Le prestazioni del compressore vengono valutate confrontando il fabbisogno di compressione ideale con la potenza misurata all'albero, l'aumento di pressione, l'aumento di temperatura e la portata di gas. In un impianto pilota, gli ingegneri calcolano generalmente la potenza isentropica o basata sull'entalpia, la correggono in funzione dell'efficienza del compressore e confrontano il risultato con la potenza del motore o dell'albero. Per l'integrazione di processo, le variabili critiche sono portata massica, pressione in ingresso e in uscita, composizione del gas, temperatura in ingresso, temperatura di mandata, rapporti di pressione degli stadi, carico di potenza e perdite di pressione nelle apparecchiature collegate.
Un compressore funziona in modo accettabile quando fornisce la portata e la pressione di mandata richieste con una potenza e una temperatura misurate coerenti con il suo modello termodinamico. Le stesse variabili determinano se gli scambiatori di calore, i separatori, i reattori e i circuiti di riciclo a valle possono funzionare entro i rispettivi limiti di progetto.
Come vengono valutate le prestazioni del compressore
Definire il punto di funzionamento
Il primo passaggio consiste nel definire il punto di funzionamento del compressore:
- Portata massica o volumetrica del gas
- Pressione e temperatura in ingresso
- Pressione di mandata richiesta
- Composizione e peso molecolare del gas
- Tipo di compressore e numero di stadi
- Efficienza di funzionamento prevista
- Caratteristiche del motore primo e del motore elettrico
Il compressore non può essere valutato considerando soltanto la pressione di mandata. Il rapporto di pressione, la portata e le condizioni in ingresso determinano il lavoro di compressione e la conseguente temperatura di mandata.
Calcolare il lavoro di compressione ideale
Per un gas ideale sottoposto a compressione isentropica, la temperatura di uscita può essere stimata come:
[ T_{2s}=T_1\left(\frac{P_2}{P_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} ]
dove (T_1) è la temperatura in ingresso, (P_1) e (P_2) sono le pressioni assolute in ingresso e in uscita e (\gamma=C_p/C_v).
Il lavoro specifico ideale può quindi essere stimato mediante:
[ w_s=\frac{\gamma}{\gamma-1}RT_1 \left[ \left(\frac{P_2}{P_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}-1 \right] ]
Per gas reali o per il funzionamento ad alta pressione, è preferibile un calcolo basato sull'entalpia che utilizzi un modello delle proprietà appropriato.
Convertire il lavoro ideale in potenza effettiva all'albero
La potenza ideale è:
[ \dot W_s=\dot m w_s ]
La potenza effettiva all'albero del compressore viene quindi stimata utilizzando l'efficienza isentropica:
[ \eta_{is}=\frac{w_s}{w_{actual}} ]
Pertanto:
[ \dot W_{shaft}=\frac{\dot W_s}{\eta_{is}} ]
Un'efficienza dell'80% significa che il lavoro effettivo all'albero è approssimativamente 1,25 volte il lavoro isentropico ideale, prima di considerare le ulteriori perdite del motore, dell'accoppiamento o della trasmissione.
La distinzione tra efficienza isentropica, efficienza meccanica ed efficienza del motore è importante. La potenza elettrica assorbita misurata può essere superiore alla potenza all'albero perché comprende le perdite meccaniche ed elettriche.
Utilizzare il bilancio energetico per sistemi aperti
Per un compressore a flusso stazionario, il bilancio energetico generale è:
[ \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 ]
Per molti calcoli relativi agli impianti pilota, le variazioni di quota e il trasferimento di calore esterno vengono trascurati. Il fabbisogno di ingresso è quindi determinato principalmente dall'aumento di entalpia e, quando significativo, dalla variazione di energia cinetica.
Questo approccio è particolarmente utile quando sono disponibili proprietà dei gas reali, il raffreddamento intermedio o le temperature misurate in ingresso e in uscita.
Quali misurazioni dell'impianto pilota sono più importanti
Pressione e rapporto di pressione
Misurare la pressione assoluta all'ingresso e all'uscita del compressore e a ogni stadio di un sistema multistadio. Il rapporto di pressione è più informativo della sola pressione di mandata:
[ r_p=\frac{P_2}{P_1} ]
Le misurazioni della pressione devono essere effettuate anche attraverso filtri di aspirazione, valvole, refrigeratori, separatori e linee di collegamento. Una perdita di pressione imprevista potrebbe essere erroneamente attribuita a prestazioni insufficienti del compressore se vengono monitorati soltanto gli ugelli del compressore.
Portata e composizione del gas
La portata massica è necessaria per calcolare il carico di potenza. La sola portata volumetrica può essere fuorviante perché il volume del gas cambia considerevolmente con la pressione e la temperatura.
La composizione del gas determina il peso molecolare, la capacità termica, la comprimibilità, la densità e il comportamento di fase. Queste proprietà influenzano sia la potenza prevista sia il rischio di condensazione durante o dopo la compressione.
Aumento di temperatura
Le temperature in ingresso e in uscita forniscono un'indicazione diretta del comportamento della compressione. Una temperatura di mandata superiore a quella prevista può indicare:
- Bassa efficienza del compressore
- Rapporto di pressione eccessivo
- Raffreddamento insufficiente
- Ipotesi errate sulle proprietà del gas
- Incrostazioni o restrizioni al flusso
Nei sistemi multistadio, la temperatura deve essere misurata dopo ogni compressore e ogni refrigeratore intermedio. Ciò consente di identificare il punto in cui si perde la prestazione termica.
Consumo di potenza
Registrare sia il fabbisogno di potenza calcolato sia la potenza effettiva all'albero o elettrica. Il confronto fornisce un indicatore pratico delle prestazioni:
[ \eta_{observed} \approx \frac{\text{potenza ideale calcolata}} {\text{potenza misurata all'albero}} ]
Il calcolo deve utilizzare confini coerenti. Confrontare la potenza del gas ideale con la potenza elettrica totale del motore senza tenere conto dell'efficienza del motore e di quella meccanica sottostimerà l'efficienza termodinamica del compressore.
Efficienza e stabilità di funzionamento
L'efficienza deve essere valutata nell'intervallo previsto di portata e rapporto di pressione, anziché in un singolo punto nominale. Gli impianti pilota spesso funzionano lontano dalla condizione di progetto, dove l'efficienza può diminuire e l'aumento di temperatura può aumentare.
Anche il funzionamento stabile è importante. Pulsazioni di pressione, surge, stallo, vibrazioni, rumore eccessivo e potenza variabile possono indicare che il compressore si trova al di fuori del suo campo operativo accettabile.
Collegare le prestazioni del compressore all'integrazione di processo
Scambiatori di calore e refrigeratori intermedi
La compressione aumenta la temperatura del gas, pertanto le apparecchiature a valle devono essere progettate per il carico termico risultante. Il carico del refrigeratore intermedio può essere stimato mediante:
[ \dot Q=\dot m C_p(T_{in}-T_{out}) ]
Per correnti soggette a cambiamento di fase o multicomponenti, la differenza di entalpia è più affidabile di un'approssimazione a (C_p) costante.
Il raffreddamento intermedio riduce il lavoro richiesto negli stadi di compressione successivi e può proteggere le apparecchiature a valle da temperature eccessive. Tuttavia, il raffreddamento può anche causare condensazione, che deve essere gestita mediante separatori, scarichi o sistemi di riciclo della condensa.
Separatori flash e gestione della condensa
Le correnti di idrocarburi compressi o di gas umido possono condensare parzialmente dopo il raffreddamento. Un separatore a valle di un refrigeratore intermedio può rimuovere la frazione liquida e impedire il trascinamento di liquido nello stadio successivo del compressore.
Il calcolo di integrazione deve quindi includere:
- Portate di vapore e liquido
- Pressione e temperatura del separatore
- Composizione della condensa
- Efficienza di rimozione del liquido
- Portata di riciclo verso un'unità a monte
Il trascinamento di liquido è una seria preoccupazione operativa perché molti compressori di gas non sono progettati per gestire quantità significative di liquido.
Reattori e colonne di assorbimento
Il compressore deve fornire la pressione e la portata richieste alle condizioni di ingresso del reattore o dell'assorbitore a valle. La pressione di mandata richiesta non corrisponde semplicemente alla pressione operativa dell'apparecchiatura; deve anche superare le perdite di pressione attraverso tubazioni, valvole, scambiatori di calore, distributori e componenti interni.
Per un reattore o una colonna di assorbimento, una portata di gas stabile può essere più importante della pressione massima. Le fluttuazioni di portata possono alterare il tempo di residenza, il contatto gas-liquido, la velocità di reazione e il comportamento del trasferimento di massa.
Circuiti di riciclo
Nei sistemi di riciclo, la potenza del compressore influisce sul bilancio energetico complessivo e sui costi operativi. La valutazione deve includere la portata di riciclo, le variazioni di composizione, le perdite di pressione e qualsiasi raffreddamento o condensazione del gas tra il punto di prelievo del riciclo e l'ingresso del compressore.
Un compressore che soddisfa il requisito di pressione a passaggio singolo può tuttavia essere inadatto a un circuito di riciclo se produce calore eccessivo, non tollera variazioni di composizione o funziona in modo inefficiente a carico ridotto.
Riscaldatori a combustione e unità termiche
Se il gas compresso viene inviato a un riscaldatore a combustione, a un forno per reattori o a un'altra unità ad alta temperatura, la temperatura e la pressione di mandata del compressore influenzano il carico del riscaldatore e i requisiti dei materiali.
Il modello di processo dovrebbe utilizzare la condizione effettiva di uscita del compressore anziché una temperatura presunta. In caso contrario, il carico termico a valle calcolato e il fabbisogno di utenze potrebbero risultare inaccurati.
Valutazione della compressione multistadio
Distribuzione della pressione tra gli stadi
La compressione multistadio viene utilizzata quando un singolo stadio genererebbe una temperatura, una richiesta di potenza o uno stress meccanico eccessivi. L'aumento complessivo di pressione viene suddiviso tra gli stadi, generalmente con raffreddamento intermedio tra uno stadio e l'altro.
Per un determinato rapporto di pressione complessivo, rapporti di pressione degli stadi bilanciati generalmente riducono il lavoro totale quando il raffreddamento intermedio è efficace. In pratica, la distribuzione ottimale dipende anche dalle caratteristiche del compressore, dalle prestazioni dei refrigeratori, dalla temperatura di mandata ammissibile e dai vincoli di processo.
Prestazioni dei refrigeratori intermedi
Ogni refrigeratore intermedio deve essere valutato utilizzando le temperature in ingresso e in uscita, la perdita di pressione, il carico termico e il consumo di utenze. Un refrigeratore che raggiunge la temperatura obiettivo ma introduce una perdita di pressione eccessiva può aumentare la potenza richiesta dagli stadi successivi.
Anche il lato delle utenze deve essere caratterizzato in base alla temperatura di alimentazione, alla temperatura di ritorno, alla portata disponibile, alla pressione e all'affidabilità. Questi fattori determinano se il refrigeratore può mantenere le prestazioni durante le variazioni operative dell'impianto.
Bilanci di materia ed energia stadio per stadio
Una valutazione utile dell'impianto pilota segue la portata e la composizione del gas dopo ogni operazione principale:
- Stadio del compressore
- Refrigeratore intermedio
- Separatore flash
- Punto di riciclo o di ritorno della condensa
- Stadio successivo del compressore
Ciò rivela se il modello di processo prevede correttamente il comportamento vapore-liquido, il carico termico, la perdita di pressione e la potenza totale del compressore.
Comprendere i compromessi
Pressione di mandata più elevata rispetto al fabbisogno energetico
L'aumento della pressione di mandata può migliorare le prestazioni di trasporto, reazione o assorbimento, ma il lavoro del compressore aumenta con il rapporto di pressione. Il beneficio aggiuntivo del processo deve quindi essere confrontato con l'aumento del fabbisogno di potenza e raffreddamento.
Efficienza rispetto alla flessibilità
Un compressore selezionato per un singolo punto di progetto può funzionare male a bassa portata o con composizione variabile del gas. Gli impianti pilota dovrebbero valutare le prestazioni nell'intervallo operativo previsto anziché ottimizzarle soltanto per la portata massima.
Raffreddamento intermedio rispetto alla condensazione
Il raffreddamento intermedio riduce il lavoro di compressione e la temperatura di mandata, ma può produrre liquido da miscele di gas condensabili. Il vantaggio della temperatura più bassa deve essere considerato insieme alla capacità del separatore, alla gestione dei liquidi e al rischio di ingresso di liquido nel compressore.
Calcoli teorici rispetto ai dati misurati
I calcoli con gas ideale e proprietà costanti sono utili per lo screening e la formazione, ma possono essere insufficienti per miscele ad alta pressione o in condizioni prossime alla condensazione. I metodi per le proprietà dei gas reali e i dati misurati dell'impianto pilota devono essere utilizzati quando le deviazioni potrebbero influire sul dimensionamento delle apparecchiature o sulla sicurezza del processo.
Interpretazione dell'esempio di potenza di riferimento
Un caso di riferimento riporta circa 2.020 kW di potenza teorica e 2.525 kW di potenza effettiva con un'efficienza dell'80%. La relazione numerica è coerente con:
[ \frac{2{,}020}{0.80}\approx2{,}525\ \text{kW} ]
Tuttavia, questi valori non possono essere riprodotti indipendentemente utilizzando soltanto la portata massica, (\gamma) e la pressione di mandata. Sono inoltre necessarie la pressione in ingresso, la temperatura in ingresso, il peso molecolare del gas o la costante del gas e la base di calcolo.
Errori comuni nella valutazione degli impianti pilota
Utilizzare la pressione relativa nelle equazioni di compressione
I rapporti di pressione devono utilizzare la pressione assoluta. L'uso della pressione relativa può produrre una previsione significativamente errata del lavoro e della temperatura di mandata, soprattutto a pressioni operative relativamente basse.
Ignorare le perdite di pressione esterne al compressore
Il compressore deve fornire una pressione sufficiente a superare le perdite delle apparecchiature a valle. Omettere queste perdite può causare una portata insufficiente all'ingresso del reattore, dell'assorbitore o del separatore.
Considerare costante la composizione
La composizione del gas può cambiare a causa di condensazione, reazione, spurgo o riciclo. È necessaria una composizione aggiornata per calcolare correttamente (C_p/C_v), il peso molecolare, la densità e la comprimibilità.
Confrontare misurazioni di potenza incompatibili
La potenza termodinamica teorica, la potenza all'albero e la potenza elettrica del motore sono grandezze diverse. Il confine di misurazione deve essere indicato prima di calcolare l'efficienza.
Misurare un numero insufficiente di temperature
In un'unità multistadio, misurare soltanto la temperatura finale di mandata nasconde le scarse prestazioni del refrigeratore intermedio o il sovraccarico di uno stadio intermedio. Le misurazioni della temperatura devono essere distribuite lungo l'intera linea di compressione.
Fare la scelta giusta in base al proprio obiettivo
Una valutazione pratica dell'impianto pilota dovrebbe combinare calcoli termodinamici, dati operativi misurati e requisiti delle apparecchiature a valle.
- Se l'obiettivo principale è la prestazione energetica: Confrontare la potenza isentropica calcolata con la potenza misurata all'albero a diverse portate e rapporti di pressione, separando le perdite del compressore, meccaniche e del motore.
- Se l'obiettivo principale è l'integrazione di processo: Definire il profilo completo della pressione, comprese le perdite di pressione nelle tubazioni e nelle apparecchiature, in modo che il compressore fornisca la condizione richiesta all'unità a valle.
- Se l'obiettivo principale è la compressione multistadio: Monitorare il rapporto di pressione di ogni stadio, la temperatura di mandata, il carico del refrigeratore intermedio, la perdita di pressione e la produzione di condensa.
- Se l'obiettivo principale è il funzionamento con miscele di gas: Utilizzare proprietà dei gas reali dipendenti dalla composizione e monitorare il comportamento vapore-liquido attraverso refrigeratori e separatori.
- Se l'obiettivo principale è la sicurezza dell'impianto pilota: Stabilire limiti operativi per temperatura di mandata, pressione, portata, vibrazioni, comportamento di surge o stallo e trascinamento di liquido.
Definendo queste misurazioni e questi confini, le prestazioni del compressore diventano una parte verificabile del bilancio di materia ed energia delle operazioni unitarie, anziché una specifica isolata dell'apparecchiatura.
Tabella riassuntiva:
| Area di valutazione | Parametri critici | Perché è importante |
|---|---|---|
| Punto di funzionamento | Portata massica, pressione e temperatura in ingresso, pressione di mandata, composizione del gas | Definisce il carico di compressione richiesto |
| Prestazioni termodinamiche | Rapporto di pressione, lavoro isentropico, variazione di entalpia, proprietà dei gas reali | Stabilisce il fabbisogno teorico di potenza |
| Potenza ed efficienza | Potenza all'albero, ingresso elettrico, efficienza meccanica, efficienza del motore | Identifica le perdite energetiche e le prestazioni effettive del compressore |
| Comportamento termico | Temperatura di mandata dello stadio, carico del refrigeratore intermedio, condizioni delle utenze | Protegge le apparecchiature e controlla il fabbisogno di raffreddamento |
| Integrazione di processo | Perdite di pressione nelle tubazioni e nelle apparecchiature, pressione e portata a valle | Garantisce che reattori, assorbitori, separatori e scambiatori di calore ricevano le condizioni richieste |
| Funzionamento multistadio | Rapporti di pressione degli stadi, perdita di pressione del refrigeratore intermedio, produzione di condensa | Favorisce una compressione efficiente e stabile |
| Affidabilità e sicurezza | Surge, stallo, vibrazioni, rumore, trascinamento di liquido, limiti operativi | Previene i danni e mantiene sicuro il funzionamento dell'impianto pilota |
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