Cómo dimensionar el aire de alimentación para un generador de nitrógeno

Guía de cálculo y puesta en marcha

El dimensionamiento del compresor de aire de alimentación para N2 comienza con las necesidades de nitrógeno, no con un catálogo de compresores. Convierta el caudal de producto requerido usando el factor de aire del proveedor del generador, normalice la base del caudal, considere las pérdidas reales de suministro y compruebe el resultado durante la demanda máxima.

Esta guía explica esos cálculos y tareas de verificación. No compara familias de productos ni sustituye una cotización de ingeniería. Para conocer las configuraciones y unidades comerciales, consulte la página independiente de sistemas de compresión de nitrógeno.

Esta guía de dimensionamiento de compresores está dirigida a instalaciones industriales que generan nitrógeno en sus propias instalaciones. Ayuda a dimensionar correctamente el compresor según las necesidades del proceso, en lugar de aplicar consejos para uso doméstico o herramientas neumáticas generales. En esos casos, una guía general puede recomendar identificar las herramientas o máquinas antes de calcular la capacidad del compresor. El tamaño correcto es el que cumple las condiciones definidas de presión y caudal con evidencia verificable.

Comience con la conversión de aire a nitrógeno

Un generador de nitrógeno rechaza parte del aire entrante mientras concentra el nitrógeno. Por eso, la demanda de aire de alimentación supera el caudal de nitrógeno producido. El dato de entrada que rige el cálculo es un factor de aire específico para las condiciones de servicio, proporcionado por el proveedor del generador y definido para la pureza, la presión del producto, las condiciones de entrada y la tecnología requeridas.

Un proceso de nitrógeno por adsorción por cambio de presión (PSA) documentado muestra por qué la conversión corresponde a las condiciones de servicio de un sistema cíclico y no debe suponerse que el caudal de aire equivale al caudal de producto.

Mantenga el consumo auxiliar fuera de esa multiplicación. La purga del secador, los drenajes, el aire de control, las fugas y otros consumidores tienen causas distintas y quizá no varíen directamente con la producción de nitrógeno. Al mostrarlos en filas separadas, el cálculo puede auditarse, las previsiones de mantenimiento preventivo quedan visibles y se evita contabilizar dos veces un margen oculto.

Calcule paso a paso el FAD requerido del compresor

El caudal de aire libre suministrado (FAD, por sus siglas en inglés) es la cantidad de aire en condiciones estándar que el compresor puede suministrar realmente. Confirme siempre si una propuesta indica FAD, volumen real de entrada, caudal estándar o desplazamiento teórico. El mismo número puede representar distintos caudales másicos si cambia la base de referencia.

El caudal puede expresarse en pies cúbicos por minuto, metros cúbicos por hora o litros por segundo. Anote si psi significa libras por pulgada cuadrada manométricas o absolutas, y no compare valores hasta igualar sus bases de referencia. La guía de dimensionamiento de compresores de nitrógeno gaseoso explica el cálculo de compresión del gas aguas abajo, si se realiza después de la generación.

Las necesidades de aire comprimido deben expresarse en una misma condición de referencia. Un valor de CFM más alto con una base de referencia distinta puede representar menos aire utilizable, y las distintas necesidades de psi deben registrarse en el cuadro de presiones. Esta guía le ayudará a entender el flujo de aire como suministro de masa y no como un dato de catálogo.

¿Cómo calculo los CFM del compresor para un generador de nitrógeno PSA?

Primero, calcule el caudal base de aire de alimentación a partir de la demanda máxima de nitrógeno y el factor de aire proporcionado por el proveedor de PSA. Agregue los caudales auxiliares documentados y, para la capacidad nominal de FAD en cuestión, considere únicamente la corrección por las condiciones del sitio y la reserva de operación identificada por el proveedor del compresor. Por último, verifique que el equipo seleccionado suministre ese caudal a la presión mínima requerida en la entrada del generador, después de considerar las pérdidas del tratamiento y las tuberías.

El caudal requerido depende de las condiciones de servicio del generador, mientras que el volumen de aire que puede suministrar el compresor depende de las condiciones de su capacidad nominal. Un compresor que cubre el cálculo nominal quizá no sea la selección adecuada si se omiten la reducción de capacidad por las condiciones del sitio o las pérdidas del tratamiento. Consulte la guía de especificaciones de compresores de nitrógeno para recopilar datos más amplios de la unidad.

1. Defina las condiciones de servicio del nitrógeno. Registre el caudal máximo simultáneo de N2, la definición de pureza, la presión del producto, la duración de la demanda y la interrupción admisible.
2. Normalice las unidades y compare las ofertas. Para N2 y el aire de alimentación, use una base de referencia común. Al convertir Nm³/h a pies cúbicos por minuto, indique la temperatura y la presión absolutas del sistema.
3. Use el factor de aire del proveedor. Aplique el valor correspondiente al modelo específico del generador y a las condiciones de servicio en cuestión.
4. Agregue explícitamente los caudales auxiliares conocidos, como la purga del secador, el aire de control, los drenajes y las fugas, en filas de caudales auxiliares.
5. Aplique la corrección por las condiciones del sitio. Pida al proveedor del compresor que corrija la capacidad según la altitud, la temperatura ambiente, la restricción de entrada, las condiciones de enfriamiento y la base de capacidad nominal.
6. El compresor debe suministrar el caudal de aire calculado y mantener la presión mínima de entrada del generador a través del tren de tratamiento real.
7. Evalúe la capacidad de respuesta por separado. Dimensione el almacenamiento para eventos breves y establezca los márgenes de crecimiento y la disponibilidad de equipos en servicio y de reserva según sus propias políticas, en lugar de ocultarlos en un único multiplicador.

Todos los números de este ejemplo son solo ilustrativos. No los use en un caso real. Sustitúyalos por datos de servicio aprobados y cálculos del proveedor.

No reutilice el mismo factor de aire para sistemas PSA y de membrana

La adsorción por cambio de presión y la separación de aire mediante generación por membrana utilizan mecanismos y tecnologías distintos. La recuperación depende de la pureza, la presión, la temperatura y la secuencia de control del equipo, además de su diseño. Un solo factor de aire no puede representar de forma segura todos los sistemas de generación de nitrógeno.

Las interacciones de control y almacenamiento descritas en este registro sobre generación de nitrógeno PSA refuerzan la necesidad de usar los datos de las condiciones de servicio del sistema seleccionado, en lugar de aplicar una misma relación a distintas tecnologías.

¿Cómo cambia la demanda de aire de alimentación entre los generadores de nitrógeno PSA y los de membrana?

El comportamiento depende de la curva de rendimiento de cada proveedor para la pureza y las condiciones requeridas. Una pureza indicada más alta suele reducir la recuperación, pero esta observación no constituye una ecuación universal de dimensionamiento. Compare el consumo de aire, el caudal de producto, la base de referencia, la presión de entrada y la temperatura del flujo de aire de alimentación.

Agregue las pérdidas reales del sistema sin contabilizar dos veces el margen

El sistema de aire pierde presión y caudal de varias maneras. Las caídas de presión en los filtros y el secador reducen la presión disponible para el generador. La purga, las fugas y los drenajes reducen el caudal. La altitud y la temperatura pueden reducir el caudal del compresor. El margen para crecimiento futuro es una decisión comercial. Agrupar todo en un porcentaje oculta tanto las causas como sus efectos.

El manual de aire comprimido del Departamento de Energía de Estados Unidos considera la demanda, la caída de presión, el almacenamiento, los controles y la medición del rendimiento como aspectos independientes del sistema.

Elabore un registro de presión desde la salida del compresor hasta la entrada del generador y otro de caudal desde el consumidor hasta el compresor. Compare ambos para las mismas condiciones de operación. Un aumento de 10 psi no compensa automáticamente la pérdida de caudal, y una presión mayor puede desperdiciar energía y hacer que el equipo supere sus límites de operación.

Seleccione el tipo de compresor, el rango de control y la estrategia del tanque receptor

El compresor adecuado se selecciona según la demanda máxima. Un compresor de tornillo puede funcionar de forma continua en aplicaciones industriales; los sistemas de accionamiento de velocidad fija o variable pueden ser apropiados según las condiciones. Evalúe la eficiencia energética para el perfil real, incluido el caso de carga mínima.

El rango de control del compresor debe permitir que la planta atienda cada demanda dentro de un plazo aceptable. Si el almacenamiento cubre la demanda y se recupera antes del siguiente ciclo, dentro de un plazo aceptable, no debería haber restricciones en la entrada del generador por baja presión, aunque el compresor produzca más CFM a la salida.

El tamaño adecuado del compresor de aire depende de los casos de demanda máxima y carga baja de la propia instalación. Haga una lista de sus necesidades y consulte si el compresor puede mantener un caudal de aire estable ante la demanda máxima y funcionar de forma estable con carga baja. Un especialista comercial en aire comprimido puede explicar la capacidad nominal, pero el proveedor del generador debe confirmar las condiciones de conversión.

El tanque receptor de aire comprimido es independiente del tanque receptor del producto, y ambos se encuentran a lados opuestos del generador. Si cambia el tanque receptor del producto, vuelva a verificar el factor de aire con el proveedor del generador, porque algunos ciclos PSA pueden usar el gas de producto almacenado durante la regeneración.

La recarga del tanque es una tarea de recuperación con duración definida, no una prueba de capacidad continua. Del mismo modo, una etiqueta de equipo libre de aceite o una descripción de compresor lubricado se refieren a la arquitectura y al tratamiento del aire, pero no al caudal suministrado. Para ese aspecto, consulte la comparación específica entre compresores de nitrógeno libres de aceite y lubricados.

Envíe a los proveedores una hoja de trabajo completa con las condiciones de servicio

Explicar el comportamiento del generador requiere más datos que el caudal nominal y la pureza. La hoja de trabajo debe indicar quién es responsable de la información y quién la verifica. Así se evita que el proveedor del compresor tenga que adivinar cómo funciona el generador y que el proveedor del generador suponga que el suministro de aire es ilimitado.

¿Qué datos sobre las condiciones de servicio debo enviar al proveedor del compresor?

Envíe el caudal mínimo, normal y máximo de N2; la definición de pureza; la presión del producto y la de entrada al generador; la duración de la demanda; el factor de aire del generador y las condiciones de referencia; el requisito de calidad del aire; los equipos de tratamiento; el rango de temperatura ambiente y altitud; los servicios eléctricos y de enfriamiento; el rango de presión admisible; la política de reserva; los datos del tanque receptor y la evidencia requerida para la puesta en marcha.

La presión por sí sola no es el criterio principal de selección. Indique la base del caudal, si la demanda es continua o intermitente y cuánto dura cada evento. Distinga también un compresor de aire de alimentación de un compresor elevador de presión aguas abajo; consulte la guía sobre compresores elevadores de presión de nitrógeno y compresores de nitrógeno.

Verifique el dimensionamiento con una prueba de puesta en marcha durante la demanda máxima

Reproducir un evento máximo definido durante la puesta en marcha permite medir el sistema como una cadena. Antes de concluir que el compresor está subdimensionado, descarte otras causas de la caída de presión. Podría deberse a un filtro obstruido, un dispositivo de prueba restringido, un rango de control incorrecto, una válvula lenta, un problema con el tanque receptor, el comportamiento del secador o la interacción con el ciclo del generador.

La guía de evaluación de aire comprimido del Departamento de Energía de Estados Unidos también centra la evaluación en la medición del caudal, la presión, la potencia y los perfiles de demanda.

¿Cómo puedo saber si el compresor está subdimensionado durante la demanda máxima de nitrógeno?

Durante ciclos máximos repetidos, mida el caudal de aire suministrado, la presión de descarga del compresor, la presión de entrada del generador, la caída de presión del tratamiento, la variación de presión del tanque receptor, la carga o velocidad de operación del compresor, el caudal de N2, la concentración de oxígeno y el tiempo de recuperación. Se confirma una falta de capacidad cuando el compresor opera en su máximo admisible y las pérdidas documentadas y el sistema de medición no explican la diferencia.

1. Indique la carga de N2, la duración, la presión inicial del tanque receptor, las condiciones de operación del equipo y los límites de aceptación.
2. Verifique la calibración, el rango y la frecuencia de muestreo de los instrumentos, así como la respuesta de los sensores. Compruebe que las mangueras, los medidores o las válvulas temporales no restrinjan el caudal que se está diagnosticando.
3. Ejecute la demanda máxima. Registre en forma sincronizada la presión, el caudal, la potencia o carga, la posición de las válvulas, el caudal de N2 y la concentración de oxígeno.
4. Repita el ciclo. Valide la recuperación del tanque receptor de aire y el ciclado del compresor para determinar si el control es inestable, durante suficientes eventos para representar su comportamiento.
5. Producto estable. Evalúe la pureza del nitrógeno y el ciclado del generador según el procedimiento acordado. No adopte un tiempo de estabilización universal de otra instalación.
6. Asigne la causa de la falla. Distinga una falta de capacidad del compresor de las pérdidas de presión, el consumo del tratamiento, el almacenamiento, los controles, el rendimiento del generador y los errores de medición.

Aplique la verificación del aire suministrado en 4 capas antes de comprar

La verificación del aire suministrado en 4 capas es un marco de decisión de cuatro partes que evita comparaciones engañosas basadas en la placa de identificación. Integra las condiciones de servicio, la conversión, la capacidad suministrada y la capacidad de respuesta en una sola revisión. Apruebe la unidad únicamente si las cuatro partes se completan con éxito y cada una cuenta con un registro verificable y un responsable.

Para las capas de suministro y capacidad de respuesta, el manual del sistema del Departamento de Energía de Estados Unidos ofrece una base independiente para revisar las caídas de presión, el almacenamiento, los controles y el rendimiento medido del sistema.

Criterio actual de dimensionamiento: verifique los datos de servicio, no las exageraciones del mercado

Las afirmaciones sobre el crecimiento del mercado no deben influir en los cálculos de ingeniería. La práctica recomendada en la industria es más sencilla: solicite curvas de rendimiento, defina las condiciones de referencia y mida la presión, el caudal y los datos de puesta en marcha correspondientes a las condiciones reales de operación.

Este enfoque basado en evidencia coincide con las recomendaciones de evaluación del Departamento de Energía de Estados Unidos, que se basan en datos medidos de operación y no en etiquetas promocionales de capacidad.

Una auditoría de aire mejorada puede mejorar la calidad de los datos de entrada si una red existente de la planta alimenta el generador. En un sistema nuevo e independiente, aplique el mismo rigor mediante datos explícitos del proveedor y una prueba de aceptación, en lugar de inventar un valor de fugas o diversidad.

Preguntas frecuentes

Referencias y fuentes

• (Departamento de Energía de Estados Unidos, Evaluación de sistemas de aire comprimido)
• (Departamento de Energía de Estados Unidos, Cómo mejorar el rendimiento de los sistemas de aire comprimido)
• ISO 1217, Ensayos de aceptación de compresores de desplazamiento
• (Compressed Air and Gas Institute, Biblioteca de recursos)
• Compressed Air Best Practices, Gestión del costo energético de los generadores de nitrógeno in situ

Convierta la hoja de datos de servicio en una solicitud de unidad bien fundamentada

Reúna el perfil de demanda de nitrógeno, los datos de rendimiento del generador, las condiciones del sitio, el registro de pérdidas y el plan de aceptación en una sola conversación de ingeniería. Así, cada proveedor resolverá el mismo problema y las propuestas resultantes serán comparables.

Use el manual de sistemas de aire comprimido del Departamento de Energía de Estados Unidos como lista de verificación independiente de los datos de demanda, presión, almacenamiento, control y medición antes de solicitar propuestas.

Nota de ingeniería: Esta guía es un marco preliminar de dimensionamiento y verificación. La selección final de los equipos, la protección contra sobrepresión, la calidad del aire, la ventilación y el diseño eléctrico, así como el cumplimiento de las normas y la definición de los criterios de puesta en marcha, deben quedar a cargo de personas calificadas para la instalación específica.