El rendimiento del compresor se evalúa comparando el requisito ideal de compresión con la potencia medida en el eje, el aumento de presión, el aumento de temperatura y el caudal de gas. En una planta piloto, los ingenieros suelen calcular la potencia isentrópica o basada en la entalpía, corregirla según la eficiencia del compresor y comparar el resultado con la potencia del motor o del eje. Para la integración del proceso, las variables críticas son el flujo másico, la presión de entrada y salida, la composición del gas, la temperatura de entrada, la temperatura de descarga, las relaciones de presión por etapa, la carga de potencia y las caídas de presión en los equipos conectados.

Un compresor funciona de forma aceptable cuando proporciona el caudal y la presión de descarga requeridos con una potencia y una temperatura medidas coherentes con su modelo termodinámico. Estas mismas variables determinan si los intercambiadores de calor, separadores, reactores y circuitos de recirculación posteriores pueden operar dentro de sus límites de diseño.

Cómo se evalúa el rendimiento del compresor

Establecer el punto de operación

El primer paso es definir el punto de operación del compresor:

• Caudal másico o volumétrico del gas
• Presión y temperatura de entrada
• Presión de descarga requerida
• Composición y peso molecular del gas
• Tipo de compresor y número de etapas
• Eficiencia de operación prevista
• Características del accionamiento y del motor

El compresor no puede evaluarse únicamente a partir de la presión de descarga. La relación de presión, el caudal y las condiciones de entrada determinan el trabajo de compresión y la temperatura de descarga resultante.

Calcular el trabajo ideal de compresión

Para un gas ideal sometido a compresión isentrópica, la temperatura de salida puede estimarse como:

[ T_{2s}=T_1\left(\frac{P_2}{P_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} ]

donde (T_1) es la temperatura de entrada, (P_1) y (P_2) son las presiones absolutas de entrada y salida, y (\gamma=C_p/C_v).

El trabajo específico ideal puede estimarse entonces mediante:

[ w_s=\frac{\gamma}{\gamma-1}RT_1 \left[ \left(\frac{P_2}{P_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}-1 \right] ]

Para gases reales o funcionamiento a alta presión, es preferible realizar un cálculo basado en la entalpía utilizando un modelo de propiedades adecuado.

Convertir el trabajo ideal en potencia real del eje

La potencia ideal es:

[ \dot W_s=\dot m w_s ]

La potencia real del eje del compresor se estima entonces utilizando la eficiencia isentrópica:

[ \eta_{is}=\frac{w_s}{w_{actual}} ]

Por lo tanto:

[ \dot W_{shaft}=\frac{\dot W_s}{\eta_{is}} ]

Una eficiencia del 80 % significa que el trabajo real del eje es aproximadamente 1,25 veces el trabajo isentrópico ideal, antes de considerar las pérdidas adicionales del motor, el acoplamiento o la transmisión.

Es importante distinguir entre eficiencia isentrópica, eficiencia mecánica y eficiencia del motor. La entrada eléctrica medida puede ser superior a la potencia del eje porque incluye pérdidas mecánicas y eléctricas.

Utilizar el balance de energía de un sistema abierto

Para un compresor en régimen estacionario, el balance general de energía es:

[ \dot W_{in}

\dot m \left[ (h_2-h_1) + \frac{v_2^2-v_1^2}{2} + g(z_2-z_1) \right] -\dot Q ]

Para muchos cálculos de plantas piloto, se desprecian los cambios de elevación y la transferencia de calor externa. En ese caso, la entrada requerida está determinada principalmente por el aumento de entalpía y, cuando es significativo, por el cambio de energía cinética.

Este enfoque es especialmente útil cuando se dispone de propiedades de gases reales, enfriamiento intermedio o temperaturas de entrada y salida medidas.

Qué mediciones de la planta piloto son más importantes

Presión y relación de presión

Mida la presión absoluta en la entrada y salida del compresor, así como en cada etapa de un sistema multietapa. La relación de presión es más informativa que la presión de descarga por sí sola:

[ r_p=\frac{P_2}{P_1} ]

También deben realizarse mediciones de presión a través de filtros de aspiración, válvulas, enfriadores, separadores y líneas de conexión. Una caída de presión inesperada puede atribuirse incorrectamente a un bajo rendimiento del compresor si solo se supervisan sus boquillas.

Caudal y composición del gas

El flujo másico es necesario para calcular la carga de potencia. El caudal volumétrico por sí solo puede inducir a error porque el volumen del gas cambia considerablemente con la presión y la temperatura.

La composición del gas determina el peso molecular, la capacidad calorífica, la compresibilidad, la densidad y el comportamiento de fase. Estas propiedades afectan tanto a la potencia prevista como al riesgo de condensación durante o después de la compresión.

Aumento de temperatura

Las temperaturas de entrada y salida proporcionan una indicación directa del comportamiento de la compresión. Una temperatura de descarga superior a la esperada puede indicar:

• Baja eficiencia del compresor
• Relación de presión excesiva
• Enfriamiento insuficiente
• Supuestos incorrectos sobre las propiedades del gas
• Ensuciamiento o restricciones de flujo

En sistemas multietapa, la temperatura debe medirse después de cada compresor y enfriador intermedio. Esto permite identificar dónde se pierde el rendimiento térmico.

Consumo de potencia

Registre tanto el requisito de potencia calculado como la potencia real del eje o eléctrica. La comparación proporciona un indicador práctico del rendimiento:

[ \eta_{observed} \approx \frac{\text{potencia ideal calculada}} {\text{potencia medida en el eje}} ]

El cálculo debe utilizar límites coherentes. Comparar la potencia de un gas ideal con la potencia eléctrica total del motor sin tener en cuenta la eficiencia del motor y la eficiencia mecánica subestimará la eficiencia termodinámica del compresor.

Eficiencia y estabilidad de funcionamiento

La eficiencia debe evaluarse en el intervalo previsto de caudal y relación de presión, en lugar de hacerlo en un único punto nominal. Las plantas piloto suelen funcionar alejadas de la condición de diseño, donde la eficiencia puede disminuir y el aumento de temperatura puede incrementarse.

La estabilidad de funcionamiento también es importante. Las pulsaciones de presión, el bombeo, la pérdida de sustentación, las vibraciones, el ruido excesivo y las fluctuaciones de potencia pueden indicar que el compresor está fuera de su envolvente de operación aceptable.

Relacionar el rendimiento del compresor con la integración del proceso

Intercambiadores de calor y enfriadores intermedios

La compresión aumenta la temperatura del gas, por lo que los equipos posteriores deben diseñarse para la carga térmica resultante. La carga del enfriador intermedio puede estimarse mediante:

[ \dot Q=\dot m C_p(T_{in}-T_{out}) ]

Para corrientes con cambio de fase o multicomponentes, la diferencia de entalpía es más fiable que una aproximación basada en un (C_p) constante.

El enfriamiento intermedio reduce el trabajo requerido en las etapas posteriores de compresión y puede proteger los equipos posteriores frente a temperaturas excesivas. Sin embargo, el enfriamiento también puede provocar condensación, que debe gestionarse mediante separadores, drenajes o sistemas de recirculación de condensado.

Separadores flash y gestión del condensado

Las corrientes de hidrocarburos comprimidos o de gas húmedo pueden condensarse parcialmente después del enfriamiento. Un separador situado después de un enfriador intermedio puede eliminar la fracción líquida y evitar el arrastre de líquido hacia la siguiente etapa del compresor.

Por lo tanto, el cálculo de integración debe incluir:

• Caudales de vapor y líquido
• Presión y temperatura del separador
• Composición del condensado
• Eficiencia de eliminación de líquidos
• Caudal de recirculación hacia una unidad aguas arriba

El arrastre de líquido es una preocupación operativa grave porque muchos compresores de gas no están diseñados para manejar cantidades significativas de líquido.

Reactores y columnas de absorción

El compresor debe proporcionar la presión y el caudal requeridos en las condiciones de entrada del reactor o absorbedor posterior. La presión de descarga requerida no es simplemente la presión de operación del equipo; también debe superar las pérdidas de presión en tuberías, válvulas, intercambiadores de calor, distribuidores y elementos internos.

Para un reactor o una columna de absorción, un flujo de gas estable puede ser más importante que una presión máxima. Las fluctuaciones del flujo pueden modificar el tiempo de residencia, el contacto gas-líquido, la velocidad de reacción y el comportamiento de transferencia de masa.

Circuitos de recirculación

En los sistemas de recirculación, la potencia del compresor afecta al balance energético global y al coste operativo. La evaluación debe incluir el caudal de recirculación, los cambios de composición, las pérdidas de presión y cualquier enfriamiento o condensación del gas entre la toma de recirculación y la entrada del compresor.

Un compresor que cumple el requisito de presión en un paso único puede seguir siendo inadecuado para un circuito de recirculación si genera un calor excesivo, no puede tolerar cambios de composición o funciona con baja eficiencia durante la reducción de carga.

Calentadores de combustión y unidades térmicas

Si el gas comprimido se envía a un calentador de combustión, un horno de reactor u otra unidad de alta temperatura, la temperatura y la presión de descarga del compresor afectan a la carga del calentador y a los requisitos de materiales.

El modelo del proceso debe utilizar la condición real de salida del compresor en lugar de una temperatura supuesta. De lo contrario, la carga térmica posterior calculada y la demanda de servicios auxiliares pueden ser inexactas.

Evaluación de la compresión multietapa

Distribución de la presión por etapas

La compresión multietapa se utiliza cuando una sola etapa generaría una temperatura, una demanda de potencia o una tensión mecánica excesivas. El aumento total de presión se divide entre las etapas, normalmente con enfriamiento intermedio entre ellas.

Para una relación de presión global determinada, las relaciones de presión equilibradas entre etapas generalmente reducen el trabajo total cuando el enfriamiento intermedio es eficaz. En la práctica, la distribución óptima también depende de las características del compresor, el rendimiento de los enfriadores, la temperatura de descarga permitida y las restricciones del proceso.

Rendimiento del enfriador intermedio

Cada enfriador intermedio debe evaluarse utilizando sus temperaturas de entrada y salida, caída de presión, carga térmica y consumo de servicios auxiliares. Un enfriador que alcanza la temperatura objetivo pero introduce una pérdida de presión excesiva puede aumentar la potencia requerida por las etapas posteriores.

El circuito de servicios auxiliares también debe caracterizarse mediante la temperatura de suministro, la temperatura de retorno, el caudal disponible, la presión y la fiabilidad. Estos factores determinan si el enfriador puede mantener su rendimiento durante los cambios en la operación de la planta.

Balances de materia y energía etapa por etapa

Una evaluación útil de la planta piloto realiza un seguimiento del flujo y la composición del gas después de cada operación principal:

1. Etapa del compresor
2. Enfriador intermedio
3. Separador flash
4. Punto de recirculación o retorno de condensado
5. Etapa posterior del compresor

Esto permite determinar si el modelo del proceso predice correctamente el comportamiento vapor-líquido, la carga térmica, la pérdida de presión y la potencia total del compresor.

Comprender las compensaciones

Mayor presión de descarga frente a demanda energética

Aumentar la presión de descarga puede mejorar el transporte, la reacción o la absorción, pero el trabajo del compresor aumenta con la relación de presión. Por tanto, el beneficio adicional del proceso debe compararse con el aumento de potencia y de las necesidades de enfriamiento.

Eficiencia frente a flexibilidad

Un compresor seleccionado para un único punto de diseño puede funcionar mal con caudales bajos o con una composición del gas variable. Las plantas piloto deben evaluar el rendimiento en todo el intervalo de operación previsto, en lugar de optimizarlo únicamente para el caudal máximo.

Enfriamiento intermedio frente a condensación

El enfriamiento intermedio reduce el trabajo de compresión y la temperatura de descarga, pero puede producir líquido a partir de mezclas de gases condensables. El beneficio de una temperatura menor debe considerarse junto con la capacidad del separador, la gestión de líquidos y el riesgo de entrada de líquido en el compresor.

Cálculos teóricos frente a datos medidos

Los cálculos de gas ideal y de propiedades constantes son útiles para la evaluación preliminar y la formación, pero pueden ser insuficientes para mezclas a alta presión o condiciones cercanas a la condensación. Deben utilizarse métodos de propiedades de gases reales y datos medidos de la planta piloto cuando las desviaciones puedan afectar al dimensionamiento de los equipos o a la seguridad del proceso.

Interpretación del ejemplo de potencia de referencia

Un caso de referencia informa de aproximadamente 2.020 kW de potencia teórica y 2.525 kW de potencia real con una eficiencia del 80 %. La relación numérica es coherente con:

[ \frac{2{,}020}{0.80}\approx2{,}525\ \text{kW} ]

Sin embargo, esos valores no pueden reproducirse de forma independiente únicamente a partir del flujo másico, (\gamma) y la presión de descarga. También se requieren la presión de entrada, la temperatura de entrada, el peso molecular del gas o la constante del gas y la base de cálculo.

Errores comunes en la evaluación de plantas piloto

Uso de presión manométrica en las ecuaciones de compresión

Las relaciones de presión deben utilizar presión absoluta. El uso de presión manométrica puede producir una predicción considerablemente incorrecta del trabajo y de la temperatura de descarga, especialmente a presiones de operación relativamente bajas.

Ignorar las caídas de presión fuera del compresor

El compresor debe proporcionar suficiente presión para superar las pérdidas de los equipos posteriores. Omitir estas pérdidas puede provocar un caudal insuficiente en la entrada del reactor, absorbedor o separador.

Tratar la composición como constante

La composición del gas puede cambiar debido a la condensación, la reacción, la purga o la recirculación. Se necesita una composición actualizada para calcular correctamente (C_p/C_v), el peso molecular, la densidad y la compresibilidad.

Comparar mediciones de potencia incompatibles

La potencia termodinámica teórica, la potencia del eje y la potencia eléctrica del motor son magnitudes diferentes. El límite de medición debe especificarse antes de calcular la eficiencia.

Medir muy pocas temperaturas

En una unidad multietapa, medir únicamente la temperatura final de descarga oculta un bajo rendimiento del enfriador intermedio o una etapa intermedia sobrecargada. Las mediciones de temperatura deben distribuirse por todo el tren de compresión.

Tomar la decisión adecuada para su objetivo

Una evaluación práctica de una planta piloto debe combinar cálculos termodinámicos, datos operativos medidos y requisitos de los equipos posteriores.

• Si su objetivo principal es el rendimiento energético: Compare la potencia isentrópica calculada con la potencia medida en el eje a varios caudales y relaciones de presión, separando las pérdidas del compresor, mecánicas y del motor.
• Si su objetivo principal es la integración del proceso: Defina el perfil completo de presión, incluidas las caídas de presión en tuberías y equipos, para que el compresor proporcione la condición requerida en la unidad posterior.
• Si su objetivo principal es la compresión multietapa: Supervise la relación de presión de cada etapa, la temperatura de descarga, la carga del enfriador intermedio, la caída de presión y la producción de condensado.
• Si su objetivo principal es el funcionamiento con mezclas de gases: Utilice propiedades de gases reales dependientes de la composición y realice un seguimiento del comportamiento vapor-líquido en enfriadores y separadores.
• Si su objetivo principal es la seguridad de la planta piloto: Establezca límites de operación para la temperatura de descarga, la presión, el caudal, las vibraciones, el comportamiento de bombeo o pérdida de sustentación y el arrastre de líquidos.

Con estas mediciones y límites definidos, el rendimiento del compresor se convierte en una parte verificable del balance de materia y energía de las operaciones unitarias, en lugar de ser una especificación aislada del equipo.

Tabla resumen:

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