Curso de tuberías para plantas de proceso - 0115 Bombas

CURSO DE TUBERIAS PARA PLANTAS DE PROCESO. (Químico, Petroquímico o Farmacéutico). 0115

LAS BOMBAS.

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CURSO DE DISEÑO DE TUBERÍAS PARA PLANTAS DE PROCESO (2.005). LAS BOMBAS.

Índice de la unidad: 01 GENERALIDADES. 02 LAS BOMBAS CENTRIFUGAS HORIZONTALES. 03 LAS BOMBAS CENTRIFUGAS VERTICALES. 04 LAS BOMBAS DE TORNILLO TOR NILLO (HUSILLO). 05 LAS BOMBAS DE DE ENGRANAJES. ENG RANAJES. 06 LAS BOMBAS DE PALETAS. PALETAS . 07 LAS BOMBAS ALTERNATIVAS (PISTÓN Y DIAFRAGMA).

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01 GENERALIDADES Estos equipos, como aparatos para desplazar líquidos, son las piezas fundamentales que dan vida a las unidades de fabricación; su elección e instalación debe ser objeto de gran atención por parte de los departamentos involucrados en su posicionamiento; asimismo, para su mantenimiento se requiere un equipo muy calificado de especialistas, a fin de que puedan asegurar, en las mejores condiciones, un servicio continuo durante muchos meses. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: j Bombas centrífugas. k Bombas

volumétricas.

Existe un tipo intermedio: la bomba de paletas radiales muy utilizada, por sus cualidades de autocebado, en la industria petroquímica.

Se enumeran a continuación algunos de los diversos tipos de bombas de cada grupo: j Bombas

centrífugas:

? Bomba de voluta. ? Bomba de difusor (de 1 o más etapas). ? Bomba regenerativa, o de turbina. ? Bomba de flujo mixto (hélico-centrífuga). ? Bomba de hélices. k Bombas

volumétricas, se pueden dividir a su vez en 2 tipos, por sus características de

funcionamiento; rotativas y alternativas: u Bombas

volumétricas rotativas:

Æ Bomba

de paletas

Æ Bomba

de leva y pistón

Æ Bomba de

engranajes.

Æ Bomba

de husillo.

Æ Bomba

de lóbulos.

v Bombas

volumétricas alternativas (de una o varias etapas):

â Bomba

de cilindro (a vapor, aire, o gas).

â Bomba de â Bomba

accionamiento mecánico.

de diafragma.

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â Bomba

de pistón rotativo.

â Bomba

de accionamiento por cable (para pozos).

â Bomba

de corredera.

En principio, para garantizar con toda seguridad la continuidad del servicio, las bombas se hallan duplicadas, es decir, que cada bomba principal accionada por un motor eléctrico, tiene una gemela homóloga, que debe estar siempre dispuesta a tomar el relevo, ya sea por un mando manual o por un dispositivo automático.

Esta bomba de reserva estará movida por un motor conectado a las barras de distribución de emergencia, o bien, por una turbina de vapor. Las bombas eléctricas de reserva, con arranque automático, deben mantenerse llenas de líquido por medio de una conducción de pequeño diámetro colocada en la impulsión de la bomba que se halla en servicio.

Las válvulas de seccionamiento permanecen constantemente abiertas; solamente la válvula de retención aísla la bomba del circuito de alta presión.

Las bombas de reserva accionadas por turbinas pueden mantenerse a bajo régimen de rotación, (150 a 200 rpm) aunque esta práctica tiende a desaparecer con la utilización de turbinas de proceso que admiten carga inmediatamente, incluso sin calentamiento preliminar.

Al elegir una bomba de reserva, hay que tener en cuenta la tendencia actual de preferir las bombas centrífugas, movidas por turbina de vapor a las bombas alternativas, que son excesivamente costosas en cuanto el caudal es importante. Por el contrario, el comportamiento de los prensaestopas para presiones superiores a 40 kg/cm2 es muy delicado en las bombas centrífugas, mientras que en las volumétricas no aparecen problemas hasta los 120 kgs/cm2 .

Al margen de estas consideraciones generales, la elección del tipo de bomba se debe hacer según los límites de aplicación a partir de los datos característicos reseñados a continuación.



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DATOS CARACTERÍSTICOS DE LAS BOMBAS: ? Qv = Caudal o volumen del liquido impulsado por la bomba en la unidad de tiempo en lts/s, m3 /hora, etc. ? Qp = Caudal en peso. Qv x γ = Caudal volumetrico x peso especifico.

? γ = Peso especifico en las condiciones de funcionamiento (peso/volumen). ?

H = Altura diferencial; energía transmitida a la unidad de masa del fluido, expresada en

metros de columna de líquido. ? ∆ p = Presión diferencial; diferencia entre la presión de impulsión o altura manométrica y la presión de aspiración, en kg/cm2 , PSI, atmósferas, etc. ∆ p = γ x H ? η = Rendimiento total = ηi x ηv x ηm; siendo: ´ ηi

= Rendimiento hidráulico.

´ η v =

Rendimiento volumétrico.

´ η m =

Rendimiento mecánico.

? P = Potencia absorbida por el eje de la bomba; es función de. ÚEl

caudal Qv en m3 /h.

ÚEl

peso especifico γ en kg/m3 .

ÚLa altura diferencial ÚEl

H en m.

rendimiento total de la bomba η.

De acuerdo con la expresión;

P = (γ x Qv x H) / (270 x η).

En base a los rendimientos parciales, la potencia P, también puede ser expresada así: P = (1/ηm) x (γ /270) x (H / ηi) x (Q v /ηv ) = (γ x Qv x H) / (270 x η). De esto se deduce que es el rendimiento hidráulico η i es el que determina la curva de la bomba

Evidentemente, se necesitará hacer un estudio económico entre los tipos de bombas posibles; los elementos a tomar en consideración son: â La

potencia absorbida.

â El

costo del sistema de accionamiento.

â El

tipo de regulación.

â El

precio de la bomba.



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En el gráfico puede verse los campos cubiertos por cada tipo de bomba.

Figura 01; Cuadro para la selección del tipo de bomba.

02 LAS BOMBAS CENTRIFUGAS HORIZONTALES. La mayoría de las bombas utilizadas en las refinerías son bombas centrífugas de una o dos etapas, del tipo denominado, “de proceso”. Estas bombas, a nivel constructivo, presentan las particularidades siguientes ? Sus orificios de aspiración e impulsión están dirigidos casi siempre hacia arriba, con bridas horizontales al mismo nivel. ? Están soportadas axialmente y son desmontables sin tocar las tuberías (si son top-top). ? El plano de desmontaje del cojinete es perpendicular al eje horizontal de la bomba. ? Poseen una camisa de refrigeración de la caja de prensaestopa y, eventualmente, una camisa de refrigeración del cojinete, así como un sistema de refrigeración de las cajas soportes del cuerpo de bomba. ?

La caja de prensaestopas es profunda y puede recibir, bien trenza de empaquetadura con ventanas de refrigeración, o una empaquetadura metálica.



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Están previstos orificios de conexión con las ve ntanas. Las tapas de los prensaestopas se encuentran divididas en dos partes y poseen una cámara de dilución. ? El rodete y el cuerpo están provistos de anillos de desgaste o aros de estanqueidad. ? Sus características mínimas son las de la última edición del API 610

En las bombas centrífugas el aumento de presión y el movimiento del liquido, se consigue por la fuerza centrífuga.

Figura 02; Esquema de funcionamiento de una bomba centrifuga.

En la pagina siguiente podemos ver un dibujo descriptivo de una bomba centrifuga horizontal, de una etapa, en el que pueden apreciarse los puntos citados en los párrafos anteriores.

La posición de las conexiones, bocas, o tubuladuras en las bombas determinan unas características que se indican del modo que se refleja en el dibujo siguiente, para cualquier modelo de bomba centrifuga.

Figura 03; Cuadro de las posiciones de las tubuladuras de una bomba centrifuga.



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Figura 04; Descripción de los componentes de una bomba centrifuga, de una etapa. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected].


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Figura 05; Sección longitudinal (parcial) de una bomba centrifuga, de una etapa.

Figura 06; Vista de una bomba centrifuga, de una etapa (side-top). Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected].


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Figura 07; Dibujo con dimensiones típicas de una bomba centrifuga, de una etapa (side-top).

Figura 08; Plano con dimensiones típicas de una bomba centrifuga, (1 etapa/side-top). Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected].


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Las bombas centrifugas de más de una etapa, también son llamadas bombas de aceite caliente; los constructores designan así a las bombas de carga o reflujo, con alturas de impulsión y caudales superiores a los 200 m y 50 m3/h, respectivamente. Estas bombas tienen varias etapas y poseen un equilibrado de presión, bien por un disco, bien mediante un pistón de equilibrio. La unión de los cuerpos es perpendicular al eje. Pueden estar dotadas de cojinetes lisos y/o cojinete de empuje engrasados a presión.

Las condiciones de servicio que hacen necesarias este tipo de bombas son: ? Temperatura del liquido superior a los 180º C ?

Presión de vapor del liquido inflamable o tóxico superior a 1 kg/cm2 @ 38 ºC o a la temperatura de bombeo.

?

Liquido inflamable o tóxico, con una densidad inferior a 0,825 en las condiciones de bombeo, para una presión de aspiración superior a 10 kg/cm2 (efectivos).

? Cualquier liquido con una presión de aspiración superior a 17,5 kg/cm2 (efectivos).

Figura 09; Bomba centrifuga de 2 etapas (top-top), sin motor.



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Figura 10; Bomba centrifuga de 3 etapas (side-side), sin motor.

Figura 11; Dimensiones típicas de bomba centrifuga multi-etapas (side-side).



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Figura 12; Aspecto externo de bomba centrifuga multi-etapas (side-side).

03 LAS BOMBAS CENTRIFUGAS VERTICALES. Estos equipos tienen su razón de ser, en un concepto del que no se ha indicado nada todavía; el NPSH “Net Positive Suction Head”; su valor esta regido por la presión mínima que puede tener un liquido en una tubería de aspiración y que no debe descender por debajo del valor de su tensión de vapor. En caso contrario daría lugar a la formación de burbujas de vapor, lo que haría disminuir el caudal efectivo y podría provocar fenómenos de erosión en la superficie de los impulsores de las bombas. Esto se debe a que en la aspiración de la bomba se tendrá una perdida de carga debida al tamaño del conducto de admisión y al rozamiento que se origina en su interior, hasta que llega al rotor o pistón, siendo en ese punto de entrada donde el fluido alcanza su presión mínima.



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La altura manométrica NPSH disponible para una bomba, quedara determinada por las características de la instalación, definiéndose por la diferencia entre la presión de entrada (calculada según el montaje de la tubería de aspiración) y la tensión de vapor a la temperatura y presión de funcionamiento, expresada en metros de columna de liquido; este valor suele venir indicado en los diagramas de proceso y en los P & I.

Como la NPSH disponible debe ser superior a la requerida, no siempre puede colocarse la bomba al nivel del suelo, ya que esta situación puede obligar a elevar la situación del fondo del recipiente, como una solución a este problema surge la bomba centrifuga vertical.

Figura 13; Ejemplo de emplazamiento de bomba centrifuga por NPSH.

Como en el caso de las bombas horizontales de proceso, las verticales también pueden tener una, o más etapas; estas bombas, debido a su posibilidad de aspiración en la base, también han sido utilizadas como bombas de tanque, evitando la línea de aspiración al tomar el fluido directamente del recipiente o tanque de aspiración, especialmente en aquellos casos en los que el NPSH es critico, o cuando los líquidos son muy volátiles, colocándose en este caso el motor en el exterior del tanque, adecuadamente ventilado.



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Figura 14; Ejemplos de emplazamiento de bombas verticales y vista de una bomba con aspiración en tanque.



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Figura 15; Sección de una bomba vertical multietapa.

04 LAS BOMBAS DE TORNILLO (HUSILLO). Están constituidas por un estator, en el cual el rotor engendra por su rotación un volumen que aprisiona al líquido y lo empuja hacía la impulsión. Estas bombas, de capacidad volumétrica limitada, tienen características excelentes en la manipulación de líquidos viscosos, por razón de su pequeño tamaño, su simplicidad y su configuración.



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Su campo de utilización esta en el bombeo de petróleo crudo, alquitranes y asfaltos,

previamente

calentados,

así

como su empleo como bombas para alimentación de quemadores de fuel-oil. Figura 16; Sección frontal y lateral de una bomba de tornillo.

Las bombas rotativas de tornillo, también llamadas de husillo, son el modelo más difundido en la industria del petróleo y, particularmente, el tipo de doble aspiración lateral e impulsión central. Estas bombas son las mejor adaptadas para el bombeo de fluidos de viscosidad comprendidas entre 20 y 10.000º Engler. El producto no debe ser antilubrificante.

Figura 17; Esquema de pasos en el funcionamiento de una bomba de tornillo.

Como puede observarse, en las bombas volumétricas de tornillo o de engranajes, (poco empleadas), el desplazamiento mecánico continuo del conjunto de los tornillos o engranajes (rotación) provoca el flujo del fluido y el incremento de la presión.

En la figura de la pagina siguiente, se pueden ver tres tipos de bombas de tornillo (husillo), que se diferencian por el número de rotores. En estos modelos los cojinetes son internos.



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Figura 18; Esquema de bomba de tornillo, de un husillo.

Figura 19; Esquema de bomba de tornillo, de dos husillos.

Figura 20 Esquema de bomba de tornillo, de tres husillos.



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Figura 21; Sección en alzado y planta de bomba de tornillo, de dos husillos.

05 LAS BOMBAS DE ENGRANAJES. Como ejemplo de utilización ajena al campo petrolífero, debemos considerar que este tipo de bombas son las empleadas en los sistemas de lubricación de los vehículos, debido a su efectividad y bajo costo, junto con su ausencia de averías.

Como en el caso de la bomba de tornillo, se trata de una bomba volumétrica rotativa; este tipo de bombas tiene una capacidad volumétrica aun más limitada que en el caso de la de tornillo, poseen unas características excelentes en la manipulación de líquidos viscosos, por razón de su pequeño tamaño y su simplicidad; pueden llegar a bombear líquidos viscosos de hasta 400.000 centistokes, con presiones de descarga de hasta 5.000 kg/cm2 .



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Figura 22; Tipos de bombas de engranajes.

En la figura precedente se presentan tres tipos clásicos de bombas de engranajes. La indicación del sentido de circulación del fluido, así como la de rotación de los engranajes, permite comprender el funcionamiento de estas bombas.

Figura 23; Dimensiones típicas de bomba de engranajes.

En la página siguiente podemos ver la sección y el aspecto externo de este tipo de bombas.



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Figura 24; Sección longitudinal de bomba de engranajes.

Figura 25; Aspecto externo de la bomba de engranajes.



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06 LAS BOMBAS DE PALETAS. Como complemento de las bombas volumétricas ya indicadas, se adjunta el esquema de funcionamiento de este tipo de bombas, muy utilizado para dosificación.

Figura 26; Esquema del funcionamiento de la bomba de paletas.

El conocimiento de la velocidad, y de sus características geométricas, nos permite establecer las curvas teóricas de una bomba rotativa, esto es, caudal y potencia en función de la presión de impulsión.

Una bomba real lleva siempre consigo unas fugas entre la aspiración y la impulsión, debidas al imperfecto mecanizado, por ello las curvas características de utilización, son distintas a las teóricas; la diferencia depende de: ? El régimen de fugas, función de la estanqueidad entre las cámaras de aspiración e impulsión. ? Las tolerancias de construcción entre estator y rotor. ? La viscosidad del producto. ? La presión diferencial. ? El vacío en la aspiración. ? El rendimiento.



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Las ventajas de las bombas rotativas, residen en su bajo costo de adquisición, en sus cualidades auto-cebantes, en la ausencia de válvulas internas, en la pequeña amplitud de las pulsaciones del caudal y en su excelente rendimiento.

En su desventaja hay que señalar la limitación de la presión de impulsión por una válvula de seguridad, montada en by-pass, así como su desgaste, admitido para 6 000 horas de funcionamiento.

07 LAS BOMBAS ALTERNATIVAS. En las bombas, alternativas; de pistón, o de diafragma (de uso muy ocasional), se desplaza un volumen determinado de liquido en cada carrera que se realiza, mediante el movimiento del pistón o del diafragma, este desplazamiento provoca el aumento de presión y el movimiento del liquido, dicho ciclo puede ser apreciado en las siguientes figura.

Figura 27; Esquema de 4 de las posiciones 5 posiciones del funcionamiento de la bomba de pistón. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected].


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Figura 28; Esquema de 5ª posición del funcionamiento de la bomba de pistón.

Estas bombas han sido usadas, para aprovechar el excedente de vapor de las refinerías, pero están siendo sustituidas por bombas centrifugas.

Figura 29; Secciones longitudinales de bomba de pistón, a vapor.



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Figura 30; Esquema de una bomba de dia fragma.

Figura 31; Sección transversal de una bomba de diafragma.



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