Dimensionamiento del compresor de aire de alimentación para N2: arquitectura del sistema, pretratamiento y guía de reducción de capacidad en sitio

La mayoría de las fallas durante la puesta en marcha de una planta de nitrógeno no se deben a que un ingeniero multiplique el caudal de nitrógeno por un factor de aire incorrecto. Ocurren en las tuberías físicas entre la descarga del compresor y la entrada del generador. Tratar el dimensionamiento del compresor de aire de alimentación para N2 como una simple consulta de catálogo pasa por alto la purga de regeneración del 15%-18% que consumen los secadores de adsorción sin calor, la pérdida de presión de 0.5-1.0 bar (7-15 psi, medidos en libras por pulgada cuadrada) a través de las torres coalescentes y de carbón, y la caída de densidad barométrica que reduce el suministro de aire durante las calurosas tardes de verano.

Esta guía de dimensionamiento de compresores le ayudará a calcular el tamaño de un compresor de aire evaluando los factores que deben considerarse en los distintos presupuestos de purga del pretratamiento, la reducción térmica combinada y las decisiones sobre la división de presiones entre la unidad de aire primaria y los compresores elevadores de nitrógeno instalados aguas abajo. Si desea usar nuestra calculadora de cfm para compresores de aire o la hoja de trabajo básica de siete pasos para el factor de aire, puede comenzar con nuestra hoja de cálculo para dimensionar el compresor de aire de alimentación para N2. Aplique las siguientes prácticas recomendadas de ingeniería para confirmar la capacidad total del compresor de aire y definir las especificaciones de compra para varios proveedores.

Defina los límites de suministro entre el aire de alimentación y el nitrógeno antes del dimensionamiento

Una especificación fiable para dimensionar un compresor de aire de alimentación para N2 comienza por identificar cinco límites físicos de suministro, desde el filtro de admisión de aire a temperatura ambiente hasta la brida de entrada del generador de nitrógeno. Para elegir el compresor de aire adecuado y determinar su tamaño, es necesario saber cuánto caudal se pierde entre los componentes, ya que el caudal requerido depende de cada válvula y recipiente del tren. Cuando un comprador copia una cifra de caudal de un folleto y se la entrega a un vendedor de aire comprimido, ninguno de los dos sabe si incluye la purga del secador o la presión diferencial del filtro; el resultado puede ser un compresor subdimensionado y paradas imprevistas de la planta.

En los sistemas industriales de aire, los fabricantes indican el caudal de salida de la unidad en el terminal de descarga bajo las condiciones de referencia de ISO 1217, Anexo C (velocidad fija) o Anexo E (velocidad variable): 20°C (68°F), 1.0 bar(a) (14.5 psia) y aproximadamente 0% de humedad relativa. Recuerde que cfm significa pies cúbicos por minuto; mientras que las fichas norteamericanas indican scfm y psi, las fichas europeas de generadores de nitrógeno expresan la demanda en Nm³/h, con referencia a 0°C (32°F) y 1.01325 bar(a). Según la ley de los gases ideales, 100 Nm³/h de gas seco a 0°C se expanden a 107.3 m³/h a 20°C y 1.0 bar(a). Si no se concilian ambas fichas, el sistema tendrá un déficit de aproximadamente 7.3% antes incluso de comprobar que el compresor satisface la demanda máxima.

Además, el control de circuito cerrado del compresor y la regulación del caudal del generador, como la arquitectura de realimentación del sensor de oxígeno y orificio limitador de caudal descrita en la patente de EE. UU. US4725293A, modulan dinámicamente el caudal y la presión de entrada para mantener la pureza del producto cuando cambia la carga. Al mismo tiempo, el aire que llega a esa válvula de control debe cumplir los umbrales de contaminantes de ISO 8573-1:2010 para impedir que la humedad y los hidrocarburos alcancen el medio de separación. Definir los cinco límites de suministro de la tabla siguiente permite distinguir lo que el compresor entrega en su terminal del gas acondicionado neto que entra en los lechos de separación.

Dimensione el tren de pretratamiento ISO 8573-1 y contemple la purga del secador

Una vez definidos los límites de suministro, el siguiente paso es elaborar el presupuesto de FAD bruto ajustado por pretratamiento. Como el cfm requerido depende de las pérdidas de purificación aguas abajo, cada metro cúbico de aire que sale del posenfriador del compresor suele estar 100% saturado de vapor de agua y contener aerosoles de lubricante, vapores de hidrocarburos y partículas de las tuberías. Según la edición 3 de ISO 8573-1:2010, la pureza del aire comprimido se especifica mediante tres números entre corchetes: [Partículas : Agua : Aceite total]. Las unidades generadoras de nitrógeno suelen exigir la Clase [1:4:1] (PSA en interiores con punto de rocío a presión de +3°C) o la Clase [1:2:1] (punto de rocío a presión de -40°C para tuberías en ambientes fríos, PSA de pureza ultraalta o membranas de fibra hueca).

Cada etapa de purificación genera pérdidas de caudal y presión que exigen mayor capacidad en cfm del compresor. Un secador refrigerativo consume casi nada de aire comprimido (aproximadamente 0.5%–1.5%, según se usen drenajes de condensado sin pérdida o temporizados) y añade una caída de presión de 0.15–0.25 bar (2–3.5 psi), pero solo puede enfriar el aire hasta un punto de rocío a presión de +3°C (37.4°F). Cuando las especificaciones exigen un punto de rocío de -40°C (-40°F), un secador de desecante sin calor de dos torres suele purgar alrededor del 15%–18% del flujo de aire comprimido hacia la atmósfera para regenerar su lecho fuera de servicio de alúmina o tamiz molecular, mientras que un secador de purga con soplador calentado todavía consume aproximadamente 7%–8% para enfriar durante la regeneración del lecho.

Una alternativa de ingeniería comprobada, descrita originalmente en la patente de EE. UU. US4439213A, conecta un secador de oscilación de presión directamente a las torres de nitrógeno PSA. Así, el gas de purga seco, enriquecido con oxígeno y procedente de la descarga de los recipientes PSA regenera el secador de aire aguas arriba, eliminando la purga específica de aire comprimido del secador y, a menudo, utilizando menos de aproximadamente 30% de purga interna de nitrógeno. Sin embargo, cuando se usan secadores independientes estándar, el caudal bruto del compresor (Q_gross) debe ajustarse a la siguiente ecuación de presupuesto de pretratamiento:

¿Por qué fallan los lechos de tamiz molecular de carbón y las fibras de membrana incluso con filtros coalescentes?

Los lechos de tamiz molecular de carbón (CMS) y las fibras de membrana polimérica fallan por la misma razón, incluso detrás de filtros coalescentes estándar: los coalescentes mecánicos capturan las gotas de aceite líquido y los aerosoles, pero los vapores de hidrocarburos atraviesan los filtros en estado gaseoso. Como se documenta en las investigaciones industriales sobre el envenenamiento de CMS, las moléculas de aceite y humedad bloquean los microporos del tamiz de carbón, lo que provoca una pérdida irreversible de pureza, silenciadores de descarga de aceite y polvo negro de carbón en el escape de la PSA.

Incluso un elemento coalescente de alta eficiencia de 0.01 µm que reduce el aerosol de aceite líquido a menos de 0.0008 ppm deja vapor de aceite residual en la corriente de aire caliente. Además, las guías de ingeniería para la generación de nitrógeno en sitio señalan que los pequeños filtros de carbón activado de cartucho roscado no bastan para proteger un generador de nitrógeno: la escasa profundidad del lecho no proporciona el tiempo de residencia de 2.5–4.0 segundos que se requiere para adsorber todos los vapores de hidrocarburos. Si se utiliza un compresor de tornillo con inyección de aceite, debe instalarse aguas abajo del secador y del coalescente una torre de carbón activado con un lecho completo de carbón granulado.

Corrija los valores nominales de compresor al nivel del mar por altitud, calor ambiental y temperatura de entrada

Seleccionar un compresor de una tabla de catálogo para nivel del mar sin aplicar una reducción por las condiciones del sitio garantiza cuellos de botella en la producción durante el verano. Como los sistemas que separan nitrógeno dependen del caudal másico y no del volumen barrido bruto, la altitud y el calor ambiental afectan al tren de aire de alimentación en tres puntos relacionados: menor densidad del aire de admisión en la succión del compresor, temperaturas de aproximación más altas en la descarga del posenfriador y mayores factores de corrección por humedad y temperatura en el secador y el generador de nitrógeno.

Primero, al aumentar la elevación, la presión barométrica baja desde 1.013 bar(a) (14.7 psia) al nivel del mar hasta aproximadamente 0.85 bar(a) a 1,500 m y 0.70 bar(a) (10.1 psia) a 3,000 m (10,000 ft). Aunque un compresor de tornillo rotativo de desplazamiento positivo aspira el mismo caudal geométrico de aire ambiente en pies cúbicos por minuto, la menor densidad del aire suele reducir el caudal másico suministrado (Nm³/h o scfm) alrededor de 15%–30% a gran altitud, como se detalla en las directrices para dimensionar compresores en altura. Al mismo tiempo, el aire ambiente menos denso reduce el caudal másico de enfriamiento del ventilador en los motores enfriados por aire y los enfriadores de aceite.

Segundo, la temperatura de entrada afecta directamente tanto la potencia como la carga del secador. Según la guía de bolsillo de aire comprimido de Better Plants del U.S. Department of Energy, aproximadamente el 80% de la energía eléctrica que consume un compresor se convierte en calor, y reducir en 10°F (5.6°C) la temperatura del aire de entrada del compresor suele ahorrar alrededor de un 2% de energía. A la inversa, cuando la temperatura ambiente de la sala de compresores sube a 40°C (104°F) y el posenfriador enfriado por aire funciona con una temperatura de aproximación de 10°C, el aire comprimido entra al secador frigorífico a 50°C (122°F) en vez de a la temperatura nominal de 35°C (95°F). Ese aumento de 15°C más que duplica la carga de vapor de agua arrastrado, sobrecarga el circuito de refrigerante del secador, eleva el punto de rocío a presión por encima de +10°C y suele reducir entre 8%–15% adicionales la capacidad del tamiz de carbón de la PSA.

Adapte las condiciones de presión y temperatura a las arquitecturas PSA y de membrana

Los generadores de nitrógeno no imponen la misma carga al compresor de aire de alimentación en todas las aplicaciones. Comprender las diferencias de servicio del compresor de aire entre los sistemas de adsorción por oscilación de presión (PSA) con torres de tamiz molecular de carbón y los separadores de membrana de fibra hueca es fundamental para elegir los requisitos de presión y el paquete de control térmico adecuados, ya que cada tecnología requiere presiones distintas en psi.

En un sistema PSA, el aire comprimido alterna entre dos recipientes adsorbedores llenos de tamiz molecular de carbón. Como explican los análisis técnicos de adsorción PSA, los poros del CMS separan los gases cinéticamente según una diferencia de diámetro de 0.18 Å: retienen las moléculas de oxígeno (3.46 Å) y permiten el paso de las moléculas de nitrógeno (3.64 Å) dentro de un rango operativo de 4–13 bar (58–188 psig) y 10–25°C (50–77°F). Asimismo, la patente de EE. UU. US5711787A ilustra cómo los ciclos de separación por oscilación de presión dependen de mantener intervalos estrechos de presión de alimentación y temperatura para evitar penalizaciones graves en el factor de tamaño del lecho (BSF) y la recuperación. Como las torres PSA conmutan cada 45–90 segundos, el compresor recibe una demanda de caudal cíclica y pulsante.

En cambio, los módulos de membrana de fibra hueca no tienen válvulas de ciclo móviles y reciben un caudal de aire uniforme y constante. Sin embargo, la permeación a través de la membrana depende de la fuerza impulsora de presión parcial descrita por la ley de Fick a través de las paredes de fibra polimérica (a menudo, con una pureza de 95%–99.5%). Las membranas suelen requerir una presión de descarga más alta del compresor, a menudo 8.5–13.5 bar(g) (125–195 psig), para satisfacer las necesidades de presión del módulo. También incorporan un calentador eléctrico de proceso en la entrada de la unidad para mantener el aire de alimentación entre 35–50°C (95–122°F), lo que aumenta la capacidad de permeación de las fibras a costa de una permeación de oxígeno ligeramente mayor. Como señalan profesionales del sector en los debates de ingeniería de compresión de gases de Eng-Tips, si un generador de membrana requiere una presión de 145 psig (10 bar(g)) en la entrada del módulo y la prefiltración causa una caída de 15 psi, el compresor de alimentación debe entregar 160 psig (11 bar(g)) en su brida de descarga.

Decida entre conectar el sistema al aire de planta existente o instalar una unidad dedicada de aire de alimentación

¿Qué suelen preguntar los gerentes de planta? A menudo, quieren saber si pueden conectarse a un cabezal de servicios existente en lugar de comprar un compresor dedicado para un nuevo generador de nitrógeno. En una planta donde todos comparten un compresor de servicios generales, los ingenieros suelen limitarse a contar las herramientas o aplicaciones, evaluar con qué frecuencia se usan y cuánto tiempo funciona cada una. Sin embargo, conectar una carga de separación de gases continua, las 24 horas del día y los 7 días de la semana, a un cabezal compartido con herramientas neumáticas y maquinaria suele provocar alarmas por baja presión y disparos por pureza.

Primero, audite las pérdidas reales del cabezal. Según la hoja informativa n.º 3 sobre aire comprimido del Departamento de Energía de Estados Unidos, incluso una instalación industrial bien mantenida suele perder alrededor del 5%–10% del caudal total del sistema de aire comprimido por fugas en la red de distribución; en cabezales sin mantenimiento, las pérdidas suelen rondar el 20%–30%. Segundo, los cabezales generales de fábrica se dimensionan para el caudal en cfm que requieren herramientas neumáticas de uso intermitente. Las amoladoras, llaves de impacto o cilindros de ensacado suelen operar con un ciclo de servicio del 15%–30%, mientras que un generador de nitrógeno demanda una carga base nominal continua del 100%, tanto en cfm como en psi. Si la maquinaria neumática hace que la presión del cabezal caiga por debajo de 6.5 bar(g) (95 psig) durante apenas 30 segundos, aumenta bruscamente la velocidad del lecho de PSA y el oxígeno pasa al tanque de producto. Para comparar otros servicios de planta, consulte nuestra guía de ingeniería de sistemas industriales de aire comprimido.

¿Puede un compresor rotativo de tornillo con inyección de aceite alimentar de forma segura un generador de nitrógeno?

Sí. Un compresor rotativo de tornillo con inyección de aceite puede alimentar de forma segura y eficiente un generador de nitrógeno por PSA o membrana si se combina con una serie de filtración de varias etapas y una torre de carbón activado diseñada para la aplicación. No todas las instalaciones requieren un compresor libre de aceite Clase 0, como se documenta en los análisis de los requisitos de aire comprimido para generadores de nitrógeno.

En la práctica, un compresor de tornillo con inyección de aceite que opera a 7.5–10 bar(g) ofrece menor inversión inicial, mayor eficiencia volumétrica y una vida útil más larga de los cojinetes del elemento compresor que las alternativas de tornillo seco, siempre que el aire de descarga se enfríe por debajo de 35°C antes de pasar por un prefiltro de 1.0 µm, un filtro coalescente de 0.01 µm, un secador y un recipiente con pellets de carbón activado granular dimensionado para un contenido residual de hidrocarburos ≤0.003 mg/m³. Por otro lado, instalar un compresor libre de aceite no elimina la necesidad de filtrar: el aire ambiente de zonas industriales suele contener entre 1 y 5 mg/m³ de gases de escape de vehículos e hidrocarburos de solventes, que un compresor libre de aceite comprime e inyecta directamente en el generador de nitrógeno si no se conserva una etapa de carbón activado.

Amortigüe los pulsos del cambio de lecho de PSA con tanques receptores de aire húmedo y seco

Dimensionar el caudal del compresor sin disponer los tanques receptores de aire húmedo y seco genera una interacción hidráulica perjudicial entre el descargador del compresor, el secador de aire y las válvulas del ciclo de PSA. Aunque la ficha técnica de un generador de nitrógeno por PSA indique un consumo de aire promedio por hora o por minuto, la demanda real es muy variable: durante la etapa de igualación y represurización del lecho, que dura de 2–5 segundos, el caudal instantáneo de aire hacia la torre fuera de servicio aumenta a 2.5×–3.5× el caudal promedio nominal.

Como muestra el equipo experimental de ciclo de adsorción por cambio de presión de la patente de Estados Unidos US5032150A, se necesitan recipientes de compensación para amortiguar las oscilaciones cíclicas de presión durante la despresurización, la igualación y la presurización, y permitir que el frente de adsorción avance uniformemente por el lecho. En el diseño de instalaciones industriales —como explican los ingenieros químicos en los debates de Cheresources sobre el dimensionamiento de tanques receptores de aire de proceso—, dividir el almacenamiento entre un tanque receptor de aire húmedo antes del secador y otro de aire seco después de la línea de purificación cumple dos funciones mecánicas distintas.

• En la etapa 1 (tanque receptor de aire húmedo entre el posenfriador y el secador), el recipiente disipa calor, separa el condensado a granel —a menudo elimina alrededor del 60%–70% del agua líquida condensada antes de los filtros coalescentes— y amortigua los ciclos de carga y descarga del compresor de aire. Regla de dimensionamiento estándar: 3–5 galones por SCFM (0.4–0.7 m³ por m³/min FAD).
• En la etapa 2 (tanque receptor de aire seco y orificio de flujo crítico entre la torre de carbón y el paquete de PSA), el recipiente suministra el caudal instantáneo elevado que se necesita durante el cambio de lecho de PSA. Así, el aire seco almacenado absorbe el pico de demanda, en lugar de forzar el paso a velocidad triple por el secador desecante y la torre de carbón aguas arriba. Instalar un orificio limitador de caudal o una válvula de control en la entrada de PSA, como se describe en la patente de Estados Unidos US4725293A, limita la velocidad máxima de represurización y evita la fluidización del lecho desecante («golpeteo del lecho») y el arrastre de líquido del coalescente. Regla de dimensionamiento estándar: 4–6 galones por SCFM de caudal promedio de alimentación de PSA; ajuste la banda de presión de carga y descarga del compresor entre 0.8–1.2 bar (12–18 psi) por encima de la presión mínima regulada de entrada de PSA.

Distribuya la compresión entre el paquete de aire de alimentación y los compresores elevadores de presión de nitrógeno aguas abajo

Una decisión clave de inversión y consumo energético durante el ciclo de vida es la matriz de distribución de presión entre el aire de alimentación y el compresor elevador de presión de nitrógeno, necesaria cuando la aplicación requiere nitrógeno a media o alta presión, por ejemplo, para inertizar reactores químicos a 16–25 bar(g), cortar con láser de fibra a 25–40 bar(g) o llenar cilindros y acumuladores a 150–300 bar(g). ¿Conviene especificar un compresor de aire de alimentación de alta presión antes del generador de nitrógeno o mantener el compresor de aire de alimentación a la presión estándar de planta (7.5–10 bar(g)) y comprimir únicamente el nitrógeno purificado con un compresor elevador de presión aguas abajo?

La termodinámica y la física de separación favorecen claramente dividir la compresión cuando la presión de suministro supera 10–13 bar(g) (145–190 psig). Primero, según la hoja de referencia sobre aire comprimido de Better Plants del Departamento de Energía de Estados Unidos, aumentar la presión de descarga del compresor incrementa el consumo de energía aproximadamente un 1% por cada aumento de 2 psig (0.14 bar). Además, con una potencia nominal fija del motor, una etapa rotativa de tornillo de mayor presión entrega menos pies cúbicos por minuto. Segundo, como explica el análisis de Plant Engineering sobre compresores elevadores de presión para aire comprimido, comprimir toda la corriente primaria de aire solo para abastecer un punto de uso de alta presión desperdicia cada kilovatio empleado en comprimir gas que nunca llega al proceso.

En un sistema de generación de nitrógeno, el factor de aire (`AF`) amplifica ese desperdicio. Para producir 100 Nm³/h de nitrógeno nominal al 99.9% con un factor de aire de 4.2:1, el compresor de aire de alimentación debe comprimir 420 Nm³/h de aire; de ese caudal, 320 Nm³/h (aproximadamente el 76% del flujo másico total) se ventean a la atmósfera a ~0.2 bar(g) como corriente permeada de desecho rica en oxígeno. Comprimir los 420 Nm³/h de aire de alimentación a 25 bar(g) o 40 bar(g) implica pagar el trabajo de compresión a alta presión para 320 Nm³/h de gas de desecho, que se estrangula y descarga de inmediato. Además, se superaría la presión nominal de diseño de 13 bar(g) de los recipientes adsorbedores estándar de PSA. En cambio, mantener el compresor de alimentación rotativo de tornillo a 8–10 bar(g) y dirigir únicamente la corriente de N₂ purificado de 100 Nm³/h a compresores de nitrógeno dedicados y libres de aceite —o elegir el equipo alternativo o de diafragma adecuado mediante nuestra guía de selección de compresores elevadores de presión para nitrógeno de alta presión— reduce considerablemente la potencia total conectada y protege el paquete de separación.

Especifique los límites de suministro de la solicitud de cotización a varios proveedores sin dejar vacíos de alcance

Cuando los equipos de compras adquieren el compresor de aire rotativo de tornillo al proveedor A, el secador desecante y la torre de carbón al proveedor B, y el paquete de PSA para nitrógeno al proveedor C, las pequeñas diferencias en las convenciones de las fichas técnicas suelen acumularse y generar un déficit de capacidad típico del 15%–25%. Incluso los ciclos de PSA de alta eficiencia —como el diseño integrado de regeneración del secador de la patente CA1201663A, que logra rendimientos superiores a aproximadamente el 25% con una pureza de nitrógeno más argón cercana al 99.5% (60 volúmenes de producto por volumen de adsorbente por hora)— fallarán en la prueba de aceptación en fábrica si el paquete de aire aguas arriba suministra menos flujo másico o una presión en la brida inferior a la que requieren las válvulas del adsorbedor.

Durante la puesta en marcha, este problema de atribución de responsabilidades se aborda exigiendo que cada respuesta del proveedor a nuestra solicitud de cotización (RFQ) incluya el cronograma de interfaces de 8 puntos. Si no se incluye el cronograma de interfaces de 8 puntos, la responsabilidad del proveedor por una unidad dentro del sistema integrado puede definirse mediante nuestra documentación Alcance de la solicitud de cotización para unidades de compresores de gas.

Preguntas frecuentes