1 ALCANCE En este documento se presentan los procedimientos generales para diseñar y especificar servicios de bombeo para plantas de proceso con especial énfasis en aquellos servicios donde normalmente se recurre a las bombas centrífugas. En este documento se cubren solamente los aspectos más rutinarios. Los detalles adicionales sobre la tecnología de aplicación de bombas y sobre los servicios de bombeo que presentan dificultades especiales, se muestran en otros documentos de este capitulo. Los servicios con condiciones extremas merecen especial atención de ingeniería tal como estudios de casos de optimización, consultas con especialistas de maquinarias y uso de la información actualizada de los suplidores en lugar de la información generalizada. Los tipos de condiciones extremas más dignas de investigaciones especiales son: caudales de flujo altos, altos cabezales, requerimientos altos de energía y servicios con requerimientos potencialmente altos de NPSH. La Figura 5 presenta una línea de demarcación de los rangos de cabezal–capacidad que normalmente requieren de estudios especiales de ingeniería.
2 REFERENCIAS Prácticas de Diseño (Además de otros Documentos de este capítulo) MDP–01–DP–01 “Temperaturas de Diseño y Presión de Diseño” MDP–02–FF–01/06 “Flujo de Fluidos” Otras Referencias API STANDARD 610 “Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty, Chemical, and Gas Industry Service”. Eighth Edition, August 1995. Maxwell, J. B. “Databook on Hydrocarbons, Aplication to Process Engineering”.
3 ANTECEDENTES El proceso de diseñar servicios de bombeo y las bombas que aplican a dichos servicios se lleva a cabo en tres etapas principales: 1. Diseño de Servicios de Bombeo 2. Selección de Bombas y Diseño de la Instalación 3. Diseño de Bombas. El diseño del servicio de bombeo se prepara como un componente del diseño global del proceso. Los aspectos de selección de equipos y aplicación se realizan en forma compartida por ingenieros de maquinarias pertenecientes a los equipos
de ingeniería de detalle y los ingenieros de aplicación de la compañía suplidora de bombas seleccionada; el diseño detallado de la instalación se realiza como una parte de la ingeniería de detalle del proyecto. El diseño de la bomba es realizado por los diseñadores de las compañías suplidoras de bombas, quienes usan normalmente componentes prefabricados para ensamblaje.
La Tabla 1 presenta un sumario de como los distintos parámetros involucrados en el diseño de servicios de bombeo son procesados a través de todas las etapas de ingeniería.
4 DEFINICIONES Normalmente especificado por:
La Función del Servicio de Bombeo es un término que comúnmente se aplica a los requerimientos de funcionamiento y características del fluido para un servicio determinado, a diferencia de las características mecánicas y de instalación de la bomba y del servicio. Diseñador del servicio El Caudal de Flujo Nominal es el caudal de flujo de operación normal sobre la cual se basan los rangos de funcionamiento de la bomba así como las garantías correspondientes. Diseñador del servicio La Presión de Succión Nominal es la presión de succión para las condiciones de operación en el punto de garantía (según API 610). Diseñador del servicio La Presión de Succión Máxima es la presión de succión más alta a la cual la bomba es sometida durante la operación (según API 610). Diseñador del servicio La Presión de Descarga Nominal es la presión de descarga de la bomba en el punto de garantía con la capacidad, velocidad, presión de succión y densidad absoluta nominales (según API 610). Diseñador del servicio La Presión de Descarga Máxima es la Máxima presión de succión posible a ser encontrada, más la presión diferencial Máxima que la bomba es capaz de desarrollar cuando se opera a la condición especificada de velocidad, gravedad específica, y temperatura de bombeo con el impulsor suministrado (según API 610). La Presión de Diseño es la mínima presión para la cual la bomba, su cuerpo y bridas deben ser seguras para operación continua a la temperatura de diseño,
considerando el agotamiento de la holgura para corrosión estipulada. Diseñador del servicio La Presión de Trabajo Máxima Permisible para el Cuerpo de la Bomba es la presión de descarga más grande a la temperatura especificada de bombeo para la cual se ha diseñado el cuerpo de la bomba. Esta presión deberá ser igual o mayor que la Máxima presión de descarga (API 610). de bombas Suplidor La Temperatura de Bombeo Nominal es la temperatura de operación normal sobre la cual se basan las garantías y rangos de funcionamiento de la bomba. Diseñador del servicio La Temperatura de Diseño es la temperatura del metal para la cual la bomba, su cuerpo, bridas, holguras internas y estructuras de soporte deben ser seguras en operación continua a la presión de diseño. La temperatura de diseño es igual a la temperatura de bombeo nominal más un incremento para cubrir la flexibilidad operacional. Diseñador del Servicio La temperatura Máxima es la que normalmente controla y siempre se especifica. La temperatura mínima también se especifica cuando la temperatura más baja del líquido influye el diseño y la selección de material. Esto podría ocurrir por debajo de 15°C (60°F). La Temperatura Máxima Permisible de Trabajo es la mayor temperatura del fluido para la cual el suplidor ha diseñado la bomba para ser segura y operable. Esta temperatura deberá ser igual o mayor a la temperatura de diseño especificada. Suplidor de Bombas Los Requerimientos de Cabezal para un Servicio son los requerimientos de presión total diferencial entre las presiones nominales de succión y descarga, convertidos a una altura equivalente de líquido bombeado, a la densidad absoluta que corresponde a la temperatura de bombeo nominal de Bombas El Servicio de Bombeo describe los requerimientos de proceso para elevar la presión de una corriente líquida. El servicio es efectuado por una estación de
bombeo. Una Unidad de Bombeo se refiere a la bomba y sus equipos auxiliares instalados en/o cerca de la base de la bomba: medio motriz, acoples, bases, pedestales de soporte, facilidades de autolimpieza, sistema de lubricación, etc. Los Requerimientos de Instalación se refieren a los sistemas de tuberías y accesorios asociados a la bomba, los sistemas de control, facilidades de protección, mantenimiento instrumentación y otros servicios auxiliares que normalmente no están instalados sobre la base de la bomba o que son suministrados por el suplidor. Una Estación de Bombeo es un grupo de unidades de bombas instaladas en un lugar para cumplir el mismo servicio de bombeo o servicios muy relacionados entre sí, incluyendo todas las facilidades de instalación
5 PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO PARA SERVICIOS DE BOMBEO Los pasos siguientes se recomiendan para el diseño de un servicio de bombeo. 1. Obtener el caudal de flujo requerido por el proceso. Definir algunas variaciones con respecto al flujo de diseño que deberían ser incluidos en el diseño, tales como condiciones de arranque, expansión futura, flujo máximo, etc. Seleccionar el valor para el caudal de flujo nominal. 2. Convertir el caudal de flujo nominal a las condiciones de bombeo en unidades convencionales utilizadas para diseño de bombas (normalmente dm3/s (U.S. gpm). 3. Determinar las propiedades del líquido críticas para el diseño de la bomba: densidad absoluta, temperatura, viscosidad, punto de fluidez, etc. Estos valores se requieren a las condiciones de bombeo y en algunos casos, a condiciones ambientales. 4. Calcular las condiciones de succión disponibles presión de succión nominal, presión de succión Máxima, NPSH disponible. 5. Determinar el efecto del sistema de control seleccionado sobre los requerimientos de funcionamiento de la bomba. 6. Calcular los requerimientos de presión de descarga nominal para la bomba 7. Calcular el requerimiento de presión diferencial para el servicio y convertirlo a cabezal a la densidad absoluta correspondiente a la temperatura nominal de bombeo. (A las diferentes condiciones de flujo establecidas). 8. Determinar la presión y temperatura de diseño requeridas por la bomba y las tuberías asociadas. 9. Seleccionar el tipo de bomba y el tipo de medio motriz (Ing. de Procesos y Especialista en Equipos Rotativos). 10. Seleccionar materiales de construcción (Especialista en Equipos Rotativos y Especialista en Materiales). 11. Determinar requerimientos de bombas de repuesto y su necesidad para operación en paralelo. 12. Determinar otros requerimientos de instalación tales como detalles de sistemas de control, arranque automático de la bomba de repuesto, etc.
13. Seleccionar el tipo de sello del eje y determinar los requerimientos para limpieza externa o sistemas de sello (Ing. de Procesos y Especialista en equipos Rotativos). 14. Estimar los requerimientos de servicios. 15. Documentar el diseño: cálculos, estudios, texto de la especificación de diseño, sumario aproximado de los requerimientos de servicios, etc. Los servicios con requerimientos de cabezal–capacidad por encima de la línea guía en la Fig. 5, se deberían considerar en una forma de diseño especial con los objetivos siguientes: 1. Optimizar la multiplicidad de unidades de bombeo. 2. Asegurar la compatibilidad del NPSH disponible con los requerimientos de modelos de bombas disponibles. 3. Asegurar la exactitud de los valores estimados para eficiencia, requerimientos de potencia y especificación del medio motriz. 4. Determinar si un estilo particular de construcción debería ser especificado para asegurar una selección óptima de la bomba.
6 FACTORES DE SENSIBILIDAD EN EL COSTO DE INVERSION Los siguientes factores en el diseño de servicios de bombeo tienen una marcada influencia sobre el costo de la unidad de bombeo y su instalación, están en listados en orden descendente de influencia. Número de bombas instaladas en el servicio (alineadas en paralelo) Material de cuerpo NPSH disponible Requerimiento de cabezal Caudal de flujo por bomba Presión de diseño Temperatura de diseño Selección de tipo de bomba Daños o peligros causados por inflamabilidad del fluido, toxicidad y Corrosividad Contenido de sólidos en el líquido Requerimientos de potencia Selección del tipo de medio motriz Estos factores deberían tener una consideración especial durante la fase de diseño del servicio para asegurar que se evita un costo de inversión innecesario.
8 CONDICIONES DE ARRANQUE Las condiciones de arranque algunas veces difieren de una forma tan significativa de las condiciones nominales que afectan el funcionamiento de la unidad de bombeo. Por ejemplo, algunas veces las unidades de proceso se ponen en operación con alimentaciones diferentes a las de diseño. Esto ocasiona que los
caudales de flujo y propiedades del fluido de varias corrientes intermedias difieran de los valores de diseño. La operación inicial, aún con las alimentaciones de diseño, pueden estar fuera de control por un tiempo tan prolongado que tendría el mismo efecto sobre las condiciones del servicio de bombeo. Cuando se prevean condiciones de operación de arranque fuera del diseño, el Diseñador debe decidir si el diseño del servicio de bombeo debe hacerse para las condiciones nominales y las de fuera de diseño. La experiencia ha demostrado que el diseño para condiciones de arranque anormales generalmente es innecesario. Usualmente se pueden aplicar mecanismos para realizar las operaciones de arranque necesarias sin requerir inversiones en instalaciones adicionales. Por esta razón, el diseño para las condiciones de arranques normalmente no se recomienda a menos que existan circunstancias muy especiales. Un ejemplo importante de la operación de la bomba a condiciones diferentes de las nominales es el uso de bombas de hidrocarburos para circulación de agua antes de la operación inicial del proceso. El agua se circula para lavar los recipientes y sistemas de tuberías y para probar las bombas mecánicamente. Ya que el agua tiene una densidad absoluta mucho mayor que la de casi todos los hidrocarburos, los requerimientos de potencia de la bomba con agua pueden ser mayores que la capacidad del medio motriz de que se dispone. Esto requiere de sumo cuidado al planificar y supervisar la operación con agua, pero la experiencia no justifica diseños especiales o inversiones adicionales para tal fin.
9 FLEXIBILIDAD DE EXPANSION La planificación a largo plazo y la estrategia de inversión en instalaciones para manufactura, ocasionalmente justifica la inversión previa en equipo inicial de planta para permitir una expansión futura en capacidad a un costo bajo. Los servicios de bombeo, en conjunto con otros equipos de la planta, pueden ser diseñados inicialmente para el grado de flexibilidad de expansión deseada. La forma más simple de prepararse para un futuro aumento en el caudal de flujo es el de especificar simplemente aquel espacio que se estipulará en el diagrama de planta inicial para una bomba adicional que opere en paralelo con la bomba original. Una mejor manera, en muchos casos, consiste en especificar los datos de la operación futura, en conjunto con las condiciones nominales iniciales, y especificar que la bomba y sus facilidades de instalación sean pre–especificadas desde el punto de vista de ingeniería para la expansión futura de la planta. En este caso la línea de succión debería ser dimensionada para el caudal de flujo futuro y se debería tener cuidado al especificar el cabezal neto de succión positiva disponible (NPSHD) para el caudal de flujo.
10 CAUDAL DE FLUJO El caudal de flujo volumétrico, Q, (a la temperatura de bombeo) puede ser calculado a partir del Flujo Másico o Flujo Volumétrico a condiciones estándar según se indica en MDP–02–P–06. Los caudales de flujo por debajo de 6.3 dm3/s (100 gpm) con cabezales sobre los
107 m (350 pie) y por debajo de 3.2 dm3/s (50 gpm) con cabezales bajo los 107 m (350 pie) están generalmente por debajo de los caudales de flujo óptimos para bombas centrífugas y requieren especial cuidado en el diseño del servicio, ver MDP–02–P–03.
11 PROPIEDADES DEL FLUIDO Fuentes de Información Las propiedades del fluido podrían ser obtenidas del Maxwell Databook on Hydrocarbons o a través del uso de Paquetes de Simulación de Procesos. Otras fuentes de información podrían ser usadas cuando sean validadas en forma adecuada. Temperatura del Fluido La temperatura del fluido afecta los siguientes aspectos del diseño de la bomba: 1. Estilo de construcción de la bomba 2. Materiales 3. Necesidad de agua de enfriamiento 4. Niveles de presión adecuados de las bridas estándar. Si las propiedades del fluido, tales como la densidad absoluta y la viscosidad, difieren significativamente a la temperatura nominal de operación y a la temperatura ambiente, y si se requiere el arranque bajo las condiciones de temperatura ambiente, entonces el rango de temperatura ambiente conveniente a ser utilizado se debe especificar. Presión de Vapor del Fluido El fluido que viene del rehervidor de una torre o del tambor de destilado del tope normalmente estará en su punto de ebullición, y en tales casos la presión en este recipiente al nivel del líquido se puede utilizar como la presión de vapor del líquido. Cuando este no es el caso, la presión de vapor del fluido debe ser determinada mediante los gráficos de presión de vapor o fugacidad. Densidad Absoluta La densidad absoluta del fluido afecta los siguientes aspectos del diseño de la bomba. 1. Los requerimientos de cabezal para producir una presión diferencial dada. 2. La capacidad de presión diferencial de los tipos de bombas con capacidad de cabezal limitado, tales como las bombas centrífugas. 3. El flujo másico para un caudal de flujo volumétrico dado. 4. Requerimientos de potencia. La densidad absoluta debería ser especificada a la temperatura nominal de bombeo. Los valores se pueden obtenerse a 15°C (60°F) y luego aplicarle los factores de corrección apropiados para la temperatura real. Viscosidad La viscosidad del fluido afecta los siguientes aspectos del diseño de la bomba: 1. Selección del tipo de bomba 2. Eficiencia y características de cabezal–capacidad 3. Necesidad para facilidades de calentamiento inicial y calentamiento del cuerpo de la bomba.
El impacto de la viscosidad en la selección de las bombas centrífugas es esquematizado tanto en MDP–02–P–05 como en MDP–02–P–08 correspondiente a la selección de bombas de desplazamiento positivo. El efecto específico de viscosidad en el funcionamiento de la bomba centrífuga se presenta en MDP–02–P–07. La viscosidad debería ser especificada si su valor excede de 5 mm2/s (50 SSU, 5 cSt) a la temperatura nominal de bombeo. Las relaciones de viscosidad y unidades que se usan comúnmente en el diseño de plantas de proceso son las siguientes: La identificación y concentración de sustancias corrosivas no comunes en el fluido deben ser señaladas en las Especificaciones de Diseño. Ejemplos comunes son SO2 líquido, 45% H2SO4, solución cáustica de 15°Bé, fenol, H2S, cloruros, etc. Si se conoce información adicional sobre sustancias corrosivas y materiales adecuados provenientes de experiencias previas de planta o pruebas de laboratorio, esta debería ser incluida en la Especificación de Diseño. Contenido de Sólidos El contenido de sólidos en la corriente de líquido afecta los siguientes aspectos del diseño de la bomba: 1. Características del fluido (Newtoniano, no–Newtoniano, etc.), así como los requerimientos de presión diferencial. 2. Diseños para resistencia a la erosión 3. Dimensiones del canal de flujo, tipo de impulsor 4. Velocidad periférica del impulsor 5. Características de diseño para desintegrar las partículas grandes, tales como el diseño del tipo “Desintegrador de Coque” 6. Diseño del sello al eje. Los sólidos más comunes encontrados en las corrientes de refinería son las partículas de coque en tubos rehervidores (o calderas) y en los fondos del fraccionador primario de craqueadores con vapor, sistemas de enfriamiento directo de craqueadores con vapor y torres lavadoras de unidades de coquificación, y partículas de catalizador en servicios de aceite lodos o en las unidades de craqueo catalítico. En los servicios con sólidos, las bombas deberían ser protegidas de las partículas grandes tales como aglomerados de coque mediante filtros permanentes en la succión de la bomba y/o con mecanismos tales como filtros de coque en el fondo de los destiladores de vacío. Las Especificaciones de Diseño deben señalar el tipo, distribución de tamaño de partículas, densidad y concentración de los sólidos en la corriente de líquido que llega a la bomba. El porcentaje en peso se usa normalmente como la forma más conveniente de expresar la concentración de sólidos en las Especificaciones de Diseño. A partir de esta y de los valores de densidad, el Diseñador de la bomba puede calcular la concentración en volumen. Si se conoce que ciertos tipos de construcción de bombas, tales como el tipo de desintegrador de coque o del tipo de lodo (de suspensión), son satisfactorios
según experiencia previa de planta, éstas deberían ser especificadas. El carácter abrasivo de los sólidos en la suspensión es extremadamente importante para el diseño de la bomba y para los requerimientos de mantenimiento. La mejor forma de describir la abrasividad es especificando los datos de dureza del sólido. Con frecuencia, se utilizan dos escalas en ingeniería de suspensiones, las cuales son la escala de dureza de Moh y el número de Knoop. Si la fractura de los sólidos es dañina para el proceso, como ocurre en algunas aplicaciones de semisólidos, esto se debería indicar. Una suspensión se define arbitrariamente como aquella mezcla donde hay más de un 1% en peso de sólidos en un líquido. La construcción de bombas convencionales de proceso normalmente es adecuada para concentraciones de sólidos hasta un 2% en peso, y cuando los sólidos son menores de 100 micrómetros (= micrones) en tamaño. Las bombas de etapas múltiples no deberían usarse en concentraciones de sólidos mayores de 1%; un diseño preferible es el de dos bombas en serie, tal vez, con un medio motriz común. Características del Flujo La gran mayoría de los líquidos en las refinerías y plantas de procesos químicos tienen características de flujo que permiten denominarlos “Newtonianos”, lo cual significa que la tasa de esfuerzo (flujo) es linealmente proporcional al esfuerzo de corte (fuerza que causa el flujo). Debido a que la tasa de esfuerzo y el esfuerzo de corte son proporcionales, su relación, que se denomina viscosidad absoluta (Pa.s (centipoises)) es constante. Así, la viscosidad absoluta de los fluidos Newtonianos permanece constante frente a cambios en el caudal de flujo. Algunas suspensiones y otros líquidos que se manejan en las industrias químicas, de plástico, de alimentos, de procesamiento de papel y minería tienen características de flujo que no varían linealmente con el caudal de flujo y se denominan “no–Newtonianos”. Las caídas de presión en las tuberías de succión y descarga no pueden ser calculadas por los métodos normales cuando se manejan suspensiones no–Newtonianas. El tamaño de la línea debe asegurar que la velocidad de transporte crítica de la suspensión se alcance. Los datos con los cuales se realiza el diseño deben provenir de pruebas, experiencias, o fuentes de literatura calificadas.
12 PRESION DE SUCCION Nivel de Referencia de la Bomba La presión de succión normal se calcula y se especifica para un nivel de referencia arbitrario de 600 mm (2 pie) sobre el nivel de referencia del piso. Este nivel es típico de la línea central del impulsor en los tipos de bombas comúnmente utilizados – bombas de proceso horizontales de una etapa y de capacidad media (15 a 65 dm3/s (200 a 1000 gpm)). La elevación de la línea central de la bomba seleccionada realmente para el servicio normalmente diferirá algo de los 600 mm (2 pie) arbitrarios, dependiendo de la altura de la base de la bomba escogida, tipo de bomba, tamaño y orientación. La diferencia entre el nivel de referencia arbitrario y el nivel de referencia real es muy pequeña para tener algún significado en la determinación de los requerimientos de cabezal en la mayoría de los
servicios, pero es un factor de suma importancia en el establecimiento del NPSH de que se dispone realmente para la bomba instalada, y debe verificarse por consiguiente cuando se seleccione la bomba y se realice el diseño de la base. Una verificación de la elevación de la línea central real de la bomba contra el nivel de referencia de 600 mm (2 pie), es especialmente necesaria para bombas de alta capacidad las cuales serán físicamente grandes y podrían tener sus líneas centrales más de 600 mm (2 pie) por encima del piso, y para bombas verticales que podrían tener sus bridas de succión muy cercanas al piso. Seleccionar y especificar el nivel de referencia que requiere de especial atención en casos de: 1. Bombas alineadas a ser localizadas en sistemas de bombeo elevados, en vez de al nivel del piso. 2. Bombas de agua de pozo profundo y bombas de agua de enfriamiento que están localizadas con respecto al nivel de la superficie del agua, en vez de al nivel del piso. El nivel de referencia convencional de 600 mm (2 pie) debería ser usado también para bombas de proceso verticales de múltiples etapas, aunque el impulsor de la primera etapa está localizado por debajo de este nivel y el NPSHD a dicho nivel será mayor que al nivel de 600 m (2 pie). El suplidor de la bomba puede hacer la conversión necesaria, utilizando la localización real de la brida de succión de la bomba y de la longitud de la bomba seleccionada. La Especificación de Diseño debería establecer a que nivel de referencia de la bomba han sido calculados tanto la presión de succión especificada como el NPSH disponible, normalmente 600 mm (2 pie) sobre el piso. El API 610 especifica que los suplidores de las bombas establecen sus requerimientos de NPSH para bombas horizontales como aquel requerido en la línea central del eje y para bombas verticales como aquel requerido en la línea central de la brida de entrada. Nivel del Tambor de Succión El nivel de líquido en el envase de succión que se utiliza para cálculos de NPSH debería ser el nivel mínimo operable. Para recipientes verticales con cabezales convexos, se asume normalmente que está en la línea tangente del fondo del recipiente. Para alcanzar los requerimientos de NPSH de las bombas centrífugas comerciales un diseño económico normalmente coloca la línea tangente del fondo de los recipientes de succión que contienen fluidos en su punto de burbuja, aproximadamente, 4500 mm (15 pie) sobre el piso. Las unidades de proceso con una capacidad muy grande podrían requerir elevaciones de recipientes más altos debido a los requerimientos mayores de NPSH para las bombas de altos caudales de flujo. Se requiere de estudios de casos individuales para determinar la elevación óptima del recipiente. La Figura 5. indica los servicios que normalmente ameritan un estudio individual. Presión de Succión Sub–Atmosférica Con la excepción de las bombas que succionan de equipos de vacío, la presión de succión de las bombas no debería ser diseñada para estar muy por debajo de la presión atmosférica. A presiones reducidas la filtración de aire al interior de la
línea y/o la vaporización de gases disueltos podrían causar problemas. La presión de succión mínima recomendada es de 83 kPa absolutos (12 psia). Esto es aplicable para casos tales como el de succionar desde tanques que tienen líneas de succión muy largas. Cálculo de la Presión Normal de Succión El cálculo de la presión normal de succión se realiza por los métodos presentados en el capitulo de Flujo de Fluidos de este Manual. Cuando se requieren filtros permanentes en la succión, una caída de presión 7 kPa (1 psi) debería ser considerada para el filtro. Para los servicios donde las líneas de succión son muy largas, o si el margen de NPSH disponible por sobre los requerimientos de la bomba se sabe que son pequeños, un estimado exacto de la caída de presión en la tubería de succión es necesario. Los estimados de longitudes equivalentes deberían basarse en el diagrama de planta real y en una aproximación bastante buena de la ruta real de la línea. Presión Máxima de Succión Este valor se obtiene sumando la presión de ajuste de la válvula de seguridad (si existe alguna) del recipiente desde el cual succiona la bomba, la caída de presión desde la válvula de seguridad al punto donde se mantiene el nivel de líquido y el máximo cabezal estático de líquido en la succión. Al calcular el cabezal estático, utilizar el “alto nivel de líquido” de diseño para el recipiente. La caída de presión por fricción en la línea de succión no se considera en este cálculo debido a que se asume que la condición de Máxima succión ocurre cuando el flujo a través de la bomba es cero, con la válvula en la descarga cerrada. NPSH Ver MDP–02–P–04.
13 CONTROL DE FLUJO DE LA BOMBA El caudal de flujo de la gran mayoría de las bombas centrífugas se controla con una válvula de control en la línea de descarga. El caudal de flujo de muchas bombas de desplazamiento positivo se controla reciclando una porción del flujo de descarga a la succión de la bomba, con una válvula de control en la línea de reciclo. Las válvulas de control pueden ser posicionadas por señales de nivel, presión, flujo o controladores de temperatura para cumplir con los requerimientos de proceso. Para bombas centrífugas, la Válvula de control impone una cantidad variable de caída de presión sobre los requerimientos naturales de presión del sistema. Un aumento de la cantidad de caída de presión a través de la válvula de control incrementa la presión de descarga de la bomba, su generación de cabezal y reduce el caudal de flujo. Una disminución en la caída de presión a través de la Válvula de control tienen el efecto opuesto. Cuando la Válvula de control está completamente abierta, el flujo no está bajo control, sino que está determinado por la interacción natural de la característica de funcionamiento de la bomba con la resistencia característica del sistema. La función de la Válvula de control se ilustra en la Figura 6. Igualmente, pueden usarse motores de velocidad variable para controlar el flujo
de una bomba centrífuga. Este tópico se cubre en MDP–02–P–07.
14 PRESION DE DESCARGA Factores que Contribuyen a los Requerimientos de Presión de Descarga La presión de descarga requerida es el resultado de la suma de los requerimientos de presión de tres tipos diferentes: 1. Estático, independiente del caudal de flujo a. Presión de operación en el punto donde se controla la presión (normalmente un recipiente) a la cual la bomba está descargando su flujo, o presión atmosférica en el caso de tanques de almacenamiento atmosférico. b. La diferencia de elevación entre el nivel de referencia de la bomba y el nivel de líquido del recipiente de descarga (máximo) que suma el cabezal estático a los requerimientos de cabezal de descarga. Se debe considerar la Máxima altura de líquido en el recipiente de descarga para obtener el máximo cabezal de elevación requerido. 2. Cinética, dependiente del caudal de flujo a. La caída de presión a través de equipos de procesos en el circuito de descarga tales como intercambiadores de calor, reactores, filtros, hornos, etc. b. Boquillas de inyección, algunas veces con caídas de presión altas para atomización, y algunas veces expuestas a ensuciamiento. c. Orificios para medición de flujo. d. Resistencia en sistemas de tuberías, incluyendo codos, conexiones en T, bridas, válvulas de compuerta y de retención. 3. Variable, modulada de acuerdo a los requerimientos de control del proceso a. Válvula de control Para todos los factores que dependen del caudal de flujo, es necesario calcular la caída de presión para el máximo caudal de flujo deseado. Un valor aproximado de ella se obtiene mediante la siguiente expresión: _Pmax _ _Pnormal x tasa normal
_tasa máxima
_
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Cálculo de Caídas de Presión en Tuberías y Válvulas de Control Las caídas de presión en la tubería de descarga (y succión) podría ser calculada por los métodos del capitulo de Flujo de Fluidos de este Manual. Se debería tener especial cuidado al calcular la caída de presión para servicios de bombeo que succionan de tanques de almacenaje ya que podrían existir líneas muy largas y muchos codos en el sistema. Como una base para el Cálculo, se debería usar el diagrama de planta previsto para el sistema de tuberías y se deberían señalar las bases consideradas en las Especificaciones de Diseño. La caída de presión a través de las Válvulas de control puede asignarse de la siguiente manera:
A veces está automáticamente asignada, cuando están en una línea entre dos recipientes de succión y descarga que tienen presión controlada. Cuando se encuentra a la descarga de una bomba que envía liquido a través de una serie de equipos intermedios hasta un punto de presión controlada, la caída de presión de la válvula de control puede fijarse en un 20% de las perdidas totales de presión por fricción del circuito mas una cantidad adicional de acuerdo a la diferencia de presión estática (DPE) del circuito (10% de DPE para DPE< 1400 kPa, 140 kPa para DPE entre 1400 y 2800 kPa y 5% de DPE para DPE>2800 kPa). Estas reglas deben usarse con cuidado pues pueden resultar en valores muy alto o muy bajos dependiendo del sistema, en estos casos debe privar el criterio Ingenieril y la experiencia para asignar la caída de presión. Para información adicional refiérase a la Sección 12–Instrumentación del Manual de Diseño de Procesos. Practicas de Diseño versión de 1986. Presión de Descarga Máxima Esta presión se utiliza para determinar la presión de diseño y es la suma de la presión de succión Máxima y la presión diferencial Máxima. La Máxima presión diferencial para las bombas centrífugas normalmente ocurren a flujo cero (Shut Off) y se asume que es 120% del diferencial nominal (Ver MDP–02–P–07) basado en la Máxima densidad absoluta prevista para el fluido. Si se encuentra que el diferencial máximo es mayor de 120% del diferencial nominal (lo cual es particularmente predominante en bombas de múltiples etapas y de altos caudales de flujo) para la bomba seleccionada, entonces las presiones Máximas de descarga y de diseño deberían ser incrementadas de acuerdo a esto. Esto tiende a ocurrir con bombas de caudal alto de flujo debido a las características de impulsores de alta velocidad específica que se utilizan. Por el contrario, las bombas se pueden especificar para tener una presión de disparo a algún nivel menor que 120% del diferencial de modo que se pueda bajar la presión nominal de diseño de las líneas y los intercambiadores de una clasificación a otra. Esto no debería hacerse a menos que se obtenga algún crédito por el hecho de reducir la presión nominal de diseño de las líneas y equipos. No se debe especificar menos de 110% del diferencial, ya que esto promueve el uso de una curva característica de operación de la bomba tan plana que hace que su funcionamiento sea inestable. La Máxima presión de descarga de una bomba de desplazamiento positivo está determinada por el ajuste de la Válvula de seguridad de la descarga. Ver MDP–02–P–08 para los detalles. Características de los Requerimientos de Presión del Sistema Cuando se diseña un nuevo servicio de bombeo o se estudia el comportamiento de un servicio existente, una ayuda importante para comprender los requerimientos de control de flujo es el de describir en forma gráfica la relación
entre la curva característica de los requerimientos de presión del sistema y la curva característica de funcionamiento de la bomba. En el caso de nuevos diseños, la curva de la bomba centrífuga se puede estimar utilizando el punto de capacidad–cabezal nominal y la forma de la curva promedio que se muestra en el apéndice del MDP–02–P–07. Los requerimientos de presión del sistema pueden graficarse con los valores de presiones de descarga calculados para flujo nominal, flujo cero y algunos flujos adicionales tales como 0.5, 0.8, 1.2 y 1.5 del valor nominal. Este gráfico puede usarse para mostrar como una velocidad de motor de la bomba variable podría utilizarse para control, cuanto cabezal se consume a través de la Válvula de control que sucede con la Válvula de control cuando está completamente abierta, cuanto incremento en el flujo se podría lograr al operar una segunda bomba idéntica en paralelo, etc.
15 PRESION DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZAL Cálculos Para los cálculos de cabezal a partir de la presión diferencial ver MDP–02–P–06. Use las presiones nominales de succión y descarga para el Cálculo de presión diferencial y del cabezal. No es necesario reportar el cabezal en las Especificaciones de Diseño, ya que los valores necesarios para calcularlo, diferencial de presión y densidad absoluta, se especifican separadamente. Se debe tomar precaución para presentar el requerimiento de cabezal de la bomba y el NPSH disponible, ambos en términos del líquido bombeado, a las condiciones de bombeo, y no en términos de agua fría.
16 TEMPERATURA Y PRESIÓN DE DISEÑO Temperatura de Diseño El documento MDP–01–PD–01 de este manual presenta el procedimiento general para determinar todas las temperaturas de diseño de los equipos. La temperatura de diseño para las bombas normalmente es especificada con un margen de 28°C (50°F) por encima de la temperatura nominal de bombeo. Para bombas que operan por debajo de 15°C (60°F), como las bombas criogénicas, es necesario especificar una temperatura mínima de diseño, basada en las características del servicio particular. Presión de Diseño La presión de diseño de una bomba se calcula agregando la presión máxima de succión a la diferencia Máxima de presión operando a temperatura nominal de bombeo con la densidad absoluta a condiciones nominales. La diferencia Máxima de presión para bombas centrífugas se define como el 120% de la diferencia nominal de presión para propósitos de Especificaciones de Diseño. Si la bomba seleccionada finalmente tiene una capacidad de diferencia Máxima de presión
mayor que el 120% del valor nominal, entonces el valor de la presión de diseño del cuerpo se debe aumentar apropiadamente. Si la densidad absoluta del líquido está sujeta a cambio, se debe usar la densidad absoluta Máxima prevista para computar la presión diferencial a flujo cero (Shut off). Las bombas centrífugas accionadas por turbinas de vapor se pueden operar continuamente hasta 105% de la velocidad nominal dentro del rango normal de la velocidad de sus reguladores. Por lo tanto, la bomba es capaz de desarrollar (105%) 2 ó 110% del cabezal nominal de desconexión. Esto se debe tomar en cuenta al establecer la presión de diseño de las bombas centrífugas accionadas por turbinas de vapor. Clasificación de Bridas Las clasificaciones de temperatura y presión de diseño determinadas anteriormente suministran al suplidor de las bombas y al Diseñador del sistema de tubería la base para la selección de clasificación de brida. El suplidor de la bomba usualmente selecciona la misma clasificación para la brida de succión como para la de descarga. Sin embargo, en el caso de bombas con alto diferencial de presión como las bombas de alimentación a calderas, a veces se usa una clasificación inferior para la brida de succión. Esta debería satisfacer naturalmente la presión Máxima de succión. La clasificación presión temperatura de la brida de succión debe ser compatible con la de la tubería de succión tal como se define en el documento MDP–01–PD–01; es decir, en ningún caso debe ser menor que 3/4 de la presión de descarga Máxima de la bomba a la temperatura normal de bombeo.
17 SELECCION DE TIPOS DE EQUIPO Selección del Tipo de Bomba El tipo de bomba se especifica normalmente en las Especificaciones de Diseño. La selección del mejor tipo de construcción para cumplir con unos requerimientos dados de servicio normalmente se efectúa en la etapa de ingeniería de detalle del proyecto, basado en cualquier guía incluida en las Especificaciones de Diseño. Las Figuras 1 y 2 presentan al Diseñador una indicación de los tipos de bombas centrífugas que se aplican a varios requerimientos de cabezal y capacidad. Si como resultado de una investigación se ha determinado que un tipo especial de construcción o algunas características de diseño son las mejores para el servicio, se deben especificar estos detalles. Si se desea la construcción de bombas en línea donde sea económico y beneficioso para la distribución de la planta, o si no es deseado específicamente, se debe especificar la posición deseada. Las siguientes guías se presentan para ayudar a decidir cuan específicas se deben hacer las especificaciones de diseño de acuerdo al tipo de bomba y al tipo de construcción. Las especificaciones de diseño siempre deben indicar el tipo
de bomba a este nivel Las especificaciones de diseño incluirán con frecuencia este requerimiento Las especificaciones de diseño en ocasio– nes incluirán detalles tan específicos como éstos Centrífuga Orientación vertical Tipo de suspensión Características del tritu– rador de coque Tipo de alta velocidad Tipo carga de estopera Anillos de desgaste con facilidades para lavado Tipo rotor cilíndrico Rotativa Soporte externo cons– tante con camisa de calentamiento Tipo tornillo Tipo engranaje Reciprocante Accionador de máquina de vapor Accionador de motor Tipo pistón Tipo émbolo Caja de estopera de vástago especial simple, doble, triple Dosificadora Diseño de control de flujo Tipo diafragma.
El documento MDP–02–P–05 presenta información más extensa en la selección del tipo de bomba. Selección del Tipo de Medio Motriz Ver MDP–02–P–11.
18 SELECCION Y ESPECIFICACION DE MATERIALES Procedimientos El método normal de seleccionar y especificar materiales de construcción para bombas es usar los “Hydraulic Institute Standards” para la selección de materiales y el sistema de código de API 610 para reportar los requerimientos en las especificaciones de diseño. Si el API 610 no tiene un código que incluya los materiales deseados, estos deben ser especificados individualmente. El uso del término materiales “estándar” del suplidor debe ser evitado ya que
parece permitir el uso de materiales “estándar” en servicios que podría ser muy bien difíciles y “no–estándar”.
19 MULTIPLICIDAD Y REPUESTOS Consideraciones para Decidir sobre Repuestos La Tabla 2 presenta un sumario de las consideraciones utilizadas para decidir si se necesitan bombas de repuesto y de que manera es necesario instalarlas. Las preferencias y políticas del cliente en cuanto a repuestos deberán ser respetadas. Donde el diseño de servicio óptimo requiere dos o más bombas que operen normalmente en paralelo, se debe estipular una bomba de repuesto cuando los requerimientos de mantenimiento por sí solos dictan la necesidad de la misma. Si el servicio de bombeo debe continuar operando durante una falla del suministro del servicio al accionador primario, entonces se debe tener unidades de repuesto suficientes para cubrir adecuadamente la falla del suministro del servicio. El número total de unidades en paralelo puede a veces ser minimizado dividiendo los tipos de accionador de las bombas de operación. Repuestos Comunes Las bombas centrífugas de proceso han sido lo suficientemente confiables como para que una dotación de repuesto de 100% que es una bomba completa de repuesto por cada bomba en operación no será necesaria en la mayor parte de los servicios en la mayoría de las plantas de proceso. Se obtiene una continuidad de servicio adecuada usando una sola bomba como repuesto para dos o más en servicio. El uso de bombas de repuesto comunes se limita por la proximidad de los servicios a ser comunitarios y la compatibilidad de las condiciones de sus servicios. Se deben comparar las siguientes condiciones de servicio: 1. El punto de capacidad de cabezal requerido de cada servicio debe estar dentro del rango de trabajo del repuesto común. 2. La temperatura normal no debe diferir más de 85°C (150°F). 3. Presión de succión no debe diferir más de 345 kPa (50 psi). 4. El NPSH disponible para la bomba de repuesto común debe ser mayor que los requerimientos de cada servicio. 5. Si un servicio de alto flujo usa un repuesto en común con un servicio de bajo flujo, el repuesto común se debe diseñar para el flujo alto y cuando opera como repuesto para el servicio de bajo flujo, puede necesitar un reciclo de flujo bajo para evitar cavitación y sobrecalentamiento. 6. La presión y la temperatura de diseño y las clasificaciones resultantes de la brida para el repuesto común deben ser adecuados para ambos servicios. 7. Si un servicio de cabezal alto usa un repuesto en común con un servicio de cabezal bajo, el repuesto común debe ser diseñado para el cabezal alto y se debe tomar una caída de presión grande a través de la Válvula de control. 8. El diseño del sello del eje debe ser adecuado para ambos servicios. No se deberían usar repuestos comunes en los siguientes casos: 1. Donde uno de los líquidos de servicio contiene agua y el otro ácido como el reflujo (ácido) del depropanizador y el reflujo (acuoso) del separador de
C3/C4. Las posibilidades de que los dos flujos se mezclen en los tubos distribuidores en la succión y la descarga causando una corrosión severa son demasiado grandes. 2. Servicio donde se requiere un flujo continuo del fluido pero se esperan altos requerimientos de mantenimiento de la bomba, tales como en los servicios de suspensión en plantas de craqueo catalítico y en coquificadores.
