Informe de Pasantia Larga SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO PARA ...

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


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.


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

(1) Empresas Y&V. La corporación, nuestras empresas y servicios. Disponible en Internet, consultado en Agosto 2009 http://www.yvsite.com/web/lacorporacion.php?id=1#ing (2) Empresas Y&V. Gerencia de Comunicación Corporativa de Empresas Y&V, “Principios de la Corporación”, Empresas Y&V Gente exitosa construyendo soluciones. 2008.

(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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-Atlas Copco. Disponible en Internet, http://www.atlascopco.com.ve/

-ANSI/PMI.”Guía de los Fundamentos de la Dirección de Proyectos” Tercera Edición Norma

Nacional Americana 99-001-2004.

-ASME sección VIII “Boiler and Pressure Vessel Code”Julio 2007

-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

specifications”.1998

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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 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


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


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

Informe de Pasantia Larga SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO PARA ...

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