rocío a presión medido a la salida del secador debe ser al menos 10°C por debajo de
la temperatura mínima a la cual pudiera estar expuesta cualquier parte del sistema de aire de
instrumentos, sin exceder el valor de 4ºC.
- Tamaño de las partículas
El tamaño máximo aceptable en el sistema de aire de instrumentos es de 40 micrómetros. Los
servicios de instrumentación que requieran partículas de menor tamaño deberán tener filtros
adicionales para lograr el requerimiento límite del servicio.
- Contenido de aceite
El contenido de aceite bajo ninguna circunstancia debe exceder 1 ppm m/m o v/v. Se debe
evaluar la compatibilidad de cualquier lubricante con el uso final del servicio neumático.
- Contaminantes
El aire de instrumentos ha de estar libre de contaminantes corrosivos o gases peligrosos que
puedan introducirse en el suministro de aire. Deben colocarse filtros en la entrada del compresor
para prevenir la entrada de gases y en caso de que exista contaminación en el área donde se toma
el aire, se deberán mover los compresores a otra altura u otro sitio donde el aire de entrada del
compresor este libre de contaminantes.
Es importante definir la calidad de aire requerida para los servicios ya que es más económico
tratar de modo especial solo los servicios que así lo requieran. Para ello se pueden usar secadores
que extraen el vapor de agua y filtros que eliminen las demás impurezas. El uso de secadoras
evita el problema de condensación a lo largo del sistema de tuberías que pudieran ocasionar
problemas de corrosión. Dependiendo del uso del aire comprimido este deberá cumplir con una
calidad de refinación específica.
26
2.6. Definiciones Importantes
- Free Air Delivery, FAD
Es el flujo real de aire enviado a través de la toma de descarga del compresor referido a las
condiciones absolutas de presión y temperatura que existen en la toma de entrada del compresor.
FAD es una denominación internacionalmente estandarizada de la capacidad del compresor.
El flujo volumétrico de aire se mide con unidades scfm, pies cúbicos estándar por minuto, que
representa la tasa de flujo con referencia a unas condiciones estándar de temperatura, presión y
humedad relativa.
- Condiciones Estándar
Cuando se trabaja con aire comprimido se suele referir los datos de flujo volumétrico a unas
condiciones estándar de referencia de presión, temperatura y humedad relativa.
La norma ISO 1217, frecuentemente utilizada para el manejo del aire comprimido, propone las
siguientes condiciones estándar:
Temperatura 20°C
Presión 14.5 psi
Humedad relativa 0%
En caso de necesitar la información del flujo de aire a condiciones de presión, temperatura o
humedad relativa, diferente de los valores estándar, se recomienda utilizar la conversión
planteada en la Ecuación 2.11, sólo si el factor de compresibilidad es igual a la unidad (gas ideal).
⋅
⋅−⋅=
Tstd
Tact
HRPsatPact
Pstdscfmacfm (2.11)
- Punto de rocío atmosférico
Es la temperatura a la cual el vapor de agua contenido en el aire atmosférico comienza a
precipitarse en forma de condensado.
27
- Punto de rocío a presión
Igual que el concepto descrito anteriormente con la diferencia que el aire se encuentra a cierta
presión sobre la atmosférica.
- Humedad relativa
Una forma de dimensionar el vapor de agua presente en la atmósfera en ciertas condiciones
determinadas es relacionar la presión parcial del vapor de agua con la presión parcial de vapor
saturado a las mismas condiciones. Esto se llama presión relativa de vapor de agua. Al llevar a
términos porcentuales esta relación se obtiene lo que se denomina humedad relativa (HR)
(ver Ecuación 2.12).
El aire atmosférico contiene humedad en forma de vapor de agua y según la temperatura tendrá
más o menos capacidad de contener vapor, el aire atmosférico puede poseer una humedad que
varía desde casi seco a completamente saturado.
100*oPvaSaturad
PvaActualHR = (2.12)
Condiciones leídas a T constante
También se puede hacer una relación entre la masa de vapor de agua mva, que existe en el aire
atmosférico y la masa aire seco mas, a las mismas condiciones de temperatura y presión (ver
Ecuación 2.13), esta relación se denomina humedad específica (HE).
mas
mvaHE = (2.13)
Cuando se relaciona la humedad específica del aire atmosférico en un momento dado y la
humedad específica del mismo aire pero saturado se llama grado de saturación GS.
28
CAPÍTULO 3
DISEÑO DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO DE LA PLANTA DE PROCESOS
Para comenzar con el diseño del sistema de aire comprimido lo primero que se debe conocer
son los requerimientos de la planta de procesos. Dependiendo de los equipos que serán
conectados y los servicios a los que se debe suministrar aire comprimido se definiría las
características principales del sistema, es decir las presiones de trabajo, volumen de los
recipientes y la capacidad que han de tener los compresores de aire. Además no todos los
servicios de la planta requieren aire de la misma calidad, dependiendo de su uso se debe diseñar
el sistema para proporcionar la calidad de aire específica, mediante la incorporación de secadores
y filtros del sistema.
Una vez definidos los requerimientos de caudal de aire y presión de cada uno de los servicios
que necesiten de aire comprimido, se procede al cálculo del recipiente almacenador. En casos en
los que el suministro de aire es continuo o cíclico, el volumen del recipiente recibidor se
dimensiona según las frecuencias de carga y descarga que se deseen del recibidor, así como los
tiempos de parada del compresor, sin embargo hay otros casos donde los servicios de aire son
eventuales o tienen que cumplir ciertos criterios, bien sea de los equipos a los que accionará o
simplemente criterios de operación de la planta donde será instalado. En estos casos el diseño del
recipiente se realiza en base a estos criterios y la selección del compresor se hace en base a los
resultados obtenidos de un balance de presión de aire en los recipientes.
3.1. Metodología usada para el diseño del sistema de aire comprimido
La metodología para realizar el diseño del sistema de aire comprimido tiene ciertas variaciones
dependiendo de los requerimientos particulares de cada planta de procesos. En el esquema
mostrado en la Figura 3.1, se presentan los pasos que se siguieron para realizar la ingeniería
básica objeto de este trabajo y dimensionamiento del sistema de aire comprimo para la planta
compresora de gas.
29
Figura 3.1 Esquema que muestra la metodología usada para realizar el diseño del sistema de aire comprimido.
30
3.2. Características del sitio de la instalación.
La localización de los equipos en planta será a la intemperie y colocados en suelo, además
deben resistir condiciones ambientales de polvo, humo y lluvia severa.
Las características del sitio donde estarán instalados los equipos se mencionan en la Tabla
3.1, y fueron tomados de la información proporcionada en las premisas de diseño otorgadas por
PDVSA para la construcción e instalación de la planta compresora de gas.
Tabla 3.1 Características del sitio donde estará ubicado el sistema de aire comprimido (15)
Características del sitio Localización geográfica Estado Monagas, Venezuela
Localización de equipos en planta Intemperie Temperatura ambiente 15ºC minima / 37ºC máxima
Humedad relativa 78% promedio Altitud <500 msnm
Datos sísmicos Zona 4 Velocidad del viento 23-60 Kmh
Fuerza del viento 95Kmh Dirección predominante del viento ENE
3.3. Requerimiento de aire de la planta
El sistema de aire comprimido proporcionará aire para diversos equipos que a efectos de este
trabajo serán divididos en tres sistemas principales, el sistema de aire de arranque, sistema de aire
de instrumento y sistema de aire para servicios (ver Figura 3.2).
Figura 3.2 Esquema que muestra la distribución del sistema de aire comprimido.
Sistema de aire comprimido
Sistema de aire de servicio
Sistema de aire de instrumentos
Sistema de aire de arranque Aire de arranque Aire de prelubricación
Aire para bombas de transferencia Aire para puntos de mantenimiento
31
3.4. Sistema de aire de arranque
En la planta compresora están dispuestos dos equipos compresores para gas de levantamiento y
de inyección a pozos, el arranque de los motores de estos compresores se realiza con la admisión
de aire en los cilindros de fuerza. El aire comprimido proviene de la unidad del sistema de
compresión de aire y el volumen total necesario debe ser compensado por un pulmón de
arranque.
Durante el arranque del motor del compresor, el aire comprimido es enviado a las toberas de los
compresores para operar los turbocargadores en dicha etapa, hasta el momento en que los gases
de escape alcancen la suficiente energía para que los compresores puedan funcionar sin aire de
arranque, cerrándose automáticamente la entrada del mismo.
El suministro de aire de arranque hacia el motor del compresor es cerrado cuando el sistema de
encendido del equipo está operando normalmente y el aire de barrido ha alcanzado la suficiente
presión para la combustión y el arrastre de gases de escape.
Este sistema debe cumplir con los siguientes requerimientos (16):
-El consumo de aire de arranque es de 1800 scfm a una presión mínima de 150 psig.
-El requerimiento de aire de arranque es para un mínimo de tres (3) arranques consecutivos.
-El tiempo de intento de arranque para los compresores de gas es 30 segundos.
-El tiempo de recuperación entre arranques debe ser menor a 30 minutos.
3.4.1. Aire de prelubricación.
El sistema de lubricación de los compresores de gas funciona con una bomba interna que se
activa con el movimiento del cigüeñal del compresor. Se utiliza aire comprimido para activar la
bomba de prelubricación y lubricar los cojinetes u otras partes del compresor mientras se vence la
inercia de los pistones y este pueda por si mismo activar su propia bomba interna de lubricación.
Los requerimientos de este sistema son (16):
-El consumo de aire de prelubricación es de 108 scfm a una presión mínima de 90 psig
-El requerimiento de aire de prelubricación es para 10 minutos al momento del arranque del
motor.
32
3.5. Sistema de aire de instrumentos
Todos aquellos instrumentos neumáticos tales como posicionadores, convertidores electro-
neumáticos y actuadores neumáticos, serán alimentados por una fuente de aire confiable de aire,
que sea capaz de cumplir las exigencias estándar de este tipo de equipos, por ejemplo:
-La transmisión de señales estándar neumática será de 3-15 psig.
-La alimentación al instrumento debe ser de 20 a 30 psig, excepto en el caso de actuadores para
falla segura que será de 100 psig.
-Todos los instrumentos deben llegar a su posición segura en un tiempo de 5 minutos a la
demanda máxima con aire suministrado de una fuente continua y confiable de aire.
Siguiendo los criterios que propone la norma PDVSA las características del aire de
instrumentos deben ser los siguientes (14):
-Tamaño de partículas sólidas: ≤ 3 µm.
-Contenido de partículas sólidas: ≤ 1 mg/m³.
-Contenido de agua:
a) Cantidad: < 1 mg/m³.
b) Punto de rocío: 10 ºC.
-Contenido de aceite: ≤ 1,2 mg/m³.
3.6. Sistema de aire de servicio
El sistema de aire de servicio proporciona aire para otros servicios auxiliares de la planta y
puntos de mantenimiento.
3.6.1. Aire para mantenimiento
Se deberá proporcionar aire a presión para servicios, ya sea de limpieza o conexión de
herramientas para mantenimiento de los equipos.
33
3.6.2. Aire para otros servicios auxiliares de la planta
Otro servicio auxiliar de la planta es el servicio de lubricación que tiene asociados todos los
equipos que se encargan de la lubricación de los equipos principales de la planta compresora. El
sistema de lubricación de los compresores de gas esta conformados por dos bombas tipo
diafragma que manejan aceite. Una de las bombas maneja aceite para lubricación en el motor y
enfriamiento, y la otra maneja aceite para lubricar las paredes de los cilindros de compresión y
los empaques de los vástagos de los pistones de los compresores de gas. El aire requerido para las
bombas es de 30 scfm cada una a una presión dentro del rango de 20 psig hasta 120 psig.
3.7. Cálculo de demandas de aire
Para el cálculo de la demanda de aire se consideraron los siguientes factores de seguridad.
- 30% para expansiones futuras; fe=1.3.
- 10% por fugas en tuberías; ff =1.1.
3.7.1. Demandas del sistema de aire de arranque
En la Tabla 3.2 se muestran los requerimientos de aire para el arranque de los compresores de
gas de la planta de procesos. En la Tabla 3.3 se muestran los requerimientos de aire para la
prelubricación de los compresores de gas de la planta de procesos.
Tabla 3.2 Datos del consumo de aire de arranque de los compresores de gas
3.7.2. Demandas sistema de aire de instrumentación
En la Tabla 3.3 y 3.4 se encuentran los datos de consumo total del sistema. Estos datos
representan los picos de demanda máxima de instrumentación.
Parámetro Arranque Prelubricación Numero de arranques 3 NA
Tiempo por arranque 0,5 min 10 min scfm por arranque 1800 108
Factor de corrección por fugas 10% 10% scfm total 1980 118
Presión mínima requerida [psig] 150 90
34
El factor de expansión se calculó conociendo que por cada compresor de inyección hay 4
válvulas y por levantamiento 3 válvulas, en total se prevé la instalación de 7 válvulas adicionales
en una futura expansión de la planta.
Tabla 3.3 Datos del consumo total de aire para instrumentación en condiciones normales de operación.
En caso de emergencia la planta activa unas válvulas de funcionamiento “On-Off” y sus requerimientos en condiciones pico se muestran en la Tabla 3.5
Tabla 3.4 Datos del consumo total de aire para instrumentación en caso de emergencia.
3.7.3. Demandas de aire para servicios auxiliares de la planta
En la Tabla 3.5 se muestran los requerimientos de aire para puntos de mantenimiento y
limpieza de la planta de procesos.
Instrumentos Cantidad Consumo de aire scfm Controladores de nivel 3 0.667
Controladores de presión 3 0.667 Instalados en bombas 2 0.667
Válvulas de compuerta gas inyección 8 1.7 Válvulas de compuerta gas levantamiento 6 1.7
Factor de corrección por fugas 10% Factor de expansión 30%
scfm total 42 Presión mínima requerida [psig](14) 100
Instrumentos Cantidad Consumo de aire scfm Válvula Shutdown 3 2 Válvula Blowdown 4 2
Factor de corrección por fugas 10% Factor de expansión 30%
scfm total 20 Presión mínima requerida [psig](14) 100
35
Tabla 3.5 Datos del consumo de aire para servicios de la planta
Parámetro Cantidad Valor Puntos 9 10 l/s
Puntos Inyección 2 10 l/s Puntos mantenimiento 2 10 l/s
Q teórico 130 l/s Factor de uso 0.2
Factor de simultaneidad 0.68 Factor de expansión 30%
factor de fugas 10% Total l/s (Estándar) 25
scfm total 54 Presión mínima requerida [psig] 100
En la Tabla 3.6 se muestran los requerimientos de aire para el funcionamiento de las bombas de
diafragma que manejan aceite para la lubricación de los compresores.
Tabla 3.6 Datos del consumo de aire para funcionamiento de bombas de diafragma para la lubricación.
Parámetro Valor Bomba de aceite de lubricación de motor 30 scfm
Bomba de aceite de lubricación compresor 30 scfm Factor de corrección por fugas 10%
scfm total 66 Presión mínima requerida [psig] 90
3.8. Cálculo del volumen de los recipientes
Se requiere calcular el volumen del pulmón de aire necesario para mantener el flujo
volumétrico de aire y presión requerida por el sistema. Bajo la premisa de que el aire dentro de
los recipientes se comporta como gas ideal, la ecuación de estado (Ecuación 2.4) se cumple en
cada instante de tiempo. Si se toman dos instantes de tiempo consecutivos llamado “1” y “2”
separados en un intervalo de tiempo genérico, se puede conocer la variación de masa dentro del
recipiente mediante la Ecuación 3.4.
1111 ... TRnVP = y 2222 ... TRnVP = (3.1)
36
Por lo tanto el número de moles en la condición 1 será:
1
111 .
.
TR
VPn = (3.2)
El número de moles en la condición 2 será:
2
222 .
.
TR
VPn = (3.3)
Para una variación determinada de masa dentro del tanque tenemos.
2
22
1
1121 .
.
.
.
TR
VP
TR
VPnn −=− (3.4)
Como el volumen del recipiente es constante, el volumen ocupado por el gas será el mismo es
decir 21 VV = , por lo tanto la Ecuación 3.4 puede reescribirse como:
( )21
21 ..
PP
TRnnV
−−
= (3.5)
Donde 21 nn − se calculan usando los datos de flujo volumétrico proporcionado en la sección
3.7. A través del siguiente procedimiento se calcula la variación de kmol de aire por minuto en el
recipiente, correspondientes al flujo volumétrico de aire que se consume en un intervalo de
tiempo determinado:
)373.24
1)·(
31467.35
1·(
3
3
21 m
kmol
scf
mscfnn =− (3.6)
En la Ecuación 3.6 se usan como unidades estándar de referencia 14.5 psia [100 kPa] y
temperatura 20°C [293.15 K] tal como se mencionó en la sección 2.7. La conversión de kmol de
37
aire a m3 de aire a condiciones estándar corresponde a la evaluación de la Ecuación 2.4, tal como
se muestra en la Ecuación 3.7.
P
TRnVkmol
..= (2.4)
3373.24
2100
15.293.314.8.1m
m
kN
KkmoK
kNmkmol
Vkmol == (3.7)
A condiciones estándar 1 kmol de gas ocupa 24.373 m3.
3.9. Propuestas de configuración de los recipientes recibidores.
El sistema de aire comprimido esta compuesto por las unidades compresoras, los recipientes
almacenadores de aire, los secadores, filtros, etc. La disposición de estos recipientes de
almacenamiento puede mejorar la eficiencia de un sistema, bien sea aprovechando al máximo el
volumen de los mismos o mejorando los ciclos de trabajo del compresor.
Luego de revisar los requerimientos de aire descritos en la sección 3.7 se considera que el
sistema de aire de instrumentos tiene la prioridad sobre los otros servicios. Según las premisas de
diseño este aire requiere de una calidad especial, lo cual amerita la colocación de un equipo para
su tratamiento y debe poseer su propio recipiente almacenador.
Se evaluaron dos opciones para el diseño; La opción 1, que consiste en un recipiente principal
que suple aire al sistema de arranque, al sistema de servicio y al sistema de aire de instrumentos.
La derivación para el sistema de aire de instrumentos se conecta directamente al secador y
posteriormente al recipiente de instrumentación. La opción 2, consta de un compresor de aire que
descarga directamente al recipiente principal y al recipiente para instrumentación. En este caso el
recipiente principal solo alimenta al sistema de arranque y de servicios.
Ambas opciones consideran como presión de operación las presiones máximas necesarias en el
sistema, obtenidas en la sección 3.4, 3.5 y 3.6.
38
3.10. Descripción detallada de la opción 1
El sistema consiste en un compresor de aire que alimenta a un recipiente de almacenamiento
principal. De este recipiente se derivan líneas de alimentación para el sistema de arranque, aire
para servicios, y una línea de suministro al recipiente del sistema de aire de instrumentación. Tal
como lo muestra el esquema de la Figura 3.3.
Figura 3.3 Esquema que muestra la configuración de los equipos del sistema de aire comprimido
en la opción 1 de diseño.
El compresor enciende y apaga el suministro de aire al sistema según las señales de presión
obtenidas en el recipiente principal. Se consideró como presión máxima del tanque 175 psig y
presión mínima 153 psig.
Este recipiente esta dimensionado para permitir tres intentos de arranque y prelubricación de la
unidad compresora de gas y en el caso crítico suministrar a la vez aire de servicio y aire de
instrumento sin disminuir la presión por debajo de 150 psig, tal como lo indican las premisas para
el arranque de los motores de las unidades compresoras de gas.
El recipiente de instrumentación esta diseñado para un tiempo de llenado de 4 minutos y un
tiempo de vaciado de 7 minutos (cuando el consumo sea máximo), este se llena utilizando aire
proporcionado por el recipiente principal y su presión máxima es de 150 psig de manera que aún
cuando el recipiente principal esté a la presión mínima pueda suministrar aire al recipiente de
39
instrumentación garantizando que el cabezal de distribución de aire de instrumentación tenga la
presión mínima requerida (14) (100 psig).
3.10.1. Cálculo del volumen del recipiente de instrumentación en la opción 1
Considerando que los recipientes están en serie, se propone que la presión máxima del tanque
de instrumentación sea de 150 psig, ya que esta es la presión mínima del recipiente principal.
Esta configuración de presión asegura un suministro continuo de aire al recipiente de
instrumentación, es decir, el valor de la presión mínima del recipiente principal es el valor de la
presión máxima del recipiente de instrumentación garantizándose que, en funcionamiento
normal, el recipiente de instrumentación siempre estará a presión máxima. Los cálculos
siguientes son aproximados y se hacen asumiendo una temperatura de operación de 40°C, que se
estima, será la temperatura promedio a la que descargaría el compresor a la salida del refrigerador
de aire a la descarga del compresor.
El consumo “pico” es de 42 scfm para operación y 20 scfm para instrumentos en caso de
emergencia (ver sección 3.7.2.) que, de acuerdo a la ecuación 3.6 equivalen a 0.07 kmol por
minuto:
min07.0)
373.24
1).(
314.35
1.(62
33
3 Kmol
m
kmol
ft
mscfm = (3.8)
Durante 5 minutos se consumirían;
kmolKmol
35.0min5.min
07.0 = (3.9)
De la Ecuación 3.5 se obtiene que el volumen de recipiente necesario para suministrar esa
cantidad de masa con una variación de presión de 150psig [754.43 kPa] a 100 psig [689.48 kPa]
es:
40
( ) ( )
m
m
kN
m
kN
KKkmol
kNmkmol
PP
TRnnV 64.2
48.68922.1034
15.313·.
314.8·35.0..
2221
21 =−
=−
−= (3.10)
El volumen del tanque de instrumentación para esta opción debe ser de aproximadamente de
2.64 m3.
3.10.2. Cálculo del volumen del recipiente principal en la opción 1.
El diseño del recipiente principal se realizo en función al volumen de aire necesario para
proporcionar los arranques de los compresores de gas.
Para el arranque de los compresores se necesitan 1980 scfm de aire a una presión mínima de
150 psig y simultáneamente se debe suministrar 1018 scfm de aire de prelubricación. Además,
como el aire de instrumentación es prioridad, durante el arranque se debe prever el suministro de
aire para instrumentos. Suponiendo que todos estos requerimientos se dan simultáneamente el
volumen total será aproximado a la suma de todos los volúmenes individuales. Con los datos de
la sección 3.3 se calculan los consumos de aire durante un minuto y medio que es el tiempo
estimado para el arranque (ver sección 3.2.1)
Volumen arranque
La masa en kmol consumida en el arranque es la siguiente:
min33.2)
047.24
1).(
314.35
1.(1980
3
3 Kmol
m
kmolmscfm = (3.11)
kmolKmol
5.3min5.1.min
33.2 = (3.12)
El volumen de aire requerido para proporcionar 3.5 kmol en el intervalo de presión de 175 psig
[1206.6 kPa] a 150psig [1034.3 kPa] es:
41
( )3
22
8.521034.301206.6
15.313..
314.8.5.3m
m
kN
m
kN
KKkmol
kNmkmol
V ≈−
= (3.13)
Volumen de pre lub:
La masa en kmol consumida en la prelubricación del compresor de gas es la siguiente:
min14.0)
047.24
1).(
314.35
1.(118
3
3 Kmol
m
kmolmscfm = (3.14)
kmolKmol
2.0min5.1.min
14.0 = (3.15)
El volumen de aire requerido para proporcionar 0.2 kmol en el intervalo de presión de 175 psig
[1206.6 kPa] a 90 psig [620.53 kPa] es:
( )3
22
9.00.53266.2061
15.313..
314.8.2.0m
m
kN
m
kN
KKkmol
kNmkmol
V ≈−
= (3.16)
Volumen de instrumentación
Para calcular el volumen de aire que desplaza el consumo de instrumentación durante el tiempo
de arranque de los compresores de gas, es necesario estimar antes el requerimiento de aire que
tendrá el recipiente de instrumentación y que será proporcionado por el recipiente principal. Se
considera la condición crítica donde el recipiente de instrumentación este vacío y se tenga una
demanda máxima de instrumentación de 67 scfm (ver sección 3.7.2). En la Figura 3.4, sea “C” el
flujo en kmol que necesita el recipiente de instrumentación para ser llenado desde la condición de
presión de 100 psig hasta 150 psig. Para que el recipiente de instrumentación se llene en 5
minutos a la vez que suministra aire para consumo pico de instrumentación se calcula “C” de la
manera siguiente:
42
Figura 3.4 Esquema que muestra el consumo “C” de aire de instrumentos desde el recipiente principal.
kmolkmol
C 35.0min5.min
07.0 =
− (3.17)
min
07.0min
07.0kmolkmol
C =
− (3.18)
min
14.0kmol
C = (3.19)
Por lo tanto el caudal másico que requiere el recipiente de instrumentación y que ha de
suministrar el recipiente principal es de 0.14 kmol por minutos para obtener un tiempo de llenado
de 5 minutos tal como se propuso. Por lo tanto el consumo de aire desde el recipiente de
instrumentación durante el arranque será:
kmolKmol
21.0min5.1.min
14.0 = (3.20)
43
El volumen de aire que desplaza este consumo en el intervalo de presión de 175 psig [1206.6
kPa] a 153 [1054.9 kPa] es el siguiente:
( )3
22
6.39.10541206.6
15.313..
314.8.21.0m
m
kN
m
kN
KKkmol
kNmkmol
V ≈−
= (3.21)
- Volumen de aire de servicio
Sabiendo que el aire de servicio es 54 scfm (ver sección 3.3.5) se puede calcular la demanda de
aire durante el tiempo del arranque
min064.0)
047.24
1).(
314.35
1.(54
3
3 Kmol
m
kmolmscfm = (3.22)
kmolKmol
1.0min5.1.min
064.0 = (3.23)
( )3
22
44.06.6201206.6
15.313..
314.8.1.0m
m
kN
m
kN
KKkmol
kNmkmol
V ≈−
= (3.24)
En definitiva, suponiendo que cuando se realice el arranque de los compresores de gas también
haya requerimiento de aire de instrumentación y aire de servicio, el volumen total propuesto para
el recipiente principal es de aproximadamente 63 m3, lo que permite que la presión no disminuya
de 150 psig tal como lo especifica la premisa para el arranque en la sección 3.4.
44
3.11. Descripción detallada de la opción 2
El sistema consta de un compresor que suministra aire directamente a dos recipientes, al
recipiente de instrumentación y al recipiente principal. El aire del pulmón de instrumentos es
previamente secado en un secador y pasado por filtros de manera de obtener la calidad adecuada
antes de ser almacenado en el recipiente de instrumentación (ver Figura 3.5).
Se propone que el encendido y apagado del compresor se haga mediante las señales de presión
obtenidas de los recipientes de instrumentación y pulmón de arranque. La presión máxima del
tanque de instrumentación es de 175psig (presión de descarga del compresor) y la presión
mínima a la cual se activará el suministro de aire del compresor es de 110 psig. Una vez activado
el suministro del compresor, este proporciona aire al recipiente de instrumentos y al recipiente
principal.
Recipiente de aire
principal
Secador de aire
para
instrumentosRecipiente de aire para
instrumentación
Aire para sistema de instrumentación
Aire para sistema de arranque
Aire para sistema de servicios
Compresor
de aire
Filtro Filtro
Filtro
Atmósfera
Atmósfera
drenaje
condensado
Atmósfera
Figura 3.5 Esquema que muestra la configuración de los equipos del sistema de aire comprimido en la opción 2 de diseño.
El suministro del compresor se desactiva cuando la presión del pulmón de arranque llega a 175
psig, ya que se supone cuando el recipiente principal este a presión máxima el recipiente de
instrumentación también lo estará dado que el volumen es menor y la configuración de la red así
lo facilita.
45
Se desea que el diseño del recipiente a presión de aire para arranque suministre aire continuo
para instrumentación a 100 psig. Se propone que la presión máxima del recipiente principal sea
175 psig que equivale a la presión máxima del sistema de descarga del compresor.
El requerimiento de tiempo para la puesta en posición segura de las válvulas de la planta es de 5
minutos. En condiciones de operación el tanque de instrumentación debe cubrir picos máximos
de consumo de 42 scfm y en condiciones de emergencia suple 20 scfm., aire necesario para
activar las válvulas de cierre automático.
3.11.1. Cálculo del volumen del recipiente de instrumentación para la opción 2.
El tanque de instrumentación posee las mismas características de diseño que el tanque de la
opción 1, sin embargo, al estar directamente conectado al compresor la presión máxima del
mismo será la presión de descarga del compresor.
El recipiente de instrumentación para la opción 2 al igual que para la opción 1 tiene una
demanda máxima de instrumentación de 0.07 kmol por minuto, y durante 5 minutos almacena
0.35 kmol. Por lo tanto, el volumen del recipiente se calcula mediante la Ecuación 3.5 para una
variación de presión de 175psig [1206.6 kPa] a 100 psig [689.48 kPa] como se muestra en la
Ecuación 3.25
( )3
22
80.148.6891206.6
15.313..
314.8.35.0m
m
kN
m
kN
KKkmol
kNmkmol
V ≈−
= (3.25)
Asumiendo que en la condición crítica cuando el recipiente de instrumentación este vacío (100
psig), se procede a calcular el volumen de aire que necesita el recipiente de instrumentación para
ser llenado en 5 minutos.
Llamando “D” al flujo en kmol que necesita el recipiente de instrumentación (proporcionado
por el compresor en este caso) para que el tiempo de llenado sea 5 minutos, siendo la capacidad
máxima de kmol en el recipiente de 0.53 kmol (ver Ecuación 3.28) y suponiendo el consumo
constante de instrumentos de 0.07 kmol por minuto (Ecuación 3.29) tenemos que:
46
kmolkmol
D 53.0min5.min
07.0 =
− (3.26)
min10.0
min07.0
kmolkmolC =
− (3.27)
min18.0
kmolC = (3.28)
Este debe ser el caudal proporcionado directamente por el compresor para llenar el recipiente de
instrumentación en 5 minutos.
Es importante mencionar que los tiempos de llenado y vaciado de los recipientes de
instrumentación tanto para la opción 1 como para la opción 2, solo se cumplirán en caso de que
las condiciones de consumo de aire de instrumentación sean máximos (aire de emergencia y aire
de operación en suministro simultaneo), y se calcularon de esta manera para poder realizar el
balance de presión en el caso crítico.
3.12. Balance de presión en los recipientes de la opción 1 y la opción 2.
Usando el software Microsoft Excel se realizó una simulación de los tiempos de llenado y
vaciado de los tanques de cada una de las opciones propuestas.
El caudal de entrada del compresor fue seleccionado de acuerdo a la demanda y las premisas
de tiempos de llenado del pulmón principal según lo mencionado en la sección 3.10 y 3.11. El
balance se realizó considerando que las bombas de diafragma para lubricación se encienden antes
del arranque de los compresores de gas con una duración de 30 minutos, también se asumió que
el consumo de instrumentación es máximo, por lo tanto, los tiempos de llenado y vaciados del
recipiente de instrumentación son los que se proponen en la sección 3.10 y 3.11. Tal como
indican los requerimientos, también se consideró que durante el arranque se activa
simultáneamente el aire de prelubricación.
Los datos que usados para realizar el balance en la opción 1 y opción 2, se muestran en la Tabla
3.7, el procedimiento usado para realizar el balance de presión y estimación de la capacidad del
47
compresor se muestra en el esquema siguiente (ver Figura 3.6). En el Apéndice G se anexa un
ejemplo del balance de presión realizado.
Tabla 3.7 Tabla comparativa entre la opción 1 y la opción 2.
Característica Opción 1 Opción 2 Volumen del pulmón de instrumentación [m3] 2.64 1.80
Volumen del pulmón principal [m3] 60 50
Presión trabajo del compresor [psig] 175 175
Caudal de entrada del compresor [scfm] 290 230
Presión máxima pulmón principal [psig] 175 175
Presión mínima pulmón principal [psig] 153 153
Presión máxima pulmón instrumentación [psig] 150 175
Presión mínima pulmón instrumentación [psig] 110 110
52
Figura 3.6 Esquema Diagrama de flujo que muestra el procedimiento para realizar el balance de presión en los recipientes.
53
3.13. Resultados del balance de presión en la opción 1 y en la opción 2
Después de realizar el balance de presión se graficaron los resultados obtenidos. En las figuras
siguientes (Figura 3.7 y Figura 3.8) se muestran los ciclos de carga y descarga para cada uno de
los recipientes.
3.14. Análisis de resultados
Una de las limitantes para realizar la selección del compresor de aire, fueron las premisas de
arranque de los compresores de gas de la planta. Según lo que se establece, el arranque de los dos
compresores de gas de la planta debe hacerse en un intervalo de tiempo no mayor de 30 minutos,
y los tres intentos de arranque deben hacerse sin disminuir la presión por debajo de 150 psig. Es
por ello que se propone que la presión mínima del recipiente principal sea de 153 psig para cubrir
las posibles pérdidas de presión. En la simulación para la opción 1 se prevé que el arranque de
los motores se realice simultáneamente al consumo de aire para el llenado del pulmón de
instrumentación cuando el consumo sea máximo. Esto se hizo para asegurar que aún en la
condición más desfavorable se pueda suplir aire para instrumentación y también a los otros
servicios de la planta. En los resultados de la simulación para la opción 1 se observa que el
momento del arranque es el más critico (ver Figura 3.7). Al realizar los arranques se activa
también el sistema de prelubricación. Cuando se inicia el tercer intento de arranque la presión
disminuye de 153 psig activándose el suministro del compresor, lo que garantiza que la presión
se mantenga en los rangos establecidos (150 psig), mayor a la presión mínima que requiere el
sistema de arranque. Una vez realizado los arranques, el ciclo de carga y descarga se estabilizan,
creando tiempos de carga en el pulmón principal de aproximadamente 16 minutos para cargar y
un tiempo de descarga de 27 minutos.
En la simulación para la opción 2, el pulmón de instrumentación es independiente del pulmón
principal. El suministro compresor debe activarse cuando la presión en el pulmón de
instrumentación sea mínima de 110 psig, ya que este tiene la prioridad por seguridad de la planta.
La descarga del compresor es común a los dos pulmones, por lo tanto cuando el suministro del
compresor esté activo se prevé se llenará primero el pulmón de instrumentación por ser el que
menor presión tiene y porque la configuración de la red así lo facilita, luego se llenara el pulmón
principal.
54
Figura 3.7 Gráfica que muestra resultado de balance de presión en el recipiente principal de la opción 1. Ciclos de carga y descarga.
145.00
150.00
155.00
160.00
165.00
170.00
175.00
180.00
0.00 15.00 30.00 45.00 60.00 75.00 90.00 105.00 120.00 135.00 150.00 165.00 180.00 195.00 210.00 225.00 240.00 255.00 270.00 285.00
Tiempo [m]
Pre
sion
PS
IG
Variación de presión tanque principalTiempo de carga del compresorPresión minimaPresión encendido
ARRANQUESARRANQUESBOMBAS CONDICION ESTABLE
55
Figura 3.8 Gráfica que muestra resultado de balance de presión en el recipiente principal y el recipiente de instrumentación de la opción 2. Ciclos de carga y descarga.
Opcion 2
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
200.00
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 150.00 160.00 170.00 180.00
Tiempo [m]
Pre
sión
Psig
Tanque Intrumentacion
Tanque de servicios
Compresor
Presión mínima pulmónintrumentación
Presion mínima pulmónprincipal
BOMBAS
Pre-lub Pre-lub
Arranque Arranque
CONDICION ESTABLE
56
El compresor comienza a liberar aire a la atmósfera cuando el pulmón principal alcance su
máximo, es decir, 175 psig y se supone que en ese instante el pulmón de instrumentación estará
también a presión máxima. La razón de establecer las señales de encendido del compresor de esta
manera y no con señales individuales desde cada uno de los pulmones, es que en ese caso habría
que colocar un sistema de control y de válvulas que distribuyan el paso de aire de un pulmón a
otro dependiendo del requerimiento de cada uno, lo que vuelve el proceso de control mucho más
complejo además de provocar un funcionamiento mucho más intermitente del compresor.
Por otra parte como se describió en la sección 3.l0 y 3.12 los pulmones de almacenamiento de
aire son muy grandes ya que se encuentran dimensionados según los criterios para el arranque,
pero en una planta compresora de gas, el arranque de los compresores de gas es un evento poco
usual (paradas de la planta para mantenimiento, fallos de suministro eléctrico, etc.). Como es
lógico la construcción de estos pulmones será costosa, por eso es necesario que se aproveche al
máximo el beneficio de tenerlos. En la opción 2 se dispone de un tanque de 50 m3 que después
del arranque de los compresores de gas no será usado a toda su capacidad como se observa en la
gráfica de la Figura 3.8, ya que al activarse el suministro del compresor este se llenara hasta su
presión máxima y oscilara aproximadamente entre 175psig y 160 psig que solo será usado para
suministro de aire de servicio, un suministro de baja prioridad y baja demanda de presión.
Se considera que la opción 1 el pulmón principal es más eficiente dado a que su configuración
en serie permite aprovechar rangos de presión más altos además de asegurar un suministro
continuo de aire al recipiente de instrumentación manteniéndolo a máxima capacidad, lo que
brinda mayor confiabilidad y continuidad al sistema de aire de instrumentos tal como lo requiere
la planta de procesos.
En conclusión, la configuración ofrecida por la opción 1 es la más eficiente de acuerdo a las
necesidades de instrumentación y arranque de la planta y es la que será seleccionada como diseño
final.
3.15. Características de operación de la opción seleccionada, Opción 1.
La operación del sistema de aire basado en la configuración seleccionada tiene las siguientes
características de funcionamiento
57
-Luego de que las bombas estén apagadas y cuando se verifique que el pulmón principal esté
lleno a presión máxima (175 psig) se puede iniciar el arranque de los compresores de gas.
- El volumen de aire para el sistema de arranque en el recipiente principal esta previsto para dos
intentos de arranque de los compresores de gas en un tiempo de un minuto y medio.
-Si es necesario el tercer intento de arranque el compresor se activará garantizando mantener la
presión por encima de 150 psig
-El sistema esta diseñado para realizar un segundo arranque en un tiempo menor a treinta
minutos.
-El aire de prelubricación se suministra simultáneamente al aire de arranque y tiene una
duración estimada de 10 minutos.
-Durante el arranque el sistema también esta en capacidad de suplir aire al pulmón de
instrumentación aún cuando los requerimientos de este sean máximos.
-En caso de emergencia en la planta el pulmón de instrumentación cuenta con un tiempo
≥5 minutos para llevar a su posición segura las válvulas respectivas.
-El suministro de aire al pulmón del sistema de instrumentación es continuo manteniendo el
recipiente a su presión máxima de 150 psig.
-En los periodos de descarga del recipiente principal el compresor no se apagará si no que
descargará el aire a la atmósfera. Esto evitará riesgos de daño por fatiga debido al
funcionamiento intermitente de los componentes del compresor.
58
CAPÍTULO 4
SELECCIÓN DE EQUIPOS
4.1. Selección de compresor
Luego de definir los requerimientos de caudal y presión que necesita el sistema de aire
comprimido se procede a seleccionar el equipo compresor. Para la configuración seleccionada se
requiere un compresor que maneje la capacidad que se muestra en la tabla siguiente:
Tabla 4.1 Capacidad requerida en el compresor de aire.
Caudal Presión operativa mínima 290 scfm* 175 psig
* referidos a condiciones estándar de 14.5 psig y 20°C
Se buscan en los catálogos compresores de aire que cumplan con estas características. La
mayoría de los catálogos refieren sus valores a unidades estándar, por eso hay que asegurarse que
al momento de la selección se trabaje en las mismas condiciones de referencia. La más común en
los catálogos es; presión de referencia 14.7 psi y temperatura de referencia de 20°C. Otro aspecto
que hay que tomar en cuenta es que probablemente el compresor se encontrará a condiciones de
operación diferentes a los que se mencionan en los catálogos, por ejemplo en condiciones más o
menos húmedas el compresor variará la capacidad de aire a la salida debido a la condensación. Se
podría solicitar al vendedor que especifique las condiciones de operación referidas a las
condiciones del sitio proporcionándole la información que se muestra en la Tabla 4.2
Tabla 4.2 Condiciones del sitio donde será ubicado el compresor. (15)
Condiciones del sitio Temperatura ambiente 15°C mínima; 37°C máxima
Humedad relativa 78 % promedio
Altitud < 500 msnm
59
Se encontró que la mayoría de los fabricantes ofrecen compresores tipo tornillo. Lo ideal en
estos casos donde parte del aire será usado para instrumentación es evitar en lo posible el uso de
lubricantes u aceites que se puedan introducir en la red, sin embargo, entre las ofertas de mercado
no se encontró ningún compresor exento de aceite que cumpliera con los requisitos. Los
compresores encontrados que cumplen con los requerimientos son los siguientes.
Tabla 4.3 Tipos de compresores que cumplen con los requerimientos.
Tipo de compresor Serie
Compresor de tornillo lubricado GA 30+-90
Compresor de tornillo lubricado L30 – L132
El compresor seleccionado fue el de la serie GA 30+-90 debido a su disponibilidad actual en el
mercado, tiene las siguientes características de operación. En el Apéndice B se encuentra la hoja
de datos proporcionada por el fabricante.
Tabla 4.4 Característica compresor GA 75-175. (17)
*Condiciones de referencia: Presión 14.5 psi, temperatura 20ºC, humedad relativa 0%
Para verificar que el compresor seleccionado cumple con los requerimientos aún cuando se
encuentre en las condiciones más adversas de funcionamiento, podemos realizar el siguiente
cálculo;
Considerando la situación ambiental más desfavorable tenemos:
-Temperatura ambiental 38°C
-Presión 14.5 psi
-Humedad relativa 100%
Tipo de compresor
Máxima presión de trabajo
FAD Capacidad del compresor*
Potencia del motor
GA 75-175 181 psig 371cfm 75 kW
60
Para una temperatura de 38°C en las tablas de vapor tenemos que la presión de saturación es
0.961 psi, por lo tanto para una humedad de 100%, la presión parcial de vapor (usando la
Ecuación 2.12) será:
961.01961.0 =⋅=Pv (4.1)
Asumiendo una temperatura de salida del compresor de 40°C, para esta temperatura la presión
es de 1.070 psig, mientras que la presión a la salida del compresor es de 175 psig, es decir 13
veces mayor que la presión a la entrada;
psigpsig
082.013
070.1 = (4.2)
%1.6100.5.14
082.0961.0 =−=∆Qc (4.3)
Con estos resultados concluimos que en las condiciones ambientales críticas, la pérdida del
caudal por condensación en el post enfriador del compresor será de máximo 6.1%, es decir que el
compresor seleccionado cumple los requerimientos ya que su capacidad de operación puede
suministrar 20% sobre del caudal requerido.
Para estimar la variación de caudal debido a la condensación en condiciones de temperatura
ambiental, humedad relativa y presión de descarga del compresor diferente a las condiciones
mencionadas en el caso anterior, se puede consultar la información anexa en el Apéndice H.
4.1.2. Características del funcionamiento del compresor
El compresor seleccionado tiene las siguientes características y accesorios en su interior:
-Control automático para monitoreo de la operación y eficiencia del compresor. Consiste en un
tablero de control donde se indica las condiciones operativas del equipo, así mismo, alerta al
usuario en caso de alguna falla, por ejemplo un sobrecalentamiento o una baja de presión de
aceite lubricante.
-Ventilador de enfriamiento de aire. Se usa para enfriar el aire a mayor temperatura que proviene
de la descarga del elemento compresor
61
-Enfriadores integrados. Sirven para mantener una temperatura adecuada en la circulación de
aceite dentro del elemento compresor.
-Separador multi etapa de aceite. Se sitúa a la descarga del elemento compresor para extraer las
partículas de aceite que se mezclan con el aire durante el proceso de compresión, tiene capacidad
para separar partículas hasta 2 ppm.
-Filtro de aire de entrada al elemento compresor. Filtro multi-etapa que separa partículas de hasta
1 micra. De amplia superficie para alargar la vida y disminuir las pérdidas de presión.
- Acople con engranajes para máxima eficiencia y mínimo mantenimiento. Acople flexible para
reducir el torque de arranque en los componentes del compresor.
-Motor de alta eficiencia refrigerado por ventilador alineado permanentemente con el compresor
para evitar problemas de operación.
-Elementos compresores compuestos por tornillos de máxima eficiencia y confiabilidad.
El diagrama de flujo que se muestra a continuación en la Figura 4.1, es un esquema de
funcionamiento del compresor extraído del catálogo del fabricante.
El aire (generalmente húmedo, dado las condiciones ambientales) entra al compresor pasando
por un filtro de entrada (1). El elemento compresor se lubrica con aceite para evitar el desgaste
entre los rotores, la mezcla de aire y partículas de aceite pasan por un separador ciclónico (5) para
extraer las partículas de aceite disueltas en el aire. El aire ya libre de aceite pasa por un post
enfriador (7), el post enfriador consta de un ventilador que enfría la corriente de aire a mayor
temperatura que sale del compresor. Al disminuir la temperatura el aire húmedo que entró al
compresor se condensa y el líquido es recogido en el separador de agua (9). En el fondo del
separador ciclónico se acumula aceite que es reintroducido en el elemento compresor, para ello se
dispone de una válvula termostática (13) que regula la temperatura del aceite. Si la temperatura
del aceite es muy alta, es conducido al refrigerador de aceite para ser recirculado nuevamente
dentro del proceso de compresión. En el Apéndice C se observa el catálogo del compresor
seleccionado.
62
Figura 4.1 Diagrama esquemático del funcionamiento del compresor GA 75-175 seleccionado (17).
4.2. Selección del secador
Para la selección del equipo secador es necesario tomar en cuenta las condiciones de operación
del equipo. El equipo secador estará situado en una línea que proviene del recipiente principal y
que descarga al recipiente de instrumentación. El consumo de aire para instrumentación en
condición picos es de 42 scfm1. Realizando la conversión a condiciones actuales de flujo del
aire:
Suponiendo que las condiciones de la línea antes de entrada al secador sean:
-Presión actual: 189.5 psia (175 psig + 14.5 psi).
-Temperatura actual: 40°C [313 K]
1 Según condiciones ISO 1217 temperatura 20°C [293.15 K], presión 14.5 psi, Humedad relativa 0%
63
-Humedad relativa actual 100%
-Presión de saturación a 40°C : 0.1216 psia
Se considera que el aire a la descarga del compresor encuentra a condiciones de 100% de
humedad relativa que sería la condición más desfavorable, ya que el post enfriador del compresor
enfría el aire caliente a la descarga del compresor aproximadamente a 40°C disminuyendo la
capacidad del aire de retener vapor, es decir, el aire a esta temperatura y presión dejará condensar
la humedad hasta el limite donde pueda absorberla, quedando este aire en condiciones saturadas.
(Presión de saturación a 40ºC; 0.1216 psia, mientras que la presión de trabajo es 189.2 psia).
Usando la Ecuación 2.11 para calcular el flujo en condiciones actuales tenemos que:
44.315.293
15.313
11216.05.189
5.1442 =
⋅
⋅+⋅=
K
K
psiapsia
psiscfmacfm (4.4)
Por lo tanto el equipo secador debe estar seleccionado de manera que pueda manejar este
flujo. Según la norma PDVSA K-341 y los requerimientos de aire de instrumentación, se desea
que el punto de rocío sea de mínimo de 10º C, es decir, que se enfríe el aire hasta una temperatura
de 10°C por debajo de la mínima del sistema.
Con estos datos se procede a la revisión de los catálogos para obtener equipos que cumplan con
estas características. Entre los diferentes catálogos consultados se llegó a la conclusión que el
equipo Atlas Copco modelo FD 5, es el que mejor se adapta a los requerimientos del sistema, y
cuyas características se especifican en la Tabla 4.5.
Tabla 4.5 Características del secador seleccionado (18)
Tipo de secador Numero de modelo
Flujo de aire a la salida con PRP 3°C
Consumo de potencia
Máxima presión de trabajo
Secador refrigerado R134-a / Aire
Atlas Copco FD 5
13 cfm 0.2 kw 233 psig
*Condiciones de referencia; temperatura ambiente 38°C, temperatura de entrada de aire comprimido 38°C, presión de entrada 102 psig. PRP: Punto de rocío a presión.
64
Como se observa en la 4.4 la capacidad a la salida del secador seleccionado es casi tres veces
más de la capacidad requerida, sin embargo las condiciones de referencia no son las mismas,
entonces para verificar que la capacidad sea correcta mucho de los catálogos traen incluidos los
factores de corrección. Para el equipo “Atlas Copco” modelo FD 5 tenemos los siguientes
factores (Ver Tablas 4.6, 4.7 y 4.8)
Tabla 4.6 Factores de corrección de la capacidad del secador por temperatura ambiente K1 (18)
Corrección por temperatura ambiente
°C 25 30 35 40 45
K1 1 0.92 0.84 0.8 0.74
Tabla 4.7 Factores de corrección de la capacidad del secador por temperatura de entrada K2 (18)
Corrección por temperatura entrada
°C 35 40 45 50 55
K2 1 0.82 0.69 0.58 0.45
Tabla 4.8 Factores de corrección de la capacidad del secador por presión de entrada K3 (18)
Corrección por presión entrada
Barg
[Psig]
5
[72.51]
6
[87.02]
7
[101.52]
8
[116.03]
9
[130.534]
10
[145.04]
11
[159.6]
12
[174.05]
13
[188.6]
K3 0.9 0.96 1 1.03 1.06 1.08 1.1 1.12 1.13
Entonces, asumiendo que las condiciones más desfavorables correspondan a la temperatura
ambiente máxima de 40°C, temperatura de entrada al secador de 40°C y la presión máxima de
entrada de 12 barg [174.05 psig], se obtiene que el flujo corregido corresponde a la
multiplicación del caudal nominal que indica el catálogo por el factor de corrección de
temperatura ambiente K1, factor de corrección de temperatura de entrada K2, y por el factor de
corrección de presión de entrada K3, tal como se muestra en la Ecuación 4.5.
65
QnomKKKQ ...sec 321= (4.5)
cfmcfmQ 55.913.12.182.08.0sec =⋅⋅= (4.6)
Con estos resultados se verifica que el secador en las condiciones de operación tendrá la
capacidad de manejar el flujo requerido.
4.2.1. Características del secador
El proceso de intercambio de calor dentro del condensador se realiza tal como se muestra en el
esquema de la Figura 4.2a, se pasa la corriente de aire caliente a la entrada (1) por un
intercambiador de calor con un circuito refrigerante (2), el aire ya enfriado hasta el punto de rocío
es ligeramente elevada su temperatura con la corriente caliente de aire entrando (4), esto con la
finalidad de preenfriar el aire que estará en contacto con el circuito refrigerante (8 y 9) y así
mejorar la eficiencia en el intercambiador de calor (3). El agua condensada (6) es separada por un
drenaje automático (7).
Figura 4.2a Diagrama esquemático del funcionamiento del secador. (5)
En la Figura 4.2 b se muestra el esquema de flujo dentro del secador. El refrigerante usado es R
134a. Para más información en el Apéndice C se encuentra el catálogo del secador seleccionado.
66
Figura 4.2b Diagrama esquemático del funcionamiento del secador refrigerado seleccionado. (5)
4.3. Selección de los filtros
En la instalación del sistema de aire comprimido es necesario colocar filtros para asegurarse de
que el aire este completamente limpio y libre de aceite. Como el compresor es del tipo lubricado,
se propone la colocación de un filtro coalescente en la descarga del mismo, con la finalidad de
remover partículas y evitar el paso de aceite al sistema que pudieran ocasionar inconvenientes de
obstrucción de válvulas u otros equipos. Además, se han de instalar dos filtros también de
propiedades coalescentes a la entrada y a la salida del secador, llamados pre-filtro y post filtros.
Para la selección de estos filtros al igual que para la selección de los equipos anteriores se
consultaron diversos catálogos y se optó colocar los recomendados por el fabricante del
compresor y secador.
En total, el compresor proporciona 290 scfm de aire a la descarga y para seleccionar el filtro
debemos convertir este dato a condiciones actuales de presión y temperatura en la línea de
descarga.
Suponiendo que las condiciones de la línea en la descarga del compresor serán:
-Presión actual: 189.5 psia (175 psig + 14.5 psi).
67
-Temperatura actual: 40°C [313 K].
-Humedad relativa actual: 100%.
-Presión de saturación a 40°C : 0.1216 psia.
Aplicando nuevamente la Ecuación 2.11, podemos calcular el flujo actual en la descarga:
acfmK
K
psiapsia
psiscfm 72.23
15.293
15.313·
1·1216.05.189
5.14·290 =
+ (4.7)
Para esta capacidad el filtro tipo coalescente recomendado es el que se especifica en la tabla
siguiente (Tabla 4.9):
Tabla 4.9 Descripción del filtro coalescente seleccionado PD 17. (19)
Tipo de filtro Modelo Capacidad*
Filtros coalescentes y de partículas de alta eficacia, que eliminan agua y aceite hasta 0,01 mg/m (0,01 ppm) y
partículas de hasta 0,01 micras.
Atlas Copco Gama PD17
36 cfm
En la sección anterior se calculó el flujo en condiciones actuales que maneja el secador
(Sección 4.2) como es lógico, los pre-filtros y post-filtros manejaran la misma capacidad de aire
ya que sean colocados antes y después del secador refrigerado. Se ha de seleccionar filtros
coalescentes que cumplan con los requerimientos de calidad del aire y que manejen 3.44 cfm a
una presión de trabajo máxima de 175 psig. Además el aire destinado a instrumentación ha de
cumplir las siguientes características de calidad siguientes (Sección 3.5.)
-Tamaño de partículas sólidas: ≤ 3 µm.
-Contenido de partículas sólidas: ≤ 1 mg/m³.
-Contenido de agua:< 1 mg/m³.
Para estas características tenemos la siguiente opción recomendada. (Ver Tabla 4.10).
68
Tabla 4.10 Descripción del filtro coalescente seleccionado PD9. (19)
Tipo de filtro Modelo Capacidad*
Filtros coalescentes y de partículas de alta eficacia, que eliminan agua y aceite hasta 0,01 mg/m (0,01 ppm) y partículas
de hasta 0,01 micras.
Atlas Copco Gama PD 9
19 cfm
*Se refiere a 102 psig Presión máxima: 232 psi
Temperatura máxima de entrada de aire 150 °F La presión de trabajo en el sistema no será la misma que la que suponen los catálogos por eso el
fabricante proporciona los siguientes factores de corrección (Ver Tabla 4.11):
Tabla 4.11 Factores de corrección por presión del filtro coalescente seleccionado (19)
Corrección por presión entrada
Barg
[Psig]
5
[72.5]
6
[87.0]
7
[101.5]
8
[116.0]
9
[130.5]
10
[145.0]
11
[159.6]
12
[174.0]
13
[188.6]
K 4 0,53 0,75 0,92 1 1.06 1.20 1.31 1.41 1.50
Suponiendo que la presión de trabajo de los filtros sea máxima 175 psig entonces,
multiplicando el factor de corrección por presion de entrada correspondiente por la capacidad del
filtro Qfil mencionada en el catálogo (Ver Apéndice C), se verifica que los filtros coalescentes
cumplen con la capacidad requerida.
- Para el filtro que se colocará a la descarga del compresor:
cfmcfmQfil 76.503641.1 =⋅= (4.8)
- Para el pre-filtro y el post filtro del secador:
cfmcfmQfil 79.261941.1 =⋅=
(4.9)
Ambos filtros cumplen con los requerimientos establecidos para la calidad del aire.
69
CAPÍTULO 5
DISEÑO BÁSICO DE LOS RECIPIENTES RECIBIDORES DE AIRE COMPRIMIDO
5.1. Características principales
Conociendo el volumen requerido para los recipientes, descrito en la sección 3.8, se realiza un
diseño preliminar de los mismos basado en el documento “Criterio de diseño para procesos” en el
Código ASME sección VIII “Boiler and Pressure Vessel Code” y en la Norma PDVSA “D-211
Pressure vessel desing and fabrication”.
Tal como se menciona en la sección 3.10, la opción seleccionada (Opción 1) cuenta con dos
recipientes uno llamado recipiente principal, con un volumen de 60 m3 y otro destinado a
almacenar el aire que se usará para instrumentación de la planta y que tiene un volumen
propuesto de 2.64 m3.
Al momento de diseñar un recipiente a presión es importante establecer, basándose en la
temperatura y presión de operación, la temperatura y la presión de diseño. Esto se realiza bajo los
criterios del Manual de Diseño de Proceso de PDVSA. Los criterios de diseño se muestran en la
Tabla 5.1 y 5.2.
Tabla 5.1 Criterio de diseño para establecer temperatura de diseño según PDVSA. (20)
Temperatura normal de operación (°C) Temperatura de diseño (°C)
Debajo de -10°C Mínima temperatura de operación
Entre -10°C y temperatura ambiental. Mínima temperatura de operación - 3°C
Entre temperatura ambiental y 399°C Temperatura normal de operación + 10°C o
Máxima temperatura de operación + 7°C
Por arriba de 399 °C Temperatura máxima de operación
70
Tabla 5.2 Criterio de diseño para establecer presión de diseño según PDVSA. (20)
Máxima presión de operación [psig] Mínima presión de diseño [psig] < 247 MOP + 25 psi
247 – 580 MOP + 10% 580 – 1160 MOP + 58 psi
> 1160 MOP + 5%
Además, el código ASME sección VIII “Boiler and Pressure Vessel Code” establece los
criterios para la selección del material del recipiente. La norma recomienda que para la
construcción del recipiente se usen planchas de acero al carbono SA-516-70 para el cuerpo y el
cabezal, acero al carbono SA-105 para las bridas y acero tipo SA-53Gr B para los cuellos de las
boquillas. Para mayor información ver Apéndice D. Según las practicas ingenieriles es
recomendado que los recipientes a presión sean del tipo tapas elipsoidales con relación 2:1.
Los espesores de corrosión recomendados para el diseño son obtenidos del documento “Criterio
de diseño mecánico para recipientes a presión” y se muestran en la tabla siguiente:
Tabla 5.3 Espesor de corrosión según el material del recipiente.
Material Espesor de corrosión (Pulgadas) Acero al Carbono (Servicio No Corrosivo) 1/16
Acero al Carbono (Servicio Corrosivo) 1/8
Acero al Carbono (Servicio Ácido Húmedo) ¼
Acero al Carbono con Revestimiento - Refuerzos y Soportes 1/16
5.2. Cálculo de tamaño óptimo de los recipientes
Para calcular el tamaño óptimo de los recipientes se usó la siguiente metodología (21)
1) Se calcula la constante F dado por la fórmula siguiente (Ecuación 5.1).
SEC
PF
o
= (5.1)
71
Donde
P Presión interna [psig]
Co Tolerancia de corrosión [in]
S Esfuerzo permitido [psi]
E Eficiencia de la unión
2) Se lee en la gráfica “Volumen Óptimo de Recipientes” el valor del diámetro
correspondiente a los valores de F y volumen disponibles.
3) Usando el diámetro D y el volumen V, se calcula la longitud del cilindro.
A efectos de este diseño se considera que la eficiencia de la unión es de 85%, (valor que se usa
en la práctica para el diseño básico de los recipientes) y los datos de de esfuerzo del material SA-
516-70 se encuentran en el Apéndice F. Además se ha de verificar que la relación L/D debe estar
en el rango de 2-4 tal como lo sugiere el documento de criterio para diseño de procesos, utilizado
por la Empresa. (22)
5.2.1. Cálculo de tamaño óptimo del recipiente de instrumentación.
El recipiente de instrumentación tiene un volumen propuesto de 2.64 m3. Según la Tabla 5.1 y
5.2, tenemos los siguientes valores de temperatura y presión de diseño. (Ver Tabla 5.4).
Tabla 5.4 Temperatura y presión de diseño para recipiente de instrumentación.
Máxima presión de
operación
Presión de
diseño
Máxima
Temperatura de
operación
Temperatura
de diseño
150 psig 175 psig 40°C 50°C
72
1) Cálculo de F (según Ecuación5.1):
08.085.0.20000.125.0
175 ==psiin
psigF (5.1)
Consultando la gráfica anexa (Apéndice E) y sabiendo que el volumen propuesto del recipiente
es 2.64 m3 (93.23 ft3 ), se tiene que el diámetro óptimo recomendado es de 0.98 m (3.2 ft).
Usando la fórmula de volumen para un cilindro (Ecuación 5.2), calculamos la longitud del
recipiente:
2
4
D
VL
⋅⋅=
π (5.2)
mm
mL 5.3
)95.0(
64.242
3
=⋅⋅=
π
Con estas dimensiones el recipiente cumple con la relación de esbeltez, ya que L/D es igual a
3.6 y por lo tanto se encuentra dentro del rango 2-4 recomendado.
5.2.2. Cálculo de tamaño óptimo del recipiente principal.
El recipiente de instrumentación tiene un volumen propuesto de 60 m3. Al igual que en el caso
anterior se ha de calcular la temperatura y presión de diseño. Usando nuevamente la Tabla 5.1 y
5.2, tenemos obtenemos los siguientes valores. (Ver Tabla 5.4).
Tabla 5.5 Temperatura y presión de diseño para recipiente principal.
Máxima presión de operación
Presión de diseño
Máxima Temperatura de
operación
Temperatura de diseño
170 psig 195 psig 40°C 50°C
73
Realizando el mismo procedimiento que el caso anterior se calcula la longitud del recipiente.
1) Cálculo de F (según Ecuación 5.1):
09.085.0.20000.125.0
195 ==psiin
psigF (5.1)
Consultando la gráfica (Apéndice E) y sabiendo que el volumen propuesto del recipiente es 60
m3 (2118.8 ft3), se tiene que el diámetro óptimo recomendado es de 2.13 m (7 ft).
Usando la fórmula de volumen para un cilindro (Ecuación 4.11), calculamos la longitud del
recipiente:
mm
mL 83.16
)13.2(
6042
3
=⋅
⋅=π
(5.2)
Las dimensiones para este recipiente son muy grandes y por ende resultaría muy costosa su
construcción usando láminas de acero, si contar con lo difícil que será transportar al sitio de
instalación.
Se propone dividir este recipiente en 6 recipientes de 10m3 cada uno e interconectarlos o hacer
más económica su construcción realizando un diseño de tramos de tuberías de interconectadas de
material SA-53B cuyo volumen sea de 60 m3 y adaptarlas soldándole las tapas elipsoidales y las
respectivas boquillas y conexiones para instrumentación (medidores de presión, válvulas de
alivio de presión, etc.), se recomienda que en este caso el recipiente sea diseñado por un vendedor
especializado en el área.
En el Apéndice I se encuentra la hoja de datos utilizada en la Empresa para el recipiente de aire
de instrumentos.
74
5.3. Verificación de diseño
El programa PVElite versión 2007 es usado por la Empresa para realizar el diseño y
verificación de recipientes a presión y está basado en los lineamientos del Código ASME sección
VIII “Boiler and Pressure Vessel Code”. Con el podemos verificar el diseño mecánico y obtener
el valor de espesor de pared recomendado, que posteriormente será comparado con los
disponibles en el mercado para obtener el espesor final.
Estos resultados se logran introduciendo en el programa los parámetros principales, como por
ejemplo las temperaturas y presiones de diseño, material y datos sísmicos, luego, con los datos de
diámetro y longitud obtenidos en el procedimiento anterior se procede al diseño del recipiente,
agregando sus respectivas boquillas, boca de visita, salidas para drenajes, etc.
Los datos de sismo y viento se obtienen del documento “Bases y premisas de diseño” y se
muestran en la Tabla 5.6 y Tabla 5.7 respectivamente.
Tabla 5.6 Datos para diseño sísmico del recipiente de aire.
Diseño sísmico Código UBC-1994
Zona sísmica Covenin-4 Factor de suelo S2
Tabla 5.7 Datos para diseño de viento del recipiente de aire.
Diseño de viento Código ASCE7-95 Factor 1
Velocidad [Km/h] 17-24
Las boquillas de entrada y salida del aire se diseñan de manera que la velocidad no sobrepase
los 13 m/s tal como lo sugiere el documento “Criterio para diseño de procesos” (23).
Según la Norma PDVSA se ha de colocar un agujero para inspección y mantenimiento que
permita acceso a todas las paredes internas del recipiente. El diámetro recomendado por la norma
son 0.6 m.
75
Se asumió que el soporte del recipiente sea tipo falda, ya que es la práctica más común para este
tipo de recipientes. La falda debe tener agujeros para la conexión de las tuberías de drenaje de
condensado y para manipulación en caso de mantenimiento.
En la Figura 5.1 se muestra un diseño preliminar del recipiente calculado usando el software
PVElite 2007. Cabe señalar que la posición de las boquillas y otros agujeros en el recipiente no
son definitivos y dependen de los requerimientos y datos que sean proporcionados por otras
disciplinas, como instrumentación y tuberías.
Luego de introducir los parámetros para realizar el diseño y comparando el resultado de espesor
con los disponibles en el mercado se obtuvo que el recipiente bajo estas características ha de ser
construido con plancha de acero tipo SA-516-70 de 3/8” (9.4 mm).
Los resultados arrojados por el software donde se verifica mecánicamente el recipiente se
encuentran en el Apéndice J.
76
Figura 5.1 Ambiente de trabajo del Software PVElite 2007. En la imagen se muestra el diseño del recipiente de instrumentación usando las herramientas del programa
77
CONCLUSIONES
- En este trabajo se elaboró la ingeniería básica para el diseño de un sistema de aire comprimido
para instrumentación y servicios en una planta de procesos.
- Siguiendo las normas nacionales e internacionales en plantas de procesos, entre ellas normas
PDVSA y ANSI/ISA se logra la selección de equipos para obtener el aire con altos estándares de
calidad.
- De la metodología usada en este trabajo se elaboró una guía de diseño para un sistema de aire
comprimido de alta calidad y confiabilidad enfocado en la selección de equipos.
- Se debe evitar la instalación de compresores de aire cerca de fuentes de calor o
contaminación.
- Antes de seleccionar un compresor para el sistema de aire comprimido se deberá conocer la
calidad de aire requerido, así mismo se han de identificar los servicios que requieran tratamiento
especial del aire para evitar costos excesivos que implicarían tratar todos los servicios por igual.
- Un correcto tratamiento del aire comprimido desde la entrada al compresor puede evitar
problemas futuros en el sistema, bien sea atascamiento o desgaste interno de los equipos a causa
de partículas abrasivas o presencia de aceite que pueda obstruir orificios muy finos de algunos
instrumentos.
- El aceite dentro de la red de aire comprimido generalmente se encuentra degradado, su
capacidad de lubricación es baja y su acidez y corrosión alta, por lo que hay que asegurarse de
colocar filtros adecuados que eliminen las partículas de aceite dentro del sistema.
- Uno de los principales problemas que tiene el diseño de la red es el manejo del condensado ya
que aumenta la rugosidad de las paredes y por tanto caídas de presión además de ser corrosivo,
por ello el aire debe ser secado de manera de eliminar la humedad en la red.
- A través de un balance de presión y volumen de aire en los recipientes se puede mejorar la
selección de la capacidad de los compresores, además de calcular el tiempo aproximado de carga
y descarga de los recipientes y por lo tanto los ciclos de trabajo del compresor.
- Cuando se suministra aire para instrumentación, es preferible en lo posible que el recipiente
este conectado a un pulmón principal ya que esto garantiza un servicio más continuo y confiable
78
que en el caso contrario cuando la instrumentación tiene su recipiente directamente conectado a
la línea de descarga del compresor.
- Es importante que cuando se trabaje en selección de equipos para aire comprimido tomar en
cuenta las referencias de presión, temperatura y humedad relativa que se usen tanto en los
requerimientos como en los catálogos de los vendedores.
- En la selección del equipo compresor se debe tomar en cuenta las condiciones de humedad
relativa y temperatura ambiental, ya que esto podría causar variaciones de hasta 7% de la
capacidad nominal del compresor tal como se observo en este trabajo.
- Usando los lineamientos establecidos por el Código ASME sección VIII “Boiler and Pressure
Vessel Code” y mediante el software PVElite versión 2007, se logró obtener el prediseño del
recipiente de instrumentación a utilizar en el sistema de aire comprimido
- Se utilizó el software Microsoft Excel para realizar los cálculos y el balance de presión entre
los recipientes.
- Se utilizo �essel� 2006 para realizar los esquemas de la Opción 1 y Opción 2
- Se utilizo el software Microsoft Visio para realizar los diagramas de flujo mostrados en este
trabajo.
- Los cálculos de los requerimientos de aire comprimido se han de realizar de la manera más
precisa posible, ya que una sobreestimación podría causar costos excesivos de operación y
mantenimiento y una subestimación podría causar deficiencias en el funcionamiento de los
equipos o, peor aún, poner en riesgo la seguridad de la planta cuando el aire para la
instrumentación no sea el adecuado.
- El uso de normas nacionales e internacionales, fusionado con correctos criterios ingenieriles
aseguran la realización de un trabajo de alta calidad basado en los más altos estándares de calidad
y operación.
79
REFERENCIAS
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(3) Yunus A. Cengel, “Termodinámica”. Cuarta Edición. Editorial Mac Graw Hill.
(4) GJ Van Wylen, “Fundamentals Of Classical Thermodynamics”. 3a Edicion, 1986.
(5) Atlas Copco, “Manual de Aire Comprimido y su Aplicación en la Industria”.
(6) Imagen pistones tipo laberinto, disponible en http://www.jsw.co.jp/en/product/machinery/compressor/compressor_01_en.html consultado en Agosto 2009
(7) Imagen modificada de compresor de aletas disponible en www.monografias.com/trabajos63/compresores, consultado en Agosto 2009
(8) Imagen Tornillos de compresor, disponible en http://www.howden.com/es/, consultado en Agosto 2009
(9) Imagen de compresor de lóbulo, disponible en www.widman.biz/.../Boletin_56/lobulos-trans.gif; consultado en Agosto 2009.
(10) Imagen de compresor axial, disponible en www.manturbo.com, consultado en agosto 2009
(11) Imagen filtros tipo cartucho disponible en http://www.depuradoras.es/, consultado en agosto 2009
(12) Atlas Copco. Disponible en Internet, http://www.atlascopco.com.ve/
(13) Imagen secador por adsorción disponible en www.aircompressor.es ,consultado en agosto 2009
80
(14) Norma PDVSA K-341 “�essel�enta ir system criteria”.Julio 2001.
(15) Información proporcionada por PDVSA, Documento; “Bases y Criterios de Diseño”.
(16) Información proporcionada por Empresas Y&V, “Manual de Operación de la Planta de Procesos”.
(17) Catálogo Compresor Atlas Copco, “Compresores de tornillo rotativos con inyección de aceite GA 30+-90/GA 37-90 VSD®”.
(18) Catálogo Secador Atlas Copco, “Refrigerant Compressed Air Dryers” Atlas Copco FD 5-4000 6-4000 l/s / 13-8480 cfm.
(19) Catalogo filtros Atlas Copco “Filtros de aire comprimido Serie DD/DDp/PD/PDp/QD y modelos de alta presión”.
(20) Norma PDVSA MDP–01–DP–01 “Temperaturas y Presiones de diseño”. Noviembre 1995.
(21) Dennis Moss, “Pressure Vessel Desing Manual”, tercera edición 2004
(22) Documento proporcionado por Empresas Y&V “Engineering Design Manual Pressure Vessel Design and Fabrication Specification”. Julio 2009
(23) Documento proporcionado por Empresas Y&V “Process Desing Criteria”. Julio 2007
81
BIBLIOGRAFÍA
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Nacional Americana 99-001-2004.
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-Compair 2008, Compresores y secadores, disponible en www.compair.com
-Dennis Moss, “Pressure Vessel Desing Manual”, tercera edición 2004
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-Petróleos de Venezuela S.A. “MDP–01–DP–01 Temperatura y Presión de diseño” .1995
-Petróleos de Venezuela S.A. “GB–203 Plant Air Instrument positive displacement air
compressor” .1986
-Petróleos de Venezuela S.A. “GB–204–R Compresores Rotatorios” .1993
-Petróleos de Venezuela S.A. “D-211 Pressure Vessel Desing and Fabrication
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-Revista técnica Kaeser Compressor, “Aire Comprimido Ultrapuro”.02/08.
-Process Industry Practices. “PIP PCCIA001 Instrument Air Systems Criteria” Octubre 1997.
-The Instrumentation, Systems, and Automation Society /American Nacional Standard
ANSI/ISA– 7.0.01– 1996 “Quality Standard for Instrument Air Approved 12 November” 1996.
-Diagramas de flujo, disponible en
http://www.fundibeq.org/metodologias/herramientas/diagrama_de_flujo.pdf consultado en
Agosto 2009.
83
APÉNDICE A
Características de los compresores según su tipo. (3)
84
APÉNDICE B
Hoja de datos del compresor GA 75-175. (3)
TECHNICAL DATA SHEET GA 75 – 175 REFERENCE CONDITIONS
REFERENCE CONDITIONS UNITS VALUE
Absolute inlet pressure Bar 1
Relative air humidity % 0
Air inlet temperature °C 20
Motor shaft speed r/min 3582
Effective working pressure at outlet of compressor Bar 12
LIMITATIONS
LIMITATIONS UNITS VALUE
Maximum effective working pressure Bar 12,5
Minimum effective working pressure Bar 4
Maximum allowable inlet temperature °C 46
Minimum ambient temperature °C 0
PERFORMANCE DATA
PERFORMANCE DATA (1) UNITS VALUE
Free air delivery
- at reference conditions l/s 168,9
- at effective working pressure stated to 12,5 Bar l/s 168,7
- at effective working pressure stated to 4 Bar l/s 171,3
Shaft power input
- at reference conditions KW 80,1
- at effective working pressure stated to 12,5 Bar KW 82
- at effective working pressure stated to 4 Bar KW 49,5
- Shaft input at no load KW 16,4
- Shaft input cooling fan KW 3,8
Packaged compressor power input
- at reference conditions KW 88,9
- at effective working pressure stated to 12,5 Bar KW 90,4
- at effective working pressure stated to 4 Bar KW 56,7
- Power input at no load KW 25,1
Compressed air temperature at outlet valve °C Ambient + 10
DESIGN DATA UNIT
DESIGN DATA UNIT UNITS VALUE
Number of compression stage 1
Male rotor speed r/min 4895
Oil capacity l 25
Dimensions
- length Mm 2040
- width Mm 970
- height Mm 1802
Weight with canopy Kg 1500 Note 1: Unless otherwise stated, at reference conditions
101
APÉNDICE C
Catálogos de equipos seleccionados.
-Compresor “Atlas Copco” GA 75-175
-Secador “Atlas Copco” FD-5.
-Filtros “Atlas Copco”.
121
APÉNDICE D
Lista de selección de material para los recipientes según ASME sección VIII “Boiler and
Pressure Vessel Code”
122
APÉNDICE E
Factor F para calcular diámetro óptimo de los recipientes según ASME sección VIII “Boiler
and Pressure Vessel Code”
“Volumen Óptimo para Recipientes”
APÉNDICE F
Tabla de valores máximos de esfuerzo para los materiales usados en los recipientes según ASME sección VIII “Boiler and Pressure
Vessel Code”
Title: ASME Electronic Stress Tables, 2005 US Customary
Table: Table 1A - Maximum Allowable Stress Values S for Ferrous Materials
Addenda/ History Nominal Composition Product Form Spec. No. Type/ Grade -20-100°F (ksi) <=150°F (ksi) <=200°F (ksi)
Carbon steel Plate SA-516 55 15.7 15.7 15.7
Carbon steel Plate SA-516 60 17.1 17.1 17.1
Carbon steel Plate SA-516 65 18.6 18.6 18.6
Carbon steel Plate SA-516 70 20 20 20
ASME Electronic Stress Tables, 2005 US Customary © 2005
APÉNDICE G
Tabla de balance de presión en recipientes principales para la opción 1 y opción 2
Tt Tiempo total [minutos] Qci Caudal del compresor entrando recipiente instrumentacion [scfm] Qcrp Caudal de compresor entrando al recipiente principal mci Suministro compresor a recipiente instrumentacion [kmol] mca Suministro compresor a recpiente principal [kmol] ti Tiempo de instruentación [minutos] mi Consumo instrumentación [kmol] tc Tiempo compresor [minutos]
ma Consumo masa de arranque [kmol] mpl Consumo masa prelubricación[kmol] ms Consumo de servicio [kmol] tb Tiempo suministro bomba [minutos] mb Consumo bombas [kmol] Mc Masa consumida [ΣDi] Ma Masa actual [Ma-ΣDi+mc] Pa Presión actual [psi] Mti Masa inicial tanque de insrumentacion [Kmol] mfi Masa final tanque de instrumentación [kmol]
AI Aire de intrumentación [scfm] AA Aire de arranque [scfm] AS Aire de servicio [scfm] APL Aire de pre-lubricación [scfm] AB Aire de bombas [scfm] T Tiempo [minutos]
NOMENCLATURA
BALANCE DE PRESIÓN OPCIÓN 2 -Pulmón de instrumentación: 3.72m3 -Pulmón de principal: 50m3 -Presión trabajo del compresor: 175 psig -Caudal de entrada del compresor: 230 scfm -Presión máxima pulmón principal: 175psig -Presión mínima pulmón principal: 153psig -Presión máxima pulmón instrumentación: 175psig -Presión mínima pulmón instrumentación: 110psig
T [min] Tt [min]
Tc [min]
Qci [scfm]
mci [kmol]
mca [kmol]
Mti [Kmol]
AI [scfm]
mi [Kmol]
mfi [kmol]
mia [kmol]
AA [scfm]
AS [scfm]
AB [scfm]
APL [scfm]
ms [kmol]
mb [kmol]
Mc [kmol]
Mfra [Kmol]
Pai [psi]
Pap [psi]
0,5 0,5 0,5 1,75 42 0,03 1,73 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 23,47 172,5 174,4
0,5 1,0 1 1,75 42 0,03 1,70 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 23,40 170,0 173,9
0,5 1,5 1,5 1,75 42 0,03 1,68 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 23,33 167,5 173,3
0,5 2,0 2 1,75 42 0,03 1,65 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 23,25 165,0 172,8
0,5 2,5 2,5 1,75 42 0,03 1,63 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 23,18 162,5 172,3
0,5 3,0 3 1,75 42 0,03 1,60 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 23,11 160,0 171,8
0,5 3,5 3,5 1,75 42 0,03 1,58 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 23,04 157,5 171,2
0,5 4,0 4 1,75 42 0,03 1,55 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,97 155,0 170,7
0,5 4,5 4,5 1,75 42 0,03 1,53 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,90 152,5 170,2
0,5 5,0 5 1,75 42 0,03 1,50 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,83 150,0 169,7
0,5 5,5 5,5 1,75 42 0,03 1,48 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,76 147,5 169,1
0,5 6,0 6 1,75 42 0,03 1,45 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,69 145,0 168,6
0,5 6,5 6,5 1,75 42 0,03 1,43 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,62 142,5 168,1
0,5 7,0 7 1,75 42 0,03 1,40 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,55 140,0 167,6
0,5 7,5 7,5 1,75 42 0,03 1,38 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,47 137,5 167,0
0,5 8,0 8 1,75 42 0,03 1,35 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,40 135,0 166,5
0,5 8,5 8,5 1,75 42 0,03 1,33 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,33 132,6 166,0
0,5 9,0 9 1,75 42 0,03 1,30 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,26 130,1 165,4
0,5 9,5 9,5 1,75 42 0,03 1,28 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,19 127,6 164,9
0,5 10,0 10 1,75 42 0,03 1,25 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,12 125,1 164,4
0,5 10,5 10,5 1,75 42 0,03 1,23 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,05 122,6 163,9
0,5 11,0 11 1,75 42 0,03 1,20 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,98 120,1 163,3
0,5 11,5 11,5 1,75 42 0,03 1,18 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,91 117,6 162,8
0,5 12,0 12 1,75 42 0,03 1,15 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,84 115,1 162,3
0,5 12,5 12,5 1,75 42 0,03 1,13 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,77 112,6 161,8
0,5 13,0 13 1,75 42 0,03 1,10 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,70 110,1 161,2
0,5 13,5 0,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,21 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,62 121,1 160,7
0,5 14,0 1,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,32 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,55 132,1 160,2
0,5 14,5 1,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,43 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,48 143,2 159,7
0,5 15,0 2,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,54 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,41 154,2 159,1
0,5 15,5 2,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,65 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,34 165,2 158,6
0,5 16,0 3,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,76 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,27 175,0 158,1
0,5 16,5 3,5 230 1,75 42 0,03 1,74 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,33 173,8 158,6
0,5 17,0 4,0 230 1,75 42 0,03 1,71 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,40 171,3 159,0
0,5 17,5 4,5 230 1,75 42 0,03 1,69 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,46 168,8 159,5
0,5 18,0 5,0 230 1,75 42 0,03 1,66 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,53 166,3 160,0
0,5 18,5 5,5 230 1,75 42 0,03 1,64 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,59 163,8 160,5
0,5 19,0 6,0 230 1,75 42 0,03 1,61 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,66 161,3 161,0
0,5 19,5 6,5 230 1,75 42 0,03 1,59 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,72 158,8 161,4
0,5 20,0 7,0 230 1,75 42 0,03 1,56 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,79 156,3 161,9
0,5 20,5 7,5 230 1,75 42 0,03 1,54 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,85 153,8 162,4
0,5 21,0 8,0 230 1,75 42 0,03 1,51 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,92 151,3 162,9
0,5 21,5 8,5 230 1,75 42 0,03 1,49 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 21,98 148,8 163,4
0,5 22,0 9,0 230 1,75 42 0,03 1,46 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,05 146,3 163,8
0,5 22,5 9,5 230 1,75 42 0,03 1,44 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,11 143,8 164,3
0,5 23,0 10,0 230 1,75 42 0,03 1,41 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,17 141,3 164,8
0,5 23,5 10,5 230 1,75 42 0,03 1,39 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,24 138,8 165,3
0,5 24,0 11,0 230 1,75 42 0,03 1,36 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,30 136,3 165,7
0,5 24,5 11,5 230 1,75 42 0,03 1,34 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,37 133,8 166,2
0,5 25,0 12,0 230 1,75 42 0,03 1,31 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,43 131,3 166,7
0,5 25,5 12,5 230 1,75 42 0,03 1,29 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,50 128,8 167,2
0,5 26,0 13,0 230 1,75 42 0,03 1,26 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,56 126,3 167,7
0,5 26,5 13,5 230 1,75 42 0,03 1,24 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,63 123,8 168,1
0,5 27,0 14,0 230 1,75 42 0,03 1,21 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,69 121,3 168,6
0,5 27,5 14,5 230 1,75 42 0,03 1,19 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,76 118,8 169,1
0,5 28,0 15,0 230 1,75 42 0,03 1,16 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,82 116,3 169,6
0,5 28,5 15,5 230 1,75 42 0,03 1,14 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,88 113,8 170,1
0,5 29,0 16,0 230 1,75 42 0,03 1,11 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,95 111,3 170,5
0,5 29,5 16,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,22 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,88 122,4 170,0
0,5 30,0 17,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,34 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,81 133,4 169,5
0,5 30,5 17,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,45 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,04 0,07 22,74 144,4 169,0
0,5 31,0 18,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,56 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 22,70 155,4 168,7
0,5 31,5 18,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,67 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 22,67 166,5 168,5
0,5 32,0 19,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,78 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 22,64 175,0 168,3
0,5 32,5 19,5 230 1,75 42 0,03 1,75 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 22,74 175,0 169,0
0,5 33,0 20,0 230 1,75 42 0,03 1,73 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 22,85 172,5 169,8
0,5 33,5 20,5 230 1,75 42 0,03 1,70 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 22,95 170,0 170,6
0,5 34,0 21,0 230 1,75 42 0,03 1,68 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 23,05 167,5 171,3
0,5 34,5 21,5 230 1,75 42 0,03 1,65 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 23,16 165,0 172,1
0,5 35,0 22,0 230 1,75 42 0,03 1,63 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 23,26 162,5 172,9
0,5 35,5 22,5 230 1,75 42 0,03 1,60 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 23,36 160,0 173,6
0,5 36,0 23,0 230 1,75 42 0,03 1,58 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 23,47 157,5 174,4
0,5 36,5 0,5 1,75 42 0,03 1,55 23,54 1980 54 66 118 0,03 1,27 22,20 155,0 165,0
0,5 37,0 1 1,75 42 0,03 1,53 23,54 1980 54 66 118 0,03 1,27 20,93 152,5 155,6
0,5 37,5 1,5 1,75 42 0,03 1,50 23,54 1980 54 66 118 0,03 1,27 19,67 150,0 146,1
0,5 38,0 2 1,75 42 0,03 1,48 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 19,56 147,5 145,4
0,5 38,5 2,5 1,75 42 0,03 1,45 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 19,46 145,0 144,6
0,5 39,0 3 1,75 42 0,03 1,43 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 19,36 142,5 143,9
0,5 39,5 3,5 1,75 42 0,03 1,40 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 19,26 140,0 143,1
0,5 40,0 4 1,75 42 0,03 1,38 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 19,16 137,6 142,4
0,5 40,5 4,5 1,75 42 0,03 1,35 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 19,06 135,1 141,6
0,5 41,0 5 1,75 42 0,03 1,33 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,96 132,6 140,9
0,5 41,5 5,5 1,75 42 0,03 1,30 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,85 130,1 140,1
0,5 42,0 6 1,75 42 0,03 1,28 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,75 127,6 139,4
0,5 42,5 6,5 1,75 42 0,03 1,25 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,65 125,1 138,6
0,5 43,0 7 1,75 42 0,03 1,23 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,55 122,6 137,9
0,5 43,5 7,5 1,75 42 0,03 1,20 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,45 120,1 137,1
0,5 44,0 8 1,75 42 0,03 1,18 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,35 117,6 136,3
0,5 44,5 8,5 1,75 42 0,03 1,15 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,25 115,1 135,6
0,5 45,0 9 1,75 42 0,03 1,13 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,14 112,6 134,8
0,5 45,5 0,5 1,75 42 0,03 1,10 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 18,04 110,1 134,1
0,5 46,0 1,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,21 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,10 17,94 121,1 133,3
0,5 46,5 1,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,32 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 17,91 132,1 133,1
0,5 47,0 2,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,43 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 17,88 143,2 132,9
0,5 47,5 2,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,54 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 17,84 154,2 132,6
0,5 48,0 3,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,65 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 17,81 165,2 132,4
0,5 48,5 3,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,76 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 17,78 175,0 132,1
0,5 49,0 4,0 230 1,75 42 0,03 1,74 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 17,88 173,8 132,9
0,5 49,5 4,5 230 1,75 42 0,03 1,71 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 17,99 171,3 133,7
0,5 50,0 5,0 230 1,75 42 0,03 1,69 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,09 168,8 134,4
0,5 50,5 5,5 230 1,75 42 0,03 1,66 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,19 166,3 135,2
0,5 51,0 6,0 230 1,75 42 0,03 1,64 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,30 163,8 136,0
0,5 51,5 6,5 230 1,75 42 0,03 1,61 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,40 161,3 136,8
0,5 52,0 7,0 230 1,75 42 0,03 1,59 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,50 158,8 137,5
0,5 52,5 7,5 230 1,75 42 0,03 1,56 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,61 156,3 138,3
0,5 53,0 8,0 230 1,75 42 0,03 1,54 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,71 153,8 139,1
0,5 53,5 8,5 230 1,75 42 0,03 1,51 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,81 151,3 139,8
0,5 54,0 9,0 230 1,75 42 0,03 1,49 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 18,92 148,8 140,6
0,5 54,5 9,5 230 1,75 42 0,03 1,46 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,02 146,3 141,4
0,5 55,0 10,0 230 1,75 42 0,03 1,44 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,13 143,8 142,1
0,5 55,5 10,5 230 1,75 42 0,03 1,41 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,23 141,3 142,9
0,5 56,0 11,0 230 1,75 42 0,03 1,39 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,33 138,8 143,7
0,5 56,5 11,5 230 1,75 42 0,03 1,36 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,44 136,3 144,4
0,5 57,0 12,0 230 1,75 42 0,03 1,34 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,54 133,8 145,2
0,5 57,5 12,5 230 1,75 42 0,03 1,31 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,64 131,3 146,0
0,5 58,0 13,0 230 1,75 42 0,03 1,29 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,75 128,8 146,7
0,5 58,5 13,5 230 1,75 42 0,03 1,26 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,85 126,3 147,5
0,5 59,0 14,0 230 1,75 42 0,03 1,24 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 19,95 123,8 148,3
0,5 59,5 14,5 230 1,75 42 0,03 1,21 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,06 121,3 149,0
0,5 60,0 15,0 230 1,75 42 0,03 1,19 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,16 118,8 149,8
0,5 60,5 15,5 230 1,75 42 0,03 1,16 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,26 116,3 150,6
0,5 61,0 16,0 230 1,75 42 0,03 1,14 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,37 113,8 151,4
0,5 61,5 16,5 230 1,75 42 0,03 1,11 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,47 111,3 152,1
0,5 62,0 17,0 230 1,75 42 0,03 1,09 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,57 108,8 152,9
0,5 62,5 17,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,20 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,54 119,9 152,7
0,5 63,0 18,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,31 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,51 130,9 152,4
0,5 63,5 18,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,42 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,48 141,9 152,2
0,5 64,0 19,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,53 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,45 153,0 151,9
0,5 64,5 19,5 230 0,14 1,75 42 0,03 1,64 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,41 164,0 151,7
0,5 65,0 20,0 230 0,14 1,75 42 0,03 1,75 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,38 175,0 151,5
0,5 65,5 20,5 230 1,75 42 0,03 1,73 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,48 172,5 152,2
0,5 66,0 21,0 230 1,75 42 0,03 1,70 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,59 170,0 153,0
0,5 66,5 21,5 230 1,75 42 0,03 1,68 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,69 167,5 153,8
0,5 67,0 22,0 230 1,75 42 0,03 1,65 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,79 165,0 154,5
0,5 67,5 22,5 230 1,75 42 0,03 1,63 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 20,90 162,5 155,3
0,5 68,0 23,0 230 1,75 42 0,03 1,60 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 21,00 160,0 156,1
0,5 68,5 23,5 230 1,75 42 0,03 1,58 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 21,11 157,5 156,8
0,5 69,0 24,0 230 1,75 42 0,03 1,55 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 21,21 155,0 157,6
0,5 69,5 24,5 230 1,75 42 0,03 1,53 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 21,31 152,5 158,4
0,5 70,0 25,0 230 1,75 42 0,03 1,50 23,54 1980 54 66 118 0,03 0,03 21,42 150,0 159,2
129
APÉNDICE H
Ejemplo de hoja de cálculo para estimar variación de caudal por condensación a diferentes
condiciones de presión de trabajo, temperatura ambiental y humedad relativa ambiental.
COMPRESOR
SECADOR
T1
HR1
P1
T2
P2
T3
P3
T1 Temperatura ambiente
P1 Presión ambiente
HR1 Humedad relativa ambiente
T2 Temperatura descarga del compresor
P2 Presión salida del compresor
T3 Temperatura salida del secador
P3 Presión salida del secador
HR3 Humedad relativa salida del secador
Psat@T1 Presión de saturación leída a la temperatura ambiente
Psat@T2 Presión de saturación leída a la temperatura descarga del compresor
Psat@T3
Presión de saturación leída a la temperatura
descarga del secador
ATMOSFERA P1[mbar] 1000,00
T1 [ºC] 30,00
Psat@T1 [mbar] 42,43
HR1 0,50
Ppv[mbar] 21,22
DESCARGA COMPRESOR T2 [ºC] 40,00
P2 [mbar] 7,00
P2 [mbara] 8,00
Psat@T2 [mbar] 65,52
Pv 8,19
∆Q % 1,30
130
DESCARGA SECADOR T3 [ºC] 2,00
P3 [mbar] 7,00
P3 [mbara] 8,00
Psat@T3 [mbar] 7,06
Pv 0,88
∆Q % 0,73
COMPRESOR-SECADOR ∆Q % total 2,03
Porcentaje de variación de caudal en función de la humedad relativa ambiental, para presión de
12.5 BAR a temperaturas de rocío de 2ºC, 5ºC y 10ºC respectivamente.
Grafica A.1. Variación del caudal de aire por condensación en función de la temperatura y la humedad relativa ambiental para punto de rocío de 2ºC.
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
100,00%
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
HR
%∆Q
12.5 BAR Punto de Rocío 2 C
Tamb 15ºC
Tamb 20ºC
T amb 25ºC
T amb 30ºC
Tamb 35ºC
131
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
100,00%
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
HR
%∆Q
12.5 BAR Punto de Rocío 5 C
Tamb 15ºC
Tamb 20ºC
T amb 25ºC
T amb 30ºC
Tamb 35ºC
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
100,00%
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
HR
%∆Q
12.5 BAR Punto de Rocío 10 C
Tamb 15ºC
Tamb 20ºC
T amb 25ºC
T amb 30ºC
Tamb 35ºC
Grafica A.2. Variación del caudal de aire por condensación en función de la temperatura y la humedad relativa ambienta, para punto de rocío de 5ºC.
Grafica A.3. Variación del caudal de aire por condensación en función de la temperatura y la
humedad relativa ambienta, para punto de rocío de 10ºC.
132
APÉNDICE I
Hoja de datos del recipiente de instrumentación
133
134
APÉNDICE J
Resultados de Software PVElite, para recipiente de instrumentación.
Document: Recipiente de Aire para Instrumentación Rev.: 0 Prepared by: Eloisa De Brito PV Elite 2007 Licensee: Y & V, INGENIERIA Y CONSTRUCCION C.A. FileName : recipiente de instrumentación ----------------- Vessel Design Summary STEP: 29 11:01a Sep 7,2009 Design Code: ASME Code Section VIII Division 1, 2004 A-06 Diameter Spec : 1190.000 mm ID Vessel Design Length, Tangent to Tangent 2481.60 mm Distance of Bottom Tangent above Grade 501200.00 mm Distance of Base above Grade 500000.00 mm Specified Datum Line Distance 0.00 mm Skirt Material SA-516 70 Shell/Head Matl SA-234 WPB Shell/Head Matl SA-516 70 Nozzle Material SA-106 B Re-Pad Material SA-516 70 Internal Design Temperature 50 C Internal Design Pressure 1.21 N/mm ² External Design Temperature 37 C External Design Pressure 0.10 N/mm ² Maximum Allowable Working Pressure 1.27 N/mm ² External Max. Allowable Working Pressure 0.17 N/mm ² Hydrostatic Test Pressure 1.65 N/mm ² Required Minimum Design Metal Temperature -29 C Warmest Computed Minimum Design Metal Temperature -32 C Wind Design Code ASCE-95 Earthquake Design Code UBC-94 Element Pressures and MAWP: N/mm² Element Desc Internal External M.A.W.P Corr. All. Ellipse 1.207 0.101 1.285 3.0000 Cylinder 1.207 0.101 1.270 3.0000 Ellipse 1.207 0.101 1.503 3.0000 Liquid Level: 3076.60 mm Dens.: 0.000 kg/cm ³ Sp. Gr.: 0.0 Element "To" Elev Length Element Thk R e q d T h k Joint Eff Type mm mm mm Int. Ext. Long Circ Skirt 1200.0 1200.0 9.5 No Calc No Calc 0.70 0.70 Ellipse 1250.8 50.8 9.5 9.1 6.1 1.00 1.00 Cylinder 3630.8 2380.0 9.5 9.2 8.3 0.85 0.85 Ellipse 3681.6 50.8 9.5 8.2 6.1 1.00 1.00 Element thicknesses are shown as Nominal if specified, otherwise are Minimum
135
Wind/Earthquake Shear, Bending | | Distance to| Cummulative|Earthquake | Wind | Earthquake | From| To | Support| Wind Shear| Shear | Bending | Bending | | | mm | N | N | N-mm | N-mm | 10| 20| 600.000 | 162.544 | 0.00000 | 319100. | 0.00000 | 20| 30| 1225.40 | 112.849 | 0.00000 | 153798. | 0.00000 | 30| 50| 2440.80 | 110.744 | 0.00000 | 148116. | 0.00000 | 50| 60| 3656.20 | 12.1060 | 0.00000 | 1865.22 | 0.00000 | Abs Max of the all of the Stress Ratio's : 0.3899 Basering Data : Simple Basering With Gussets Thickness of Basering 12.7000 mm Inside Diameter of Basering 1100.0000 mm Outside Diameter of Basering 1400.0000 mm Nominal Diameter of Bolts 12.7000 mm Diameter of Bolt Circle 1250.0000 mm Number of Bolts 8 Thickness of Gusset Plates 7.4000 mm Average Width of Gusset Plates 75.0001 mm Height of Gussets 228.6000 mm Distance between Gussets 88.9000 mm Wind Moment on Support 319100. N-mm Wind Shear on Support 163. N Note: Wind and Earthquake moments include the effects of user defined forces and moments if any exist in the job and were specified to act (compute loads and stresses) during these cases. Also included are moment effects due to eccentric weights if any are present in the input. Weights: Fabricated - Bare W/O Removable Internals 1523.6 kg Shop Test - Fabricated + Water ( Full ) 4723.5 kg Shipping - Fab. + Rem. Intls.+ Shipping App. 1523.6 kg Erected - Fab. + Rem. Intls.+ Insul. (etc) 1523.6 kg Empty - Fab. + Intls. + Details + Wghts. 1523.6 kg Operating - Empty + Operating Liquid (No CA) 1572.3 kg Field Test - Empty Weight + Water (Full) 4723.5 kg PV Elite 2007 ©1993-2007 by COADE Engineering Software