BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

PDVSA MANUAL DE DISEÑO DEL PROCESO BOMBAS

PDVSA N

MDP–02–P–08

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NOV.97

REV.

FECHA

APROB.

E

TITULO

°

PDVSA, 1983

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

APROBADA DESCRIPCION FECHA NOV.97

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L.R.

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L.R. APROB. APROB. FECHA NOV.97

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BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Indice manual

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Página 1 Indice Indice norma

Indice 1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ILUSTRACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 BOMBAS RECIPROCANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 NPSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 BOMBAS DOSIFICADORAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 BOMBAS DE DIAFRAGMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 BOMBAS ROTATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 BOMBAS DE TURBINAS REGENERATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 VALVULAS DE ALIVIO DE LA PRESION DE DESCARGA . . . . . . . 12 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 2 3 4 8 10 10 15 17 19


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ALCANCE Esta subsección presenta detalles adicionales acerca de otros tipos de bombas diferentes de las centrífugas, que se aplican comúnmente en los servicios de plantas de proceso. Los tipos discutidos caen todos en la categoría de desplazamiento positivo, con excepción del tipo de turbina regenerativa. Sólo se presentan los puntos pertinentes al diseño de servicio que difieren apreciablemente de la práctica para bombas centrífugas.

2

REFERENCIAS Prácticas de Diseño (aparte de los otros documentos de esta sección) MDP–08–SG–01 / 05 Seguridad en el Diseño de Plantas MID–PDVSA GA–202 N–251

N–268 N–269

Bombas de Desplazamiento Positivo Technical Specification for TEFC Squirrel Cage Induction Motors 500 HP and Below General Purpose Application of API 541 Form–wound Squirrel–cage Induction Motors 250 Horsepower and Larger Special Purpose Application of API 541 Form–wound Squirrel–cage Induction Motors 250 Horsepower and Larger

Otras Referencias Perry’s Chemical Engineers Handbook–Section on Pumping of Liquids and Gases

3

DEFINICIONES La bomba rotativa es una bomba de desplazamiento positivo que suministra potencia de presión al líquido por rotación de engranajes, tornillos, levas, algunos tipos de émbolos, álabes, lóbulos o elementos similares (no impulsores centrífugos) y produce un flujo esencialmente no pulsante. El desplazamiento es la filtración de flujo en una bomba desde la zona de presión de descarga de regreso hacia la zona de presión de entrada.

4

ILUSTRACIONES Ilustraciones de tipo de bombas, estilos de construcción y nomenclatura de componentes se pueden encontrar en “Perry’s Chemical Engineers’s Handbook, Section on Pumping of Liquids and Gases”. El apéndice de este documento contiene ilustraciones complementarias.


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BOMBAS RECIPROCANTES Situaciones de Aplicación Las bombas reciprocantes se aplican en muy pocos servicios en plantas modernas de proceso. Algunos ejemplos de situaciones en las que se aplican son: 1.

2.

3. 4.

5.

Cabezal alto, con capacidades en el intervalo 0.06–1.3 dm3 /s (1–20 gpm), en esta condiciones el alto mantenimiento de la bomba reciprocante dada se justifica por la baja eficiencia de la alternativa con una bomba centrífuga adecuada. Remoción de condensado de tambor separador de chimenea, donde se combina manejo de vapor y caudal de flujo bajo. Servicios de alimentación de carbamato y amonio a plantas de urea. Bombeo de líneas en plantas de lubricantes para evitar solidificación durante la parada. Fondos de alquitrán del fraccionador primario del craqueador con vapor, bomba de reserva alterna para flexibilidad a altas viscosidades.

Estilos de Construcción Bombas de Vapor de Acción Directa – Este tipo de bomba consiste en un extremo cilíndrico para vapor en línea con un extremo cilíndrico para líquido, con una conexión con barra recta entre el pistón de vapor y el pistón de la bomba o el émbolo. Las bombas de vapor de acción directa se arreglan como unidades simples (un cilindro para vapor y uno para líquido) o dobles (doble de lado y lado). Las unidades dobles normalmente se usan para capacidades mayores y para reducir las pulsaciones de flujo por debajo de la de una simple. Las bombas dobles están interconectadas con válvulas de vapor de modo tal que un lado está bombeando cuando el otro lado alcanza el final de su embolada. Casi todas las bombas de vapor son de diseño de barra y pistón y de doble acción, es decir, cada lado bombea en cada embolada. Por lo tanto, una bomba duplex tendrá 4 recorridos de bombeo por ciclo. Las bombas de vapor de acción directa son aplicables a operaciones de capacidad variable mediante el uso de una válvula de control en la línea de suministro de vapor a la bomba. Bomba de Potencia – Este tipo de bomba convierte el movimiento rotativo en movimiento recíprocamente de baja velocidad a través de engranajes de reducción de velocidad, un eje de cigüeñal, barras de conexión y un cabezal de cruce de recorrido. Este cabezal acciona los émbolos o pistones. Los extremos para líquido de las unidades de más baja presión y más alta capacidad tienen una



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construcción del tipo barra y pistón, similar a la de las bombas de vapor de doble acción. Las unidades de mayor presión son usualmente émbolos de una sola acción. Los tipos más comunes de este modelo usan tres émbolos. Con tres o más émbolos, la pulsación del flujo se reduce sustancialmente en comparación con la de las bombas simples y dobles. Las bombas de potencia tienen una eficiencia alta y pueden desarrollar presiones muy altas, comúnmente son accionadas por motores eléctricos, pero también son aptas para ser accionadas con turbinas. Con la construcción tipo émbolo, el empaque de la caja de estopera tiene el diámetro completo del émbolo. Las bombas de potencia son costosas y raramente se justifica usarlas en lugar de las centrífugas con base en criterios de eficiencia, en servicios donde estas últimas se pueden usar. Este tipo de bomba con frecuencia se puede justificar sobre las bombas reciprocantes de vapor en servicios de operación continuo debido a los requerimientos altos de vapor de la bomba de vapor de acción directa (a menos que el vapor efluente sea valioso). Número de Cilindros Paralelos – Consulte a los especialistas de maquinarias para determinar si se debe usar una construcción simple, doble o triple, y si este detalle se debe especificar. Sensibilidad a la Viscosidad, Densidad, Sólidos El caudal de flujo efectivo de bombas reciprocantes disminuye cuando la viscosidad aumenta debido a que la velocidad se debe reducir. La presión diferencial generada por las bombas reciprocantes es, al contrario de la de las bombas centrífugas, independiente de la densidad del fluido. Depende solamente de cuanta fuerza se ejerce sobre el pistón. Por lo tanto, si las bombas reciprocantes desarrollaran un aumento de presión de 3450 kPa (500 psi) con una densidad de líquido de 500 kg/m3 (31lb/pie3), desarrollarán este mismo aumento de presión con una densidad de líquido de 1000 kg/m3 (62.4 lb/pie3). El cabezal por supuesto se reduce a la mitad en este caso, sin cambio alguno en la capacidad. Las bombas reciprocantes se aplican para servicios de lodos y suspensiones, donde otros tipos son inoperables o no confiables. Los requerimientos de mantenimiento en estos servicios pueden ser altos debido al desgaste de la válvula, el cilindro, la barra y del empaque, pero la mayor confiabilidad que se logra justifica su selección.

6

NPSH Reducción de NPSHD Debido a Pulsación de Flujo – La pulsación de flujo a lo largo de la tubería de succión de una bomba reciprocante es acompañada de una aceleración cíclica de la parte de líquido que se mueve en la tubería. La energía requerida para esta aceleración reduce el NPSH disponible en la succión de la

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bomba. El NPSHD se calcula en la misma forma que para las bombas centrífugas y para todos los tipos restantes de bombas, con la excepción que el cabezal de aceleración, Ha, se debe sustraer del valor calculado en flujo estacionario para obtener el valor efectivo. El flujo de la línea de succión con una bomba simple cambia desde cero flujo hasta aproximadamente un 125% de flujo promedio durante aproximadamente el 10% del ciclo de recorrido, después del viaje de regreso del pistón Émbolo. El líquido en la línea de succión debe por lo tanto ser acelerado en 0.1 segundos cuando una bomba se opera a 60 emboladas por minuto. A continuación se presentan las tolerancias para el cabezal de aceleración (en metros) para bombas simples manejando fluidos de viscosidad baja, las cuales están basadas en datos de prueba desarrollados por constructores de bombas reciprocantes. Cabezal de Aceleración de Líquido en la Línea de Sección para Bomba Simple a 60 emboladas/min Velocidad Promedio de Línea de Succión m/s

pie/s

0.15 0.30 0.60

0.5 1.0 2.0

Longitud de la Línea de Succión, m 7.6m (25 pie) m pie

0.52 1.00 1.98

1.7 3.3 6.5

15m (50 pie) m pie

1.00 1.98 3.96

3.3 6.5 13

23m (75 pie) m pie

1.52 3.00 5.94

5.0 9.8 19.5

30m (100 pie) m pie

1.98 3.96 7.92

6.5 1.3 26

Use 40% de los valores anteriores para bombas de vapor dobles y bombas de potencia dobles y triples. Multiplique los factores anteriores por el cociente del número de emboladas reales por minuto divididas por 60. Para bombas de potencia, multiplique los factores anteriores por la relación de rps reales divididos por 0.5 (rpm divididos por 30.) La longitud de la línea de succión es en metros (pies) reales, no en longitud equivalente. En la tabla anterior se evidencia que son necesarias líneas de succión cortas, dimensionadas para velocidades de flujo muy bajas para evitar grandes reducciones en el NPSHD debido al cabezal de aceleración. Requerimiento de Bombas Cuando las bombas de vapor experimentan cavitación, el movimiento reciprocante se vuelve errático debido al incremento breve de velocidad y a la longitud irregular de las emboladas, “las emboladas cortas”, las cuales a su vez hacen que el flujo se vuelva errático. Cuando las bombas de potencia experimentan cavitación, la velocidad y la longitud de la embolada no se afectan significativamente, pero la formación intermitente de



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vapor y las implosiones causan una operación mecánica ruidosa y accidentada; el caudal de flujo es errático y el caudal de flujo promedio disminuye. Es posible operar a esta condición por períodos prolongados, pero los requerimientos de mantenimiento aumentan. El requerimiento de NPSH de una bomba reciprocante incluye la pérdida de presión por fricción desde la brida de entrada hasta el cilindro y esta influenciado por la velocidad del líquido a través de la válvula de succión, el peso de la válvula, y el resorte que da peso en la válvula. Un requerimiento de NPSH típico de una bomba reciprocante aplicada económicamente es 3.6576 m (12 pie). Requerimientos de 2.4 a 3 m (8 a 10 pie) también son posibles seleccionando una bomba más grande y de menor velocidad, de mayor costo, para obtener el área de válvula adicional para una capacidad dada. Las bombas de potencia normalmente operan a mayor velocidad que las bombas de vapor y con velocidad mayor en la válvula (debido al área limitada de la válvula), mayor carga del resorte de la válvula (para acción rápida) y mayores requerimientos resultantes de NPSH. Presión de Descarga Máxima Para el caso de la bomba de vapor de acción directa la presión máxima de descarga es función del tamaño de los cilindros seleccionados para el líquido y el vapor y de la presión diferencial del vapor a través de la bomba:

P de fluido máxima

D

+

(Diám. del cilindro para vapor)2 x Diferencial de presión (Diám. del cilindro para líquido)2 del vapor máxima

Los diámetros de los cilindros para vapor se seleccionan del tamaño estándar inmediato superior con el resultado de que se pueden desarrollar normalmente presiones en el extremo de líquido entre 130 a 150% de la presión diferencial de operación a las condiciones de parada. El DP máximo para el fluido se agrega a la presión de succión máxima para obtener la presión de diseño del extremo del fluido. Siempre se aplican válvulas de seguridad en la descarga de bombas reciprocantes para limitar la presión máxima de descarga. La válvula de seguridad se debe especificar en las especificaciones de diseño. Capacidad de Flujo de Bombas Selección del Modelo – Los modelos de bombas se seleccionan durante la ingeniería de detalle para ajustarse al caudal de flujo nominal especificado. La Tabla 1 resume, para conocimiento del diseñador, los caudales de flujo de varios tamaños y velocidades de bomba. Control – Con una bomba de potencia, el control de la capacidad usualmente se logra recirculando el exceso de flujo no requerido en el circuito externo hacia la




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succión. Si el flujo máximo requerido es mayor que el flujo normal, la bomba se debe dimensionar para el flujo máximo. Normalmente se especifica que la bomba se selecciona en base a eficiencias volumétricas no mayores del 90%. El control de la recirculación se debe diseñar bajo la hipótesis de que la bomba puede operar a 100% de eficiencia volumétrica cuando está en buenas condiciones. El control de reciclo presenta dos problemas cuando la presión diferencial del servicio es muy alto: Falla de la válvula de reciclo en la dirección abierta expone el sistema de succión a un flujo de retorno a la presión de descarga. 2. La válvula de control del desvío tiende a ser de una abertura muy pequeña susceptible a bloqueo y erosión. Para evitar estos problemas, la velocidad variable debe ser considerada como un sistema de control alterno cuando el diferencial de presión es muy alto. 1.

Requerimientos de Servicios Eficiencia y Requerimientos de Potencia para propósitos de diseño de servicio, las eficiencias mecánicas de las bombas de vapor de acción directa se pueden suponer que sean los valores máximos especificados en la Tabla 2 del documento MDP–02–P–02. Los estimados de eficiencia mecánica para bombas de potencia son los siguientes: Potencia transmitida al flujo kW HP

Hasta 3.5 5.5 – 11 15 – 30 37.5 – 75 92.5 y más

hasta 5 7.5 – 15 20 – 40 50 – 100 125 y más

Eficiencia aproximada (%)

55 60 70 80 85

Tanto para las bombas de vapor de acción directa como para las bombas de potencia, se debe usar un factor de corrección de eficiencia mecánica de 0.9 cuando la viscosidad excede 860 mm2 /s (4000 SSU). PF donde:

+

Q x DP F 6 x 0.9 x EF. Mecánica

Ec. (1)



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PF DP

= =

Q

=

F6

=

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Potencia al freno Aumento de presión entre la descarga y la succión de la bomba Caudal de flujo volumétrico a condiciones de operación Factor que depende de las unidades usadas

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En unidades métricas

En unidades inglesas

kW kPa

HP psi

dm3 /s

gpm

1000

1714

Vapor para los Cilindros de Vapor – El diámetro del cilindro se puede estimar a partir de la Tabla 1 y de la Figura 1. El caudal de vapor se presenta en la Figura 2. Agua de Enfriamiento para Bombas – Los siguientes caudales son aproximados: Hasta 120 C (250 F), 0.06 dm3 /s (1 gpm) (0.03 dm3 /s (0.5 gpm) para cada prensa–estopera) Por encima de 120 C (250 F), 0.3–0.6 dm3 /s (5–9 gpm) (+0.13 dm3 /s (2 gpm) adicional por cada camisa de caja de estopera). °

°

°

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BOMBAS DOSIFICADORAS Generalidades Las bombas dosificadoras son bombas de desplazamiento positivo diseñadas para control preciso de caudales de flujo muy bajos. El rango de caudales de flujo va desde 0.006 hasta 0.6 dm3 /s (0.1 a 10 gpm). Algunos modelos están disponibles para capacidades de hasta 2.2–2.5 dm3 /s (35–40 gpm), pero no son necesariamente tan atractivas como los otros tipos disponibles. La precisión en el flujo se puede mantener en + 1.5%. El tamaño del accionador raramente excede 3.5 kW (5 HP). Los sistemas de control para bombas dosificadoras se diseñan con frecuencia para controlar la relación o la proporción de aditivos inyectados en las corrientes principales de flujo. Frecuentemente se llaman bombas “proporcionantes” y de “volumen” controlado. Dos tipos de construcción se usan ampliamente: émbolo empacado y diafragma. El primero se arregla como una versión pequeña de una bomba convencional de émbolo de las grandes con la caja de estoperas expuesta al líquido bombeado. La segunda usa una barrera hidráulica de aceite entre el émbolo reciprocante y un diafragma impermeable que a su vez está en contacto con el líquido bombeado. Con este último estilo, la caja de estoperas trabaja en aceite lubricante, y no ocurren fugas del líquido de proceso.



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Virtualmente siempre se selecciona un motor eléctrico como accionador. Se pueden considerar los mismos criterios de diseño para una bomba proporcionante que para una bomba reciprocante de un motor más grande excepto por las modificaciones que se indican a continuación. La variación de capacidad normalmente se logra mediante el reajuste manual del recorrido del pistón. Se dispone de controles para: 1.

Reajuste automático del recorrido

Reajuste manual remoto del recorrido El flujo pulsante de la bomba dosificadora normalmente impide el uso de indicadores o medidores de flujo convencionales. Donde sea necesario calibrar, o rechequear la capacidad de ajuste, se debe colocar en la línea de succión de la bomba un pequeño recipiente o “columna de calibración”. Una aplicación común de bombas dosificadoras es la inyección de soluciones químicas para tratamiento de agua en las líneas de alimentación de agua de calderas o directamente en los tambores de las calderas. Se deben usar para servicios limpios a fin de evitar taponamiento y ensuciamiento de la válvula. El NPSHR para bombas proporcionantes es en el orden de 5 m (15pie) mínimo. Es importante tener líneas de succión sobredimensionadas y cortas, para servicios de NPSHD bajo. La eficiencia típica es de 20%. Los efectos de la viscosidad sobre los requerimientos de potencia se pueden ignorar. Las conexiones de las boquillas y las válvulas de las bombas dosificadoras son pequeñas y están sujetas a taponamiento o ensuciamiento de válvula cuando en el líquido están presentes partículas sólidas, por lo tanto, este tipo de bomba se limita a servicios limpios o filtrados. Los modelos de bombas de émbolo se seleccionan normalmente con diámetros de émbolo grande para asegurar una eficiencia volumétrica consistente, y para velocidades de recorrido bajas a fin de lograr una vida larga de las empacaduras y una cavitación mínima en la succión. 2.

Válvulas Reguladoras de Presión Aguas Arriba La operación y el tiempo de servicio de las válvulas de descarga de las bombas dosificadoras tiende a ser más pobre si la presión de descarga no excede la presión de succión en más de 70 kPa (10 psi). En casos donde la presión de succión puede exceder la presión de descarga debido a una gran elevación del recipiente de succión, puede producirse un derrame de flujo a través de la bomba desde la succión a la descarga con la bomba parada. Ambas condiciones se pueden prevenir mediante una válvula reguladora de presión aguas arriba que se puede especificar para ser suministrada por el suplidor.


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BOMBAS DE DIAFRAGMA Las bombas de diafragma son bombas de desplazamiento positivo que operan por movimiento periódico de un diafragma flexible. Sus principales ventajas son la ausencia de cajas de estoperas y su tolerancia considerable a suspensiones abrasivas. Las principales desventajas son que producen un flujo pulsante y requieren un mantenimiento de las válvulas relativamente alto,así como del diafragma y del mecanismo regulador del tiempo de pulsación. Los límites de cabezal–capacidad de las bombas de diafragma son aproximadamente de 300 m (1000 pie) y 6 dm3 /s (100 gpm). El diafragma se flexiona por presión del fluido pulsante por el lado del “accionador”. Se usa con mucha frecuencia aire comprimido, pero también es posible usar vapor y sistemas hidráulicos de aceite. La presión del accionador se diseña usualmente para pulsar entre 0 y 105 kPa (0 y 15 psi) por encima del nivel de presión de descarga promedio del sistema con el líquido de proceso. Las bombas de diafragma no encuentran aplicación en los servicios de procesos de refinería, pero se usan para suspensiones de plantas químicas demasiado corrosivas o abrasivas para cualquier otro tipo de bomba.

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BOMBAS ROTATIVAS Tipos Aplicados Una amplia gama de bombas rotativas están disponibles comercialmente y se aplican en los procesos industriales. Los tipos usados en los servicios de líquido de proceso son, sin embargo, generalmente limitados a bombas de engranajes externos y bombas de tornillos. Los tipos de álabes deslizantes y de engranajes internos encuentran aplicación en servicios de aceite hidráulico y de productos de petróleo a bajas capacidades, pero raramente para servicios en plantas de proceso. Comparación entre Tipo de Engranajes y Tipo Tornillo La Tabla 2 presenta una comparación de los tipos de bombas de engranajes y tornillo más comúnmente aplicadas. En el campo de aplicación por debajo de los siguientes rangos: de 40 a 65 dm3 /s (650 a 1000 gpm), 21600 mm2 /s (0.1x106 SSU) y 2400/3450 kPa (350/500 psi) (diferencial) de presión, ambos tipos de engranajes y de tornillo resultan aplicables. Dentro de los rangos indicados, las bombas de engranaje tienen las ventajas de tener un costo que está entre un 50 y un 65%del costo de las bombas tipo tornillo, (debido principalmente a las operaciones de labrado más sencillas) y de ser ligeramente más eficiente. Las bombas de tornillo tienen la ventaja de mayor tolerancia a la presencia de sólidos, menor sensibilidad a condiciones de succión de flujo mixto y causan menos esfuerzo cortante sobre el líquido, lo cual es una ventaja con líquidos sensibles a esfuerzo cortante.



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En su campo de aplicación por encima del rango de la bomba de engranaje, las bombas de tornillo ofrecen un flujo más pausado, menor mantenimiento y menor costo que las bombas reciprocantes de capacidad comparable. Sin embargo, tienen menor eficiencia y un límite más bajo de presión diferencial que las bombas reciprocantes. Bombas de un Solo Tornillo para Sólidos en Líquido (Moyno) La bomba “MOYNO” de un solo tornillo es un tipo especial de bomba de tornillo para manejar suspensiones con partículas relativamente grandes. El diseño de la bomba permite una mínima fractura de las partículas y muy pocos daños por abrasión en la bomba. Se usa extensivamente en la industria de procesamiento de alimentos y en la industria química en mezclas sólido/líquidas que son abrasivas o requieren un manejo delicado de las partículas de sólidos. Se pueden manejar partículas desde 2 hasta 30 mm (0.08 a 1.25 pulg) de diámetro mediante varios tamaños de bombas. Se pueden manejar viscosidades hasta 216000 mm2 /s (1x106 SSU); capacidades entre 0.01–31 dm3 /s (0.2–500 gpm). Las temperaturas se limitan a 95 C (200 F) para recubrimientode estator de goma y 205 C (400 F) para recubrimientos de estator de acero inoxidable. °

°

°

°

Rango de Viscosidad La razón principal para usar bombas rotativas en vez de centrífugas es la de tomar ventaja de su capacidad de alta viscosidad. Una segunda razón para usar bombas rotativas es la simplicidad y la eficiencia en manejar caudales de flujo demasiado bajos para hacer económica la aplicación de bombas centrífugas. En el segundo caso, la viscosidad baja a veces influencia el diseño de las bombas rotativas. La importancia de la viscosidad en el diseño de bombas rotativas se puede resumir como sigue:



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Viscosidad mm2/s 1.6–7.3

SSU 32–50

7.3–32

50–150

32–43

150–200

43–75

200–350

75 –109

350–500

109

500

>109

>500

130–640

600–3000

21600 hasta 34 x 106

0.1 1 x 106 hasta 150 x 106


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Importancia

Nivel práctico mínimo; diseño normal con conjinetes limitado a presión diferencial de 400–700 kPa (60–100 psi). Diseños especiales con capacidad hasta 2750 kPa (400 psi) de presión diferencial. Diseño normal con capacidad hasta 1030 kPa (150 psi) de presión diferencial. Diseño normal con capacidad hasta 2400 kPa (350 psi) de presión diferencial. Diseño normal con capacidad hasta 3450 kPa (500 psi) de presión diferencial. Por debajo de este nivel, se recomiendan las centrífugas donde así el flujo lo permita; por encima de este nivel, las rotativas resultan preferiblemente frente a las centrífugas. Diseños especiales disponibles hasta 4830–6900 kPa (700–1000 psi) de presión diferencial, algunos para servicios tan altos como 24100 kPa (3500 psi). Rango para eficiencia máxima de bombas de tornillo. Ver Tabla 2.

Las bombas rotativas que manejan líquidos de alta viscosidad se deben operar a velocidades reducidas y, por lo tanto, tienen caudales de flujo reducidos. La siguiente tabla ilustra la reducción de velocidad necesaria:



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Viscosidad

% Velocidad mm2/s SSU 220 1000 100 1100 5000 100 2160 10000 90 4320 20000 75 10800 50000 60 21600 100000 50 Es importante que la viscosidad máxima se use para el cálculo de presión de succión de la bomba y del NPSHD. Para viscosidades mayores a 1100mm2 /s (5000 SSU), se debe consultar a los especialistas de máquinas para obtener datos actualizados de NPSHR de suplidores. Las bombas diseñadas para operación a viscosidad muy alta están provistas de entradas diseñadas especialmente, incluyendo “embudos” grandes de entrada de tope para reducir el NPSHR. Además del nivel de viscosidad, la manera en que la viscosidad cambia con la tasa de esfuerzo cortante, es decir, el comportamiento no–Newtoniano, afecta la selección y el diseño de la bomba. Los líquidos con viscosidades por encima de 108000 mm2 /s (0.5 x 106 SSU) son típicamente no–Newtonianos. Los datos de tasa de esfuerzo cortante se deben por lo tanto incluir en las Especificaciones de Diseño para evitar errores de aplicación de bomba y deficiencias en su funcionamiento. Limitaciones de Presión y Temperatura Las bombas de engranaje de construcción normal y de diseño especial son comúnmente aplicadas hasta 3450 kPa (500 psi) de presión diferencial y 3450 kPa man. (500 psig) de presión de descarga. Las bombas de tornillo están disponibles para valores tan altos como 17200–24100 kPa man (2500 a 3500 psig). Para el diseño de servicio de cualquier bomba rotativa con una presión diferencial mayor de 4800 kPa (700 psi), se deberían obtener datos de diseño y aplicación de los modelos disponibles por consulta a los especialistas en máquinas. La mayoría de los modelos de bombas rotativas se limitan a 175 C (350 F) de temperatura de operación nominal, debido al uso de cojinetes internos. Se encuentran disponibles modelos de mayor costo con cojinetes externos para rangos de hasta 400 C (750 F), pero existe una experiencia de aplicación muy limitada a temperaturas superiores a los 330 C (625 F). °

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Sensibilidad a los Sólidos Las bombas rotativas convencionales requieren tolerancias estrechas de las partes móviles y se dañan fácilmente por el contenido de sólidos en el líquido



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bombeado. Los sólidos causan erosión de las tolerancias estrechas, permitiendo un incremento del deslizamiento, y puede causar obstrucción, desgaste y atascamiento de los rotores. Las bombas de engranajes son más sensibles a los sólidos que las bombas de tornillo. Estas últimas pueden típicamente dejar pasar partículas con diámetros de hasta de 2.5 mm sin sufrir daños significativos, siempre que la cantidad y la abrasividad de las partículas sea baja. Normalmente, las bombas rotativas se deben especificar sólo para servicios limpios. Si se espera que el contenido de sólidos exceda de un 0.1% en peso, se deben especificar el tipo de construcción de engranajes de distribución y cojinetes externos. Los especialistas de máquinas deben ser consultados en cuanto a las aplicaciones para servicio sucio. Las prácticas para proteger la succión de la bomba con filtros temporales o permanentes son similares a las que se aplican a las bombas centrífugas, excepto que se usa una malla de 20 mesh para los coladores temporales y que la selección de la malla para los filtros permanentes requiere de consulta al suplidor de la bomba seleccionada. Requerimientos de NPSH Las bombas rotativas tienen requerimientos de NPSH variables, al igual que las centrífugas. Usualmente se pueden obtener bombas con requerimientos de 3 m (10 pie) sin una penalización económica significativa. También se pueden obtener requerimientos tan bajos como 1.5 m (5 pie), pero probablemente se requerirá una velocidad reducida y un diseño de protección y, por lo tanto, un costo adicional. Sellado del Eje El sellado del eje de bombas rotativas tiende a ser más fácil que para muchas bombas centrífugas debido a que la mayoría de los líquidos manejados son de alta viscosidad (lo cual los hace mejores lubricantes), las velocidades de la bomba rotativa tienden a ser menores y las presiones de succión de servicio tienden a ser bajas. El empaque trabaja en forma aceptable en la mayoría de los servicios y es generalmente competitiva con los sellos mecánicos. Para servicios en limpio, se justifica el uso de sellos mecánicos por ahorros de fujas y son ampliamente recomendados. Los servicios con viscosidad baja, de lubricación pobre, requieren cojinetes externos, y por lo tanto, cuatro cajas de estoperas. La combinación de pobre lubricación con cuatro cajas de estoperas presenta un problema difícil de sellado del eje. El método de diseño sugerido es especificar que los sellos mecánicos para la instalación inicial sean convertibles a empacaduras a través de ejes especialmente endurecidos o trabajados en superficie,o mediante el uso de manga de eje en el área de la caja de estopera. Se recomienda consultar a un especialista de máquinas.



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Para líquidos de servicio que contienen más de 0.1% en peso de coque u otros sólidos, se recomienda el uso de empaque en lugar de sellos mecánicos con lavado externo. Para estos servicios se requieren engranajes de distribución y cojinetes externos, y por lo tanto, se requiere una construcción de cuatro cajas de estoperas. El uso de empacaduras bajo ningún aspecto asegura un mantenimiento bajo, pero los costos de compra, operación y mantenimiento de cuatro sellos mecánicos con limpieza externa en servicio sucio se puede esperar que sean mucho más altos que los de empaques en tal medida que compensan el ahorro debido al derrame. Las cajas de estoperas de bombas de tornillo están normalmente expuestas a la presión de succión. Las cajas de estoperas de las bombas de engranaje están normalmente expuestas a la presión intermedia entre la succión y la descarga, pero esto puede ser alterado mediante arreglos de balanceo de presión. Eficiencia y Requerimientos de Servicio El requerimiento de potencia para bombas rotativas se calcula de la misma forma que para bombas centrífugas, usando una eficiencia global, Eo. A partir de las Figuras 5 y 6 se pueden obtener valores estimados de eficiencia para bombas de engranaje y de tornillo. Los requerimientos de agua de enfriamiento se pueden estimar como se indica a continuación: Temperatura <150 C (<300 F) >150 C (>300 F) °

°

°

°

<30 dm3/s (<500 gpm) 0.13 dm3 / s (2 gpm) 0.25 dm3 / s (4 gpm)

<30 dm3/s (<500 gpm) 0.2 dm3 / s (3 gpm) 0.35 dm3 / 2 (5 gpm)

Válvulas Las bombas rotativas se pueden hacer girar en reversa para tener flujo en sentido contrario y, por lo tanto, deben estar provistas de una válvula de retención en las líneas de descarga.

10 BOMBAS DE TURBINAS REGENERATIVAS Descripción La bomba de turbina regenerativa es una bomba dinámica estructurada como una bomba centrífuga, pero con una curva de cabezal–capacidad mucho más inclinada. El impulsor es un disco sólido con álabes acanalados a cada lado del perímetro que suministra energía al líquido por recorridos múltiples desde el impulsor al estator y de nuevo al impulsor, describiendo unos recorridos en forma de tornillo doble a lo largo del anulo del estator.




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Características de Funcionamiento Los modelos de bombas tipo turbina están disponibles para capacidades desde 0.06 hasta más de 6.0 dm3 /s (1 hasta más de 100 gpm), rara vez resultan preferibles frente a las bombas centrífugas a capacidades superiores a los 3.0 dm3 /s (50 gpm). Encuentran aplicación con mayor frecuencia en el rango de 0.06 a 1.3 dm3 /s (1 a 20 gpm). El cabezal está limitado a 210/230 m (700/750 pie) para unidades de una etapa y 335/425 m (1100/1400pie) para unidades de dos etapas. La temperatura está limitada de 120 a 175 C (250 a 350 F). El funcionamiento se deteriora significativamente con viscosidades por encima del rango de 43 a 109 mm2 /s (200 a 500 SSU). El requerimiento de NPSH varía entre 1 y 10 m (entre 3 y 30 pie). El flujo proveniente de una bomba tipo turbina es uniforme, como el de una bomba centrífuga. Las bombas tipo turbina tienen una presión de disparo que es típicamente de 2 a 3 veces el valor del diseño. Lo inclinado de la curva de cabezal produce un aumento en la curva de requerimiento de potencia a medida que el flujo disminuye, llegando a un pico en el punto de disparo. Por esto, los accionadores para las bombas tipo turbina deben ser dimensionadas para flujo mínimo, en vez de para flujo normal, y se puede requerir una válvula de seguridad en la válvula de bloqueo de descarga. La eficiencia de las bombas de tipo turbinas típicamente está entre 40 y 45% en el rango de 0.6 a 2.2 dm 3 /s (10 a 35 gpm), contra el 20% o menos para bombas centrífugas de una etapa. °

°

Sensibilidad a Ensuciamiento, Corrosión La bomba tipo turbina depende de la conservación de tolerancias de partes móviles tan pequeñas como de 0.05 a 0.075 mm (0.002 a 0.003 pulg) entre los lados del impulsor y la parte lateral del cuerpo, y entre la periferia del impulsor y el “despojador”. Esto hace la bomba intrínsecamente sensible a la presencia de sólidos tan pequeños como de 20 a 30 micrones (= micrómetros) en el fluido bombeado, a choques de temperatura y a fuerzas y momentos de la tubería en las bridas de la bomba. La necesidad de reparaciones para renovar las tolerancias es frecuente. La experiencia de refinería con bombas tipo turbina en servicio corrosivo ha mostrado pérdida completa de los pequeños álabes y una severa acción corrosiva debida a las estrechas holguras. La bomba, por lo tanto, no es apta para servicios corrosivos. Rango de Aplicación Las bombas tipo turbina regenerativa son económicamente competitivas con las bombas dosificadoras para servicios en el rango de 0.06 a 0.6dm3 /s (1 a 10 gpm), con requerimientos de cabezal mayores de 100 m y temperaturas por debajo de



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120 C. El líquido debe ser no–corrosivo y libre de sólidos. Resulta preferida usar bombas centrífugas con recirculación para bajo flujo por encima de 0.6 dm3 /s (10 gpm) debido a su mayor confiabilidad. Normalmente, es preferible usar bombas centrífugas que bombas de tipo turbina regenerativa para temperaturas mayores y cabezales más bajos, aun cuando se requiera una recirculación considerable. Las bombas reciprocantes resultan preferibles donde el cabezal alto y contenido de sólidos se combinan con el flujo bajo. °

11 VALVULAS DE ALIVIO DE LA PRESION DE DESCARGA Generalidades Las válvulas de seguridad en la descarga de las bombas de desplazamiento positivo convencionalmente se les llama válvulas de alivio de presión. Estas válvulas tienen el doble propósito de proteger la bomba y su tubería de descarga de una presión excesiva y de proteger el accionador de un esfuerzo de torsión y carga excesivos. La protección de sobrepresión se requiere porque la capacidad de la presión de descarga de las bombas de desplazamiento positivo está limitada sólo por la capacidad del esfuerzo de torsión del accionador; sobre presiones grandes pueden ser causadas por el simple cierre de la válvula de bloqueo de descarga. La protección contra la sobrecarga del accionador mediante la válvula de alivio se requiere para suministrar un mayor grado de protección contra fallas del accionador que el que puede suministrar la sola protección por sobrecarga eléctrica. En la práctica, la función de protección por sobrecarga suministra el límite inferior para el ajuste final de la válvula de alivio con más frecuencia que la función de protección por sobrepresión. Debido a la doble función de la válvula de alivio, su ajuste final se debe desarrollar en dos etapas: 1.

2.

a.

b.

Durante el diseño de proceso (antes de la selección del modelo de bomba y tamaño del accionador), se selecciona y especifica el ajuste de la válvula de alivio, basada en la protección para sobrepresión, usando el método de capítulo de Seguridad en el Diseño. Durante la ingeniería de detalles, cuando el modelo de la bomba y el tamaño del accionador sean seleccionados, el impacto de la protección por la sobrecarga requerida en el diseño del servicio debe ser revisado con los siguientes objetivos: Confirmar que el ajuste suministra la protección requerida de sobrecarga del accionador. Chequear el efecto del ajuste sobre el costo del equipo, ya que pequeñas reducciones del ajuste a veces permiten un ahorro significativo en el costo de equipos, debido a los intervalos definidos de modelos y tamaños.



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Determine si un potencial extra de descarga está disponible según la bomba, el accionador y el sistema de tuberías seleccionados, el cual puede producir un incremento útil en la flexibilidad de servicio, que justificaría un incremento en el ajuste inicialmente especificado para la válvula de alivio. La válvula de alivio se debe instalar antes de la válvula de bloqueo de descarga de la bomba y se debe conectar mediante un sistema de tuberías a un punto aguas arriba de la bomba, o al recipiente de succión, para evitar sobrecalentamiento de la bomba debido a la recirculación. La válvula y su sistema de tuberías debe tener calentamiento con vapor en los servicios de alta viscosidad. La válvula de alivio se diseña para uso de seguridad intermitente y no se le debe confiar el control normal de presión de descarga. Si no se estipula otro tipo de control de presión de descarga, se debe colocar una válvula reguladora de presión, alineada en paralelo con la válvula de alivio, para evitar la operación frecuente de la válvula de alivio. Las válvulas de alivio se deben especificar y mostrar en los diagramas de flujo para todos los servicios con bombas de desplazamiento positivo, se requieren válvulas de alivio independientes de la bomba en todos los casos a excepción de las bombas dosificadoras donde son aceptables válvulas empotradas. (Parte integral de la bomba). c.

Tipo Empotradas Dado que todas las bombas rotativas requieren válvulas de alivio de presión de descarga, especialmente los modelos pequeños se construyen con una válvula empotrada en el cuerpo de la bomba. Este estilo no es un substituto aceptable para las válvulas independientes externas para bombas rotativas en servicios de líquido de proceso (en contraste con los servicios hidráulicos o sistemas de lubricación) por las siguientes razones: El flujo de recirculación va directamente a la succión de la bomba sin 1. suficiente recorrido de tubería para permitir el enfriamiento, por lo tanto, el calentamiento de la bomba es rápido cuando la válvula está funcionando. El control del diseño y calidad de las válvulas empotradas es menos efectivo 2. que el que se aplica a las válvulas de seguridad separadas, y con frecuencia es insuficiente para confiarle la protección de tubería y los accesorios en el sistema de descarga. 3. Las pruebas a escala banco de las válvulas empotradas en las instalaciones de refinería pueden requerir equipos especiales. 4. Algunas partes de las válvulas empotradas no son intercambiables con las otras válvulas de seguridad de la planta. Por lo tanto, se deben especificar válvulas de alivio independientes para las bombas rotativas en servicios de líquidos de proceso en las especificaciones de



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diseño independientemente, de que el modelo seleccionado tenga o no una válvula empotrada. Válvulas de Alivio para Bombas Dosificadoras Una práctica diferente se sigue para las bombas dosificadoras, debido al menor tamaño de la bomba, del accionador y del sistema de tuberías, y al menor riesgo de falla de cualquier componente. Las válvulas empotradas o las válvulas suministradas por el suplidor de la bomba resultan aceptables con una valorización adecuada de los cálculos de ingeniería. Las bombas dosificadoras de tipo diafragma normalmente se suministran con válvulas de alivio internas que operan del lado del aceite hidráulico de diafragma. Las bombas dosificadoras de tipo pistón normalmente tienen válvulas independientes diseñadas por el suplidor de la bomba.

12 NOMENCLATURA (Ver MDP–02–P–02).




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TABLA 1. BOMBAS RECIPROCANTES DE TAMAÑO ESTANDAR Para presiones de descarga de hasta 250 psi Tamaño Velocidad Capacidad Básica* Pulg gpm Pie/min 3x2x3 3x2x4 5x3x6 4x4x6 6x4x6 6x4x8 6 x 4 x 10 7 x 5 x 10 8 x 5 x 10 8 x 5 x 12 9 x 6 x 12 10 x 6 x 12 10 x 7 x 12 12 x 7 x 16 12 x 8 x 12 14 x 8 x 12 12 x 8 x 15 14 x 8 x 15 14 x 9 x 14 16 x 10 x 15 14 x 10 x 20 18 x 12 x 15 20 x 14 x 15 20 x 14 x 20 24 x 16 x 20 26 x 18 x 20 30 x 24 x 20 R O P A V E D O R D N I L I C E D O R T E M A I D

O D I U Q I L E D O R D N I L I C E D O R T E M A I D

16 21 28 28 28 33 40 40 40 45 45 45 45 52 45 45 52 52 52 52 62 52 52 62 62 62 62

2.35 3.10 9.30 16.5 16.5 16.5 23.5 36.7 36.7 41.5 59.7 59.7 81.2 93.7 106 106 122 122 154 191 250 275 374 490 640 810 1,440

Para presiones de descarga hasta 500 psig Tamaño Velocidad Capacidad* Básica* Pulg gpm Pie/min 6x3x8 6x4x6 6 x 4 x 12 6 x 5 x 12 12 x 4 x 12 6 x 5 x 12 6 x 6 x 12 14 x 6 x 12 8 x 7 x 12 14 x 7 x 12 8 x 7 x 15 14 x 7 x 15 8 x 7 x 18 18 x 7 x 18 10x 8 x 20 16 x 8 x 20 8 x 9 18 20 x 9 x 18 10 x 10 x 18 24 x 10 x 18 12 x 10 x 20 20 x 10 x 20 14 x 12 x 20 20 x 12 x 20 12 x 12 x 24 23 x 12 x 24

R O P A V E D O R D N I L I C E D O R T E M A I D

A D A L O B M E

O D I U Q I L E D O R D N I L I C E D O R T E M A I D

33 28 45 45 45 45 45 45 45 45 52 52 58 58 62 62 58 58 58 58 62 62 62 62 68 68

10.9 16.5 26.5 26.5 41.5 41.5 59.7 59.7 81.2 81.2 93.7 93.7 104 104 157 157 173 173 214 214 250 250 360 360 395 395

BOMBA SIMPLE CAPACIDADES BASADAS EN VELOCIDADES BASICAS Y EFICIENCIA DE 90% VOL.

A D A L O B M E

LA TABLA DE ARRIBA SE BASA EN ESPECIFICACIONES DEL CONSTRUCTOR, Y LA VERSION EN UNIDADES “SI” NO ESTA DISPONIBLE TODAVIA. USE LOS SIGUIENTES FACTORES DE CONVERSION: PRESION DE DESCARGA TAMAÑO VELOCIDAD BASICA CAPACIDAD

psi x 6.894 757 in. x 24.5 ft/min x 5.08 gpm x 6.309 020 x 10 –2

= = = =

kPa man mm mm/s dm3 / s

PDVSA

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO


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TABLA 2. COMPARACION DE TIPOS DE BOMBAS ROTATIVAS USADAS COMUNMENTE EN LOS SERVICIOS DE PLANTAS DE PROCESO Arreglo del rotor

N de rotores

N de cajas de estoperas

Tipo de engranaje externo

Tipo de tornillo

1

1

No hay modelos comerciales significativo

“MOYNO”; para servicios con presencia de sólidos; evita la ruptura de partículas sólidas y minimiza los daños por abrasión.

Transmisión de contacto de rotor de guía (sin engranaje de distribución)

2ó3

1

2 rotores; costo bajo, presión diferencial limitada a (350/500 F), viscosidad de 1.6/7.3 a 21600 mm2 /s (32/50 a 0.1 x 106 SSU); raras veces se aplica para más de 20/35 dm3 /s (350/500 gpm).

3 rotores; “IMO”; más bajo en costo que el tipo engranaje de distribución; viscosidad máxima 21600 mm2 /s (0.1 x 106 SSU; viscosidad mínima 2.6mm2 /s (35 SSU) a un P de 700 kPa (100 psi), 20 mm2 /s a P de 2760 kPa (400 psi); capacidad hasta 250 dm 3 /s ((4000 gpm) el mango en el cuerpo actúa como una chumacera del rotor; tiende requerimientos de NPSH más altos que los tipos de engranaje de distribución, presión hasta 20700 kPa (3000 psi).

Cojinetes y engranajes de distribuci’on

2

Los mismos límites de presión y viscosidad que arriba; capacidad limitada a 40/50 dm3 /s (650/1000 gpm); temperaturas limitadas al rango entre 150 y 175 C (300 a 350 F)

Viscosidad hasta 32.4 x 106 mm2 /s (150 x 10 6 SSU); mismos límites de capacidad indicados arriba; menos sensible a la presencia de sólidos en el líquido que el tipo de transmisión de contacto o de engrajane, pero limitado a líquidos lo suficientemente lubricantes para la lubricación de los cojinetes; tiene el mismo límite de temperatura que el tipo de engranaje; capacidad de diferencial de presión de 4800 a 20700 kPa (700 a 300 psi).

Fuente de suplidores limitadas; viscosidades hasta 108000 mm2 /s (5 x 10 6 SSU) tiene los mismos límites de capacidad que el tipo anterior; límite de presión diferencial para construcción normalizada 1400 kPa (200 psi), para construccón especial 2800 kPa (400 psi); temperatura limitada al rango entre 370 y 400 C (700 a 750 F)

Fuentes de suplidores limitadas; tiene los mismos límites de viscosidad y capacidad que el tipo anterior; construcción muy versátil para viscosidad baja y presiones altas, baja lubricidad, sólidos, etc.; los tornillos pueden ser reemplazables o integrados al eje; el engranaje de distribución puede ser exterior o de extremo acoplado; tiene los mismos límites de temperatura que el tipo de engranaje; tiene la misma capacidad de diferencial de presión que el tipo anterior.

Rotor único

°

°

°

1

°

Cojinetes y engranajes de distribución exteriores

2

4

°

°

°



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Fig 1. CARTA PARA SELECCION DE BOMBA RECIPROCANTE



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Fig 2. CAUDALES DE AGUA DE BOMBAS RECIPROCANTES SIMPLES



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Fig 3. TIPO DE CONSTRUCCION DE BOMBAS DE ENGRANAJES



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Fig 4. ESTILOS DE CONSTRUCCION DE BOMBA TIPO TORNILLO



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Fig 5. EFICIENCIA DE BOMBAS DE ENGRANAJE


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Fig 6. EFICIENCIA DE BOMBAS TIPO TORNILLO

NOTA: EFICIENCIA GLOBAL = (EFICIENCIA BASICA) X (FACTOR DE CORRECCION)

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

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