FUNDAMENTO DE LA COMPRESION DEL GAS NATURAL

Generalidades del Proceso de Compresin de Gases.La ingeniera qumica juega un papel muy importante en el diseo de servicios de compresin; de ello depende el xito en la operatividad, ejecucin y confiabilidad de las mismas, de manera que se garantice una operacin rentable y econmica.Algunos de los datos necesarios para conceptualizar un sistema de compresin son por ejemplo, el tipo de gas alimentado y las condiciones de operacin para el servicio que va a cumplir, es decir, el flujo volumtrico a la entrada, las presiones de succin descarga, el cabezal isoentrpico o politrpico, las temperaturas de succin-descarga, y la potencia requerida.En principio se establece la capacidad de operacin, la cual se expresa como la cantidad volumtrica actual de gas, en la entrada de cada etapa de compresin por minuto (ACFM) y se calcula con la siguiente ecuacin (GPSA, 2007):De acuerdo al tipo de compresor, existen diferentes modelos matemticos para la determinacin de la temperatura de descarga, el cabezal y la potencia requerida. Para la evaluacin de esta ltima, independientemente del tipo de compresor, se dispone de tres mtodos: uno analtico, que se basa en aproximaciones del comportamiento del gas, otro mtodo termodinmico, que utiliza diagramas de Mollier, entalpa-entropa correspondiente al gas manejado y por ltimo el mtodo de las curvas de potencias, que son grficas obtenidas empricamente que muestran la potencia en funcin de variables como: la relacin de compresin, relacin de calores especficos y eficiencia mecnica.Con respecto al tipo de gas, cuando es gas natural, el proceso se puede representar como un proceso termodinmico, que inicialmente se encuentra en un nivel inferior de presin en cantidades determinadas, luego se comprime y se descarga a un nivel de presin superior requerido. Este proceso se repite de manera continua. Algunas de las aplicaciones del Gas Natural son Inyeccin a los yacimientos, con el fin de mantener las presiones en los mismos. Se utiliza en los pozos que operan por levantamiento artificial. Procesamiento del gas Natural en Petroqumica. Consumo Industrial o Domstico como combustible. Procesos de refrigeracin.Los compresores dinmicos, son mquinas rotatorias de flujo continuo en la cual el cabezal de velocidad del gas es convertido en presin, como es el caso de los Compresores Centrfugos axiales. Los compresores de desplazamiento positivo son unidades de flujo intermitente, donde sucesivos volmenes de gas son confinados en un espacio y elevado a alta presin, como es el caso de los reciprocantes y rotatorios. 2.1 Compresores Reciprocantes.Son equipos que operan mediante una reduccin positiva de un cierto volumen de gas atrapado dentro de un cilindro, mediante un movimiento reciprocante del pistn. La reduccin en volumen origina un alza en la presin hasta que la misma alcanza la presin de descarga y ocasiona el desplazamiento del fluido a travs de la vlvula de descarga del cilindro. El cilindro est provisto de vlvulas, las cuales operan automticamente por diferenciales de presin, al igual que vlvulas de retencin (check valves), para admitir y descargar gas.Para el estudio del proceso de compresin de gases se dispone de dos mtodos, uno en el que se supone un proceso de compresin isoentrpico (tambin llamado adiabtico y reversible con entropa constante que comnmente se considera ideal) o un proceso politrpico (en donde se supone la entropa variable y se toman en cuenta los cambios en las caractersticas del gas).Para realizar los clculos termodinmicos asociados a la compresin de gases se requiere de ciertos parmetros como el factor de compresibilidad y el exponente isoentrpico o la constante k (k=Cp/Cv), la cual se determina a travs de las siguientes expresiones (Melchor, 1992):

Sustituyendo

De acuerdo a lo expuesto anteriormente, para calcular la constante k de los gases, solo se necesita su calor especfico molar a presin constante. Esta capacidad calorfica vara con la temperatura, por lo tanto, en un proceso de compresin, en donde la temperatura del gas aumenta a medida que transcurre el mismo, su constante k igualmente vara y se acostumbra a estimar dicho valor a una temperatura promedio entre las temperaturas de succin y Otra manera de estimar la constante k, es conociendo el peso molecular del gas y la temperatura de succin mediante las siguientes curvas de la figura 2:

Figura 2. Estimacin de la relacin de calores especficos para gases hidrocarburos.La mayora de los gases que se manejan en la industria de los hidrocarburos, no se comportan de manera ideal, esa variacin con respecto a la idealidad se expresa mediante el factor de compresibilidad (Z), el cual modifica la ecuacin de gas ideal de la siguiente forma.

Para determinar el factor de compresibilidad (Z) de gas natural con una gravedad especfica de 0,7 se puede utilizar la siguiente figura:

Figura 3. Determinacin del Factor de Compresibilidad para gas natural de gravedad especifica de 0,7.Con respecto a las variables operacionales, la temperatura de descarga del cilindro puede estimarse, para una primera aproximacin mediante la siguiente ecuacin

Posteriormente, se corrige la temperatura de descarga con la ecuacin (10) en donde la constante k se determina con un promedio entre la temperatura de succin y descarga calculada con la ecuacin anterior.

Finalmente, la potencia al freno se determina con la siguiente expresin, donde E corresponde a una eficiencia total de 0,82 para motores de alta velocidad y 0,85 si el motor correspondiente es de baja velocidad:

2.2 Compresores Centrfugos.Este tipo de compresores generan un cabezal de descarga, porque desarrollan altas velocidades del gas en un impulsor centrfugo, convirtiendo una porcin de esta velocidad en presin en el impulsor y completando la conversin en el pasaje del difusor, este modo de operacin clasifica el equipo como un compresor dinmico. La cantidad de energa que un compresor es capaz de impartir a cada unidad de masa de gas es limitada por la velocidad perifrica de los labes del impulsor.A continuacin, se muestra una tabla a partir de la cual se obtiene la eficiencia isoentrpica y/o politrpica de acuerdo al flujo de gas que maneja el equipo.Tabla 2. Rango de flujos para Compresores Centrfugos y eficiencias isoentrpicas o politrpicas.

Si se asume un proceso Isoentrpico (adiabtico, reversible con entropa constante), entonces el cabezal de un Compresor Centrfugo se determina con la siguiente ecuacin.

Si por el contrario es Politrpico, para calcular el cabezal se tiene (GPSA, 2007):

El factor de compresibilidad promedio, que se necesita para establecer el cabezal de la unidad de compresin, se calcula a travs de esta ecuacin (GPSA, 2007):

Por otra parte, la potencia requerida por el gas, para un Compresor Centrfugo se calcula de la siguiente manera (GPSA, 2007):

Las prdidas mecnicas se determinan como (GPSA, 2007):

Los BHP la potencia al freno de un Compresor Centrfugo se establece aplicando lo siguiente

Para obtener una aproximacin terica de la temperatura de descarga se tiene,

1. El propsitoLos compresores pueden ser usados para aumentar la presin o flujo de un gas (aire, amoniaco, GNC, nitrgeno, CO2, etc.). A veces esto es intermitente (un taller, gomera, restaurante, planta procesadora pequea, etc.) a veces continuo (bombeo de gasoductos, embotelladoras de gaseosas o cerveza, sopladores de bolsas y envases plsticos, etc.). Los compresores en general son similares a bombas que utilizamos para bombear lquidos. Por lo que en general los lquidos no pueden ser comprimidos utilizando un equipo similar al compresor La bomba aumenta presin o flujo en una relacin directa.

1.1. El funcionamiento bsicoEn su forma ms simple, el inflador de bicicleta es un compresor. Al empujar un lado, el aire en el otro lado es comprimido si la salida es tapada o conectada al neumtico. El aire fro entra el compresor donde la energa usada para comprimirlo es convertida a un aumento de presin y temperatura, reduciendo el volumen final.

2. Los tipos de compresoresEl inflador de bicicleta es un tipo de compresor dedesplazamiento positivo. Las dimensiones son fijas. Por cada movimiento del eje de un extremo al otro tenemos la misma reduccin en volumen y el correspondiente aumento de presin (y temperatura). Normalmente son utilizados para altas presiones o poco volumen.

Tambin existencompresores dinmicos. El ms simple es un ventilador que usamos para aumentar la velocidad del aire a nuestro entorno y refrescarnos. Se utiliza cuando se requiere mucho volumen de aire a baja presin.

Tipos de Compresores

2.1. El compresor de desplazamiento positivoEstos compresores son los ms conocidos y comunes. Para observar sus diferencias los dividimos en dos tipos diferentes. Los Rotativos (lbulos, tornillo o paletas) y los Alternativos (pistones).2.1.1. Compresores rotativos de Lbulos

Los compresores de lbulos tienen dos rotores simtricos en paralelo sincronizados por engranajes.Caractersticas Producen altos volmenes de aire seco a relativamente baja presin. Tienen pocas piezas en movimiento. Son lubricados en general en el rgimen de lubricacin hidrodinmica aunque algunas partes son lubricadas por salpicadura del aceite. A veces los rodamientos o cojinetes pueden estar lubricados por grasas.

2.1.2. Compresores rotativos tipo TornilloLos compresores a tornillo tienen dos tornillos engranados o entrelazados que rotan paralelamente con un juego o luz mnima, sellado por la mezcla de aire y aceite.

Caractersticas Silencioso, pequeo, bajo costo Flujo continuo de aire Fcil mantenimiento Presiones y volmenes moderados Operacin: Al girar los tornillos, el aire entra por la vlvula de admisin con el aceite. El espacio entre los labios es progresivamente reducido al correr por el compresor, comprimiendo el aire atrapado hasta salir por la vlvula de salida. En los compresores a tornillo hmedos los engranajes y tornillos son lubricados por el aceite que acta tambin como sello. Tpicamente tienen filtros coalescentes para eliminar el aceite del aire o gas comprimido. Los compresores a tornillo secos (oil-free) requieren lubricacin de sus engranajes, cojinetes y/o rodamientos pero los tornillos operan en seco.2.1.3. Compresores rotativos tipo PaletasEn el compresor rotativo a paletas el eje gira a alta velocidad mientras la fuerza centrifuga lleva las paletas hacia la carcaza (estator) de afuera. Por la carcaza ovalada, continuamente entran y salen por canales en su rotor. Por la excentricidad de la cmara, los compartimientos llenos de aire entre paletas se achican entre el orificio de entrada y el de salida, comprimiendo el aire.

El lubricante sella las paletas en el rotor y contra el anillo de la carcaza.

Caractersticas Silencioso y pequeo Flujo continuo de aire Buen funcionamiento en fro Sensibles a partculas y tierra Fcil mantenimiento Presiones y volmenes moderados Los cojinetes del rotor trabajan en un rgimen de lubricacin hidrodinmica mientras las paletas frotan sobre el anillo de la carcaza en lubricacin hidrodinmica y lmite.

2.1.4. Compresores de movimiento alternativo tipo pistnLos compresores Reciprocantes funcionan con el principio adiabtico mediante el cual se introduce el gas en el cilindro por las vlvulas de entrada, se retiene y comprime el cilindro y sale por las vlvulas de descarga, en contra de la presin de descarga..

Los pistones, cojinetes y vlvulas requieren lubricacin.Caractersticas Ruidoso y pesado Fluido de aire intermitente Funciona en caliente (hasta 220 C) Necesita mantenimiento costoso peridico Alta presin con moderado volumen Son divididos en dos clases: Simple y Doble Los de efecto simple: Baja presin, normalmente usado en talleres para pintar, soplar, inflar neumticos, operar herramientas neumticas, etc. Los de efecto doble (Duplex): Usados para altas presiones en sistemas de compresin de gases a licuados, etc.2.2. Los compresores dinmicosLos compresores dinmicos pueden ser Radiales (centrfugos) o de Flujo Axial. Una de las ventajas que tienen ambas es que su flujo es continuo. Estos compresores tienen pocas piezas en movimiento, reduciendo la prdida de energa con friccin y calentamiento.

2.2.1. Compresores Radiales (Centrfugos)Una serie de paletas o aspas en un solo eje que gira, chupando el aire/gas por una entrada amplia y acelerndolo por fuerza centrifuga para botarlo por el otro lado.

Funciona en seco. La nica lubricacin es de sus cojinetes o rodamientos.

Caractersticas: El gas o aire sale libre de aceite Un flujo constante de aire Caudal de flujo es variable con una presin fija El caudal es alto a presiones moderadas y bajas Rgimen de lubricacin es hidrodinmico. La lubricacin es por aceite de alta calidad R&O o Grasa.

2.2.2. Compresores de Flujo AxialContiene una serie de aspas rotativas en forma de abanico que aceleran el gas de un lado al otro, comprimindolo. Esta accin es muy similar a una turbina.

Funciona en seco. Solo los cojinetes requieren lubricacin.Caractersticas: Gas/Aire libre de aceite Flujo de aire continuo Presiones variables a caudal de flujo fijo Alto caudal de flujo. Presiones moderadas y bajas Rgimen de lubricacin de cojinetes y engranajes es hidrodinmica. Requiere aceite R&O de alta calidad para soportar los ejes en rgimen hidrodinmica sin formar depsitos ni cizallar.

Lubricacin Todava hay catlogos e informacin tcnica que recomienden el uso de aceites naftnicos para evitar la acumulacin de ceras provenientes de aceites parafnicos que podra causar problemas en las ranuras, bordes y otras partes del compresor. Vale notar que esto solo vale para los aceites parafnicos baratos. Los aceites API grupo II, sintetizados o sintticos son libres de ceras. Los aceites naftnicos normalmente tienen bajos ndices de viscosidad y disuelven o hinchan los retenes y sellos. En muchos casos una pequea parte del lubricante ser llevado con el aire al destino final. Esto no causa problemas en equipos neumticos, limpieza general, ni muchos trabajos comunes, pero tiene que ser considerado para el soplado de botellas de alimentos, uso en hospitales, etc. Adems de filtros coalescentes, estos compresores deberan usar aceites de Grado Alimenticio (alimentario) aprobados por la USDA/FDA. Entre ms puro y de ms alta calidad es el aceite que colocamos al compresor, menos depsitos, menos temperatura, menos desgaste y menos mantenimiento tendremos. El proceso de compresin de aire siempre resultar en la condensacin de su humedad y la acumulacin del mismo en el compresor, tanque de almacenamiento o tuberas. Por ende debera tener trampas de separacin del agua y purgadores. La eleccin del aceite a utilizar depende de varios factores: El tipo, la velocidad y el tamao del compresor El tipo de gas a ser comprimido (reactivo o inerte) Presiones y temperaturas Condiciones operativas (tiempo parado, arranque, planta alimenticia, hospital garaje, fuera de autopista). Medio ambiente (humedad, rango de temperatura, temperatura mnima al arranque)Tipo de sistema de lubricacin. Las propiedades requeridas en un aceite para compresores son: Viscosidad correcta para el tipo de compresor: Controla desgaste y temperatura. Estabilidad de oxidacin para evitar la formacin de depsitos, bloqueo de filtros, fuego. Baja tendencia a la formacin de carbn/carbonilla para evitar el clavado de vlvulas, excesivo desgaste, fuego y explosiones. Proteccin contra la herrumbre y la corrosin. Proteccin antidesgaste para evitar la prdida de eficiencia y altos gastos de mantenimiento. Alto resistencia a la formacin de espuma para evitar el rebalse de aceite, la cavitacin de cojinetes y desgaste. Alto punto de inflamacin y punto de autoencendido para evitar fuego. Compatibilidad con el gas a ser comprimido para evitar reacciones o absorcin. En la mayora de los compresores el aceite debera tener buena demulsibilidad. Compatibilidad con los sellos y retenes pare evitar prdidas y reparaciones.