UNIVERSIDAD DE ORIENTE.UNIVERSIDAD DE ORIENTE.NÚCLEO MONAGASNÚCLEO MONAGAS

ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO.ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO.MATURÍN / MONAGAS / VENEZUELA.MATURÍN / MONAGAS / VENEZUELA.

Proceso de Compresión y Expansión del Gas Natural

Dr. Fernando Pino MoralesEscuela de Ingeniería de Petróleo UDO_ MONAGAS

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fpino44@hotmail.com

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Introducción

Los procesos de compresión y expansión del gas natural, son procesos de gran importancia, en vista que el producto del proceso de compresión, que es el Gas Natural Comprimido (GNC), tiene múltiples usos, ya que se puede utilizar para la inyección de gas, con el objetivo de mantener la presión de un yacimientos de hidrocarburos petroleros, como también para incrementar el recobro de los hidrocarburos, que conforman el crudo petrolero. El (GNC), se puede utilizar también como combustible vehicular , que se denomina Gas Natural Vehicular (GNV), con un gran futuro en el país, otro uso del (GNC) es también la gasificación de las ciudades o el transporte en los gasoductos, hacia los países hermanos, para ser comercializado como combustible industrial y/o doméstico. En el proceso de compresión hay que tener mucho cuidado en la elección que se realice del cilindro compresor, de tal forma que el proceso sea de una gran eficiencia. Luego la elección del cilindro compresor tiene que estar fundamentada de tal forma, que el impacto ambiental sea el mínimo posible. La determinar de la carga necesaria, para que el compresor ejecute el proceso de compresión, puede ser determinada a través de los métodos analítico, termodinámico y de las curvas de potencia.

El proceso de expansión del gas natural, tiene una gran importancia en los procesos de licuefacción, donde el gas se convierte a la forma líquida, es importante también los procesos de enfriamiento, refrigeración. La expansión del gas natural esta relacionada también con los procesos criogénicos, donde se obtiene el Gas Natural Licuado (GNL), que tiene múltiples utilidades, ya que se puede transportar en los barcos metaneros, a lugares donde el transporte a través de los gasoductos, puede ser muy dificultoso, por la poca accesibilidad del lugar. Luego se puede transportar el (GNL), y una vez llegado al sitio a través del proceso de regasificación se obtiene un combustible del tipo de (GNC)..

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Índice Página

Portada 001Introducción 002Índice 003Gas Natural 009La Historia del Gas Natural en Venezuela 010Análisis del Gas Natural 011Fraccionamiento a Baja Temperatura 012Espectrómetro de Masa 012Espectrómetro de Absorción Infrarroja 012Cromatografía 012Clasificación del Gas Natural, según su Composición 014Gas pobre o Gas seco 014Gas Rico o Gas Húmedo 014Riqueza Líquida (GPM) 015Cuantificación de Riqueza Líquida (GPM) del Gas Natural 015Líquidos del Gas Natural (LGN) 016Utilización de los Líquidos del Gas Natural 016Etano 017Utilidad del Etano 017Propano 017Utilidad del Propano 018Butano 018Gas Licuado de Petróleo (GLP) 019Poder Calorífico del (GLP) 020Gasolina Natural 022Procesos Para Mejorar la Gasolina Natural 022Gas Ácido 023Gas Dulce 023Gas Hidratado 023Gas Anhidro 024Industrialización y Tratamiento del Gas Natural 024La obtención del Gas Natural 025Tratamiento 025Proceso de Separación de Fluidos obtenidos del yacimiento 025Principales Zonas de Separación en los Fluidos 025Depuración con los Depuradores 027Proceso de Endulzamiento del Gas Natural 027Endulzamiento del Gas Natural a través del Proceso de Absorción 027Endulzamiento de Gas Natural con Aminas 028Proceso de Endulzamiento por Adsorción 028Atrapadores o Secuestrantes de Sulfuro de Hidrógeno 029Proceso de Endulzamiento y Recuperación de Azufre 029Corrosión dulce o corrosión por Dióxido de Carbono (CO2) 030Corrosión Ácida o Corrosión por Sulfuro de Hidrógeno (H2S) 030

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Proceso de Deshidratación del Gas Natural 031Índice Página

Evitar la formación de hidratos 031Satisfacer los requerimientos, para transportar gas a los centrosde consumo y distribución 031Evitar la congelación del agua en los procesos criogénicos 031Parámetros que participan en la Deshidratación del Gas Natural 032Deshidratación por Absorción 033Deshidratación del Gas Natural por Adsorción 033Proceso de Extracción de Líquidos de los Líquidos del Gas Natural 034Proceso de Fraccionamiento de los Líquidos del Gas Natural 035Compresión 036Transporte de Gas 036Almacenaje 036Regulación de Presiones 036La Distribución 036La Medición 036Utilización 036Fuente de inyección de gas a yacimientos petroleros 037Combustible para uso industrial, comercial y doméstico 037Insumo para procesos 037Materia prima para procesos petroquímicos 037Subproductos del Gas Natural 038Gas Natural Licuado (GNL) 038Gas Natural Vehicular (GNV) 038Gas Transformado a Líquido (GTL) 040Proceso de Compresión del Gas Natural 040Importancia del proceso de Compresión del Gas 040Justificación del proceso de Compresión 041Descripción del Proceso de Compresión del Gas Natural 042Proceso de Compresión del Gas Natural 043Representación Termodinámica del proceso de Compresión del GN 043Planta Compresora 044Parámetros de Importancia en el Proceso de Compresión del GN 044Presión de Vapor 045Tipos de Compresores 047Clasificación de los Compresores 047Tipos de Compresores Utilizados en la Industria 048Compresores de Desplazamiento Positivo 048Compresores Reciprocantes 048Planta REVA 051Compresores de Tronillo Básico Rotatorio 051Diseño de las REVAs 052Mejoramiento de las REVAS 053Elemento Básico de un Cilindro Compresor Reciprocante 053Compresores Rotatorios 054

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Compresores Dinámicos 054Índice Página

Compresores Centrífugos 055Norma de Trabajo de los Compresores Centrífugos 057Utilidad de los Compresores centrífugos 058Compresores Axiales 058Tipos de Compresores Axiales 059Tipos de Compresores Utilizados en la Industria 059Compresores Dinámicos 060Criterios que sé Deben de Utilizar para Seleccionar un Compresor 060Proceso de Compresión del Gas Natural 061Compresores Reciprocantes 061Forma de Trabajo de un Compresor Reciprocante 062Elemento Básico de la Compresión Reciprocante 062Eficiencia de los Compresores Reciprocantes 062Los Compresores Centrífugos 063Utilidad del Compresor Centrífugo 064Fundamento de Trabajo de un Cilindro Compresor 065Criterios Válidos Para la Selección de un Compresor para el GN 065Rendimiento Volumétrico de un Cilindro Compresor 066Relación de calores Específicos 066Determinación de la Capacidad de los Compresores 068Ciclos de Compresión 069Ciclos Teóricos de Compresión 071La compresión isotérmica 071La Compresión Adiabática 071Proceso Adiabático Isentrópico 071Proceso Adiabático Politrópico 072Determinación del Exponente Politrópico (N) 072Etapas Simples y Múltiples en La Compresión de Gas Natural 074Compresión por Etapas 076Limitaciones en el Proceso de Compresión 076Elección del Número de Etapas en el proceso de Compresión 077Bombeo o Surge en los compresores 079Choque o estrangulación 079Parámetros de Importancia en el Proceso de Compresión 080Referencia al Volumen 080Requerimientos de Potencia para Compresores 081Compresión Isentrópica 082Corrección por Compresibilidad En el Proceso de Compresión 083Eficiencia de los Compresores 084Volumen Muerto (VM) 086Diseño de un Compresor y su Relación con la Eficiencia 086La Relación de los Bolsillos en los Compresores 088Desplazamiento del Pistón 088El Valor del Desplazamiento del Pistón 089

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Capacidad y Rendimiento Volumétrico de Compresores 089Índice Página

Operación con Compresores Reciprocantes 090Capacidad Máxima Teórica de un Compresor Reciprocante 090Eficiencia Volumétrica de Un Compresor Reciprocante 091Calculo de la Eficiencia Volumétrica de un Compresor Reciprocante 092Proceso de Compresión de GN, en un Compresor Reciprocante 093Potencia Requerida Para un Proceso de Compresión de Gas Natural 094Caballos de Potencia 094Agregados de Potencia 094Necesidades de Potencia en los Compresores Reciprocantes 096Método Analítico 097Ecuaciones para Gases Reales 099Método Termodinámico 100Comportamiento de un Gas Real Comprimido 101Método de Curvas de Potencia 104Calculo de la Temperatura de Descarga: en un proceso Reciprocante 105Factores que Influyen en el Rendimiento del Compresor Reciprocante 106Operación y Eficiencia de los Compresores Reciprocantes 107Carga de Tensión y Compresión en los Vástagos 108Operación con Compresores Centrífugos 108Cálculos en los Compresores Centrífugos 109Trabajo de Compresión en los Compresores Centrífugos 112Determinación del Trabajo de Compresión a través del Método Analítico 112Temperatura de Descarga 113Determinación de (W) de Compresión a Través del Método de Mollier 113Número de Mach de los Compresores Centrífugos 114Factores que influyen en la eficiencia de los compresores centrífugos 116Parámetros Involucrados en la Compresión del Gas Natural 118Proceso de Expansión de los Gases 119Teoría de la Expansión de un Gas 119Enfriamiento Directo 120Expansión del Gas a una Baja Presión 120Termodinámica de la Expansión 121Turboexpansor 122Proceso de Refrigeración 122Proceso de Refrigeración de Gas Natural 122Definición y Aplicación de la Refrigeración 123Refrigeración Por Expansión 123Refrigeración Mecánica 124Etapa de Evaporación 124Etapa de Expansión 125Etapa de Condensación 125Sistema de Refrigeración por Absorción 125Sistema de Refrigeración por Compresión 126Procesos Criogénicos 127

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Caracterización de los procesos Criogénicos 127Índice Página

Funcionamiento de las Plantas Criogénicas 128Importancia de los procesos Criogénicos 130Propiedades de Materiales de Ingeniería a Bajas Temperaturas 132Propiedades de los Fluidos Criogénicos 133Principios de Refrigeración y Licuefacción 133Proceso de Licuefacción del Gas Natural 134Circuito de Gas Natural 134Circuitos de Refrigeración 137Manejo y Almacenamiento de los Productos Refrigerados 138Criterios para la Selección del Almacenaje de un Gas Licuado 139Análisis Termodinámico de Sistema de Refrigeración y Licuefacción 140Bibliografía Consultada 142

Índice de Cuadros Página

Cuadro 1 Composición Porcentual de una Mezcla de GN 067Cuadro 1: Valores de la Capacidad Calorífica de HidrocarburosCuadro 2: Resultado del cálculo de (k) 033Cuadro 3 Cambios en los Flujos de Productos de la Planta Santa Bárbara 104Cuadro 4 Requerimientos de Potencia en los Compresores de Gas Residual 105Cuadro 5 Componentes y Composición de los hidrocarburos líquidos 120Cuadro 6 Composición Porcentual de los LGN 138

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Índice de Figuras Página

Figura1 Análisis Cromatográfico de una Mezcla de GN 014Figura2 Tratamiento de Gás Natural 024Figura 3 Separador Horizontal 026Figura 4 Endulzamiento de Gas Natural por Absorción 028Figura 5 Estructura de las Aminas 028Figura6 Esquema de Tratamientos de Gas Natural 038Figura 7 Diagrama Simplificado de un Sistema de Compresión 042Figura 8 Una Planta Compresora de Petróleos de Venezuela 044Figura 9 Partes de Un Compresor Reciprocante 049Figura 10 Compresor de Tornillo Rotatorio 051Figura 11. Etapas de un Cilindro Compresor Centrifugo 055Figura 12 Una Representación Gráfica de un Compresor Centrífugo 056Figura 13 Ejemplo de un Compresor Centrífugo 058Figura 14 Ejemplo de un Compresor Axial 060Figura. 15 Ciclo de un Proceso de Compresión de Gas ideal 070Figura 16 Ciclo de Compresión de un Gas Real 071Figura 17 Diagrama Presión- Volumen para el proceso de Compresión 073Figura 18 Diagramas (P- V) para el Proceso de Compresión de Gas 075Figura 19 Diagrama de Mollier para la determinación de (hd y hS) 103Figura 20 Esquema Típico de una Planta de Extracción Criogénica 131Figura 21 Proceso Criogénico 132Figura 22: Equipo de Recepción del Gas de Alimentación 136

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Gas Natural: El gas natural es la fuente energética que, por sus facilidades de utilización, se ha impuesto en el mercado internacional con mayor impacto. No obstante, la historia de este combustible ha ido pasando desde el desprecio más evidente hasta su utilización más efectiva. Después de grandes esfuerzos el hombre ha aprendido a utilizar eficientemente las mezclas de hidrocarburos en estado gaseoso. Muchas son sus aplicaciones. Desde el punto de vista petroquímico los procesadores requieren un gas completamente limpio y en el cual el componente que específicamente va a ser empleado debe llegar aislado de los otros integrantes de la cadena parafínica. El operador de la planta de gas se encarga de fraccionar el combustible en sus diversos componentes para enviarlos a las plantas petroquímicas tal como se desean.

Definición de Gas Natural El gas natural es una mezcla homogénea, en proporciones variables de hidrocarburos parafínicos, denominados Alcanos, los cuales responden a la fórmula . Estos hidrocarburos, tienen por nombre,

también Hidrocarburos Saturados .Este esta relacionado con la hibridación . Lo que indica que tiene cuatro (4) orbitales híbridos. Este tipo de hibridación indica que debe de existir un enlace simple entre los carbonos, enlace difícil de romper, es por lo que reciben el nombre de saturados, a diferencia de los Alquenos y Alquinos, que también son parte de los hidrocarburos parafínicos, pero estos son hidrocarburos insaturados, ya que los Alquenos tienen hibridación , que indica que debe de haber un doble enlace entre los carbonos, y los Alquinos tienen hibridación , luego debe de haber un triple enlace entre carbono-carbono, y por lo tanto los alquenos y los alquinos son insaturados, tal como sus enlaces se pueden romper con cierta facilidad, y por lo tanto pasan a ser insaturados.

El gas natural tiene, también cantidades menores de gases inorgánicos, como el Nitrógeno , el Dióxido de Carbono ; Sulfuro de Hidrógeno ; Monóxido

de Carbono (C0), Oxígeno , Vapor de Agua , etc. Todos estos componentes son considerados impurezas del gas natural., algunas de estas impurezas causan verdaderos problemas operacionales (corrosión en los equipos).

El componente principal del gas natural es el Metano , cuyo contenido varía

generalmente entre 60 y 90 % porcentaje molar. Contiene también, Etano ,

Propano , Butano y componentes más pesados en proporciones

menores y decrecientes. Se puede señalar que el gas natural es una mezcla de hidrocarburos que existe en los yacimientos en fase gaseosa, o en solución con el petróleo, y que a condiciones atmosféricas permanece en fase gaseosa. Puede encontrarse mezclado con algunas impurezas o sustancias que no son hidrocarburos, tales como Ácido Sulfhídrico o Sulfuro de Hidrógeno , además de Nitrógeno y Dióxido de Carbono.Por su origen, el gas natural se clasifica en asociado y no asociado. En este caso la principal diferencia es que el asociado

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tiene que ser sometido al proceso de separación, para obtener los hidrocarburos en estado de gas o vapor, según sean las condiciones operacionales de presión y temperatura, con las cuales ocurre en proceso señalado.

El gas asociado es aquel que se encuentra en contacto y/o disuelto en el petróleo del yacimiento. El gas no asociado, por el contrario, es aquel que se encuentra en yacimientos que no contienen crudo, a las condiciones de presión y temperatura originales.En los yacimientos, generalmente, el gas natural asociado se encuentra como gas húmedo ácido, mientras que el no asociado puede hallarse como húmedo ácido, húmedo dulce o seco, aunque la principal diferencia es que el gas asociado tiene que se sometido primeramente al proceso de separación gas petróleo, mientras que el no asociado este proceso no es necesario, pero si es necesario el proceso de depuración.

La Historia del Gas Natural en Venezuela La historia de este fluido es la historia de un esfuerzo por lograr que este hidrocarburo sea de un uso racional. La producción de gas natural se viene registrando desde 1918, en ese año se produjo una cantidad promedio de 8500 (m3/día), producción que ocurrió en la Jurisdicción de Maracaibo. Hasta 1932 todo el gas producido se arrojaba a la atmósfera, ya que no había justificación económica para su procesamiento y venta. Fue en 1932, cuando se comenzó a utilizar el gas, como materia prima de inyección en los yacimientos de Quiriquiri en el Estado Monagas. En la actualidad el gas natural ha logrado insertarse en el mercado energético nacional, lo cual se debe fundamentalmente al impulso de las industrias para generar electricidad, y también el desarrollo de la industria petroquímica, donde el gas natural es una materia prima de gran importancia, sea en forma directa o a través de algunos de sus productos, ya que el gas natural puede reaccionar para producir algún subproducto.

Lo actual es que sé esta estableciendo en todo el país una red de mercadeo para lograr que el gas natural sea consumido en el ámbito doméstico. Recientemente se comenzó a promover el uso del gas. Natural como combustible para vehículos automotores, que se denomina gas natural para vehículos (GNV). Los principales centros de explotación de gas natural en Venezuela se encuentran distribuidos en tres Cuencas Sedimentarias, que son: Maracaibo- Falcón; Barinas- Apure y Oriente- Margarita.

Composición del Gas Natural El gas natural se encuentra en los yacimientos acompañados de otros hidrocarburos. El gas que predomina es el metano (CH4), el cual pertenece a la serie parafínica, en donde los átomos de carbono y de hidrógeno se unen para formar cadenas sencillas, que se simbolizan como

el segundo hidrocarburo de la serie parafínica es el Etano cuya fórmula química es (CH3CH2). A continuación viene el Propano (CH3CH2CH4), es posible que el gas que sale del yacimiento contenga, también Butanos , Pentanos

y más pesados .

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El gas natural, también puede contener impurezas, que no son hidrocarburos, sino gases inorgánicos, también es posible encontrar pequeñas cantidades de helio (He), incluso en algunos yacimientos de gas se pueden encontrar también pequeñas cantidades de Mercurio (Hg), que hay que tener mucho cuidado, en su tratamiento por lo tóxico y contaminantes que es el Mercurio como componente químico, ya que ataca directamente a los seres humanos. El vapor de agua se considera también una impureza. En el cuadro 1 se presenta una muestra de gas natural y sus impurezas.

Cuadro 1: Composición y Porcentaje molar de una Mezcla de Gas Natural

Componente Fórmula Química Estado Físico Composición %Metano (C1) CH4 Gaseoso 55,00-98,00Etano (C2) C2H6 Gaseoso 0,10-20,00Propano (C3) C3H8 Gaseoso 0,05-12,00n-Butano (nC4) C4H10 Gaseoso 0,01-0,80IsoButano (iC4) C4H10 Gaseoso 0,01-0,80n-Pentano (nC5) C5H12 Líquido 0,01-0,80i-Pentano (iC5) C5H12 Líquido 0,01-0,80n-Hexano (nC6) C6H14 Líquido 0,01-0,50n-Heptano (nC7) C7H14 Líquido 0,01-0,40Nitrógeno N2 Gaseoso 0,10-5,00Dióxido Carbónico C02 Gaseoso 0,20-30,00Oxígeno 02 Gaseoso 0,09-30,00Sulfuro de Hidróg H2S Gaseoso Trazas-28,00Helio He Gaseoso Trazas-4,00

En el cuadro 1 se observa que el componente principal es el metano. Los otros hidrocarburos, tanto gaseosos, como líquidos se consideran acompañantes. Sin embargo, por medio del porcentaje real del análisis de la muestra del gas se podrá calcular la cantidad de líquidos susceptibles de extracción y las posibilidades de comercialización La presencia de sulfuro de hidrógeno (H2S) que es un gas muy tóxico incluso en cantidades pequeñas puede causar severas irritaciones a la vista y hasta la muerte. Luego, cuando hay que manejar operaciones, donde exista este gas se deben tomar las precauciones y medidas de seguridad correspondientes. El sulfuro de hidrógeno, junto al dióxido carbónico le confiere las propiedades ácidas al gas natural, y en muchos casos hay que tratar el gas natural, a través del proceso de endulzamiento para eliminar estos componentes.

Análisis del Gas Natural Se debe tener en cuenta que cuando se determina la composición del gas natural, no solo se cuantifican los hidrocarburos presentes, sino también las impurezas, como Agua, Dióxido de Carbono y Sulfuro de Hidrógeno. Es posible que también haya presencia de arenas, las cuales producen erosión. En las muestras pueden, haber también parafinas y asfáltenos, los cuales se depositan y crean problemas de taponamiento. Si el agua esta en forma líquida y hay presencia de gases ácidos, de seguro aumentará la corrosión

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Además de la posible formación de hidratos Las tomas de muestra deben hacerse por procedimientos que aseguren que la misma sea representativa del gas. Deberán purgarse convenientemente los recipientes. En caso de extraerse de cañerías a presión menor que la atmosférica, deberá hacerse desplazando el mercurio del recipiente para muestra. Si se trata de un gas licuado deberá cuidarse que al extraer la muestra no se produzca una destilación fraccionada. Existen diversos procedimientos de análisis para establecer la composición porcentual de los distintos hidrocarburos y de los demás componentes en el gas natural y productos afines. Los métodos o aparatos comúnmente usados para la determinación de los hidrocarburos, son:

a.- Fraccionamiento a Baja Temperatura Este proceso, por lo general se realiza en el Aparato Podbielniak y sus similares es una columna de laboratorio rellena para la destilación fraccionada de gas natural, licuado por enfriamiento con aire y nitrógeno líquidos. La base de la columna puede calentarse mediante una resistencia eléctrica. En la primera parte de la destilación, la cabeza de la columna es enfriada con aire o nitrógeno líquido para regular la cantidad de reflujo (metano líquido, etc.).Consecutivamente, destilan metano, etano, propano, etc. Los puntos de separación entre dos hidrocarburos, o fracciones agrupados, se reconocen por el cambio repentino en los valores de la conductividad térmica de los vapores salientes; valores que son registrados en forma continua en un instrumento anexo. Todos estos componentes del gas, que no son hidrocarburos, no pueden ser determinados en el Aparato Podbielniak, luego habría que utilizar otros métodos de análisis del gas, para tener una mayor precisión y exactitud de los resultados obtenidos.

b.- Espectrómetro de Masa Este método se basa en la deflexión de su trayectoria que sufren las moléculas ionizadas de un gas muy diluido, en un campo magnético. La ionización se efectúa en una cámara de ionización. Las partículas ionizadas son aceleradas por la acción de un voltaje elevado y reflexionadas de su camino en el campo magnético, de acuerdo con su masa.

c.- Espectrómetro de Absorción Infrarroja Este es un aparato similar a un espectrómetro común, pero utiliza rayos infrarrojos cuya refracción con gases y otros medios incoloros es más pronunciada y característica que la de los rayos de la luz visible. Los distintos componentes son identificados por comparación de sus aspectos con espectros patrones de productos puros, determinados en el mismo aparato o publicados en la literatura. La cantidad de componentes se determina sobre la base de la intensidad de la absorción registrada. La espectrometría infrarroja es particularmente útil para distinguir entre moléculas saturadas del grupo (parafínico) y no saturadas (olefinas, etc.).

Cromatografía La palabra Cromatografía significa “Escribir en Colores” ya que cuando fue desarrollada los componentes separados eran colorantes. Los componentes de una mezcla pueden presentar una diferente tendencia a permanecer en cualquiera de las fases involucradas. Mientras más veces los componentes viajen de una fase a la otra que se denomina partición se obtendrá

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una mejor separación Las técnicas cromatográficas se sustentan en la aplicación de la mezcla en un punto, denominado Punto de Inyección o Aplicación seguido de la influencia de la fase móvil. Para el análisis cualitativo y cuantitativo de una muestra de gas natural se utiliza fundamentalmente la Cromatografía de Gases, que corresponde a un método físico de separación en el cual los componentes a separar se distribuyen entre dos fases, una de las cuales constituye la fase estacionaria de gran área superficial, y la otra es un fluido (fase móvil) que pasa a través o a lo largo de la fase estacionaria.

La fase estacionaria puede ser un sólido o un líquido dispuesto sobre un sólido que actúa como soporte, de gran área superficial. La fase móvil es un fluido, el cual puede ser gas, líquido o fluido supercrítico, que se usa como soportador de la mezcla. En la cromatografía ocurren dos fenómenos muy importantes y que son prácticamente los rectores del proceso de separación. Estos procesos son la adsorción y la absorción. Estos procesos son de mucha importancia, y que los técnicos de gas deben de manejar en forma precisa.

En la técnica del análisis cromatográfico., la muestra se vaporiza y se distribuye entre las dos fases utilizadas para generar la separación la fase móvil, o gas de arrastre, que transporta la muestra, y la fase estacionaria que retiene selectivamente las moléculas de los componentes que se separan. Esta fase es un sólido granular, mojado por un líquido, responsable de la separación, empacado dentro de un tubo denominado columna. El gas de arrastre debe ser inerte, para evitar reacciones con el empaque de la columna o con la muestra. Los gases más comúnmente utilizados son Helio, Nitrógeno e Hidrógeno, los cuales permiten realizar el análisis y con ello se permite hacer una serie de clasificaciones para las sustancias gaseosas, y por ende para el gas natural y sus impurezas. La exactitud en el análisis cualitativo y cuantitativo de una muestra es un factor fundamental; debido a que cualquier desviación en sus resultados, afecta directamente la determinación de las propiedades del fluido analizado y en consecuencia, conduce a errores graves cuando se trata de predecir su comportamiento dentro de límites satisfactorios. En la figura 1 se presenta un diagrama de un análisis Cromatográfico para una muestra de gas natural.

En la figura 1 se observan los diferentes picos, los cuales corresponden a los diferentes componentes, por lo que esta constituida la mezcla analizada.. Esos, picos permite determinan los componentes, que conforman la muestra, y la composición de cada uno de ellos, propiciando con ello una gran e importante información, en vista que además el análisis puede proporcionar información sobre el valor calorífico y la riqueza líquida, parámetros que son de gran importancia, para clasificar el gas natural, según sea la capacidad, para producir energía calorífica o la capacidad de generar energía calorífica. Los mismo con el contenido de agua, se puede determinar si será necesario someter el gas natural a un proceso de deshidratación del gas natural, proceso que se debe de realizar en forma independiente del contenido de líquidos del gas natural, que la muestra posea, tal como si el fluido es recomendada para las plantas de extracción, antes de llegar el fluido tiene que ser endulzado y deshidratado.

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Figura 1 Análisis Cromatográfico para una muestra de gas natural

Clasificación del Gas Natural, según su Composición: Una vez obtenida la composición de la mezcla, se puede realizar la clasificación de los yacimientos, prácticamente con una alta precisión y exactitud, la clasificación es:

a.- Gas pobre o Gas seco.Este es un gas natural del cual se han separado los Líquidos del Gas Natural (LGN), también se le ha separado del Gas Licuado de Petróleo (GLP) y la gasolina natural. El gas seco, esta constituido fundamentalmente de metano y etano. Una de su principal utilidad es la inyección a los yacimientos de petróleo, sea para mantener la presión o para incrementar el recobro, también se utiliza en la generación de hidrógeno (H2). La composición fundamental alcanza valores de un 85-90% molar de Metano, debido a su composición se puede utilizar directamente como Combustible. En los yacimientos de gas seco. La mezcla de hidrocarburos permanece en fase gaseosa a condiciones de yacimientos y de superficie, y la producción de líquidos solo se alcanza en los procesos criogénicos, que donde el metano se convierte a líquido.

b.- Gas Rico o Gas Húmedo. Este es un gas del cual se pueden obtener una riqueza líquida de hasta 3 GPM (galones por mil pies cúbicos normales de gas) No existe ninguna relación con el contenido de vapor de agua que pueda contener el gas. En los yacimientos de gas húmedo existe mayor porcentaje de componentes intermedios y pesados que en los yacimientos de gas seco. La mezcla de hidrocarburos permanece en estado gaseoso en el yacimiento, pero al salir a la superficie cae en la región de dos fases formándose una cantidad de hidrocarburos líquido del orden de 10 a 20 BNHL /MMPCN. Este parámetro

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llamado riqueza líquida es de gran importancia, para la comercialización del gas natural, ya que los líquidos producidos son de poder de comercialización

c.- Gas condensado: Este gas se puede definir con un gas con líquido disuelto. El contenido de metano es de (C1)> a 60% y el de Heptanos y compuestos más pesados (C7

+) alcanza valores mayores a 12,5% (< 12,5%). La mezcla de hidrocarburos a las condiciones iniciales de presión y temperatura se encuentra en fase gaseosa o en el punto de rocío. El gas presenta condensación retrógrada durante el agotamiento isotérmico de la presión, proceso que en la mayoría de los casos puede representar algún problema en la comercialización de estos yacimientos. En vista que los primeros hidrocarburos que se quedan, son los más pesados. Lo que significa que el fluido que alcanza la superficie lo hace sin, una gran cantidad de los elementos pesados. Además, por el hecho que los hidrocarburos pesados se acumulen en la formación obstaculizan el libre desplazamiento del fluido, en su viaje hacia la superficie. En su camino al tanque de almacenamiento, el gas condensado sufre una fuerte reducción de presión y temperatura penetrando rápidamente en la región de dos fases para llegar a la superficie con características bien específicas, las cuales permiten en tratamiento del fluido. Existir lugares en la República Bolivariana de Venezuela, como es el Caso de Anaco, donde existen una gran cantidad de estos yacimientos.

Riqueza Líquida (GPM) Este parámetro es de gran importancia, para la comercialización del gas natural, ya que los líquidos producidos son de alto poder de comercialización La riqueza líquida o los (GPM) La riqueza líquida se

puede realizar a partir de Etano ., luego sería

recuperación de los líquidos del gas natural con etano y compuestos más pesados, pero por lo general, se calculan a partir del propano, ya que es más común recuperar en estado líquido, únicamente al propano y compuestos más pesados, para ello se utiliza el término (C3

+), aunque las plantas de extracción de líquidos del gas natural están diseñadas para recuperar también el etano líquido. Los componentes del (C3

+), se extraen de la mezcla de gas natural, para formar el Gas Licuado (GL), que es lo mismo que el Gas licuado de Petróleo (GLP) y también se recupera la gasolina blanca, la cual tiene múltiples usos de carácter industrial Pero, se debe de tener siempre en cuenta, que es de mucha importancia conocer el (GPM) de una mezcla de gas natural, ya que el precio de la mezcla estará en función de los (GPM), que tenga, ya que mientras mayor sea los GPM, mayor serán los líquidos recuperados.

Cuantificación de Riqueza Líquida (GPM) del Gas Natural: Para la cuantificación de los de los (GPM) de una mezcla de gas natural, es necesario determinar el número de pies cúbicos normales (PCN) de un componente dado en estado gaseoso que se necesita para producir un galón de líquido. Para eso se necesita el valor de la densidad líquida y el peso molecular de cada componente, luego para determinar la riqueza líquida se utiliza la siguiente fórmula:

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Donde: (PM) es el peso molecular del hidrocarburo líquido en (lb/lbmol) y es la densidad líquida en (lb/pie3).

Líquidos del Gas Natural (LGN): Estos componentes son los hidrocarburos que se pueden extraer del gas natural para mantenerlos en estado líquido en condiciones normales de presión y temperatura, es la parte más pesada de la mezcla de hidrocarburos que, al partirse, se conserva en estado líquido. Se dice del propano y de los componentes más pesados. De ordinario, se habla del GPM, indicando con esta expresión la cantidad de galones de líquido que se pueden separar de cada mil pies cúbicos de gas, medidos en condiciones normales

Los Líquidos del Gas Natural (LGN) Estos compuestos son hidrocarburos con enlace simple de carbono, los cuales bien sea por la alta presión o baja temperatura, pueden ser mantenidos en estado líquido. Esta característica permite que sean almacenados y transportados de manera fácil y eficiente. Asimismo su capacidad como fuente de energía o de insumo como materia prima para la obtención de hidrocarburos más complejos hace que los Líquidos del Gas Natural (LGN) tengan una alta cotización del mercado nacional e internacional. Se consideran que en los (LGN), se encuentran presentes los compuestas Etano: (C2), Propano (C3) y Butanos (C4), los cuales son gas en condiciones atmosféricas. También se encuentran presente el Pentano (C5), Gasolina Natural, Residual, estos componentes por lo general se denominan Pentano y compuestos más pesados (C5

+), el cual es un líquido en condiciones atmosféricas, por lo que permite su transporte en forma líquida.

Los (LGN) representa el producto principal de las plantas de extracción de líquidos del gas natural. El (LGN) es una mezcla de hidrocarburos constituida por etano (C2), propano (C3), butanos (C4) y gasolina natural; o propano, butanos y gasolina natural. Si se incluye o no el etano depende del modo de operación de las plantas de extracción. En la República Bolivariana de Venezuela el (LGN) es el producto intermedio del procesamiento del gas, ya que luego el (LGN) es fraccionado o separado en sus componentes individuales y gasolina natural, una vez realizada la separación es utilizado en la industria petroquímica, en la fabricación de componentes de alto octanaje para gasolinas, y como combustible de uso industrial y comercial, en este caso se obtienen una serie de ventajas al compararlo con otro combustible fósil, sobre en el terreno del impacto, ya que la utilización del (LGN), no afecta el medio ambiente.

Utilización de los Líquidos del Gas Natural Los Líquidos del Gas Natural (LGN) pueden ser utilizados como fuente de energía o como combustible para ser utilizado en las cocinas de los hogares, en procesos comerciales, industriales o en los vehículos automotores. También pueden ser utilizados como aditivo para ciertos procesos industriales o como materia prima para la obtención de otros hidrocarburos. En Venezuela los (LGN) son comercializados tanto en el mercado

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nacional como en el internacional, muchos de ellos se utilizan como combustible vehicular o como materia prima para la industria petroquímica, como también otrasUtilizaciones, para los líquidos del gas natural..

En el mercado internacional PDVSA- Gas cotiza mayormente el (C3); (nC4) y (iC4), gasolina natural y (C5). Mientras que en el mercado interno, la comercialización de los (LGN) esta dividida en función del uso final que se le da a los mismos. Este uso puede ser como fuente energética / Combustible, como aditivo de procesos industriales, y también como materia prima para algunos .procesos industriales de gran importancia, del punto de vista económico y social.

Etano El etano es un hidrocarburo alcano, que en condiciones normales de presión y temperatura es un gas, y que se recupera como líquido en los procesos de extracción y fraccionamiento. El etano es un excelente combustible su punto de ebullición se alcanza a los (-88C). Es un componente explosivo, en donde las mezclas gas /aire son explosivas. En caso de incendio debe de mantenerse frío. En su forma líquida puede ser materia prima para los procesos petroquímicos, y se utiliza para la producción de olefinas, todo esto hace establecer la necesidad de recuperar al etano en forma líquida, en vista de la gran utilidad del mismo.

Utilidad del Etano (C2H6) La cadena del etileno se inicia a partir del etano recuperado del gas natural en las plantas de extracción y/o fraccionamiento, como también en las plantas criogénicas. El etano es sometido a un proceso de descomposición térmica para producir principalmente etileno, aunque también se forma hidrógeno, propano, propileno, butano, butilenos, butadieno y gasolina pirolítica. Del etileno se producen un gran número de derivados, como las diferentes clases de polietilenos cuyas características dependen del proceso de polimerización; su aplicación se encuentra en la producción de plásticos, recubrimientos, moldes, etc. Por otro lado, el etileno puede reaccionar con cloro para producir dicloroetano y posteriormente monómero de cloruro de vinilo, un componente fundamental en la industria del plástico, y otros componentes clorados de uso industrial.

La oxidación del etileno produce oxido de etileno y glicoles, componentes básicos para la producción de poliéster, así como de otros componentes de gran importancia para la industria química, incluyendo las resinas PET (poli etilén tereftalato), actualmente usadas en la fabricación de botellas para refresco, medicinas, etc. El monómero de estireno, componente fundamental de la industria del plástico y el hule sintético, se produce también a partir del etileno, cuando éste se somete, primero a su reacción con benceno para producir etilbenceno y después a la deshidrogenación de este compuesto. El acetaldehído, componente básico en la producción de ácido acético y otros productos químicos, también se produce a partir del etileno

Propano . El propano es el Gas Licuado de petróleo (GLP) consiste principalmente en propano, en varias mezclas. Sin embargo, para uso domestico,

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comercial y vehicular, la mezcla es principalmente propano. Se produce como un derivado del gas natural, procesando este o por medio de la refinación del petróleo. Los componentes de (GLP) son gaseosos a presión y temperatura norma, estos son los combustibles que se utilizan en la actualidad en la República Bolivariana de Venezuela, como combustible doméstico.

Utilidad del Propano Este hidrocarburos es utilizado ampliamente en la producción de olefina, como por ejemplo el propileno, que se produce ya sea por deshidrogenación del propano contenido en el (GLP), o se obtiene como subproducto en las Plantas de Etileno o en las Plantas de Descomposición Catalítica Fluida (PDCF) de refinerías, es la base para la producción de polipropileno a través de plantas de polimerización. Otro producto derivado del propileno y del amoníaco es el acrilonitrilo, de importancia fundamental en la industria de las fibras sintéticas. Del propileno se puede producir alcohol isopropílico de gran aplicación en la industria de solventes y pinturas, así como el óxido de propileno; otros derivados del propileno son el ácido acrílico, la acroleína, compuestos importantes en la industria del plástico, además de otros usos en las plantas petroquímicas.

Butano El Butano al igual que el propano son dos combustibles gaseosos que se obtienen en las refinerías de petróleo. El butano se comercializa licuado y envasado en recipientes metálicos de diferentes tamaños, desechables, que pueden ser pequeños y recargables. El butano, al igual que el propano se suministra licuado, en botellas, para lo cual los depósitos deben de estar situados, junto a las industrias o viviendas, con el gas transportado por un camión cisterna. Como se ha indicado, el propano y el butano son gaseosos a la presión atmosférica pero, a la presión de envasado, se encuentran en estado líquido. Cuando el usuario abre la llave de salida del recipiente, disminuye la presión en el interior, se produce la vaporización de estos combustibles y fluyen por el tubo de salida. Para mantener constante la presión de salida de estos gases se intercala una válvula de regulación de presión que lleva incorporada la llave de paso. En el interior de los locales donde se utilizan estos gases hay que tomar medidas de seguridad parecidas a las adoptadas para el gas natural, medidas de seguridad que hay que tener en cuenta para la comercialización internacional, sobretodo si se quiere utilizar esta zona comercial.

La principal aplicación del butano es como combustible en hogares para la cocina y agua caliente, y en los mecheros de gas. No suele consumirse en grandes cantidades debido a sus limitaciones de transporte y almacenaje. Es casi imposible transportarlo por gasoductos, ya que por su alta temperatura de licuefacción se podría condensar en las condiciones, es por ello que se recomienda eliminar los restos de propano y butano del gas natural previo a su transporte por gasoductos, por su transporte se realiza en bombonas. El butano, actúa también en la producción de los butenos, que se producen por deshidrogenación. Los butenos se obtienen también como subproductos en el proceso de fabricación del etileno. También se obtiene el 1,3 butadieno, que es

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materia prima fundamental en la industria de los elastómeros, y llantas todas clases de vehículosGas Licuado de Petróleo (GLP). Esta es una mezcla de hidrocarburos livianos constituidos principalmente por propano (C3) y sus derivados, y butano (C4) y compuestos derivados de estos, en proporciones variables y que en condiciones normales es gaseosa y al comprimirla pasa al estado líquida. Puede producirse en plantas de procesamiento de gas natural o en refinerías especialmente en plantas de ruptura catalítica. Esta mezcla también llamada Gas Licuado de Petróleo (GLP) puede ser almacenada y transportada en forma líquida bajo presión en bombonas, de uso muy variado: doméstico, industrial, químico como combustible. Se considera como materia prima para la petroquímica, con la composición indicada, o compuesta predominantemente de propileno o butilenos Con esta mezcla hay que tener ciertos cuidados, ya que este producto en estado gaseoso puede causar asfixia simple y deprimir el sistema nervioso central En estado líquido puede provocar quemaduras provocadas por congelamiento e irritación de la piel. También por contener compuestos de azufre, como mercaptanos, el cual se le adiciona como odorizante para identificar escapes, se deben tener ciertas precauciones ya que el azufre puede también ser tóxico, y causar un daño grave a la salud y al ambiente.

El Gas Licuado de Petróleo (GLP) Es un gas inflamable a temperatura ambiente y presión atmosférica, por lo tanto deben aplicarse los estándares establecidos para el diseño de todas las instalaciones para su uso y manejo tales como tanques de almacenamiento; tuberías y llenaderos. Es importante tener en cuenta que el (GLP) genera vapores desde una temperatura de (–42C), los cuales al mezclarse con el aire en proporciones entre 1,.9 y 9,.5 % en volumen, forman mezclas inflamables y explosivas, y como tiene una densidad aproximadamente de 1,8 veces mayor que la del aire, un escape puede ser muy peligroso debido a que sus vapores tiende a concentrarse en las zonas bajas y donde hay mayor riesgo de encontrar puntos de ignición tales como interruptores eléctricos, pilotos de estufas de gas, tomas de corriente eléctrica, lámparas y puntos calientes. La utilización de este componente es múltiple y variada, incluso en muchos países se utiliza como combustible vehicular, lo cual es de utilidad, debido al alto valor calorífico, que proporciona el fluido en cuestión. También se puede utilizar como materia prima en la industria petroquímica

Al evaporarse, el (GLP) ocupa en forma gaseosa un volumen aproximado de 250 veces su volumen en forma líquida. Para el diseño de las instalaciones para el transporte y manejo de gas deben aplicarse las normas; y las reglamentaciones expedidas por los ministerios de Minas y Energía y del Medio Ambiente y demás autoridades competentes .Merecen especial y fuerte vigilancia las válvulas, conexiones y accesorios de tanques, cisternas y cilindros que se utilicen para almacenar este producto, debido a que son los puntos de mayor riesgo de escape. Así mismo, el sitio donde se ubiquen los recipientes y las instalaciones que conduzcan este producto debe tener suficiente ventilación para evitar concentración de vapores explosivos en caso de algún escape. En general el (GLP) es una mezcla de hidrocarburos líquido, y que permanecen en estado

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líquido a presiones moderadas y temperatura ambiente, y puede en cuanto a su uso subdividirse en:1.- GLP Doméstico. Este es comercializado tanto a granel como en bombonas y su precio esta sujeto al marco regulado, y. Puede utilizarse en forma doméstica para la cocción de alimentos o calentamiento de agua

2.- GLP Comercial/Industrial. Este es una mezcla, que se utiliza como fuente de energía, la cual es comercializado a granel y su precio es determinado por la libre competencia. Su uso industrial es como combustible en hornos, secadores y calderas de diferentes tipos de industrias. También en motores de combustión interna y en turbinas de gas para generación de energía eléctrica.

3.- GLP Automotor. Aquí el (GLP) es comercializado a granel y su precio de venta esta referenciado al precio de la gasolina de 87 octanos. Este es uno de los combustibles que hay que tratar de comercializar en muchos países, ya que se evita la contaminación ambiental.

El propano y butano, junto con otros gases, también se producen durante la refinación de petróleo. El propano se usa tanto en vehículos livianos como pesados. El Propano ha sido usado como un combustible automotor por más de 60 años. Los vehículos impulsados con propano emiten en la combustión menos carbón al compararlos con los que utilizan diesel y gasolina.

Poder Calorífico del (GLP) Para el caso de los (GLP), el poder calorífico se expresa en peso en kilogramos o libras, según sea el sistema de unidades, en el cual se este trabajando, el cual debe de ser ampliamente definido, para evitar errores, debido al mal uso de la unidades, de un determinado sistema, aunque los factores de conversión permite cambiar de un sistema a otros sin mayores dificultades, haciendo más fácil la interpretación de los datos, tal como el poder o valor calorífico es de suma importancia, en vista que este parámetro es el que se utiliza para vender los fluidos, ya que con el valor calorífico se sabe la capacidad del gas del fluido en términos de energía térmica.

En el caso de encontrarse asociados al gas natural, los (GLP), y por tratarse de componentes con menor presión de vapor y puntos de ebullición más altos, tienen el riesgo de que permanezcan en fase líquida en las redes de distribución. Por lo tanto, antes de trasportar el gas natural, se realiza un proceso de destilación fraccionada, para separar el metano del resto de hidrocarburos que llevan asociados, y que fundamentalmente van desde el etano y pentanos. El (GLP) comercial tiene un 80% de propano y un máximo del 20% de butano. Por su parte, lo que se vende bajo la denominación de butano es un líquido que consta de un mínimo del 80% en butano y un máximo del 20% propano. Las proporciones pueden variar en función de la aplicación a vaya ser expuesto el fluido.

A presión de 1 atm y temperatura de 20 C el (GLP) se encuentra en estado gaseoso. Para obtener líquido a presión atmosférica, la temperatura del butano debe ser inferior a (-0,5C) y la del propano a (-42,2)C). En cambio, para obtener

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líquido a temperatura ambiente, se debe someter al (GLP) a presión. Para el butano, la presión debe ser de más de 2 atmósferas. Para el propano, la presión debe ser de más de 8 atmósferas, lo que indica que el valor de la presión es un valor alto, luego se puede denominar de alta presión, para condiciones operacionales, donde el componente participe.

Un litro de líquido se transforma en 272,6 litros de gas para el propano y 237,8 litros de gas para el butano. En su estado puro, tanto el butano como el propano son inodoros, es por ello para hacerlos más detectable se le añade mercaptanos, para detectar una fuga, por ejemplo. Para el caso del propano comercial el poder calorífico neto (PCN) alcanza un valor de 11.082 (Kcal/kg), mientras que el total (PCT) tiene un valor de 12.052 (Kcal/kg). Para el Butano comercial el (PCN) es 10.938 (Kcal/kg), mientras que el (PCT) alcanza un valor de 11.867 (Kcal/kg).. En forma aproximada 1 kg de propano proporciona una energía similar a la otorgada por 1,24 (m2) de gas natural. El poder calorífico, para el propano se sustenta en la siguiente reacción:

C3H8(g) + 502(g)+18,55 Þ3C02(g) + 4H2 0(g) +18,55

La reacción se fundamenta en que la combustión se realiza com aire ideal, donde una libra mol de Oxigeno equivale a 3,71 libramol de Nitrógeno, y la reacción de combustión del propano indica que una lbmol de (C3H8) producen 3 lbmol de (C02) y 4 lbmol de (H20). La reacción de combustión del butano es:

Luego una libramos de butano produce 4 libramol de dióxido de carbono y 5 libramol de agua, además que ambos lados de la reacción hay 24,12 libramol de Nitrógeno. El poder calorífico expresado en (Kcal /kg) se puede expresar en:

Tanto el propano como el butano no son tóxicos, aunque al ser mas pesados que el aire tienden a desplazarlo y pueden provocar la muerte por asfixia al impedir que el aire llegue a los pulmones y oxigene la sangre. El (GLP) en muchos países es un combustible integrado por una mezcla esencialmente de propano , cuya composición es de alrededor de 39 a 61% molar. Las fuentes de obtención son en las refinerías y plantas de proceso del gas natural. Hay que hacer notar, que hay países, como por ejemplo Estados Unidos de Norteamérica y Canadá, que llaman Gas Licuado de Petróleo al combustible constituido con casi un 100% de propano, combustible que se considera de alto valor, por lo que es separado de la corriente

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de líquidos y se emplean como materia prima para sintetizar componentes de alto octanaje, que se utilizan en la formulación de la gasolinaGasolina Natural. Es una mezcla de hidrocarburos formados básicamente por Pentano ,Hexano y Heptano . La gasolina natural se utiliza para mezclar la gasolina que se produce en las refinerías o con el petróleo para mejorar la densidad de este producto aumentando su valor comercial. La gasolina natural constituye el producto resultante del fraccionamiento del de los líquidos del gas natural. Se sabe que la gasolina natural proveniente de la destilación primaria no llena las especificaciones de octanaje requeridas por los automóviles, por lo que es un reto aumentar el índice de octano en la gasolina, de tal forma de poder aumentar su eficiencia y disminuir el impacto ambiental

La Gasolina Natural (GN) es un producto de bajo peso específico, separado del gas húmedo en forma de vapor; condensado. La gasolina natural se obtiene por absorción con carbón vegetal, compresión y absorción en un aceite mineral se puede llegar a recuperar 700 litros de gasolina natural, por cada 1000 metros cúbicos de gas natural procesados (700 L/1000 m3). La (GN) es en general un compuesto constituido por una mezcla de hidrocarburos de composición desde el Pentano (C5) hasta el Heptanos y compuestos más pesados (C7

+), estos permanecen en estado líquido a presión y temperatura atmosférica. En general se puede señalar que la gasolina natural es una mezcla de hidrocarburos líquidos conformada por compuesto que contienen entre cinco y nueve carbonos, se produce a través de varios procesos de destilación fraccionada del petróleo, la condensación o la adsorción de gas natural, la descomposición térmica o catalítica del petróleo o sus fracciones, la hidrogenación del gasógeno o carbón, o a través de la polimerización de hidrocarburos de bajo peso molecular.

Procesos Para Mejorar la Gasolina Natural. Esta está compuesta por el número adecuado de carbonos, pero la forma en que están colocados dentro de la molécula no le confiere un buen octanaje. Para mejorar la calidad de esta gasolina existen dos tipos de procesos en las refinerías

a.- La isomerización Aquí los hidrocarburos lineales de los que está compuesta la gasolina natural se ramifican, lo que permite que se incremente su octanaje. Así sucede, por ejemplo, con el Heptano Normal, que tiene siete átomos de carbono formando una cadena lineal, y su índice de octano es de cero. Pero si se isomera, se hace altamente ramificado y se obtiene el Isoheptano, que tiene 110 de octano. La isomerización requiere del uso de catalizadores, para llevar a cabo el proceso, con mayor eficiencia, de tal forma que el proceso tenga una mayor velocidad de desplazamiento.

b.- La reformación. En este proceso no sólo favorece la ramificación de los hidrocarburos como en el caso de isomerización, sino que también les permite ciclizarse, formando anillos de seis átomos de carbono, y después perder átomos de hidrógeno dando los hidrocarburos cíclicos llamados aromáticos. Estos hidrocarburos aromáticos le imparten un alto índice de octano a la gasolina

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reformada. La reformación requiere del uso de catalizadores para realizar en forma completa el proceso.d.- Gas Ácido. Este en un gas .cuyo contenido de sulfuro de hidrógeno (H2S) es mayor que 0,25 granos por cada 100 pies cúbicos normales de gas por hora (> de 0,25 granos/100 PCNH). En este caso las condiciones normales están en el Sistema Británico de Unidades La cantidad señala equivale a cuatro partes por millón, en base al volumen (4 ppm,V de H2S. En el Sistema Británico de Unidades este significa, que hay 4 lbmol de H2S/1x106 lbmol de mezcla. La GPSA, define a un gas ácido como aquel que posee más de 1,0 grano/100 PCN o 16 ppm,V de Sulfuro de Hidrógeno (H2S).

Si el gas esta destinado para ser utilizado como combustible para rehervidores, calentadores de fuego directo o para motores de compresores puede aceptarse hasta 10 granos de H2S/100 PCN. La norma 2.184 válida para tuberías de gas, define a un gas ácido como aquel que contiene más de 1 grano de H2S/100 PCN de gas, lo cual equivale a 16 ppm,V de (H2S).

Otros Gases de Reacción Ácida: Existen también otros gases de naturaleza ácida, como son por ejemplo:

1.- El Sulfuro de Carbonilo (C0S). Este es un compuesto inestable, corrosivo y tóxico, que se descompone en (H2S +C02), por lo que este componente se considera altamente corrosivo, para las plantas, donde se realizan los procesos de tratamiento y acondicionamiento del gas natural y sus productos, que van a ser comercializados.

2.- Los Mercaptanos, los cuales se pueden representar a través de la siguiente fórmula (RSH), son compuestos inestables y de alto grado de corrosión, en muchos casos reaccionan con algunos solventes, descomponiéndolos

3.- Disulfuro de Carbono (CS2). Este componente sin tomar en cuenta que participa en las reacciones de corrosión es también altamente tóxico para los. seres humanos, como es también altamente nocivo para el medio ambiente, por lo que hay extremar las precauciones cuando se trabaja con este componente, ya que puede causar graves problemas de salud, y/o ambiental.

En términos generales, se considera que un gas es apto para ser transportado por tuberías, cuando contiene £ 4 ppm,V¿ de, H2S; £ de 3% de C02.y £ 6 a 7 lb de agua por millones de pies cúbicos normales de gas (MM de PCN de gas).

e.- Gas Dulce Este es un gas que contiene cantidades de Sulfuro de Hidrógeno (H2S), menores a cuatro (4) partes por millón en base a volumen (4 ppm, V) y menos de 3% en base molar de Dióxido de Carbono (C02).

f.- Gas Hidratado: Este es un gas que tiene más de siete libras de agua por cada millón de pies cúbicos normales de gas ( , lo que indica que el

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gas deberá de ser sometido al proceso de deshidratación, para poder comercializarlo.g.- Gas Anhidro: Este es un gas que no tiene menos cantidad de vapor de agua, que la clasificación de gas hidratado.

Industrialización y Tratamiento del Gas Natural: El tratamiento que se le da al gas natural para colocarlo en las condiciones deseadas implica una inversión y, por lo tanto, un incremento en el precio del producto final. A pesar de esto el mercado mayoritario establece reglas de juego que están sometidas a la oferta y demanda. Se fija un precio para el gas vendido a presión y temperatura de referencia o contractual, que comúnmente se suelen definir como condiciones normales, las cuales en el Sistema Británico de Unidades corresponden a una presión de 14,7 lpca y una temperatura de 60F. Cada una de las etapas, que conforman la industrialización del gas natural encierra una serie de procesos, además de una técnica, las cuales han ido evolucionando con el crecimiento y perfeccionamiento de la industria del gas natural. El tratamiento e industrialización del gas natural, juegan un gran papel en el desarrollo de la industria del gas, ya que contar con procesos de alta tecnología y eficiencia permitirá un mejor desarrollo, luego se tiene. En la figura se presenta un esquema con los principales procesos a los que tiene que ser sometido el gas natural:

Figura 2 Procesos de Tratamientos del Gas Natural

En la figura 2 se observan los diversos procesos a que tiene que ser sometido el gas natural, de tal forma que pueda alcanzar la norma establecida para su comercialización y distribución. En la figura se observa que el gas, tiene que se sometido al proceso de separación, luego entonces el gas natural tiene que ser necesariamente gas asociado. Posterior a la separación debe de ir a la deshidratación, donde se elimina el agua, para evitar la condensación de la misma, y su posterior formación de hidratos, después de la separación el gas en enfriado, de tal manera, que los hidrocarburos que alcancen el punto crítico, puedan pasar a la fase líquida, para obtener los (LGN). Después de pasar por la

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torre, donde se recupera el metano en forma de gas, el fluido puede ser sometido al proceso de fraccionamiento.La obtención del Gas Natural. Este proceso se realiza en los yacimientos, los cuales pueden ser no asociados y asociado En los yacimientos el gas se puede encontrar en tres formas. Separado del petróleo, ocupando la parte superior de la napa: Disuelto dentro del petróleo junto con los hidrocarburos livianos de petróleo, todos ellos en fase gaseosa a grandes presiones

Tratamiento El gas que se extrae del yacimiento, en la mayoría de los casos contiene componentes indeseables, los cuales deben de extraerse mediante tratamientos adecuados. Si el gas contiene gases ácidos, se debe someter al proceso de endulzamiento. La presencia de nitrógeno (N2) reduce el poder calorífico y disminuye el rendimiento en los procesos de extracción de gasolina, luego se debe buscar la forma de eliminarlo. También si el gas contiene agua líquida o en forma de vapor, se debe someter el gas al proceso de deshidratación. En lo que respecta a los hidrocarburos condensables, se deben extraer en forma líquida, en plantas de extracción y fraccionamiento, si el gas es asociado una de las primeras fases del tratamientos es la separación de los fluidos.

a.- Proceso de Separación de Fluidos obtenidos del yacimiento En el tratamiento y manejo de fluidos se utilizan varios procedimientos y técnicas que permiten un mejor rendimiento en la producción. Entre estos procesos se encuentra la separación de los Fluidos Petroleros. La separación física del fluido, se sustenta en tres grandes principios, que son la Cantidad de Movimiento, el Asentamiento por Gravedad y la Coalescencia. Para la industria petrolera Un Separador es un Cilindro, que se utiliza para separar la mezcla de hidrocarburos en sus respectivas fases. Aunque, también son importante los Depuradores, ya que estos equipos son separadores que no poseen. La capacidad para separar los hidrocarburos, en sus respectivas fases, sin tomar en cuenta que los volúmenes se encuentren en cantidades apreciables, lo que se quiere indicar es que se trabaja, por lo general con grandes caudales.

Para diseñar separadores es necesario tomar en cuenta los diferentes estados en que se pueden encontrar los fluidos y el efecto que sobre éstos tengan las diferentes fuerzas físicas, en este caso especial solo se tomaran en cuentas las fases (líquido- Vapor). El propósito principal del proceso de separación es separar los diversos componentes y su posterior comercialización El separador representa la primera instalación del procesamiento. Un diseño incorrecto de un recipiente puede traer como consecuencia una reducción en la capacidad de operación de la totalidad de las instalaciones asociadas con la unidad de separación, y otras unidades que dependen de la eficiencia del proceso de separación.

Principales Zonas de Separación en los Fluidos: Zonas de Separación Por lo normal en un proceso de separación de fluidos petroleros se pueden distinguir tres zonas principales que son:

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1.- Separación Primaria. Es el cambio en la cantidad de movimiento de las fases a la entrada del separador, con lo cual genera la separación gruesa de las fases. Esta zona incluye las boquillas de entrada y los dispositivos de entrada, tales como los Deflectores, los cuales son de gran importancia, para la eficiencia y operación de de los separadores de fluidos petroleros.

2.- Separación Secundaria. Durante el proceso de la separación secundaria se observan zonas de fases continúa con gas, sobre la cual actúan las fuerzas de gravedad, las cuales se encargan de decantar hasta cierto tamaño de gotas de la fase pesada discontinua en la fase liviana continua. También produce la flotación de hasta un cierto tamaño de gotas de la fase líquida liviana, la cual es la fase discontinua, en la fase pesada continua. En esta parte del separador la fase liviana continua se mueve a una velocidad relativamente baja y con muy poca turbulencia, lo cual permita realizar una operación de separación con alto grado de eficiencia operacional de los separadores.

3.- Separación por Coalescencia. En el proceso de separación por coalescencia, hay caso en que las gotas no pueden ser separadas porque tienen un tamaño muy pequeño, es por ello que se requiere que las gotas adquieran un mayor tamaño, lo por cual ocurre, a través de proceso de coalescencia, con lo cual tales gotas alcancen un tamaño lo suficientemente grande para que puedan separase por gravedad, para que este proceso tenga una mayor eficiencia se requiere tener elementos como eliminadores de niebla. En la figura 3 se presenta un separador gas- petróleo horizontal.

Figura 3 Separador Horizontal Bifásico (Gas- Petróleo)

En la figura 3 se observa el separador bifásico horizontal, con todos sus implementos, para dar cumplimiento a todas las normas de separación establecidas en un centro de separación. El separador puede ser bifásico o trifásico. El separador bifásico se utiliza para separar los líquidos de la fase gaseosa. Mientras que los separadores trifásicos tienen por objeto separar, a parte los hidrocarburos, el agua libre, y la corriente de gas. Si se comparan las ventajas del separador horizontal en relación al vertical, se puede notar que las desventajas de uno separador, son las ventajas del otro. Aunque quizás la principal diferencia

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entre un separador y otro, sea la evaluación económica, que necesariamente se tenga que realizar al diseño de un equipo y otro. Además de tener bien en la cuenta el impacto ambiental, que pueden causar.b.- Depuración con los Depuradores: Por definición un depurador es un: separador cuya función básica es remover pequeñas cantidades del líquido de una mezcla con predominio gaseoso. Dispositivo sencillo para eliminar las gotas de líquido que pueda transportar el gas. los depuradores tienen suficiente tamaño, para que el asentamiento por las fuerzas gravitacionales sea óptimo, lo que indica, que la función básica de los depuradores es remover pequeñas cantidades del líquido de una mezcla con predominio gaseoso. La función de los depuradores es de gran importancia, en vista que después que el fluido haya salido del separador, y al pasar por el depuradores, tienen que quedar allí todas las partículas, líquida o sólidas, que todavía arrastra la corriente de gas.

c.- Proceso de Endulzamiento del Gas Natural Este proceso tiene como objetivo la eliminación de los componentes ácidos del gas natural, en especial el Sulfuro de Hidrógeno (H2S) y Dióxido de Carbono (C02). Aunque, otros componentes ácidos como lo son el Sulfuro de Carbonillo (C0S) y el Disulfuro de Carbono (CS2), son de gran importancia debido a su tendencia a dañar las soluciones químicas que se utilizan para endulzar el gas. Además, por lo general, estos componentes, no se reportan dentro de la composición del gas que se tratará. El términos generales, se puede decir que la eliminación de compuestos ácidos (H2S y CO2) mediante el uso de tecnologías que se basan en sistemas de absorción-agotamiento utilizando un solvente selectivo. Para que el proceso de endulzamiento del gas natural, tenga un alto grado de eficiencia, se debe comenzar por analizar la materia prima que se va a tratar. El proceso de endulzamiento data, desde hace muchos años. Y, en la actualidad se dispone de procesos altamente específicos, con solventes y aditivos complejos, que hacen que el endulzamiento sea de una gran eficiencia, en vista que muchos otros procesos del gas depende de este..

El proceso de endulzamiento se puede realizar a través de

a.- Procesos de Absorción

b.- Procesos de Adsorción

c.- Procesos de Conversión Directa

d.- Remoción con Membranas.

1.-Endulzamiento del Gas Natural a través del Proceso de Absorción El proceso de Absorción se define como La penetración o desaparición aparente de moléculas o iones de una o más sustancias en el interior de un sólido o líquido. La absorción es un proceso para separar mezclas en sus constituyentes, aprovechando la ventaja de que algunos componentes son fácilmente absorbidos Este es un proceso, en donde un líquido es capaz de absorber una sustancia

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gaseosa. En el caso del endulzamiento de gas natural, el proceso de absorción se realiza utilizando solventes químicos, físicos, híbridos o mixtosEn la figura 4 se presenta un esquema del endulzamiento del gas natural a través del proceso de absorción, con solventes químicos, físicos y mixtos:

Figura 4 Endulzamiento del Gas Natural a través del Proceso de Absorción:

Endulzamiento de Gas Natural con Aminas El endulzamiento del gas natural con solventes químicos por lo general se realiza con aminas. Se usa la designación de amina primaria secundaria y terciaria para referirse al número de

grupos alquilo , que ha reemplazado a Hidrógenos en la molécula de

Amoniaco . En la figura 5 se presenta una forma esquemática la estructura de una amina primara (a), secundaría (b) y terciaria (c). Es de hacer notar, que en algunas industrias de habla de una amina cuaternaria, que no es otra que en grupo amonio.

Figura 5 Estructura de las Aminas

(a)

R N

H

H (b) H

R N

R

(c)

R

R N

R

a) representa a una amina primaria, cuya fórmula química más simple es

b) es una amina secundaria, cuya fórmula química es , lo que indican que dos hidrógenos de la molécula de amoniaco han sido reemplazados por dos grupos aminas, dando con ello origen a una amina secundaria, selectiva hacia el dióxido de carbono.

c) es una amina terciaría, cuya fórmula más simple es

2.- Proceso de Endulzamiento por Adsorción. Los. Procesos de adsorción, en general se caracterizan por adsorber, de manera preferencial, diferentes componentes ácidos de la corriente de gas natural. El proceso, también lleva

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asociado el calor de la solución, el cual es considerablemente más bajo que el calor de reacción de los procesos de reacción con solventes químicos.La carga de gas ácido en los solventes físicos o en los procesos de adsorción es proporcional a la presión parcial del componente ácido del gas que se desea tratar

3.- Proceso de Endulzamiento por Mallas Moleculares Se pueden utilizar para absorber físicamente los gases ácidos y luego se regeneran utilizando elevadas temperaturas o disminuciones de la presión. Las mallas moleculares son consideradas un método sofisticado, por lo tanto se utilizan fundamentalmente, cuando necesitan eliminar pequeñas cantidades de gases ácidos, sobretodo para dejar el gas en la norma.

4- Proceso de Endulzamiento por Membranas En la actualidad se están utilizando bastante las membranas permeables. La separación se logra aprovechando la ventaja de las diferencias de afinidad / difusividad, ya que el H20; H2S y C02 son altos difusores, esto indica que pueden pasar a través de una membrana con mayor facilidad que los hidrocarburos, con la misma fuerza motriz. Esto permite separar las impurezas del gas natural. El manejo de las membranas esta basado. En el uso de las membranas permeables para la separación del gas ácido. La separación se logra aprovechando las ventajas de las diferencias de afinidad / difusividad. El efecto de separación no es absoluto y por lo tanto, siempre habrá pérdidas de hidrocarburos en la corriente de gas ácido.

5-Atrapadores o Secuestrantes de Sulfuro de Hidrógeno el proceso de Enduzamiento de Gas natural, también se puede emplear sustancias químicas que capaces de atrapar el H2S y eliminarlo de la mezcla gaseosa

Proceso de Endulzamiento y Recuperación de Azufre (S) La eliminación del Ácido Sulfhídrico o Sulfuro de Hidrógeno que acompaña al gas natural, y que se separa en la destilación atmosférica, y que está sobre todo presente en el gas resultante de los procesos de hidrotratamiento, es indispensable para evitar emisiones de azufre durante el quemado de dicho producto como combustible de la propia refinería. La separación del de los gases sustentado en la

absorción en soluciones acuosas de aminas; la solución rica en se regenera

por agotamiento con vapor para recircularse a la absorción, y el separado se procesa en unidades donde primeramente se realiza una combustión parcial del mismo para generar una proporción adecuada de y (S02) que enseguida se hacen reaccionar en una reacción catalítica para generar azufre elemental (S), el cual puede tener una gran utilidad en la industria petroquímica, como también se puede utilizar para la producción de ácido sulfúrico, además de ser de gran utilidad en la industria agrícola.

Consecuencia de no Endulzar La principal consecuencia de no realizar el proceso de endulzamiento del gas es la corrosión. El proceso de corrosión es una condición operacional que se debe manejar en todas las instalaciones de

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endulzamiento El tipo de solución endulzadora y su concentración tiene un gran impacto sobre la velocidad de corrosión. Los lugares más propensos a la corrosión son el rehervidor, el intercambiador de calor y el generador, debido a las temperaturas elevadas que se manejan.

Corrosión dulce o corrosión por Dióxido de Carbono (CO2).Este tipo de corrosión, representa uno de los principales problemas que confronta la industria petrolera. En vista que el C02 en presencia de agua libre forma ácido carbónico

(H2C03). Este ácido es un débil y se disocia en Bicarbonato .y Carbonato

, ambos altamente corrosivos, y además en la disociación se producen

, que se pueden reducir y producir , que también participa activamente en la corrosión. Los factores que influyen en la corrosión por dióxido de carbono son:

pH de la solución: desempeña un rol importante cuando se forman capas de carbonatos, debido a que la solubilidad de éstos disminuye a medida que el pH aumenta. En el nivel de pH medio (4-10), la velocidad de corrosión está controlada por la velocidad de transporte del oxidante

Temperatura: la formación y protección que ofrece la capa de carbonato de hierro depende de la temperatura. La velocidad de corrosión tiende a aumentar conforme se eleva la temperatura El aumento de la temperatura disminuye la solubilidad del CO2.

Presión: La presión incrementa la solubilidad del CO2 en el agua, provocando la disminución del pH. y la presión parcial de CO2 influye de tal forma que la velocidad de corrosión se incrementa en función de ésta en un orden exponencial de 0.5 – 0.8. Como, se sabe la presión es un parámetro de mucha influencia en sistemas gaseosos, por lo tanto su influencia en los procesos de corrosión, tiene que se tenida en cuenta.

Flujo: es otra variable muy importante en la corrosión por CO2. El flujo en forma líquida afecta las reacciones químicas o electroquímicas en los procesos de corrosión. Así mismo, puede contribuir a la formación de una película estable sobre la superficie del metal por incremento de transferencia de masa, pero también puede remover la capa protectora por erosión.

Concentración: la concentración de iones inorgánicos, tales como Calcio; (Ca+2); Carbonatos (C03

-2) y Ferrosos (Fe+2) en solución acuosa, determinan la formación y composición de los productos de corrosión, tal como la formación de precipitados esta relacionado con la concentración.

Existen también otros factores que afectan la corrosión, tales como: Dimensión del sistema.; Régimen de flujo.; Relación volumétrica entre fases. Velocidad de los flujos.; Características fisicoquímicas del medio.; Material expuesto. y Presencia de sólidos en el fluido.

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Corrosión Ácida o Corrosión por Sulfuro de Hidrógeno (H2S) Este tipo de corrosión; se presenta en la industria petrolera asociada a los pozos de producción de hidrocarburos ácidos o gases ácidos (gases o petróleos que contienen azufre). El gas H2S disuelto en agua en pequeñas cantidades, puede crear un ambiente sumamente corrosivo, desde luego este proceso estará relacionado con la presión de vapor, de la solución formada, y por ende bajo la influencia de todos los factores, con lo cual esta involucrado la presión de vapor. Este tipo de ataque puede ser identificado dada la formación de una capa negra de sulfuro de hierro sobre la superficie metálica, la cual es conocida como corrosión general por H2S.

d.- Proceso de Deshidratación del Gas Natural. La deshidratación del gas natural se define como la extracción del agua que esta asociada, con el gas natural en forma de vapor y/o en forma libre. La mayoría de los gases naturales, contienen cantidades de agua a la presión y temperatura los cuales son extraídos del yacimiento. Esta agua puede pasar a la fase líquida, sea por un incremento en la presión o una disminución de la temperatura, y al condensarse participa en forma activa en una serie de proceso. Es por ello que el gas natural debe ser sometido a un proceso de deshidratación, las razones del porque se debe de deshidratación la corriente de gas natural, son múltiples y variadas, pero las importantes, y que justifican el proceso

1.- Evitar la formación de hidratos, en vista que estos componentes pueden detener y/o entorpecer el flujo de gas por tuberías La verdad es que hay que evitar la formación de hidratos La formación de hidratos ocurre siempre, que el gas natural contenga agua, y esta a su vez se condense dentro de la tubería y otros recipientes, que sirvan de transporte del gas Los hidratos son compuestos cristalinos blanquecinos, parecidos a la nieve, y que se forman por la reacción entre los hidrocarburos livianos o gases ácidos y el agua líquida. La composición de los hidratos, por lo general es 10% de hidrocarburos y 90% de agua. La gravedad específica de los hidratos anda por el orden de 0,98 y flotan en el agua pero se hunden en los hidrocarburos líquidos.

2.-Satisfacer los requerimientos, para transportar gas a los centros de consumo y distribución Al gas que se transporta se le extrae el agua que contiene, hasta los niveles necesarios para que cumplan con la norma establecida, y que respondan al destino que, ha sido establecido para el gas. Por ejemplo, para poder transportar el gas, por un sistema de redes y tuberías de gas, debe tener un máximo de 5- 7 libras de agua por cada millón de pies cúbicos normales de gas (5- 7 lb H20/ MM PCN. Aunque, el máximo contenido de agua del gas depende del tipo de clima, ya que en climas fríos la cantidad aceptada es 1-2 lb de H20/ MM PCN. La cantidad 5-7 lb de H20 /MM PCN, es válida para climas tropicales, con ello se garantiza que el punto de rocío ocurra a 32F. Lo que significa que el fluido trabajara a temperatura por encima de 32 F sin que se produzca condensación del agua. El punto de rocío del agua es la temperatura a la cual se condensa el agua, a una presión previamente establecida

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3.- Evitar la congelación del agua en los procesos criogénicos. Cuando el gas será utilizado en los procesos criogénicos. La norma válida para transportar gas por una tubería que es 7 lb H20/ MM PCN no es aplicable. En vista que los procesos criogénicos deben de trabajar a una temperatura menor a la crítica, luego el agua en esas condiciones se congelara, y será un impedimento, para la eficiencia del proceso. Luego en estos casos la cantidad de agua permisible en el gas debe de ser mucho menos.

Parámetros que participan en la Deshidratación del Gas Natural Existen varios métodos para deshidratar el gas natural .La selección de un proceso, dependerá fundamentalmente del grado de deshidratación necesario y de la evaluación económica del proceso seleccionado, y desde luego de la cantidad de agua, que haya en gas total, es decir en el gas dulce y la que haya en los gases ácidos presentes en la corriente de gas natural. Los procesos más conocidos son:

1.- Enfriamiento Directo El contenido de agua saturada en un gas decrece con el aumento de la presión o con una disminución de la temperatura. Por, lo tanto, gases calientes saturados con vapor de agua pueden ser parcialmente deshidratados por enfriamiento directo. Los gases sujetos a la compresión son normalmente enfriados antes de ir a la línea de distribución. Este proceso de enfriamiento puede remover agua del gas y es de naturaleza cíclica, ya que el fluido recibe calor del sistema a enfriar

El proceso de enfriamiento directo se lleva a cabo mediante el uso de refrigeración mecánica con adición de Inhibidores de Hidratos .Desde luego en este proceso de enfriamiento se puede remover agua del gas. En este caso el proceso será de naturaleza cíclica. Esto, es porque el fluido refrigerante recibirá calor del sistema a enfriar. el medio ambiente o se transmite a otro sistema, que actúa como receptor de esa energía calorífica. Cuando la energía calorífica se disipa, el fluido refrigerante inicia de nuevo el ciclo. Los fluidos refrigerantes de mayor uso, en la industria del gas natural son el Propano y Metano

2.- Expansión del Gas a una Baja Presión. En este proceso para obtener el El descenso de la presión de una corriente de gas produce enfriamiento, el enfriamiento se puede realizar a través de dos diferentes procesos:

Expansión Isentálpica Este proceso se utiliza cuando se necesita aumentar la recuperación de líquidos de un gas húmedo proveniente del pozo, por lo general con alta presión. En el proceso en flujo de gas húmedo es pasado a través de una válvula expansora, donde la temperatura del gas disminuye, con ello se logra que una fracción de los componentes intermisos y pesados presentes en la mezcla de gas natural se condensen. Luego los líquidos condensados son retirados del flujo de gas usando, para ello un separador de baja presión. El gas frío y seco se utiliza para preenfriar la corriente de gas húmedo que alimenta el sistema.

Expansión Isentrópica. Este proceso se produce cuando la corriente de gas húmedo pasa a través de un turboexpansor. En este caso disminuye, ocurre una

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disminución de la temperatura del gas y se obtiene una cierta cantidad de trabajo, el cual se utiliza para mover los equipos de bombeo. También esta disminución de la temperatura, que la mayoría de los casos es un valor apreciable, se utiliza para recuperar líquidos del gas natural. Este es el principal principio de los procesos criogénicos. Es necesario hacer resaltar que la expansión isentrópica es un proceso de mucho más efectividad, pero los costos de instalación de equipos, son mucho mayores.

3.- -Deshidratación por Absorción. Este es uno de los procesos de mayor utilidad, en la industria del gas natural. El proceso consiste en remover el vapor de agua de la corriente de gas natural, por medio de un contacto líquido, por lo general el líquido utilizado son los glicoles., los cuales son usados corrientemente en torres de absorción, ya que permiten obtener temperaturas inferiores al punto de rocío y, las pérdidas de vapor son menores que las obtenidas con otros compuestos

4.- Deshidratación del Gas Natural por Adsorción La adsorción describe cualquier proceso, donde las moléculas de un fluido líquido o gaseoso puede ser retenidos en la superficie de una superficie sólida o líquida, debido fundamentalmente a las fuerzas superficiales de la superficie. Los cuerpos sólidos se mantienen juntos, debido a fuerzas cohesivas que generalmente no están balanceadas en su superficie. Por esta razón, las moléculas superficiales pueden atraer moléculas de otros cuerpos. Lo que significa que un cuerpo sólido, puede atraer otras moléculas de una corriente de fluido de una manera similar a las fuerzas de atracción magnéticas. Con, lo que puede causar la adhesión de moléculas del fluido a moléculas de la superficie sólida. Lo que en este caso concreto ocurre, ya que las moléculas del agua son atraídas, por las moléculas de la superficie sólida. Para que el proceso de adsorción sea de alta eficiencia se requiere que el área de adsorción sea extremadamente grande. Luego para conseguir esta superficie se le comprime y se le coloca en envase pequeño, de tal forma que se expanda cuando tome contacto con la sustancia, que será adsorbida El proceso de adsorción puede ser físico o químico. Los materiales utilizados son:

Tamices Moleculares. Estos son compuestos cristalinos, que por lo general son silicatos. Los cuales, son desecantes altamente especializados y manufacturados para un tamaño de poros definidos, con lo cual permite que el desecante sea utilizado para la adsorción selectiva de un componente dado. Por lo general el tamaño de poros de los tamices moleculares anda por el orden de los 3-10 angstroms (3-10 A). Los tamices moleculares tienen una alta aplicabilidad, en el gas que servirá como materia prima para los procesos criogénicos. El proceso de deshidratación del gas natural, con el uso de tamices moleculares no es más que la fijación del vapor de agua a la superficie del cuerpo sólido, es decir remover el vapor de agua de la corriente de gas por medio del contacto con una superficie sólida, las moléculas de agua son atrapadas en la superficie debido a las fuerzas intermoleculares

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Alúmina Activada. Este material esta compuesto fundamentalmente por Oxido de Aluminio . El compuesto puede ser utilizado para deshidratar corrientes de gas y líquidos, y lo mismo adsorbe hidrocarburos pesados que puedan estar presentes en la corriente de gas, pero estos hidrocarburos son difíciles de remover. El desecante es alcalino y puede reaccionar con ácidos. Con este material se pueden condiciones muy favorables en los puntos de rocío de hasta menos cien grados (-100F). Este material tiene una gran utilidad, por ser altamente económico y de alta densidad másica, lo que le hace ser una material de alta eficiencia para el proceso, donde se esta utilizando, otra ventaja es que es fácilmente renovable, por lo tanto no hay problemas a la hora de su utilización en los diversos procesos, donde se utiliza este componentes, ampliamente reconocido en la industria de tratamiento y acondicionamientos del gas natural y sus derivados.

Silica Gel. Este es uno de los desecantes sólidos de gran utilidad, esta conformado principalmente por Oxido de Silicio y se pueden obtener puntos de rocío de hasta (-100F). El compuesto también puede adsorber hidrocarburos pesados, siendo más fáciles para remover en el proceso de regeneración, lo que hace que el silica gel se recomiende para controlar los hidrocarburos con el punto de rocío del agua en ciertas aplicaciones. El tamaño promedio de los poros de la silica gel es de 20 A. El desecante es un material ácido y puede reaccionar con componentes básicos., y causar graves problemas operacionales al proceso, además de un impacto ambiental

Carbón Activado El carbón activa es un producto tratado y activado químicamente para que tenga la capacidad de adsorción. Se utiliza, por lo general para adsorber hidrocarburos pesados y/o solventes aplicados en la corriente de gas natural, tiene poca aplicabilidad en el proceso de deshidratación del gas natural, al utilizar este componentes hay que tener cierto cuidado, ya que al parecer tiene problemas ambientales, que hay que controlar.

e.- Proceso de Extracción de Líquidos de los Líquidos del Gas Natural : Este proceso es al que se somete el gas natural rico libre de impurezas, con la finalidad de separar el gas Metano seco de los llamados Líquidos del Gas Natural,

(LGN,) integrados por Etano 62 HC , Propano ; Butanos ,Pentanos

, etc. El principal objetivo del proceso de extracción es el estudio del comportamiento de las mezclas de hidrocarburos en equilibrio bifásico. Los componentes más livianos de la mezcla Como Metano y Etano , los cuales principalmente) se concentran en la fase de vapor, mientras que los más pesados Propano ; Butanos y Pentanos se acumulan en la fase líquida.

La distribución de los componentes que se encuentran presentes en ambas fases se predice mediante las constantes de equilibrio bajo las condiciones de presión y temperatura. Al disminuir la temperatura y aumentar la presión se favorece la

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concentración de los compuestos pesados en la fase líquida y se obtienen los (LGN). Esto explica la necesidad de los procesos de extracción de líquidos de operar a temperaturas bajas. El gas natural que se envía a las plantas de extracción está constituido por metano, etano, propano, butano e hidrocarburos más pesados, así como por impurezas tales como el azufre, y otros componentes de gas natural que se consideran impurezas, y que de alguna forma pueden hacer que el proceso que se evalúa tenga una baja eficiencia, y por lo tanto cause problemas de rentabilidad.

En la República Bolivariana de Venezuela, debido al alto costo que han alcanzado los líquidos del gas natural (LGN) en el mercado nacional e internacional, todo ellos amerita un estudio severo del Comportamiento de la Planta de Extracción de Líquido del gas natural (LGN), en la Planta Santa Bárbara al eliminar la presencia de Dióxido de Carbono del gas alimentación También se suma las necesidades que representa el inicio de la industria petroquímica, se ha convertido en un reto tratar de optimizar los procesos asociados a la extracción de líquidos del gas natural. También la entrada en operación del proyecto de Etano en el Complejo Criogénico de Oriente, el cual tiene como compromiso fundamental el recobro de ese componente de la corriente de gas natural, y satisfacer con ello los requerimientos de la industria petroquímica nacional.

f.- Proceso de Fraccionamiento de los Líquidos del Gas Natural: Los Líquidos del Gas Natural (LGN) se envían a las plantas de fraccionamiento, donde se obtiene por separado Etano, Propano, Butano normal e Isobutano, Gasolina Natural y Nafta Residual, que se almacenan en forma refrigerada y presurizada en recipientes esféricos, de tal forma que pueden ser distribuidos con mucha facilidad a los centros de distribución, donde se determinar su utilización, previa planificación para evitar pérdidas innecesarias.

Proceso de Fraccionamiento de Hidrocarburos se define como la separación de los diferentes componentes de una mezcla en una corriente de gas natural, para utilizarla de manera individual. El proceso de fraccionamiento que se lleva a cabo en plantas de gas, se realiza construyendo un conjunto de torres en las cuales se va produciendo el aislamiento de los hidrocarburos de forma progresiva.

El diseño del proceso de fraccionamiento de los Líquidos del Gas Natural (LGN) se sustentan en la composición de los líquidos y, en la cantidad y especificaciones de los productos comerciales que se desean obtener, además del caudal volumétrico o tasa volumétrica de los (LGN) a la de fraccionamiento, en este caso la obtención de los líquidos del gas natural es por métodos físicos empleando para ello columnas de fraccionamiento. El número de columnas utilizadas en un tren de fraccionamiento depende Generalmente del número de productos que se desea obtener a partir de los (LGN), tal como se sabe los (LGN) son una valiosa fuente de componentes que pueden ser utilizados como combustible o, como materia prima en la industria petroquímica.

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En la República Bolivariana de Venezuela, las plantas de fraccionamiento y extracción, perteneciente a PDVSA- Gas, han alcanzado plena normalidad operacional en la Zona Oriental, todo esto ha sido posible, con la vuelta a la normalidad en las Plantas de Extracción de líquidos de Jusepín y Santa Bárbara, como también la de San Joaquín , lo mismo sucede con la Planta de Fraccionamiento ubicada en el Complejo Industrial de José, todas ellas indispensables para el abastecimiento del mercado interno y la colocación de los líquidos del gas natural en los mercados internacionales.

g.- Compresión Para hacer posible la conducción del gas a través de gasoductos es necesario aplicarle la presión necesaria para vencer la resistencia a la fricción. Los equipos que comunican presión al gas se denominan compresores, los cuales al comunicar presión reducen el volumen. La presión necesaria que habrá que aplicar al gas dependerá del uso que se le dará al gas. En las plantas compresoras se obtiene en Gas Natural Comprimido (GNC), el cual tiene múltiples usos.

h.- Transporte de Gas El transporte del gas, por lo general se realiza a través de sistemas de gasoductos, los cuales son sofisticados sistemas, que deben de ser construido guardando todas las reglas de seguridad y ambiental. En este caso la presión de trabajo debe de ser elevada en por lo menos un 20%..

i.- Almacenaje. Este proceso dependerá que el gas tenga alta o baja presión, y por lo general para almacenar gas se recomienda realizar las construcciones en subterráneos

j.- Regulación de Presiones: En diversas etapas de la industria del gas existe la necesidad de mantener una presión constante, y esto debe ocurrir en forma independiente al caudal que circula. Esto, ocurre, por ejemplo en las redes de distribución de gas a baja presión, la cual debe ser prácticamente constante y de un valor para el cual están diseñados los quemadores de los artefactos. Si la red trabajase a una presión mayor, se hace estrictamente necesario regular la presión para cada usuario, mediante reguladores individuales.

k.- La Distribución. Para, el caso del gas natural o manufacturado, la distribución se hace por redes, ahora si se trata de gas licuado, la distribución se realiza mediante envasado. La distribución por redes y gasoductos, debe de tomar una gran importancia, cuando se establezca el mercado del gas.

l.- La Medición. En este caso la medición se realiza mediante interpolación de placa de orificio. También se utilizan medidores de desplazamiento.

m.- Utilización: El gas natural tiene diversas aplicaciones en la industria, el comercio, la generación eléctrica, el sector residencial y el transporte de pasajeros. Ofrece grandes ventajas en procesos industriales donde se requiere de ambientes limpios, procesos controlados y combustibles de alta confiabilidad y eficiencia. Adicionalmente, el gas natural es utilizado como materia prima en

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diversos procesos químicos e industriales. De manera relativamente fácil y económica puede ser convertido a hidrógeno, etileno, o metanol; los materiales básicos para diversos tipos de plásticos y fertilizantes .El desarrollo y perfeccionamiento de la tecnología del gas natural han contribuido decididamente en su utilización, tanto como fuente de energía o materia prima para industrias y los principales usos son:

1.- Fuente de inyección de gas a yacimientos petroleros. Este proceso se realiza para mantener la presión en los yacimientos, ya que es de vital importancia mantener la presión de fondo, la cual se refiere a la presión medida en el fondo del hoyo o a cierta profundidad dentro del pozo, de forma de permitir una evaluación técnica de los yacimientos) En Venezuela, la presión de fondo es aproximadamente igual a la presión hidrostática. También es de importancia medir la presión de flujo, que se refiere a la presión que se mide en la superficie de un pozo, mientras produce. La presión de flujo es uno de los parámetros más importantes en la actividad de evaluación de los yacimientos, esto se realiza con el objetivo de incrementar la producción de petróleo a través de la recuperación secundaria. El Gas se inyección corresponde al denominado Gas Natural Comprimido (GNC)

2.-Combustible para uso industrial, comercial y doméstico. El desarrollo y perfeccionamiento de la tecnología del gas natural han contribuido decididamente a que esta fuente natural de energía sea factor importante en la vida moderna, tanto para la industria como para el hogar. Como combustible industrial y doméstico ofrece una serie de ventajas que sobrepasan las características, disponibilidad y eficiencia y manejo de otros combustibles sólidos o líquidos

3.- Insumo para procesos: El gas previamente tratado, y que corresponde al (GNC) sirve de insumo para la refinación petroquímica, donde por medio de plantas especialmente diseñadas se hacen recombinaciones de las moléculas de los hidrocarburos para obtener materia prima semielaborada para una cadena de otros procesos o productos finales para los mercados. También el gas natural asociado y no asociado procedente de yacimientos de gas es tratado y acondicionado para obtener gas seco de ciertas especificaciones, como metano, por ejemplo, el cual se despacha por gasoducto y red de distribución a ciudades y Centros industriales donde se utiliza como combustible.

4.- Materia prima para procesos petroquímicos. Si el gas se somete a tratamientos a adecuados y separado el metano, etano, propano y butano puede ir finalmente a las plantas petroquímicas para ser convertido en una variedad de productos semielaborados o finales. De igual manera puede ser enviado a las refinerías, donde sus moléculas son desintegradas térmicamente y, a través de extracciones adicionales derivadas de los crudos allí refinados, son enviados a las plantas petroquímicas. A su vez, las plantas petroquímicas pueden enviar productos a las refinerías. En la figura 6 se presenta un esquema resumen de todos los procesos a los que tiene que ser sometido el gas natural, para su acondicionamiento y distribución final, sea como materia prima para los procesos

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petroquímicos, como combustible vehicular o domésticos, o simplemente ser utilizados en diversos proceso, como por ejemplo los procesos criogénicos o la conversión a gas natural comprimido, de utilidad para la inyección e incremento del recobro del crudo petrolero.Figura 6 Esquema Resumen de los Tratamientos del Gas Natural

Subproductos del Gas Natural. Los principales subproductos son:

a.- Gas Natural Licuado (GNL). Este fluido, se podría decir que corresponde el (GNC) El (GNL) es un fluido que ha sido convertido a líquido en las plantas criogénicas, y esta conformado por Metano (C1) , la conversión a líquido se logra a una temperatura de (–260F). Bajo estas condiciones el Metano ocupa un volumen 600 veces menor que el que ocuparía en estado gaseoso, lo cual permite su transporte en barcos especialmente acondicionados denominados “metaneros”: Dado lo variable de la magnitud de las inversiones requeridas en el campo del (LGN) y de las diferentes tecnologías de producción de subproducto. La gama de oportunidades para la producción de Gas Natural Licuado (GNL) es amplia y ofrece indudables atractivos económicos y tecnológicos, sobre todo sabiendo que su volumen ha disminuido en más o menos 600 veces, por que se facilita su transporte.

b.- Gas Natural Vehicular (GNV) Este compuesto es el mismo gas que se distribuye en forma directa a través de redes, de transporte y distribución de gas existentes en las principales ciudades y zonas industriales del país, que podría ser el mismo (GNC), que sale de las plantas compresoras y fue transportado hasta el sitio de utilización, como también puede ser (GNL), que después de haber sido transportados por los barcos metaneros, fue regasificado, y por lo tanto puede ser utilizado En la República Bolivariana de Venezuela se ha implementado por medio de PDVSA la instalación de gas natural para vehículos y se ha obtenido

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excelentes resultados. Además por ser el gas natural un hidrocarburo limpio sin químicos ni aditivos protege y prolonga la vida del motor de su vehículo, ya que es puro (C1). Además protege el ambiente ya que no tiene ningún tipo de contaminante.La alta presión a la que actúa el (GNV) es necesaria para dotar a los vehículos, que utilizan al (GNV) como combustible de una autonomía conveniente. Todos los vehículos que funcionan a gasolina se pueden convertir a (GNV), a tal fin debe instalarse en los vehículos, uno o varios cilindros de acero como tanques contenedores de combustible, capaces de soportar la presión del (GNV). Estos combinados con una serie de otros componentes, denominados comercialmente en su conjunto “Kits de Conversión”, permiten efectuar la adaptación para utilizar GNV como combustible

El Gas Natural para vehículos (GNV) no contiene aditivos, ni se producen depósitos carbonosos en las cámaras de combustión, tampoco es afectado por el proceso de corrosión. La mezcla con el aire resulta perfecta a todos los niveles de temperatura y la combustión es total. Las características del aceite del motor se mantienen por más tiempo, y esto aporta mayores beneficios a la vida útil del motor. La utilización del (GNV), tiene también una serie de ventajas ecológicas, ya que si se compara con la gasolina, la emisión de monóxido de carbono (C0) disminuye en un 95%, mientras que la emisión de hidrocarburos tiene una disminución de 80%. También la emisión de óxidos de nitrógeno (N0x) es disminuida en un 30%.

Mientras, que la emisión de gases que contribuyen al cambio climático global, tales como el Dióxido de Carbono (C02) se reducen en un 15%. Se puede asegurar que la producción de gas natural es mucho más "limpia" que transportar y refinar petróleo y luego generar electricidad. Los tanques de gas natural y las estaciones de carga son sistemas cerrados. El uso de la gasolina implica que una cierta cantidad de la misma se evapora del tanque de combustible, contribuyendo con casi la mitad de la contaminación por hidrocarburos asociado con el uso de vehículos que funcionan con gasolina. La existencia de gasoductos evita la necesidad del transporte peligroso de gasolina por barco o camión.

El costo del gas natural, es también bastante más bajo que la gasolina, luego el uso del GNV disminuye el costo por combustible. Se considera que (1m3) de gas natural equivale en consumo a 1,13 litros de gasolina. Con lo que se ahorra usando gas natural en lugar de gasolina, se puede amortizar en unos pocos meses el costo de instalación del equipo, para el uso de GNV, en lugar de gasolina. Tampoco existe la posibilidad que haya un pronto agotamiento del GNV, ya que se estima que las reservar mundiales de gas natural exceden a las de petróleo en un 22%.

Las estadísticas indican también que los vehículos impulsados con GNV son más seguros que los que utilizan gasolina, en Estados Unidos, por ejemplo existen referencia, que en 450 millones de kilómetros viajados, no han habidos muertes atribuibles al uso del GNV, comparado con 2,2 muertes por cada 160 millones de

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kilómetros viajados con vehículos impulsados con gasolina. Nunca ha habido muertes por la explosión de un cilindro en 40.000 millones de kilómetros viajados con GNV. La temperatura de ignición para el GNV es de 700 C, en lugar de 400 C, para la gasolina, y si hay una pérdida de gas natural, se dispersa rápidamente en la atmósfera, por ser más liviano que el aire, lo que también lo convierte en una gran ventaja al compararlo con otros combustibles fósiles.

c.- Gas Transformado a Líquido (GTL) Esta transformación, es una de las vías de exportación de gas que ha incrementado sus oportunidades con el tiempo, debido a las mejoras tecnológicas asociadas a estos procesos y a la alta valorización de los líquidos que general, los cuales cumplen con las cada vez más exigentes especificaciones ambientales internacionales. Actualmente PDVSA- Gas esta analizando las condiciones técnicas y económicas requeridas para un proyecto de GTL en el Oriente Venezolano, que consiste en una planta que produciría de quince mil barriles por día de productos (15 MBNPD)

Proceso de Compresión del Gas Natural

Importancia del proceso de Compresión del Gas: Por lo general previo a la utilización de un gas es necesario someterlo a un proceso de compresión, con lo cual se incrementa el nivel energético del gas. El aumento de energía se logra mediante el trabajo que se ejerce sobre el fluido en el compresor. El aumento de energía se manifiesta por incrementos de presión y en la mayoría de los casos por aumentos de la temperatura.

Un ejemplo del proceso de compresión del gas, es cuando se quiere transportar gas a través de los gasoductos, en este caso se requiere aplicar una presión necesaria para vencer la resistencia de frotamiento. Cuando los compresores comunican presión en el gas, que es un fluido compresible reducen el volumen del gas. El gas que se obtiene en el proceso de compresión se denomina Gas Natural Comprimido (GNC), que viene a ser un gas fácil de transportar a través de gasoductos o en embases adecuados, una de las principales utilidades del (GNC) es utilizarlo como Gas Natural Vehicular (GNV), para lo cual se recomienda mantener lo siguiente:

A efectos de economizar combustible, en la utilización del (GNV) se recomienda mantener el motor y el regulador de GNC a punto. Disminuirá sensiblemente el consumo. Asimismo resultará conveniente: Mantener la limpieza de las bujías y el buen estado del sistema eléctrico asociado, pues ello favorecerá la obtención de una buena chispa. Se debe de mantener siempre la puesta a punto del motor. Limpiar o cambiar regularmente el filtro de aire, lo que permitirá obtener una combustión óptima. Evitar, en lo posible, las aceleraciones bruscas. Tener en cuenta que las marchas constantes disminuyen el consumo de combustible. Alcanzar la temperatura de régimen del motor antes de iniciar la marcha. Concurrir a un taller de montaje habilitado para realizar el control periódico de su equipo y ante el menor indicio de posibles pérdidas de gas. Evitar las aceleraciones o mantenimiento de marchas innecesarias

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Para la utilización del (GNC) en la industria se recomienda verificar el funcionamiento de los sistemas de combustión por medio de la intervención de un matriculado o del fabricante del equipo. Dicho control, como mínimo deberá abarcar lo siguiente. La calidad de la combustión mediante el análisis de los gases productos de la combustión (temperatura, componentes y características del proceso) La calibración de los instrumentos de medición, por ejemplo los que controlan las variables que intervienen en el proceso de la combustión. Los enclavamientos de seguridad. Los tiempos de cierre de válvulas automáticas de bloqueo ante falla del encendido .La hermeticidad del cierre de esas válvulas. La verificación periódica de posibles fugas. Los múltiples usos y utilidades del gas natural comprimido, el cual esta conformado fundamentalmente por Metano, es la actualidad una de las mayores utilidades del gas natural, tanto asociado o no asociado, que se obtiene en la industria de los hidrocarburos gaseosos. También la gasificación de las ciudades, es otra de las utilidades prácticas del gas natural comprimido.

Justificación del proceso de Compresión La compresión del gas se realiza en diferentes situaciones, tales como:

a.- para efectuar extracción desde los equipos de producción.

b- .En la captación del gas natural a baja presión para aspirarlo de las redes conectadas a los cabezales de los pozos.

c.-En el transporte con el objetivo de conducir el gas producido a través de gasoductos o redes de bombeo.

d.-. En el almacenaje, cuando el mismo se efectúa a alta presión y no se cuenta con presión disponible de alguna de las etapas precedentes mencionadas.

e.-En la utilización, en caso de tratarse de un consumo industrial cuyo artefacto requiera una presión mayor que la de distribución.

f.- Cuando requerirse comprimir el gas en casos especiales tales como en plantas de tratamiento; plantas de reinyección de gas natural a la napa petrolífera, almacenaje subterráneo, procesos de refrigeración, consumo industrial no petroquímico o doméstico en forma de materia prima y/ o combustible, etc.

Se puede concluir que los compresores son el vínculo esencial en el proceso de conversión de la materia prima en productos terminados. Los compresores tienen, también la capacidad de transformar la energía de una forma a otra, también son importantes a la hora de la conservación de la energía en las plantas de reinyección de gas natural, en el procesos de recuperación secundaria. La economía y viabilidad de todas las aplicaciones de los compresores dependen de la confiabilidad de los mismos, y de la capacidad que tenga el usuario para seleccionar el compresor adecuado, para manejar un determinado gas a las

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SEPARADOR

P3 T3

P1 T2 P1 T1

P2 T2

INTERCAMBIADOR DE CALOR

SEPARADOR INTERCAMBIADOR DE

CALOR

COMPRESOR

P3 T4

condiciones de operación deseada. Luego es de vital importancia los criterios de selección de un compresor, de tal forma que el proceso de compresión sea una alta eficiencia, y mantengan los niveles adecuados de rentabilidad, que son necesarios en cualquier proceso industrial.Descripción del Proceso de Compresión del Gas Natural: La compresión se refiere al aumento de energía que se logra en un fluido gaseoso por medio de un trabajo que se efectúa sobre él, los fluidos que más comúnmente se comprimen son: el aire, gas natural, componentes separados del gas natural y gases comerciales con propósitos industriales. El gas natural se somete a un proceso de compresión para elevar su nivel energético, los compresores tienen como función principal aumentar la presión del gas, por lo cual el compresor somete el gas a un trabajo de tal manera que se incremente la energía total del mismo, este incremento se manifiesta por aumentos de presión y temperatura. El proceso de compresión del gas natural se puede representar a través de un proceso termodinámico; en donde el gas con una presión P1, se comprime y posteriormente se descarga a los niveles de presión P2 superiores requeridos. Este proceso puede darse en una o varias etapas. En la figura 7 se presenta un diagrama simplificado de un sistema de compresión.

Figura 7 Diagrama Simplificado de un Sistema de Compresión

En la figura 7 se puede observar que el gas proveniente de la fuente entra a un intercambiador de calor donde se reduce la temperatura desde T1 hasta T2. Producto de este descenso en la temperatura, se puede o no producir la condensación de ciertos componentes, que conforman la mezcla, por lo tanto en aquellos casos donde este proceso se produzca, es necesario instalar un separador, del cual salen típicamente dos corrientes, una de gas por el tope y una de líquido por el fondo; la corriente de gas es enviada hacia el compresor en donde se eleva la presión desde P2 hasta P3, lo que origina un aumento de temperatura desde T2 hasta T3; la corriente de gas que sale del compresor a T3

entra a un intercambiador de calor de donde sale a una temperatura menor T4;

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esta corriente de gas, con cierto contenido de líquido, es enviada a un separador de donde salen dos corrientes, una de gas por el tope y una de líquido por el fondo; así se cuenta con el volumen de gas a las condiciones de presión y temperatura requeridas por el proceso.Proceso de Compresión del Gas Natural: En el proceso de compresión del gas natural, los compresores tienen como función principal, aumentar la presión del fluido gaseoso, con el aumento de la presión son comprimidos y por ende pueden ser almacenado o confinados en recipientes de determinados volúmenes. El proceso de compresión es una parte integral de los ciclos para refrigeración y las turbinas de gas. Los compresores son máquinas que disminuyen el volumen de una determinada cantidad de gas y aumenta su presión, todo esto ocurre a través de procedimientos mecánicos. Luego el gas comprimido posee una gran energía potencial. El aumento en la energía potencial se debe a que en el proceso de compresión se elimina la presión a la cual esta sometido el gas, y durante la compresión se expande rápidamente.

El control de esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas máquinas y herramientas. El proceso de compresión, como proceso es termodinámico, el cual se lleva a cabo a través de una serie de etapas. La principal función de los compresores es someter el gas a un trabajo, para así aumentar la energía total.

Representación Termodinámica del proceso de Compresión del Gas Natural: El proceso de compresión del gas natural se puede representar a través de un proceso termodinámico. Para ello, una cantidad determinada del gas al inicio del proceso se encuentra en un nivel inferior de presión Luego se comprime y posteriormente, se descarga a los niveles de presión superiores requeridos. Este proceso se repite de manera continua Dependiendo de la aplicación que se vaya a dar los compresores.

Todo compresor esta compuesto por uno o más elementos básicos. Un solo elemento, o un grupo de elementos en paralelo, comprenden un compresor de una etapa. En realidad la mayoría de los problemas de compresión, es que están involucradas condiciones, que representan mucho más de una sola etapa de compresión. Luego, si el proceso de compresión involucra mucho más de una etapa, se relaciona con la relación de compresión, que no es otra cosa que la relación entre la presión de descarga y succión. Lo que indica que la relación de compresión es la relación matemática entre el valor numérico de la presión de descarga dividido por el valor numérico de la presión de succión. Esta relación permite determinar el número de etapas del proceso de compresión.

Una relación de compresión demasiado elevada causa una excesiva temperatura de descarga y otros problemas de diseño, uno de los principales problemas, en este caso es el calentamiento del cilindro compresor. Por lo tanto, puede ser necesario combinar elementos o grupos de elementos en serie para formar una unidad de etapas múltiples, en la cual habrá dos o más pasos de compresión. El gas se enfría con frecuencia entre las etapas para reducir la temperatura y el

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volumen que ingresa a la siguiente etapa. Cada etapa en sí misma es un compresor básico individual y esta dimensionado para operar con uno o más compresores básicos adicionales, y aun cuando todos puedan operar a partir de una sola fuente de poder, cada uno sigue siendo un compresor separado.Planta Compresora Se entiende por planta compresora a una instalación diseñada para aumentar la presión del gas natural recolectado, desde un nivel de menor presión a uno de mayor de presión con el objeto de transportar el gas Las plantas compresoras pertenecen al sistema básico de producción de la industria petrolera El gas natural cumple un ciclo en su recorrido, desde su producción por los pozos productores hasta su retorno al yacimiento, pasando por las estaciones de producción y las compresoras. La mezcla de hidrocarburos crudo – agua - gas asciende desde el fondo del pozo fluyente hasta la superficie, dirigiéndose por medio de las redes de transmisión a las distintas estaciones de producción, donde se inicia el proceso de separación. El crudo es enviado a la estación de descarga para ser tratado, el agua sé reinyecta a los yacimientos y el gas se transporta por medio de tuberías hasta la planta, donde es comprimido por la acción de unidades motocompresoras para ser reinyectado en los yacimientos que han perdido su energía natural por el agotamiento de la presión

Una planta compresora está normalmente formada por una o más unidades compresoras, accionadas cada una de éstas por un motor que normalmente es de combustión interna. Las unidades motocompresoras se instalan en el inferior de los edificios especialmente diseñados para protegerlas de la acción del medio ambiente y a la vez facilitar las tareas de operación y mantenimiento de las mismas. En la figura 8 se presenta una Planta Compresora Utilizada por la Empresa Petróleos de Venezuela

Figura 8 Una Planta Compresora de Petróleos de Venezuela

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Parámetros de Importancia en el Proceso de Compresión del Gas Natural. El gas natural utilizado en el proceso de compresión esta conformado por una mezcla de diferentes componentes, los cuales constituyen una mezcla. Y, para un eficiente proceso de compresión es necesario conocer con mucha precisión las propiedades que definen una mezcla y su comportamiento. La mayoría de estos conceptos han sido tratado en este texto, pero es conveniente tener en cuenta, la necesidad de recordar siempre: Mol; Volumen específico, densidad, volumen y porcentaje molar, peso molecular aparente; gravedad específica, presión parcial, calor específico a presión y volumen constante, condiciones críticas y reducidas y Factor de compresibilidad. Todos estos parámetros deben de ser manejados por el usuario, para una mejor compresión del capítulo, entre los parámetros se tiene.

a.- Presión de Vapor (PV) A medida que los líquidos se transforman físicamente en gases, sus moléculas viajan a mayor velocidad y algunas emergen del líquido para formar vapor sobre el mismo. Estas moléculas crean una presión de vapor, la cual es la única presión a una temperatura determina, en donde un líquido puro y su vapor coexistan en equilibrio. Si en un sistema cerrado líquido- vapor, el volumen se reduce en forma isotérmica, la presión se incrementará hasta que la condensación de parte de vapor a líquido haya disminuido la presión hasta la presión de vapor original correspondiente a dicha temperatura. Es lógico que la temperatura correspondiente a cualquier presión de vapor dada corresponde al punto de ebullición del líquido, así como el punto de rocío del vapor. Si se agrega calor, causará que el líquido hierva y, si se reduce el calor, se iniciará la condensación del vapor.

Esto significa, que los términos: Temperatura de saturación, punto de ebullición y punto de rocío, se refieran a la misma temperatura física a una presión de vapor dada. Su empleo depende del contexto que les rodee. La presión de vapor para gases puros se puede obtener en forma gráfica, como también las tablas de las propiedades del vapor saturado muestran su relación entre la temperatura y la presión de vapor.

La presión de vapor creada por un líquido puro no afectara la presión de vapor de un segundo líquido puro, cuando los líquidos sean insolubles y no reactivos, y los líquidos o vapores se mezclen dentro del mismo sistema. Además, la presión total del vapor será la suma de las presiones de vapor de cada componente presente en la mezcla. Los principios de la presión parcial son aplicables durante el proceso de compresión de cualquier gas que no sea un gas puro o un gas seco. Después de la compresión, las presiones parciales se emplean para determinar la condensación y remoción de la humedad en interenfriadores y postenfriadores.

En una mezcla, cuando se alcanza la temperatura de rocío de cualquier componente, se dice que el espacio ocupado esta saturado por ese componente En ocasiones, un volumen sé específica como parcialmente saturado con vapor de agua a una cierta temperatura Esto significa que el vapor se encuentra en realidad sobrecalentado y que el punto de rocío es menor a la temperatura real. La presión parcial del componente en cuestión se determina si se conocen los moles de cada

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componente o multiplicando la presión de vapor del componente a la temperatura de la mezcla existente, por la humedad relativa. Los términos gas saturado o gas parcialmente saturado son incorrectos.El gas no es el que esta saturado con vapor, sino el volumen o espacio ocupado. El vapor y el gas existen de manera independiente en un volumen o espacio.

b.- Gas y Vapor Por definición un gas es un fluido que no tiene ni forma ni cuerpo independiente y que tiende a expandirse de manera indefinida. Mientras que un vapor es un líquido o sólido gasificado, una sustancia en forma gaseosa. Todos los gases pueden licuarse bajo condiciones adecuadas de presión y temperatura y, por lo tanto, también pueden llamarse vapores. Por, lo general el término gas se emplea cuando las condiciones son tales que el retorno al estado líquido sería difícil dentro del rango de operación considerado. Sin, embargo, un gas sometido a tales condiciones es, en realidad un vapor sobrecalentado.

c.- La humedad relativa (HR) Este término se emplea para representa la cantidad de humedad presente en una mezcla, aunque se emplean presiones parciales al hacerlo, lo que desde luego trae algunos problemas, ya que el término presión parcial es utilizados para los gases ideales, luego para gases reales, habría que necesariamente utilizar el parámetro fugacidad, por ejemplo, en todo caso la fórmula matemática es:

%HR = (2)

En donde:(PV) es la presión parcial real del vapor y (PS) es la presión saturada de vapor a la temperatura existente de la mezcla. Con mucha frecuencia el término humedad relativa se toma en consideración solo en conexión con el aire atmosférico, pero debido a que es indiferente a la naturaleza de cualquiera de los otros componentes o a la presión total de la mezcla, el término es aplicable al contenido de vapor en cualquier problema sin importar las condiciones. También es necesario tener en cuenta que la presión de vapor del agua saturada a una temperatura dada es siempre conocida a partir de tablas o gráficas de vapor. Luego, lo que se desea conocer es la presión de vapor parcial existente, la cual puede calcularse cuando se indica la humedad relativa.

d.-La humedad específica (SH) Este parámetro es empleado para los cálculos de ciertos compresores es un término totalmente diferente de la humedad relativa. Se define como la relación del peso del vapor de agua entre el peso del aire seco, y se representa por la fórmula:

SH = (3)

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En donde (Pa) es la presión parcial del aire es el peso del vapor y es el peso del agua. El grado de saturación (GS) denota la verdadera relación entre el peso de humedad existente en un espacio y el peso que habría si el espacio estuviera saturado:

%GS= = (4)

La aplicación práctica de las presiones parciales en los problemas de compresión, se centra en gran medida alrededor de las determinaciones de los volúmenes o pesos de la mezcla que se manejarán en la succión de cada etapa de compresión.

e.-Mol: Este parámetro es de vital importancia cuando se trabaja con mezcla de gases, su aplicabilidad se sustenta en la Ley de Avogadro, ya que al cumplirse esta ley, es válido señalar que el peso de los volúmenes iguales de los gases serán proporcionales a sus pesos moleculares.

Tipos de Compresores Un compresor es una máquina térmica generadora, donde el flujo de un fluido compresible intercambia trabajo técnico con el exterior. Estos aparatos Se utilizan para comprimir gases, el principal objetivo del proceso de compresión es aumentar la presión, diminuyendo con ello el volumen específico En los distintos usos industriales son de gran utilidad, y se utilizan de diversos tipos, según las necesidades. Los compresores se relacionan por su forma de trabajo con las bombas o máquinas hidráulicas, que se utilizan para trabajar con líquidos, aunque los compresores trabajan fundamentalmente con gases y vapores.

Clasificación de los Compresores: Los compresores pueden clasificarse según diferentes criterios. Así, en función de la presión final alcanzada se habla de compresión de baja, media, alta y muy alta presión. Son numerosas las aplicaciones de los compresores, en la industria, como por ejemplo: Turbinas, instalaciones frigoríficas, gaseoductos, sobrealimentación de motores de combustión interna, para máquinas neumáticas, industria química en general, etc.

El proceso de compresión es de tipo mecánico, proceso que necesita de trabajo auxiliar para el proceso. Los compresores consumen trabajo. Si el estudio del proceso de compresión, se realiza desde el punto de vista mecánico, lo cual es válido, ya que trabajar con gases o vapores, tiene su similitud con la mecánica de las turbinas de vapor (que producen trabajo) y con las bombas que trabajan con líquidos. El estudio termodinámico de la compresión es válido para todos los tipos, distinguiéndose dos formas de trabajo, adiabáticos y refrigerados Este ultimo, por lo general es un proceso isotermo, con lo cual requieren menos trabajo que los adiabáticos, entendiendo por un proceso adiabático, aquel que ocurre sin intercambio de calor entre el sistema y medio ambiente.

En general se puede asegurar que los compresores son maquinas de flujo continuo en donde se transforma la energía cinética (velocidad) en presión. La

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capacidad real de un compresor es menor que el volumen desplazado del mismo, debido a razones tales como:

a.- Caída de presión en la succión.b.- Calentamiento del aire de entrada.

c.- Expansión del gas retenido en el volumen muerto.

d.- Fugas internas y externas

Tipos de Compresores Utilizados en la Industria En general: En la industria fundamentalmente son:

a.- Compresores de Desplazamiento Positivo En todas las máquinas de desplazamiento positivo, una cierta cantidad de volumen de gas de admisión se confina en un espacio dado y después se comprime al reducir este espacio o volumen confiando. En esta etapa de presión elevada, el gas se expulsa enseguida hacía la tubería de descarga o al sistema contenedor. Los compresores de desplazamiento positivo incluyen un amplio espectro de máquinas compresores, pero los de mayor importancia se pueden clasificar en dos categorías básicas: Reciprocantes y Rotatorias, los cuales son ampliamente utilizados en los procesos de compresión del gas natural, en la gran mayoría de los países que manejan la industria del gas natural.

Compresores Reciprocantes: Estos compresores son ampliamente utilizados en la industria petrolera, como también en las plantas de refinación, químicas y petroquímicas, en aplicaciones tales como: la inyección de gas natural a los yacimientos para mantener la presión de la formación, la inyección de gas natural a la columna de fluidos del pozo o levantamiento artificial, la distribución de gas en redes de suministro, compresión de aire para instrumentación y control y muchas otras aplicaciones. Estos compresores pueden ser de una etapa (simple) o de múltiples etapas; el número de etapas está determinado por la relación de compresión (presión de descarga / presión de succión), la cual a su vez está limitada por la temperatura máxima permisible de descarga del gas a la salida del compresor

Según lo estipula la norma API 617 para el diseño y manufactura de compresores reciprocantes se ha establecido, en base a recomendaciones de los fabricantes de compresores, una temperatura máxima permisible de 300 F para el gas a la descarga del compresor, razón por la cual la relación de compresión por etapa por lo general no excede de cuatro (4), produciendo con ello un proceso suficientemente eficiente, por lo que se considera de alta utilidad práctica, para la industria de los hidrocarburos gaseosos.

Los compresores reciprocantes, por tener más partes en movimiento, tienen una eficiencia mecánica más baja que otros compresores, cada cilindro consiste en un pistón, el cilindro propiamente dicho, cabezales de los cilindros, válvulas de

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succión y descarga y todas las partes necesarias para convertir el movimiento de rotación en desplazamiento positivo. En la figura 9, se pueden apreciar los principales componentes de un compresor reciprocante, y su respectiva función en el proceso de compresión.Figura 9 Partes de Un Compresor Reciprocante

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

El compresor reciprocante emplea válvulas automáticas accionadas por resortes que se abren sólo cuando existe una presión diferencial adecuada que actúa sobre la válvula, las válvulas de admisión se abren cuando la presión en el cilindro es un poco inferior a la presión de aspiración, las válvulas de descarga se abren cuando la presión en el cilindro es un poco superior a la presión de descarga. Estas válvulas de succión y descarga se encuentran ubicadas alrededor del cilindro, así como las chaquetas de agua que permiten la refrigeración del cilindro removiendo el calor generado durante la compresión.

En términos generales se puede señalar que el compresor reciprocante tiene uno o más cilindros en los cuales hay un pistón o embolo de movimiento alternativo que desplaza un volumen positivo en cada carrera. Los rotatorios incluyen los

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Biela

Barra del Pistón

Pistón

Válvulas

Chaquetas de agua

Empaque

CrucetaVálvula manual de cavidad de

espacio libre

CigüeñalEspaciador

Guía de la Cruceta

Bastidor

tipos de lóbulos, espiral, aspas o paletas y anillo de líquido. Cada uno con una carcasa, o con más elementos rotatorios que se acoplan entre sí, como los lóbulos o las espirales, o desplazan un volumen fijo en cada rotación.Los compresores reciprocantes son de gran utilidad en el tratamiento del gas natural, y-.abarcan desde una capacidad muy pequeña hasta unos tres millones de pies cúbicos normales por segundo (3MMPCNS) En los equipos de procesos, por lo general, no se utilizan mucho los tamaños grandes y se prefieren los compresores centrífugos. Si hay alta presión y un gasto más bien bajo, se necesitan los compresores reciprocantes. El número de etapas o cilindros se debe seleccionar con relación a las o temperaturas de descarga, tamaño disponible para los cilindros y carga en el cuerpo o biela del compresor. Los tamaños más bien pequeños, hasta unos 100 Caballos de Fuerza (HP) pueden tener cilindros de acción sencilla, enfriamiento con aire, y se pueden permitir que los valores de aceite en él deposito se mezclen con el aire o gas comprimidos. Estos tipos sólo son deseables en diseños especiales modificados.

Los tipos de compresores reciprocantes pequeños para procesos, de un cilindro y 25 o 200 caballos de fuerza (HP) tienen enfriamiento por agua, pitón de doble acción, prensaestopas separado que permite fugas controladas y pueden ser del tipo no lubricado, en el cual el lubricante no toca el aire o gas comprimido. Se utilizan para aire para instrumentos o en aplicaciones pequeñas para gas de proceso. Los compresores reciprocantes más grandes para aire o gas son de dos o más cilindros. En casi todas las instalaciones, los cilindros se disponen en forma horizontal y en serie de modo que presenten dos o más etapas de compresión

La compresión reciprocante se realiza con una unidad independiente, que le suministra la energía necesaria a los cilindros de compresión, para realizar el trabajo de compresión del gas. Por la naturaleza del mecanismo, un compresor reciprocante es una instalación cuya capacidad se mantiene relativamente constante. Los compresores reciprocantes Son máquinas de desplazamiento positivo, en las cuales el elemento que comprime se desplaza es un pistón que tiene un movimiento alternativo de un cilindro.

Los compresores reciprocantes son conocidos como unidades de volumen constante y presión variable. El sustento es que cada compresor está diseñado para manejar un volumen de gas determinado, a la presión de descarga que sea diseñado. Se caracterizan por suministrarle gas limpio, por lo que filtros o depuradores de succión son recomendados. Los compresores reciprocantes no pueden manejar líquidos satisfactoriamente. Los líquidos tienden a generar graves daños a la unidad, y provocan una disminución de la eficiencia del cilindro compresor, y teniendo en cuenta que del proceso de compresión, dependen muchos otros procesos Los compresores reciprocantes se pueden clasificar, según:

a.- Su velocidad de operación. En este caso se tiene compresores de baja velocidad, la cual oscila entre 300 y 600 Revoluciones por Minuto (RPM). Compresores de alta velocidad, la cual tiene un valor de entre 850 y 1000 RPM.

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b.-La conexión de los elementos motrices. A este grupo pertenecen los compresores Integrales, que tienen una gran influencia en el proceso de compresión.Estos compresores, tienen como característica, que los pistones de compresión y los del motor están acoplados al mismo cigüeñal. A este grupo pertenecen, también Los Compresores de Cuerpos Separados u Opuestos Balanceados. Aquí los pistones de compresión están colocados en forma opuesta unos contra otros, acoplados a un cigüeñal distinto al del motor La torsión del motor a los pistones de compresión se transmite a través de un acople mecánico, que permite una mayor eficiencia del proceso de compresión.

Plantas de Recuperación de Vapor (REVA): Las recuperadoras de Vapor, están compuestas por unidades compresoras de tipo tornillos accionados mediante motores eléctricos, tiene como objetivo comprimir el gas separado en los Tanques de estabilización de los Módulos de Producción e incorporarlos a los gasoductos de recolección de las estaciones. Las (REVAS), están formadas

por patines, cada uno equipado con un depurador de entrada, dos compresores de tornillo, lubricados con aceite, cada compresor tiene una capacidad de compresión de 2,5 MMPCND A la salida de cada compresor esta instalado un separador gas-aceite, que se denomina coalescedor, equipo que se utiliza para limpiar el gas que sale de los mismos, el aceite recuperado en el coalescedor se hace pasar por unos filtros de aceite, en donde se retiran las impurezas, tales como (asfáltenos, partículas sólidas), luego de los filtros de aceite, el mismo se pasa por un centrifugador, en donde se completa la limpieza del aceite, antes de entrar de nuevo al sistema de lubricación del compresor. Los tres patines están ubicados bajo techo en un galpón diseñado y construido para tal fin. El sistema de control de los paquetes de compresión es local y supervisado. En la figura 10 se presenta un compresor de tornillo rotatorio, utilizado en el proceso REVA.

Figura 10 Compresor de Tornillo Rotatorio

Compresor de Tornillo Base Rotatorio: El compresor de tornillo es un compresor de desplazamiento con pistones en un formato de tornillo. Las piezas principales del elemento de compresión de tornillo comprenden rotores machos y

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hembras que se mueven unos hacia otros mientras se reduce el volumen entre ellos y el alojamiento. La relación de presión de un tornillo depende de la longitud y perfil de dicho tornillo y de la forma del puerto de descarga. El tornillo no está equipado con ninguna válvula y no existen fuerzas mecánicas para crear ningún desequilibrio. Por tanto, puede trabajar a altas velocidades de eje y combinar un gran caudal con unas dimensiones exteriores reducidas. Los compresores de tornillo son de gran utilidad en las plantas de Recuperación de Vapor (REVA). En la figura se presenta un esquema básico de un compresor de tornillo.

Los compresores de doble tornillo de lubricación han operado exitosamente con aceites a base de petróleo, fluidos para transmisión automática, diésteres sintéticos, polialfaolefinas, hidrocarburos sintétizados y poliglycoles. La tendencia es a usar aceites sintéticos. Cualquiera que sea el lubricante seleccionado, la temperatura de descarga para un compresor de gas se debe mantener lo bastante alta para evitar la condensación en el lubricante y durante la operación con carga parcial. Por lo general, se logra con una valvula térmica graduada para mantener la temperatura minima de inyección de 140 a 165F Los separadores estándar de aceite limitan el arrastre de aceite a 5 ppm o menos. Este arrastre se puede reducir todavía más con un tratamiento opcional. En las REVAS, el aciete que mayormente utilizan los compresores de tornillo, son los acietes minerales o sintéticos.

El compresor de tornillo es un compresor de desplazamiento con pistones en un formato de tornillo. Las piezas principales del elemento de compresión de tornillo comprenden rotores machos y hembras que se mueven unos hacia otros mientras se reduce el volumen entre ellos y el alojamiento. La relación de presión de un tornillo depende de la longitud y perfil de dicho tornillo y de la forma del puerto de Descarga El tornillo no está equipado con ninguna válvula y no existen fuerzas mecánicas para crear ningún desequilibrio. Por tanto, puede trabajar a altas velocidades de eje y combinar un gran caudal con unas dimensiones exteriores reducidas.

Los compresores de doble tornillo de lubricación han operado exitosamente con aceites a base de petróleo, fluidos para transmisión automática, diésteres sintéticos, polialfaolefinas, hidrocarburos sintétizados y poliglycoles. La tendencia es a usar aceites sintéticos.Cualquiera que sea el lubricante seleccionado, la temperatura de descarga para un compresor de gas se debe mantener lo bastante alta para evitar la condensación en el lubricante y durante la operación con carga parcial. Por lo general, se logra con una valvula térmica graduada para mantener la temperatura minima de inyección de 140 a 165 F Los separadores estándar de aceite limitan el arrastre de aceite a 5 ppm o menos. Este arrastre se puede reducir todavía más con un tratamiento opcional.

Descripción del proceso de las REVAS: El vapor acumulado en cada uno de los tanques de las estaciones de Flujo (a una temperatura aproximada de 130 F y una presión promedio de 15 lpcm sale a través de una tubería de (26) ó (24) pulgadas (dependiendo la estación) pasando por un arrestallamas (uno por cada línea de

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tanque) que tiene como función aislar ó contener cualquier llama que se pueda producir en caso de un incendio provenientes del sistema de la REVA. El Vapor proveniente de cada uno de los tanques se une en un cabezal de treinta y seis (36) pulgadas pasando por separador vertical a la entrada de los compresores, el cual distribuye la corriente en el patín de compresión. Dicho patín está conformado por dos compresores en paralelo, tipo tornillo con una capacidad máxima de 2,4 MMPCND.

Mejoramiento de los Compresores Utilizados en las REVAS: Uno de los puntos necesarios para el diagnostico por condicion de los compresores de tornillo (REVAS) es la colocacion de una valvula en las tuberias antes de los filtros, es decir a la salida del compresor, y otra valvula a la salida del filtro para obtener muestras de aceites representativas al momento de una inspección. La muestra de aceite tomada a la salida del compresor permite verificar por medio de un analisis de metalografico y/o conteo de particulas el numero de las mismas, tamaño y posible procedencia; ademas de analisis fisico-quimicos (Grado de viscosidad, TAN, TBN. etc). La toma despues del filtro permitira verificar la condición en que se encuetran los mismo verificando asi su condición.

Otro de los puntos necesarios es la colocacion de manometros de presion y medidores de temperatura a la entrada y a la salida de las tuberia del gas de proceso, son de vital importacia en el monitoreo por condición de los equipos. Cabe destacar que existen casos en que estos equipos estan instalados pero se encuentran descalibrados y/o dañados.

Se requiere la instalacion de un medidor de caudal; ya que por medio de este se pueden realizar pruebas de eficiencias a estos equipos. El fabricantes de los compresores de tornillo (REVAS) instalados en el Distrito Social Norte recomienda el uso de un aceite lubricante sintetico de producto base poliglycol que posea una buena estabilidad termica, resitencia a la dilución por el gas, resistencia a la absorción por el gas, compatibilidad química, compatibilidad con catalizadores y fluidez a bajas temperaturas(ver anexo A). La tabla que se muestra a continuación detalla las caracteristicas minimas requeridas que debe poseer el aceite para el buen funcionamiento de este tipos de compresores

Elemento Básico de un Cilindro Compresor Reciprocante: El elemento básico de compresión reciprocante es un único cilindro que comprime en un solo lado del pistón, es por ello, que se denomina efecto simple. Mientras, que si una unidad comprime en ambos lados del pistón, en este caso la acción se denomina efecto doble. El efecto doble consiste de dos elementos básicos de efecto simple que operan en paralelo en una misma carcasa fundida. El compresor reciprocante emplea válvulas automáticas accionadas por resortes que se abren solo, cuando existe una presión adecuada, para llevar a cabo el proceso de compresión. Esta presión adecuada actúa sobre la válvula. Las válvulas de admisión se abren cuando la presión del cilindro es un poco inferior a la presión de succión.

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Las válvulas de descarga se abren cuando la presión en el cilindro es un poco superior a la presión de descarga. Los compresores reciprocantes, suelen ser apropiados para manejar flujos de caudales reducidos y elevadas relaciones de compresión (r). En términos generales, se puede señalar que estos compresores pueden ser utilizados en casi todos los rangos de presión y volúmenes moderados.

Compresores Rotatorios Los sopladores, bombas de vacío y compresores rotatorios son todos de desplazamiento positivo, en los cuales un elemento rotatorio desplaza un volumen fijo con cada revolución. El más antiguo y conocido es el soplador de lóbulos, en el cual dos o tres rotores en forma de ocho (8) se acoplan entre sí y se impulsan con engranes de sincronización montados en cada eje. Los sopladores de lóbulos van desde muy pequeños, para compresores producidos en serie, desde unos dos pies cúbicos por minutos (2 /min), hasta los más grandes, para unos veinte mil pies cúbicos normales por segundo (20000 PCNS). Estos compresores se usan principalmente como sopladores de baja presión, que comprimen el aire o gases desde la presión atmosférica hasta 5 a 7 (lpcm) y, algunos hasta 25 (lpcm), en tipos especiales. También se utilizan mucho como bombas de vacío, que son en realidad compresores que funcionan con presiones de succión inferiores a la atmosférica y con presiones de descarga iguales a la atmosférica o un poco mayores.

El segundo estilo de los compresores rotatorios es el de aspas o paletas deslizantes, que tiene un rotor con ranuras, dentro de las cuales se deslizan las aspas hacia dentro y afuera en cada revolución. Las aspas atrapan el aire o gas y en forma gradual reducen su volumen y aumentan la presión, hasta que escapa por orificios en la carcasa. En las industrias de procesos químicos los tipos de lóbulos y de aspas tienen aplicación limitada porque producen presiones bajas y sólo se pueden obtener, en general con carcasa de hierro fundido, que los hacen inadecuados para ciertos gases corrosivos o peligrosos.

Un tercer tipo es el compresor de espiral rotatorio que se utilizan para altas presiones y vienen en tamaños grandes. Están disponibles en estructuras enfriadas por aceite y secas. Sus capacidades van desde unos 50 hasta 3500 (PCNS) en el tipo inundado por aceite, y de 1000 a 20000 PCMS en los de tipo seco, estos pueden funcionar a velocidades de 10000 a 12000 (RPM) y con presiones de descarga de 200 a 400 (lpcm), o sea un aumento de 50 (lpcm) por carcasa

Compresores Dinámicos Estos compreso se fundamentan en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y luego convertir esta velocidad en energía de presión. Con frecuencia a estos compresores se les denomina turbocompresores .Las máquinas centrífugas comprenden casi el 80% de los compresores dinámicos. Los compresores centrífugos tienen por lo general muy pocos problemas, en el proceso de compresión del gas. Además son confiables para comprimir cualquier tipo de gas. En un compresor dinámico, el aumento de presión se obtiene comunicando un flujo de gas a una, cierta velocidad o energía

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cinética, que se convierte en presión al desacelerar el gas, cuando este pasa a través de un difusor, el cual hace la conversión de velocidad a energía cinética, para la explicación y sustentación de este procesos, necesariamente se debe de recurrir a la física clásica, y los postulados matemáticos necesarios, dar una alta claridad y explicación a este proceso. En este tipo de compresores se tiene: los Centrífugos y los Axiales.

Compresores Centrífugos: En los compresores centrífugos el aumento de presión viene dado por el intercambio de energía entre el impulsor del compresor y el gas; en el impulsor, el gas es acelerado y comprimido al mismo tiempo, a la salida de éste el gas adquiere su más alto nivel de energía, la cual es producto del incremento de presión y la energía cinética impartida por el impulsor. La energía cinética proveniente del impulsor es recibida por el gas y transformada en energía potencial una vez desacelerado éste en el difusor del compresor, localizado aguas abajo del impulsor, aproximadamente las dos terceras partes del incremento de presión del gas es generado en el impulsor y el resto se genera en el difusor a través de la reducción de la velocidad del gas. Todo esto se representa en la figura 11.

Figura 11. Etapas de un Cilindro Compresor Centrifugo

En la figura 11 se presentan las diferentes herramientas que conforman el cilindro compresores, y también muestra en forma gráfica en incremento de la presión, que ocurre en el proceso de compresión. Es decir, que presenta en forma gráfica la diferencia entre la presión de succión y descarga Los compresores centrífugos son los equipos de compresión que más se han desarrollado en los últimos años.

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C

B

A Impulsor

Difusor

Canal de retorno o voluta

Impulsor

Difusor

Curva de

VelocidadC

urva de Incremento de

Presión

Incremento de

Presión

en el Difusor

Incremento de Presión en el

Impulsor

2/3

1/3

Incremento de Presión Total generado en una

etapa de compresión

Esto se debe a que en muchas aplicaciones han resultado más eficientes que los compresores reciprocantes, esta eficiencia se expresa en términos del consumo total de energía por unidad de costo y por unidad de peso del sistema compresor. Este factor, por ejemplo, ha sido determinante en la selección de los sistemas que deben instalarse en las plataformas construidas costa afuera, donde deben de ser instaladas las plantas compresoras, para permitir el transporte y almacenamiento del gas natural producido.

Los compresores centrífugos pueden ser máquinas tanto de una sola etapa, como de etapas múltiples, ya sean de impulsión directa o indirecta a través de engranajes; estos compresores se subdividen a su vez en dos tipos principales de acuerdo a su carcasa, en tal sentido se tienen: carcasa dividida en forma horizontal y carcasa dividida en forma vertical, también conocidos como compresores tipo barril; los primeros manejan altos valores de flujo y baja relación de compresión, tienen gran aplicación en líneas de transmisión y procesos; los de tipo barril manejan valores de flujo de medios a altos y alta relación de compresión son empleados; en aplicaciones de levantamiento artificial, reinyección, almacenamiento, etc. En la figura 12 se representa también un esquema de Un Compresor Centrífugo

Figura 12 Una Representación Gráfica de un Compresor Centrífugo

Figura 2-7. Componentes de un compresor centrífugo.(Fuente: Centrifugal Compressors, Rolls Royce)

En la figura 12 se observa parte del manejo del cilindro compresor, que no de gran utilidad en la industria de la producción de Hidrocarburos. En la figura se presentan las diversas herramientas que conforman el cilindro compresores centrífugos y su forma de trabajar. En términos generales se puede señalar que en estos compresores el desplazamiento del fluido es esencialmente radial. El

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DescargaAdmisiónDiafragmaImpulsor Rotor

Sello

Cojinete radial

Cojinete de Empuje

Carcasa

compresor consta de uno o más impulsores y de números de difusores, en los que el fluido se desacelera. El fluido aspirado por el centro de una rueda giratoria, ojo del impulsor, es impulsado por los álabes de ésta y debido a la fuerza centrífuga, hacia los canales del difusor. La principal características de los compresores centrífugos, es que su función de trabajo esta relaciona con los cambios en la velocidad del proceso de compresión, velocidad que después se convierte en energía, que hace que el proceso de compresión se lleve a cabo. Después que la energía cinética se ha convertido en presión, el fluido es conducido hacia el centro del próximo impulsor y así sucesivamente

Las velocidades de funcionamiento son bastante altas comparadas con otros compresores. La gama comprendida entre 50.000 - 100.000 (RPM). es bastante frecuente en industrias aeronáuticas y especiales donde el peso es un factor dominante, en vista que si el peso del compresor es extraordinariamente grande, puede afectar la eficiencia del cilindro compresor, y por ende afectar todos los procesos que depende de este..

Los compresores centrífugos, con velocidades próximas a las 20.000 (RPM) suelan ser la gama comercial más común, aún cuando están fabricando con velocidades un tanto mayores. Debido a las elevadas velocidades con que se construyen los compresores dinámicos de tamaño medio, se utilizan cojinetes amortiguadores inclinados o abiertos en lugar de los rodillos, que son los que se incorporan a los compresores de desplazamiento. El caudal mínimo de un compresor centrífugo, está limitado principalmente por el flujo de la última etapa, luego es de vital importancia tener claramente establecido el caudal en esta etapa.

Los compresores centrífugos han tenido un gran desarrollo, en los últimos años, debido fundamentalmente al consumo total de energía por unidad de costo y por unidad de peso del sistema compresor, teniendo como función la compresión del gas natural. En estos casos el gas es acelerado por el movimiento de aspas en rápida rotación, corriente arriba dispositivos internos convierten esa energía cinética en presión a la descarga Estos compresores son los equipos adecuado para comprimir grandes volúmenes de gas, con relaciones de compresión reducidas, si esto se cumple el proceso de compresión puede llegar a ser de una alta eficiencia, lo que es de gran importancia en la industria del gas natural.

Los compresores centrífugos tienen un intervalo de condiciones de operación relativamente estrecho, que puede llegar a tener un efecto importante en la capacidad del sistema. Las condiciones de operación son determinadas en banco de pruebas. Y los resultados se plasman en la curva del compresor. Los compresores centrífugos se pueden utilizar a presiones relativamente bajas o medianas, con caudales altos y diferenciales de presión baja, estos compresores, por lo general son de alta eficiencia, la cual se expresa en términos del consumo total de energía por unidad de costo y por unidad de peso del sistema de compresión.

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Norma de Trabajo de los Compresores Centrífugos: La norma de trabajo de los compresores centrífugos es en dos etapas. En una de ellas se le añade energía al gas en forma de velocidad o energía cinética, y luego esta energía se convierte en presión. Estos compresores utilizan la tendencia centrífuga. Esto significa que al alejarse del centro de rotación para darle presión y velocidad al compresor. La parte del compresor que hace mover el gas es el impelente, el cual mueve el gas hacia la parte exterior, con lo cual aumenta la velocidad del gas. Este incremento en la velocidad ocasiona una caída de presión, y crea una succión que permite la entrada de más gas. El gas entra al rotor a alta velocidad en los pasajes cercanos del difusor y donde la velocidad se hace disminuir en forma rápida y la energía es cambiada a presión

Utilidad de los Compresores Centrífugos: Los compresores centrífugos son el tipo que más se emplea en la industria de procesos químicos porque su construcción sencilla, libre de mantenimiento permite un funcionamiento continuo durante largos periodos. El compresor centrífugo más sencillo es el suspendido, de una sola etapa. Los hay disponible para flujo desde 3000 hasta 150.000 pies cúbicos normales por segundo (150 MPCNS). El impulsor convencional, cerrado o con placas se utilizaría para cargas adiabáticas hasta de unas 12000(pie-lb/lb). El impulsor abierto, de álabes radiales producirá mas carga con los mismos diámetros y velocidad, sus variantes, con inductor o alabes tridimensionales producirá hasta 20.000 (pie-lb/lb) de carga. En la figura 13 se presenta en forma esquemática un ejemplo de Compresor Centrífugo

Figura 13 Ejemplo de un Compresor Centrífugo

Compresores Axiales. Estos compresores se caracterizan, y de aquí su nombre, por tener un flujo axial en forma paralela al eje. El gas pasa axialmente a lo largo del compresor, que a través de hileras alternadas de paletas, estacionarias y rotativas, comunican cierta velocidad del gas o energía, que después se transforma en presión (P). La capacidad mínima de este tipo de compresores, viene a ser del orden de los quince metros cúbicos por segundo (m3/s) Utilizan un tambor de equilibrio para contrarrestar la reacción o empuje axial. Debido a su pequeño diámetro y para un mismo tipo de trabajo, funcionan a velocidades más elevadas que los compresores centrífugos. Estas velocidades son superiores en un 25% aproximadamente.

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Los compresores Axiales se destinan a aquellas aplicaciones, en que es preciso disponer de un caudal constante a presiones moderadas. Los compresores axiales son más adecuados, para aquellas plantas que precisen grandes y constantes caudales de aire. Una aplicación muy frecuente es el soplado de los altos hornos. Normalmente se utilizan para capacidades alrededor de los 65 metros cúbicos por segundo y para presiones efectivas de hasta 14 bares.

Para el caso de los compresores axiales Al movimiento a lo largo de un eje se le llama movimiento axial. El movimiento axial es recto. Un compresor que mueve el gas en dirección paralela con su eje es un compresor axial. Estos compresores tienen placas de rotor y placas de estator. Las placas del rotor están fijadas al eje y giran con él. Mientras que las placas del estator están fijadas a la cubierta. Cuando el gas es lanzado dentro de las placas del estator, las aberturas entre las placas actúan como difusores, reduciendo la velocidad del gas. Con la pérdida de velocidad, la presión del gas aumenta. En general, se puede señalar que el compresor axial eleva la presión mediante el uso de muchos juegos de placas de estator y del rotor

En los compresores axiales, el flujo del gas es paralelo al eje o al árbol del compresor y no cambia de sentido como en los centrífugos de flujo radial. La carga por etapa del axial es mucho menor (menos de la mitad) que la de un tipo centrifugo, por ello, la mayor parte de los axiales son de cierto numero de etapas en serie. Cada etapa consta de aspas rotatorias y fijas. En un diseño de reacción de 50 %, la mitad del aumento de la presión ocurre en las aspas del rotor, y las de la segunda mitad en las del estator.

Tipos de Compresores Axiales: Los compresores de flujo axial están disponibles desde unos veinte mil pies cúbicos normales por segundos (20 MPCNS) hasta más de (40 PCNS) y producen presiones de hasta 65 (lpcm) en un compresor industrial típico de 12 etapas, o de un poco más de 100 (lpcm), con los turbocompresores de 15 etapas, estos tipos se emplean en turbinas de gas y motores de reacción (jet) para aviones, excepto los muy pequeños. También se emplean mucho en aplicaciones que requieren flujos de gas superiores a 75 o 100 miles de pies cúbicos normales por segundo (MPCNS) en especial porque son más eficientes que los centrífugos de etapas múltiples, de tamaño comparable, si esto se cumple el proceso puede llegar a tener una alta eficiencia. El compresor axial suele costar más que el compresor centrifugo y, en tamaños más pequeños, solo se justifica por su mayor eficiencia. Es de hacer notar que estos compresores no son de mucha utilidad, para el proceso de compresión del gas natura, su utilidad esta más limitada a otras funciones. En la figura 14 se presenta un ejemplo de un Compresor Axial

Tipos de Compresores Utilizados en la Industria Los compresores que se utilizan en la industria son los Compresores de Desplazamiento Positivo, y los Compresores Dinámicos. En todas las máquinas de desplazamiento positivo, una cierta cantidad de volumen de gas de admisión se confina en un espacio dado y después se comprime al reducir este espacio o volumen confiando. En esta etapa

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de presión elevada, el gas se expulsa enseguida hacía la tubería de descarga o al sistema contenedor. Los compresores de desplazamiento positivo incluyen un amplio espectro de máquinas compresores, pero una de mayor utilidad en la compresión del gas natural son los Compresores Reciprocantes. Figura 14 Ejemplo de un Compresor Axial

Compresores Dinámicos Estos compreso se fundamentan en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y luego convertir esta velocidad en energía de presión. Con frecuencia a estos compresores se les denomina turbocompresores .Las máquinas centrífugas comprenden casi el 80% de los compresores dinámicos. Los compresores centrífugos tienen por lo general muy pocos problemas, en el proceso de compresión del gas. Además son confiables para comprimir cualquier tipo de gas.

Criterios que sé Deben de Utilizar para Seleccionar un Compresor. Para una mayor eficiencia en el proceso de compresión del gas natural, tiene una gran influencia los criterios que se utilicen en la selección del cilindro compresor, para ello se deben de tener en cuenta lo siguiente:

a.-El uso que se va a destinar y aquellos otros requerimientos relativos a presión, aire exento de aceite, etc.

b.- Máxima y mínima demanda de aire, variaciones estaciónales, desarrollo futuro previsto, etc. c.- Condiciones ambientales; los factores que hay que considerar aquí son: temperaturas extremas, grado de contaminación del aire, altitud, etc.

d.- Clase de edificación en la que se va a instalar el compresor; los factores a considerar son: limitaciones del espacio, carga que puede soportar el suelo, limitaciones de la vibración, etc.

e.- Costo de la energía.

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f.- Cantidad de calor que puede recuperarse.

g.- Limites de la disponibilidad de potencia, parámetro de gran importancia, para evaluar la eficiencia del compresor h.- Limitaciones de ruido i.- Continuidad o intermitencia en la necesidad de aire.

j.- Experiencia que tiene tanto el usuario como el personal de mantenimiento.

Proceso de Compresión del Gas Natural El gas natural tiene que ser comprimido para su posterior utilización, todo esto conlleva a que el proceso de compresión del gas natural tenga mucha importancia, como por ejemplo: Disminución del volumen para su almacenamiento, facilidades en el transporte, utilización en los procesos de Inyección secundaria, transformación de una forma de energía a otra. El proceso de Compresión del gas natural se puede llevar a cabo en:

a.-Compresores Reciprocantes Su uso se sustenta, en los procesos, en los cuales los caudales de alimentación son variables. En la industria existen compresores reciprocantes de movimiento alternativo de etapa simple o etapas múltiples. El número de etapas se determina por la razón de compresión:

r= (5)

En donde: (r) representa las etapas de la compresión; (Pd) es la presión absoluta a la descarga, mientras (Ps) es la presión absoluta a la succión. En el proceso de compresión, el cilindro compresor aumenta la presión. La diferencia entre la presión absoluta a la descarga (Pd) y la presión absoluta de la succión representa el trabajo hecho sobre el gas por el compresor, menos lo que se pierde por calor y fricción. La relación de compresión (r) es la cantidad por la que se multiplica la presión de succión para obtener la presión de descarga. Para determinar (r) se da una presión absoluta. En vista que generalmente los manómetros son calibrados para indicar cero (0 ) a presión atmosférica. Siendo que la compresión siempre sube a la presión del gas, la presión de descarga después de la compresión es siempre más alta que la succión La relación de compresión (r) indica la cantidad de presión que el compresor le añade al gas., luego mientras más grande sea (r), mayor será el incremento de presión del gas.

Tipos de Compresores Reciprocantes: Los compresores reciprocantes de proceso, son unos equipos de compresión de alta eficiencia y confiable para comprimir cualquier mezcla gaseosa, con presiones que parten del vacío hasta valores de presión tan alto como 3.000 atmósferas. Además, tienen una gran cantidad de aplicaciones. Las especificaciones nominales de potencia varían en una gran gama de valores, con capacidades de hasta 35000 m3/hora en las

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condiciones de especificación estipuladas por el compresor. Estos compresores tienen una gran versatilidad, ya que al ser compresores de desplazamiento positivo, las unidades reciprocantes pueden comprimir con facilidad una amplia gama de gases, lo que se hace que su utilidad en la industria del gas natural sea de una gran amplitud y utilidad.

Los compresores reciprocantes se pueden ajustar con rapidez a condiciones variantes de presión, como también con relaciones de compresión por etapas que varían desde 1,1 en servicios de reciclaje, hasta más de 5 en gases con valores del coeficiente (k). (Este es un coeficiente que se relaciona con los calores de reacción) bajos o relaciones de calor específico bajas. Las relaciones de compresión más comunes se acercan a 3 por cada etapa para limitar las temperaturas de descarga en valores de alrededor de 300 -350 F

Forma de Trabajo de un Compresor Reciprocante: En todas las máquinas de desplazamiento positivo, una cierta cantidad de volumen de gas de succión se confina en un espacio dado y después se comprime al reducir este espacio o volumen confiando. En esta etapa de presión elevada, el gas se expulsa enseguida hacia la tubería de descarga o al sistema contenedor. El compresor reciprocante es un dispositivo de desplazamiento positivo. Durante su operación normal admitirá una cantidad de gas de su línea de succión y lo comprimirá tanto como sea necesario para moverlo a través de su línea de descarga. Quizás una de las partes negativas del compresor reciprocante es que no pueda autorregular su capacidad contra una presión de descarga dada; simplemente desplazará el gas hasta que se le indique no hacerlo, y desde luego el proceso llegar a ser de una alta eficiencia.

Elemento Básico de la Compresión Reciprocante: El elemento básico de compresión reciprocante es un único cilindro que comprime en un solo lados del pistón (efecto simple). Una unidad que comprime en ambos lados del pistón (efecto doble) consiste en dos elementos básicos de efecto simple que operan en paralelo en una misma carcasa fundida. Este compresor emplea válvulas automáticas accionadas por resorte que se abren solo cuando existe una presión diferencial óptima que actúa sobre la válvula. Las válvulas de admisión sé abren cuando la presión del cilindro es un poco inferior a la presión de aspiración. Las válvulas de descarga se abren cuando la presión en el cilindro es un poco superior a la presión de descarga.

Eficiencia de los Compresores Reciprocantes: Los compresores reciprocasteis por tener más partes en movimiento, tienen una eficiencia mecánica más baja, que otros compresores .Cada cilindro consiste en un pistón, el cilindro propiamente dicho, cabezales de los cilindros, válvulas de succión y descarga y todas las partes necesarias para convertir el movimiento de rotación en desplazamiento positivo, lo que permite realizar un proceso de compresión del gas natural con un alto grado de eficiencia..

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Los compresores reciprocasteis impulsados por motores por encima de aproximadamente 75 (KW) van equipados por lo común con un control de etapas. Se trata en realidad de una variación del control de velocidad constante, en donde la descarga se realiza en una serie de etapas, que varían de la carga completa ala falta total de carga. El control de 3 etapas (carga completa, 3/4 de carga, 1/2 de Carga ,1/4 de carga y carga nula) se realiza mediante bolsas de espacio libre.

b. Los Compresores Centrífugos A pesar que su eficiencia no es óptima son muy utilizados, en la industria petrolera Los compresores centrífugos, por lo general son de menor peso y tamaño que los reciprocasteis. En los últimos años se ha incrementado el uso de estos compresores, en vista que no presentan fuerzas inerciales que inducen a vibraciones. El propósito de un compresor centrífugo es incrementar la presión del gas y esto se efectúa en dos etapas.

a.- Primero se añade energía al gas en forma de velocidad o energía cinética

b.- Luego se convierte esta energía a presión.

Los compresores dinámicos, grupo al que pertenecen los compresores centrífugos se basan en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y, luego convertir esta energía en velocidad. Con frecuencia a estos compresores se les denomina turbocompresores y los cilindros centrífugos comprenden, tal vez, el 80% o más de los compresores dinámicos. Los compresores centrífugos tienen relativamente pocos problemas y son confiables para mover gas. La mayoría de los compresores centrífugos son cilindros de una sola etapa

Diseño del Compresor Centrífugo: El compresor centrífugo esta diseñado para comprimir gas entre ciertos límites de presión mediante la energía impartida a este último. Esta compresión se efectúa en el impulsor o rotor, cuyas paletas u hojas imparten energía al fluido, aumentando la energía cinética y la presión estática del mismo. El gas que sale del rotor a gran velocidad, entra en el difusor que transforma esa energía cinética en presión estática. Este compresor utiliza la tendencia centrífuga (Aunque, la tendencia centrífuga no es una fuerza, sino el resultado de la tendencia del objeto a moverse en línea recta mientras lo atrae la fuerza centrípeta hacia el centro de rotación). La tendencia centrífuga de un objeto es la tendencia a alejarse del centro de rotación, o sea de la fuerza centrífuga. La parte del compresor centrífugo que hace mover el gas, es el impelente. Cuando gira el impelente, hace mover el gas hacia la parte exterior, luego el gas se mueve hacia el bordo del impelente, y su velocidad aumenta, y con ello hace que se realice el proceso de compresión del gas natural.

El aumento en la velocidad en el cilindro compresor centrífugo ocasiona una baja de presión, la cual crea una succión que permite la entrada de más gas. El compresor centrífugo usa la relación velocidad - presión para elevar la presión del gas. El gas entra al rotor a alta velocidad en los pasajes cercanos del difusor, y donde la velocidad es disminuida rápidamente y la energía es cambiada a presión. Cambiar velocidad a presión es el primer principio de los compresores centrífugos,

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el segundo principio son las fuerzas de centrífugas, las cuales son generalmente por rotación. La cantidad de presión empujando contra el fondo depende de la velocidad de rotación. Un compresor centrífugo usa el rotor para obtener la presión rotacional del gas, y con ello realizar el proceso de compresión del gas natural. En el difusor al igual que en el resto de los elementos del compresor, como son las volutas de entrada y salida, las paletas para guiar el gas, se producen pérdidas por fricción; por lo tanto, el rotor debe desarrollar suficiente energía para satisfacer los requerimientos de presión más las pérdidas del compresor.

Utilidad del Compresor Centrífugo: Por lo general, los compresores centrífugos son utilizados para el manejo de grandes volúmenes de gases con elevaciones de presión desde 3,454 kilopascales (Kpa) hasta varios centenares de kilopascales (Kpa) de presión. Tienen su mayor utilidad en la industria de compresión de gases, con el objetivo de abastecer de aire a la planta de transporte de sólidos en suspensión También para abastecer de aire u oxígeno los hornos en la industria del hierro, como también existen otros procesos industriales, donde son de utilidad, como lo es por ejemplo la industria del gas natural, donde la utilidad de estos equipos es ampliamente demostrada, obteniendo un proceso con una alta eficiencia y utilidad.

Los compresores centrífugos pueden ser de etapa simple o múltiple dentro de una carcasa sencilla. El principio del funcionamiento es el mismo de una bomba centrífuga y su diferencia principal es la del gas manejado en un compresor centrífugo o soplador es compresible, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba son prácticamente incompresibles. Las condiciones que hay que tomar en cuenta para el diseño de un compresor centrífugo, y que el mismo tenga un alto grado de eficiencia son:

a.- La presión barométrica más baja

b.- La presión de admisión más baja

c.- La temperatura máxima de admisión

d.- La razón más alta de calores específicos

e.- El peso específico menor

f.- El volumen máximo de admisión

g.- La presión máxima de descarga

Las unidades motrices de los compresores centrífugos son generalmente turbinas de vapor, turbinas de gas o motores eléctricos. La mayor parte de estos compresores operan a velocidades superiores a 60 (pie /s), con un motor de 2 polos cuya velocidad es 3600 RPM.

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En un compresor centrífugo manejado bajo un flujo podría ocurrir un fenómeno Que tiene por nombre “surge”. Describiéndolo de una manera sencilla se podría decir que él surge es un contraflujo, el cual se lleva a cabo en un compresor. Dentro de un compresor centrífugo no existen válvulas de chequeo o cualquier otro dispositivo mecánico para prevenir que el flujo de gas de descarga no ocurra en sentido contrario (hacia el lado de succión del compresor), permitiendo que el proceso de compresión del gas natural se realice.

El. Contraflujo puede existir si se presentan dos condiciones: Bajo flujo de gas, y alta relación de compresión. Una alta relación de compresión puede resultar de una alta presión de descarga, baja presión o una combinación de las dos. Cuando en el compresor entra el surge, el gas de descarga fluye en dirección opuesta Tan pronto como esto ocurre la presión de descarga cae y el flujo vuelve a su dirección original; alimentando nuevamente la presión de descarga hasta el punto surge, y continúa el ciclo de compresión.

Fundamento de Trabajo de un Cilindro Compresor El fundamento de trabajo de un compresor esta regido por varios factores y/o procesos. Por ejemplo, el elemento básico de compresión reciprocante es un único cilindro que comprime en un solo lado del pistón. Este proceso se denomina Efecto Simple. Cuando una unidad comprime en ambos lados del pistón, se denomina Efecto Doble, en este caso consiste en dos elementos básicos de efecto simple que operan en paralelo en una misma carcasa fundida.

El compresor reciprocante emplea válvulas automáticas accionadas por resortes que se abren solo cuando existe una presión diferencial adecuada para que el proceso se lleve cabo en forma eficiente o para que el proceso ocurra, según sea estimado. La presión diferencias actúa sobre la válvula. Las válvulas de admisión se abren cuando la presión del cilindro es un poco inferior a la presión de succión. Todo esto recibe en nombre de Carrera de Expansión, durante esta carrera tanto la válvula de admisión como la descarga permanecen cerradas. En un compresor reciprocante elemental de dos etapas, los cilindros se proporcionan de acuerdo con la relación de compresión (r), siendo la segunda etapa más pequeña ya que el gas, una vez que se ha comprimido y enfriado de manera parcial, ocupa un volumen menor que en la succión de la primera etapa. Por lo general estos procesos se estudian a través de los diagramas presión- volumen (PV), y la explicación termodinámica de estos diagramas permite cuantificar el trabajo necesariamente, que se debe de transmitir al proceso de compresión, de tal forma que el proceso se lleve a cabo, desde luego tiene un alto grado de importancia las condiciones en que se realiza el proceso.

En vista de la dificultad para realizar rangos experimentales completos de valores de temperatura y presión, se ha optado por elaborar Gráficos Generalizados de Compresibilidad. Estas gráficas se fundamentan en las condiciones reducidas. Se ha determinado que las curvas de compresibilidad en la base reducida son iguales

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para un elevado número de gases, por lo que su utilidad esta ampliamente demostrada.

Criterios Válidos Para la Selección de un Compresor para el Gas Natural Se supone que la selección debe estar fundamentada, en los tres criterios, que cualquier ingeniero debe manejar, que son, que el método seleccionado sea de fácil aplicación, que sea eficiente y que sea económico. Se supone, también que Se deben conocer algunas propiedades del gas a comprimir, como por ejemplo, peso molecular aparente, gravedad específica, relación de calores específicos, factor de compresibilidad a la succión y descarga, densidad del gas. Se necesita también conocer la capacidad y rendimiento volumétrico del cilindro compresor. El rendimiento se supone que es la cantidad real del gas entregado a una presión y temperatura dada, el mismo se puede determinar a través de la siguiente ecuación:

(6)

Rendimiento Volumétrico de un Cilindro Compresor: El valor del rendimiento volumétrico real, puede variar entre 50 y 85% y se obtiene únicamente mediante pruebas o ensayos del compresor real. Siempre es necesario tener en cuenta que un compresor puede ser técnicamente óptimo, si no es económico, se deberá de optar por otro compresor, que tenga mayor economicidad. Por ejemplo, en el manejo y transporte del gas natural, los compresores reciprocantes y centrífugos, son los que más se utilizan, ahora si se trata de procesos de refrigeración y plantas de licuefacción, son de mayor utilidad loas compresores axiales. Luego entonces, hay que tener en cuenta todo estos criterios que se han señalados, para una selección de un compresor, mantienen como criterios que, el proceso de compresión del gas natural sea de alta eficiencia, de fácil manejo y de alta rentabilidad, que lo que cualquier ingeniero debería de tener bien en cuenta, sobre todo al inicio de su carrera laboral, que es cuando se deben de desarrollar la mayor cantidad de proyecto, sin tener todavía muchos conocimientos en el área económica., que permita establecer una mejor evaluación del proceso de compresión del gas natural, como también algunos de sus susbproductos sea en forma líquida o de gas

Relación de calores Específicos. Esta relación tiene una gran importancia, ya que permite determinar el coeficiente o exponente politrópico (k). Luego, entonces la relación entre el calor específico a presión constante y calor específico a volumen constante se representa a través de (k) Si se toma una lbmol de gas y se determina su calor específico se obtiene:

MCP= MCV +R(1,986 (Btu)/(lbmol F) (7)

Aquí (M) es el peso molecular aparente del gas en (lb/lbmol), y (MCP y; MCV) son los calores específicos molares a presión y volumen constantes. El calor

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específico de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de ese cuerpo. Como para la mayoría de los elementos esa unidad es muy pequeña, se emplea otras mil veces mayor que es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1C) la temperatura de un kilogramo (kg) de ese cuerpoEl calor específico de los cuerpos puede variar con las condiciones de temperatura y presión. Este calor específico se expresa en caloría por grados centígrados y kilogramos (Cal/C Kg), y a través de los factores de conversión se puede establecer las unidades en cualquier sistema. Luego para el exponente politrópico se tiene:

k= (8)

Las unidades del calor específico en el Sistema Británico son (Btu/lb/F). Es lógico que a través de los factores de conversión, se pueden obtener las unidades en cualquier sistema. Este calor específico se relaciona con el incremento de la temperatura. Luego se puede calcular el calor necesario para incrementar la temperatura de cada componente gaseoso en 1 F, y sumarlos para obtener el total de la mezcla (MCP), que viene a ser el requisito calorífico para una lbmol. Para trabajo con compresores es frecuente emplear esta capacidad calorífica molar a 150 F, la cual se considera una temperatura promedio, luego Para el caso de mezclas de un gas natural la fórmula (8) debe escribirse de la siguiente manera:

k =

(9)

En el cuadro (2) se presenta la capacidad calorífica molar en condiciones ideales (MCP ) para varios gases en (Btu/ lbmol x R), unidades correspondientes al sistema británico de unidades

Cuadro 2: Valores de la Capacidad Calorífica de Hidrocarburos

F.Q M 50F 60F 100F 150F 200F 250F 300FCH4 16,043 8,42 8,46 8,65 8,95 9,28 9,64 10,01C2H6 30,070 12,17 12,32 12,95 13,78 14,63 15,49 16,34C3H8 44,097 16,88 17,13 18,17 19,52 20,89 22,25 23,56C4H10 58,123 22,15 22,51 23,95 25,77 27,59 29,39 31,11C4H10 58,123 22,38 22,72 24,08 25,81 27,55 29,23 30,90C5H12 72,150 27,17 27,61 29,42 31,66 33,87 36,03 38,14C5H12 72,150 27,61 28,02 29,71 31,86 33,99 36,08 38,13C6H14 86,177 32,78 33,30 35,37 37,93 40,45 42,94 45,36C7H16 100,20 38,00 38,61 41,01 44,00 46,94 49,81 52,61

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H20 18,015 8,00 8,01 8,03 8,07 8,12 8,17 8,23N2 28,013 6,95 6,95 6,96 6,96 6,97 6,98 7,00H2 2,016 6,86 6,87 6,91 6,94 6,95 6,97 6,98H2S 34,080 8,09 8,11 8,18 8,27 8,36 8,46 8,55C0 28,010 6,96 6,96 6,96 6,97 6,99 7,01 7,03C02 44,010 8,70 8,76 9,00 9,29 9,56 9,81 10,05Ejemplo: Una mezcla de gas natural, que esta sometida a 150 F, tiene la siguiente concentración porcentual: C1=83,80; C2=2,75; C3=1,93; nC4 =1,25; iC4 = 1,05; nC5=0,85; iC5= 0,45;C6=0,25 ;C02=3,72; H2S=1,25 y N2 = 1,35. Sobre la base los datos del cuadro 1¿Cuál sería el valor de la constante (k) de la mezcla a la temperatura dada? Los resultados se muestran en el cuadro 3

MCV =MCP -R=10,0203-1,986=8,0343 k=10,0203/8,0343=1,25

Cuando solo se conoce el peso molecular de la mezcla gaseosa. El valor de (k) se estima en forma aproximada, por lo general en forma gráfica, aunque también para un gas natural se puede estimar a través de la gravedad específica, con lo cual da origen a una ecuación netamente empírica:

k=1,3 - (0,31)(-0,55) (10)

Cuadro 3: Resultado del cálculo de (k)

Gas yi Mi MCP yi MCP

C1 0,8515 16,043 8,95 7,7209C2 0,0275 30,070 13,77 0,3787C3 0,0193 44,097 19,52 0,3767NC4 0,0125 58,125 25,81 0,3226IC4 0,0105 58,125 25,77 0,2706NC5 0,0085 72,150 31,86 0,2708NC5 0,0045 72,150 31,66 0,1425C6 0,0025 86,177 37,91 0,0948C02 0,0372 44,010 9,28 0,3452H2S 0,0125 34,080 8,27 0,1034N2 0,0135 28,013 6,97 0,0941Total 1,0000 10,0203

Determinación de la Capacidad de los Compresores. Este parámetro es de gran importancia para determinar la eficiencia de un cilindro compresor. Mientras,que el caudal expresado como tasa volumétrica o tasa másica es de utilidad para realizar los balances de los materiales, y se expresa en el Sistema Británico de Unidades como pies cúbicos por segundo o minuto o , lo que estaría relacionado con la tasa volumétrica, mientras que la tasa másica en el mismo sistema, sería libras masa por segundo (lb/s), si se asume que el Factor de Compresibilidad en condiciones normales de presión y temperatura es (ZCE=1), luego se llega a lo siguiente: Sí el caudal esta expresado en pies cúbicos normales

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por minutos (PCNM), luego utilizando una fórmula matemática, el caudal de operación sería:

(11)

Ejemplo: 100 MMPCND de un gas que tiene una gravedad específica al aire de 0,65. ¿Cual será el caudal de este gas a una presión de 1200 lpca y 120 F de Temperatura? Solución: Con se obtiene en forma gráfica: lpca y

R, luego: se tiene que : ; , luego aplicando la fórmula (10), para la resolución del problema, entonces quedaría la siguiente ecuación, donde se utilizan los factores de conversión, para el manejo de las unidades.

En este caso se estaría cometiendo un error de unidades, ya que el caudal de gas en condiciones de operación seguiría estando expresado en (PCN/día). Quizás numéricamente no haya error, pero si lo habría del punto de vista de las unidades. Para expresar el caudal como tasa másica en condiciones de operación expresado en (lb/s) y utilizando la misma fórmula (11) en conjunto con los factores de conversión, habría que realizar lo siguiente:

Para cambiar la tasa másica en (lb/s) a tasa volumétrica en ( /s) bastaría con multiplicar por la densidad en (lb/PC), luego si se asume que la densidad tiene un valor de 4,32(lb/PC), luego la tasa volumétrica y con la utilización de la ecuación (11) y los factores de conversión quedarían:

(12)

Ciclos de Compresión El gas natural después de haber pasado por los separadores, deshidratadores y ser endulzado debe ser sometido al proceso de compresión, con el objetivo de realizar un trabajo en el gas de tal manera que se incremente la energía total, y desde luego se aumente la presión del fluido en estado gaseoso. En la figura 15 se presenta un ciclo de compresión para una mezcla de gas natural.

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En la figura 15 se observa que el ciclo se lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales son perfectamente diferenciarles en la gráfica, además la gráfica corresponde a un proceso de un gas que tiene un comportamiento ideal, para el proceso de compresión. Luego se tiene que:Figura. 15 Ciclo de un Proceso de Compresión de Gas ideal

En la Etapa I, que corresponde a la (trayectoria AB): Aquí el gas es admitido a través de las válvulas de succión. El valor de la presión en este punto se conoce como Presión de succión y se simboliza como (PS). En forma simultánea el pistón se dirige hacia la otra cara del cilindro Cuando el pistón alcanza el tope de su recorrido, el cilindro queda lleno de gas, caudal que corresponde al (V1).

Etapa II (trayectoria BC). Aquí el pistón invierte su dirección de movimiento y actúa sobre el volumen de gas (V1) comprimiéndolo de la presión de succión hasta una presión. Denominada Presión de Descarga, y que se simboliza como (PD).Etapa III (trayectoria CD). Esta etapa se inicia, justo en el momento en que la presión de descarga se hace igual a una presión existente en la línea de descarga, y que hace que el proceso de compresión se realice.

En la Etapa III (trayectoria CD). Esta etapa se inicia, justo en el momento en que la presión de descarga se hace igual a una presión existente en la línea de descarga, el pistón continua moviéndose desplazando el volumen de gas comprimido (V2) a la presión constante de descarga (PD).

Etapa IV (Trayectoria DA). Esta etapa comienza cuando nuevamente el pistón cambia de sentido de movimiento. En esta etapa se cierra la válvula de descarga y se abre la válvula de succión, para dar inicio a un nuevo ciclo de compresión

Todas las etapas mostradas en la figura 15 son válidas para un gas ideal. En donde, las etapas ocurren casi en forma instantánea. En la figura 16 se presenta un ciclo de compresión para un gas real.

En este ciclo al igual que en la figura 15 existen cuatro etapas. La mayor diferencia entre las figuras 15 y 16 se presenta en la cuarta etapa. En la figura 15 esta etapa

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PRESIÓN

VOLUMEN

Ps

V1

Pd

V2

ETAPA 1 A ® B

ETAPA 2 B ® C

ETAPA 3 C ® D

ETAPA 4 D ®A

A B

D C

es casi instantánea debido a que no existe un volumen muerto, ya que es una etapa ideal.Figura 16 Ciclo de Compresión de un Gas Real

Mientras que en la figura 16 al completarse la etapa de descarga quede un volumen remanente de gas entre la cara activa del pistón y el extremo del cilindro. Esto indica que necesariamente deben de haber pérdidas en las válvulas de succión y descarga

Ciclos Teóricos de Compresión Existen dos ciclos de compresión teóricos aplicables a los compresores de desplazamiento positivo. Aunque ninguno de ellos puede obtenerse de manera comercial, ambos se emplean como base para el cálculo y comparaciones.

a.- La compresión isotérmica. En este caso se tiene una extracción continua del calor de compresión, y se debe de cumplir la fórmula:

P1xV1 =P2xV2 =constante (13)

b.- La Compresión Adiabática: El proceso adiabático se puede realizar de dos formas diferentes, que el Proceso Adiabático Isentrópica y el Proceso Adiabático Politrópico.

Proceso Adiabático Isentrópico es un proceso reversible, en el cual no hay adición ni extracción de calor del gas durante la compresión. Esto concuerda con la definición de entropía, ya que la entropía es una función directa de la transferencia de calor, en este caso debe de permanecer constante, y con ello dar origen al proceso Isentrópico, en el cual se debe de cumplir la fórmula matemática establecida y que es:

=constante (14)

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PRESIÓN

VOLUMENV3

Volumen Muerto

V1V2

BC

V4

Pd

PS

EF D

A

En donde: (k) es la relación de los calores específicos; (P1 y V1) son la presión y el volumen a la succión y (P2 y V2) son el volumen y la presión a la descarga. La entalpía para este proceso se puede determinar a través de la ecuación:

(15)

Donde ( )= Cambio de entalpía para el proceso isentrópico; = temperatura

de succión; =Presión de succión y descarga, respectivamente; (R)= constante universal de los gases; (K)= coeficiente isentrópico; (M)= peso molecular del gas y = Factor de compresibilidad promedio

Proceso Adiabático Politrópico: Este es un proceso irreversible. Para este caso se debe cumplir la siguiente fórmula:

(P1xV1 )N=(P2xV2 )N = constante (16)

Aquí (N) representa el exponente politrópico, y se determina de manera experimental para un tipo dado de compresor En general un proceso politrópico se puede representar a través de la siguiente ecuación:

(PV)N= C= constante (17)

Es lógico pensar que tanto (k), como (N) pueden tener valores diferentes. Aunque hay ingenieros que piensan que se pueden utilizar ambos símbolos para representar la relación de los calores específicos, pero esto es un gran error, ya que hay una marcada diferencia entre ellos Por lo general en los compresores de desplazamiento positivo se cumple que (N<k)

Ya sea (N ) o (N-1)/N se pueden determinar en forma experimental a partir de datos de pruebas si se conocen las temperaturas y presiones de succión y descarga, para lo cual puede emplearse la siguiente ecuación:

(18)

Determinación del Exponente Politrópico (N) El exponente politrópico (N) se puede determinar, también a través de la fórmula de Woodhouse:

(19)

En la ecuación (19) (Pd y Ps) representan la presión a la descarga y la succión en (lpca), respectivamente, Mientras que el (Vd y Vs) representan el volumen a la

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descarga y la succión en pies cúbicos (pie3).Esta unidad de volumen corresponde al Sistema Británico de Unidades, luego a través de los factores de conversión se puede hacer la conversión a cualquier sistema de unidades.En las figuras 17 se representa los ciclos de compresión teóricos, tanto el isotérmico, como el adiabático sin espacio libre, sobre una base de presión- volumen (PV) para una relación de compresión de 4

Figura 17 Diagrama Presión- Volumen para el proceso de Compresión

La figura 17 muestra los ciclos teóricos isotérmico y adiabático, tanto isentrópico, como polítropico. En la figura el área (ADEF) corresponde al trabajo que habría que realizar para que el proceso de compresión se realice en condiciones isotérmicas. Ahora el área que corresponde a (ABEF), representa el trabajo necesario, para que el proceso se lleve a cabo bajo condiciones adiabáticas isentrópicas. Mientras que el área representado por. (ACEF), representa el trabajo necesario para que el proceso de compresión se realice bajo condiciones adiabáticas irreversible, es decir en forma politrópica.

Al comparar las áreas de la gráfica, resulta evidente que el trabajo realizado en el proceso isotérmico es menor que el trabajo realizado en el proceso adiabático. Luego la compresión a través del proceso isotérmico representa el ciclo de máxima economía de compresión. Pero la realidad indica que este proceso es imposible realizarlo del punto de vista comercial, ya que es imposible diseñar un compresor que realice una máxima extracción de calor, durante el proceso de compresión. Además, hay que tener en cuenta, que tanto el proceso isotérmico, como el adiabático isentrópico, vienen a representar dos ciclos de compresión casi ideales, en vista que es casi imposible producir una compresión adiabática exacta, ya que siempre hay pérdidas o ganancias de calor. Luego la compresión ocurre fundamentalmente, en la forma de un proceso adiabática irreversible, es decir en forma polítrópica. Curva (ACEF) de la figura 17, además este es un proceso real irreversible, ya que tiene parámetros en donde se cumple la irreversibilidad, como la fricción y la pérdida de calor, por ejemplo

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Tal, como fue señalado, es de vital importancia poder determinar la relación entre los exponentes (k) y (N), lo cual se puede realizar en forma gráfica o a través de métodos matemáticos, si por ejemplo se utiliza la figura para encontrar la relación entre (k) y (N), se obtiene los siguiente: Si N=1 el proceso de compresión esta representado por una curva isotérmica, curva (AD) de la figura 17, ahora si N =k, curva (AB), en este caso el proceso de compresión se caracteriza, por ser un proceso adiabático reversible. Mientras, que s Nk, el proceso de compresión se realiza en forma adiabática irreversible, por lo tanto es un proceso politrópico.

Es importante hacer resaltar que la gráfica de la presión en función del volumen para cada valor del exponente (N) se conoce como curva Politrópica. Puesto que el trabajo (W) que se realiza al pasar de (PS) a (Pd) a lo largo de una curva politrópica (AC) de la figura 10, se representa por la fórmula:

W = (20)

Etapas Simples y Múltiples en La Compresión de Gas Natural Todos los elementos básicos de los compresores, sin importar el tipo de compresor a utilizar, tienen ciertas condiciones que limitan su operación. Los elementos básicos son de una sola etapa, es decir, la compresión y la entrega del gas se logra en un solo elemento o grupo de elementos configurados en paralelo. Entre estos están: La temperatura de descarga; la diferencia de presión, la relación de presión, ahorro de energía.

Desde luego existen otras múltiples razones para preferir las etapas múltiples, en un proceso de compresión, aunque en honor a la verdad no se dispone de reglas, para definir el número de etapas, para un proceso de compresión del gas natural. Cuando existen limitaciones, es preferible llevar el proceso de compresión a etapas múltiples, lo que significa realizar el proceso en dos o más pasos, es lógico que en cada paso, se debe de emplear al menos uno de los elementos básicos diseñado para operar en serie con los otros elementos del equipo. En un compresor reciprocante, todas las etapas suelen combinarse en un ensamblaje unitario. También con mucha frecuencia un compresor reciprocante necesita un cilindro separado para cada. Etapa con un interenfriamiento del gas entre las etapas de compresión. En la figura 18 se presenta en un diagrama (PV), para un compresor de aire de dos etapas.

La figura 18 muestra claramente las dos etapas, en donde se desarrolla el proceso de compresión, y se muestra también el trabajo necesario, que habría que tener el proceso, para que las etapas se desarrollen en forma isotérmica, adiabática isentrópica o politrópica, es necesario hacer resaltar, que en caso que sea necesario agregar otra etapa, estas se deben agregar de la misma manera. También se debe de tener en cuenta, que en una unidad reciprocante, todas las etapas suelen combinarse en un ensamblaje unitario, todo lo cual hace que el

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proceso se realice en forma eficiente, ya viene a ser de gran importancia para el tratamiento y almacenamiento del gas natural, procesos determinantes para la distribución del gas natural.Figura 18 Diagramas (P- V) para el Proceso de Compresión de Gas

Previamente se estableció que el ciclo isotérmico de compresión, era el que menos energía requería, pero en la práctica este proceso muy difícilmente ocurre, ya que es casi imposible que un gas después de una compresión parcial, se puede enfriar a una temperatura igual, a la que tenia a la succión. Ahora el proceso isentrópica, representando por el área (ABCD) de la figura 18 representa el ahorro de trabajo en una compresión, ya que es un proceso adiabático reversible. Ahora, para lograr una potencia mínima con un interenfriamiento perfecto entre las etapas, existe una mejor relación teórica entre la presión de succión de las siguientes etapas, la cual se obtiene al igual la relación de compresión en cada etapa y asumir que la temperatura de succión es la misma en todas las etapas. La fórmula utilizada en este caso se fundamenta en la relación de compresión global, y por lo tanto se puede determinar el número de etapas a desarrollar en el proceso de compresión del gas natural, o algunos de sus subproductos.

(21)

75

En donde : relación de compresión por etapas; relación de compresión global y (s) número de etapas del proceso de compresiónCompresión por Etapas Operar un compresor a altas relaciones de compresión implica una serie de efectos indeseados tanto mecánicos, como de seguridad, entre los cuales se pueden mencionar:

a.-Esfuerzos considerables de tensión y compresión en el vástago del pistón

b.- Reducción de la eficiencia del trabajo de compresión.

c.- Problemas operacionales, sobretodo debido a las altas temperaturas generadas en la compresión. Luego debido a estos inconvenientes, la relación máxima de compresión que se suele utilizar para una etapa sencilla es aproximadamente cinco (r=5). Es por, ello que cuando se requiere comprimir gas a unos (r>5), es necesario utilizar varias etapas. En este caso el trabajo de compresión se realiza de la siguiente forma:

1.-El gas descargado de un cilindro es succionado por el cilindro siguiente

2.- Se intercalan intercambiadores de calor con el fin de reducir la temperatura del gas a niveles aceptables, antes de que este sea succionado por la etapa siguiente

3.- El proceso continúa hasta que se logra la presión de descarga requerida con "n" etapas.

Limitaciones en el proceso de Compresión: Cuando existen limitaciones en el proceso de compresión es necesario utilizar un sistema de etapas múltiples. Con frecuencia un compresor reciprocante, por ejemplo necesita de un cilindro separado para cada etapa con un enfriamiento del gas entre las etapas. Esto indica que en una unidad reciprocante, todas las etapas suelen combinarse en un ensamblaje unitario. Para determinar el número de etapas de un proceso de compresión se puede utilizar la siguiente fórmula.

(22)

En donde: (RCO)= relación de compresión óptima; (n)= número de etapas, para que el proceso de compresión sea óptimo, y,(Pd y Ps)= presiones absolutas de descarga y succión, respectivamente. El menor trabajo posible para llevar un gas de un nivel de presión a otro mayor, se logra utilizando (n) etapas que posean la misma relación de compresión. Entre las etapas se intercalan intercambiadores de calor con el objetivo de reducir la temperatura del gas, antes que este sea succionado por la siguiente etapa, sin estos intercambiadores de calor, la temperatura iría en aumento a medida que se avanza en las etapas de compresión. Los intercambiadores de calor están diseñados de tal forma, que puedan transferir una cantidad de calor suficiente, como para reducir la

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temperatura del gas de 250F a un rango de entre 130-95 F. Desde luego, la reducción de temperatura es una función del fluido utilizado para el enfriamiento, por ejemplo se puede reducir la temperatura entre 100 y 95 F, cuando se utiliza agua en los intercambiadores de calor, y de 130 a 120 F, cuando se utiliza aire. En el proceso de compresión se debe de tener, también mucho cuidado con la caída de presión entre las etapas. En la práctica se aplican lo siguiente:

a.- Si la presión de descarga tiene un valor menor a 100 lpca, se deben utilizar 3 unidades de presión, como caída de presión entre etapas.

b.- Si la presión de descarga tiene un valor entre 100 y 1000 lpca, se deben de utilizar 5 unidades de presión como caída de presión entre etapas.

c.- Si la presión de descarga (Pd) tiene un valor mayor a 1000 lpca, se recomienda utilizar entre 5 y 10 lpca, como caída de presión entre etapas.

Cuando se diseña un compresor no se conoce el número de etapas. Luego se utiliza una aproximación inicial, según lo siguiente:

Si RCO total<5 usar una sola etapa, RC0 total 5 usar dos etapas 5 RC0 total>25RCO total 25 usar tres etapas. Donde:

(23)

Estas aproximaciones se deben comprobar con las temperaturas de descarga de cada etapa, las cuales no deben exceder del rango comprendido entre 200 y 250F, debido a los problemas operacionales que se presentan. Si la temperatura alcanza un nivel superior al rango establecido, se debe disminuir la relación de compresión en esa etapa. El proceso se continúa hasta lograr que esas temperaturas estén comprendidas dentro de los rangos aceptables. Una vez conocidas las temperaturas de descarga óptimas, se deben de comprobar las cargas de tensión y compresión a las que están sometidos los vástagos de los pistones de los compresores. Estas cargas deben de estar por debajo de las máximas recomendadas por el fabricante. Si todo se cumple el proceso de compresión, debe de tener una alta eficiencia, y se podría asegurar que el proceso será económicamente rentable.

Elección del Número de Etapas en el proceso de CompresiónLa elección correcta del número de etapas a utilizar en un proceso de compresión es determinante, a la hora de cuantificar el rendimiento del cilindro compresor, ya que un número de etapas menor a la correcto, causa problemas en el manejo del caudal, además pueden haber problemas entre la succión y descarga. La elección del número de etapas a utilizar depende de muchos factores, tales como temperatura de descarga, consideraciones del proceso; eficiencia general; cargas estructurales y eficiencia volumétrica.

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Ejemplo se necesita comprimir 40 millones de pies cúbicos normales de gas natural (MMPCND) de una presión de succión de sesenta libras por pulgadas al cuadro manométrica (60 lpcm) hasta una presión de descarga de mil doscientas libras por pulgadas al cuadrado manométricas (1200 lpcm). La temperatura a la succión es de 95F. La gravedad específica del gas natural al aire tiene un valor de 0,70. Determinar para el gas

a.-El número de etapas necesarias para que el proceso sea de máxima eficiencia

b.- La temperatura de descarga en cada una de las etapas

c.-La potencia de freno en cada etapa

Solución: Para no tener problemas con la temperatura se

recomienda usar tres etapas, luego

a.-Número de Etapas

Presión de Descarga primera Etapa lpca. La temperatura de descarga se determina por la ecuación (40), y para determinar el Factor de Compresibilidad a la succión y descarga se utiliza la Ecuación de Estados de Peng-Robinson, y se obtiene para la primera etapa y . El exponente (K=1,26)

=205,7F

Temperatura de Descarga de la segunda etapa. Se supone que en el proceso de compresión se deben instalar intercambiadores de calor con aire, por lo que se supone que le temperatura de succión de la segunda etapa, debe tener un valor máximo de 130F, y en vista de lo elevado de la temperatura de descarga, se asume que la relación de compresión debe de tener un máximo valor de 2,3. La ecuación de Estado de Peng- Robinson indica que y P2d=181,75x2,3 = 418,03 lpca

186,75-5=181,75 lpca, luego Z2S=0,976, mientras que la Ecuación de Peng-Robinson indica que Z2d=0,971, luego

=244,22 F

Temperatura de Descarga de la Tercera etapa :P3S=P2d-5=418,03-5=413,03

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lpca , luego Z3S=0,946 y Z3d=0,945

=277,79 F

Para determinar la potencia de freno en cada etapa se utilizara la ecuación (108).Luego para la primera etapa se tiene:

a 14,4 lpca y 555R

,luego

Segunda Etapa:

a 14,4 lpca y 590R

Tercera Etapa: 1,0592=2,61

Bombeo o Surge en los compresores En algunos casos es necesario usar en el compresor caudales menores que el valor para el cual fue diseñado. Si el caudal se reduce demasiado el compresor entra en una región de inestabilidad llamada región de bombeo o surge. El valor del caudal donde comienza la inestabilidad se llama punto de bombeo o surge. El bombeo es una oscilación de todo el caudal en el compresor y en las tuberías. Esta oscilación hace que el compresor se sacuda golpeando los cojinetes de empuje lo cual puede dañar o destruir el compresor.

Choque o estrangulación. El punto de estrangulación o choque, es el máximo caudal que puede pasar por el compresor a una determinada velocidad. La estrangulación se produce cuando en una determinada parte del compresor. Esta parte por lo general se toma en donde esta la mínima sección de pasaje del gas, o muy cerca de allí, la velocidad del gas llega a ser igual a la velocidad del sonido. Esa barrera sónica produce tantas pérdidas que marca el límite máximo de caudal y solamente al aumentar la velocidad de rotación se puede pasar más gas. La estrangulación no afecta para nada la vida del compresor, lo que hace es solamente delimitar el caudal.

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Parámetros de Importancia en el Proceso de Compresión: Existen una serie de parámetros, en los cuales su variación tiene una influencia directa en otros parámetros, que participan en el proceso de compresión. Por ejemplo. Una variación en la velocidad en los compresores, provoca una variación directa sobre la capacidad del compresor. La realidad es que la capacidad del compresor varía en proporción directa con la razón de la velocidad. La variación de velocidad influye, también sobre la presión. En vista, que la presión varía como el cuadrado de la razón de velocidad. Mientras que los caballos de potencia varían como el cubo de la razón de velocidades.

Cuando varía la temperatura del gas, los caballos de potencia y la presión varían en proporción inversa a la temperatura absoluta (cuando la capacidad y velocidad se mantienen constantes). Mientras que una variación de la densidad del gas, los caballos de potencia y la presión varían en proporción directa la densidad (si se mantienen constantes la velocidad y la capacidad).

Referencia al Volumen: El volumen de admisión o volumen original, lo mismo que el volumen de admisión de las etapas subsecuentes (ambos expresados, como volumen o caudal en minutos) es un parámetro de gran importancia en el proceso de compresión de gas, se hará referencia a este parámetro. En este caso se utilizará la palabra anhidro, para indicar que el gas no tiene vapor de agua, ni en la mezcla del gas a comprimir, como cada componente de la mezcla.

En este caso representara en caudal original expresado en libras por minutos, y las unidades pertenecen al Sistema Británico de unidades, lo que indica que el caudal fue determinado a la presión de 14,7 libras por pulgadas al cuadrado absoluta (lpca), y a la temperatura de 60 F o 520 R. Las fórmulas utilizadas son:

(24)

En la ecuación (24) es el volumen de admisión a las condiciones de admisión;

es la presión a las condiciones de admisión; es la temperatura a las

condiciones de admisión, es el factor de compresibilidad a las condiciones de admisión. Si el análisis del gas indica que el vapor de agua es un componente del gas. En este caso el gas se puede expresar en términos porcentuales, lo que indica que se expresaría en (%V/V). Luego la ecuación (24) se puede aplicar al gas hidratado, desde luego se debe de tener en cuenta, que con frecuencia el vapor de agua se segrega y el espacio que este ocupa debe de incluirse por separado. Esto, provoca un problema de presión parcial, pero este problema se soluciona al multiplicar la ecuación (24) por lo siguiente:

(25)

80

En donde: es la presión de operación a las condiciones de admisión y es la presión de vapor real del agua a las condiciones de admisión.

Requerimientos de Potencia para Compresores: El requisito de potencia de cualquier compresor es la base principal para calcular las dimensiones del impulsor, así como para seleccionar y diseñar los componentes del compresor El requisito de potencia real se relaciona con un ciclo teórico mediante la eficiencia de compresión, la cual se ha determinado con base en pruebas de cilindros compresores. La eficiencia de compresión es la relación de los caballos de potencia teóricos del gas sobre los reales, y tal como se emplea en la industria, no incluye las pérdidas por fricción mecánica, las cuales se agregan después, ya sea al emplear una eficiencia mecánica o al sumar las pérdidas mecánicas reales determinadas con anterioridad, para el caso de los compresores reciprocantes la eficiencia mecánica oscila entre 88 y 95%, dependiendo del tamaño y tipo de Compresor, que se vaya a utilizar en el proceso de compresión del gas natural, o algunos de sus subproductos, que también son de importancia, como por ejemplo lo que ocurre en las plantas REVAS.

Históricamente, el ciclo isotérmico era la base para calcular la potencia de los compresores, pero eso ya quedo en el pasado. Los compresores de desplazamiento positivo, como es el caso de los compresores reciprocantes. En la actualidad se comparan contra el ciclo isentrópico o politrópico, ciclos que tienen mayor veracidad, ante lo que realmente sucede en el cilindro compresor. Al calcular los caballos de potencia (HP) debe tomarse en consideración el factor de compresibilidad (Z), en vista que su influencia es considerable en muchos gases, sobretodo cuando se trabaja a altas presiones. También es importante tener una base de volumen de succión, lo cual es prácticamente universal en los compresores de desplazamiento positivo. Es importante diferenciar entre un volumen de succión en una base de gas ideal (Vgi) y otro en una base de gas real (Vgr). Los volúmenes se dan a la presión y temperatura de admisión, simbolizadas como (P1 y T1), luego: se tiene la siguiente fórmula.

(26)

La fórmula básica para determinar los caballos de potencia de una sola etapa teórica adiabática es la siguiente:

(27)

La fórmula (27) representa el área de un diagrama (PV) adiabático teórico para el volumen expresado en volumen/ minuto (V/min) de admisión (V1) manejado. Una base para (V1), la cual por lo general se emplea 100 PCN/ minutos reales en las condiciones de admisión, para lo cual la ecuación (26) se transforma en

81

(28)

En la gran mayoría de los casos en gas se expresa en MMPCND, en este único caso se determina como un gas ideal a una presión de 14,7 lpca y a la temperatura de succión, y la capacidad real del compresor debe de referirse a estas condiciones antes de calcular los caballos de potencia finales, y queda:

(29)

Tal como, el proceso isotérmico en la compresión ocurre sin cambios en la temperatura, luego el calor se elimina de manera continua en el momento en que se genera y de ahí que teóricamente no hay ganancia al emplear etapas múltiples, por lo que queda una ecuación que se aplica a cualquier número de etapas, siempre que la relación de compresión sea de la relación de compresión total o global y la ecuación es:

(30)

En términos generales la potencia requerida para comprimir un flujo dado de gas a una relación de compresión en un compresor reciprocante se puede representar a través de la siguiente ecuación:

(31)

Donde:(HP) es la potencia requerida; () es la tasa de flujo a condiciones de base o en condiciones estándar en millones de pies cúbicos normales por día, lo cual se representa de la siguiente manera: (MMPCND); (PCE) es la presión base o estándar; (k) es la relación de los calores específicos; (Zs) es el factor de compresibilidad a las condiciones de succión; (TS) es la temperatura a la succión; (Ei) es la eficiencia del compresor; (ZCE) es el factor de compresibilidad en las condiciones estándar; (TCE) es la temperatura estándar; (Pd y Ps) son las presiones a las condiciones de descarga y succión, respectivamente.

Compresión Isentrópica: Si el proceso de compresión ocurre en una forma isentrópica, y a entropía constante la potencia se representa a través de la siguiente ecuación:

(32)

En donde: (ZP) es el factor de compresibilidad promedio entre las condiciones de succión y descarga, el cual puede ser determinado por algún método antes

82

descrito y (M) es el peso molecular aparente del gas. La ecuación (25) se puede escribir, también de la siguiente forma:

(33)

La temperatura de descarga aproximada para estos compresores se puede determinar a través de la siguiente ecuación:

(34)

(35)

En donde ( es la eficiencia porcentual del proceso de compresión. La ecuación para determinar la potencia para un proceso politrópico, esta representada por una ecuación que ha sido deducida en forma empírica, pero a pesar de ello tiene un alto grado de precisión, la cual es:

(36)

La relación entre el proceso isentrópico y politrópico es:

(37)

Corrección por Compresibilidad En el Proceso de Compresión En las ecuaciones utilizadas para determinar la potencia de un cilindro compresor se requiere determinar el factor de compresibilidad (Z), lo que significa determinar (Z) a las condiciones de succión y descarga. La presión y temperatura de succión son conocidas, luego en este caso (Z) puede obtenerse de las gráficas conocidas, utilizando simplemente las condiciones seudorreducidas. Ahora, para determinar (Zd) a la descarga será necesario determinar la temperatura de descarga, en vista que la presión para ese proceso es conocida.

En el caso de los compresores de desplazamiento positivo, como es el compresor reciprocante, donde el proceso se caracteriza por estar en condiciones adiabáticas, se acostumbra a utilizar la temperatura de descarga teórica, para determinar (Zd). Pero, hay que tener en cuenta que en un ciclo real de compresión existirán muchos factores que desvían lo teórico de lo práctico. Pero, para paliar esa situación se puede utilizar un valor promedio entre lo teórico y lo práctico. Además la temperatura teórica de descarga se puede determinar en forma bastante precisa, y cualquier error cometido en su determinación puede ser

83

despreciado, debido a que su valor es pequeño. Si, la compresión es adiabática isentrópica, lo que significa que la entropía permanece constante, luego si en este caso existen diagramas temperatura- entropía, para en gas en estudio, la temperatura teórica de descarga puede obtenerse en forma directa, caso contrariola temperatura de descarga debe de determinarse en forma directa por la siguiente ecuación:

Td=Tsx (38)

(39)

En la ecuación (38) las presiones y temperaturas son de carácter absoluta, y también las ecuaciones desde (27) hasta (39) son teóricas, luego no son afectadas por las características del gas (peso molecular, peso específico, densidad real en condiciones de operación. Pero, estas propiedades si tienen que ser tomadas en cuenta, cuando se diseña un compresor, luego los diseñadores deben de determinar la tolerancia adecuada

Eficiencia de los Compresores La eficiencia de los cilindros compresores están relacionados fundamentalmente con el volumen de succión a la entrada del compresor, y del volumen de succión de las etapas subsecuentes, es lógico pensar que en estos casos se habla de volumen seco, es decir que no existe vapor de agua en la mezcla gaseosa. El caudal de gas en el Sistema Británico de Unidades, en condiciones normales de presión y temperatura se expresa en pies cúbicos estándar por día (PCND) Lo que significa, que es el caudal de gas que llega a la succión a una presión de 14,7 (lpca) y temperatura de 60 F o 520 R Pero el volumen o caudal para el proceso de compresión se expresa en pies cúbicos normales de operación por minutos (PCN0M). Aquí es necesario hacer la aclaratoria, que hay autores que para expresar el caudal a la succión en pies cúbicos normales por minutos, simplemente emplea la siguiente fórmula:

(40)En donde: (Vs)=volumen de succión en pies cúbicos normales por minuto (PCNM); (CE)= tasa de caudal en condiciones estándares en millones de pies cúbicos normales por día (MMPCND); (Ps)= presión de succión en (lpca); (Ts) temperatura de succión en (R) y (Zs)= Factor de compresibilidad a la succión: Por ejemplo. ¿Cuál sería el volumen de succión de un compresor que opera a una presión de 60 lpca y temperatura de 80 F. Asumir que la gravedad específica del gas al aire es 0,67 y el caudal estándar tiene un valor de 100 MM PCND

Solución: TSC=380 R PSC=668 lpcaTSR=1,42 PSR=0,09 ZS=0,89

84

Ahora si se consideran las condiciones normales de operación habría que cambiar los pies cúbicos normales (14,7 lpca y 520) a pies cúbicos de operación (60 lpca y540 R), y para ello se necesitaría el valor de la densidad de gas, luego quedaría, utilizando la fórmula (40) y los factores de conversión. La verdad es que es muy importante tener un manejo claro y preciso de los factores de conversión, ya que la solución de los problemas se hace menos complicada que utilizar otros métodos para la conversión de unidades, en vista que los factores de conversión facilitan y establecen en forma muy clara y precisa la conversión a otro sistema de unidades, que se utilizan en el proceso de compresión del gas natural.

Este sería el caudal de gas que llega a la succión y que corresponde a una presión de 60 (lpca) y temperatura de 80 F o 540 R. El volumen de succión en (lb/min) sería. El volumen de succión en (lb/min) y en (lbmol/hora) serían:

La fórmula teórica para determinar la eficiencia volumétrica, de los cilindros compresores expresa en términos porcentuales es:

(41)

En la ecuación (41) (C) esta relacionado con el volumen muerto, como también con el espacio libre del compresor, este espacio es prácticamente imposible de eliminar, y por lo general tiene una variación entre 4 y 16%. Para efectos prácticos existen factores que modifican la ecuación (41), y se obtiene una ecuación:

(42)

En la ecuación(42) el término (L) se introduce para tomar en cuenta el efecto de variables, tales como las fugas internas del gas, caída de presión en las válvulas y precalentamiento del gas de admisión, también incluye a la fricción del gas. Este término es fácil de generalizar, pero se podría tomar un valor de 5%, aunque (L) debe de tener un valor mayor para los gases livianos, en comparación con los gases más pesados que el aire, que es el componente que se utiliza para determinar si un gas es menos o más pesado.

85

Volumen Muerto (VM) Este es el volumen que no participa en el proceso de compresión, en vista que queda en el espacio libre de los compresos, espacio que no se puede Eliminar, sobretodo cuando se comprime un gas real, como lo es el gas natural. El volumen muerto tiene valores entre 4 y 16% para la mayoría de los compresores industriales. El volumen muerto no incluye el volumen de holgura, el cual pudo haberse agregado para otros propósitos, tales como el control de la capacidad. Lo importante es que las variaciones en el volumen muerto normal no afectan los requisitos de potencia.

Diseño de un Compresor y su Relación con la Eficiencia: El volumen muerto y la eficiencia volumétrica son variables fundamentales en el diseño de los cilindros compresores. Además, se debe de tener en cuenta que es necesaria que exista una correspondencia entre el tamaño de los cilindros compresores y la potencia del motor, ya que cuando el tamaño de los cilindros no es adecuado, solo se puede utilizar una fracción de la potencia del motor. Las variaciones en el volumen muerto hacen posible introducir flexibilidad en la capacidad del equipo compresor, tanto en el caudal como en la potencia, todo esto es de gran importancia al momento de establecer el diseño del compresor. Si se asumen un comportamiento ideal para el gas, y se tiene:

Volumen desplazado = =V1- V3 (43)

Volumen de descarga =(V4 -V3) =(V1 -V2) (44)

Si la eficiencia volumétrica es:

EV= (45)

El volumen muerto es: VM= (46)

Luego la ecuación (45) se puede escribir de la siguiente forma:

EV = - (47)

Si se coloca (V2) en función de (V3), y se introduce en la ecuación (47) queda:

PdV3k=PsV2

k (48)

V2= (49)

86

EV= (50)

1+%VM= (51)

Reemplazando estos valores en la ecuación (51) queda:

(52)

Para considerar el comportamiento real del gas es necesario introducir en la ecuación (52), los factores de compresibilidad, a la descarga y la succión. Luego la eficiencia volumétrica real se puede expresar de la forma siguiente:

(53)

Estas ecuaciones expresan las medidas del grado de efectividad con que un cilindro reiporocante que presenta un volumen muerto (VM), puede manejar un volumen de gas a ciertas características (k) desde una presión de succión (Ps) a otra presión de descarga (Pd).Las ecuaciones de eficiencia volumétrica (Ev) muestran como un aumento en la relación de compresión ,a un determinado (VM), conduce a una reducción de la eficiencia y viceversa, una reducción en la relación de compresión conduce a un aumento del volumen admitido. Un incremento del volumen muerto, manteniendo la presión de succión constante, provocará una reducción en el volumen de gas admitido, en el compresor, y por ende una disminución en la eficiencia volumétrica. Esta relación es aprovechada para determinar la cantidad de gas a bombear a través de un determinado cilindro esto se logra aumentado o disminuyen el volumen muerto dentro del cilindro compresor. Para, ello se dispone de unos dispositivos acoplados a los compresores que reciben el nombre de bolsillo.La Relación de los Bolsillos en los Compresores: Los bolsillos pueden ser de volumen fijo o variable. El volumen muerto suministrado por los bolsillos recibe el nombre de volumen muerto añadido. Por, otra parte, para evitar que la cara activa del pistón y el cabezal golpeen al cilindro, es necesario dejar un especio prudencial, adicionalmente incluyendo los pasajes que comunicar las válvulas de succión y descarga con el interior del compresor. Este espacio esta ocupado por el volumen muerto normal: Finalmente se tiene que el volumen muerto total es:

VM total= VM normal + VM añadido (54)

El volumen muerto normal se utiliza para evitar que: El pistón pegue contra la válvula; que cualquier fracción de condensado dentro del cilindro cause daño y, se

87

produzca una dilatación de la válvula. Mientras que el volumen muerto agregado se usa para regular el caudal.

Las ecuaciones de eficiencia volumétrica, muestran como un incremento en la relación de compresión, a un determinado (VM), conduce a una reducción de la eficiencia. Pero, una reducción en la relación de compresión conduce a un aumento del volumen admitido. Un incremento en (VM), si se mantiene la presión de succión y descarga, conduce a un menor volumen de gas admitido y por consiguiente a una disminución de la eficiencia volumétrica. Lo contrario también es valido.

Para que la fórmula de eficiencia volumétrica sea aplicada a un gas real, se necesita introducir en las ecuaciones los factores de compresibilidad, luego queda:En forma teórica se asume que el comportamiento de las válvulas de succión y descarga es perfecto y que estas se abren y cierran a tiempo aislando en formaCompleta el gas dentro del compresor .Pero, en la práctica esto no ocurre de esta forma, luego es necesario tomar en cuenta las desviaciones ocurridas, y se debe corregir a la eficiencia volumétrica (Ev) por el efecto de resbalamiento, el cual para el caso del gas natural es 0,97, factor que se ha obtenido en forma empírica. Esto indica que la ecuación (52) queda:

(55)

Desplazamiento del Pistón. En la mayoría de las aplicaciones del pistón en los compresores, se emplea como material de construcción de los pistones al hierro fundido. Aunque en algunos casos se emplea el aluminio, función que se realiza cuando se requiere de pistones grandes o en unidades de alta velocidad, con el objetivo de reducir y balancear las fuerzas de inercia. La función del pistón se relaciona con:

a.- Diámetro del pistón

b.- Diámetro del vástagoc.- Carrera del pistón

d.- Velocidad de operación en revoluciones por minuto (RPM)

El Valor del Desplazamiento del Pistón: El valor del desplazamiento del pistón en un cilindro compresor según sea su tipo de acción se puede calcular mediante las siguientes fórmulas:

a.- Para compresores de acción doble:

DP= (56)

88

b.- Para compresores de simple acción, por extremo del cabezal del pistón:

(57)

c.- Para cilindros de simple acción por el extremo del cigüeñal:

(58)

Donde :(DP) =Desplazamiento del pistón en (PC/día) a la temperatura y presión de succión (TS y PS); (c) = Carrera o embolada en (pulgadas); (D)= Diámetro del pistón en (pulgadas) (d)= Diámetro del vástago en (pulgadas); (RPM) = Revoluciones por minuto que corresponde a la velocidad;(1440)= factor de conversión de minutos a días ;(1728) = factor de conversión de pies cúbicos a pulgadas al cúbico. Estas unidades permiten establecer en forma clara y precisa el sistema de unidades, en que se esta trabajando La precisión y exactitud de todas estas ecuaciones están relacionadas con los Métodos que han sido utilizados, para la determinación de los todos los parámetros de las ecuaciones.

Capacidad y Rendimiento Volumétrico de Compresores Esta es la cantidad real de gas entregada, por medio de un orificio, a luna presión y temperatura claramente especificada. La capacidad volumétrica del compresor, por lo general se expresa en (m3 /min).o ( /min). Los parámetros que identifican el rendimiento de un compresor son:

a.- Volumen manejado

b.- Capacidad volumétrica en MM PCND

c.- BHP requerido para la compresiónd.- Temperatura de descargae.- Cargas de tensión y compresión en los vástagos

Operación con Compresores Reciprocantes. Los principales parámetros que se toman en cuenta para evaluar el rendimiento de un compresor reciprocante, deben ser claramente especificados, para no cometer errores, errores que posteriormente influyen en la eficiencia del manejo del proceso de compresión, y que tendrá influencia en el proceso mismo.

a.- Volumen manejado

b.- Capacidad volumétrica (MM PCND)

c.- BHP requerido para la compresión

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d.- Temperatura de descarga

e.- Cargas de tensión y compresión en los vástagos

Los compresores reciprocantes ofrecen las siguientes ventajas al usuario;

a.- Flexibilidad en la configuración del diseño

b.- Buena eficiencia a presiones elevadas y con cargas parciales

c.- Flexibilidad de operación en un amplio rango de condiciones para una configuración dada.

Capacidad Máxima Teórica de un Compresor Reciprocante: La capacidad máxima teórica esta dada, por la siguiente fórmula

=0,0509x (59)

En donde:()=capacidad de caudal en condiciones estándar en MM PCND ;(PS) = presión de succión en lpca; (TS)=temperatura de succión R; (ZCE)= factor de compresibilidad en condiciones estándar, se considera igual a 1); (ZS)= Factor de compresibilidad en condiciones de succión; (DISP)= desplazamiento del cilindro en (PC/min) ;(CL)= volumen de holgura libre del cilindro como una fracción decimal del volumen desplazado; (r)= relación de presiones;(N) = exponente del volumen politrópico en las condiciones de operación. La porción crítica de la ecuación (59) es la eficiencia volumétrica teórica, y puede ser utilizada para determinar la eficiencia volumétrica real, para un proceso de compresión, la cual se define por la siguiente ecuación:

(60)La ecuación (60) describe la variación de la capacidad de un compresor reciprocante, como una función del volumen de espacio libre residual, la relación de presión y el gas. Las tendencias son:

a.- Disminuye con el incremento en espacio libre;

b.- Disminuye con el incremento en la relación de presión

c.- se incrementa con el aumento en el exponente volumétrico. Las demás variables de la ecuación (60) se relacionan con la densidad del gas en la succión del cilindro compresor. La capacidad del compresor aumenta con el incremento en la densidad de la succión

90

Eficiencia Volumétrica de Un Compresor Reciprocante: Esta eficiencia se refiere a la relación existente entre la cantidad de gas que realmente se descarga del compresor y la capacidad total de desplazamiento del pistón. La eficiencia volumétrica es un parámetro de gran importancia, para evaluar la efiencia del compresor. Existen muchas razones por las cuales la capacidad que se desplaza al pistón no se descarga completamente, entre las cuales se pueden señalar:

a.- Efecto de turbulencia entre las válvulas

b.- El incremento de la temperatura en el gas inyectado durante su entrada al cilindro compresor

c.- Fuga a través de las válvulas y anillos del pistón

d.- La reexpansión del gas que queda atrapado entre la cara activa del pistón del cabezal. La eficiencia volumétrica para un compresor reciprocante, se puede expresar en Forma matemática a través de la siguiente ecuación

(61)

Donde: es la eficiencia volumétrica; ( esta expresión representa al volumen muerto, el se usa como una expresión del volumen desplazado a la descarga; (r) es la razón de compresión; es el volumen del gas por unidad de

tiempo a las condiciones de succión; es el volumen del pistón por unidad de tiempo y (L=r/100), donde (r) es la razón de compresión. En este caso el volumen

se puede determinar a través de la siguiente ecuación:

(62)

Donde: es el volumen del gas en minutos a la presión y temperatura ,

las cuales son las condiciones de succión; es la tasa volumétrica del caudal de flujo de gas a las condiciones estándar de presión y temperatura, también se

, que son la presión y temperatura a la succión y es el factor de

compresibilidad a temperatura y presión .

Ejemplo para la Eficiencia volumétrica: Determina la eficiencia volumétrica, para un proceso de compresión que tiene una Presión de succión de 100 lpcm y una presión de descarga de 800 lpcm. El caudal a comprimir es de 10 MMPCND. Mientras que la temperatura de succión y descarga es 80F y 130 F, respectivamente, siendo la presión de succión de 25 lpcm

91

Solución. Si se asume que el volumen muerto es 12%, mientras que en forma gráfica se obtiene que , y r=814,7/114,7=7,10, luego L=7,10/100=0,071.

En términos, generales se puede señalar que la eficiencia volumétrica de los compresores reciprocantes, se puede determinar utilizando la siguiente ecuación matemática::

EV = (63)

En donde: (EV)= eficiencia volumétrica; (C)=Volumen muerto, expresado como una fracción del volumen desplazado, (r)= razón de compresión; (VS)= volumen del gas a las condiciones de succión en ; (VD) = volumen de descarga en

(ZS y Zd) factor de compresibilidad a las condiciones de succión y descarga, respectivamente. Si (L) se expresa en revoluciones por minutos, se considera que esta representado por lo siguiente ecuación:

L= (64)

Determinación de la Eficiencia Volumétrica de un Compresor Reciprocante Con el objetivo de establecer una fórmula para determinar la eficiencia volumétrica en un compresor reciprocante, se utilizará la figuras 15, en la cual el ciclo de compresión se efectúa en 4 etapas, tal ya antes fue demostrado, y aquí se puede utilizar la misma:a.- Etapa 1 En esta etapa el gas es admitido a través de las válvulas de succión a una temperatura y presión de succión, simultáneamente el pistón se desplaza hacia la otra cara del cilindro (trayectoria AÞB), cuando el pistón llega al límite de su recorrido (punto B), el cilindro queda lleno de un volumen de succión (V1)

b.- Etapa 2 Al invertir el pistón su dirección de movimiento actúa sobre el volumen de gas (V1), comprimiéndolo de la presión de succión (Ps) hasta la presión de descarga (Pd). Esta etapa es la trayectoria BÞC de la figura 15

c- Etapa 3. Esta etapa se inicia, justo en el momento en que se establece un equilibrio entre la presión de descarga, y una presión en la línea de descarga, en esta etapa se abre la válvula de descarga, el pistón continúa moviéndose y desplazando el volumen de gas comprimido (V2) a presión de descarga constante. Esta es la trayectoria CÞD, de la misma figura

92

d.- Etapa 4: Comienza cuando nuevamente el pistón cambia de sentido de movimiento. En esta etapa se cierra la válvula de descarga y se abre la válvula de succión, para dar inicio a un nuevo ciclo de compresión, tal como este es un gas ideal, por ser un ciclo de compresión ideal esta etapa (trayectoria DÞA) es casi instantáneo, en vista que no hay volumen muerto, si no hay volumen muerto significa que la etapa es ideal.

Proceso de Compresión de Gas Natural, en un Compresor Reciprocante. Los Procesos de tratamientos del gas natural, sobretodo cuando, se habla de gas asociado, comienza directamente en los pozos. La mezcla gaseosa, puede estar conformada por un gas seco, como también puede tener un cierto contenido de hidrocarburos en estado líquido, contiene impurezas, y lógicamente agua en estado de vapor. Todos estos componentes deben de ser retirado o eliminados de la mezcla de gas natural. Después de esos tratamientos previos el gas ingresa al sistema de recolección, que lo transporta al medidor, donde confluyen todos los gases extraídos del pozo. El gas es transportado por una línea de transmisión, hacia una planta de procesamiento, en la cual se separan fundamentalmente el metano (C1) y etano (C2) de los hidrocarburos más pesados. A través de otra línea de transmisión el gas es llevado a una planta de deshidratación, para eliminar el agua, posteriormente el gas es sometido a proceso de regulación y medición.del gas natural

Finalmente el gas entra por el cabezal de succión hasta una estación de compresión, en la cual se aumenta la presión, para poder ser transportado a través de los sistemas de transmisión. El sistema de compresión es de etapas múltiples, en vista que se encuentran varios compresores que están conectados En serie, con el fin de elevar la eficiencia del proceso de compresión del gas natural. Como, una manera de prevención se le antepone separadores, para eliminar residuos o contaminantes que puedan entrar al compresor. Luego, el gas sale por el cabezal de descarga a través de las líneas de flujo, para ser llevado al lugar de destino.Potencia Requerida Para un Proceso de Compresión de Gas Natural El requisito de potencia de cualquier compresor es la base principal para determinar las dimensiones del impulsor, del cilindro compresor. Esta potencia se puede determinar utilizando la ecuación (59), desde luego esta es una ecuación general, la cual puede ser utilizada para estimar la potencia necesaria, para que se realice el proceso de compresión del gas natural, en conclusión la ecuación (59) es una estimación del cálculo de la potencia para todos los compresores reciprocantes

Caballos de Potencia: La eficiencia de la compresión se fundamenta en los caballos de potencia (HP) Existe una ecuación teórica isentrópica que permite calcular la potencia para un cilindro compresor reciprocante.

HP=(43,67)x (65)

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En donde: (HP) son los caballos de potencia necesarios, para que el proceso de compresión del gas natural, se lleve a cabo con un alto grado de eficiencia; es el caudal de gas a comprimir; (N) es el factor politrópico y (r) es la relación de compresión. Al analizar la Ecuación (65) se deduce que los principales efectos, que se tiene sobre la potencia isentrópica son la tasa de caudal del gas y la relación de presiones (r). Por, lo general los caballos de potencia aumenta con la capacidad, también los caballos de potencia se incrementan con la relación de presión, la disminución con la capacidad se convierte en el factor determinante. Se tiene, que tener en cuenta además que los mismos factores que afectan el caudal del compresor, afectan también la potencia del compresor. La fricción, también puede agregarse como un factor que afecta, tanto la potencia, como la capacidad del compresor. La realidad es que la potencia necesaria, para que el compresor realice el proceso de compresión es de vital importancia, para que el proceso ocurre con un alto grado de eficiencia, tal como la eficiencia del proceso es determinante para analizar la economicidad y rentabilidad del mismo.

Agregados de Potencia: Los mismos factores que afectan la capacidad tiene un efecto adverso sobre la potencia, es por ello que resulta apropiado llamarles agregados, en oposición al término pérdida, ya que los caballos de potencia que en realidad consume un compresor es casi siempre mayor, que la potencia isentrópica o politrópica determinada. Los agregados de potencia tienen tres efectos sobre los (HP) necesarios para la compresión, los cuales son::

a.- Agregar Potencia. En este caso se refiere al agregado de potencia a las porciones de succión y descarga, esto es causado por las pérdidas en las válvulas.

b.- Distorsión en las Líneas: Este efecto se refiere a la distorsión causada en las líneas de compresión y reexpansión, la cual es causada por las fugas y la transferencia interna de calor.c.- Agregados de Potencia: Aquí el efecto consiste simplemente en agregar la potencia necesaria para superar la fricción mecánica.

Al acumular los agregados de potencia se encuentran algunos efectos importantes, los cuales provienen fundamentalmente de las válvulas, como también hay otros efectos ocasionados por fugas y calentamiento, aunque claro, estos efectos son menores, por lo general estos efectos se relacionan con disminuciones de presión en el proceso de succión, como también una disminución de la densidad, lo cual sucede, por lo general en la bomba de vació La fricción puede considerarse como un agregado directo. Luego existe una ecuación que puede utilizarse para cuantificar la potencia de un compresor, donde además se tomen en cuenta los factores que afecten la potencia y la capacidad del compresor, la cual es:

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BHP=43,67 xx (66)

En donde:(EC) es la eficiencia de compresión, la cual varía con muchos factores y es difícil definir una relación única, aunque hay algunas compañías que recomienda utilizar el valor de 0,85 como un primer intento para el servicio lubricado, se recomienda utilizar un valor de 0,05 adicional para el servicio de no lubricado: (EM) es la eficiencia mecánica, para este parámetro se acepta un valor de 0,95 el cual es utilizado por la gran mayoría de las compañías..

La Potencia (HP) suplida a las paletas del impulsor del cilindro compresor, produce un incremento de altura de carga o cabezal (H) en un flujo másico que se expresa, por las siguientes ecuaciones:

HP= (67)

BHP= HP(gas)+ Pérdidas mecánicas (68)

Pérdidas mecánica = (HP(gas)x0,4 (69)

Ejemplo utilizando la ecuación (66) determina la potencia necesaria para un cilindro compresor, que necesita comprimir 50 MMPCN de una presión de succión de 80 lpca hasta 640 lpca. La temperatura de succión es de 85 F. Si en la primera etapa de compresión se comprime el 75% del gas de admisión. Se sabe que el valor de (k) es 1,30, mientras que la gravedad específica del gas es 0,70 al aire.

Solución: Para dar solución a este problema se estimará la temperatura de descarga por la ecuación (38), para los cual se tiene:

Para determina el volumen de admisión se utilizará la ecuación (24), y se

asumirá que todo el volumen de admisión entra en la succión, por lo tanto

.Para determinar el valor de se utilizan los gráficos. Con la gravedad específica del as se obtiene en forma gráfica que

y , luego y , luego Z1=0,95

)

Se calcula el valor de (N) por la ecuación (19)

95

Necesidades de Potencia en los Compresores Reciprocantes La potencia que necesita un compresor reciprocante depende básicamente de::

a.-Cantidad de gas a comprimir

b.-la relación de compresión

c.- las propiedades físicas del gas y la eficiencia del compresor

Para evaluar la potencia necesaria para comprimir un volumen dado de gas, con ciertas características termodinámicas, desde un nivel de presión a otro mayor se pueden utilizar los siguientes métodos:

a.- Analítico: Este método se fundamenta en aproximaciones del comportamiento del gas, lo cual permite obtener resultados con cierto grado de precisión.

b.- Termodinámico. Este método emplea el diagrama de Mollier, entalpía- entropía, correspondiente al gas manejado. Los resultados obtenidos tienen una alta precisión.

c.- Curvas de Potencia: Estas son curvas que permiten obtener los BHP requeridos en el proceso de compresión, conociendo el volumen estándar, el flujo másico, la temperatura y la presión de succión, el peso molecular, la relación de los calores específicos, la relación de compresión y la eficiencia mecánica. Los gráficos obtenidos empíricamente que muestran la potencia en función de una serie de variables, que pueden ser utilizadas para determinar el trabajo necesario de tal forma que el compresor funcione.Para la deducción de ecuaciones que permitan determinar los requerimientos de potencia para un cilindro compresor reciprocante, es necesario recurrir a las figuras 15 y 16, que representa los ciclos de compresión de un gas ideal y gas real:

Método Analítico en este método se tomará como referencia la figura 15, que representa los ciclos de compresión de un gas ideal, sin volumen muerto, en donde a través de postulados matemáticos ampliamente reconocidos se determinara el trabajo necesario, para realizar el proceso. En este caso el trabajo total de proceso de compresión se puede expresar:

W(ciclo) = W(AB)+W(BC)+W(CD)+W(DA)= (70)

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Para una trayectoria adiabática reversible y, suponiendo un comportamiento ideal para el gas, se tiene que: el trabajo del sistema

W(AB)= PS xV1 (71)

W(BC)= (72)

El valor del trabajo para la etapa BÞC depende de la forma como se realice la Compresión, ya que puede ser isotérmica, isentrópica o politrópica

Trabajo sobre el sistema W(CD)= - PdxV2 (73)

Proceso Isocórico W(DA) = 0 (74)

Luego el trabajo para el ciclo será: W(ciclo)= PS xV1+ PdV- Pd xV2 (75)

En la mayoría de las instalaciones, el gas del compresor va a los compresores del gas residual, los cuales comprimen hasta la presión del gasoducto. Los compresores de gas residual son controlados para mantener una cierta presión de succión, la cual es también la presión de descarga del expansor - compresor. Si la presión de succión de los compresores de gas residual es muy baja, y la presión de descarga del expansor- compresor será también baja, y la energía requerida para manejar el compresor será baja. El efecto neto será que la temperatura saliendo del expansor no llegará tan baja como debería, debido a que una insuficiente cantidad de energía esta siendo tomada del gas por el expansor.

La ocurrencia de una u otra forma de compresión depende del régimen de enfriamiento que presente el cilindro compresor, así en el caso de un aislamiento térmico total la compresión será adiabática, lo cual originará un incremento máximo en la temperatura del gas al ocurrir la compresión; por otro lado, si el enfriamiento del cilindro compresor es de tal eficiencia que es posible conservar la misma temperatura en el gas que se comprime, la compresión será isotérmica y la temperatura de descarga será idéntica a la de succión.

En la práctica no pueden aislarse de forma perfecta los cilindros compresores, por otro lado, debido a lo rápido que ocurre la operación no se puede alcanzar un enfriamiento tan eficiente como para poder obtener una trayectoria isotérmica, por lo tanto, el comportamiento real de un gas que se comprime es eminentemente politrópico, es decir, de naturaleza intermedia entre los comportamientos adiabáticos e isotérmico aproximándose más a una trayectoria adiabática. Si se asume que la trayectoria de la compresión es adiabática reversible y el comportamiento del gas es ideal, se tiene que:

Pd V2 K =PS V1

K =P V K (76)

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P=PSx (77)

W(BC)= PsV1(dV/Vk) (78)

(79)

Como: PS V1 K =Pd V2

K (80)

(81)

(82)

(83)

Si (84)

Queda:

(85)La ecuación permite (84) determinar la potencia necesaria para comprimir un gas ideal bajo condiciones adiabáticas reversibles. Si el gas tiene un comportamiento real, en este caso necesariamente existirá un volumen muerto y no todo el gas encerrado dentro del cilindro es descargado. Si se toma como base la figura 9 se puede señalar que el trabajo total es:

W(total)=W(ACDF) - W(ABEF) (86)

(87)

(88)

98

Si el volumen neto admitido es V=V1 - V2 , queda:

(89)

Ecuaciones para Gases Reales: Todas estas ecuaciones suponen cilindros de compresión, mecánicamente perfectos con válvulas y mecanismos de transmisión de potencia ideales. Igualmente perfecto y sin ningún tipo de falla, cosa extremadamente difícil en un proceso industrial. Luego se supone que la etapa de compresión es perfectamente reversible. Para tomar en cuenta las desviaciones que ocurren en la práctica debido a las inevitables imperfecciones del mecanismo compresor y en el gas manejado, la ecuación (89) se corrige con los siguientes factores:

(90)

El término (EM) toma en cuenta las imperfecciones mecánicas que se traducen en pérdidas por roce en cigüeñales, vástagos. Por, lo general este parámetro tiene valores que oscilan entre 90 y 95%. Mientras que el término (EC) corrige las irreversibilidades que suceden en el seno del gas al producirse pérdidas de energía por turbulencias que ocurren en el momento de ser comprimido. Este valor es de 83,5% para relaciones de compresión igual o mayor que 2,2 y de 94% para relaciones de compresión menores a 2,2. Si se expresa el volumen admitido en condiciones normales o estándar en el sistema Británico, queda:

(91)En donde: (Vad)= Volumen de admisión en (PCM) ; (Pad)= presión de admisión en lpca; (Tad) = temperatura de admisión en R, (ZS)= Factor de compresibilidad a la succión; ( PCE;TCE y ZCE) son la presión en lpca, temperatura en R y factor de compresibilidad en condiciones normales o estándares. Luego si se expresa el volumen en MM PCND y el trabajo (W= BHP). La ecuación (91) se puede escribir de la siguiente forma.

(92)

La ecuación (92) permite determinar la potencia necesario, para la compresión de un gas natural en un cilindro reciprocante, cuando el volumen se expresa en condiciones estándar a una presión de (14,73 lpca y temperatura de 520 R de temperatura).Esta fórmula se deduce, según el criterio analítico, utilizado para

99

determinar la potencia del compresor reciprocante utilizado en el proceso de compresión.

Método Termodinámico En la figura 15 se observa, que en el punto (D) se supone que el pistón ha completado la carrera de compresión, bajo estas condiciones no existe gas en el cilindro. El cambio de presión de (DÞA) se realiza a volumen constante y se supone que ocurre en forma instantánea, permitiendo la entrada del gas a la presión de succión (PS). Al final de la carrera de succión (AÞB), se obtiene un volumen (V1). Cuando el pistón se desplaza hacia la izquierda, la válvula de succión se mantiene cerrada y el gas se comprime a lo largo de la curva (BÞC). Cuando el gas alcanza un volumen igual a (V2) y una presión de descarga (Pd), la válvula de descarga se abre y mediante la fuerza de empuje del pistón el gas pasa a la línea de alta presión. Este proceso de descarga se realiza hasta que se alcance el punto (D)

El método termodinámico considera al interior del cilindro compresor como un sistema abierto (este sistema se caracteriza por tener intercambio de materia y energía, con el medio ambiente), lo que indica que opera bajo condiciones de estado estacionario, estado que permite hacer cumplir la primera ley de la termodinámica se cumple:

Q=H+W (93)

Donde: (Q) es el calor cedido en el proceso de compresión en (BTU); ( H)= cambio total de entalpía en (BTU), y (W)= trabajo realizado en el proceso de compresión en (BTU). Para un cilindro compresor el valor de (Q) no tiene ningún significado, tal como el calor que fluye desde el gas a través de las paredes del cilindro comparado con el valor de W es muy pequeño. Se sabe que el proceso de compresión se acerca al comportamiento adiabático, en vista que si bien los cilindros generalmente tienen agua de enfriamiento, esta absorbe principalmente el calor generado por la fricción entre el pistón y la parte interior del cilindro compresor, mientras que el incremento de temperatura que experimenta el gas al ser comprimido no resulta prácticamente afectado. La ecuación (99) es de gran utilidad para el manejo del caudal de gas.

Comportamiento de un Gas Real Comprimido: El comportamiento real de un gas que se comprime es netamente politrópico. Es decir intermedio entre el trabajo adiabático y el isotérmico. Pero, por lo general el proceso de compresión tiene mayor tendencia a realizarse en forma adiabática que isotérmica. Luego en este caso se asume un proceso adiabático reversible, luego (Q=0), por lo que la ecuación (92) se convierte en:

(94)

100

En este caso se supone, también que el cilindro compresor representa un sistema abierto (Un sistema abierto es aquel que acepta masa y energía del medio ambiente) y que opera bajo condiciones de estado estable (en donde las propiedades no varían en función del tiempo). El signo negativo de la ecuación (99) indica que el trabajo se realiza contra el sistema (este trabajo se denomina trabajo de compresión), luego este signo simplemente se omite. Luego se puede deducir la ecuación que caracterizara la potencia necesaria, para llevar el proceso de compresión desde la entrada del gas al compresor (succión), hasta la salida del gas de cilindro compresor (descarga), todo esto ocurre en un cilindro compresor reciprocante, por el sistema termodinámico, en este caso la ecuación que representa el proceso es:

(95)

En donde: = Cambio total en la entalpía del sistema por unidad de tiempo, en (BTU/día); (n)=flujo molar del gas en (lbmol/día); (hd)= entalpía específica de descarga en (BTU/ lbmol); (hS)= entalpía específica del gas de succión en (BTU/ lbmol) y (W)= trabajo realizado sobre el gas por unidad de tiempo en (BTU/día). Si se aplica la ecuación de estado aplicada a un gas real se obtiene para (n), en El Sistema Británico de Unidades.

(96)

Donde: (n)= flujo molar en (lbmol/día); (PS)= presión específica de succión en (lpca); (TS)= temperatura de succión en (R); (VS)=flujo volumétrico a la succión en (PC/día); (ZS)= Factor de compresibilidad a las condiciones de succión y (R)= constante universal de los gases =10,73 (lpca)(PC) / (lbmol) (R ). Si a la ecuación (96) se le colocan las unidades del Sistema Británico queda, la siguiente ecuación de gran utilidad:

(97)

(98)

El volumen de succión (VS) se puede encontrar, a través de la fórmula combinada de los gases, para ello se relacionan las condiciones de succión y las estándar, ySe obtiene:

(99)

Colando los valores en el Sistema Británico de Unidades queda:

101

(100)

Reemplazando la ecuación (100) en la ecuación (98), se obtiene para el trabajo:

0,0283x (101)

Introduciendo factores de conversión y expresando VCE= MM PCND a TCE y PCE se obtiene para la ecuación (101)

(102)

La ecuación (102) permite determinar el trabajo necesario para llevar un proceso de compresión desde la succión hasta la descarga por el método termodinámico Los valores de (hd) y (hS ) se pueden determinar a partir de la figura (19), que corresponde diagrama de Mollier, diagrama que permite determinar los contenidos calorífico a la succión y descarga y también la temperatura de descarga

En la figura 19 el valor de la entalpía de succión (hS) viene fijado por la presión y temperatura de succión (PS y TS). Mientras que el valor de la entalpía de descarga (hd), viene dado por la presión de descarga (Pd) y el mismo valor de entropía de las condiciones de succión (Ss). La suposición que los valores de entropía de descarga y succión tengan el mismo valor esta fundamentado, sobre la base que el proceso de compresión se lleva a cabo bajo condiciones isentrópicas, luego es un proceso adiabático reversible, en donde la entropía es constante para el proceso. Sin embargo esto no corresponde al comportamiento real, debido a las irreversibilidades originadas por imperfecciones mecánicas de los equipos y por pérdidas, debido a las turbulencias generadas en el mismo fluido. Luego la ecuación (97) debe ser corregida por los factores de eficiencia mecánica y de compresión, y queda:

Figura 19 Diagrama de Mollier para la determinación de (hd y hS)

102

= (103)

La ecuación (102) permite determinar el requerimiento de potencia, cuando el volumen se expresa en condiciones estándar, según el Método Termodinámico.

En la ecuación (102) la relación (W/VCE) representa la potencia real del eje y se expresa en caballo de fuerza (BHP) por millones de pies cúbicos normarles diario. Ecuación de gran importancia para la determinación de la potencia necesaria, para el cálculo de la potencia.

Método de Curvas de Potencia Este método es uno de los más utilizados, debido a su fácil y rápida aplicación. Se fundamenta en una serie de curvas, que relacionan la potencia y el caudal con la relación de compresión y la relación de

103

calores específicos .La potencia obtenida en (BHP) se sustenta en una eficiencia mecánica (EM=95%) y una eficiencia de compresión (EC=83,5%), la ecuación para la potencia es:

(104)

En donde: (Vs)= volumen de succión en (MM PCND); (BHP / MM PCND)= factor que se obtiene de las cuervas a una presión de 14,4 lpca y temperatura de succión y (Zp)= factor de compresibilidad promedio entre la succión y la descarga. Luego la ecuación (102) permite determinar la potencia necesaria, para que un proceso de compresión ocurra y se puede determinar el trabajo necesario, para que el proceso se lleve a cabo con una alta precisión y mayor eficiencia. Los valores de potencia y caudal también se determinan a través de la siguiente ecuación:

(105)

La ecuación (105) recibe el nombre de Potencia de freno. Esta ecuación fue obtenida utilizando factores empíricos, y se ha convertido en una ecuación de gran importancia en el manejo de compresores. Donde: potencia en el eje en caballo de fuerza (BHP/ MM PCND) a 14,4, que viene a ser una unidad del sistema Británico de unidades, a una temperatura diferente a la temperatura estándar del sistema lpca de presión y temperatura de succión: V*= MM PCND*= Caudal requerido y expresado a una presión de 14,4 lpca y a la temperatura de succión. El factor MM PCND* se puede determinar, también según la siguiente ecuación:

(106)

Donde: (VN) = volumen en MM PCND a 14,73 lpca y 520 R. Luego la potencia por etapas de compresión (BHP) se obtiene de la siguiente ecuación:

(1076)

Determinación de la Temperatura de Descarga: en un Compresor Reciprocante Para la determinación de la temperatura de descarga (Td), realizando las correcciones para un gas real, se obtiene la siguiente ecuación:

(108)

104

La (Td) se puede obtener directamente en el Diagrama de Mollier, y el valor puede ser preciso dependiendo del tipo de diagrama utilizado:

Ejemplo se necesitan comprimir 90 MM PCND de un gas que tiene una gravedad específica al aire de 0,70. El proceso de compresión se realizara desde una presión y temperatura de succión de 60 lpca y 80 F hasta una presión de descarga de 900 lpca La concentración porcentual de la mezcla es :C1= 92,79; C2=2,15 ; C3=1,05 ; C4 = 0,78 ; C5=0,44 ; C6=0,15 ; C02=1,75 N2=0,79 y H2S=0,10. Determinar la potencia necesaria para realizar el proceso de compresión, por el método analítico, Termodinámico y Curvas de potencia, determinar la eficiencia volumétrica. Si la relación de calores específicos es 1,29 y el volumen muerto es 14,5%:

a.- Método Analítico:

PSR=60/663,34=0,09ZS=0,99

TSR= 540/377,66=1,43

=

b.- Método Termodinámico

hs=520 BTU/lbmol ; hd=4100 BTU/lbmol

c.- Método de Curvas de Potencia:

Eficiencia Volumétrica: Td=235 F

TdSR=695/377,66=1,84 PdsR=900/663,34=1,36 ZD=0,93

105

Factores que Influyen en el Rendimiento del Compresor Reciprocante Los factores que influyen en el rendimiento de los compresores reciprocantes y que de seguro influyen en la economicidad del proceso son:

a.- Volumen muerto (VM) Si todos los factores se mantienen constantes, menos el volumen muerto, se tiene que la ecuación para calcular el volumen manejado se transforma en una recta. Y el BHP variaría en una forma directamente proporcional al volumen manejado. Existen varios métodos para modificar el volumen muerto en un cilindro compresor. Es lógico que haya un volumen muerto que se considera normal, el cual viene de fábrica. Las variaciones del volumen muerto no afecta la temperatura de descarga, ni las cargas de tensión y compresión sobre el vástago, cuando sé mantienen constantes las variables restantes, menos el volumen muerto.

b.- Presión de Succión (Ps) Este parámetro es de gran importancia, para el manejo de la eficiencia del proceso de compresión, en vista, que aparece involucrado varias veces, ya que aparece en el cálculo de la eficiencia volumétrica, relación de compresión y factor de compresibilidad. En forma matemática se puede demostrar que el volumen manejado por un compresor reciprocante no es directamente proporcional a la presión de succión. También el caballaje requerido para comprimir el gas no es una función lineal de la presión de succión, tal como el resultado es una función parabólica.

c.- Presión de descarga (Pd) Este factor no es directamente proporcional a la presión de descarga. Pero, en el rango de variación en el cual trabaja se asemeja a una línea recta. Una situación parecida ocurre con el caballaje requerido para comprimir el gas. También la temperatura de descarga del cilindro aumenta con incrementos en la presión de descarga. Ahora, las cargas sobre el vástago aumentan con el incremento de presión de descarga. Por lo tanto hay que tener cuidado cuando esto sucede, porque puede ocasional la ruptura del vástago.d.- Temperatura de Succión (Ts) El volumen manejado por un compresor es inversamente proporcional a la (Ts). A medida que la temperatura de succión se incrementa, este disminuye. Pero, el caballaje requerido no se ve afectado por variaciones en la temperatura de succión. La temperatura de descarga es directamente proporcional a la temperatura de succión y las cargas sobre el vástago no se ven afectadas.

e. Coeficiente de la Relación de Calores específicos (k) A valores mayores de k habrá mayor eficiencia volumétrica, luego el volumen será mayor, el caballaje y la temperatura de descarga también se incrementan.

106

f.- Velocidad. La velocidad de los motores es directamente proporcional al volumen manejado y al caballaje requerido. Los parámetros restantes no se ven afectados, igualmente los requerimientos de caballaje serán superiores.

Operación y Eficiencia de los Compresores Reciprocantes Los parámetros que participan en el rendimiento de un compresor reciprocante son:

a.- Volumen de Gas Manejado Este es el volumen de gas neto admitido y que finalmente es comprimido, en el proceso de compresión del gas natural, que esta siendo sometido al proceso de compresión. Este volumen se determina mediante la siguiente ecuación

VA =DPx EV (108)

Donde: (VA)= volumen manejado en (pie3/día) a la temperatura y presión de succión (TS y PS); (Dp)= desplazamiento del pistón y (EV)= eficiencia volumétrica, que hay que determinar en forma previa

Capacidad Volumétrica en (MM PCND) Este es el volumen de gas que se mueve durante un periodo de tiempo especificado. La capacidad de un depende de la velocidad y del diámetro de la tubería, la capacidad es, según:

(109)

(110)

(111)

= A (112)

Aquí: ()= capacidad volumétrica en (MM PCND); ( )= velocidad del gas en (pie / día); (A)= área transversal en (pie2) BHP requeridos para la compresión. Este parámetro se obtiene mediante una serie de curvas que relacionan la potencia y el caudal con la relación de compresión y la relación de calores específicos. Estos últimos en la gran mayoría de los casos están tabulados en función de la temperatura, luego pueden ser fácilmente determinados:

BHP:VAsx0,0857xk/(k-1)TsZs (Pd/Ps)(k-1)/k-1 x1/EMEc (113)

La temperatura de descarga, ya fue considerada anteriormente

107

Carga de Tensión y Compresión en los Vástagos Estos parámetros se determinan a través de las siguientes ecuaciones:

(114)

(115)

En un compresor reciprocante de configuración geométrica conocida, las ecuaciones que se necesitan para la deducción de la eficiencia volumétrica son:

(116)

(117)

CCM=PD xC3 -PS xC4 (118)

CTM=PD xC4 -PS xC3 (119)C1 ;C2 ;C3 y C4 son constantes que están tabuladas

Operación con Compresores Centrífugos: La operación de estos compresores se sustenta en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y luego convertir esta velocidad en energía de presión. Con frecuencia, a estos compresores se les llama turbocompresores y las máquinas centrífugas comprenden, tal vez el 80% de los compresores dinámicos. Estos compresores tienen en forma relativa pocos problemas, son utilizados en la compresión de múltiples gases. En estos compresores, por ser compresores dinámicos es necesario tener en cuenta que los impulsores con álabes inclinados hacia atrás, tienen una característica de capacidad de carga que, a velocidad constante, la presión de descarga disminuye de manera gradual mientras la capacidad aumenta. También los compresores dinámicos oscilan o sufren un cambio en la dirección del flujo cuando la cantidad total de gas tratado cae por debajo de un cierto valor definido por la forma del compresor. Igualmente las condiciones de operación, las propiedades del gas, pueden producir un contraflujo en la punta de impulsor, lo que puede producir trastornos al proceso de compresión, ademas de graves daños mecánicos en las partes internas del compresor.

Cálculos en los Compresores Centrífugos: Los tres puntos que suelen determinarse en los cálculos de los compresores centrífugos son:

a.- Los caballos de potencia del eje

108

b.- la velocidad de operación

c.- La temperatura de descarga

La determinación de la potencia y la velocidad se fundamenta en los cálculos de la carga necesaria para la compresión. La carga, que en realidad representa en trabajo realizado por libras de fluido manejado, y se expresa en términos en términos de pies. Es decir, en el Sistema británico de Unidades son pies por libras entre libramos ( piexlb/lbmol). Lo que indica que su definición es parecida a una bomba líquida, y se define por la siguiente fórmula:

H= k1 (120)

Donde (H) es la carga expresa en pie(para el Sistema británico de Unidades); ( ) es el volumen específico en ; (P) es la presión absoluta expresa en (lpca) y (k1) es una constante de integración, con valores diferentes, según sea el sistema de unidades utilizadas En, en caso de la bomba para líquido, donde el volumen específico es constante la ecuación (120) se puede integrar y reacomodarse y queda:

(121)

En la ecuación es la densidad en (lb/pie3).

Para los compresores centrífugos, donde el volumen específico del gas es una variable, se obtiene una relación más compleja. Si se asumen, por ejemplo que la compresión es politrópica y se presenta por , en este caso la ecuación (121) se puede integrarse y queda, la siguiente expresión matemática, que se puede desarrollar con gran facilidad, para el cilindro compresor utilizado en el proceso de compresión del gas natural o alguno de sus subproductos, que también utilizar la compresión:

H= (122)

Donde: (Ps y Vs) son la presión y volumen de succión (N) es el exponente politrópico de la compresión. La ecuación (122) se puede escribir como:

H= (123)

109

Donde:(ZP)= factor de compresibilidad promedio; (Ts)= temperatura de succión en (R o K) y (Pd)= presión a la descarga en lpca; (PS)= Presión a la succión en lpca (R )= constante universal de los gases: La veracidad de las Ecuaciones (121 y 122) dependen de la determinación del Exponente Politrópico (N), y también se puede expresar de la siguiente manera:

(124)

(125)

(126)

Las ecuaciones (123 y 124) aparentemente representan la carga del compresor centrífugo, por lo tanto los caballos de fuerza necesarios para el proceso de compresión dado, y las ecuaciones varían directamente con la temperatura de succión absoluta y varían en forma inversa con el peso molecular del gas manejado. En vista de que existe un limite en la cantidad de carga que produce un solo impulsor, trae como consecuencia que los gases que tienen un peso molecular mayor que el aire necesiten menos impulsores que los gases de peso molecular menor. Cuando el proceso de compresión se realiza con gases ideales (Z) tiene un valor de 1, ahora cuando los valores de este factor oscilan entre 0,95 y 1,02 o donde permanece constante, se puede utilizar un valor promedio, y el error será despreciable, en los casos donde el factor este sometido a grandes variaciones, se puede emplear la siguiente ecuación, que establece una buena aproximación para la carga:

(127)

(k2) representa diferentes constantes en los sistemas de unidades. El principal error de la ecuación (127) es asumir que la media logarítmica de (PV) es igual a la media aritmética, para disminuir el error se debe de utilizar la siguiente ecuación, que permite establecer el error:

(128)

La utilidad práctica de la ecuación (128) esta relacionado con la compresión de hidrocarburos a presiones moderadas o altas y/o temperatura bajas. Aunque es necesario hacer resaltar que el éxito del empleo de las ecuaciones (122) y (123) depende de la determinación del exponente politrópico (N). Este exponente puede obtener se con cierta facilidad a través de las siguientes ecuaciones, que surgen de la eficiencia hidráulica:

(124)

110

(125)

Donde: es la eficiencia hidráulica; es el cambio del entalpía, en (BTU/lbmol y (k) es el exponente isentrópico. La eficiencia hidráulica se establece en base a pruebas y, por lo general, es una función de la capacidad bajo condiciones de succión en el compresor. La carga que produciría una etapa de un compresor centrífugo, consistente en un impulsor y un difusor, puede relacionarse con la velocidad periférica por medio de la siguiente ecuación:

H = /g (126)

En donde: () es un coeficiente de presión., para un compresor centrífugo de etapas múltiples, tiene un valor de 0,55 ;( ) es la velocidad periférica del fluido en (m/s ) o (pie/s) y (g) es la aceleración de gravedad igual a 9,81 (m/s) o 32,2 (pie/s)

La potencia necesaria para la compresión de un gas, puede determinarse mediante la siguiente ecuación:

(127)

(128)

Donde: (GHP) es la potencia del gas (caballos de fuerza); (W) es el flujo másico del gas en (lb/min): (KW) es la potencia del gas; (m) es el flujo másico en (kg/minuto y (H ) es la carga diferencial. Sobre la base de la ecuación (128 ) se obtiene:

(129)

La potencia necesaria para la compresión de un gas en un compresor centrífugo se puede calcular, según:

GHP= (130)

KW= (131)

En donde:(GHP)=potencia del gas en (caballos de potencia) ;(W)=flujo del gas (lb / min); (KW)=potencia del gas en (kW) ;(m)=flujo másico (kg/min) ;(H)=carga diferencial en (pie) y ()= eficiencia mecánica

111

Para la mayoría de las aplicaciones de los compresores centrífugos, las pérdidas mecánicas son pequeñas, luego se puede emplear un =99%. La velocidad rotatoria de un compresor centrífugo esta fijada tanto por la velocidad periférica como el diámetro de los impulsores. La velocidad periférica esta determinada por la carga que desea producirse

Trabajo de Compresión en los Compresores Centrífugos: Las condiciones de operación, para la potencia son determinadas en banco de pruebas. Los resultados se plasman en la curva del compresor, en coordenadas de carga adiabática en pies (Ha) y flujo en pies cúbicos por minutos (FPCM). Estas cantidades se calculan a partir del flujo en condiciones base o estándar, las cuales desde luego dependerán del Sistema de Unidades, en el cual sé este trabajando, si se trabaja en el Sistema Británico de Unidades será (T=520 R) y (P=14,73 lpca) y las presiones de succión y descarga especificadas de tal forma que no hayan problemas en los cálculos

a.- Determinación del Trabajo de Compresión a través del Método Analítico : Si se supone un proceso adiabático para la compresión se obtiene, para el trabajo y para el flujo en pies cúbicos por minuto;

Ha= ZSxRxTS x (132)

FPCM =694,4 x (133)

Donde: () es la tasa de flujo en condiciones estándar (CE) o condiciones de base en MMPCND ; (PCE) es la presión base o estándar en el sistema británico es 14,73 (lpca); (k) es la relación de calores específicos ; (Zs) es el factor de compresibilidad en condiciones succión ; (ZCE) es el factor de compresibilidad en condiciones estándar; (TCE) es la temperatura en condiciones estándar (520 R) ;(Ts) es la temperatura a la succión en grados (R ) ; (Ps y Pd) son la presión a la succión y descarga, respectivamente en (lpca) ; (R ) es la constante universal de los gases, La determinación de la potencia y la velocidad se basan en los cálculos de la carga necesaria para la compresión.

Por, lo general el trabajo del compresor se calcula a través de todo el compresor y no por etapas. Por esta razón, en lugar de utilizar se debe de utilizar un factor

de compresibilidad promedio . Además, hay que tener en cuenta que la ecuación (133) determina el trabajo ideal, luego para determinar el trabajo real del proceso es necesario determinar la eficiencia adiabática, de donde resulta que:

(134)

112

En donde: es el trabajo específico adiabático corregido y es la eficiencia adiabática o isentrópica. Si el proceso de compresión se realiza a través de un proceso politrópico, el trabajo se evalúa mediante la ecuación:

(135)

Temperatura de Descarga: La temperatura de descarga para un proceso de compresión sin enfriamiento es un parámetro de gran importancia para la eficiencia del proceso puede determinarse a partir de la siguiente ecuación:

Td=TS (136)

Donde el exponente (M) es un exponente promedio, entre el exponente (k) y (N), aunque también en forma aproximada la temperatura de descara se puede determinar a través de la ecuación:

(137)

b.- Determinación de Trabajo de Compresión a Través del Método de Mollier: Cuando de dispone de un diagrama de Muller para el gas que se desea comprimir, se puede fácilmente aplicar, de tal forma de poder determinar el trabajo necesario para realizar el proceso de compresión del gas natural., en el diagrama:

1.- Con la presión y temperatura de succión se obtiene la entropía del proceso de succión , y con este valor se obtiene la entalpía de succión

2.-Partiendo del punto de y, siguiendo una línea de , la cual es constante se

sigue hasta alcanzar la necesaria, se localiza el punto de descarga adiabática,

el cual se simboliza como . Cono los valores del punto se localiza , y y se establece lo siguiente:

= (138)

Donde es la diferencia de la entalpía adiabática en (BTU/lbm; es la

entalpía adiabática de descarga en (BTU/lbm), y es la entalpía a condiciones de succión en (BTU/lbm). Para convertir la diferencia de entalpía en trabajo específico adiabático se usa la siguiente ecuación:

(139)

113

La evaluación de la entalpía de descarga real se puede hacer con la siguiente ecuación:

(140)

Número de Mach de la Compresores Centrífugos: La velocidad Máxima de un compresor esta fijada por las limitaciones mecánicas y estructurales en la velocidad periférica ( en (pie/s), la cual se puede determinar, según lo siguiente:

(141)

Por lo general, la velocidad que se toma como referencia es la velocidad de gas a la salida del impulsor. También se tiene que la velocidad del sonido para cualquier gas se puede expresar, según lo siguiente:

(142)

Donde (k) es la relación de calores específicos, (R) es la constante universal de los gases, (g) es la aceleración de gravedad, es la temperatura de succión y

es el factor de compresibilidad a la succión. Por lo general, en el diseño de los compresores centrífugos se evita operar con velocidad del gas cerca o por encima de la velocidad del sonido. Luego, el número de Mach del compresor se puede determinar, según lo siguiente:

(143)

Ejemplo de una compresión de gas natural, con compresores centrífugos: Determinar el trabajo y la carga adecuada y de alta eficiencia, para comprimir un gas que tiene las siguientes características Gravedad específica al aire 0,70; presión seudocrítica 670 lpca, temperatura seudocrítica 373 R, coeficiente isentrópico 1,26, se sabe que. Las condiciones de operacionales del compresor son: Presión de succión 600 lpca, presión de descarga 1000 lpca, temperatura de succión 70F, caudal a comprimir 389 MMPCND.

a.- Determinación del caudal volumétrico a la entrada del compresor, previo a ello hay que determinar el factor de compresibilidad a las condiciones de succión, para ello se tiene que:

; , luego ZS=0,89. Con estos valores se determina la densidad del gas a la succión:

114

La temperatura adiabática se determina por la ecuación (141), y según las gráficas se puede asumir un valor de , luego se tiene:

Se determina el factor de compresibilidad a la descarga, luego se tiene que:=

; , luego Zd=0,87, en donde:

La carga isentrópica se determina a través de la ecuación (137), luego se tiene. Para poder utilizar esta ecuación es necesario expresa la constante universal de los gases (R) en términos de:

(145)Donde (M) es el peso molecular del gas , que se puede tomar como 29(lb/lbmol), es la gravedad específica del gas al aire.

Los caballos de fuerza necesarios para el proceso de compresión se determinan por la fórmula (134), para lo cual se supone un

Factores que influyen en la eficiencia de los compresores centrífugos Estos compresores se utilizan en una gran extensión en la industria pueden ser de etapa simple o múltiple dentro de una carcasa sencilla. El principio del funcionamiento es el mismo de una bomba centrífuga y su diferencia principal es la del gas manejado en un compresor centrífugo o soplador es compresible, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba son prácticamente incompresibles. Las condiciones que hay que tomar en cuenta para el diseño de un compresor centrífugo son:

a.- La presión barométrica más baja

b.- La presión de admisión más baja

c.- La temperatura máxima de admisión

115

d.- La razón más alta de calores específicos ( valor de k)

e.- El peso específico menor

f.- El volumen máximo de admisión

g.- La presión máxima de descarga

a.- Estabilidad Este factor para los compresores centrífugos se define en conjunto con el punto de oscilación, ya que estos compresores oscilan o sufren un cambio en la dirección del flujo cuando la cantidad total del gas tratado, cae por debajo de un cierto valor definido por la forma del compresor. La manera más común de evitar la oscilación es reciclar descargar una parte del flujo a fin de mantener al compresor lejos de su límite de oscilación. Pero, este proceso es poco económico, en vista que habría que comprimir un flujo extra. En todo caso se trata que los controles puedan determinar, con cierta precisión, que tan cerca se encuentra el compresor de la oscilación, de modo que pueda mantenerse un caudal adecuado, pero no excesivo de reciclaje, la mayor complicación es, debido a que la oscilación no es fija con respecto a cualquier variable. En forma general se puede señalar que la oscilación es una función de la velocidad de rotación y del ángulo de los deflectores guías, además de la composición del gas, y de la (T y P) de succión

b.- Cambios en la velocidad del compresor Se ha demostrado que hay una gran diferencia en la carga de estos compresores con pequeños cambios en la velocidad. Lo que significa que las fuentes motrices de los compresores centrífugos suelen diseñarse para operar entre un 70 y 105% de la velocidad nominal. La operación sin cambios de velocidad da como resultado que se mantenga la relación entre la carga y flujo. En general, se puede señalar que todo compresor centrífugo tiene en ciertas condiciones dadas de velocidad de rotación.Y de succión una combinación característica de carga máxima y flujo mínimo más del cual entrara en oscilación. La prevención de este dañino fenómeno es una de las tareas más importante del sistema de control de los compresores centrífugos, en vista que es determinante en la eficiencia del proceso.

c.- Tipo de fuente motriz Los compresores centrífugos han sido diseñados para operar con turbinas a vapor, motor eléctrico, turbinas de expansión y turbinas de combustión a gas. Por lo general los motivos que se utilizan para la selección del impulsor son de carácter económico.

Sistema de Control. Un compresor centrífugo aumenta la presión del gas, debidoa la energía que se agrega. Si las condiciones de succión, velocidad de rotación y ángulo de los deflectores guías se mantienen constantes, la cantidad de energía agregada por unidad de masa de gas dependerá solo del caudal volumétrico de succión. Luego un compresor centrífugo se puede caracterizar a través de la carga politrópica y flujo volumétrico en la succión. La energía mecánica de un fluido gaseoso es:

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EM=P/+EC2/2 (146)

En donde: (P)= presión estática;() = densidad; (EC)= coeficiente de flujo de energía cinética y ( ) = velocidad promedia del fluido. Esta forma de energía se le conoce como carga de presión y/o carga de velocidad. Un compresor centrífugo utiliza un proceso de dos etapas para aumentar la presión del gas, en donde la energía mecánica del motor se transfiere al fluido, con ello resulta una aceleración y un incremento en la energía cinética. La mayor parte del trabajo agregado al fluido en el compresor depende de la trayectoria que toma el estado del gas a medida que pasa de la succión a la descarga. Si la trayectoria se caracteriza a través de una etapa de compresión politrópica, en donde el incremento total en la energía mecánica específica del fluido se conoce como carga politrópica (HP). Esta carga politrópica puede determinarse, según lo indican las siguientes ecuaciones:

HP=ZPxRxTsr/Mx (147)

=exp(k-1)/kp (149)

En donde: (ZP)= Factor de compresibilidad promedio; ® = constante universal de los gases; (Ts) = temperatura de succión absoluta; (r) = relación de presión; (Pd) = presión absoluta de descarga; (Ps)= presión absoluta de succión; (M) = peso molecular; (k) relación de calores específicos y (p)= eficiencia politrópica. La carga politrópica generada por un compresor variará como una función del caudal volumétrico de succión, de la velocidad de rotación, de la posición de los reflectores guías y de las condiciones de succión.

El flujo volumétrico en la succión debe determinarse como una función de las propiedades del fluido y de las variables del proceso que puedan medirse de forma directa. Si la medición se realiza en una placa de orificio, la ecuación será:

s2= ZsRTsP/MPs (150)

Donde:(P) = Caída de presión a través de una placa de orificio Luego para evaluar el rendimiento de los compresores se establecer curvas que permite realizar una Caracterización de (Hp) contra (), con lo cual para una velocidad dada y un ángulo de los deflectores guías de succión, se producirá una sola curva de rendimiento en condiciones de succión constante. Pero, al permitir que la velocidad de rotación o el ángulo de los deflectores guías tomen una serie de valores discretos, se generen una familia de curvas de rendimiento, las cuales reciben el nombre de Mapa del Compresor. Pero, es necesario hacer resaltar que la curva de rendimiento de (Hp) contra (), solo son válidas si las condiciones de succión son constantes, pero en la práctica estas condiciones difícilmente se mantienen constantes, esto significa que para fines de control las coordenadas empleadas deben ser invariantes, a los cambios en las condiciones de succión.

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Estas coordenadas son: La carga politrópica reducida (hr) contra el caudal reducido en la succión (sr). También se pueden utilizar la relación de compresión (r) contra el caudal reducido a la succión, luego con estas coordenadas es posible establecer el rendimiento de los compresores, que utilizan deflectores guías, como también los que no los utilizan.

Parámetros Involucrados en la Compresión del Gas Natural Un compresor es un aparato costoso. Por ejemplo los compresores reciprocantes ofrecen las siguientes ventajas para el Usuario, como son: Flexibilidad en la configuración del diseño; alta eficiencia, aun en tamaños pequeños, a presiones elevadas y con cargas parciales y flexibilidad de operación en un amplio rango de condiciones para una configuración En la parte operacional, se debe conocer algunos parámetros de mucha influencia en la eficiencia del compresor, por lo que se tiene que tener muy en cuenta para evaluar la eficiencia del compresor, parámetro de gran importancia en el proceso de compresión:

a.- Velocidad del compresor Tener métodos adecuados para el conocimiento de la velocidad del compresor es de mucha importancia, en especial si se desea evitar engranaje, además es importante saber que sé esta trabajando dentro de rango establecido por el compresor, tanto reciprocante como centrífugo, los cuales desde luego, tienen valores diferentes, y que hay que tener en cuenta para evaluar el proceso de compresión del gas natural.

b.- Método de sellado Los sellos mecánicos impiden el escape de todos los tipos de fluidos, estén estos en estado gaseoso o líquido a lo largo de un eje rotatorio. Estos sellos poseen extensas aplicaciones en las industrias de procesos químicos, en procesos criogénicos y/o de alta temperatura.c.- Lubricantes La lubricación de los sellos debe ser la adecuada, para evitar problemas operacionales.

d.- Caballaje. Para el normal funcionamiento del compresor es necesario que tenga una potencia mayor, a la requerida. Los fabricantes recomiendan, siempre que se disponga un caballaje de 10% adicional, por si se llegase a una descarga no prevista.

e.- Presión En el proceso de fabricación del compresor, se realizan pruebas de presión, de tal forma que no hayan irregularidades entre la presión de operación y presión de trabajo

f.- Mantenimiento del compresor. Una vez que el compresor haya iniciado su labor, será necesario seguir un estricto programa de mantenimiento preventivo, de tal manera que la vida útil del compresor no se vea disminuida. Es necesario durante el funcionamiento vigilar lo siguiente: Flujo de agua de enfriamiento, presión y temperatura del aceite; funcionamiento de los controles y puestos de control; presión y temperatura de succión y descarga; ruidos anormales, presión y temperatura de lubricación de los cojinetes, amperaje, carga y voltaje del motor.

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Proceso de Expansión de los Gases: Un proceso de expansión es aquel en el cual un fluido pasa de una presión mayor a una presión menor. Esta disminución de la presión, trae como consecuencia una reducción de la temperatura. En los procesos de extracción de líquidos del gas natural, como también en los procesos criogénicos se expanden gases ricos en hidrocarburos líquidos, extrayendo energía del fluido, por lo que se reduce la temperatura y causa licuefacción de los componentes menos volátiles. En este tipo de proceso, el gas debe de ser primeramente deshidratado para evitar la formación de hielo o hidratos dentro de la porción de la planta en que el proceso es a baja temperatura. Luego el gas es enfriado en un intercambiador con gas residual que queda del proceso de expansión, pudiendo condensar parte del gas, por lo que se hace necesario utilizar un separador de alta presión para evitar el ingreso de líquido al rotor. En la expansión del gas se alcanzan caídas de temperatura bastante grande, y por ende una substancial formación de líquidos. Los gases residuales son utilizados por un intercambiador para enfriar los gases de entrada al expansor y luego, los mismos son comprimidos por un compresor montado en el eje del expansor.

Teoría de la Expansión de un Gas: El fluido en estado gaseoso a una temperatura más arriba del cero absoluto y a una presión superior a la presión de vacío absoluto contiene una energía interna difícil de visualizar, aunque se sabe que existe, ya que puede producir trabajo. Esa energía esta contenida en componente gaseoso, en forma de calor, presión o velocidad. Las leyes de la termodinámica indican que la energía no puede ser creada y destruida, sino que simplemente se transforma, esto puede ser aplicado a un fluido gaseoso, ya que , aunque se remueva o se suministre energía al fluido gaseoso, desde luego habrá un cambio correspondiente al contenido calórico, cuya medida es la temperatura del gas o en su presión o velocidad. La teoría de la expansión de un gas tiene múltiples aplicaciones, como lo es por ejemplo la deshidratación del gas natural, para lo cual se pueden utilizar varios proceso de relacionados con la expansión

a.- Enfriamiento Directo Este proceso se lleva a cabo mediante el uso de refrigeración mecánica con adición de Inhibidores de Hidratos. Los fluidos refrigerantes de mayor uso, en la industria del gas natural son el Propano y Metano. En este proceso hay que tener mucho cuidado con la cantidad de líquido que se acumula en los equipos. de enfriamiento del gas natural, se utiliza el Efecto de Joule- Thomson con adición o sin adición de inhibidores de hidratos El efecto de Joule- Thompson es el cambio en la temperatura del gas que se origina cuando el gas es expandido en condiciones isentálpicas En coeficiente de Joule y Thompson se define a través de la siguiente ecuación:

(151)

b.- Expansión del Gas a una Baja Presión. La Expansión del gas a una baja presión, como forma de enfriamiento se puede realizar a través de dos diferentes procesos:

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1.- Expansión Isentálpica Este proceso se utiliza cuando se necesita aumentar la recuperación de líquidos de un gas húmedo proveniente del pozo, por lo general con alta presión. En el proceso en flujo de gas húmedo es pasado a través de una válvula expansora, donde la temperatura del gas disminuye, con ello se logra que una fracción de los componentes intermedios y pesados presentes en la mezcla de gas natural se condensen. Luego los líquidos condensados son retirados del flujo de gas usando, para ello un separador de baja presión. El gas frío y seco se utiliza para preenfriar la corriente de gas húmedo que alimenta el sistema.

2.- Expansión Isentrópica. Este proceso se produce cuando la corriente de gas húmedo pasa a través de un turboexpansor. En este caso, ocurre una disminución de la temperatura del gas y se obtiene una cierta cantidad de trabajo, el cual se utiliza para mover los equipos de bombeo. También esta disminución de la temperatura, se utiliza para recuperar líquidos del gas natural. Este es el principal principio de los procesos criogénicos. Es necesario hacer resaltar que la expansión isentrópica es un proceso de mucho más efectividad, pero los costos de instalación de equipos, son mucho mayores. La deshidratación del gas, sea a través del proceso de expansión isentálpica o expansión isentrópica, son proceso de gran utilidad, en la industria del gas natural, ya que puede eliminar el agua con un alto grado de eficiencia.

La expansión de un gas se puede aplicar también al proceso de extracción de los líquidos del gas Natural (LGN), como ocurre en la Planta de Extracción de Santa Bárbara, ubicada en el Estado Monagas, allí se realizo un proceso para eliminar el mayor contenido de dióxido de carbono, antes de que el fluido ingresara a la plantas de extracción, lo que se hizo con el objetivo de incrementar el recobro en los (LGN). En el Cuadro 4 se presentan los cambios ocurrido en la planta de extracción disminuyendo la presencia del dióxido de carbono en la corriente de alimentación.

Cuadro 4 Cambios en los Flujos de Productos de la Planta Santa Bárbara

Con C02 Sin C02 %variaciónLGN (BND) 27991 29562 5,6Gas Residual (MMPCND)

373,8 371,7 0,6

La producción de (LGN) aumenta porque al eliminar el C02 y completar el volumen de alimentación con gas in dióxido de carbono, se esta incrementando la cantidad de los componentes hidrocarburos a la entrada de la planta, y la cantidad extra de propano y más pesados que se esta alimentando, es recuperada como un volumen adicional de líquidos que se suma a la producción original. En vista que el volumen de gas alimentación a la planta será el mismo con y sin presencia de C02

Esta producción adicional de líquido implica una disminución en el flujo de gas residual. Como el gas residual es comercializado en unidades de energía y no en volumen, esta disminución del flujo de gas residual no afecta los ingresos por

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venta, porque al no haber contenido de dióxido de carbono en el mismo, su poder calorífico aumenta

La corriente de gas residual debe de ser llevada hasta la presión requerida para su distribución y venta. Este trabajo realizado por dos máquinas compresoras que operan en paralelo. En el cuadro 5 se muestra la variación en los requerimientos de potencia totales de los compresores residuales

Cuadro 5 Requerimientos de Potencia en los Compresores de Gas Residual

Con C02 Sin C02 %variaciónPotencia (HP) 18283 17955 1,8

La disminución en los requerimientos de potencia del sistema de compresión del gas residual, ocurre porque al elimina el dióxido de carbono que originalmente forma parte del gas es comprimido, el volumen de gas que deben de manejar los compresores es menor, lo que permite predecir que el sistema de compresión trabajara de forma más eficiente-

Termodinámica de la Expansión: para facilitar la aplicación de la termodinámica a los procesos de flujo, se consideran dos idealizaciones:

a.- Se supone que el flujo es unidireccional en cualquier sección transversal del conducto, .donde se ha asignado o evaluado las propiedades termodinámicas, cinéticas y dinámicas (entrada y salida del expansor).

b.- Las secciones transversales no varían en la dirección perpendicular al flujoTurboexpansor: Este equipo es una turbina de alta eficiencia con características especiales, por esto convenientemente útil para flujos volumétricos a bajas temperaturas y altas presiones. La temperatura de salida de un turboexpansor, puede alcanzar valores criogénicos, es decir valores de (-150F). La expansión de un gas en un turboexpansor es un proceso que convierte la energía interna en energía cinética. Esta energía cinética a su vez se transforma en trabajo de eje cuando la corriente pega en los álabes unidos a un eje. Las capacidades de los turboexpansores varían desde casi 250 caballos de fuerza y hay turboexpansores que han logrado alcanzar hasta valores de 10.000 (HP). La potencia producida es transferida a algún proceso alterno, en la mayoría de los casos es usada en le generación de energía eléctrica, para mover un compresor o simplemente desechada en un circuito cerrado de bombeo de aceite.

Proceso de Refrigeración En el sentido técnico, refrigeración significa mantener un sistema a temperatura menor que la de sus alrededores. Esto no puede suceder de forma natural, de modo que debe emplearse un dispositivo que permita lograr lo anterior. Refrigeración es el proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se mantiene esta temperatura baja La refrigeración evita el crecimiento de bacterias e impide algunas reacciones químicas no deseadas que pueden tener lugar temperatura ambiente. La eficacia

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del hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de fusión de 0 C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 (KJ/kg) El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante. A la presión atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima directamente de la fase sólida a la gaseosa a una temperatura de -78,5C. La nieve carbónica es eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su sublimación

Proceso de Refrigeración de Gas Natural: En este caso la mezcla gaseosa se enfría a una temperatura tal que se puedan condensar las fracciones de Gas Licuado de Petróleo (GLP) y los Líquidos del Gas Natural (LGN). Los refrigerantes más usados en este caso son freón o propano El gas inicialmente se hace pasar por un separador para removerle el agua y los hidrocarburos líquidos. Al salir el gas del separador se le agrega glicol o algún inhibidor de hidratos para evitar que estos se formen durante el enfriamiento. Luego el gas pasa por un intercambiador donde se somete a un preenfriamiento antes de entrar al sistema de enfriamiento definitivo para llevarlo hasta aproximadamente -15F. De este sistema. el gas pasa a un separador de baja temperatura donde habrá remoción del glicol y el agua, y los hidrocarburos, como mezcla bifásica, pasan a una torre de fraccionamiento en la cual se le remueven los hidrocarburos livianos, donde es básicamente metano, en forma gaseosa como gas residual que sale por la parte superior; los hidrocarburos intermedios, tales como Etano, Propano, Butano y más pesados salen por la parte inferior hacia almacenamiento si no se va hacer separación de, al menos del (GLP y LGN), o hacia fraccionamiento si es lo contrario. Parte de los gases que tratan de salir de la torre fraccionamiento son condensados y reciclados para reducir el arrastre de hidrocarburos intermedios en el gas. El calentamiento en el fondo de la torre se hace para evaporar el metano y el etano; reduciendo la presión y aumentando la temperatura se puede conseguir una mejor separación del metano y el etano de la fase líquida.

Los niveles típicos de remoción de Propano, Butano, Pentano y más pesados por este proceso son Propano = 98%. Es posible recuperar pequeños porcentajes de Etano, en este tipo de plantas, pero está limitado por el hecho de que no es posible, con las refrigerantes actuales, bajar la temperatura del gas antes de entrar a la torre absorbedora a valores por debajo de -40F aproximadamente. La mayoría de las plantas usan freon como refrigerante y limitan la temperatura del gas de entrada a (-20F), porque a temperaturas por debajo de este límite las propiedades mecánicas del acero de las tuberías se ven afectadas.

Definición y Aplicación de la Refrigeración: Se entiende por refrigeración al proceso, por el cual se obtiene una pérdida neta de energía calorífica. Esta pérdida puede mantener el elemento que se enfría en su fase original o puede producir un cambio de fase. Entre las principales aplicaciones de la refrigeración y/o licuefacción en la industria petrolera se incluye: purificación de aceites lubricantes; reacciones a bajas temperatura; separación de hidrocarburos volátiles; deshidratación del gas natural, licuefacción del gas natural o de sus componentes, y procesos criogénicos

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a.- Refrigeración Por Expansión: El expansor- Compresor es un dispositivo para enfriar el gas de entrada y volver a comprimir el gas de salida, se sabe que el expansor es simplemente una turbina de gas. Su construcción es opuesta a aquella de un compresor centrífugo. El gas a alta presión ingresa a lo que normalmente sería el extremo de descarga de un compresor y fluye en sentido contrario a través del expansor, luego sale de lo que normalmente sería la línea de succión de un compresor. La presión y temperatura del gas que sale del expansor son mucho menores que aquellas a la entrada del expansor. Las temperatura de un expansor pueden alcanzar valores tan bajos como (-150F), por ello el expansor debe de ser fabricado con materiales que soporten temperaturas muy bajas. El compresor, es un compresor centrífugo convencional que esta acoplado al mismo eje del expansor. La energía requerida para accionar el gas el compresor es la misma que la energía entregada por el gas al pasar a través del expansor. Los procesos que se realizan en la refrigeración por compresión. Expansión:

1.- En el evaporador el refrigerante se evapora completamente, este proceso se realiza en forma isobárica, que indica que el proceso de expansión del gas se lleva a cabo a presión constante.

2.- El compresor aumenta la presión del refrigerante gaseoso desde la presión a la salida del evaporador hasta la presión a la entrada del condensador, este proceso se realiza en forma isentrópica, aunque siempre hay que tener en cuenta que en la compresión de dos o tres etapas existen variaciones notorias en la entropía. En la válvula de expansión también se producen cambios en la entalpía, por lo que difícilmente puede existir los procesos isentrópico e isentálpicos .

3.- En el condensador el refrigerante pasa de un estado de vapor sobrecalentado a un estado líquido saturado, proceso que se realiza en forma isobárica.

4.- En la válvula de expansión se produce un estrangulamiento que permite obtener una mezcla líquido- vapor a baja presión y que corresponde a la presión de entrada del evaporador, este proceso se realiza en forma isentálpica.. El coeficiente de funcionamiento de un ciclo (CDF) se define como el coeficiente que resulta de dividir la cantidad de enfriamiento producido entre el trabajo suministrado por el compresor, y se representa por la siguiente ecuación:

(152)

Donde (CDF) es el coeficiente de funcionamiento que es adimensional; es el

enfriamiento producido por el evaporador en (BTU/lbM) ; es el trabajo

realizado por el compresor en (BTU); son las entalpías correspondientes a los ciclos, respectivos en (BTU/lbM). En el ciclo de refrigeración por compresión y

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expansión puede ser clasificado en cuatro diferentes fases, las cuales son: Expansión, evaporación, compresión y condensación

b.- Refrigeración Mecánica: En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el refrigerante sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energía y un método para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos de refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba en refrigeradores domésticos por calor. La refrigeración mecánica, como cualquier otro ciclo de refrigeración ocurre, en etapas, las cuales son::

1.- Etapa de Evaporación: En esta etapa la carga de refrigeración esta relacionado con la cantidad total de calor absorbido en el evaporador, este proceso, por lo general se denomina “Toneladas de refrigeración” y se expresa en (BTU/unidad de tiempo), y la tasa de flujo esta dada, la siguiente ecuación:

(153)

Donde; es el calor total en (BTU/hora); es la entalpía del vapor en el

punto 2 Y, es la entalpía del líquido en el punto 2 del líquido

2.- Etapa de Expansión: Aquí los vapores del refrigerante salen del evaporador a la presión de saturación. La temperatura de refrigeración correspondiente es igual a la temperatura de saturación a una entalpía . La entropía en este punto es la entropía de saturación. Luego, estos vapores son comprimidos isentrópicamente hasta una presión en el punto (1) a lo largo de una línea.

3.- Etapa de Condensación. Aquí el refrigerante sobrecalentado que sale del compresor a una presión de los punto (a y D) es enfriado a una presión aproximadamente constante hasta la temperatura del punto de rocío. Luego los vapores refrigerantes comienzan a condensarse a una temperatura constante. La presión de condensación del refrigerante es una función de la fuente de enfriamiento disponible. La fuente de enfriamiento recibe el calor que el refrigerante le transfiere.

La refrigeración mecánica, puede ocurrir en una sola etapa, como también en dos etapas, las cuales se utilizan con el objetivo de obtener ahorros de energía de hasta un 20%, esto en comparación con la refrigeración mecánica realizada en

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una sola etapa. La refrigeración puede ocurrir también en tres etapas, en este esta caso el ahorro de energía es mayor

c.- Sistema de Refrigeración por Absorción: La máquina de refrigeración por absorción es un conjunto de equipos utilizados para enfriar agua mediante el empleo de calor y sin utilizar un elemento motriz primario. En la refrigeración por absorción se sustenta en la utilización de instalaciones de calentamiento a tiempo completo, durante todo el año. En este método de refrigerante es el agua, luego el calor que suministra el vapor de agua caliente es generalmente la fuerza de trabajo que se utiliza en la máquina de absorción, es por ello, que la refrigeración por absorción, tiene una serie de ventajas.

En la refrigeración por absorción se consigue el enfriamiento mediante la energía térmica de una llama de gas, de resistencias eléctricas, o de la condensación del vapor de agua a baja presión. La instalación tiene una serie de tubos de diversos diámetros, dispuestos en circuito cerrado, los cuales están llenos de amoniaco y agua. El amoniaco gaseoso que hay en la instalación se disuelve fácilmente en el agua, formando una fuerte solución de amoniaco. Al calentarse ésta en la llama de gas, o por otro medio, se consigue que el amoniaco se desprenda en forma de gas caliente, lo cual aumenta la presión cuando este gas se enfría en el condensador, bajo la acción de agua o aire frío, se produce la condensación y se convierte en amoniaco líquido. Fluye así por una válvula dentro de evaporador, donde enfría el aire circundante absorbiendo el calor de éste, lo cual produce nuevamente su evaporación

A continuación, entra el amoniaco, en estado gaseoso, en contacto con el agua, en la cual se disuelve. Tanto el sistema de enfriamiento por absorción como el de compresión, están basados en los cambios de estado del agente frigorífico. Ambos sistemas tienen condensador, vaporizador y el medio adecuado para crear la presión necesaria que motive la condensación

Las plantas de refrigeración por absorción también pueden ser utilizadas para recuperar etano y otros componentes más pesados del gas. Las plantas de absorción con una alta eficiencia pueden recuperar 40% de etano y 90% de propano y todos los hidrocarburos más pesados del gas. Como conclusión para los productos refrigerados se puede indicar lo siguiente:

1.- El manejo de productos refrigerados es una técnica, que debido al auge del gas natural tiene que desarrollarse en el país.

2.- Para almacenar grandes volúmenes de gas licuado se requiere de una planta de refrigeración y un sistema de recobro de vapores que haga la operación segura y económica.

3.- El almacenaje de productos refrigerados ha provisto a la industria del método más económico y seguro par almacenar grandes cantidades de gas en estado líquido.

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4.-El tanque refrigerado es el elemento clave de una planta de refrigeración

5.- En la operación de un tanque refrigerado es muy importante poner especial atención al control de presión dentro del recipiente al de temperatura en el fondo para prevenir daños mayores al equipo.

6.- La mezcla de productos refrigerados con gran diferencia en sus respectivos puntos de ebullición puede ser una actividad riesgosa y en muchos casos ha causado graves accidentes.

7.- A diferencia del manejo de líquidos estables a temperatura ambiente, en el caso de productos refrigerados el sistema va estar afectado por la condición estática o dinámica del fluido.

8.- Los buques que transportan productos refrigerados, poseen instalaciones similares a las existentes en las plantas de almacenaje.

d.- Sistema de Refrigeración por Compresión. Este es uno de sistema de refrigeración que más se emplea En las máquinas de este tipo constituye la parte central del sistema la bomba o compresor, que recibe vapor a baja presión y lo comprime. Con esta operación se elevan considerablemente la presión y la temperatura del vapor. Luego, este vapor comprimido y calentado fluye por el tubo de salida del condensador térmico, donde el vapor cede su calor al agua o aire frío que rodea al condensador. En esta forma su temperatura desciende hasta el punto de condensación, y se convierte en líquido con la correspondiente liberación de calor que ocurre en estos casos, y que provoca que el proceso se realice con un alto grado de eficiencia. El agente frigorífico, en estado líquido, pasa del condensador hasta un receptáculo y de allí fluye por un conducto o válvula, o el tubo reductor, disminuye la presión del líquido a medida que fluye dentro del vaporizador para enfriarlo. Este vaporizador se haya en el espacio que desea refrigerar. El aire tibio de este recinto le transmite, por contacto, al vaporizador parte de su calor, y hace que el líquido se evapore. Como se ve este nuevo cambio de estado, de líquido a vapor, se efectúa aumentando la temperatura. A continuación, aspira el compresor, por el tubo de succión, el vapor caliente del evaporador, y, después de volverlo a comprimir, lo impulsa al condensador y el proceso se desarrolla hasta el final.

Procesos Criogénicos: La tecnología de los procesos criogénicos es la más utilizada para extraer los líquidos del gas natural. Se basa en llevar el gas a condiciones de temperatura sumamente bajas con la finalidad de lograr condensar la mayor cantidad de hidrocarburos pesados posibles. Estos procesos manejan temperaturas muy bajas, ya que el proceso criogénico tiene que ser llevado a cabo a temperaturas menores que la temperatura crítica. En términos generales se puede señalar que los procesos criogénicos se refieren a la utilización de bajas temperatura. Un proceso criogénico se refiere a la poco usual e inesperada

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variación en propiedades que suceden a bajas temperaturas y surgen como extrapolaciones a temperaturas ambiente.

Una definición más limitada adscribe los procesos criogénicos a temperaturas por debajo de 125 K. La palabra criogénico proviene del griego “cryo”, que significa muy frío. Cuando el gas es enfriado a temperaturas criogénicas, la mayor parte del Etano y prácticamente todo el Propano y el resto de los hidrocarburos que conforman el gas natural se licuan, y los líquidos pueden ser separados por una torre de fraccionamiento. Luego una planta criogénica es aquella donde una corriente de gas es enfriada a temperaturas criogénicas, con el objetivo de licuarlo y removerle los hidrocarburos que se han licuado, los cuales después de separarlos de la corriente de gas son enviados a un sistema de fraccionamiento, donde son procesados para ser utilizados como combustible y alimentación en las plantas petroquímicas. El gas residual conformado fundamentalmente por Metano y Etano es vendido como combustible para fábricas y plantas de generación eléctrica.

Caracterización de los procesos Criogénicos: Estos procesos se caracterizan porque el gas se enfría a temperaturas de -100 a -150F, que son las llamadas Temperaturas Criogénica; en este caso se requiere que el gas después de la deshidratación tenga un contenido de agua de unas pocas partes por millón (ppm) además se necesita que el gas se pueda despresurizar para poderlo enfriar. Las plantas criogénicas son la de mayor rendimiento en líquidos recobrados, son más fáciles de operar y más compactas aunque un poco más costosas que las de refrigeración La selección de una planta criogénica se recomienda cuando se presenta una o más de las siguientes condiciones.: Disponibilidad de caída de presión en la mezcla gaseosa; Gas pobre.; Se requiere un recobro alto de etano (mayor del 30%); Poca disponibilidad de espacio y Flexibilidad de operación (es decir fácilmente adaptable a variaciones amplias en presión y productos de diferente naturaleza). En vista que el gas se somete a caída de presión, el gas residual debe ser recomprimido y por esta razón la expansión del gas, en lugar de hacerse a través de una válvula, se hace a través de un turbo expander para aprovechar parte de la energía liberada en la expansión. El gas inicialmente se hace pasar por un separador de alta presión para removerle los líquidos (agua y condensados). Luego se pasa por una unidad de deshidratación para bajarle el contenido de agua a valores de (ppm); por esto la unidad de deshidratación debe ser de adsorción y el decante del tipo mallas moleculares. De la unidad de deshidratación el gas intercambia calor con el gas que sale de las desmetanizadora a aproximadamente (-150F) y luego pasa a un separador de baja temperatura. De este separador el líquido y el gas salen aproximadamente a (-90F) y el líquido entra a la desmetanizadora por un punto donde la temperatura de esta sea aproximadamente (-90F). El gas que sale de este separador pasa por el turbo expansor donde la presión cae a unos 225 lpcm y la temperatura cae a (-150F) y a esas condiciones entra a la desmetanizadora.

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En la desmetanizadora la temperatura varía desde uno 40F en el fondo, donde hay una zona de calentamiento, y -150°F en el tope. El gas que sale del tope a -150°F y 225 lpcm intercambia calor con el gas que sale de la unidad de deshidratación y luego pasa a un compresor que es activado por el turbo expansor, aprovechando parte de la energía cedida por la expansión del gas, y luego otro compresor termina de comprimir el gas para llevarlo a la presión requerida. Como el gas se calienta por la compresión al salir del último compresor, parte de este gas se usa para mantener el fondo de la desmetanizadora a 40F y el resto se hace pasar por un enfriador para llevarlo a la temperatura adecuada. Todo este es el gas residual, que en su composición es básicamente metano.

Funcionamiento de las Plantas Criogénicas: Un expansor enfría el gas al bajarla presión, por lo tanto remueve energía del gas, esta energía removida se utiliza para accionar un compresor acoplado al expansor. El máximo enfriamiento del gas en un expansor se llevara a cabo a la máxima reducción de la presión del gas (presión mínima del gas a la salida del expansor) y cuando el compresor acoplado al expansor este trabajando al máximo de su carga. La energía calorífica removida del gas en un expansor y/o un sistema de refrigeración es aproximadamente igual al calor latente removido del producto líquido que abandona el meetanizador. Para obtener más producto líquido se debe de remover más energía en el expansor. Se sabe que cerca del 85% del enfriamiento ocurre en intercambiador gas- gas y el precalentamiento de alimentación tipo gas- líquido. El resto ocurre en los expansores. Una parte del líquido total que condensa cuando el gas de entrada a la planta es enfriado, es Etano. El Etano es removido de los otros hidrocarburos en la torre deetanizadora.

Las plantas de almacenamiento criogénico surgieron como una respuesta a la necesidad de garantizar con importantes reservas de gas natural licuado (GNL) el abastecimiento de redes de gas natural. Actualmente son 77 en todo el mundo Las plantas de gas natural licuado fueron concebidas para afrontar con éxito los picos de consumo en aquellos sistemas con alta incidencia de clientes residenciales y comerciales, una situación que genera curvas de consumo con marcadas diferencias entre los máximos y mínimos, dependiendo de la temperatura ambiente. Contar con una Planta de este tipo reduce la necesidad de disponer de capacidad de transporte desde las zonas de producción de gas, y con ello las dimensiones de los gasoductos involucrados, que son utilizados en forma estacional.

La existencia de las plantas criogénicas es una alternativa eficaz para disminuir el costo total de ese transporte desde la producción hasta los centros de consumo, con alta demanda en la temporada invernal. Estas plantas están situadas estratégicamente cercanas a dichos centros de consumo, y generalmente lejanas de las zonas de producción gasífera. En las plantas criogénicas. Cuando el gas es enfriado la mayor parte del etano y prácticamente todo el propano y el resto de los hidrocarburos más pesados contenidos en el gas se licuan. Los líquidos formados (etano, propano, butano y gasolina) pueden ser separados por una serie de torres de fraccionamiento. Los líquidos separados de la corriente de gas son enviados a

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un sistema de fraccionamiento donde son procesados para ser usados como combustible y como alimentación de plantas petroquímicas.

El gas residual, el cual esta compuesto fundamentalmente por Metano y en menor cantidad de Etano. El gas residual puede ser transportado hasta las plantas compresores, donde es comprimido permitiendo con el ello el transporte por gasoductos, para ser comercializado como combustible vehicular, o para gasificación de las ciudades, o simplemente utilizados en las industrias básicas como combustible.

Las principales ventajas de las plantas criogénicas son: Simplicidad mecánica; Simplicidad de proceso, menor mantenimiento, baja necesidad de servicios, mayor seguridad, menos costo de operación y menores suministros para operación y menor cantidad de afluentes. En general los procesos criogénicos se fundamentan en lo siguiente:

1.- Un expansor enfría el gas al bajar de su presión y remover energía del gas. La energía removida se usa para accionar un compresor acoplado al expansor. El máximo enfriamiento del gas en un expansor ocurrirá a la máxima reducción de presión del gas (presión mínima del gas a la salida del expansor) y cuando el compresor acoplado al expansor esta lleno.

2.- La energía calorífica removida del gas en un expansor y/o un sistema de refrigeración es aproximadamente igual al calor latente removido del producto líquido que abandona el deetanizador. Para obtener más producto líquido se debe remover más energía en el expansor. Los expansores actuales pueden recobrar hasta un 85% de la energía dada por el gas a medida que su presión se reduce. En las plantas criogénicas un compresor es acoplado el eje del expansor. El compresor tiene un impeler, o etapa, que rota a la misma velocidad del expansor. Todo, esto provoca que el proceso que ocurre en las plantas criogénicas sea de una alta eficiencia, y es lo que ha hecho que estos procesos en la actualidad se hayan incrementado, y lo seguirán realizando, a medida que se comiencen a desarrollar los proyectos de gas natural.

Importancia de los procesos Criogénicos: En los sistemas criogénicos, para obtener temperaturas tan bajas se utilizan sistemas frigoríficos en cascada En el sistema en cascada se emplean distintos refrigerantes en cada etapa, de manera que la temperatura del evaporador en el paso de temperatura más baja será la adecuada al propósito deseado; por ejemplo para la licuación o licuefacción de un gas. Se usan distintos refrigerante, y la presión a la entrada del compresor se mantiene siempre arriba de la presión atmosférica; esto evita la infiltración del aire externo y significa también que el volumen específico en la entrada no será suficientemente grande, como para que ocasione un aumento importante en el trabajo necesario para llevar acabo la compresión. Los gases se encuentran muy sobrecalentados, lo cuál explica porque se puede utilizar la ecuación de estado del gas ideal.

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Efecto de Joule y Thompson: Un fenómeno termodinámico importante, el efecto de Joule y Thompson se emplea con frecuencia en operaciones criogénicas o de licuefacción de gases. Un proceso de estrangulación no produce cambio de entalpía y por tanto, en el caso de un gas ideal, la temperatura permanece constante, dando origen a la siguiente ecuación:

(153)

Pero la ecuación (153) sé no se puede aplicar a gases reales, en vista que el proceso de estrangulamiento produce un cambio de temperatura ascendente o descendente. En este caso el coeficiente de Joule y Thompson se define a través de la siguiente ecuación:

(154)

En la ecuación (154) un valor positivo de (µ) indica que la temperatura disminuye conforme desciende la presión, y de esta manera se observa un efecto de enfriamiento. Esto es válido para casi todos los gases a presiones y temperaturas ordinarias, que son consideradas aquellas temperaturas, que por lo general se utilizan en forma habitual en los procesos, que se realizan en las plantas criogénicas, para la formación del gas natura licuado, que es el principal producto que allí se obtiene.

Un proceso de expansión, se conoce como aquel en el cual un fluido pasa de mayor a menor presión. Esta disminución de presión trae asociado una reducción de temperatura. En los procesos criogénicos, se expande gas rico, el proceso se considera un elemento rotativo, ya que esta extrayendo así energía del gas, por lo que se reduce la temperatura y causa licuefacción de los componentes menos volátiles. La forma típica de aplicación de una planta criogénica es mostrada en la figura 20.Figura 20 Esquema Típico de una Planta de Extracción Criogénica

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En la figura 20 se muestra como se extraen los componentes del gas natural, lo cual se fundamenta en proporcionar enfriamiento al gas de proceso, mediante la expansión en el turboexpandor, se supone que el gas de alimentación leha sido eliminado el agua y el dióxido de carbono, para evitar la formación de productos en estado sólido, que complicarían la eficiencia del proceso.

La deshidratación del gas de entrada e realiza previamente para prevenir la formación de hielo o hidratos dentro de la porción de la planta en que el proceso es a baja temperatura. Luego el gas es enfriado en un intercambiado con el gas residual que queda del proceso de expansión, pudiendo condensar parte del gas, por lo que hace falta un separador de alta presión para evitar el ingreso de líquido al rotor. Es en ese momento cuando el gas se expande, donde se alcanzan caídas de temperaturas bastantes grandes y una sustancial formación de líquidos. Los gases residuales son entonces utilizados por un intercambiador para enfriar los gases de entrada al expansor, para luego pasar a la próxima etapa de compresión donde es llevado a los sistemas de distribución En la figura 21 se presenta un esquema del proceso que ocurre en una planta criogénica

En la figura 21 se observa que el proceso criogénico recibe gas dulce y anhidro que proviene de los proceso de endulzamiento y deshidratación del gas natural. El gas de entrada debe de pasar por una sección de deshidratación, donde se le debe de eliminar prácticamente toda el agua, ya que de no hacerlo el agua presente, según la norma de 7 libras de agua por cada millón de pies cúbicos normales de gas, es una cantidad muy alta para los procesos criogénicos, ya que el agua pasaría a la fase sólida, causando graves problemas operacionales al proceso. Después de salir de la sección de deshidratación el gas es enfriado por corrientes frías del proceso y por un sistema de refrigeración mecánica externa. Mediante el enfriamiento y la alta presión de gas es posible la condensación de los hidrocarburos más pesados, que todavía están presentes en la corriente de

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alimentación. Estos componentes deben de ser separados y enviados al proceso de rectificación en la torre desmetanizadora.

Figura 21 Proceso Criogénico

El gas obtenido en la separación pasa a un turboexpansor, donde se provoca una expansión súbita, con lo que el gas es enfriado aún más en la corriente, la cual se alimenta en la parte superior de la torre desmetanizadora. El producto principal de esta planta es el gas residual, básicamente conformado por metano, el cual se encuentra listo para ser comercializado, o ser enviado definitivamente a la planta compresora para producir el Gas natural licuado (GNL).

Propiedades de Materiales de Ingeniería a Bajas Temperaturas Para establecer las consideraciones de diseño adecuadas es necesario conocer las propiedades y comportamiento de las materiales empleados en cualquier sistema criogénico, ya que para el diseño de equipos criogénicos, no solo importan las propiedades mecánicas, sino también la conductividad térmica (transferencia de calor a lo largo de una estructura, la expansión térmica (expansión y contracción durante el ciclo entre las temperatura ambiente y bajas, todo estas consideraciones son importantes, en vista que las propiedades a temperaturas bajas son diferentes que a la temperatura ambiente.

Por ejemplo, cuando se trabaja con metales, estos pueden contener aleaciones, que pueden provocar el fenómeno de superconductividad a temperatura muy bajas, que viene a afectar el calor específico, la conductividad térmica, la resistencia eléctrica, la permeabilidad magnética y el efecto termoeléctrico, todo esto indica que se debe de tener mucho cuidado de utilizar el diseño de equipo

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para el proceso criogénico a materiales superconductivos, sobre todo cuando se requieren temperaturas muy bajas Los metales, como Aluminio (Al), Cobre (Cu), Níquel (Ni ) y sus aleaciones son los de mayor utilidad para ser utilizados en los procesos criogénicos. Por regla general, las propiedades mecánicas de esos componentes mejoran al disminuir la temperatura

Propiedades de los Fluidos Criogénicos: Existen diversos tipos de información referente a los datos de propiedades termodinámicas para fluidos asociados con los procesos criogénicos. También el rápido crecimiento de la industria del gas de los líquidos del gas natural (LGN) ha provocado mucha actividad en la búsqueda de datos termodinámico confiable, para el Metano, por ejemplo se han encontrado muchos datos en la literatura.

Principios de Refrigeración y Licuefacción: Un equipo para la creación de refrigeración a temperaturas criogénicas incluye por lo general equipos a temperatura ambiente en los cuales el fluido del proceso se comprime y el calor es rechazado hacia un enfriante. Durante el proceso de compresión a temperatura ambiente disminuye la entalpía y la entropía del fluido del proceso. A la temperatura criogénica en la cual se absorbe calor hay un aumento en estas propiedades. La disminución de la temperatura en el proceso de fluido se logra casi siempre mediante intercambio de calor entre el fluido que se calienta y el que se enfría, seguido de una expansión. Esta expansión puede tener lugar a través de un dispositivo de estrangulamiento (expansión iseltápica), mediante la consiguiente reducción de la temperatura o mediante un dispositivo productor de trabajo (expansión isentrópica), donde hay reducción de temperatura y entalpía.

Se sabe que si una corriente fluida que pasa por un tubo, se encuentra con un obstáculo que motiva un estrechamiento brusco de la sección transversal del mismo. El efecto de caída de presión de la corriente fluida a través del obstáculo se denomina estrangulamiento, el cual se puede caracterizar a través de las leyes de la termodinámica, y por lo tanto es posible representarlo a través de una ecuación matemática, sin mayor problema.

Expansión Iseltálpica: Este corresponde a un proceso termodinámico que se realiza sin cambios en la Entalpía, un proceso como este que utiliza la forma isentálpica para lograr temperaturas criogénicas es conocido como Ciclo de Linde.

En un proceso de refrigeración continua no se tiene acumulación de refrigerantes en ninguna parte del sistema, esto es contrario al proceso de licuefacción del gas, donde se acumula líquido, que después tiene que ser retirado, por lo que el sistema de licuefacción experimenta un desequilibrio en el flujo en los intercambiadores de calor, mientras que el sistema de refrigeración opera por lo general con un flujo equilibrado en los intercambiadores de calor, excepto cuando una parte del flujo se desvía hacia un expansor productor de trabajo El refrigerante gaseoso se comprime a la temperatura ambiente al tiempo que rechaza literalmente el calor de manera isotérmica hacia un fluido enfriante. El refrigerante comprimido se enfría en un intercambiador de calor mediante la corriente retorna a

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la entrada del compresor hasta que alcanza la válvula de estrangulamiento, donde fundamentalmente ocurre el proceso de expansión.

En el enfriamiento Joule- Thompson, una expansión adicional reduce la temperatura, hasta que, el régimen permanente, como una parte del refrigerante pasa ala fase líquida, a la temperatura ambiente. Cuando se trata de un sistema de licuefacción de Linde, la porción licuada se retira de manera constante del depósito, y solo se calienta la porción no licuada del fluido en el intercambiador de calor a contracorriente, regresando después al compresor. La fracción que se licua se obtiene por aplicación de la primera ley al intercambiador de calor, la válvula Joule- Thompson y el depósito del líquido, con lo que se obtiene lo siguiente:

(155)

Aquí (hf) es la entalpía específica del líquido que se extrae. Es necesario tener en cuenta que el licuefacción máxima se obtiene cuando (h1 y h2) se refieren a la misma temperatura, además el refrigerante utilizado en el proceso debe de tener una temperatura crítica por debajo de la temperatura ambiente; en consecuencia, no es posible tener licuefacción por compresión directa, además, la temperatura de inversión del refrigerante debe encontrarse por encima de la temperatura ambiente. Se supone, que este debe de ser un parámetro que hay que indicar en forma clara y precisa, ya que la temperatura ambiente, dependerá del lugar geográfico , donde se este realizando el proceso, ya que diferentes lugares, tienen que tener diferentes valores de la temperatura ambiente..

Expansión Isentrópica. Cuando en un proceso se tiene una expansión productora de trabajo, siempre se reduce la temperatura del fluido, luego se puede deducir que el enfriamiento no depende de que haya disminución de la temperara de inversión anterior a la expansión, este proceso se denomina expansión isentrópica

Proceso de Licuefacción del Gas Natural Todos los gases pueden pasar al estado líquido, siempre que lo permitan la temperatura a la que esta sometido y la presión que soporte. Los gases denominados permanentes se caracterizan por tener una temperatura crítica baja, lo que obliga a utilizar procedimientos especiales para alcanzar el estado líquido; además a causa de las temperaturas que hay que alcanzar, no se puede contar con una fuente fría exterior al sistema, que pueda extraerle el calor necesario para llevar el cambio de estado. La licuefacción de los gases de los gases se sustenta en lo siguiente:

a.- Efecto de Joule /Kelvin, que aprovecha el descenso de temperatura producido por la expansión de los gases reales, debido a que el trabajo en dicho proceso se efectúa a costa de la energía del sistema, por lo que se conoce también con el nombre de licuación del aire a expensas del trabajo interno, base del procedimiento de Linde El Método de Linde que se basa en el enfriamiento que

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produce el fenómeno de estrangulación de una vena fluida, a expensar de la energía del sistema, efecto Joule /Kelvin, que es de gran utilidad para estimar la eficiencia del proceso que se realiza.

b.- La Expansión en un cilindro para producir un trabajo exterior que recupera parcialmente el consumido en la compresión se conoce como Licuación del aire realización de trabajo exterior, base del procedimiento de Claude.

El Método de Claude, que es una modificación del método de Linde, en el que el enfriamiento se logra mediante una expansión adiabática lo más isentrópica posible, con producción de trabajo exterior del mismo gas a licuar, que recupera parcialmente el consumido en la compresión.

La técnica del proceso de licuación de gases consiste en enfriarlos a una temperatura inferior a la crítica y someterlos a una compresión isoterma que dependerá del grado de enfriamiento logrado, aunque siempre superior al valor de la presión crítica. El enfriamiento es más intenso que el producido por una máquina frigorífica lo que hace inútil su empleo en estos procesos, no quedando otro recurso que acudir a la expansión del propio gas, bien sea a través de una válvula que impida la transformación de la pérdida de presión en energía cinética, efecto de Joule- Thompson, o expansión a entalpía constante, o bien aquella para producir un trabajo externo que permita recuperar en parte a la energía gastada en la compresión

El proceso de licuefacción de gas natural requiere de la construcción de una planta especial. Esta planta utiliza tecnología criogénica para enfriar el gas natural a temperaturas bajo cero (menos 163 C) para convertirlo en líquido, almacenarlo y embarcarlo. El (GNL) ocupa un volumen de aproximadamente 1/600 del volumen equivalente de gas natural (donde con gas natural entra 1 unidad, con gas natural licuado entran 600 unidades). Ésta es la principal razón por la que el GNL) es la fuente de energía preferida en términos de almacenamiento y transporte. Un diseño de una planta como esta debe de incluir lo siguiente:

a.-Recepción del Gas de Alimentación; Separación de líquido del Gas y Reducción de Presión: Esta unidad tiene que ser diseñada de forma tal que esté en capacidad de separar y almacenar cualquier líquido que pudiera permanecer en la tubería de suministro de gas luego de las pruebas hidrostáticas iniciales. Un Tanque Reductor de Presión de Entrada removerá cualquier líquido libre que pudiera quedar en la tubería. En la figura 22 se presenta un equipo que debe de cumplir las funciones señaladas, para hacer operativo el procedimiento y diseño de la planta, plantas que necesariamente tienen que trabajar con un alto grado de eficiencia, de tal forma que el proceso sea de gran utilidad para la industria del gas natural.

b.- Remoción de Dióxido de Carbono y Agua del Gas de Alimentación La Unidad de Remoción del Gas Ácido removerá el dióxido de carbono del gas natural a su llegada de la Unidad de Recepción del Gas de Alimentación El dióxido de carbono,

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de no ser retirado, se congelaría en el proceso criogénico de convertir el metano gaseoso en metano líquido, bloqueando el flujo del proceso. La tecnología para la remoción del gas ácido del gas natural utiliza Metilo Dietanolamina Activado (MDEA), una amina terciaria.

Figura 22: Equipo de Recepción del Gas de Alimentación

.

c.- Unidades de Deshidratación del Gas y Absorción de Carbono Esta elimina el agua del gas natural, la unidad utiliza una configuración de tamizado molecular de 3 capas - dos de ellas operan en el modo absorción, mientras que la tercera está siendo regenerada. Cada capa del tamiz molecular es regenerada cada 24 horas. La Unidad de Deshidratación seca el gas hasta que contenga menos de 1 parte por millón (ppm, V) de agua para prevenir que los hidratos de gas se congelen y obstruyan la unidad de licuefacción criogénica. Se incluirá una Solución de Absorción de Carbón Activado como medida de seguridad, a fin de garantizar la remoción de cualquier metal pesado contenido en el gas de alimentación. Los metales pesados pueden causar problemas de corrosión en los componentes de aluminio del equipo de licuefacción, del gas natural o alguna de sus impurezas, que también pueden ser comercializadas o utilizadas como materia prima en la industria del gas natural.

d.- Instalación de Refrigeración y Licuefacción: En este caso el proceso de refrigeración empleado utiliza dos tipos de ciclos de refrigeración para pre-enfriar y licuar el gas de alimentación. El gas de alimentación es primero pre-enfriado usando propano refrigerante en cuatro niveles distintos de presión descendente y niveles de temperatura. Luego del pre-enfriamiento, el gas de alimentación ingresa al principal intercambiador de calor criogénico Aquí el gas de alimentación es enfriado aún más y luego es condensado totalmente La presión del (GNL) que sale del tamiz es reducida por una válvula de control y es luego enviada a los tanques de almacenamiento de (GNL), el cual ingresa a los tanques de almacenamiento a una presión de 15,7 (lpca) y una temperatura de (-163,1C)

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e.- Almacenamiento de LNG y refrigerantes - Cada uno de los dos tanques de almacenamiento de (LGN) de contención simple tiene una capacidad de 130000

Los tanques tendrán un área de contención secundaria común, de acuerdo a lo requerido por el estándar El propano y el etileno a ser utilizados para la preparación de los refrigerantes serán almacenados por separado en tanques de almacenamiento horizontales tipo bala. Habrá dos tanques bala presurizados para el almacenamiento de propano, con una capacidad de almacenamiento de 602

cada uno, y dos tanques bala presurizados para el almacenamiento de etileno, aislados con camisa exterior de vacío, con una capacidad de almacenamiento de 200 cada uno.

f.- Servicios Públicos e Infraestructura La planta será autosuficiente en cuanto a servicios de agua y electricidad se refiere. Los turbogeneradores accionados con gas natural proporcionarán energía eléctrica. Habrá una planta desalinadora de agua de mar para suministrar agua requerida para el proceso y agua potable. Durante el primer año de construcción (Fase 1), mientras que la planta desalinadora esté siendo construida, se utilizará el agua de la parte baja del Río Cañete u otra fuente para controlar el polvo que podría generarse durante los trabajos de preparación del terreno. Para beber, se utilizará agua embotellada. Todos los desechos líquidos o sólidos generados serán tratados adecuadamente antes de su disposición final. Adicionalmente, se contará con sistemas contra incendios y sistemas de antorchas y venteo para brindar la protección necesaria en caso que se produzca algún problema o emergencia en la planta durante el arranque y las operaciones..El estudio del proceso de licuefacción puede ser dividido en dos partes, el circuito de gas natural y los ciclos de refrigeración.

a.- Circuito de Gas Natural Dado que la licuefacción del gas natural implica trabajar a temperaturas en el entorno de (-160 C), bajo estas condiciones un metro cúbico de (GNL) equivale a aproximadamente 593 metros cúbicos de gas natural, lo cual hace que sea posible transportar una importante cantidad de gas en un buque de unas dimensiones moderadas), es necesario eliminar cualquier componente susceptible de congelarse (agua, gases ácidos e hidrocarburos pesados) durante el proceso de enfriamiento y obstruir el circuito de éste o producir daños (corrosión, picaduras, etc.) así como compuestos que puedan resultar nocivos para la instalación, como es el caso del mercurio. También es necesario eliminar la presencia de compuestos que excedan el límite permitido por las especificaciones del gas comercial obtenido en el punto de recepción una vez vaporizado en GNL

b.- Circuitos de Refrigeración El propósito de los ciclos de refrigeración es eliminar el calor sensible y latente del gas natural, de forma que se transforma de estado gaseoso a alta presión a estado líquido a presión atmosférica y se obtiene el Gas Natural Licuado (GNL). Uno de los procesos utilizados, para la obtención del (GNL) es lo que se denomina Refrigeración por Mezcla de Fluidos

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Refrigerantes y Preenfriamiento con Propano, el cual cuenta con una notable fiabilidad y experiencia.

Este proceso emplea dos circuitos de refrigeración. El primero emplea como fluido refrigerante propano y el segundo una mezcla de etano, propano, metano y

nitrógeno obtenidos tras el fraccionamiento de los La composición de la mezcla

de refrigerantes está en función de la composición del gas natural de entrada a la planta El gas natural, después de pasar por los sistemas de pretratamiento, es enfriado en el evaporador de propano. La presión del propano se ajusta de forma que se obtiene la menor temperatura posible en la corriente de gas natural sin que se formen condensaciones en la misma. Posteriormente, el gas entra en el intercambiador criogénico principal, el cual refrigera el gas natural mediante un circuito cerrado de una mezcla de refrigerantes La corriente de refrigerantes es enfriada a la salida del compresor por agua de mar y posteriormente por propano en los evaporadores de alta, media y baja temperatura

Después de licuar el gas natural, éste es subenfriado antes de ser almacenado. El gas natural licuado es parcialmente subenfriado de forma que se produzca la menor cantidad de vapor en el llenado de los tanques, seguido de una expansión a una presión ligeramente superior a la atmosférica. El flash gas generado durante la expansión, junto al gas procedente de la vaporización en los tanques, se utiliza como combustible para la alimentación de las turbinas de gas de la planta

Manejo y Almacenamiento de los Productos Refrigerados. El proceso de manejo y transporte de productos refrigerados provenientes de los hidrocarburos es una técnica, que necesariamente hay que desarrollar, para en beneficio del país. En general los gases licuados obtenidos del petróleo (GLP) se almacena a temperatura ambiente y a su presión de vapor correspondiente, destinándose en la mayoría de los casos al mercado interno o las propias refinerías para preparación de gasolina e insumos para los procesos de conversión, como es el caso de los butanos, que por lo general están conformando el gas licuados de petróleo (GLP)

En términos generales un gas licuado de hidrocarburos es un líquido que a condiciones normales o estándares de presión y temperatura, es gas. Los gases licuados de los hidrocarburos que se manejan en la República Bolivariana de Venezuela se pueden clasificar en tres tipos:

a.- Gas Licuados de Petróleo (GLP). Tal, como se indico es un producto obtenidos en las torres de fraccionamiento y destilación del petróleo

b.- Líquidos del Gas Natural (LGN). Este es un producto que se obtiene en los procesos de fraccionamiento y extracción de líquidos del gas natural. Este

producto puede ser con Etanos, por lo que simboliza como , con los cual el

líquido estaría conformado por Etano y compuestos más pesados, o sin Etano, lo

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cual indicaría que los líquidos son con Propano y compuestos más pesados,

en la actualidad se requiere que los (LGN) sean con Etano.

c.- Gas Natural Licuado (GNL). Este es un producto que se obtiene fundamentalmente en las plantas criogénicas. En el cuadro 6 se indican los componentes y el porcentaje molar de los hidrocarburos líquidos:

Cuadro 6 Componentes y Composición de los hidrocarburos líquidos

Producto Componente %MolarGLP Etano

Propano Butano Pentano

0,249,5

49,0

1,3LGN Etano

Propano Butanos Pentanos

Hexano(+)

Heptano (+)

0,956,5

28,68,0

2,73,3

GNL Metano Etano Propano

92,05,0

3,0

Refrigerar un gas licuado significa bajar su temperatura hasta el punto de ebullición a la presión atmosférica. En vista que los productos refrigerados se almacenan a bajas temperaturas, sus características van a diferir de aquellas que tendría el producto en condiciones normales, por lo general el almacenamiento es una temperatura de 80 F y presión de 14,7 lpca.

Criterios para la Selección del Almacenaje de un Gas Licuado: Estos criterios no se pueden generalizar para los diferentes tipos de productos, sin embargo se mencionarán algunos, sobre todo para el caso específico del propano., luego:

a.- Para una capacidad de almacenaje de hasta 15.000 barriles y con una tasa de llenado de 5.000 libras por hora (lb/hora). El almacenaje presurizado es probablemente la escogencia más económica del material de construcción del recipiente receptor, el cual debe de ser construido con material adecuado, de tal

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forma que no hayan problemas, con el almacenaje del producto, sabiendo, que el mismo estará a bajas temperatura, en todo caso todo esto esta relacionado con las medidas de seguridad, que necesariamente debe de tener la planta de almacenamiento.

b.- El almacenaje de volúmenes de propano entre 15.000 y 40.000 barriles, generalmente, es el más económico el recipiente presurizado, requiriéndose una mínima capacidad de refrigeración. Estas instalaciones resultan más económicas cuando los vapores son usados como gas combustible, eliminando los costos de la unidad de refrigeración. La escogencia el sistema de refrigeración debe de ser compatible con las instalaciones de almacenaje, para obtener un menor costo de instalación y economía en los costos de operación.

c.- Parámetros como la refrigeración requerida, alimentación continua o intermitente, podrían cambiar la selección final del diseño de la instalación. Los tanques de refrigeración son diseñados para presiones muy cerca de la atmosférica; las paredes son cilíndricas y los techos esféricos o elisoidales, el fondo es plano o ligeramente en forma de cono. El tanque descansa sobre un aislamiento de soporte que transmite el peso contenido a la fundación y el terreno debajo del tanque, a la vez actúa como una barrera de vapor, normalmente no esta sometido a un gran esfuerzo. Esto permite construir el fondo de un material relativamente delgado. La temperatura de diseño del metal para un tanque refrigerado o criogénico debe de ser la mínima temperatura a la cual el contenido del tanque será enfriado, incluyendo el efecto de subenfriamiento por reducción de presión. Esta es la norma API Estándar 620- Apéndice R y Q.

d.- Los componentes del tanque deben de ser diseñados para una presión no menor del valor a la cual son ajustadas las válvulas de seguridad y por otro lado no menor del máximo vacío parcial que pueda ser generado en este espacio. El cabezal estático debe de ser calculado en función de la máxima densidad del líquido a almacenar tomando en cuenta el rango de operación de temperatura. El proceso de corrosión en los tanques de almacenamiento puede ser causado por las características químicas del líquido contenido en el tanque, como también por las fuentes atmosféricas. La tasa de corrosión atmosférica, particularmente, en ambientes marinos, se minimiza con un recubrimiento del sistema de mantenimiento periódico de limpieza y pintura. Generalmente para tanques de acero al carbono se adiciona al espesor de la pared 1/6 de pulgada por efecto de corrosión.

Análisis Termodinámico de Sistema de Refrigeración y Licuefacción: En un equipo o un proceso complejo a baja temperatura la medición de la calidad termodinámica es su reversibilidad. La segunda ley de la termodinámica, o más precisamente, el incremento de la entropía, es una guía adecuada para conocer el grado de irreversibilidad asociado con tal equipo o proceso. Aunque, para tener un panorama más claro y preciso de lo que significa ese incremento de entropía, ha llegado a ser conveniente relacionar este análisis con el trabajo adicional, que se

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requiere para superar estas irreversibilidades, los cual es representado por una ecuación termodinámica, por lo tanto con un cierto grado de precisión y exactitud, y la ecuación para este análisis es:

(156)

En este caso el trabajo total es la suma del trabajo irreversible más la suma de las pérdidas en las diferentes etapas del análisis.

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