Manual de Diseño de Proceso PDVSA (Bombas)

 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO BOMBAS

PDVSA N

°

MDP–02–P–01

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TITULO

INTRODUCCION

APROBADA DESCRIPCION FECHA NOV.97

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 PDVSA,

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MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

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PDVSA MDP–02–P–01

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Pr Principios Básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Servicios de Bombeo con Características Criticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 NPSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Tipos de Bombas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Cálculos en Servicios de Bombeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Características de Funcionamiento de Bombas Centrifugas . . . . . . . . . . 2.7 Bombas de Desplazamiento Positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Sellado del Eje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Requerimientos de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Accionadores de de Bo Bombas y Requerimientos de de Se Servicios In Industriales . . 3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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OBJETIVO El objetivo de la introducción es presentar la forma como está estructurado el Capítulo “Bombas” para facilitar las labores del ingeniero de proceso en la localización de la información requerida en el área de bombas.

2

ALCANCE Cubre los documentos involucrados con “Bombas”, los cuales son Principios Básicos, Servicios de bombeo con características criticas, Selección del Tipo de Bomba, Cálculos de servicios de bombeo, Características de funcionamiento de bombas centrifugas, Bombas de Desplazamiento positivo, Sellado del eje, Requerimientos de Instalación y Accionadores de Bombas/Requerimientos de Servicios Industriales. 2.1

Principios Básicos Este documento está identificado como PDVSA– como PDVSA–MDP–02–P–02 MDP–02–P–02 y describe los conceptos involucrados en el áreas de Bombas, las consideraciones básicas para el diseño de los mismos y una lista de los datos a reportar en las especificaciones de diseño de las Bombas.

2.2

Servi Servici cios os de Bo Bombe mbeo o con con Carac Caracte terís rístic ticas as Critic Criticas as Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–03 PDVSA–MDP–02–P–03 y presenta información adicional sobre servicios cuyo diseño necesita una mayor dedicación por ser servicios costosos, históricamente problemáticos o con alguna otra característica no común.

2.3

NPSH Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–04 PDVSA–MDP–02–P–04 y presenta detalles relacionados con el Cabezal Neto de Succión Positiva (NPSH) de bombas. Por conveniencia los datos para estimación de NPSHR han sido incluidos en los documentos documentos MDP–02–P–02, MDP–05 –P–06 y MDP–02–P–08.

2.4

Tipos de Bombas Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–05 PDVSA–MDP–02–P–05 y presenta información sobre los diferentes tipos de Bombas disponibles comercialmente y las bases para la selección del tipo de bomba. Para detalles adicionales adicionales de un tipo de bomba en específico, se recomienda su consulta en los documentos indicados en los puntos 2.6 y 2.7.

2.5 2.5

Cálc Cálcul ulos os en Serv Servic icio ios s de de Bom Bombe beo o Este documento está identificado como PDVSA– como PDVSA–MDP–05–P–06 MDP–05–P–06 y presenta los procedimientos de cálculos típicos en los servicios de bombeo.


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Carac Caracter teríst ístic icas as de Func Funcio ionam namie iento nto de Bomb Bombas as Cen Centri trifug fugas as

Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–07 PDVSA–MDP–02–P–07 y presenta información sobre las características características de funcionamiento hidráulico hidráulico de las bombas centrifugas como base para el diseño y evaluación de sistemas de bombeo. 2.7 2.7

Bomb Bo mbas as de Desp Despla laza zami mien ento to Pos Posit itiv ivo o

Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–08 PDVSA–MDP–02–P–08 y presenta detalles adicionales sobre las bombas de desplazamiento positivo y de turbina regenerativa. 2.8

Sellado del Eje

Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–09 PDVSA–MDP–02–P–09 y presenta información para la selección preliminar del tipo de sello y sistema de sello del eje de la bomba. 2.9 2.9

Requ Requer erim imie ient ntos os de inst instal alac ació ión n

Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–10 PDVSA–MDP–02–P–10 y presenta detalles adicionales sobre integración de bombas individuales, instalaciones de bombas múltiples y sistemas de tuberías y accesorios asociados con la Bomba. 2.10 2.10

Accio Accionad nadore ores s de Bom Bombas bas y Req Requer uerim imien ientos tos de Servic Servicio ios s Industriales

Este documento está identificado como como PDVSA–MDP–02–P–11 PDVSA–MDP–02–P–11 y contiene la información requerida para la selección del tipo de accionador y el consumo de servicios industriales.

3

REFERENCIAS Las referencias se indican en cada uno de los documentos tratados.

4

DEFINICIONES Las definiciones se presentan presentan en el documento documento PDVSA–MDP–02–P–02 PDVSA–MDP–02–P–02 “PRINCIPIOS BÁSICOS”.

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CONSIDERACIONES DE DE DI DISEÑO Las consideraciones de diseño serán tratadas en cada uno de los documentos que forman parte del volumen de Bombas.


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34 DESCRIPCION FECHA NOV.97

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Indice 1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO PARA SERVICIOS DE BOMBEO 6 FACTORES DE SENSIBILIDAD EN EL COSTO DE INVERSION . 7 OPERACIONES NOMINALES, ALTERNAS Y FUERA DE DISEÑO 8 CONDICIONES DE ARRANQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 FLEXIBILIDAD DE EXPANSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 CAUDAL DE FLUJO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 PROPIEDADES DEL FLUIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 PRESION DE SUCCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 CONTROL DE FLUJO DE LA BOMBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 PRESION DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 PRESION DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZAL . . 16 TEMPERATURA Y PRESIÓN DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 SELECCION DE TIPOS DE EQUIPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 SELECCION Y ESPECIFICACION DE MATERIALES . . . . . . . . . . . 19 MULTIPLICIDAD Y REPUESTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 REQUERIMIENTOS DE ENERGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 DOCUMENTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 3 6 7 8 9 9 10 10 14 17 17 20 20 22 23 23 24 24 24 25


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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 Maxwell, J. B.

3

“Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty, Chemical, and Gas Industry Service”. Eighth Edition, August 1995. “Databook on Hydrocarbons, Aplication to Process Engineering”.

ANTECEDENTES El proceso de diseñar servicios de bombeo y las bombas que aplican a dichos servicios se lleva a cabo en tres etapas principales: Diseño de Servicios de Bombeo 1. Selección de Bombas y Diseño de la Instalación 2. 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


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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. 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. La Presión de Succión Nominal es la presión de succión para las condiciones de operación en el punto de garantía (según API 610). 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). 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). 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).

Diseñador servicio

del

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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. 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 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. 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. 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. 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

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Suplidor

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La Capacidad de Cabezal de una Bomba es la tasa a la cual la energía puede ser añadida al fluido por la bomba para producir un aumento de presión a un caudal de flujo determinado. Las unidades comunes son: kJ de energía x gc, en m de fluido bombeado kg de masa x g pie.lbf de energía x gc,en pie de fluido bombeado. lb de masa x g La Potencia al Freno Nominal (kW (HP) es la potencia requerida por la bomba a las condiciones de operación nominales especificadas, incluyendo capacidad, presiones, temperatura, densidad absoluta y viscosidad (según API 610). El Punto de Mayor Eficiencia (“PME”) es el caudal flujo de operación para una velocidad dada a la cual se logra la Máxima eficiencia. Las bombas centrífugas se seleccionan para trabajar a caudales de flujo que están entre 40 y 100% de la correspondiente al PME.

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Suplidor Bombas

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Suplidor Bombas

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Suplidor Bombas

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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.


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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). Determinar las propiedades del líquido críticas para el diseño de la bomba: 3. densidad absoluta, temperatura, viscosidad, punto de fluidez, etc. Estos valores se requieren a las condiciones de bombeo y en algunos casos, a condiciones ambientales. Calcular las condiciones de succión disponibles presión de succión nominal, 4. 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). Determinar la presión y temperatura de diseño requeridas por la bomba y las 8. tuberías asociadas. Seleccionar el tipo de bomba y el tipo de medio motriz (Ing. de Procesos y 9. 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.


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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:

6

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.

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.



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OPERACIONES NOMINALES, ALTERNAS Y FUERA DE DISEÑO En adición a las condiciones nominales de la bomba, el diseñador debería considerar las variaciones en los siguientes factores por las razones que se indican en cada caso: Mínimo

Máximo

Caudal de Flujo

Se puede requerir re circulación por bajo flujo

El NPSH disponible será probablemente más bajo que para el flujo normal. Esto tiene influencia sobre el dimensionamiento del medio motriz

Temperatura

Se pueden requerir materiales especiales con resistencia al impacto Influencia sobre el cabezal para el cual debe ser diseñada la bomba De mucha significación en la estimación del funcio– namiento de las bombas rotatorias

El diseño mecánico de la bomba debe ser adecuado

Densidad absoluta Viscosidad

Punto de fluidez

Normalmente no es tan importante

Contenido de sólidos

Sin importancia

Presión de succión

Se necesita calcular la presión diferencial reque– rida y el NPSHR Podría indicar si es de valor el considerar medio motriz con velocidad variable

Presión de descarga

Determinar requerimientos máximos de potencia Débito en el funcionamiento de las bombas centrífugas; el valor de la viscosidad a temperatura ambiente tiene influencia sobre las insta– laciones requeridas para el calentamiento inicial Determina la necesidad de facilidades de calentamiento inicial y su diseño. Afecta el diseño interno y el tipo de bomba. Igualmente tiene influencia sobre los requerimientos de mante– nimiento Se utiliza para determinar la presión de diseño Se necesita para calcular la presión diferencial requerida y la presión de diseño del cuerpo de la bomba.


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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.


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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 dm 3 /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.


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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:


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Viscosidad Unidades Métricas Absoluta Cinemática

Pa.s mm2 /s

Saybolt Universal

Unidades Inglesas gr/cm.s Poise (P)

Símbolo = =

cm2 /s = Stoke (St) = 100cSt. s

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F2

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Calculado mediante: ––––

µ

100 centipoise (cP) 100 centistoke SSU

   

 

Ec.(1)

Por debajo de 250 SSU, ver las conversiones en “Maxwell Databook” on hydrocarbons. Por encima de 250 SSU, SSU = (cSt) x 4.62

62.428

Una variedad de diferentes viscosímetros industriales se usan en el mundo, incluyendo Saybolt Thermo, Saybolt Universal, Saybolt Furol, Redwood Standard y viscosímetros Engler. Las curvas de conversión para estas mediciones se pueden encontrar en el “Maxwell Databook on Hydrocarbons”. Punto de Fluidez El punto de fluidez tiene influencia sobre la necesidad de facilidad desde calentamiento inicial para la bomba. Esta temperatura debería ser especificada si es más alta que la mínima temperatura ambiente del lugar. Corrosividad La corrosividad del fluido afecta los siguientes aspectos del diseño de bombas: 1.

Materiales de construcción y tolerancias para corrosión seleccionadas

2.

Necesidad de un líquido externo de lavado para mantener el líquido corrosivo fuera del alcance del sello del eje.

3.

Diseño del cuerpo de la bomba cuando se requiere de materiales costosos.

La mayoría de las corrientes de refinería contienen compuestos de azufre corrosivos, y muchos productos químicos utilizados en refinación de petróleo son corrosivos. Únicamente los productos destilados terminados se pueden clasificar normalmente como no corrosivos.


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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:

2.

Características del fluido (Newtoniano, no–Newtoniano, etc.), así como los requerimientos de presión diferencial. 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” Diseño del sello al eje.

1.

6.

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.


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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 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 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). 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 presión en las tuberías 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 PRE RESI SIO ON DE SUC SUCCI CIO ON 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


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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 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.


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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, aproximadame aproxi madamente, nte, 4500 mm (15 (15 pie) sobre el piso. Las unidades 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 elevac ión óptima del recipiente. La Figura 5. indica los servicios 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 filtración de aire al interior de la línea y/o la vaporización de gases disueltos podrían causar problemas. 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 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 bastante buena de la ruta 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 la succión. Al calcular el cabezal estático, utilizar el “alto nivel de líquido” de diseño para el recipiente.


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La caída de presión por fricción en la línea de succión no se considera en este cálculo cálcul o debido a que se asume que la condición de Máxima succión ocurre ocurre cuando el flujo a través de la bomba es cero, con la válvula en la descarga cerrada. NPSH Ver MDP–02–P–04 MDP–02–P–04..

13 CONT CONTRO ROL L DE DE FLU FLUJO JO DE LA BOMB BOMBA A 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 efecto opuesto. Cuando la Válvula de control está está completamente comple tamente abierta, el flujo flujo no está bajo control, sino que está determinado por la interacción natural de la característica de funcionamiento de la bomba con la resistencia resiste ncia característica característica del sistema. La función de la Válvula de control 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 en MDP–02–P–07 MDP–02–P–07..

14 PR PRES ESIO ION N DE DE DE DESC SCAR ARGA GA 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. a.

b.

Estático, independiente del caudal de flujo 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. 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 requerimientos de cabezal de descarga. descarga. Se debe considerar considerar la Máxima



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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. Boquillas de inyección, algunas veces con caídas de presión altas para atomización, y algunas veces expuestas a ensuciamiento.

b.

c.

Orificios para medición de flujo.

d.

Resistencia en sistemas de tuberías, incluyendo codos, conexiones en T, bridas, válvulas de compuerta y de retención. Variable, modulada de acuerdo a los requerimientos de control del proceso

3.

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: P max   P normal





x tasa máxima tasa normal

2

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


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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.


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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.


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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.


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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 Centrífuga

Rotativa Reciprocante Accionador de máquina de vapor Accionador de motor Dosificadora

Las especificaciones de diseño incluirán con frecuencia este requerimiento

Las especificaciones de diseño en ocasio– nes incluirán detalles tan específicos como éstos

Orientación vertical Tipo de suspensión Características del tritu– rador de coque Tipo rotor cilíndrico Soporte externo cons– tante con camisa de calentamiento

Tipo de alta velocidad Tipo carga de estopera Anillos de desgaste con facilidades para lavado

Diseño de control de flujo

Tipo tornillo engranaje

Tipo

Tipo pistón Tipo émbolo Caja de estopera de vástago especial simple, doble, triple 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.



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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.


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La temperatura normal no debe diferir más de 85°C (150°F). Presión de succión no debe diferir más de 345 kPa (50 psi). El NPSH disponible para la bomba de repuesto común debe ser mayor que los requerimientos de cada servicio. 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. La presión y la temperatura de diseño y las clasificaciones resultantes de la brida para el repuesto común deben ser adecuados para ambos servicios. 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. El diseño del sello del eje debe ser adecuado para ambos servicios.

No se deberían usar repuestos comunes en los siguientes casos: Donde uno de los líquidos de servicio contiene agua y el otro ácido como el 1. 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.

20 DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBAS Ver MDP–02–P–10. SELLOS PARA EL EJE Ver MDP–02–P–09.

21 REQUERIMIENTOS DE ENERGIA Para los cálculos de requerimientos de energía de las bombas ver MDP–02–P–06.

22 DOCUMENTACION La Tabla 1 presenta una lista de los datos que se deben reportar en las Especificaciones de Diseño, y una lista de los Cálculos adicionales que normalmente son realizados por el Diseñador del servicio pero que no se reportan en las Especificaciones de Diseño.


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23 NOMENCLATURA NOMENCLATURA Símbolo A PF CP E EO Fi g gc H ∆HS

ESMP NPSH N NS P P PV ∆p Q Qs Sss SSU ∆T W  µ



Parámetro Área Potencia al freno Calor específico a presión constante Eficiencia adimensional Eficiencia global, incluyendo las pérdidas hidráulicas y mecánicas Factores que dependen de las unidades usadas (Ver lista al final) Aceleración de gravedad Constante dimensional Diferencia neta de cabezal Diferencia en el cabezal estático entre las dos elevaciones Altura de succión Máxima permisible Cabezal neto de succión positiva Velocidad rotativa de la bomba Velocidad específica del impulsor Potencia Presión Presión de vapor Diferencial de presión, incremento de presión Caudal de flujo volumétrico Caudal de flujo volumétrico a condiciones estándar Velocidad específica a la succión Viscosidad Saybolt Universal Elevación de temperatura Flujo másico de líquido Factor de expansión térmica Viscosidad absoluta Viscosidad cinemática

UNIDADES Sistema Sistema métrico inglés mm2 kW KJ/kg°K Decimal “

pulg 2 HP BTU/lb.°R

m/s2 103 kg/s2 kPa.m m de líquido bombeado m

pie/s2 32.17lb.pie/lbf.s 2 pie de líq. bombeado pie

kPa de vacío m rev./s rev./s kW kPa man. kPa abs. kPa

pulg de Hg de vacío pie rpm rpm HP psig psia psi

dm3 /s dm3 15°C, 101.325 kPa rev./s segundos °C kg/s adimensional Pa.s mm2 /s

U.S.gpm U.S.gpm 60°F, y 1 atm rpm segundos °F lb/h cP cSt



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NOMENCLATURA Símbolo ρc

UNIDADES Sistema Sistema métrico inglés

Parámetro

kg/m3 adimensional

Densidad Coeficiente de cavitación

d

lb/pie3 adimensional

Subíndices a c D min max PME o R s 1 2

Permisible A condiciones de operación Disponible (en el sistema) Mínimo (permisible continuo) Máximo (permisible continuo) Punto de mayor eficiencia Global, al caudal de flujo de operación Requerido A condiciones estándar (15°C, 101,325 kPa (60°F y 1 atm)) Aguas arriba; succión Aguas abajo; descarga

Factores que dependen de las unidades usadas En unidades En unidades métricas inglesas F1 F2 F3

= = =

F4 F5 F6

= = =

F7

=

F8 F9 F10 F11

= = = =

Ec. (1) MDP–02–P–06 Ec. (1) MDP–02–P–02 Ec. (4) MDP–02–P–06, Ec. (5),(6) Ec. (1) MDP–02P–04 Ec. (12) MDP–02–P–06 Ec. (13) MDP–02–P–06 Ec. (14) MDP–02–P–06, MDP–02–P–08, Ec. (1) y MDP–02–P–11 Ec. (2) y (4) MDP–02P–04, MDP–02P–07 Ec. (3) MDP–02P–04 Ec. (3) MDP–02P–04 Ec. (1) Subs. H Ec. (2) Subs. H

(8) y (10),

Ec. Ec.

103 106 1

1 1x103 (1) 1000 (2)

Ec. (1)

0.1247 62.428 144 1.98x10 6 246873.0 1714

1.63

1

1 101 85 102

70.726 29.9 649 778

EL DISEÑADOR DEL SERVICIO ESTIMA ESTO PERO NORMALMENTE NO REPORTA RESULTADOS EN LAS ESPECIFICACIONES DE DISEÑO

EL DISEÑADOR DE SERVICIO CALCULA Y DECIDE ESTO Y REPORTA LOS RESUL– TADOS EN LAS ESPECIFICACIONES DE DISEÑO.

––

LAS PROPUESTA DEL SUPLIDOR DE LA ESTO SE DETERMINA DURANTE BOMBA REPORTA DATOS PRECISOS LA INGENIERIA DE DETALLES DE LA INSTALACION. SOBRE ESTOS ASPECTOS.

dm 3/s (gpm)

–– P1 NORMAL; P 1MAXIMO

DENSIDAD ABSOLUTA A CONDICIONES PRESION DE OPERAC. DEL RECIP. DE DE SUCCION P2; PARTE DEL ∆ P PERMISIBLE PARA LA PRESION DE OPERACION DEL RECIPIEN– TE DE DESCARGA VALVULA DE C ONTROL REQUERIMIENTOS DE CABEZAL ∆P A FLUJO CERO (SHUT OFF)

––

REQUERIMI ENTOS DE ∆ P PRESION DE DISEÑO DEL CUERPO DE LA BOMBA TEMPERATURA DE OPERACION NOMI– NAL Y TEMPERATURA DE DISEÑO.

PF, KW (BHP); EVALUAVION DE POTEN– ESTIMADO DE REQUERIMIENTO DE CIA DEL ACCIONADOR. SERVICIOS –– ∆P

DE LINEA DE SUCCION DESDE EL RECIPIENTE A LA BOMBA, NPSHR

PRESION DE VAPOR A TEMP. DE BOM– BEO

––

––

–– ––

–– ––

––

––

CAPACIDAD DE CABEZAL DE LA BOMBA

––

CAPACIDAD DE ∆P A FLUJO 0 Y TAM – BIEN LA PRESION MAXIMA PERMISIBLE DEL CUERPO DE LA BOMBA TEMPERATURA MAXIMA PERMISIBLE DE DISEÑO LA UNIDAD DE BOMBEO

––

PF, KW (BHP).

–– EVALUACION DE POTENCIA DEL ACCIONADOR

––

––

NPSH R

NPSHR AL CAUDAL DE FLUJO NOMINAL

––

VISCODIDAD A LA TEMP. DE BOMBEO Y A TEMP. AMBIENTE SI ESTA POR ENCIMA DE 5 mpa. ( 50 ssu)

FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA CON LA VISCOSIDAD ESPECIFICADA

––

––

CARACTERISTICAS DE CUALQUIER SOLIDO EN EL LIQUIDO.

ANCHO DE LA BOQUILLA DE IMPULSOR; TOLERANCIA DE SOLIDOS, DIAMETRO Y VELOCIDAD DEL IMPULSOR.

––

––

FILTRO PERMANENTE

TAMAÑO RECOMENDADO DE MALLA.

DISEÑO DE DETALLE DEL FILTRO TENSOR PERMANENTE, TAMAÑO DE MALLA

––

TIPO DE SELLO DEL EJE

MODELO DE SELLO DEL EJE.

INTERCAMBIABILIDAD DEL MODELO DE SELLO; ACEPTABILIDAD DE CONS– TRUCCION DE SELLO EMPOTRADO.

PRESION DE LA ESTOPERA; TEMPERA– REQUERIMIENTO PARA DESCARGA EX– TERNA O SELLO Y FUENTE. TURA DE BURJUJA A LA PRESION DE LA ESTOPERA. –– MATERIALES DE BOMBA. ––

TIPO DE BOMBA Y CUALQUIER CARAC– TERISTICA ESPECIAL DE DISEÑO REQUERIDA.

––

TIPO DE ACCIONADOR Y CONDIC. DE SERVICIO.

––

A SUMINISTRO DE UN SISTEMA DE LU– BRICACION DE ACEITE EN DISPERSION.

∆P

DE LA CONFIGURACION REAL DE LA LINEA DE SUCCION, CUANDO LA LINEA ES LARGA O CUANDO NPSHR ESTA MUY CERCA DE NPSHA ALTURA DEL PUNTO MEDIO DE LA BOMBA POR ENCIMA DEL SUELO, PARA COMPARACION CON LOS 60 mm (2 pie) ASUMIDOS EN LOS CALCULOS DE CNSPA (NPSHA)

PRESION REAL DE ESTOPERA; SISTEMA DETALLES DE LA DESCARGA EXTER– DE DESCARGA RECOMENDADO Y COM– NA DEL SISTEMA DE SELLO. PONENTES DEL SISTEMA. MATERIALES DEL SELLO MECANICO.

––

TIPO DE CONSTRUCCION DE BOMBA Y CONVENIENCIA DE CONSTRUCCION CARACTERISTICAS INCLUIDAS DE DI– DE BOMBA EN LINEA; INTERCAMBIA– SEÑO. BILIDAD DE PARTES VELOCIDAD DE LA BOMBA; TIPO DE COMPATIBILIDAD DE LOS REQUERI– CONSTRUCCION DEL ACCIONADOR MIENTOS DE SERV. CON EL DISEÑO DEL Y DATOS DE FUNCIONAMIENTO. SISTEMA DE SERVICIOS DE LA PLANTA. ––

DISEÑO DE DETALLE DEL SISTEMA.

T A B L A 1 . S E C U E N C I A D E D E S A R R O L L O P A R A D A T O S D E S E R V I C I O D E B O M B E O .

.M e n ú P r i n c i p a l

I n d i c e m a n u a l

I n d i c e v o l u m e n

    

P R I N C I P I O S B A S I C O S

I n d P 0 i c e á g n i n o a r N m O a 2 V . 7 9 7

M A N U A L D E D I S E Ñ O D E P R O C E S O

R P E D V V I S S I A O N M D P – F 0 E 2 C – P H – A 0 2

LA INTERRUPCION DE FLUJO DE LA BOMBA TIENE ESTE IMPACTO EN LA OPERACION DE LA PLANTA: (EN ORDEN CRECIENTE DE SITUACION CRITICA)

EJEMPLOS DE SERVICIOS

PRACTICA TIPICA DE REPUESTO DE BOMBA (INCREMENTA EL GRADO DE CONFIABILIDAD DEL SERVICIO PRESTADO)

INTERRUMPE UNA OPERACION NO–CRITICA

PLANTA PILOTO

NO REQUIERE BOMBA DE REPUESTO

REDUCE LA CAPACIDAD OCIOSA DE BOMBEO DISPONIBLE

UNA BOMBA EN UNO DE VARIOS POZOS DE AGUA PURA; UNA BOMBA DE TRASFERENCIA A UNO DE VA– RIOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO EN SERVICIO PARALELO.

NO REQUIERE BOMBA DE RESPUESTO

LLEVA LOS PRODUCTOS FUERA DE ESPECIFICA– CION POR UN TIEMPO RELATIVAMENTE CORTO CUANDO SE CONSIDERA LA CAPACIDAD DE AL– MACENAMIENTO DEL PRODUCTO.

MEZCLA DE GASOLINA, INYECCION DE ADITIVOS.

NO REQUIERE BOMBA DE REPUESTO, EN CAMPO PERO SI UNA BOMBA DE REPUESTO PUESTA EN ALMACEN; UN TIPO DE BOMBA EN LINEA RESULTA IDEAL.

PRODUCE LA PARADA DE UNA PLANTA QUE FRE– SERVICIOS EN PLANTAS DE PRODUCCION DE ACIDO NO REQUIERE BOMBA DE REPUESTO EN CAMPO, PERO CUENTEMENTE ES PARADA POR OTRAS RAZONES. SI UNA BOMBA DE REPUESTO PUESTA EN ALMACEN; UN TIPO DE BOMBA EN LINEA RESULTA IDEAL. PRODUCE LA PARADA DE UNA SUB–UNIDAD QUE NO ES ESENCIAL PARA LA OPERACION GLOBAL DE LA PLANTA, O PUEDE SER RAPIDAMENTE PA– RADA Y PUESTA DE NUEVO EN OPERACION.

CARGA DE PRODUCTO, UNIDAD DE POLIMERIZACION. BOMBA DE REPUESTO EN ALMACEN O BOMBA DE RE– PUESTO COMUN; A MENOS QUE PUEDA SER ECONO– MICAMENTE JUSTIFICABLE LA INSTALACION DE UNA BOMBA DE REPUESTO INDIVIDUAL.

PROVOCA LA PARADA DE UNA UNIDAD GRANDE, CUANDO LOS REQUERIMIENTOS DE SERVICIO SON O DE UNA QUE ES TAN DIFICIL O LENTA PARA PA– COMPATIBLES Y LOS REQUERIMIENTOS DE BAJO RAR Y PONER EN OPER. DE NUEVO, QUE RESUL– MANTENIMIENTO PUEDEN SER ANTICIPADOS. TA DE GRAN SIGNIFICADO ECONOMICO.

UNA BOMBA DE REPUESTO EN COMUN PARA DOS SERVICIOS DE BOMBEO.

PROVOCA LA PARADA DE UNA UNIDAD GRANDE, O DE UNA QUE ES TAN DIFICIL O LENTA PARA PA– RAR Y PONER EN OPERACION DE NUEVO, QUE RESULTA DE GRAN SIGNIFICADO ECONOMICO.

LA MAYOR PARTE DE LOS SERVICIOS DE REFINERIA DONDE NO ESTAN PRESENTES SERVICIOS COMPA– TIBLES PARA PODER USAR REPUESTOS COMUNES, O SE PREVEEN REQUERIMIENTOS ALTOS DE MAN– TENIMIENTO.

DOS BOMBAS DIMENSIONADAS AL 100% DE CAPACI– DAD CON EL MISMO TIPO DE ACCIONADOR.

PROVOCA LA PARADA DE UNA UNIDAD GRANDE, QUE DE OTRA MANERA PODRIA ESTAR FUN– CIONANDO DURANTE UNA BREVE FALLA DE E– NERGIA SI EL BOMBEO NO FUERA INTERRUMPIDO.

EL REQUERIMIENTO DE SERVICIO INCLUYE BOMBEO DOS BOMBAS DIMENSIONADAS AL 100% UNA CON AC– DE EMERGENCIA; ACEITE LUBRICANTE DEL COM– CIONADOR TIPO TURBINA; ARRANQUE AUTOMATICO PRESOR CENTRIFUGO; COMUNMENTE USADO DONDE DE LA DE REPUESTO. LA CONFIABILIDAD DEL SUMINISTRO DE ENERGIA ELECTRICA ES BAJA.

IMPLICA RIESGO DE SEGURIDAD, TAL COMO LA GRAN DESCARGA DE VALVULAS DE SEGURIDAD EN UNA UNIDAD DE GRAN CAPACIDAD.

BOMBAS DE REFLUJO EN UNIDADES GRANDES.

PROVOCA PARADA DE MUCHAS UNIDADES O DE UNA REFINERIA COMPLETA.

ESTACION DE BOMBEO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO. TRES BOMBAS DIMENSIONADAS AL 50%; ARRANQUE AUTOMATICO DE LA DE REPUESTO.

DOS BOMBAS DIMENSIONADAS AL 100% UNA CON AC– CIONADOR TIPO TURBINA; ARRANQUE AUTOMATICO DE LA DE REPUESTO.

PROVOCA PARADA DE MUCHAS UNIDADES O DE UNA REFINERIA COMPLETA.

AGUA DE ALIMENTACION DE CALDERA (REQUERIDA POR ALGUNOS CODIGOS NACIONALES); ACEITE LU– BRICANTE DE TURBINA DE GAS (POR NORMALIZA– CION DE UN SUPLIDOR PRINCIPAL).

TRES BOMBAS DIMENSIONADAS AL 100% CON DOS TI– POS DIFERENTES DE ACCIONADOR; ARRANQUE AUTO– MATICO DE CADA BOMBA DE REPUESTO.

CAUSA SERIO RIESGO A LA SEGURIDAD DEL PERSONAL O DE LOS EQUIPOS.

ALIMENTACION A HORNO DE CRAQUEO CON VAPOR. CUATRO BOMBAS DIMENSIONALES AL 50% CON DOS TIPOS DIFERENTES DE ACCIONADOR; ARRANQUE AU– TOMATICO (ESTA PRACTICA EXTREMADAMENTE CON– SERVADORA NO ES ESTANDAR PARA ALIMENTACION DE HORNOS, SINO QUE REQUIERE DE UNA JUSTIFI– CACION ESPECIAL).

T A B L A 2 . C O N S I D E R A C I O N E S P A R A D E C I D I R S O B R E R E P U E S T O S D E B O M B A S .

.M e n ú P r i n c i p a l

I n d i c e m a n u a l

I n d i c e v o l u m e n

    

P R I N C I P I O S B A S I C O S

I n d P 0 i c e á g n i n o a r N m O a 2 V . 8 9 7

M A N U A L D E D I S E Ñ O D E P R O C E S O

R P E D V V I S S I A O N M D P – F 0 E 2 C – P H – A 0 2


PRINCIPIOS BASICOS


FECHA

0

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Indice manual

Indice volumen

Indice norma

Fig 1. RANGO DE APLICACION DE VARIOS MODELOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS VELOCIDADES DE MOTOR DE 60 HZ.

CLAVE: A. B. C. D.

HORIZONTAL, UNA ETAPA 30 rps (1750 rmp) HORIZONTAL, UNA ETAPA 60 rps (3550 rpm) HORIZONTAL, DOS ETAPAS 60 rps (3550 rpm) HORIZONTAL, MULTIETAPAS ETAPAS 60 rps (3550 rpm)

A. B. C. D.

VERTICAL, MULTIETAPA 60 rps (3550 rpm) EN LINEA ALTA VELOCIDAD – EXPERIENCIA EXTENSA ALTA VELOCIDAD – EXPERIENCIA LIMITADA Y SELECCION DE MODELO

NOTAS: 1. LA SELECCION ENTRE BOMBAS CENTRIFUGAS CON RECICLO Y OTROS TIPOS DE BOMBAS REQUIERE UN ESTUDIO INDIVIDUAL. 2. EL CAUDAL DE FLUJO EN ESTA REGION REQUIERE MODELOS DE BOMBAS ESPECIALMENTE ELABORADOS.


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Fig 2. RANGO DE APLICACION DE VARIOS MODELOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS VELOCIDADES DE MOTOR DE 60 HZ.

CLAVE: A. B. C. D.

HORIZONTAL, UNA ETAPA 25 rps (1450 rmp) HORIZONTAL, UNA ETAPA 50 rps (2950 rpm) HORIZONTAL, DOS ETAPAS 50 rps (2950 rpm) HORIZONTAL, MULTIETAPAS ETAPAS 50 rps (2950 rpm)

E. F. G. H.

VERTICAL, MULTIETAPA 50 rps (2950 rpm) EN LINEA ALTA VELOCIDAD – EXPERIENCIA EXTENSA ALTA VELOCIDAD – EXPERIENCIA LIMITADA Y SELECCION DE MODELO

NOTAS: 1. LA SELECCION ENTRE BOMBAS CENTRIFUGAS CON RECICLO Y OTROS TIPOS DE BOMBAS REQUIERE UN ESTUDIO INDIVIDUAL. 2. EL CAUDAL DE FLUJO EN ESTA REGION REQUIERE MODELOS DE BOMBAS ESPECIALMENTE ELABORADOS.


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Fig 3. DATOS DE FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRIFUGAS VELOCIDADES DE MOTOR DE 60 HZ.

NOTAS: 1. LA EFICIENCIA ES EN % 2. EL CNSPR (NPSHR) ESTA EN METROS Y EN PIES 3. NO SUPONGA UN CNSPR (NPSHR) MENOR QUE 1.83m (6 Pie) SIN CONSULTA CON UN ESPECIALISTA DE MAQUINAS 4. LA DISCONTINUIDAD EN EL CNSPR (NPSHR) EN ESTA REGION SE DEBE AL CAMBIO EN LA VELOCIDAD DE LA BOMBA DE 30 a 60 rps. (1750 a 3550 rpm).


PRINCIPIOS BASICOS


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Fig 4. DATOS DE FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRIFUGAS VELOCIDADES DE MOTOR DE 50 HZ.

NOTAS: 1. LA EFICIENCIA ES EN % 2. EL CNSPR (NPSHR) ESTA EN METROS Y EN PIES 3. NO SUPONGA UN CNSPR (NPSHR) MENOR QUE 1.83m (6 Pie) SIN CONSULTA CON UN ESPECIALISTA DE MAQUINAS 4. LA DISCONTINUIDAD EN EL CNSPR (NPSHR) EN ESTA REGION SE DEBE AL CAMBIO EN LA VELOCIDAD DE LA BOMBA DE 30 a 60 rps. (1750 a 3550 rpm).


PRINCIPIOS BASICOS


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Fig 5. DATOS DE FUNCIONAMIENTO TIPICOS PARA BOMBAS CENTRIFUGAS DE ALTO CABEZAL Y CAPACIDAD (2).

NOTAS: 1. LA EFICIENCIA ES EN %. CNSPR ESTA EN METROS (m) Y EN PIES 2. LA FRECUENCIA DE LA LINEA DE ENERGIA ELECTRICA NO ES UNA CONSIDERACION PRIMARIA YA QUE LAS BOMBAS EN ESTE RANGO NORMALMENTE REQUIEREN ALGUN CAMBIO DE VELOCIDAD CON SINCRONISMO CON UNIDADES DE ENGRANAJE, PARA UNA OPERACION OPTIMA. 3. LA EFICIENCIA EN ESTA AREA ES 85% DE LA NOMINAL. SE PUEDE USAR BOMBAS VERTICALES Y HORIZONTALES. 4. LA EFICIENCIA EN ESTA AREA ES 85% DE LA NOMINAL. PARA BOMBAS DE AGUA EN ESTE RANGO EL ESTILO DE CONSTRUCCION ES VERTICAL CON CNSP ADAPTADO AL DISEÑO DE SUMERSION DEL SUPLIDOR.


PRINCIPIOS BASICOS


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Fig 6. MODULACION DE LA VALVULA DE CONTROL DE FLUJO DE BOMBAS CENTRIFUGAS.


PDVSA N

°

MDP–02–P–03

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REV.

FECHA

TITULO

SERVICIOS DE BOMBEO DE CARACTERISTICAS CRITICAS


APROB.

 PDVSA,

1983

APROB.

13

L.R.

PAG.

REV.


ESPECIALISTAS



MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SERVICIOS DE BOMBEO DE CARACTERISTICAS CRITICAS


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Indice norma

Indice 1 2 3 4

ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 2

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1

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Indice volumen

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ALCANCE Esta Documento presenta información adicional sobre servicios de bombeo cuyo diseño tiende a requerir más tiempo y cuidado que los correspondientes a los servicios de rutina, por las siguientes razones: 1.

Altos costos de inversión

2.

Un historial de servicio crónicamente problemático

3.

Características no usuales.

La primera parte del Documento suministra detalles sobre las condiciones generales de los servicios que presentan las mayores dificultades. La segunda parte sobre los servicios específicos que en el pasado han demostrado ser los más problemáticos. En ambas partes, se identifican aspectos de los problemas globales y se presentan las soluciones típicas.

2

REFERENCIAS PDVSA H–251–R

Requerimientos de Diseño de Tuberías de Proceso y Servicios

PDVSA L–212

(MID Vol.10) Procedimiento de Ingeniería. Material aislante y Aplicaciones en Servicio en caliente.

Hydraulic Institute Standards (Materiales) API STANDARD 610

3

“Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industry Service”. Eighth Edition, August 1995.

ANTECEDENTES Se debe admitir que no todas las vías de solución presentadas en este Documento serán necesariamente apropiadas para todas las situaciones de proyectos. Pueden existir conflictos entre vías de solución que son prácticas por separado, pero no cuando se combinan. En algunos casos, no es necesario aplicar todos los métodos sugeridos, o aplicarlos conjuntamente. Por estas razones, esta subvención se debe usar como una fuente de ideas; no se debe considerar como una fuente de soluciones explícitas, pre–ingeniadas. Se debe notar que algunas soluciones de problemas se aplican en la etapa de diseño del servicio y luego durante la ingeniería de detalles.

4

NOMENCLATURA (Ver MDP–02–P–02).

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Requerimiento de Servicio Difícil

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CARACTERISTICAS DE SERVICIO DIFICIL Problemas Particulares Soluciones típicas de y Causas diseño de servicio

Indice norma

Soluciones típicas de ingeniería de detalle

I.

Muy alta confiabilidad

La continuidad de flujo de servicio ininterrumpido es extremadamente importante para servicios como alimentación de hornos, alimentación de calderas y aceite lubricante de compresores, debido a riesgos de parar la unidad, daño al equipo, descarga grande de la válvula de seguridad, etc.

Aplique arranque automático a la bomba de repuesto. Use diferentes tipos de accionadores para las bombas en operación y su respaldo. Use más de una bomba trabajando normalmente en paralelo. Suministre suficiente respaldo para que el arranque a automático del respaldo esté disponible también cuando una bomba está en mantenimiento.

Fije el espacio libre de corrida mayor que los valores de API para minimizar el riesgo de interrupciones.

II.

Alto Flujo

Las bombas y los elementos matrices tienen un alto costo debido a su gran tamaño físico.

Casos de estudio para optimizar el número de bombas en un servicio de bombeo múltiple.

Casos de estudio para determinar el impacto del tipo de construcción de la bomba sobre el costo total de instalación.

El NPSHD debe ser suficiente para satisfacer el NPSH R práctico para bombas con caudal alto de flujo. Una bomba dimensionada al 100% para el costo más bajo puede tener un NPSHR por encima del disponible según la elevación normal de diseño del recipiente de la succión. las bombas de alta capacidad muestran menor tolerancia para operaciones fuera del diseño que las bombas de baja capacidad, porque los diseños tienden a estar cerca de las condiciones nominales.

Use bombas múltiples para reducir NPSHR de cada una hasta el NPSH D lo cual es práctico con un diseño del recipiente de succión de bajo costo. Optimice el número de bombas y la elevación del recipiente de succión. Use el NPSHR corriente del vendedor y los datos de costo en vez de los datos generalizados de las Prácticas de Diseño.

–––––––––

III.

Bajo Flujo

–––––––––

Los servicios que combinan flujo bajo y cabezales de moderados a altos no son muy adecuados para las características de funcionamiento de las bombas centrífugas.

Compare las ventajas y desventajas de los tipos de bombas competitivos para las condiciones particulares del servicio: centrífuga con reciclo, bombas reciprocantes, dosificadoras, turbinas regenerativas.

Las bombas centrífugas aplicadas a caudales de flu jo nominales menores a 40% del PME operan a veces a caudales de flujo lo suficientemente bajos como para causar incremento excesivo de temperatura.

Ver MDP–02–P–10 Recirculación mínima. Bombas que requieren protección por bajo flujo y que normalmente operan en paralelo deben tener sistemas de control de bajo flujo individual para cada bomba.

Se pueden usar varias formas de instrumentación de prevención de falla, acorde con el costo de los equipos y el valor de alta confiabilidad. ––––––––– –––––––––


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Requerimiento de Servicio Difícil IV.

Altas Temperaturas

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Indice norma


La tasa de corrosión del acero al carbón se acelera a temperaturas altas, disminuyendo su uso para cuerpos de bombas.

Use el Hydraulic Institute Standard y API 610 para especificar el material y las tolerancias de corrosión.

–––––––––

La expansión térmica de las partes de bomba tiende a distorsionar los espacios internos libres para el flujo y la alineación del eje. La expansión de la tubería también distorsiona partes y alineación.

–––––––––

Soporte central del cuerpo de la bomba, características de enfriamiento con agua para el pedestal, etc. Por encima de 200 C (400 F) se usan cuerpos divididos radialmente en vez de axialmente para lograr distorsiones térmicas mínimas al rededor de juntas atornilladas. °

°

Por encima de 260 C (500 F), se usan espacios de corrida largos. Use facilidades de calentamiento. °

Los materiales de sellos mecánicos normales tienen límites de temperatura en el rango de 175–260 C (350–500 F).

––––––––––

Se aplican materiales y diseños especiales según especifica el suplidor de los sellos y según se selecciona durante la actividad de procura de la bomba.

Elementos matrices dimensionados para temperaturas de bombeo nominales pueden ser inadecuados para temperaturas ambientatales de bombeo al arranque.

Especificar la temperatura de bombeo y la densidad absoluta para la cual el elemento matriz debe ser dimensionado.

Suministre un TI en la bomba para indicar el calentamiento adecuado antes del arranque.

Potencial problema de fractura por fragilidad del cuerpo de acero al carbón debajo de 15 C (60 F)

Los materiales son seleccionados con base en su resistencia al impacto.

Se realiza una prueba de materiales. Según PDVSA MI Vol.2 PI–03–04–01.

La mayoría de las corrientes de hidrocarburos líquidos que se manejan a temperaturas bajas son altamente volátiles.

Especifique el aislante para las líneas de succión a fin de minimizar la cavitación.

Aisle el cuerpo de la bomba cuando las condiciones se ajusten a los criterios de PDVSA L–212 (MID Vol.10).

El calor transferidos desde la atmósfera hacia el sistema más el producido por fricción y turbulencia en la bomba aumenta la temperatura del líquido hasta su punto de burbuja.

Especifique una línea de venteo con tuberías para ser colocada desde el cuerpo (o descarga) de la bomba hasta la entrada del recipiente de succión para devolver los vapores generados durante el enfriamiento de la bomba.

––––––––––

°

°

V.

Bajas Temperaturas

°

°

°

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Indice manual


Presión de Succión Alta

Indice norma


Los hidrocarburos líquidos a baja temperatura tienen una baja lubricidad para la lubricación de los sellos mecánicos.

––––––––

La pobre lubricación se reme día con una combinación de cara de sello óptimo, es decir, carburo de tungsteno y carbono. A veces se usan sellos dobles.

Las gomas sintéticas para sella do secundario en los sellos mecánicos se endurecen a temperaturas por debajo de –30 C (–20 F), perdiendo la resiliencia necesaria para un sellado perfecto.

––––––––

El teflón, el grafito y los fuelles son capaces de trabajar a temperaturas más bajas que las gomas sintéticas.

El comportamiento del sello del eje es crítico debido a la alta presión diferencial en el sello.

––––––––

Las estoperas se hacen profundas para permitir varios diseños de sello y flexibilidad en el control del ambiente de sello. Lo platos de sellos son equipados con forros de estrangulación o con empaque auxiliar para controlar las pérdidas grandes.

La carga hidráulica sobre las caras de los sellos mecánicos tiende a ser alta.

––––––––

Sellos de balance requeridos para P1 por encima de 520 kPa (75 psig).

Tendencia a alta presión axial en los cojinetes de muchas bombas debido a la carga axial no balanceada en el área de sección transversal del eje.

––––––––

La presión es parcialmente balanceada por la localización de los anillos de desgaste y los orificios de balance del impulsor.

°

VI.

Indice volumen

°

VII.

Partículas de Sólido Grandes

Las partículas grandes se instalan en el impulsor de una bomba centrífuga causando desbalance y vibración. Las partículas grandes dañan los rotores de las bombas rotativas y las válvulas de las bombas reciprocantes.

Especifique que se instale una malla de succión permanente y un moledor de coque en las bombas centrífugas.

Algunas bombas “demoledoras de coque” rompen las partículas contra un poste estacionario adyacente al ojo del impulsor; algunas usan impulsores abiertos y rompen las partículas contra un plato de desgaste.

VIII.

Partículas Erosivas

Los sólidos abrasivos causan erosión de las superficies de la bomba a alta velocidad. Si el líquido es también corrosivo, la velocidad del daño puede ser muy alta.

Especifique construcción para suspensión de sólidos.

Ver MPD–02–P–05.

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IX.

X.

XI.

Sólidos Finos

Corrosividad

Toxicidad

Indice manual

Indice volumen


Indice norma


Especifique un accionador de velocidad variable, en vez de control con válvula de control. Especifique flujo externo (flushing) limpio para los anillos de desgaste y los sellos del eje.

El lavado de los anillos de desgaste es sólo efectivo marginalmente y no se puede negar la necesidad de otras precauciones como dispositivos de retención de sólidos, selección de materiales, velocidad baja, etc.

Los sellos del eje son más sensibles a los sólidos abrasivos en el rango de 1–50 micrómetros (= micrones), que en partículas mayores.

Describa completamente el contenido de sólidos en las Especificaciones de Diseño. Especifique flujo limpiador externo o sellos dobles.

Use ciclones separadores auto–limpiantes.

El desgaste rápido de los co jinetes y de los engranajes de distribución en las bombas rotativas con cojinete interno. Los sólidos también desgastan los rotores de las bombas de engranaje de contacto y tipo tornillo.

––––––––––

Fuera de engranaje de distribución y construcción de cojinetes.

Las partes de sello mecánico son particularmente vulnerables al ataque corrosivo porque operan en una región de alta turbulencia de líquido y alta temperatura en las superficies de contacto.

Sellos individuales usualmente son adecuados. Cuando la corrosión es severa, considere el uso de sellos dobles.

Se aplican materiales resistentes a la corrosión como Hastalloy, Ni, grafito y cerámicas. Con sellos dobles los elementos metálicos se arreglan para exposición al sellador no corrosivo. Con sellos individuales, se usan los tipos externos que colocan los elementos metálicos en aire en vez de en bombeo.

Las pérdidas pueden corroer las partes estructurales de la bomba, el plato de base, los equipos cercanos y la tubería metálica de drenaje.

––––––––––

Coloque placas de plomo o fibras de vidrio en el área de la estopera para desviar y controlar el choque. Aplique un engranaje de enfriamiento o un plato de collarín y una tubería de pérdida a un punto de descarga adecuado, utilizando material de tubería adecuado.

Pérdidas peligrosas para el personal.

––––––––––

Lo mismo que para corrosión.

Remoción y reparación de bombas de líquidos tóxicos es peligroso para el personal de mantenimiento si algo del líquido tóxico queda en el cuerpo del motor.

––––––––––

Suministre en las tuberías conexiones de lavado. Instale una válvula tapada en la conexión de desagüe del cuerpo.

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Requerimiento de Servicio Difícil XII.

Alta Viscosidad, Alto Punto de Fluidez

Indice manual

Indice volumen

CARACTERISTICAS DE SERVICIO DIFICIL Problemas Particulares Soluciones típicas de y Causas diseño de servicio Los líquidos con alto punto de fluidez y viscosidad alta hacen difícil el arranque.

Especifique una fuente de purga de líquido y conexiones para permitir el lavado del líquido entre las corridas.

Indice norma

Soluciones típicas de ingeniería de detalle Suministre líneas de calentamiento según MID Vol.13 HD–201–R.

Especifique camisas de vapor para el cuerpo y estopera de la bomba. Las pérdidas de líquido se acumulan en el plato base, creando problemas de mantenimiento.

Especifique un sello mecánico con facilidades de flujo y purga.

Use contacto con vapor para calentar el efluente de las estoperas. Drene las pérdidas al sistema central de colección.

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Indice manual

Indice volumen

Indice norma

ASPECTOS DIFICILES DE SERVICIOS ESPECIFICOS Requerimiento de Servicio Difícil I.

II.

III.

Fondos de Destilación Atmosférica Alto Flujo Alta Temperatura Punto de Fluidez Alto Sólidos en el Líquido

Fondos de Destilación al Vacío Igual que el Anterior

Suspensión del Coquificador en Lecho Fluidizado y Fondos del Fraccionador de Craqueo Catalítico Alta Temperatura Erosión Sólidos Finos

Problemas Particulares y Causas Peligro alto de fuego debido a combinación de sello difícil del eje, temperatura alta y caudal de flujo alto (diámetro grande de estopera).

Soluciones típicas de diseño de servicio


Especifique el flujo externo de lavado (para estopera), garganta de estrangulación, sellos de alta temperatura, enfriamiento por contacto de vapor.

Use sello mecánico de alta temperatura.

Especifique que el drenaje y venteo del cuerpo, si existen, vayan a un sistema cerrado.

Diseño de sistema de protección de fuego.

El líquido bombeado se solidifica en el cuerpo si se deja adentro durante el enfriamiento.

Especifique el flujo de hidrocarburos para lavado del líquido bombeado de alta viscosidad desde el cuerpo de la bomba durante las paradas.

–––––––––––

La cebadura de la bomba es difícil.

Coloque una línea de venteo desde la descarga de la bomba hasta la torre (con trazas de vapor).

––––––––––––

Entrada de aire en la bomba a través del sello, debido a succión de vacío.

Especifique una fuente para flujo externo de lavado (o sello) de estoperas que está disponible antes del arranque de la bomba.

Seleccione el diseño de bomba que produce presión positiva en la estopera, a pesar de la presión de succión negativa.

Erosión del cuerpo y el impulsor. Exceso de vibración debido a tranca del impulsor por “rocas” sólidas.

Minimice los requerimientos de cabezal (por debajo de 180 m (600 pie)) para evitar una velocidad alta de la boquilla del impulsor o el uso de múltiples etapas. Especifique una malla de retención permanente. Especifique una construcción con moledor de coque.

Recubra el impulsor y el cuerpo con un material duro como la stellita (la experiencia disponible es limitada). ––––––––––––

Vida corta del empacado o del sello debido a sólidos finos abrasivos.

Especifique un sello mecánico limpiado con gasóleo puro. Instrumentos para asegurar la no interrupción del suministro de líquido de limpieza externo.

Use sello de tipo fuelle de alta temperatura con tolerancia demostrada para los sólidos.

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ASPECTOS DIFICILES DE SERVICIOS ESPECIFICOS Requerimiento de Servicio Difícil IV.

Fondos de Alquitrán del Fraccionador Primario del Craqueador con Vapor Solidos Grandes Sólidos Finos Punto de Fluidez Alto Alta Temperatura

Problemas Particulares y Causas El espacio de los anillos de desgaste se llena con partículas de coque presentes en el alquitrán. La viscosidad del fondo varía ampliamente, 2 a 5000 mm 2 /s (2 a 500 cSt), dependiendo de la alimentación, modo de operación y condiciones que causan taponamiento.

Soluciones típicas de diseño de servicio Especifique anillos de desgaste con limpieza externa. A veces una bomba reciprocante se especifica como un repuesto extra.

Soluciones típicas de ingeniería de detalle Use un espacio libre de anillos de desgaste 10–20% mayor que el valor mínimo según API. –––––––––––––

Suministre una línea de reciclo para que se mantenga el flujo a un caudal alto a través de la tubería de succión y la bomba, independientemente de la operación del proceso.

V.

Emulsiones de la Unidad de Alquilación (del Reactor al Asentador) NPSH Insuficientes

Taponamiento de la línea de succión debido a acumulación de coque.

––––––––––––

Minimice la longitud de tubería y el número de codos; suministre una pendiente positiva continua.

Los hidrocarburos y los componentes ácidos en la mezcla tienen densidades absolutas muy diferentes; la composición del fluido bombeado varía desde rica en hidrocarburos hasta emulsiones promedio y hasta ricas en ácido.

Especifique el NPSHD en base de hidrocarburo puro. Especifique la construcción de bomba vertical. Especifique los extremos de densidad absoluta.

Diseñe la bomba para un cabezal correspondiente a una densidad absoluta mínima. Seleccione el tamaño del accionador para densidad absoluta máxima.

El acumulador para la succión de la bomba tiene características dinámicas no usuales que pueden causar funcionamiento inestable e inconstante de la bomba; la composición del fluido retenido tiende a cambiar rápidamente con el caudal de flujo.

Especifique un rompe vórtice y un punto de descarga para la mayoría de las mezclas uniformes existentes en la línea de succión.

Coloque un regulador NEMA Clase B o mejor para los accionadores de turbinas de vapor para minimizar la velocidad de fluctuación.

Especifique un control de bomba con atención especial, reconociendo las características no usuales del sistema.

Asegúrese que la velocidad de respuesta del controlador de flujo de la bomba sea ajustable, y que el sensor de nivel sea arreglado para cambios en las condiciones de la mezcla.

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ASPECTOS DIFICILES DE SERVICIOS ESPECIFICOS Requerimiento de Servicio Difícil VI.

Catacarb (Solución de Carbonato y Potasio) Gases Disueltos Sólidos Finos

Problemas Particulares y Causas



Cavitación cuando se usa un factor de seguridad de NPSH bajo y cuando el margen entre NPSHD y NPSHR es pequeño. Mantenimiento alto debido a la corrosión y erosión.

Use un factor de seguridad de 1.6 para NPSH. Especifique los anillos de des gaste con recubrimiento de acero inoxidable o cerámica y no carburo de tungsteno que degenera en catacarb.

No se requiere un margen entre el NPSH D y NPSHR si se usa un factor de seguridad conservador. No se use cobre, bronce o aluminio para componentes mojados por el fluido.

La vida mecánica del sello es corta debido a la baja lubricidad y la descarga de vapores de CO 2.

Sello individual con agua fresca como fluido de lavado.

–––––––––––

VII. Fenol Toxicidad

Se requiere confiabilidad alta en el sello del eje y control de fugas.

Ver MDP–02–P–09 para el sistema mínimo recomendado.

Un sistema alterno a veces usado es un forro de estrangulación de poco espacio de holgura y enfriamiento por contacto con vapor, llevando con tuberías el desagüe del plato prensa–estopa a un tanque cerrado de colección. Se puede usar un sello externo en vez de un empaque auxiliar, con una fuente de aceite presurizado o una tubería vertical atmosférica rellena de aceite y llevada a un punto de descarga de sobreflujo.

VIII. AAC (Acetato de Amonio Cuproso)

El sellado del eje es difícil debido a la vaporización instantánea de la solución en la cara del sello, rayado y cristalización en la cara del sello, ensuciamiento del plato de base con fugas solidificadas.

Ver MDP–02–P–09

––––––––––

IX. Carbamato de Amonio (Urea Intermedia)

Daño de cavitación cuando se usan los márgenes normales de NPSH, debido a complejidad e in certidumbre en los cálculos de la presión de vapor del carbamato.

Use un factor de seguridad de NPSH en el orden de 2 tan alto como resulte práctico, para evitar la vaporización. Consulte a los especialistas de máquinas y use datos NPSHR del suplidor con experiencia en este servicio. Algunos diseñadores proveen (30 m (100 pie)) de NPSHD.

––––––––––

X.

Cavitación cuando se usan los márgenes normales de NPSH.

Use el factor de seguridad NPSH en 1.25. Especifique una peque ña conexión taponada en la succión de la bomba para inyección temporal de nitrógeno a fin de mitigar los efectos de cavitación.

––––––––––

Solvente Pobre Sulfolane

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ASPECTOS DIFICILES DE SERVICIOS ESPECIFICOS Requerimiento de Servicio Difícil




Taponamiento de las mallas de retención de succión permanentes.

Especifique que las mallas de retención permanentes se diseñen para limpieza rápida.

––––––––––

El líquido tiene un valor muy alto.

Especifique que se coloque un sistema de colección para las fugas por las estoperas.

–––––––––––

Productos de Hidrocarburos Livianos: Metano, Etileno, Propano, Propileno, Butano

El arranque es difícil por el enfriamiento de la línea de succión y el cuerpo de la bomba tiende a vaporizar líquido.

Especifique la colocación de la línea de venteo para enfriamiento.

–––––––––––

Baja Temperatura

La minimización de la elevación de los tanques de almacenamiento causa un NPSHD muy bajo.

dar un NPSHD bajo.

Seleccione una construcción de bomba vertical para acomodar un modelo con NPSHR no mayor que 0.3 m (1 pie), para obtener la mayor flexibilidad de servicio.

Las bombas se arrancan remota mente para operaciones de carga.

Especifique un venteo de enfriamiento y un sistema automático de desvío de flujo mínimo.

Considere alarma de falla de sello y otra instrumentación de prevención de falla.

XII. Aceite Combustible Viscosidad Alta Sólidos Alta Confiabilidad

Hasta una falla pequeña de flujo de aceite combustible a las corrientes de las calderas apaga la caldera.

Especifique un acumulador en la descarga de la bomba para suplir flujo en el arranque de la bomba de reserva.

XIII. Asfalto Viscosidad Alta, Punto de Fluidez Alto. Temperatura Alta de Sólidos Finos

El sellado del eje es difícil debido al contenido de sólidos . del fluido, coquización de las fugas del sello y solidificación . líquido alrededor del sello en las paradas.

Servicio de bombas rotativas Contenido de sólido 0.1%, especifique empaque. Contenido de sólidos 0.1%, especifique sello mecánico con estoperas, forro de estrangulación y convertibilidad a empaque.

Sellos tipo fuelle para sensibilidad de sólidos.

Servicio de bombas centrífugas. Sólidos 2.0%, especifique los sellos mecánicos con estoperas convertibles a empaque.

–––––––––––

Todos los servicios Especifique flujo externo para lavar las estoperas durante las paradas, y en uso continuo si se demuestra que se requiere según la experiencia de servicios.

Estoperas con serpentines de calentamiento.

XI.

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ASPECTOS DIFICILES DE SERVICIOS ESPECIFICOS Requerimiento de Servicio Difícil

XIV. Circulación de Agua de En– friamiento Alto Flujo Alta Confiabilidad

XV. Agua de Alimentación a Calderas




Oxidación de asfalto y formación de coque en las líneas y las bombas cuando se usa aire comprimido como purga.

Coloque facilidades de desagüe para purgar la bomba y las líneas con un aceite más liviano cuando la bomba está apagada.

––––––––––

Coquización del contenido de la bomba debido a calor cuando las bombas con camisas de vapor están paradas en servicios intermitentes.

Lo mismo que arriba.

Prepare instrucciones de operación para calentamiento del cuerpo.

NPSHR usualmente mayor que 7.6 m (25 pie), haciendo crítico el diseño del sistema de succión.

Especifique que las bombas horizontales, si se usan, se de ben colocar debajo del nivel de agua (cebadas por gravedad).

Para bombas horizontales, la excavación de la bomba no debe ser más profunda que 1.2 m (4 pie), debajo del nivel. El NPSHR es especificado por el diseñador de bombas ajustando la profundidad de submergencia del ojo del impulsor.

Las plantas de proceso típica mente requieren que el 50% del flujo normal deba ser mantenido durante una falla de potencia.

La instalación más común es de dos motores que manejan bombas al 50% en reserva, que arranca automáticamente por presión de cabezal de descarga bajo.

–––––––––––

El mantenimiento es difícil debido al gran tamaño de la bomba.

–––––––––––

La bomba horizontal es preferida sobre la construcción vertical por desensamblamiento más fácil y remoción del rotor.

El empleo de turbinas de vapor para mover bombas verticales grandes es complejo y costoso debido a la falta de grandes turbinas verticales y el arreglo de ángulo recto requerido con las turbinas horizontales.

Especifique que las bombas pueden ser horizontales o verticales e indique una multiplicidad de arreglos que son alternativas aceptables al diseño específico (por ejemplo, unidades 4–33% como alternativa a unidades 3–50%).

Un estudio de optimización determina la selección entre tipo de bomba horizontal o vertical y selección entre arreglos múltiples especificados para ser aceptales.

El ensuciamiento de los equipos aguas abajo por piezas perdidas o desechos en sistemas directos.

Especifique los detalles de la base de la bomba incluyendo las rejillas; también tensores en la descarga de la bomba.

–––––––––––

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ASPECTOS DIFICILES DE SERVICIOS ESPECIFICOS Requerimiento de Servicio Difícil Requerimientos Altos de Confiabilidad




Corrosión por erosión de cuerpos de acero colado e internos debido a corrosión de agua deareada (contenido bajo de oxígeno).

Considere el cromo al 11–13% para tiempo de vida de servicio mayor, especialmente para partes adyacentes a zonas de escape de caída de presión alta.

–––––––––––

Las condiciones de succión y el caudal de flujo pueden cambiar más rápidamente que muchos servicios debido al cambio repentino del sistema de vapor.

Use un factor de seguridad de NPSH de 1.25.

–––––––––––

Coloque un sistema de desvío de flujo bajo para cada bomba. Ver MDP–02–P–09. El raspado, escoriado y erosión de los forros de interfase debido a ingestión sucia y la resistencia al raspado de materiales de forro comúnmente usado.

Especifique recubrimiento de estelita para forros de inter–etapas.

––––––––––

Una cantidad significativa de agua de alimentación a calderas es a veces necesaria para procesos o servicios a una presión bien por deba jo de la presión completa de la caldera, incitando al diseño de un servicio de dos bombas en serie. Con bombas en serie, la confianza sobre el servicio depende de dos unidades de bombas y la estabilidad operacional peligra por los cambios rápidos en la descarga de flujo al servicio intermedio de presión.

Si el caudal de descarga de presión intermedia es pequeña, use un sólo servicio de bombeo con una boquilla de corriente lateral en la bomba. Si el caudal de descarga de presión intermedia es alta, use un servicio de bombeo doble, cada una descargando al nivel de presión.

–––––––––– ––––––––––

Si la selección de diseño económico es la de bombas en serie (para incluir de paso un calentador de agua al nivel intermedio de presión) maneje ambas bombas con un accionador común para simplificar la coordinación del servicio.


PDVSA N

°

MDP–02–P–04

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PDVSA, 1983

TITULO

NPSH


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ESPECIALISTAS


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ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CAVITACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NPSH DISPONIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REQUERIMIENTOS DE NPSH, NPSHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EVITANDO LA INSUFICIENCIA DE NPSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NPSH EN LA TERMINOLOGÍA DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 VELOCIDAD ESPECIFICA DE SUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 2 4 6 11 13 13 14


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ALCANCE Este Documento consolida la mayor parte de los antecedentes acerca del cabezal neto de succión positiva (NPSH) necesario para diseñar servicios de bombeo. Se incluye, por conveniencia, datos para la estimación de los requerimientos de NPSH de bombas centrífugas y de desplazamiento positivo en los Documentos MDP–02–P–02 , MDP–05–P–06 y MDP–02–P–08 .

2

REFERENCIAS Manual de Ingeniería de Diseño Volumen 14 Equipos Rotativos.

3

ANTECEDENTES El NPSH ha sido objeto de confusión entre los diseñadores de servicios de bombeo debido a la proliferación de terminología relacionada y a la mala interpretación de la diferencia entre los requerimientos de NPSH de una bomba y el NPSH disponible para la misma en un diseño de servicio de bombeo dado. Se recomienda por lo tanto, ser cuidadoso no solamente en el cálculo de valores específicos, sino también en los términos seleccionados para ser usados en el texto de la especificación de diseño.

4

CAVITACION ¿Qué es Cavitación? La cavitación es un término estrechamente relacionado y casi sinónimo de ebullición. El término “ebullición” normalmente describe la formación de burbujas de vapor que ocurre cuando la presión de vapor de un líquido aumenta (con un incremento de temperatura) hasta un punto en el que iguala o excede la presión estática a la cual el líquido está expuesto. La “Cavitación” ocurre cuando la presión estática del líquido cae hasta o por debajo de la presión de vapor en un sistema de líquido en movimiento. Las burbujas de vapor formadas en la cavitación son subsecuentemente implotadas con el incremento de presión estática. La cavitación comúnmente ocurre en y alrededor del impulsor de una bomba centrífuga y la propela de un barco. El término “cavitación” se aplica muy específicamente a la formación y subsecuente implosión de las burbujas de vapor, pero también es usado para referirse a alguna de las manifestaciones de actividad de burbujas, tales como: 1.

Picadura y erosión de la superficie del metal.

2.

La capacidad del cabezal se reduce debido a turbulencia y bloqueo del pasaje del flujo.


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3.

Limitación de flujo debido al bloqueo del pasaje del flujo.

4.

Ruido de crepitación o golpeteo, como si la bomba estuviese llena de sólidos, causados por la implosión de las burbujas.

La fuerza tendiente a eliminar la cavitación es el margen por el que la presión estática local del líquido excede la presión de vapor del líquido a la temperatura en cuestión. Cuando es convertido en términos de cabezal de líquido, este margen de presión es definido como el cabezal neto de succión positiva, comúnmente denominado NPSH.

Salida de Gases Disueltos Estrechamente relacionado con la cavitación está la separación de gases disueltos en el líquido, tal como el bióxido de carbono en una solución de aminas o el aire en agua. Una porción de gases disueltos se libera de la solución cuando la presión del líquido disminuye en la línea de succión de la bomba y la velocidad aumenta cuando el líquido se aproxima al ojo del impulsor. Las burbujas de gas arrastradas crecerán en tamaño y se pueden aglomerar cuando la presión disminuye. Las burbujas de gas formadas pasan a través de la bomba como si fuera una mezcla de dos fases, en vez de implotar y condensar, como en la cavitación. Los efectos de la separación del gas son más suaves que los de la cavitación debido a la mayor compresibilidad de las mezclas de líquido / gas. Donde la cavitación ocurre simultáneamente con la separación de gas, los efectos de ruido y daño del metal por la cavitación tienden a disminuir. Con la presencia de burbujas de gas separadas, las ondas de choque producidas por la implosión en la cavitación son amortiguadas. Por ejemplo, el aire inyectado o mezclado en la succión de una bomba de agua operando con cavitación, tiende a reducir el ruido causado por la cavitación.

Mecanismo de Cavitación El margen entre el NPSH disponible a la succión de la bomba y el requerido por la bomba para una buena operación tiende a disminuir con el aumento del caudal de flujo en dirección al punto de la cavitación inicial debido a lo siguiente: 1.

El NPSH disponible en la succión de la bomba tiende a disminuir con el aumento del caudal de flujo a medida que la caída de presión en la línea de succión incrementa. Esto se puede notar particularmente cuando las bombas son operadas en paralelo, pero con la línea de succión dimensionada para la operación de una sola bomba.

2.

El NPSH requerido incrementa a medida que el caudal de flujo aumenta debido al incremento en la caída de presión causada por el incremento de velocidad a medida que el líquido fluye al ojo del impulsor.


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Esta tendencia se ilustra en la Figura 1. A medida que el margen entre el NPSH disponible y requerido se aproxima a cero, las burbujas de vapor y los “espacios” de la cavitación inicial comienzan a formarse en las áreas de presión baja de los pasajes del impulsor, especialmente en el lado trasero de los álabes cerca de los bordes de entrada. Las burbujas crecen a medida que el margen de NPSH alcanza cero y se convierte en negativo. Mientras las burbujas son llevadas del espacio de vapor hacia la zona de presión más alta del impulsor (la periferia en las bombas centrífugas) ellas colapsan, causando esfuerzos locales de compresión altos en la superficie del impulsor. El ruido se genera por la actividad implosiva de la burbuja. Cuando los espacios de vapor se hacen lo suficientemente grandes como para bloquear una porción significativa del pasaje de flujo entre álabes, no se puede obtener un aumento del flujo y la bomba opera en un segmento vertical de su curva de cabezal–capacidad. Se dice que opera “en el punto de ruptura”.

Severidad de los Daños Mecánicos La severidad del deterioro del metal (por formación de hoyuelos) que resulta de la cavitación tiende a incrementar a medida que aumentan los requerimientos de NPSH debido al aumento en la fuerza de implosión de las burbujas. Las bombas que operan con cavitación a caudales de flujo correspondientes a requerimientos de NPSH entre 5 y 6 m (15 a 20 pie) experimentarán un rápido deterioro del metal, mientras que las bombas operadas con cavitación a niveles de requerimiento de NPSH de 1m experimentan una larga vida de servicio entre las reparaciones del cuerpo.

5

NPSH DISPONIBLE Cálculos NPSHD es el termino comúnmente usado para designar al Cabezal Neto de Succión Positivo disponible, y se define como el margen entre la presión actual al nivel de referencia de la bomba y la presión de vapor a la temperatura de bombeo del líquido, convertido a cabezal del líquido bombeado. El NPSH D resulta de las condiciones existentes en la fuente de donde proviene el líquido y de los cambios de presión y temperatura a lo largo de la línea de succión. Cuando se selecciona un modelo específico de bomba y se diseña su base, el NPSH disponible se puede corregir al valor existente según la ubicación real de la línea central de la bomba o de la brida de succión, para establecer la comparación con los requerimientos de NPSH de la bomba particular.


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El cálculo de NPSH D requiere la determinación de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, y una cuidadosa estimación de la presión de succión existente al nivel de referencia de la bomba. El nivel de referencia de la bomba se discute en MDP–02–P–02. El procedimiento de calculo de NPSH D se presenta en MDP–05–P–06.

Influencia de la Estabilidad de Servicio en el NPSHD Los servicios que tienen condiciones de succión estables y bien controladas necesitan sólo un pequeño factor de seguridad en la determinación de NPSH D para ser reportado en la especificación de diseño, es decir, 1.10, para asegurar un funcionamiento de bomba sin cavitación. Los servicios que tienden a tener cambios rápidos, frecuentes o severos en las condiciones de succión (flujo, temperatura, presión, nivel) necesitan factores de seguridad mayores para cubrir la mayoría de las variaciones. El servicio de agua de alimentación a calderas es un ejemplo de este tipo de servicios, por lo que se recomienda un factor de seguridad de 1.25. No es necesario cubrir el 100% de todos los cambios de proceso posibles mediante el factor de seguridad, ya que las consecuencias de la cavitación: limitación de flujo, ruido y daño del metal a largo plazo son normalmente tolerables por períodos cortos e intermitentes.

Convención de 7.6 m (25 pie) de NPSHD El NPSH disponible pocas veces excede 7.6 m (25 pie) en el diseño práctico y económico. Y aún cuando así sea, el valor final pocas veces influencia la selección de la bomba. Como una convención, cuando el NPSH disponible que se calcula es mayor de 7.6 m (25 pie), un valor de 7.6 m (25 pie) “mínimo” se especifica, en vez del valor real. Además de simplificar el proceso de ingeniería, esto asegura que las bombas no serán seleccionadas por rutina con requerimientos de NPSH cercanos a los disponibles por encima del nivel de 7.6 m (25 pie). Esto es deseable debido a que los efectos de cavitación en el funcionamiento y los deterioros mecánicos son severos a niveles altos de NPSH R. Esta convención puede ser obviada cuando las circunstancias justifican ingeniería especial en los aspectos del servicio relacionados con NPSH, tal como cuando es económicamente factible, y cuando el tamaño óptimo individual de bomba se puede esperar que tenga un NPSH R por encima de 7.6 m (25 pie). En este caso, los datos del suplidor se deben obtener para corroborar los datos estimados de NPSHR a partir del MDP–02–P–02, y el NPSHD real se debe especificar, junto con la información sobre los modelos disponibles de bombas.


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Impacto en la Selección de Bombas La disponibilidad de NPSH tiene un impacto significativo en la selección de modelos de bombas y, por lo tanto, en el costo de las mismas. Las siguientes guías aproximadas resumen lo que se requiere para ajustar el NPSH disponible especificado.

NPSHD, a 0.6 m (2 pie) encima del suelo m 0–0.3

pie 0–1

0.3–2

1–7

2–3.7

7–12

3.7

12

5.5

18

7.6

25

Impacto en la selección de bomba NPSH insuficiente para cualquier bomba comercial debido a pérdidas de entrada de la boquilla de succión. La selección de la bomba está limitada a bombas verticales instaladas con el elemento de bombeo por debajo del nivel de la menor elevación del impulsor de la primera etapa a bombas horizontales reducidas en capacidad operando a velocidades y flujos menores que los de mayor eficiencia, y a ciertas bombas en línea. Se requiere de cautela en la selección de la bomba; la elección del modelo es a veces limitada; a veces se requiere una prueba de demostración del funcionamiento. Amplia selección de modelos hasta 160 dm 3 /s* (2500 gpm). Amplia selección de modelos hasta 440 dm 3 /s* (7000 gpm). Amplia selección de modelos hasta 690 dm 3 /s* (11000 gpm).

* Estos valores varían con el cabezal

6

REQUERIMIENTOS DE NPSH, NPSHR Generalidades El NPSH “requerido” se refiere al NPSH que se requiere en la brida de entrada de la bomba, o en la línea central del impulsor, según haya sido señalado por el constructor, para una operación satisfactoria a las condiciones nominales especificadas. Este representa el cabezal necesario para que el líquido fluya sin vaporizarse desde la entrada de la bomba a un punto en el ojo del impulsor donde los álabes comienzan a impartir energía al líquido. Esta es una característica individual de cada bomba y está determinada por la prueba del suplidor. Es una función del diseño del impulsor, el cuerpo de la bomba y la velocidad empleada. Los valores mínimos promedio de NPSH “requerido” para la mayoría de las aplicaciones de bombas centrífugas se muestran en las Figuras de documento



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MDP–02–P–02. Estos valores pueden normalmente ser satisfechos por todos los suplidores sin involucrar los costos extras para la bomba o selecciones de baja eficiencia. A capacidades grandes que requieren bombas grandes, los requerimientos de NPSH pueden incrementar rápidamente, particularmente cuando el cabezal alto o la temperatura alta limita el número de diseños disponibles. En aquellas circunstancias donde los costos u otras consideraciones resultan en NPSH disponible por debajo de los requerimientos normales de una bomba, es necesario suministrar una bomba especialmente calculada, usualmente con penalización en costo, o en eficiencia, o en ambos. Cuando el NPSH disponible es bajo (0.3–2 m (1 a 7 pie)), es muy importante que se especifique con exactitud (con precisión dentro de 0.15 m (0.5 pie)), ya que el tipo de bomba, la selección del modelo, y el costo son muy sensibles al valor de NPSH disponible. Donde se deban especificar valores bajos de NPSH disponible para bombas centrífugas, se puede esperar costos extras de equipos. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a la elevación de equipos y su distribución con respecto a la longitud y tamaño de tubería de succión y al número de accesorios utilizados. El flujo máximo que se desea durante la operación se debe considerar cuando se determinan las condiciones de NPSH para cualquiera de las siguientes situaciones que puedan aplicar: 1.

Bombas que operan intermitentemente por debajo del caudal de flujo nominal debido a cambios por control de nivel u otro cambio en el rango de control.

2.

Dos (o más) bombas que a veces operarán con una línea de succión dimensionada para la operación con una sola bomba.

Operación a la máxima capacidad posible de la bomba tal como ocurre cuando dos (o más) bombas operan normalmente en paralelo y una de ellas se detiene repentinamente. Si el uso de las Figuras de MDP–02–P–02 indican que el requerimiento de NPSH de modelos normales de bombas puede exceder los 7.6 m (25 pie), el diseñador debe: 3.

1.

Confirmar la precisión de sus cálculos de NPSH D y la base para el factor de seguridad empleado.

2.

Reconsiderar la multiplicidad seleccionada para el servicio.

3.

Obtener datos actualizados del suplido r para complementar los datos generalizados y típicos presentados en la s Figuras de MDP–02–P–02.

Se debe reconocer que la inclusió n de algunos ejemplos de diseño de bombas con requerimientos de NPSH altos en la Figura 5 de MDP–02–P–02 no implica que los


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diseños óptimos de servicios de bombeo hayan sido desarrollados realmente con esas bombas. En la práctica, raramente resulta económico aumentar la elevación del recipiente de succión para lograr un NPSH D mayor de 7.6 m (25 pie). Las figuras del MDP–02–P–07 incluyen una curva que presenta el cambio en porcentaje promedio en el NPSH requerido para bombas centrífugas frente al cambio de flujo.

Influencia de las Características del Líquido Los requerimientos reales de NPSH de una bomba están influenciados por las características del líquido que se bombea. Los líquidos puros tienden a causar un requerimiento alto de NPSH para la bomba porque todo el líquido tiende a vaporizarse a la misma condición de presión y temperatura, es decir, el líquido tiene un punto de ebullición único. Flujos de mezclas líquidas tales como las corrientes típicas de refinería causan una reducción en el NPSH R real con respecto al de las corrientes puras, porque sólo una porción de la corriente ebulle inicialmente. La proximidad de un fluido a su punto crítico afecta el valor real de NPSH R, ya que la violencia y las consecuencias de la cavitación se relacionan con el cociente de la densidad del líquido y del vapor a las mismas condiciones. Cerca del punto crítico del fluido las diferencias de densidad son pequeñas y el funcionamiento y los efectos mecánicos se reducen correspondientemente. Por lo tanto, el NPSH R se reduce. Por ejemplo, el requerimiento real de NPSH de una bomba que maneja agua disminuye con el incremento de la temperatura y se vuelve cero a la temperatura crítica del agua, 374.1 C (705.4 F). °

°

La inclinación de la curva de presión de vapor del líquido (presión de vapor vs. temperatura) a las condiciones de bombeo afecta la sensibilidad del NPSH R de la bomba, ya que con una curva inclinada, un pequeño incremento de temperatura por un deslizamiento interno de flujo puede causar un incremento grande en la presión de vapor, reduciendo así el margen del NPSH. El requerimiento real de NPSH para hidrocarburos tiende a ser menor que para el agua fría, y menor que para agua a la misma temperatura. Entre los hidrocarburos, el requerimiento de NPSH tiende a disminuir con el incremento de la densidad absoluta (a la temperatura de bombeo), a disminuir con el incremento de presión de vapor, y a disminuir con el incremento en la diversidad de la mezcla. Desafortunadamente, sin embargo, la diferencia en requerimientos de NPSH entre el agua fría y algún otro servicio líquido no se considera preciso, acertadamente predecible, o lo suficientemente consistente como para uso práctico en diseño ingenieril. El estimado de la cantidad de la reducción esperada involucra cálculos largos, extrapolaciones y especulaciones. Cuando se trata de mezclas de líquidos, tales como las corrientes típicas de hidrocarburos en refinerías, las complejidades y las incertidumbres del comportamiento del líquido



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se multiplican. Por esta razón, las bombas se deben seleccionar en base a valores de NPSHR probados con agua sin el uso de un factor de corrección. El hecho de que el valor de NPSH R de la bomba está basado en datos del agua y gravedad específica de 1.00 no debe ser confundido con el hecho de que el valor de NPSHD se calcula y especifica en términos de cabezal de líquido bombeado, con su densidad absoluta a las condiciones de bombeo. El valor de NPSH R puede ser usado para calcular el margen de presión suficiente para suprimir la vaporización de un líquido de servicio, y por ende, la presión mínima de succión para que no haya cavitación tal como se indica a continuación:

P1 

PV líquido de servicio



NPSH R valor para el agua X



F3

g gc

Ec. (1)

Todos los términos tal como se definen en MDP–02–P–02.

Ventajas y Desventajas de Bombas con Requerimientos Bajos de NPSH Las bombas centrífugas con requerimientos bajos de NPSH tienden a permitir ahorros en costos en la instalación de recipientes de succión y a ser afectados menos severamente por la insuficiencia de NPSH, pero tienen ciertas desventajas también, que frecuentemente superan las ventajas. Por conveniencia, las principales ventajas y desventajas de las bombas bajo requerimiento de NPSH se resumen aquí:



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Ventajas

Desventajas

Permite una elevación baja del recipiente de succión.

La curva de cabezal–capacidad puede probablemente caer y requerir controles especiales. La eficiencia tiende a optimizarse a flujo normal y bajo.

Permite el uso de una sola bomba en operación en servicio de flujo alto, que usualmente minimiza el costo total de instalación de servicio de bombeo. Los efectos de cavitación tienden a ser moderados, relativos a las bombas con NPSHR alto.

Las bombas verticales tienden a tener requerimientos de mantenimiento alto, debido a la multitud de espacios libres de movimiento. Las fuentes de suplidores y los modelos son limitados, por lo tanto, la procura requiere esfuerzo de ingeniería extra. La prueba de funcionamiento frecuentemente resulta conveniente para verificar las ofertas de funcionamiento del suplidor.

Establecimiento de Datos de Requerimientos de NPSH El caudal de flujo al cual comienza un deterioro significativo, debido a la cavitación, no puede siempre ser observado en el campo como un claro cambio en el cabezal. La transición de cavitación incipiente a cavitación parcial y hacia la “ruptura” es relativamente suave dentro de un intervalo pequeño de flujo. A pesar de que el grado de deterioro del cabezal que de muestra el requerimiento del NPSH de las bombas no está definido en forma precisa, una reducción de 3% en cabezal debido a cavitación es un valor guía en la industria. Los suplidores de bombas establecen los datos de requerimientos de NPSH realizando pruebas con agua en sus instalaciones de prueba para encontrar un cambio brusco en el cabezal y en la eficiencia mientras producen un decremento gradual en el “coeficiente de cavitación”, (sigma), mientras se ajusta la velocidad de rotación para mantener constante la velocidad específica de la bomba. El “coeficiente de cavitación” se define como: 



NPSH D Cabezal por etapa

Ec. (2)

Estimación de Cambios en los Requerimientos de NPSH Si los requerimientos de NPSH de una bomba en particular se conocen a alguna capacidad particular, el requerimiento de NPSH a otras capacidades se puede estimar con el uso de las curvas características promedio para requerimiento de NPSH dadas en MDP–02–P–07.


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Cuando la velocidad de la bomba se cambia, el requerimiento de NPSH cambia, y para un flujo dado, el nuevo requerimiento de NPSH se puede estimar usando la definición del parámetro de velocidad específica de succión, que es constante para un diseño de bomba dado. Resolviendo la fórmula de Sss Ec. (4) para NPSH se obtiene: F    

NPSH R

( ) 7N Q SSS

1 2

4 3

 

Ec. (2)

donde:

En unidades métricas NPSHR

=

N Q Sss F7

= = = =

Cabezal neto de succión positiva requerido Velocidad de rotación de la bomba Caudal de flujo volumétrico Velocidad específica a la succión Factor que depende de las unidades usadas

En unidades inglesas

m

pie

rev/s dm 3 /s rev/s 1.63

rpm gpm rpm 1

Si sólo se cambia el diámetro del impulsor, se puede usar la curva original de requerimientos de NPSH, que muestra NPSH R vs. Q.

7

EVITANDO LA INSUFICIENCIA DE NPSH Los problemas de insuficiencia de NPSH son tan comunes y suficientemente serios como para justificar consideraciones especiales acerca de como se pueden evitar durante las etapas de diseño del servicio y diseño de la instalación. Los métodos para evitar insuficiencia de NPSH obviamente caen en dos categorías generales: 1.

Métodos de asegurar e incrementar el NPSH D suministrado en el sistema

2.

Métodos de obtención de NPSH R bajo.

La segunda categoría se explora durante las actividades de procura de la bomba. A continuación se presentan algunos métodos específicos de la primera categoría que son dignos de consideración cuando se diseñan servicios que son propensos a sufrir problemas de cavitación (circulación de solución de catacarb, hidrocarburos de baja temperatura, agua de alimentación a calderas, fondo de torres de vacío, etc.):


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1.

2.

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Durante la preparación de las especificaciones de diseño a.

Use un factor de seguridad conservador en la determinación del valor de NPSHD especificado.

b.

Aumente la altura del recipiente de succión.

c.

Coloque la bomba lo más cerca posible del recipiente de succión.

d.

Seleccione la salida del recipiente de succión donde hay menor posibilidad de arrastre de vapor y coloque un rompe vértice en el recipiente.

e.

Use un tamaño de línea de succión sobredimensionado para baja velocidad.

f.

Coloque un enfriador en la línea de succión de la bomba para reducir la presión de vapor del líquido.

g.

Coloque una bomba reformadora (”booster”) de bajo cabezal que puede operar a velocidad baja y requerimiento bajo de NPSH para presurizar la succión de la bomba principal. La coordinación de la operación de las dos bombas se puede simplificar con el uso de un accionador común.

h.

Especifique una bomba vertical.

Durante el diseño de la instalación. a.

Coloque el tope de la fundación tan cerca del suelo como sea posible para bajar la línea media de la bomba.

b.

Minimice el número de codos en la línea de succión.

c.

Dele una disposición a la tubería de succión para que tenga una pendiente descendente constante, evitando cualquier punto alto (pendiente mínima 0.02 mm/mm (1/4 pulg por pie) ó el 2%).

d.

Use reductores excéntricos donde sea necesario un cambio en el tamaño de línea y oriente el reductor con la línea central del extremo pequeño por encima de la línea central del extremo grande (para evitar un punto alto que pueda recolectar una burbuja de vapor).

e.

Aísle la tubería de succión del calor de la atmósfera cuando se manejen líquidos volátiles a bajas temperaturas.

f.

Si el cuerpo de la bomba no es auto–ventilante, coloque un venteo en el recipiente de succión.

g.

Recalcule el NPSH D después que los arreglos de la tubería de succión han sido detallados para establecer la comparación con el NPSH R de la bomba.



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NPSH EN LA TERMINOLOGÍA DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Los suplidores de bombas de desplazamiento positivo comúnmente usan el término “esfuerzo de succión máximo permisible” (ESMP), que se expresa en kPa (pulg de mercurio al vacío), en lugar del término NPSH R, el cual se expresa en m (pie) líquido bombeado. El ESMP define el vacío máximo permisible que la bomba puede tolerar en su brida de entrada antes de que comience la cavitación. ESMP y NPSHR están directamente relacionados, ya que ellos expresan el mismo concepto pero en unidades y marcos de referencia diferentes. Note que el NPSH R es en valor absoluto, mientras que ESMP tiene como referencia la presión atmosférica. La conversión de ESMP a NPSH R se obtiene así:

CNSP R



F 8 F9 – ESMP gc  g

Ec. (3)

donde:

En unidades métricas ESMP

=

F8

=

F9

=

Esfuerzo de succión máximo permisible Factor que depende de las unidades usadas Factor que depende de las unidades usadas

kPa man. 1 101

En unidades inglesas pulg de Hg 70.726 29.9

Las demás variables tal y como fueron definidas anteriormente. Las especificaciones de diseño no deberían usar la terminología de ESMP para diseños de servicios de bombas de desplazamiento positivo. Las conversiones las pueden hacer los suplidores cuando así lo requieran.

9

VELOCIDAD ESPECIFICA DE SUCCIÓN El parámetro “velocidad específica de succión” caracteriza el requerimiento de NPSH de una bomba. Una bomba con velocidad específica de succión alta tiene baja tendencia a cavitar, aún a velocidades altas, y se requiere un diseño detallado del pasaje de flujo para lograr esta calidad. Una bomba con velocidad específica de succión baja tiende a requerir más NPSH para evitar la cavitación, pero probablemente es más barata y resulta más fácil de conseguir en el mercado comercial.


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Los diseñadores de proceso pueden hacer uso de este parámetro en el cálculo de una nueva aplicación para bombas existentes y en el establecimiento de la funcionalidad y precisión de las propuestas de selección de la bomba. La velocidad específica de succión se define como: SSS



F7 N X

Q 1 2

Ec. (5)

NPSHR 34

La factibilidad y la sofisticación de diseño de las bombas centrífugas se puede juzgar usando la velocidad específica de succión y las siguientes guías:

Velocidad Específica de Succión Sss rev/s rpm Hasta 140

hasta 8500

140–170

8500–10000

170–215

10000–13000

215–315

13000–19000

Por encima de 315

Por encima de 19000

Comentarios

Fácil de diseñar: modelos ampliamente disponibles Diseño de ingeniería más preciso; suficientes fuentes para procura competitiva. Diseño de alta ingeniería; fuentes comerciales limitadas a las que poseen experiencia extensa y facilidades de pruebas: usualmente se justifica una prueba de funcionamiento. Diseño muy especial; factible, pero raramente práctico para aplicación comercial. Caudal de flujo de operación limitada a un rango pequeño cerca de PME. No factible.

La comparación del Sss para la selección de una bomba propuesta según el criterio anterior permite una indicación aproximada de la sofisticación del diseño hidráulico de la bomba, e indica la necesidad de verificar con pruebas el funcionamiento predicho. Si la velocidad específica de succión de una bomba propuesta es alta, se puede lograr un valor más bajo: incrementando el NPSH disponible, usando una bomba de doble succión (para doble succión, use 1/2 de Q en el cálculo), reduciendo la velocidad de la bomba (y por ende, su curva de cabezal–capacidad) e incrementando el número de etapas. Si el NPSH disponible es conocido, la velocidad máxima permisible de la bomba se puede calcular sustituyendo NPSH R por NPSHD en la fórmula anterior. Con esta velocidad, se puede estimar la máxima curva de cabezal–capacidad).

10 NOMENCLATURA (MDP–02–P–02).


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Fig 1. RELACION DE CNSPD Y CNSPR CON EL CAUDAL DE FLUJO.


PDVSA N

°

MDP–02–P–05

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TITULO

TIPOS DE BOMBAS


APROB.

 PDVSA,

1983

APROB.

27

L.R.

PAG.

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ESPECIALISTAS


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ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ILUSTRACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INFLUENCIA DEL DISEÑO DE SERVICIO SOBRE LA SELECCIÓN DEL TIPO DE BOMBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 COMPARACIÓN DE TIPOS DE BOMBAS Y ESTILOS DE CONSTRUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 BOMBAS CENTRIFUGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 BOMBAS DE FLUJO AXIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 BOMBAS RECIPROCANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 BOMBAS ROTATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 2 3 3 4 20 20 20 21


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ALCANCE Este Documento presenta información acerca de los tipos de bombas disponibles comercialmente para cumplir diversos requerimientos de servicio en las áreas de aplicación de: procesos, químicos y servicios. Se desea ayudar al diseñador del servicio a especificar el mejor tipo general de bomba para un determinado servicio, y familiarizarlo con los factores que afectan la selección de los estilos de construcción y las características del diseño específico.

2

REFERENCIAS American Voluntary Standard for Centrifugal Pumps for Chemical Industry Use. Proposed Voluntary Standard for Vertical in–line Centrifugal Pumps for Process Use, by Manufacturing Chemists Association. API, Standard 610, Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industy Service. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook – Section on Pumping Liquids and Gases.

3

ANTECEDENTES La gran mayoría de las bombas que se usan actualmente en las refinerías, plantas químicas y de servicios son centrífugas. El cambio de las bombas de desplazamiento positivo principalmente reciprocantes comenzó en la década de los 30 y se completó a mediados de los 50. El diseñador del servicio de bombeo usualmente indica, en la Especificación de Diseño, el tipo general de bomba, tal como se explica en este Documento. La selección del estilo de construcción y las características de diseño usualmente se realiza en la ingeniería de detalles. A veces, sin embargo, un estilo de construcción y/o característica de diseño es tan importante para el cumplimiento exitoso de un servicio que el diseñador del mismo especificará también este detalle. El tipo de bomba comúnmente usado en las aplicaciones de plantas de proceso entra en las siguientes categorías: centrífuga, axial, tipo turbina regenerativa, reciprocante, dosificadora, diafragma y rotativa.

4

ILUSTRACIONES Las ilustraciones de tipos de bombas, estilos y nomenclatura de componentes se pueden encontrar en Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, Sección de “Pumping of Liquids and Gases”. El apéndice de este Documento contiene ilustraciones complementarias. (Figura 1).


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INFLUENCIA DEL DISEÑO DE SERVICIO SOBRE LA SELECCIÓN DEL TIPO DE BOMBA Los siguientes aspectos del diseño de servicio de bombeo tienen la mayor influencia en la selección del tipo de bomba más económica, usualmente en este orden: 1.

Caudal de flujo

2.

Requerimientos de cabezal

3.

Requerimientos de mantenimiento, confiabilidad

4.

Viscosidad a temperatura de bombeo y ambiente

5.

Requerimientos de control de flujo.

La selección del estilo particular de construcción, dentro de un tipo general, está influenciada principalmente por:

6

1.

Presión de descarga

2.

NPSH disponible

3.

Temperatura del fluido

4.

Restricciones de instalación y oportunidades, tales como limitaciones de espacio, montaje en línea, montaje directo de la bomba en un recipiente de proceso, etc.

COMPARACIÓN DE TIPOS DE BOMBAS Y ESTILOS DE CONSTRUCCIÓN Generalidades Los tipos y estilos de construcción de bombas usadas en servicios de bombeo en refinerías, plantas químicas y de servicios se resumen y describen en las Tablas 1 y 2. Los valores reportados para los distintos parámetros de funcionamiento son de naturaleza típica y descriptiva y no son suficientemente precisos para propósitos de tomas de decisión. Las bombas dinámicas ––centrífugas y axiales–– operan desarrollando una velocidad de líquido alta y convirtiendo la velocidad en presión en un pasaje de difusión de flujo. Tienden a tener una eficiencia menor que las bombas de desplazamiento positivo, pero operan a una velocidad relativamente alta para permitir un caudal de flujo alto en relación con el tamaño físico de la bomba. Las bombas dinámicas tienden a tener requerimientos mucho menores de mantenimiento que las bombas de desplazamiento positivo.



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Las bombas de desplazamiento positivo operan forzando a un volumen fijo de líquido a ir desde la zona de presión de entrada de la bomba hacia la zona de descarga. Esto se lleva a cabo intermitentemente en el caso de las bombas reciprocantes y continuamente, en el caso de las bombas rotativas de tornillo y engranaje. Las bombas de desplazamiento positivo operan a una velocidad rotativa menor que las bombas dinámicas y tienden a ser físicamente más grandes que las bombas dinámicas de igual capacidad.

Tipos de Bombas de Alto Cabezal Los siguientes estilos de construcción de bombas están disponibles para cabezales mayores que los de una centrífuga de una sola etapa (300 m), ordenados en orden descendiente de conveniencia según sus requerimientos de servicio y mantenimiento.

Estilo

Comentarios

Dos etapas de suspensión superior

Si se requiere lavado externo, asegúrese que la presión sea suficiente para oponerse a la presión que existe en la caja de estoperas. Adecuada para temperaturas y presiones mayores que las bombas de alta velocidad. Con frecuencia son significativamente más baratas que las bombas multietapa para servicios dentro de sus rangos de presión–temperatura, pero tienden a tener un requerimiento de NPSH alto y están limitadas a 230/260 C (450/500 F). Bajo requerimiento de NPSH. Alto requerimiento de mantenimiento. Caudales de flujo bajos, capacidad de cabezal muy alta.

Multietapa horizontal

Alta velocidad

°

Multietapa vertical Bombas reciprocantes

7

°

BOMBAS CENTRIFUGAS Generación de Presión Las bombas centrífugas comprenden una clase muy amplia de bombas en las que la generación de presión se logra con la conversión del cabezal de velocidad en cabezal estático. El movimiento rotativo de uno o más impulsores comunica energía al fluido en la forma de un incremento de velocidad que se convierte en cabezal estático útil en la sección de difusión del cuerpo. No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre de pulsaciones de baja frecuencia. Como este tipo de bomba opera convirtiendo el cabezal de velocidad en cabezal estático, una bomba que opera a velocidad fija desarrollará el mismo


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cabezal teórico en metros (pies) de fluido bombeado, independientemente de su densidad. Sin embargo, la presión en kPa (psi) (correspondiente al cabezal desarrollado) depende de la densidad del fluido. El cabezal máximo (en m (pie) de fluido) que una bomba centrífuga puede desarrollar se determina principalmente por la velocidad de la bomba (rps (rpm)), el diámetro del impulsor, y el número de impulsores en serie. Refinaciones en el diseño del impulsor y el ángulo de hoja principalmente afectan la pendiente y la forma de la curva cabezal–capacidad y tiene un efecto menor sobre el cabezal desarrollado. Existen bombas de múltiples etapas que desarrollarán cabezales muy altos; de hasta 1500 m (5000 pie) y flujos de hasta 75 dm 3 /s (1200 gpm). Ya que 1500 m (5000 pie) es equivalente a 6900 a 13800 kPa (1000 a 2000 psi) para el rango de líquidos normalmente encontrados en los servicios de refinería, las bombas centrífugas pueden cumplir con casi todos los requerimientos de refinería y son por lo tanto ampliamente aplicados. Los impulsores convencionales de bombas centrífugas se limitan a velocidades de boca en el orden de 60 m/s (200 pie/s). Para limitar la erosión, las velocidades de boca de impulsores de bomba para suspensiones de sólidos se limitan normalmente a 30 m/s (100 pie/s).

Capacidad Normal Las Figuras 1 y 2 en MDP–02–P–02 muestran el rango de capacidad normal para varios tipos de bombas centrífugas a dos rangos de velocidades diferentes: 60 rps y 50 rps (3550 rpm y 2950 rpm). Estos valores corresponden a las máximas velocidades disponibles con corriente de 60 y 50 Hz, respectivamente. La mayoría de las aplicaciones de refinería usan estos rangos de velocidad. Velocidades menores se usan cuando hay requerimientos bajos o medianos de cabezal y altos de flujo, y para suspensiones especiales abrasivas o líquidos corrosivos. Las aplicaciones de bombas centrífugas de baja capacidad pueden requerir circuitos de recirculación especiales en el sistema de proceso para mantener un flujo mínimo a través de la bomba. Por consideraciones prácticas en la construcción de impulsores, el tipo de bomba centrífuga más pequeña disponible tiene su punto de mayor eficiencia (PME) en alrededor de 3 dm 3 /s (50 gpm).

Capacidad Alta y Baja Las bombas con capacidades que exceden los límites mostrados en las Figuras 1 y 2 de MDP–02–P–02 tendrán normalmente altos requerimientos de potencia. Normalmente se justificarán investigaciones especiales sobre eficiencia, velocidad, requerimientos de NPSH, etc., para servicios por encima de la línea mostrada en la Figura 5 de MDP–02–P–02. Cabezales en o por encima de los límites mostrados para bombas de multietapa a velocidades de motor típicas se pueden obtener con un aumento de velocidad de los engranajes (accionador de motor), o de las turbinas para suministrar a la bomba velocidades de operación por


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encima de las velocidades máximas del motor. Los requerimientos de NPSH también se incrementan con la velocidad. En general, las bombas centrífugas no se deberían operar continuamente a caudales de flujo menores que 10 a 25% de su punto de mayor eficiencia. El Documento MDP–02–P–10 presenta información para el diseño de sistemas de recirculación de bajo flujo para protección contra flujo insuficiente. La relación de flujo nominal a PME y la necesidad de sistemas de recirculación para flujo bajo se puede estimar sólo durante la etapa de diseño de la planta. Después que se seleccionan los modelos específicos de bombas, las necesidades pueden ser reevaluadas y el diseño del sistema finalizado.

Características de Funcionamiento Las características de funcionamiento de las bombas centrífugas se presentan en los Documentos MDP–02–P–02 y MDP–02–P–07.

Sensibilidad a la Viscosidad Los niveles normal y máximo de viscosidad tienen un impacto significativo en la selección del tipo de bomba debido al deterioro del funcionamiento de las bombas centrífugas con el incremento de la viscosidad. El deterioro es continuo y gradual y por lo tanto cualquier regla que aplique a niveles específicos de viscosidad es necesariamente arbitraria. Las siguientes guías indican la práctica típica.

Viscosidad, mm2/s SSU 7

50

< 30

< 150

30

50

30–110

150–500

110–220

500–1000

Guías Viscosidad nominal mínima para bombas rotativas. La eficiencia de las bombas centrífugas comienza a disminuir a medida que la viscosidad aumenta a este nivel. La viscosidad debería ser especificada para servicios de bombas centrífugas cuando excede este nivel. Siempre se prefieren las centrífugas frente a las rotativas donde las condiciones permiten la aplicación de los dos tipos. Las condiciones de cabezal–capacidad de la centrífuga comienzan a deteriorarse. Normalmente se prefieren las bombas centrífugas frente a las rotativas a pesar de alguna caída de eficiencia. Las bombas de desplazamiento positivo son casi siempre usadas si la viscosidad esperada excede este nivel.


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220–650

1000–3000

Se prefiere la rotativa si la viscosidad está usualmente en este rango; si la viscosidad rara vez es tan alta como esta se prefiere la centrífuga.

650

3000

No se deben especificar bombas centrífugas cuando se espera que la viscosidad llegue a este nivel.

El efecto de la viscosidad en el funcionamiento de las bombas centrífugas se presenta en MDP–02–P–07.

Líneas de Succión Para Cebado de la Bomba Las bombas centrífugas convencionales no son autocebantes. O sea, no se puede evacuar vapor de la línea de succión para que el líquido fluya en la línea y en el cuerpo de la bomba, sin ayuda externa. La razón por la cual las bombas centrífugas no son auto–cebantes es por que sus impulsores están diseñados para bombeo eficiente de líquido, y no son operadas a velocidades de boca lo suficientemente altas para hacerlas efectivas como compresores de vapor. La diferencia de cabezal que es capaz de desarrollar el impulsor de la bomba es la misma para vapor y para líquido, pero, la capacidad de elevación de presión diferencial equivalente es ampliamente menor. Por lo tanto, los impulsores de las bombas centrífugas no pueden producir una reducción significativa de la presión del vapor en la línea de succión para permitir el flujo de líquido. Las bombas de desplazamiento positivo, por otro lado, pueden autocebarse, se dispone de tiempo suficiente, sacando el vapor desde la línea de succión hacia el sistema de descarga (o a la atmósfera). El hecho de que las bombas de desplazamiento positivo pueden autocebarse, no implica, sin embargo, que tengan requerimientos despreciables de NPSH. Sus requerimientos de NPSH son frecuentemente tan críticos como los de las bombas centrífugas. Algunos modelos de bombas centrífugas son diseñadas especialmente para ser “auto–cebantes”, pero estos tipos rara vez se aplican en servicios continuos de proceso. Un tipo de bomba auto–cebante logra la evacuación del vapor de la línea de succión por arrastre de burbujas de vapor desde el lado de succión del impulsor en una carga de líquido mantenida en el cuerpo de la bomba, o en una botella de retención/separación unida a él. La carga de líquido es recirculada hacia el lado de succión después de separar el vapor arrastrado. Otro tipo de bomba auto–cebante es el “Roto–prime” de Gilbarco que tiene una pequeña bomba de álabe deslizante (del tipo usado en las bombas dispensadora de las estaciones de servicio de gasolina), dentro del cuerpo de la bomba principal, del lado de la caja de estoperas del impulsor de la centrífuga. Cuando existe vapor en la línea de succión, la bomba de álabes deslizantes lo evacúa a través de los orificios y aberturas especiales de balance del impulsor. Cuando el cebado se ha


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completado, el estator de la bomba cebante se reposiciona automáticamente para parar la operación de cebado. Como las bombas centrífugas convencionales no son auto–cebantes, se deben cebar antes de arrancar, o sea, la línea de succión y el cuerpo de la bomba se deben llenar con líquido antes de arrancar la bomba. Cuando la fuente de succión está a presión positiva, o se coloca encima de la bomba, el cebado se lleva a cabo simplemente abriendo la válvula de succión y descargando o “ventilando” el vapor atrapado desde una conexión con válvula en el cuerpo de la bomba o en la línea de descarga (antes de la válvula de bloqueo de descarga). El líquido fluye en la línea de succión y el cuerpo de la bomba para desplazar el vapor a ventilar.

Ventilación del Cuerpo de la Bomba La mayoría de los tipos de construcción aplicados a los servicios de proceso son “auto–ventilantes”. Es decir, que una cantidad mínima de vapor atrapado en el cuerpo al arranque, después que el cebado de succión es completado, es rápidamente sacado, hacia la línea de descarga, cuando la bomba se arranca. Algunos tipos de bombas centrífugas como las horizontales con cuerpos divididos, sin embargo, no están concebidas para ser auto–ventilantes y están provistas con conexiones especiales con válvula de venteo las cuales requieren operación manual. Las bombas centrífugas de una sola etapa con conexiones de descarga en el tope tienen un buen funcionamiento de auto–venteo a pesar de que la forma del cuerpo coloca una pequeña bolsa de vapor de punto alto en el tope de la espiral de descarga. La decisión de que un tipo de construcción sea auto–ventilada o no se basa en si es necesario sacar las bolsas de vapor atrapadas en los puntos altos para lograr el funcionamiento especificado. Mientras que las predicciones de las características auto–ventilante se puede hacer por inspección de geometría, la determinación es hecha en base a demostración de funcionamiento. Los requerimientos de ventilación del cuerpo de la bomba rara vez es preocupación del diseñador del servicio, pero ocasionalmente, los venteos deben ser llevados hasta los recipientes de succión, por seguridad, control de emisiones o buenas razones de cuidado. Las bombas criogénicas, por ejemplo, requieren líneas de venteo del cuerpo para remover continuamente el producto vaporizado durante las operaciones de arranque.

Costos Los costos de las bombas centrífugas, se pueden estimar usando los paquetes comerciales de estimación de costo. Las bombas en línea, donde se pueden aplicar, son con frecuencia las más económicas. Con ellas se ahorra en disposición, fundaciones, tubería y válvulas, mantenimiento, y pueden reducir la necesidad de repuestos.



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Características de los Tipos de Construcción más Comunes Las características generales y de funcionamiento de los tipos de construcción de bombas centrífugas usadas más comúnmente en los servicios de refinerías se presentan en las Tablas 1 y 2. La siguiente información complementa las tablas. Una Sola Etapa de Suspensión Superior – El tipo de construcción usado más comúnmente en los servicios de proceso, y comúnmente llamadas “bombas de proceso de refinería” tiene un impulsor de una sola etapa de suspensión superior; su cuerpo es soportado en la línea media. Los dos cojinetes del eje son montados juntos en la misma cartela de cojinetes, con el impulsor suspendido por encima de ellos. Este tipo por lo general tiene bridas de succión y descarga superiores; anillos de desgaste en el frente y detrás del impulsor y del cuerpo; opciones de agua de enfriamiento en el pedestal, caja de estopera y cojinetes; una sola succión, impulsores cerrados, y una caja de estopera lo suficientemente profunda para 6 anillos de empaque, pero fijada con un sello mecánico. Los aspectos más significativos de su diseño son la disponibilidad para operaciones de temperatura alta, la remoción fácil del rotor y de los cojinetes internos del cuerpo para mantenimiento sin desensamblar las bridas de las tuberías, y la seguridad en el manejo de fluidos inflamables. Dos Etapas de Suspensión Superior – Una variante menor de la bomba de proceso de una sola etapa es la versión de dos etapas de este mismo tipo de bomba, que simplemente tiene mayor capacidad de cabezal. Con este tipo, la presión de la caja de estopera normalmente es un valor intermedio entre las presiones de succión y descarga. Una Sola Etapa, Impulsor–entre–Cojinetes – Bombas con capacidades por encima del rango de las de construcción de suspensión vertical tienen el impulsor (es) montado entre los cojinetes y por lo tanto tienen dos cajas de estoperas. Las versiones de una sola etapa desarrollan cabezales hasta 330m (1100 pie). Los cuerpos pueden ser divididos axialmente para temperaturas de 200 a 260 C (400 a 500 F), y son divididos radialmente para temperaturas hasta 455 C (850 F). En Línea – Las bombas en línea son verticales con el cuerpo diseñado para ser atornillado directamente en la tubería, como una válvula. Existen modelos para servicio de procesos de alrededor 65 dm 3 /s (1000 gpm), y para servicios de transporte a caudales de flujo mayores. El campo de funcionamiento de los modelos en línea disponibles se incluyen en las Figuras 1 y 2 de MDP–02–P–02. Las bombas en línea se construyen comúnmente en dos tipos: acopladas y de acople cercano (el impulsor sobre la extensión del eje del motor sin acoples intermedios). La vida de servicio y los requerimientos de mantenimiento de los dos tipos han demostrado ser prácticamente los mismos. El tipo acoplado se prefiere normalmente para simplificar el mantenimiento de la bomba y del motor. °

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°

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Las refinerías que han usado un gran número de bombas en línea han encontrado que son económicamente competitivas con las bombas horizontales


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convencionales. El servicio de mantenimiento del tipo en línea ha sido más frecuente (intervalos de 25 a 30% mas cortos entre períodos de mantenimiento) que para bombas horizontales convencionales, pero el costo menor de cada servicio y el ahorro en el costo primario han eliminado la desventaja de la mayor frecuencia de mantenimiento, como resultado de lo anterior, la selección entre los dos tipos no depende del precio y los costos potenciales de mantenimiento, sino de las situaciones específicas de instalación. Si el costo de tubería asociado con la bomba se puede reducir por una instalación en línea, o si el espacio es un factor dominante, entonces se prefiere el tipo en línea. Por otro lado, si se requiere un sello mecánico doble, o si se desea tiempo máximo entre acondicionamiento, entonces se prefiere el tipo horizontal convencional. La experiencia de refinería ha indicado que las bombas en línea para servicios medianamente pesados no tienen requerimientos de mantenimiento mayores que los modelos para servicio pesado; por lo tanto se prefiere el más bajo costo de las bombas para servicios medianamente pesados cuando las condiciones del servicio lo permiten. La experiencia también ha indicado que las bombas en línea de estructura extendida con un acople rígido entre motor y bomba tienen unos requerimientos de mantenimiento iguales a los de estructura corta sin acople. La duración promedio de tiempo de trabajo entre períodos de mantenimiento en dos refinerías con experiencia extensa con bombas en línea ha sido de 11 meses. Las normalizaciones de la industria química para bombas en línea se resumen en “Proposed Voluntary Standard: Vertical In line Centrifugal Pumps for Process Use”, febrero 1971, por Manufacturing Chemists Association. Altas Velocidades – Las bombas de velocidad alta son modelos de un solo impulsor diseñado para velocidades de 170 a 280 rps (10000 a 17000rpm), y ocasionalmente tan altas como 400 rps (24000 rpm), y para cabezales de hasta 1600 m (5200 pie). Las altas velocidades de los modelos que se encuentran corrientemente en el mercado se logra con engranajes de precisión ent re el motor eléctrico y el eje de la bomba. Las Figuras 1 y 2 en MDP–02–P–02 muestran el campo de funcionamiento actualmente disponible. La temperatura de bombeo está limitada a 230/260 C (450/500 F). °

°

Un modelo de dos etapas fue introducido en 1970 con cabezales hasta 3650 m (12000 pie), presión hasta 31000 kPa man.(4500 psig), y rangos de flujo de 3.2 a 25 dm3 /s (50 a 400 gpm). El cabezal alto se logra en esta clase de bombas centrífugas usando velocidades periféricas de 20 a 60% mayores que la que se emplean en las bombas convencionales. Los niveles de esfuerzos en los impulsores son mayores que en las bombas convencionales, pero son minimizados por el uso de construcción semiabierta y álabes simples radiales. La forma de los álabes radiales tiende a


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producir un decremento indeseable en la forma de la curva cabezal–capacidad, pero maximiza la generación de cabezal. Las bombas de alta velocidad tienden a tener un requerimiento alto de NPSH por el repentino incremento de velocidad que sufren cuando el líquido entra en el impulsor. A veces se requiere un NPSH tan alto como 30 m (100 pie). Si el NPSH D está limitado, se puede estipular un inductor helicoidal de aumento de espacio, semejante a un tornillo extendiéndose desde el ojo del impulsor hacia el pasaje de succión, el cual contribuirá a un aumento suficiente en presión para compensar el incremento de velocidad y producir un 50 a 75% de reducción en el NPSH R. Como la configuración helicoidal es difícil de manufacturar con la mayoría de las aleaciones, su costo es significativo. Por lo tanto, es aplicado solamente cuando se justifica por reducción del NPSH R. Los requerimientos de mantenimiento para bombas de alta velocidad tienden a ser mayores que para bombas de una sola etapa de velocidades típicas, pero aproximadamente iguales a los de modelos de múltiples etapas con los cuales ellas compiten para los servicios de cabezal alto. Químicas – La clasificación de bombas químicas es imprecisa, pero el término generalmente describe bombas cuyo cuerpo tiene un diseño de formas que pueden ser moldeadas en aleaciones de alto costo a precios moderados. Con frecuencia los cuerpos de estas bombas se soportan por la base o mediante cartelas de cojinetes en lugar de soportarlos por su línea central. Las bombas están limitadas a presiones, temperaturas y caudales de flujo relativamente bajos. Ellas son frecuentemente manufacturadas según AVS, en vez de las normalizaciones API. Algunos modelos especiales de bombas químicas son diseñados con recubrimiento fenólico o de vidrio lo cual evita la exposición del metal al fluido bombeado. Suspensiones – Las bombas para suspensiones son modelos con características concebidas para combatir las condiciones severas del bombeo de suspensiones. Las características especiales frecuentemente utilizadas son: 1.

Pasajes de flujo anchos para evitar taponamiento.

2.

Impulsores abiertos o semiabiertos que son menos sensitivos que los impulsores cerrados al taponamiento.

3.

Impulsores de algunos tipos de bombas no–taponables, de cabezal bajo son semiabiertos y protegidos hasta el punto que la acción del vórtice, y no la acción directa del álabe, es la que cumple el bombeo.

4.

Arreglos que desintegran las partículas grandes (semejante al “demoledor de coque”).

5.

Velocidades de fluido bajas generadas por el uso de velocidades rotativas y periféricas tan bajas como sea posible.


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6.

Arreglos especiales de sello de eje que minimizan los requerimientos de mantenimiento.

7.

Posición del rotor ajustable para restaurar el espacio axial sin desmantelar la bomba.

8.

Platos de desgaste reemplazables y álabes de bombeo detrás del impulsor, en vez de anillos de desgaste que están sujetos a erosión.

9.

Recubrimientos especiales del cuerpo, de caucho por ejemplo, algunos de los cuales son reemplazables.

10.

Selección de materiales para resistencia a la erosión y la corrosión.

11.

Velocidad ajustable y variable para limitar la velocidad interna al mínimo requerido para cumplir los requerimientos de cabezal.

Bombas encapsuladas – Las bombas encapsuladas son unidades motor–bomba con el rotor rotativo y el impulsor completamente dentro de un sistema cerrado a presión. El arreglo elimina la necesidad de una caja de estopera. Los cojinetes son lubricados por el fluido bombeado, y el rotor del motor es enfriado por él mismo. El tipo de construcción está limitado a servicios de presión, flujo y temperaturas bajas en las aplicaciones químicas, pero los modelos grandes y sofisticados se aplican a sistemas de potencia con reactor nuclear y algunos servicios de proceso. Horizontales multietapa – Las bombas horizontales de múltiples etapas usualmente se limitan a aproximadamente 12 etapas debido a la dificultad en limitar la deflexión sobre el gran tramo entre cojinetes. Las bombas horizontales de múltiples etapas tienden a ser 10% menos eficientes que su contra parte vertical por debajo de 20 dm 3 /s (300 gpm) y 3 a 5% menos eficientes entre 20 dm3 /s y 32 dm3 /s (300–500 gpm). Ellas tienen aproximadamente los mismos requerimientos de NPSH que las bombas de una etapa de la misma capacidad. Verticales multietapa – Las bombas verticales múltiples etapas pueden tener hasta 24 etapas, y a veces más. Los modelos de alto diferencial de presión usan un arreglo de presión opuesta. Por debajo de aproximadamente 370 m de cabezal, están fácilmente disponibles bombas verticales con construcción tipo plato (Bowl), para valores de NPSH R tan bajos como 0.3 m (1pie) en la brida de succión. Frecuentemente se usan impulsores de flujo “mezclado” (o de velocidad específica alta). La primera etapa está en el fondo del ensamblaje, de bajo del nivel. El requerimiento de NPSH en la brida de succión es usualmente alrededor de 1.8 m (3 pie) pero puede hacerse tan bajo como 0.3m (1 pie). Las bombas verticales de múltiples etapas emplean frecuentemente impulsores de alta velocidad específica o de “flujo mezclado”, que generan un cabezal relativamente bajo por etapa. Esta es la razón que origina el gran número de etapas encontradas frecuentemente en las bombas verticales. Las razones para


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el uso de impulsores de alta velocidad específica son: la necesidad de minimizar el diámetro de los impulsores y el cuerpo de la bomba, y el deseo de mantener una eficiencia alta en una unidad de múltiples etapas y de cabezal alto. El tipo de construcción de bombas de múltiples etapas verticales requiere un gran número de espacios estrechos de movimiento. Por lo tanto la bomba es usualmente sensible al daño por admisión de sólidos y por operaciones en seco o de dos fases. Cuando se efectúa el mantenimiento, muchas partes deben ser desarmadas, reparadas o sustituidas, y luego reensambladas. Estos factores causan que las bombas verticales de múltiples etapas requieran de mantenimiento con mayor frecuencia que las bombas horizontales, y además que el costo de cada servicio sea mayor que el comparable de las bombas horizontales. Para evitar estos costos de mantenimiento más altos y la baja confiabilidad, los servicios de bombeo se deben diseñar para evitar la necesidad de usar bombas verticales de múltiples etapas, siempre que sea posible.

Facilidad Relativa del Mantenimiento para los Tipos de Construcción más Usuales Los distintos tipos de construcción de bombas centrífugas de uso común difieren en su facilidad de mantenimiento, siguiendo aproximadamente este orden: (más fácil)

(más difícil)

Vertical en línea, una etapa. Horizontal de una sola etapa y de dos etapas de suspensión superior, dividida radialmente. Horizontal de una sola etapa, impulsor entre los cojinetes, dividida axialmente. Horizontal de múltiples etapas, dividida axialmente. Alta velocidad de una sola etapa. Horizontal de una sola etapa, impulsor entre los cojinetes, dividida radialmente. Horizontal de múltiples etapas, dividida radialmente. Vertical, eje largo, una etapa. Vertical, eje corto, de múltiples etapas. Vertical, eje largo, de múltiples etapas.

Características de Diseño de las Bombas Centrífugas Una amplia variedad de características de diseño están disponibles y se aplican a muchos de los tipos básicos de construcción. El siguiente sumario desea familiarizar al diseñador del servicio con la naturaleza y la terminología de las características más significativas de diseño mecánico disponibles. Clasificación de Carga al Cuerpo – La clasificación de presión–temperatura de los modelos de bomba suministra un índice para la clasificación de carga del servicio. El tipo Construcción para servicio “liviano” o “general” está disponible



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comúnmente, para servicios industriales domésticos e intermitentes, pero sus características no están bien normalizadas ni claramente definidas. El servicio “medianamente pesado” corresponde a rangos entre –29 y 150 C (–20 y 300 F), a 2100 kPa man. (300 psig), 32 dm 3 /s (500 gpm), y 60 rev/s (3600 rpm). El tipo de construcción para servicio “pesado”, se refiere a rangos fuera de estos límites. °

°

Para servicios no inflamables, no riesgosos, y por debajo de los limites de servicio “pesado” se puede considerar la compra de bombas que no cumpla API 610 en algunos renglones y con otras restricciones según se define en dicha norma. La experiencia ha indicado que las bombas para servicio “medianamente pesado” trabajan tan bien como las bombas para servicio pesado que no tienen requerimientos de mantenimiento mayores. Diseño de Conversión de Presión: Espirales, Difusores – Muchas bombas comerciales tienen canales divergentes llamados espirales colocados en la sección de descarga del cuerpo. El flujo a través de la espiral causa una disminución en la velocidad desde la velocidad de boca (típicamente 60 m/s (200 pie/s)) a la velocidad de la línea de descarga (típicamente 5 m/s (15 pie/s)), lo cual a su vez causa un incremento de la presión. Los pasajes de las espirales individuales se usan en la mayoría de los diseños de bombas ya que son simples y eficientes. Sin embargo, el diseño delas espirales individuales impone una carga radial no balanceada en el impulsor, debido a la variación en presión alrededor de la periferia. Para diseños donde los niveles de fuerzas no balanceados puedan causar una deflexión significativa del eje, (típicamente por encima de 150 m/etapa (500 pie/etapa)) se usa el diseño de espiral doble. Los canales dobles de descarga tienden a balancear las fuerzas radiales y por lo tanto a reducir el esfuerzo cíclico en el eje. Pocas bombas de proceso usan difusores con álabes para conversión de presión en vez de espirales. Estas incluyen algunas bombas en línea, algunas bombas de flujo axial, y algunas bombas diseñadas para cabezal alto, y rango de bajo flujo. Las ventajas de los difusores con álabes son las fuerzas radiales balanceadas, el tamaño compacto, y la eficiencia pico a cabezales altos y flujos bajos. Las desventajas son que estas resultan más complicadas de construir y reparar que las bombas con espirales, y las curvas de funcionamiento tienden a caer, con caídas severas en las eficiencia debajo del 50% del PME. Tipos de Impulsores – La mayoría de los impulsores usados en las bombas de refinería están encerrados con todos los discos y las cubiertas y se denominan “cerrados”. Los impulsores semiabiertos son usados ocasionalmente, y tienen un disco de apoyo completo, pero sin cubierta. Los impulsores completamente abiertos, que tienen álabes pero poco o ningún material de disco, son ocasionalmente usados en cabezales bajos, en servicios de manejo de sólidos.


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La mayoría de los impulsores usados en las bombas de refinería tienen arreglos para succión de un solo lado y se denominan diseño de “una sola succión”. Los modelos de bomba de flujo alto usan impulsores que aceptan succión de ambos lados y se denominan de “succión doble”. La mayoría de los impulsores usados en las bombas de refinería son del tipo centrífugo puro, caracterizados por una velocidad específica baja. Las bombas de flujo muy alto usan impulsores de “flujo mezclado” que incluyen un componente axial significativo en la dirección del flujo de fluido. La mayoría de las bombas verticales de múltiples etapas, especialmente las bombas de pozo profundo, usan impulsores de flujo mezclado para mantener pequeño el diámetro por conveniencias de instalación. El diámetro pequeño y la velocidad específica se combinan para limitar el cabezal por etapa a valores bajos, típicamente de 30 m a 45 m (100–150 pie), y tienden a requerirse muchas etapas. Este estilo de bomba vertical es a veces llamado bomba tipo “turbina”, (por la dirección semi–axial del flujo) a pesar que su diseño es totalmente diferente al de las bombas clásicas de tipo turbina regenerativa. Arreglos de anillos de desgaste – La mayoría de las bombas de refinería se diseñan con espacios estrechos de corrida por el lado de la succión para separar la zona de presión de descarga de la bomba, de las zonas de la presión de succión y minimizar el retroflujo o “deslizamiento”. Los anillos de desgaste se acomodan en el espacio estrecho del cuerpo de la bomba y usualmente en una posición opuesta sobre el impulsor para permitir un recobro fácil del espacio libre de diseño. Estos dos anillos se denominan anillos de desgaste del “cuerpo” y del “impulsor”, respectivamente. En muchas bombas de refinería de alta presión, los anillos de desgaste también se colocan en el lado trasero (disco) del impulsor para reducir la fuerza de presión sobre el impulsor, y para minimizar la presión a la que se expone la caja de estoperas. En algunos modelos, se colocan pequeños álabes de bombeo en la parte de atrás del impulsor con el mismo propósito que los anillos de desgaste trasero. En algunos modelos de bombas para servicios de baja presión donde el potencial de presión de carga es insignificante, no se aplican arreglos para limitación de la contrapresión y la caja de estoperas opera a la presión de descarga. Localización y Orientación de las Boquillas – La mayoría de las bombas horizontales de proceso en refinerías están provistas de boquillas de succión y descarga en el tope del cuerpo. Este arreglo es conveniente para arreglos de grupos de bombas en filas y sus bancos de tuberías y para diseñar las tuberías para fuerzas y momentos mínimos contra las bridas de las bombas. Las boquillas de succión pueden también ser ubicadas en los extremos de las bombas horizontales de proceso, coaxialmente a la línea central del eje. Las bombas para temperaturas moderadas y las bombas de transferencia de productos frecuentemente se seleccionan con succión en los extremos. Las


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bombas diseñadas para limpieza de anillos de desgaste, con frecuencia, solamente están disponibles con arreglos de succión en el extremo, debido a los requerimientos de configuración del cuerpo. Las conexiones de succión lateral usualmente se utilizan en bombas horizontales divididas horizontalmente, para permitir la colocación de la boquilla en la mitad del fondo del cuerpo, a fin de que esta mitad no requiera ser removida cuando se realiza mantenimiento en los internos de la bomba. Las conexiones de descarga lateral se usan frecuentemente en bombas horizontales divididas horizontalmente, y con poca frecuencia en las bombas horizontales divididas verticalmente. En servicios como agua de alimentación de calderas ocasionalmente existe la necesidad de que una parte del flujo total está a una presión menor que la presión final de descarga. Las bombas se pueden diseñar con boquillas de descarga lateral al nivel de presión intermedio deseado a fin de suplir esta necesidad a los costos mínimos de equipos y operación. Sin embargo, la construcción de la bomba es no convencional, garantizando una consulta con el especialista de máquinas durante el diseño del servicio. Construcción del Cuerpo: Simple, Doble – La mayoría de las bombas centrífugas usadas en los servicios de refinería tienen cuerpos simples, es decir, una sola pared entre el líquido a la presión de descarga y la atmósfera. Por otro lado, los cuerpos dobles se usan en dos tipos importantes de bombas. El tipo más común de bombas horizontales, de múltiples etapas, y de alta presión usadas actualmente envuelven el grupo de diafragmas de las etapas con una pesada carcaza en forma de barril. El grupo de diafragmas es conocido como el cuerpo interno, y el barril como el cuerpo externo. Las bombas de alimentación a calderas con frecuencia son de este tipo de construcción. Un segundo ejemplo de bombas de doble cuerpo es la bomba vertical que consiste en un cilindro vertical enterrado en el suelo en el que se inserta un elemento de bombeo. El líquido de succión normalmente entra en el cilindro o cuerpo externo, fluye hacia el fondo y luego hacia arriba a través de las etapas de la bomba. Los diafragmas de las etapas en los elementos de bombeo incluyen el cuerpo interno de la bomba. Orientación de las Juntas del Cuerpo – Los cuerpos de las bombas deben tener juntas para permitir el ensamblaje y el desensamblaje. El cuerpo puede estar unido en el mismo plano del eje (dividido axialmente), o perpendicular al eje (dividido radialmente). Las bombas horizontales divididas axialmente se llaman con frecuencia “divididas horizontalmente”. Las bombas horizontales divididas radialmente se llaman con frecuencia “divididas verticalmente”. Las juntas axiales se usan comúnmente en las bombas para agua y otros líquidos con densidades superiores a los 700 kg/m 3 (44 lb/pie3), temperaturas bajas (por


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debajo de 200 C (400 F)) y presiones de bajas a moderadas. Las juntas radiales se usan en bombas horizontales de proceso suspendidas superiormente para permitir una remoción conveniente del rotor y del ensamblamiento de las cartelas de cojinetes para mantenimiento. También se usan en bombas de alta presión de múltiples etapas por el problema estructural de diseñar tornillos adecuados para las porciones del cuerpo divididas axialmente expuestas a presión interna alta. °

°

El cuerpo externo de bombas verticales es dividido radialmente. El cuerpo interno de bombas verticales de doble cuerpo se diseña para juntas radiales, axiales o radiales y axiales. Soportes de Cuerpo – La mayoría de las bombas horizontales de refinería tienen sus cuerpos soportados por las placas de base, y las cartelas de cojinetes, a su vez, se apoyan en el cuerpo. Esta construcción simplifica el mantenimiento ya que los internos de la bomba pueden recibir servicio sin molestar las bridas de las boquillas. La mayoría de las bombas con cuerpo soportado tienen extensiones a los lados del cuerpo a nivel de la línea central que descansan sobre pedestales. Este tipo de bomba se define como “soportadas por la línea central”. El movimiento de la línea central a medida que la temperatura del cuerpo de la bomba aumenta es minimizado con este arreglo ya que se mantiene una buena alineación de las uniones. Los cuerpos de bombas para servicios a niveles de temperaturas ambientales y moderadamente bajos son soportados con frecuencia por el fondo del cuerpo y se conocen como “soportados por el fondo”. Algunos modelos de bombas se diseñan para soportar el cuerpo mediante la caja de los cojinetes internos, la cual es soportada por la placa de base. Esto requiere la desconexión de las bridas de las boquillas para efectuar el mantenimiento interno de la bomba. Este tipo de construcción usualmente se limita a bombas pequeñas de costo bajo, y no cumple con los requerimientos del API. Control de Presión Axial en Bombas de una Sola Etapa – Las fuerzas axiales que actúan sobre el impulsor de la bomba en dirección hacia el acople raramente son iguales a las que actúan en sentido contrario. O sea, las fuerzas de presión no están perfectamente balanceadas, y la carga neta resultante es soportada por los cojinetes de presión de la bomba. Para mantener el cojinete de presión a baja carga y dentro de su rango de carga admisible, el diseñador debe tener cuidado de balancear las fuerzas de presión axial tan bien como sea posible. Las fuerzas resultantes de la presión de succión, descarga e intermedia del líquido bombeado, más la presión atmosférica sobre los extremos de los acoples del eje se aplican sobre las diversas áreas proyectadas. En el diseño de bombas para altas presiones de succión y descargas, el elemento principal en el desbalance de presión es la presión de succión impuesta contra el área final del eje. A esta fuerza sólo se opone la presión atmosférica en el extremo del acople.


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En las bombas que tienen presión de descarga actuando sobre la parte posterior del impulsor, el elemento principal del desbalance de presión es la presión de descarga que actúa sobre la parte posterior del disco. Para reducir esta fuerza, se colocan anillos de desgaste en la parte posterior del impulsor y se perforan unos orificios de balance en el disco para bajar la presión detrás del área de orificio del impulsor hasta virtualmente la presión de succión. El espacio pequeño del anillo de desgaste mantiene el flujo que recircula a través de las perforaciones de balance, en un mínimo. A veces se usan álabes de bombeo en la parte posterior del impulsor en vez de los anillos de desgaste para lograr los mismo propósitos, es decir, reducción de presión, y limitación de la presión de la caja de estoperas. Un método para predecir la presión a la que esta expuesta la caja de estoperas se presenta en la MDP–02–P–09. Control de Presión Axial en Bombas Múltiples Etapas – Las bombas de múltiples etapas para diferenciales de presión moderados se diseñan para cargas de presión unidireccional, con los cojinetes de presión absorbiendo la totalidad de la carga. En el caso de bombas verticales el peso de rotores usualmente aditivo a la presión hidráulica. Para diferenciales de presión altos, se usan arreglos de impulsores opuestos, de modo tal que la presión axial de un grupo de impulsores está opuesta en dirección a la del segundo grupo. La fuerza de presión es por lo tanto mantenida a un nivel bajo. Diseños de Cajas de Estoperas – La mayoría de las bombas de refinería se diseñan con cajas de estoperas convencionales que pueden ser llenadas con material empacado como alambre trenzado o anillos de hoja metálica, o con un sello mecánico. Los cuerpos de bomba que se diseñan para montar sólo un sello mecánico del eje y no son convertibles a sello empacado, se dice que tienen sellos “internos”. Este estilo minimiza la suspensión del eje, y cuesta menos que el tipo de caja de estopera convencional. Se usa comúnmente en servicios limpios, de presión de succión moderada y niveles de temperatura moderados. Las desventajas de este tipo de construcción son: 1.

Alta sensibilidad al sucio en el líquido bombeado

2.

Se pueden aplicar menos remedios para corregir los problemas crónicos en servicios de sellos mecánicos

3.

“El último recurso” de recurrir a empacado convencional no es posible.

Por estas razones, la aplicación de “sellos internos” ha sido limitada en las plantas de proceso. Arreglos de Acoples del Eje – Los ejes de las bombas pueden estar unidos al eje del accionador por un acople separado removible y flexible, o pueden estar


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directamente integrados con el eje del accionador. La gran mayoría de bombas de plantas de proceso tienen acoples separados. El tipo de eje integral se conoce como “acople cercano”. Las bombas de servicio de nivel comercial pequeño son con frecuencia de este tipo. Las bombas verticales de aceite vertical auxiliar accionadas con turbinas de vapor en sistemas de compresión con aceite lubricante son a veces de este tipo, así como también las bombas encapsuladas. Facilidades de Enfriamiento – Las bombas centrífugas han sido tradicionalmente equipadas con una variedad de facilidades de enfriamiento que los constructores han considerado esenciales para evitar el sobrecalentamiento de los cojinetes, para mantener la alineación, y para asegurar el funcionamiento apropiado del sello mecánico. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que la mayoría de las bombas en servicios por debajo de 200 C(400 F) pueden trabajar sin enfriamiento con agua, sin provocar ninguna reducción significativa de la confiabilidad de la bomba. Las Basic Practices permiten el uso de agua de enfriamiento en servicios por encima de 200 C(400 F), donde se requiera para los siguientes propósitos específicos: °

°



°

°

Enfriamiento del aceite de los cojinetes – El agua de enfriamiento se circula bien sea a través de una camisa que alberga los cojinetes, de un serpentín de enfriamiento o de un enfriador externo de aceite, para mantener la temperatura del aceite por debajo de 82 C (180 F), que es la temperatura máxima permisible para una lubricación apropiada de los cojinetes. °



°

Enfriamiento de la Camisa de la Caja de Estoperas – Frecuentemente se circula el agua de enfriamiento a través de la camisa para remover el calor de fricción generado por el sello mecánico, y para evitar que el líquido de lavado del sello se evapore. También, el enfriamiento de la caja de estoperas ayuda a aislar el cuerpo de la bomba caliente de la caja de cojinetes.



Enfriamiento de Líquido de Lavado del Sello – Para servicios entre 200 y 315 C (400 F y 600 F), el liquido de lavado del sello usualmente se enfría en un enfriador externo, a fin de mantenerlo dentro de los límites de temperatura admisibles por los materiales de sello mecánico. (El líquido de limpieza de sello también se puede enfriar en servicios de temperatura baja si el líquido puede evaporarse en la caja de estopera). °

°

°

Además de las aplicaciones anteriores para agua de enfriamento, a veces se usa vapor de baja presión para enfriar los platos de sello y las cajas de estoperas en servicios de temperatura alta, superiores a 315 C (600 F), por ejemplo. °

°

Los requerimientos de servicio para cumplir con estas necesidades pueden ser estimados durante la etapa de diseño de la planta usando los métodos presentados en MDP–02–P–11. Las conexiones de servicios específicos y su consumo se calculan después de seleccionar los modelos de bombas.


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BOMBAS DE FLUJO AXIAL Las bombas de flujo axial se aplican para caudales muy altos, y bajos cabezales en servicios con agua y substancias químicas. Algunos servicios típicos con agua son: irrigación, control de inundación, bombas/turbinas para bombeo a almacenaje en plantas de generación de potencia, y bombas de circulación para condensadores barométricos, etc. Algunos servicios típicos de plantas químicas son el de circulación para el reactor de propileno, y los servicios de circulación asociados con evaporadores y cristalizadores en la producción de sulfato de amonio, ácido fosfórico, potasio, soda cáustica y productos de azúcar.

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BOMBAS RECIPROCANTES Las bombas de tipo reciprocante son especificadas con poca frecuencia en los diseños nuevos. Se prefiere el uso de bombas centrífugas y deberían usarse excepto en las pocas situaciones donde sea necesario otro tipo. Circunstancias especiales que pueden favorecer las bombas reciprocantes incluyen las siguientes: 1.

Fluidos de alta viscosidad.

2.

Capacidades relativamente bajas (de 0.2 a 1.3 dm 3 /s (3 a 20 gpm)) a cabezales altos.

3.

Servicios intermitentes, como bombeo externo o separador de lodo y residuo, donde se debe manejar un rango de fluidos, los costos de equipos son favorables, y hay disponible un NPSH suficiente.

4.

Servicio de lodo y suspensiones.

5.

Servicios de bombeo simple con un rango amplio de presiones de descarga o caudales de flujo.

Las bombas reciprocantes producen un flujo pulsante, desarrollan una presión de parada alta, tienen una capacidad constante cuando son accionados por un motor, y están sujetas a atrapar vapor a condiciones de NPSH bajas. Las fugas a través del empaque deben ser consideradas, ya que los sellos de tipo mecánico no son aplicables a rodillos o símbolos. Ver MDP–02–P–10 para métodos de reducción de la pulsación del flujo.

10 BOMBAS ROTATIVAS Las bombas rotativas, como clase, normalmente se refieren a las bombas de desplazamiento positivo con elementos de bombeo rotativos tales como engranajes, tornillos, álabes y lóbulos. Sólo los tipos de engranaje y de tornillo se usan en un número significativo de servicios de refinería. Todas las bombas rotativas tienen estrechos espacios entre las partes móviles, lo cual posiblemente produciría la obstrucción del movimiento de las partes en


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servicios de altas temperaturas o desgaste cuando se requieren aleaciones por corrosión. Las bombas rotativas para aplicaciones de refinería están disponibles en rangos de 0.06 a 315 dm 3 /s (1 a 5000 gpm) y para presiones diferenciales de hasta 21000 kPa (3000 psi). Normalmente están limitadas a servicios con fluidos demasiado viscosos para ser manejados económicamente por bombas centrífugas o de otro tipo, tales como aceites combustibles pesados, lubricantes, grasas y asfalto. Las bombas rotativas que manejan líquidos por debajo de 21 mm 2 /s (100 SSU) pueden tener un desgaste excesivo y fugas internas. Este desgaste, debido a las propiedades lubricantes inadecuadas del líquido, es particularmente serio en aquellos diseños que tienen cojinetes internos, engranajes de cebado internos, o donde un elemento interno acciona otros elementos de bombeo. Las bombas rotativas no son aptas para manejar fluidos con cantidades apreciables de sólidos duros o abrasivos. Cuerpos con camisas de vapor están disponibles para servicios de alta viscosidad, tales como el de asfalto. Las bombas rotativas se usan en los dispensadores de gasolina, bombas de descarga de camiones (incluyendo GLP), etc., donde el requerimiento de factor de servicio es bajo, el diferencial de presión es bajo, se requiere auto–cebado ocasionalmente, y el mantenimiento usualmente consiste en la sustitución rápida de la bomba.

11 NOMENCLATURA (Ver MDP–02–P–02)


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TABLA 1. COMPARACION DE TIPOS DE BOMBAS Y TIPOS DE CONSTRUCCION: CARACTERISTICAS GENERALES Tipos de bombas y de construcción

Características resaltantes de construcción

Orientación N usual usual de etapas °

Requerimiento relativo de mantenimiento

Comentarios

Dinámica

La capacidad varía con el cabezal.

Centrífuga

Velocidad específica entre baja y media.

Horizontal

Tipo de proceso de una etapa y suspensión superior

Un apoyo impulsor después de los cojinetes.

Horizontal

1

Bajo

Tipo más común usado en los servicios de proceso.

Tipo de proceso de dos etapas y suspensión superior

Dos apoyos de impulsor después de los cojinetes.

“

2

Bajo

Para cabezales por encima de las capacidades de la bomba una etapa

Impulsor de una etapa entre cojinetes

Impulsor entre cojinetes; cuerpo dividido radialmente o axialmente.

“

1

Bajo

Para flujos altos hasta 330 m (1100 pie) de cabezal.

Químico

Estructura del cuerpo diseñadas con secciones delgadas debido al alto costo de las aleaciones; tamaños pequeños.

“

1

Medio

Niveles bajos de presión y temperatura.

Suspensión

Pasajes de flujo grandes, dispositivos de control de erosión.

“

1

Alto

Velocidad baja; espacio libre axial ajustable.

Encapsuladas

Bombas y motores encerrados en carca zas a presión; sin caja de estoperas.

“

1

Bajo

Límites de cabezal–capacidad bajos para los modelos usados en servicios químicos.

De múltiples etapas dividido horizontalmente

Boquillas usualmente en la mitad inferior del cuerpo.

“

Multi.

Bajo

Para niveles moderados de temperatura–presión.

De múltiples etapas tipo barril

El cuerpo externo cubre el bloque de diafragmas.

“

Multi.

Bajo

Para niveles altos de temperatura–presión.

Tipo de proceso de una etapa

Orientación vertical.

Vertical

1

Bajo

Tipo usado principalmente para aprovechar los requerimientos bajos de CNSP.

Tipo de proceso, de múltiples etapas

Muchas etapas, cabezal/etapa.

bajo

“

Multi.

Medio

Capacidad de cabezal alto, requerimientos bajos de CNSP.

En línea

Concebida para instalación en línea, como una válvula

“

1

Bajo

Permite lograr bajos costos de instalación y sistemas de tuberías simplificados.

Vertical


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Tipos de bombas y de construcción

Características resaltantes de construcción

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Orientación N usual usual de etapas °

Requerimiento relativo de mantenimiento

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Comentarios

Velocidad alta

Velocidades hasta 380 rps (23000 rpm), cabezales hasta 1770 m (5800 pie).

“

1

Medio

Costo atractivo para cabezal alto / flujo bajo.

Pozo

Cuerpo inmerso en pozo por conveniencia de instalación y facilidad de cebado.

“

1

Bajo

Bajo costo instalación.

De múltiples etapas, pozo profundo

Eje muy largo.

“

Multi.

Medio

Servicio de pozo de agua con accionador a nivel de suelo.

Axial (propela)

Impulsor tipo propela, usualmente de gran tamaño.

Vertical

1

Bajo

Pocas aplicaciones en plantas químicas y refinerías.

Turbina (regenerativa)

Impulsor acanalado; trayectoria de flujo como tornillo hacia afuera.

Horizontal

1,2

Mediano a Alto

Funcionamiento a flujo bajo/cabezal alto. Capacidad virtualmente independiente del cabezal.

Pistón, émbolo

Velocidades bajas; válvulas, cilindros, cajas de estoperas sujetas a desgaste.

Horizontal

1

Alto

Accionado por cilindros de máquinas de vapor o motores con caja de cigueñal.

Dosificadora

Unidades pequeñas con sistema de precisión para el control de flujo.

“

1

Medio

Tipos diafragma émbolo empacado.

Diafragma

Sin caja de estoperas; puede ser actuada neumática o hidráulicamente.

“

1

Alto

Usado para suspensiones químicas; diafragma propenso a falla.

Tornillo

1, 2 o 3 rotores de tornillo.

“

1

Medio

Para viscosidad alta, alto flujo y alta presión.

Engranaje

Ruedas de engranajes entrelazadas.

“

1

Medio

Para viscosidad alta, presión moderada, flujo moderado.

de

Desplazamiento positivo Reciprocante

y

Rotativas



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TABLA 2. COMPARACION DE TIPOS DE BOMBAS Y ESTILOS CONSTRUCCION: CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTOS ESTOS DATOS SON SOLO TIPICOS. EXISTEN MUCHOS CASOS EXCEPCIONALES

CAPACIDAD CABEZAL dm3/s MAX. (1) m

TIPO DE BOMBA Y CONSTRUCCION DINAMICA CENTRIFUGA HORIZONTAL UNA ETAPA SUSPENSION SUPERIOR DOS ETAPAS SUSPENSION SUPERIOR UNA ETAPAS IMPULSOR ENTRE COJINETES QUIMICA SUSPENSION DE SOLIDOS (SLURRY) ENCAPSULADA MULTIETAPAS DIVIDIDA HORIZONTALMENTE MULTIETAPAS TIPO BARRIL VERTICAL TIPO DE PROCESO EN UNA ETAPA MULTIETAPA EN–LINEA VELOCIDAD ALTA POZO MULTIETAPA POZO PROFUNDO AXIAL (PROPELA) TURBINA (REGENERATIVA) DESPLAZAMIENTO POSITIVO RECIRPOCANTES PISTON, EMBOLO DOSIFICADORA DIAFRAGMA

P2MAX. kPa

REQ. TIPICOS DE (NPSH). VISC. MAX. EFICIENCIA TOLERANCIA TEMP. MAX. m mm2 /s % DE SOLIDOS DE BOMBEO C °

1–320 1–75 1–2500 65 65 0.1–1250 1–700 1–550

150 425 335 73 120 1500 1675 1675

4100 4100 6800 1400 4100 68900 20100 41400

2–6 2–6.7 2–7.6 1–2.6 1.5–7.6 2–6 2–6 2–6

650 430 650 650 650 430 430 430

20–80 20–75 30–90 20–75 20–80 20–70 65–90 40–75

Mod. ALTA Mod. ALTA Mod. ALTA Mod. ALTA ALTA BAJA MEDIA MEDIA

455 455 205–455 (5) 205 455 540 205–260 455

1–650 1–5000 1–750 0.3–25 1.0–45 0.3–25

245 1830 215 1770 60 1830

4100 4800 3400 13800 1380 13800

0.3–6 0.3–6 2–6 2.4–12 (2) 0.3–6.7 0.3–6

650 430 430 109 430 430

20–85 25–90 20–80 10–50 45–75 30–75

MEDIA MEDIA MEDIA BAJA Mod. ALTA MEDIA

345 260 260 260

1–6500 0.1–125

12 760

1030 10300

2 (4) 2–2.5

650 109

65–85 55–85

ALTA MEDIA

65 120

205

1–650 0–1 0.1–6

345000 kPa (3) 51700 kPa 345000 34500 kPa 24100

3.7 4.6 3.7

1100 1100 750

55–85 20 20

MEDIA BAJA MEDIA

290 300 260

ROTATIVAS DE TORNILLO

0.1–125

20700 kPa 20700

3

MEDIA

260

DE ENGRANAJES

0.1–320

3400 kPa

3

150 x 106 (6) 50–80 150 x 106 (6) 50–80

MEDIA

345

3400

NOTAS: 91) NORMALMENTE NO SIMULTANEO CON EL CABEZAL MAXIMO (2) (3) (4) (5)

SE PUEDE REDUCIR A 3–3,66 m (10–20 pie) AGREGANDO UN INDUCTOR DEPENDIENTE DE LA RESISTENCIA DE LOS MATERIALES Y PUEDE SER MAYOR QUE 345000 kPa (50000 Psi) SUMERSION MINIMA DE PROPELA LIMITE DE 205 – 260 C (400–500 F) PARA CUERPOS DIVIDIDOS HORIZONTALMENTE, LIMITE DE 455 C (850 F) PARA CUERPOS DIVIDIDOS VERTICALMENTE. °

°

(6) VISCOSIDAD SSU. (7) FACTORES DE CONVERSION:

PARA LLEVAR DE:

A:

MULTIPLIQUE POR:

dm3 /s m mm2/s C kPa

GPM Pie SSU F Psi

15.8504 3.2808 4.6348 USE: F = 1.8 x C + 32 0.145

°

°

°

°


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Fig 1. ILUSTRACION DEL TIPO DE CONSTRUCCION DE BOMBA CENTRIFUGA Y NOMENCLATURA DE SUS COMPONENTES

1–A BOMBA CENTRIFUGA DE PROCESO CON EXTREMO DE SUCCION SENCILLO, DE UNA ETAPA Y SUSPENSION SUPERIOR


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Fig 1. (CONT.)

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Fig 1. (CONT.)

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PDVSA N°

MDP–02–P–06

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APROB.



PDVSA, 1983

TITULO

CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO


APROB.

11

L.R.

PAG.

REV.


ESPECIALISTAS




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Indice 1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 CAUDAL DE FLUJO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 CONDICIONES DE SUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 PRESIÓN DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 PRESIÓN DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZAL . . 8 REQUERIMIENTOS DE ENERGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 PROGRAMA DE CALCULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 2 3 7 8 9 11 11



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1

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ALCANCE En este documento se presentan los cálculos típicos que aplican para el diseño y especificación de servicios de bombeo. Normalmente estos cálculos involucran: la estimación de la disponibilidad y los requerimientos típicos de Cabezal Neto de Succión Positiva NPSH a la entrada de la Bomba, El cabezal a ser suministrado por la bomba, Requerimientos de Potencia del servicio, condiciones de diseño, estimado de la presión máxima de succión y descarga y de el cabezal de la bomba a flujo cero “shutt–off” (ver Tabla 1 MDP–02–P–02 ).

2

REFERENCIAS PDVSA (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. “Data Book on Hydrocarbons, Aplication to Process Engineering”

3

ANTECEDENTES Los cálculos aquí presentados están relacionados con los puntos 2 al 8 del procedimiento de diseño para servicios de bombeo presentado en el Documento MDP–02–P–02 . El resto de los puntos o bien no involucra cálculos o han sido por conveniencia presentados en otra parte. Los cálculos de bombeo deben realizarse para las diferentes condiciones de flujo que se identifiquen y en el caso de existir derivaciones de flujo aguas abajo de la bomba se deben hacer los cálculos a través de los diferentes ramales para establecer cual de ellos limita el diseño, normalmente este es el circuito de mayor caída de presión dinámica, los otros circuitos ajustaran mediante valores mas altos de caída de presión en la válvula de control para operar a la presión de descarga requerida por el ramal controlante.

4

CAUDAL DE FLUJO El caudal de flujo volumétrico, Q, (a la temperatura de bombeo) puede ser calculado por una de las siguientes fórmulas: 1.

Si se conocen los requerimientos de flujo másico, W: Q  F 1 X W c

Ec. (1)




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Si se conoce el caudal de flujo volumétrico en condiciones estándar, QS :

Q  QS X



Ec. (2)

donde:

En En unidades unidades métricas inglesas Q

=

W ρc

= =

Qs

= =

F1

5

=

Caudal de flujo volumétrico a la temperatura de bombeo Flujo másico Densidad del fluido a las condiciones de bombeo Caudal de flujo a cond. estándar (15 °C y 101.325 kPa (60°F y 1 atm) Factor de expansión térmica, su valor puede obtenerse en “Maxwell Data Book on Hydrocarbons”. Factor que depende de las unidades usadas

dm3 /s

gpm

kg/s kg/m3

lb/h lb/pie 3

dm3 /s

gpm

103

0.1247

CONDICIONES DE SUCCIÓN Los criterios a utilizar para el cálculo de la presión de Succión de un servicio de Bombeo se dan en el punto 12 de el Documento MDP–02–P–02 .

Presión de Succión La Presión de succión de la bomba se calcula a partir de la presión de operación del recipiente de succión ,y calculando la diferencia total de presión entre el nivel de referencia en el recipiente y el nivel de referencia de la bomba. P1 = Po (del recipiente) + ∆P (recipiente –bomba)

Ec.(3)



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donde:

P1 Po P

= = =

Presión de succión de la bomba. Presión en el recipiente de succión. Diferencia de Presión entre el nivel de referencia del Liquido en recipiente de succión y la entrada de la bomba (a su nivel de referencia).

En unidades métricas


kPa kPa kPa

psi psi psi

La diferencia de presión total entre el nivel de referencia del recipiente y el de la bomba se calcula según los métodos presentados en el capitulo de Flujo de Fluidos de este manual, Documentos MDP–02–FF–01 / 06, Tomando en cuenta la diferencia de alturas, las perdidas por fricción y el cabezal de aceleración, si fuera significativo.

Presión Máxima de Succión La Presión Máxima de Succión se calcula mediante la siguiente ecuación: P1 max = Po max (recipiente)+ ρc x g x ∆Hs /F3 x gc

Ec (4)

Donde:

P1max

=

Po max

Presión de Succión Máxima Presión de operación Máxima del Recipiente de Succión, normalmente es la presión de ajuste de la válvula de seguridad (si existe).

D

=

Diferencia de altura entre el nivel de liquido alto del recipiente y el nivel de referencia de la bomba(600 mm=2 pie). Aceleración de la gravedad Constante dimensional

g gc

= =

ρc

=

Densidad del líquido condiciones de operación

F3

=

Factor que depende de las unidades usadas

bombeado

a



kPa kPa

psi psi

m

pie

9.8 m/s 2 103 kg kPa.m.s2

32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2

kg/m3

lb/pie 3

1

144




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Cabezal Neto de Succión Positiva Disponible (NPSH D) La presión de succión se calcula partiendo del valor de la caída de presión en la línea de succión, según el método citado anteriormente. Para servicios que manejan líquidos directamente de recipientes que operan al punto de ebullición, la presión de vapor del líquido es la misma que la presión en el espacio de vapor del recipiente. Cuando la fuente de succión del líquido está a su presión de vapor y no ocurre un cambio significativo de temperatura en la línea de succión, tal como en los servicios de torres de destilación, un método de cálculo conveniente es simplemente restar las pérdidas de la línea de succión, convertidas en cabezal, del cabezal de elevación entre el nivel de líquido del recipiente y el nivel de referencia de la bomba:

NPSH D



HS



F 3  línea de succión gc C g

Ec. (5)

NPSHD se puede también calcular convirtiendo el margen de presión a cabezal: NPSH D



F 3 P1  PV g C C g

Ec. (6)

Esta fórmula es útil cuando la fuente de succión del líquido está a una presión por encima de Pv (a la temperatura real), tal como en los tanques de almacenamiento atmosférico. Donde:

NPSHD

=

Hs P

g gc

= = =

ρc

=

P1

=

Cabezal neto de succión positivo disponible Diferencia de altura entre el recipiente de succión y la bomba Caída de presión Aceleración de la gravedad Constante dimensional Densidad del líquido bombeado a condiciones de operación Presión de succión de la bomba



m

pie

m

pie

kPa 9.8 m/s2 103 kg kPa.m.s2

psi 32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2

kg/m3

lb/pie 3

kPa

psi




REVISION

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Pv

=

F3

=

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Presión de vapor del líquido a las condiciones de proceso Factor que depende de las unidades usadas

Indice norma



kPa

psi

1

144

Factor de Seguridad En un diseño conservador se agrega un margen de seguridad en el cálculo y en la especificación del NPSH disponible. Sin embargo, este margen tiende a incrementar el costo de la bomba y por lo tanto requiere una cuidadosa consideración. El factor de seguridad para los cálculos de NPSH D se define como sigue: S.F.

CNSP



NPSHPD calculado NPSHPD especificado

Ec. (7)

Se recomienda usar los siguientes valores en el diseño de servicios de bombeo:

Servicio

S.F.NPSH

Condiciones de instalación muy bien definidas, como el rearranque de una unidad existente o un servicio de bombeo, con tubería existente. La mayoría de los diseños de servicios nuevos

1.00

Agua de alimentación a caldera (asumiendo 20 minutos de capacidad de almacenamiento del deareador) Solvente pobre sulfolane

1.10 1.25

1.25 Catacarb 1.60* Carbamato de amonio 2.00* * Consulte un especialista en máquinas para obtener datos de NPSH R de un suplidor de bomba con experiencia. Una vez que se ha aplicado un factor de seguridad adecuado en los cálculos de NPSHD, no se necesita un margen de seguridad entre el NPSH D de servicio y el NPSHR de la bomba seleccionada. Se recomienda en general un margen mínimo de 0.6 m (2 pies) entre el NPSH R y el NPSHD calculado (no el especificado), este es un criterio complementario que puede ser usado con el de el factor de seguridad.

Cabezal Neto de Succión Positiva Requerido (NPSH R) Ver MDP–02–P–02 para una discusión sobre estimación de requerimientos de NPSH a partir de valores típicos, valores a otras condiciones , etc.



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6

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PRESIÓN DE DESCARGA Ver el punto 14 Presión de Descarga, del document o MDP–02–P–02, para los criterios que aplican al calculo de las condiciones de descarga. La presión de descarga de la bomba se calcula a partir de la presión de operación del recipiente de descarga, el cual es el recipiente de destino del fluido bombeado, recipiente de presión controlada o abierto a la atmósfera aguas abajo de la bomba. A la presión del recipiente de descarga debe adicionársele la diferencia de altura entre la bomba y el recipiente expresada en presión, las perdidas dinámicas del circuito (fricción + aceleración cuando no sean despreciables) y la caída de presión de la válvula de control. Las perdidas dinámicas incluyen las caídas de presión de líneas, intercambiadores, orificios de restricción y cualquier otro elemento entre la bomba y el recipiente de descarga y deberán ser calculadas mediante los métodos presentados en el Capitulo de Flujo de Fluidos de este Manual, Documentos MDP–02–FF–01 / 06. P2 = Po (recipiente) + ρc x g x ∆Hs /F3 x gc + ∆P(Din.) + ∆P(V.C.)

Ec.(8)

Donde:

P2

=

Po ∆s

=

g gc

= =

rc

=

DP(Din.) = DP(V.C.) = F3 =

Presión de Descarga Presión de operación del Recipiente de Descarga. Diferencia de altura entre el nivel de liquido alto del recipiente de descarga y el nivel de referencia de la bomba(600 mm=2 pie). Aceleración de la gravedad Constante dimensional Densidad del líquido bombeado a condiciones de operación Caída de presión dinámica de la bomba al recipiente de descarga Caída de presión de la Válvula de Control Factor que depende de las unidades usadas



kPa kPa

psi psi

m

pie

9.8 m/s 2 103 kg kPa.m.s 2

32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2

kg/m3

lb/pie 3

kPa

psi

kPa 1

psi 144

La Caída de presión de la válvula requerida puede escojerse así: DP (V.C) = 0.2 x ∆P(Din.) + Contribución del C.E.

Ec. (9)

C.E.= Cabezal Estático ρc x g x ∆Hs /F3 x gc C. E.

<1400 kPa

1400–2800 kPa

>2800 kPa




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Contribución del C.E.

7

0.1xC.E.

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140 kPa

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0.05xC.E.

PRESIÓN DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZAL Ver los criterios que aplican en MDP–02–P–02 . La cantidad de energía que la bomba debe ser capaz de suministrar a cada unidad de masa del líquido por conversión en presión se define como requerimiento de cabezal porque las unidades de energía de entrada son equivalentes a las de una columna de líquido. energía x g c masa x g  cabezal Los requerimientos de cabezal se calculan convirtiendo el aumento en presión de la succión a la descarga a la altura de una columna equivalente de líquido bombeado, a las condiciones de bombeo: H



F 3  gc x g c

Ec. (10)

donde:

H

=

P

=

ρc

=

g gc

= =

F3

=

Cabezal de presión desarrollado por la bomba Aumento de presión entre la succión y la descarga de la bomba (P 2 –P1) Densidad del fluido a las condiciones de bombeo Aceleración de la gravedad Constante dimensional Factor que depende de las unidades usadas



m

pie

kPa

psi

kg/m3

lb/pie 3

9.81 m/s2 10 3 kg kPa.m.s2 1

32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2 144

Las presiones nominales de succión y descarga se usan 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.




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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. Por ejemplo, cuando ∆P = 700 kPa (100 psi) para un fluido con una densidad absoluta de 750 kg/m 3 (46.82 lb/pie 3), H=

(700) 103 x = 95.2 m (312 pie) 750 9.8

Si la bomba estuviese manejando agua, el cabezal requerido para el mismo ∆P sería H=

(700) 103 x = 71.4 m (234.25 pie) 1000 9.8

Presión máxima de descarga Típicamente la caída de presión máxima se toma como un 120% de la normal y corresponde a la condición de cero flujo (Shut Off). P2max  P1max  1.2 x P2  P1

8

Ec. (11)

REQUERIMIENTOS DE ENERGÍA Cálculo de Requerimientos de Energía Los requerimientos de energía de una bomba se calculan como sigue: Potencia hidráulica = Caudal de flujo másico x energía entregada al líquido/unidades de masa de líquido Potencia al freno,

PF



 PotenciaHidráulica

WXH X g gc EO X F 4

Eficiencia

Ec. (12)

Substituyendo Q y ρc por W se obtiene: PF



Q X  c X H g X g c EO X F 5

Ec. (13)




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Si ∆P está disponible:

PF



Q X  F 6 X EO

Ec. (14)

donde:

En unidades En unidades métricas inglesas PF W H

= = =

g gc

= =

Eo

=

Q

=

ρc P

= =

F4

=

F5

=

F6

=

Potencia al freno Flujo másico de líquido Cabezal de presión desarrollado por la bomba Aceleración de la gravedad Constante adimensional Eficiencia global, incluyendo pérdidas hidráulicas y mecánicas Caudal de flujo volumétrico a condición de operación Densidad del flujo a condiciones Aumento de presión entre la succión y la descarga de la bomba Factor que depende de las unidades usadas Factor que depende de las unidades usadas Factor que depende de las unidades usadas

kW kg/s m

HP lb/h pie

m/s 2 10 3 kg kPa.m.s 2

pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2

dm3 /s

gpm

kg/m 3 kPa

lb/pie 3 psi

1

1.98x10 6

1x10 3

246873.0

1x10 3

1714

Eficiencia La eficiencia global de la bomba incluye dos categorías de pérdida, hidráulica y mecánica. Las pérdidas mecánicas son causadas por la fricción en los cojinetes y en el sello del eje y son muy pequeñas con respecto a las pérdidas hidráulicas. Las pérdidas hidráulicas son causadas por turbulencia, fricción del revestimiento y del disco, y deslizamiento o fugas internas desde la zona de descarga de la bomba hacia la zona de succión. Las pérdidas hidráulicas son una parte tan grande de las pérdidas totales que las eficiencias hidráulica y global se pueden intercambiar para propósitos de diseño de servicio de bombas.




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En las Figuras 3 y 4 del documento MDP–02–P–02 se presentan valores de eficiencia para ser usados en Cálculos de potencia y para estimados de flujo mínimo permisible.

9

PROGRAMA DE CALCULO En la colección de programas PROCALC se encuentra disponible un programa para calculo automatizado de Bombas.

10 NOMENCLATURA Ver documento MDP–02–P–02 .

 MANUAL DE DISEÑO DEL PROCESO BOMBAS

PDVSA N

°

MDP–02–P–07

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TITULO

CARACTERISTICAS DE COMPORTAMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS

11 DESCRIPCION FECHA NOV.97

APROB.

 PDVSA,

1983

PAG. APROB.

REV.

APROB. APROB. FECHA NOV.97

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO CARACTERISTICAS DE COMPORTAMIENTO DE  LAS BOMBAS CENTRIFUGAS


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Indice 1 2 3 4 5

ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FORMAS DE CURVA DE FUNCIONAMIENTO PROMEDIO . . . . . . CAMBIO DE DIAMETRO DE IMPULSOR O VELOCIDAD . . . . . . . . REDUCCION DE POTENCIA–VELOCIDAD VARIABLE VERSUS VELOCIDAD CONSTANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 EFECTO DE VISCOSIDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 NPSH Y CAVITACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 VELOCIDAD ESPECIFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 CURVAS DESCENDENTES CABEZAL–CAPACIDAD . . . . . . . . . . . 10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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ALCANCE Este Documento presenta información sobre las características de funcionamiento hidráulico de las bombas centrífugas. Esta información ayuda en el diseño de los sistemas de control de la bomba, en la modificación de bombas existentes y en la aplicación de bombas existentes para servicios de bombeo nuevos.

2

REFERENCIAS PDVSA GA–201, MID. Vol. 14

3

Centrifugal Pumps

FORMAS DE CURVA DE FUNCIONAMIENTO PROMEDIO La capacidad de cabezal, los requerimientos de potencia, la eficiencia y el requerimiento de NPSH de las bombas centrífugas varía con el caudal de flujo. La variación específica en la “forma de la curva” es diferente para cada bomba, pero las desviaciones del promedio tienden a ser pequeñas dentro de los tipos de bombas usadas más comúnmente en servicios de proceso. La Figura 1. muestra formas promedio de las curvas de los cuatro parámetros característicos. Esta Figura es útil para predecir la forma de curva típica y para estimar el efecto de un cambio de flujo sobre cada uno de los cuatro parámetros. Por supuesto que las curvas reales, en vez de las generalizadas de este tipo, deben ser usadas en el estudio de problemas con bombas existentes o de características conocidas. GA–201 especifica los valores mínimos y máximos permisibles para cabezal a flujo cero (shut off), como un porcentaje del cabezal en el punto nominal. El hecho de que los valores de las desviaciones de las características de funcionamiento de bombas específicas no coincida con los valores promedio de la Fig, 1, no se debe considerar como una deficiencia.

4

CAMBIO DE DIAMETRO DE IMPULSOR O VELOCIDAD La curva de características de cabezal–capacidad de una bomba centrífuga dada se puede alterar para que sirva para nuevos requerimientos de funcionamiento. El parámetro básico que se debe cambiar es la velocidad periférica del impulsor. La velocidad periférica se puede cambiar en la siguiente manera: 1.

Cambio de velocidad

a.

Con accionador de turbina, cambiando el ajuste del regulador de velocidad, dentro de los límites admisibles de velocidad de la bomba y las turbinas.

b.

Mediante el uso de un accionador de velocidad variable entre la bomba y su motor.

c.

Con accionador de motor, agregue o cambie la unidad de engranaje entre el accionador y la bomba.



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Cambio del diámetro del impulsor, en el rango permitido por el diseño de la bomba.

Las curvas de funcionamiento suministradas con las bombas nuevas a veces incluyen la predicción del funcionamiento a velocidades o diámetro de impulsores diferentes que el caso de diseño inicial. Cuando estos datos están disponibles, se pueden usar fácilmente para predecir el funcionamiento de la bomba una vez modificada. Cuando sólo esta disponible la curva “normal”, las leyes de afinidad pueden ser usadas para estimar el funcionamiento de la bomba modificada con una precisión razonable. Las leyes de afinidad para bombas dicen: 1.

El caudal de flujo (a cabezal constante) es directamente proporcional a la velocidad periférica.

2.

El cabezal total desarrollado (a caudal de flujo constante) es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad periférica.

3.

Los requerimientos de potencia son directamente proporcionales al cubo de velocidad periférica (suponiendo eficiencia constante y variaciones relativamente pequeñas en los niveles de flujo y cabezal).

Por ejemplo, las Figuras 2. y 3. presentan el siguiente procedimiento. Use la Figura 1. para definir la curva de cabezal, típica de la bomba a velocidad de 100%, usando el punto de diseño original: 80 dm3/s (1250 gpm), 2650 kPa (385 psi). Ver Figura 2. Para 100% de velocidad o de diámetro de impulsor a cero flujo: P

= 3100 kPa (450 psi)

Para 92% de velocidad o de diámetro de impulsor a cero flujo: P

= 3100 x (0.92) 2 = 2620 kPa (380 psi)

Para definir cualquier otro punto en la curva de velocidad al 92% siga hacia abajo desde la curva de 100% a un punto igual a Px (0.92)2. A partir del punto 1 a 80 dm3 /s (1250 gpm) y 2650 kPa (381 psi) de : P

= 2650 x (0.92) 2 = 2240 kPa (325 psi)

Luego proceda a la izquierda desde las curvas de velocidad de 100% a un punto igual al caudal de flujo x 0.92. Q = 80 x 0.92 = 7 dm3/s (1157 gpm) El punto 2 sería en la curva a 92% a 73 dm3/s (1157 gpm) y 2240 kPa (325 psi).



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Para la curva de PF(kW) la curva a 92% de velocidad o de diámetro del impulsor proceda hacia abajo desde el punto 3 sobre la curva de velocidad de 100% a un punto igual a PF x (0.92) 3. PF(KW) = 300 x (0.92) 3 = 234 kW (314 BHP) Luego proceda a la izquierda a un punto igual al caudal de flujo x 0.92. Q = 80 x 0.92 = 73 dm 3 /s (1157 gpm) El punto 4 estaría sobre la curva de 92% a 234 kW (314 BHP) y 73dm 3 /s. (1157 gpm)

5

REDUCCION DE POTENCIA–VELOCIDAD VARIABLE VERSUS VELOCIDAD CONSTANTE El siguiente ejemplo muestra la reducción del consumo de potencia que es posible lograr con operación a velocidad variable en vez de velocidad constante. Esta reducción de energía es ocasionalmente suficiente para justificar el uso de una turbina de velocidad variable en vez de un motor a velocidad constante, o el uso de un motor con una unidad para velocidad variable en vez de un motor de velocidad constante. La Figura 3. muestra la posible reducción de potencia basada en una aplicación de tubería. Suponga que la bomba opera a 100% de capacidad nominal y 100% de presión nominal, punto 1. La potencia gastada, PF1 en las curvas A y B sería aproximadamente la misma para la unidad de velocidad constante como para la unidad de velocidad variable, ya que la unidad de velocidad variable estaría operando a toda velocidad con deslizamiento mínimo. Sin embargo, si se desea reducir el flujo al 80% de la capacidad nominal, la presión en el punto 2 es todo lo que se requiere. Se puede emplear un accionador de velocidad variable para reducir la velocidad de la bomba a fin de formar una nueva curva de cabezal–velocidad que intersepte la curva característica en el punto 2 y así la bomba requeriría sólo el 73% de la potencia nominal, PF2. Si la unidad de bombeo fuera de velocidad constante, produciría un 110% de la presión nominal a 80% de la capacidad nominal, punto 3. La capacidad deseada se podría lograr sólo regulando la presión entre los puntos 3 y 2 ( H como se muestra). La potencia usada por la unidad de velocidad constante sería el 92% de la potencia nominal tal como se muestra en la curva A a PF3. Por lo tanto, se ahorra considerable energía mediante la regulación a todas las capacidades por debajo de la máxima. La explicación de la diferencia de requerimientos de potencia que se indican en las curvas A y B de la Figura 2. reside principalmente en el hecho de que la regulación en la válvula de control consume una cantidad significativa de la potencia del accionador. Los requerimientos de energía se determinan por tres



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factores: la capacidad, el cabezal y la eficiencia de la bomba. Cuando la velocidad se reduce, la eficiencia de la bomba permanece prácticamente constante, y la reducción tanto en la capacidad como en el cabezal produce una disminución rápida de la potencia al freno. A velocidad constante y flujo parcial, el efecto del flujo reducido en la ecuación de potencia es parcialmente neutralizado por el incremento en el cabezal y la disminución de la eficiencia de la bomba, por lo tanto, se produce una reducción en la potencia que es relativamente pequeña en comparación con la del arreglo de velocidad variable. Si se usa una turbina de velocidad variable para lograr el cambio de velocidad, virtualmente toda la reducción de consumo de potencia resulta en un ahorro de energía del accionador. Sin embargo, en el caso de unidades hidráulicas y electromagnéticas reductoras de velocidad una parte de la energía ganada es consumida por el reductor de velocidad, gastada en calor. Por lo tanto, toda la energía ahorrada no está disponible para crédito económico. Las desventajas de usar velocidad variable como mecanismo de control son: 1.

Costo de capital mayor, debido a la necesidad de una unidad de velocidad variable o de un regulador de velocidad de turbina más costoso.

2.

Menor confiabilidad y costos mayores de mantenimiento para el sistema de control variable que para para un sistema de válvula de control.

Otro método para obtener un control arranque–parada de unidades múltiples.

6

económico

es

con

operación

EFECTO DE VISCOSIDAD La alta viscosidad tiene un efecto negativo en el funcionamiento de una bomba centrífuga. Cuando la viscosidad aumenta, la capacidad de cabezal y la eficiencia disminuyen. Los datos para predecir el efecto de viscosidad se presentan en la Figura 4. En el caso de servicios para los cuales se requerirán bombas nuevas, el suplidor de la bomba debe tomar en cuenta el cambio de viscosidad para el diseño de la bomba; el diseñador de servicio necesita sólo especificar el rango de viscosidad anticipado.

7

NPSH Y CAVITACION (Ver MDP–02–P–04)

8

VELOCIDAD ESPECIFICA La velocidad específica es un parámetro usado para describir el tipo de diseño de impulsor usado. Es la velocidad en rpm a la que un impulsor geométricamente similar estaría girando si fuera de un tamaño tal para desarrollar una capacidad de un gpm contra un cabezal de un pie. La velocidad específica se relaciona con



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la velocidad de la bomba, la capacidad y el cabezal tal como se presenta a continuación: Ns 

F 7 N x Q 1 2 H34

Ec. (1)

donde:

En En unidades unidades métricas inglesas Ns

=

Velocidad específica del impulsor

rev/s

rpm

N

=

Velocidad rotativa de la bomba

rev/s

rpm

Q

=

Caudal de flujo volumétrico

dm 3 /s

US gpm

H

=

Diferencia neta de cabezal

m

pie

F7

=

Factor que depende de las unidades usadas

1.63

1

Una bomba produciendo un cabezal alto a un flujo relativamente bajo tiene una velocidad específica baja; esto es característico de una bomba “centrífuga” pura. Una bomba que produce un cabezal bajo a un caudal de flujo relativamente alto tiene una velocidad específica alta, la cual es característica de una bomba tipo axial (o “de propela”). Los valores típicos para velocidades específicas de impulsores “centrífugos” varían desde 8 hasta 67 rps (500 a 4000 rpm); para impulsores de flujo mixto, de 67 a 170 rps (4000–10000 rpm); y para impulsores de flujo axial o propelas de 170 a 270 rps (10000–16000) (por etapa).

9

CURVAS DESCENDENTES CABEZAL–CAPACIDAD Las curvas descendentes cabezal–capacidad son causadas por turbulencia extrema interna a caudales de flujo cercanos al de parada debido al diseño físico de la bomba. Los álabes del impulsor de la bomba y los ángulos del difusor son diseñados para obtener su máxima eficiencia cerca o al caudal de flujo requerido. La desviación de ese caudal de flujo incrementa la turbulencia, causando una reducción en la eficiencia de la bomba. En algunos diseños de bombas la turbulencia se vuelve excesiva a flujo muy bajo, disminuyendo el cabezal neto producido y causando un “descenso” en la curva. Las bombas que son especialmente propensas a formas de curvas descendentes son aquellas con las siguientes características: 1.

Construcción con difusor de álabes

2.

Impulsor con álabes radiales o casi radiales

3.

Bombas de alta velocidad



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4.

Impulsor diseñado para requerimiento de NPSH bajos

5.

Bombas con cabezal muy alto por etapa.


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Fig 1. CURVAS CARACTERISTICAS PROMEDIO PARA BOMBAS CENTRIFUGAS



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Fig 2. CALCULO DE FUNCIONAMIENTO A VARIAS VELOCIDADES PERIFERICAS



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Fig 3. COMPARACION DE ACCIONADORES DE VELOCIDAD CONSTANTE Y VARIABLE

PORCENTAJE DE POTENCIA NOMINAL

PORCENTAJE DE CABEZAL NOMINAL DE BOMBA



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Fig 4. FACTORES DE CORRECCION POR VISCOSIDAD EN BOMBAS CENTRIFUGAS

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 MANUAL DE DISEÑO DEL PROCESO BOMBAS

PDVSA N

°

MDP–02–P–08

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TITULO

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO


APROB.

 PDVSA,

1983

APROB.

28

L.R.

PAG.

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ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO  .Menú Principal

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Indice manual

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Página 1 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





(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 P 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  P 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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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 (0.1x10 6 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



MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO


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PDVSA MPD–02–P–08 REVISION

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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 dm3 /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 106 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)


PDVSA N

°

MDP–02–P–09

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TITULO

SELLADO DEL EJE


APROB.

 PDVSA,

1983

APROB.

26

L.R.

PAG.

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ESPECIALISTAS


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Indice 1 2 3 4 5 6

ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . RECOMENDACIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 2 15 16


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ALCANCE Este documento presenta la información requerida para realizar la selección preliminar de tipos de sistemas de sello de eje para bombas centrífugas y rotativas. La selección del modelo del sello específico de eje y el diseño final de los sistemas relacionados se realizan en la etapa de ingeniería de detalles, después que la bomba se haya seleccionado, y después que están disponibles las recomendaciones específicas de ingeniería de los vendedores de sello y bombas.

2

REFERENCIAS Basic Practices G–200 GA–201

Flushing and Sealing of Mechanical Equipment (MID Vol.14) Centrifugal Pumps (MID Vol.14)

Otras Referencias API Standard 610

3

“Centrifugal Pumps for Petroleum Heavy Duty, Chemical and Gas Industry Service”, Eight Edition, August 1995

ANTECEDENTES El problema práctico de sello de la caja de estopera de una bomba centrífuga o rotativa es principalmente de diseño mecánico de bomba y de ingeniería de detalle del proyecto. Las razones para la consideración de sello del eje durante la fase de diseño de planta son:

4

1.

El diseño apropiado del sello del eje tiene un impacto significativo en el requerimiento de seguridad, operabilidad y mantenimiento de la planta.

2.

Muchos sistemas de sello del eje necesitan corrientes auxiliares para lavado y sello del proceso que se deberían seleccionar en la fase de diseño de proceso, antes que los modelos de bombas se seleccionen.

3.

Algunos servicios de proceso presentan dificultades especiales en el sello del eje que puede ser mitigado por compensaciones apropiadas en el diseño del servicio.

CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO El diseño de servicio de bombeo debe siempre incluir consideraciones sobre los siguientes factores de sello de eje: 1.

¿El sello del eje de la bomba debe ser mecánico o de empaque?

2.

¿Se requiere lavado externo o aceite de sello? ¿De qué fuente?



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Para servicios no usuales o servicios conocidos que tengan problemas de sellado del eje, se deben desarrollar y especificar detalles adicionales para permitir la ejecución de la ingeniería de detalle apropiada del sello del eje. Ejemplos de detalles adicionales a veces especificados son : 1.

Sellos mecánicos dobles con previsión de lubricación entre los sellos

2.

Sellos simples con características de aplicación especiales

3.

Sellos en fase vapor

4.

Detalles especiales del sistema de sello de CAA, fenol y soda cáustica

5.

Un tipo particular de auto–lavante, basado en experiencia anterior exitosa.

La especificación GA–201 cubre muchos aspectos de diseño de sello del eje que no necesitan ser cubiertas en las especificaciones de diseño. Algunos ejemplos significativos son: 1.

Materiales de construcción de sello mecánico

2.

Detalles de sistema auto–lavante y de lavado externo

3.

Aplicabilidad de los sellos para servicios de temperatura alta

4.

Sellos en fase vapor

5.

Construcción de caja de estopera para permitir el control de ambiente del sello y sustitución del sello con empacadura, donde se requiere para condiciones de servicio severas.

La especificación de diseño debe especificar que el diseño de detalles de lavado externo y los sistemas de sello se realicen como parte del proyecto de ingeniería de detalle, después de la selección de los modelos específicos de bomba y sello del eje.

Métodos de Sellado del Eje El método original de sellado de los ejes rotativos de bombas era rellenar el anulo entre el eje rotativo y el interior de la caja de estopera con cuerda entrelazada o anillos empacados de hojas de metal. Más del 95% de las bombas de proceso ahora incluye un sello de “contacto” mecánico en el espacio anular anteriormente ocupado por el empaque. A continuación se presentan algunos casos significativos excepcionales con respecto a los métodos estándar de sellado del eje de bomba: 1.

Las bombas encapsuladas eliminan el problema de sello del eje completamente encerrando el rotor del accionador (motor) en el cuerpo a presión junto con el rotor de la bomba, por lo tanto la única perforación del cuerpo que contiene el líquido es donde entran las conexiones eléctricas.


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2.

La bomba de diafragma es un tipo de bomba reciprocante que opera flexionando un diafragma. El arreglo no requiere caja de estoperas entre el bombeo y la atmósfera.

3.

Un constructor de bomba para suspensiones de sólido,–Wilfley (AR) and Sons Inc. – ofrece un sello mecánico “centrífugo” para presiones de succión bajas. El sello tiene contacto con las caras del sello sólo en reposo y en velocidades bajas. A velocidades normales las caras son separadas por una acción de flotamiento. Los álabes de bombeo detrás del impulsor (expulsor) producen una presión sub–atmosférica dentro de la caja de estopera que induce aire hacia adentro a través del sello, en la zona de bombeo. El sello, por lo tanto, emplea una operación de “fase vapor” de las caras de sello, pero usando aire y con dirección de flujo opuesta a la normal de fuga.

4.

La construcción de sellos incorporados elimina la caja de estopera y con ésta, la capacidad de la bomba para ser cambiada de un sello mecánico a una empacadura.

Ventajas de los Sellos Mecánicos Los sellos mecánicos tienen muchas ventajas sobre las cajas de estoperas empacadas. Las más importantes son: 1.

Pérdida reducida del producto.

2.

Costo menor de mantenimiento.

3.

Menores paradas de la bomba.

4.

Menor peligro de fuego.

5.

Contaminación reducida de la atmósfera y del agua de desecho.

6.

Requerimientos reducidos de área de mantenimiento para líquidos de gran suciedad como el asfalto, CAA, etc.

7.

Consumo reducido de potencia debido a fricción.

Configuración de Sellos Mecánicos (Figura 2.) El sellado primario se efectúa en un sello mecánico por el contacto lubricado de un anillo de sello rotativo contra un anillo de sello estacionario. Las caras de contacto están en un plano perpendicular al eje y se construyen para que sean extremadamente lisas y sin irregularidades. Los anillos de sello rotativos y estacionarios se colocan y se sellan contra sus apoyos de montaje en elementos de sello secundarios en la forma de anillos en “O” (O–ring), fuelles, empacaduras planas y de otras formas. Los elementos secundarios sellan las partes con posiciones relativas nominalmente fijas; sin embargo, se requiere algo de flexibilidad de los elementos secundarios, especialmente entre el eje y el anillo de sello rotativo.


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Las caras de los sellos mecánicos se presionan juntas por una combinación de fuerza de resorte y fuerza hidráulica desarrollada por la presión del fluido en la caja de estopera. Para cajas de estoperas de presión alta, por ejemplo, por encima de 520 kPa man. (75 psig), el diseñador de sello limita la fuerza hidráulica balanceando la geometría del anillo de sello y el sello se llama “balanceado”. Para presiones menores, el balanceo no es necesario y el sello se llama “no balanceado”. Para la mayoría de los servicios, es suficiente con tener una unidad simple de sello mecánico para el eje de la bomba. Ocasionalmente se requieren dos sellos mecánicos, con inyección de aceite de sello entre los sellos. Cuando los dos sellos se construyen en una sola pieza con partes en común, la combinación se define como sello mecánico doble. Cuando los dos sellos son separados y orientados en la misma dirección, se llaman sellos mecánicos en “pareja” “Tanden”.

Materiales de Sellos Mecánicos Los materiales usados para los sellos mecánicos son especificados en la ingeniería de detalle, basado en bombas y recomendaciones del vendedor de sellos. No se requiere trabajo de especificaciones de diseño.

Fluidos Auxiliares Usados en el Sellado del Eje Un sellado de eje satisfactorio con frecuencia requiere el uso de fluidos auxiliares para ayudar a controlar las condiciones de trabajo del sello. Los servicios prestados por estos fluidos y la forma con que se emplean se resumen en la Tabla 1. Las especificaciones de diseño sólo deben presentar el tipo de lavado. Las necesidades de otros fluidos auxiliares se determinan en la ingeniería de detalle.

Presión de Cajas de Estoperas La presión de la caja de estopera es importante para el diseñador de servicio, ya que es la presión a la que se debe oponer el fluido de lavado externo o, el de sellado. La presión en la caja de estopera no se conoce en el momento del diseño de la planta. Se puede predecir para bombas de una etapa con los siguientes métodos: Si P1<700 kPa man. (100 psig) o P<410 kPa (60 psi), el impulsor probablemente no tendrá perforaciones de balance de presión, y Pcaja de estopera = P 1 + 0.66 (P) pero no mayor de 900 kPa man. (130 psig) Si P1>700 kPa man. (100 psig) o P 410 kPa (60 psi), el impulsor tendrá probablemente perforaciones de balance o álabes de bombeo por detrás, y Pcaja de estopera = P 1 + 0.1 (P)



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pero no mayor que P 1 + 200 kPa (30 psig) Para casos que caen en los dos criterios, use el resultado mayor estimando el requerimiento de nivel de presión para una corriente de lavado externo. Se debe agregar un margen de 175 kPa (25 psi) a la presión estimada de la caja de estopera para permitir una caída de presión del líquido inyectado en la caja de estopera. El cálculo de arriba produce sólo unas predicciones. Los valores reales se deben obtener del vendedor de la bomba, siguiendo la selección específica de la bomba. Las bombas multietapa a veces tienen una presión diferente a la presión de succión contra una de las cajas de estoperas. El diseño específico de la bomba debe ser conocido antes que esta presión se pueda estimar.

Sellos para Servicios a Altas Temperaturas Descripción – Los sellos aptos para servicios de alta temperatura sin dependencia de enfriamiento para otra cosa que no sea el mantenimiento de la película de lubricación de la superficie de contacto se llaman comúnmente “sellos de alta temperatura”. El rango de temperatura para el cual se aplican no es preciso, pero generalmente en el rango de 230 a 430 C (450–800 F). La capacidad de alta temperatura se logra con el uso de materiales rellenos con teflón o grafito o fuelles metálicos para sellado secundario entre la camisa del eje y el anillo de sello rotativo. No es necesario especificar los sellos de alta temperatura en las especificaciones de diseño, antes de la ingeniería de detalles. °

°

Enfriamiento – A pesar de que los materiales y el diseño mecánico de esta clase de sellos son relativamente insensibles a la temperatura, las caras del sello pueden requerir de todas formas de un lavado frío para prevenir la vaporización parcial de la pequeña cantidad de líquido derramado a través de ellos hacia la atmósfera. Este requerimiento depende de la volatibilidad del líquido, y no del diseño del sello. Por lo tanto, la especificación de sellos de temperatura alta no necesariamente asegura que el enfriamiento del líquido de lavado no se requiera. Sin embargo, también si no se necesita enfriamiento para este propósito, usualmente siempre se necesita agua de enfriamiento para otras partes de muchas bombas en el rango de servicio de 230a 430 C (450–800 F); por ejemplo, abrazadera de cojinetes, camisas de cajas de estopera y pedestales. Por lo tanto, el uso de sello de alta temperatura pocas veces alivia la unidad completa de bombeo de la dependencia de agua de enfriamiento. °

°

En aquellos casos donde el enfriamiento de la zona de superficie de contacto no se requiera, por la volatilidad suficientemente baja (por ejemplo, en servicio de fondo de torres de destilación), los sellos de temperatura alta tienen dos ventajas: el sello no depende de la disponibilidad de una corriente de lavado de enfriamiento externo para la continuidad del servicio; y no requiere un líquido de enfriamiento de lavado, que consume agua de enfriamiento y esta sujeto a ensuciamiento.


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Costo – La desventaja principal de los sellos de alta temperatura es que cuestan de 1.3 a 2 veces el costo de un sello normal. Sin embargo, cuando el uso de sellos de alta temperatura elimina la necesidad de enfriamiento con agua del líquido de lavado del sello (que es frecuentemente lo que pasa) el costo extra de los sellos de alta temperatura se justifica fácilmente por la eliminación del enfriador y su tubería, y la reducción en el consumo de agua de enfriamiento.

Confiabilidad – Los sellos de temperatura alta han probado ser seguros y más confiables que el empacado en las cajas de estoperas de bombas de alta temperatura. Esta experiencia exitosa soporta la práctica de equipar tanto las bombas de operación y como las de repuesto con sellos de alta temperatura como equipo original. Sin embargo, para suministrar flexibilidad en el control del ambiente del sello, las bombas para servicio de alta temperatura son construidas con una caja de estoperas convencional; por ejemplo, no se usa construcción de sellos incorporados. Esto también permite conversión a empacado si se encuentran dificultades crónicas con el sello mecánico.

Sellos para Servicios a Temperaturas Bajas De la Tabla 2 se puede ver que los sellos simples mecánicos, auto–lavantes se recomiendan hasta –50 C (–60 F). El problema principal con el sellado de hidrocarburos livianos a temperaturas tan bajas con un sello único mecánico auto–lavante es la dificultad de mantener el fluido del proceso como un líquido libre de vapor o un vapor libre de líquido en las caras del sellado. Cuando se opera con líquidos en la caja de estoperas, el calor en las caras del sello puede causar vaporización local del fluido de proceso y movimiento del sello. El calor es agregado en las siguientes maneras: °

°

1.

De la fricción de roce de las caras del sello.

2.

De la energía disipada en turbulencia en la bomba especialmente en operación en zonas de capacidad ineficiente.

3.

Por conducción de las líneas más calientes y partes de la bomba.

Algunos problemas adicionales debajo de –50 C (–60 F) son: °

°

1.

Muchos materiales elastómeros pierden flexibilidad, por lo tanto el sellado secundario se dificulta.

2.

Los cristales de hielo que se forman en la cercanía del sello tienden a molestar las caras del sellado.

Diseños de sello especial y sistemas auto–lavantes se seleccionan, en la ingeniería de detalle, para superar el problema. Los sellos de fase de vapor suministran otra posible solución. Una línea de reciclo de la bomba en estos servicios en frío es valiosa en el arranque para mantener el caudal de flujo de la bomba a un punto eficiente a fin de minimizar la generación de calor.



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Se debe hacer la consulta de un especialista de máquina cuando se asignan servicios por debajo de –50 C (–60– F). °

°

Sellos en Fase Vapor Descripción – Los sellos de fase de vapor son sellos mecánicos simples que operan con vapor en vez de líquido en la caja de estopera, uniendo las caras de contacto conta cto de sellado. Las caras de sellado se se mantienen ligeramente ligeramente apartadas por la presión del vapor que fluye entre ellos y se llaman “lubricados por vapor”. Poca pérdida de vapor ocurre a la atmósfera, pero de una forma lenta que es casi imperceptible. La tasa de pérdida se compara en flujo másico a la pérdida de líquido a través de un sello mecánico convencional. El vapor se produce en la caja de estopera aplicando vapor al plato de sello suplido por el vendedor de sello. Se usan configuraciones especiales de elementos de sello para fomentar la conducción de calor del vapor en el área inmediatamente próxima a las caras de sellado. Los sellos en fase vapor se diseñan con balance hidráulico para producir cargas unitarias livianas en el área de la cara.

Rango de Aplicación – Los sellos de fase vapor son especialmente útiles en servicios de hidrocarburos livianos a niveles de temperatura baja y temperatura ambiente y donde el diferencial de presión del servicio es relativamente bajo. El sellado del eje de bombas en servicios con temperatura baja y ambiente es difícil porque el aire o el agua de enfriamiento de líquido auto–lavante no puede reducir la temperatura de la caja de estoperas. Por lo tanto, el enfriamiento no es efectivo en suprimir la vaporización en las caras del sello; la vaporización parcial dentro de la caja de estoperas y en la película entre las caras de sello produce inestabilidad y vida corta de las partes de roce. Los servicios de bajo diferencial de presión (usualmente por debajo de 480 kPa (70 psi)) pueden ser difíciles porque la presión disponible de la descarga de la bomba no necesariamente, es lo suficientemente alta para mantener la presión de la caja de estoperas por encima de la presión de vapor del fluido a la temperatura existente en las caras rozantes del sello, por lo tanto, la vaporización debido al calor de fricción no se elimina fácilmente. Los sellos de fase vapor presentan una solución más simple a estos casos de problema de sello del eje que los sellos mecánicos dobles o algunos otros arreglos especiales de sellado simple. La tabla siguiente muestra el rango de experiencia con sellos de fase vapor, y el rango de aplicación presentado por el vendedor.

Presión Presión difere diferencia nciall

Experiencia

Limitaciones impuestas por el vendedor

Hasta Hasta 2 227 275 5k kPa Pa (300 (300 psi) psi) (por (por lo general debajo de 480 kPa (70 psi)) combinado con

Sin limitaciones



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Temperatura Bombeo

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de

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–40 a 50 C (–40 a 120 F) °

°

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–70 a 50 C (–100 a 12F ) °

°

Punto de ebullición de líquido a presión atmosférica

Hasta 55 C (130 F)

Hasta 55 C (130 F)

Presi Presión ón de succ succió ión n

930 kPa 930 kPa (135 (135 psi) psi) (por (por lo general por encima de 1800 kPa (260 psi)) hasta 2930 kPa man. (425 psig)

345 a 5170 kPa man. (50 a 750 psi)

°

°

°

°

El sello de fase de vapor es solo uno de los tantos métodos aceptables para manejar servicios dentro de su rango de aplicación. No se necesita especificarlo en las especificaciones de diseño, pero debe ser considerado junto con otras alternativas en la ingeniería de detalles.

Requerimientos de Instalación – Los sellos de fase de vapor requieren típicamente alrededor de 0.004 kg/s (30 lb/hr) de vapor de 345 a 520 kPa man. (50 a 75 psig) a 140–165 C (280 a 325 F). °

°

Cuando se usan sellos de fase vapor, el diseño de la bomba debe colocar la presión en la caja de estopera tan cerca como sea posible a la presión de succión.

Sistemas de Lavado Propósitos – El lavado de un sello mecánico o del cojinete de garganta de una bomba con empacaduras utiliza un flujo de líquido relativamente alto; por ejemplo, de 0.03 a 0.13 dm 3 /s (0.5 a 2 gpm), para prevenir vaporización en la caja de estopera, y para mantener limpia de sólidos la cavidad de la caja de estopera, las superficies de roce adecuadamente lubricadas, y todas las partes del sello adecuadamente enfriado. enfr iado. El flujo de lavado entra en la caja de estopera en la conexión de lavado del plato de sello de una bomba sellada, o una conexión de cojinete de garganta (throat bushing) / cierre hidráulico de una bomba con empacadura. Este fluye a través dela caja de estopera y dentro del cuerpo de la bomba a través del espacio del anulo entre el eje y el cojinete de garganta. El flujo de lavado cumple su acción de lavado fluyendo a velocidad relativamente alta, en contracorriente a cualquier material que puede tender a entrar en la caja de estopera desde el cuerpo. Elimina la vaporización elevando la presión en la caja de estopera. Enfría las partes del sello por convección.

Métodos – Los sellos mecánicos se lavan normalmente con una corriente pequeña de bombeo, por ejemplo, son “auto–lavantes”. El lavado con con un líquido externo en vez del de bombeo se emplea cuando el líquido de bombeo es demasiado sucio para auto–lavado.


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En los casos donde el líquido de bombeo es un lubricante demasiado pobre para ser auto–lavante, la contaminación de la corriente de producto por un lavado externo frecuentemente no es aceptable, por lo tanto, se usan generalmente sellos dobles con circulación de lubricante entre sello (aceite de sello). En los casos donde la alta temperatura de operación impide el uso de sellos normales no enfriados, se prefieren los sellos de alta temperatura en lugar de lavado externo frío o agua enfriada auto–lavante. Para servicios sucios, se recomiendan los siguientes diseños.

Contenido de Sólidos

Sistema de Lavado de Sello

0 a 200 ppm

Sello simple con auto–lavado simple.

200 ppm–2% en peso, partículas mayoritariamente más grandes que 10 micrones, y no ensuciantes.

Sello simple con ciclón separador en línea auto–lavante.

200 ppm–2% en peso, cantidad significativa de sólidos menores que 10 micrones, o sólidos ensuciantes como el coque

Sello simple con lavado externo, si está disponible un líquido de lavado compatible y económico. Si no, use sello doble con un sistema auto–lubricante.



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Contenido de Sólidos 2% en peso

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Sistema de Lavado de Sello Use sello doble con sistema de lubricación de sello o empacadura con un cojinete de garganta (throat bushing) lavado externamente, dependiendo de experiencias anteriores con servicios similares.

Los sellos simples con lavado externo también se aplican a servicios con líquidos que cristalizan o solidifican cuando hay fugas a condiciones ambientales, como el catacarb. Para suspensiones químicas que pueden tolerar una tasa alta de inyección de agua (0.06 – 0.13 dm 3 /s) (1 a 2 gpm), se recomienda recomienda lavar el sello con agua. La Figura 1. ilustra los arreglos de lavado que se usan comúnmente. El más común es el CC–3, auto–lavante con solo un orificio de restricción en el circuito. La selección de los detalles de arreglo de lavado se realiza en la ingeniería de detalles después que se conozcan los detalles de la bomba y del sello. Selección del Líquido Externo de Lavado – Los factores siguientes se deben considerar en la selección de una corriente de líquido para lavado externo de sellos de bomba. 1.

La fuente debe estar en la misma unidad de proceso de la bomba.

2.

La temperatura de la fuente no debe ser mayor que la de la bomba.

3.

El punto inicial de ebullición de la corriente de lavado a la presión de la caja de estopera debe ser por lo menos 28 C (50 F) por encima de la temperatura de operación nominal de la bomba. °

°

4.

La presión de la fuente debe ser suficiente para suministrar por lo menos 175 kPa (25 psi) más que la presión de la caja de estoperas de cada bomba.

5.

El líquido debe tener un punto de fluidez por debajo de la temperatura mínima del ambiente o las líneas deben tener trazas de calentamiento y aislante.

6.

El líquido debe ser compatible con la corriente de bombeo y los equipos de proceso aguas abajo.

7.

La fuente debe estar disponible en arranque y parada de las bombas.

8.

La bomba que suple el aceite de lavado debe tener repuesto.

9.

El líquido debe tener un valor lubricante por lo menos igual al de la gasolina.

Si no se consigue un líquido disponible en el sitio, el último recurso es una instalación separada incluyendo un tambor de almacenamiento, una bomba, instrumentos y facilidades de cargas. Para instalaciones de bombas únicas o



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aisladas, se puede comprar un sistema modular. Para instalaciones múltiples o altamente críticas, es preferible diseñar las facilidades requeridas durante la fase de diseño de planta.

Detalles del Sistema Externo de Lavado – El diseño detallado de los sistemas de lavado externo se realiza durante la ingeniería de detalles. Las características típicas de diseño del sistema son las siguientes: 1.

La Figura ilustra un sistema típico.

2.

Si la presión de la fuente puede variar en más de 345 kPa (50 psi), se coloca una válvula reguladora de presión en la fuente.

3.

Si la presión de la fuente es mayor que 700 kPa (100 psi) por encima de la presión de cualquiera de las cajas de estoperas que reciben el servicio, se coloca una válvula de reducción de presión.

4.

El caudal de flujo es de 0.03 a 0.13 dm 3 /s (0.5 a 2 gpm) por caja de estopera. Para estimar el requerimiento del flujo total del sistema, use 0.1 dm 3 /s (1.5 gpm) por cada bomba en operación más 0.3 dm 3 /s (5 gpm) por contingencias.

5.

Si se requiere lavado del anillo de desgaste, este requerimiento y el caudal de flujo requerido se especificará por el suplidor de la bomba seleccionada.

6.

Se coloca una válvula de aguja de 9.5 ó 13 mm (3/8 pulg ó 1/2 pulg) para control de flujo a cada bomba, tomando menos de 70 kPa (10 psi) de caída de presión al caudal de flujo requerido.

7.

La indicación de flujo para cada bomba se suministra con un rotámetro u otro dispositivo.

Los sistemas de aceite de sello externo y los sistemas de lavado externo para sellos mecánicos, anillos de desgaste, o cojinete de garganta(throat bushing), se suministran con filtros (strainers) del tipo auto–lavante o dobles en el cabezal de distribución principal. El tamaño de la malla no debe ser más grueso que el mínimo de 20 mesh, pero puede ser tan fino como 150 mesh para cumplir con los requerimientos del suplidor de sello mecánico. El filtro (strainer) debe ser dimensionado para cada caída de presión de no mayor de 10 kPa (15. psi) servicio en limpio.

Sistemas de Sello La función del líquido de sello en un sistema de sello del eje de la bomba difiere significativamente del sistema de líquido de lavado en que muy poco líquido de sello fluye hacia la corriente de bombeo. Este fluye a través de la caja de estoperas, en vez de hacia la bomba. Es por lo tanto consumido a una velocidad mucho menor. El líquido de sello sirve como lubricante, enfriador y fluido de barrera. Un caudal de flujo típico es de 0.03 a 0.13 dm 3 /s (1a 2 gpm) por caja de estopera en un sistema de circulación.


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La Figura 4. ilustra un sistema cerrado de aceite de sello para sellos dobles. El líquido de sello se circula de un tambor de almacenamiento a través de un sello mecánico doble retornando de nuevo hacia el tambor de almacenamiento. Se coloca un enfriador en la corriente de retorno para prevenir el sobrecalentamiento del fluido. La energía del enfriador se obtiene asumiendo que el fluido a través de cada sello se caliente hasta la temperatura de bombeo. En la Figura 4. una alternativa al sistema de sello mostrado, sería tener el líquido recirculando a la corriente de proceso. También se puede considerar un sistema de sello estático como se muestra en la Figura 5. cuando las temperaturas de bombeo son por debajo de 65 C (150 F). °

°

Cuando se aplican los sistemas de circulación de aceite de sello que cubren varios servicios a diferentes niveles de presión, se debe tomar precaución para asegurar que la presión de aceite de suministro exceda la presión más alta de las presiones de la caja de estopera, para que el líquido de bombeo no caiga en el sistema de aceite de sello. Esto se puede lograr colocando una válvula reguladora de presión aguas arriba (Back Pressure) en el cabezal de distribución del aceite de sello aguas abajo del último suministro lateral. La regulación de la válvula debe ser ajustada para que exceda la presión más alta de la caja de estopera en un mínimo de 175 kPa (25psi). Ocasionalmente se aplica una figura simple de sello externo que consiste en suministrar lubricante al anillo de cierre hidráulico de una caja de estopera con empacadura. Se usa grasa, aceite lubricante, o agua, terminando en la caja de estopera en lugar de circular a través de ella. El requerimiento de flujo del líquido está en el orden de 2.5 a 25 dm 3 /h (0.01 a 0.1 gpm).

Cajas de Estoperas Empacadas La caja de estopera empacada es el tipo más simple de sello de eje. Consiste de una cavidad de caja de estopera con un cojinete restrictivo de garganta (Throat) al final del bombeo, varios anillos de empaque, un seguidor o casquillo. Un pequeño flujo se requiere continuamente entre la empacadura y el eje para lubricación. El flujo está típicamente en el rango de 2 a 20 dm 3 /s (0.5 a 5 gal/h), dependiendo de las características del líquido, la condición mecánica de la bomba y el tipo y arreglo del empacado. Enfriamiento de agua o vapor se usa en el collarín del prensa–estopa (Gland) para líquidos inflamables o tóxicos. Un separador hueco (anillo de cierre hidráulico) se coloca en el medio de la caja de estopera o al final del cojinete de garganta para permitir la distribución del lubricante inyectado o líquido de sello en servicio como: 1.

Presión de succión de vacío, para distribuir el sellador en sellado de presión positiva.


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2.

Donde el líquido de bombeo tiene muy poca lubricidad, requiriendo un lubricante externo para el empaque.

3.

Donde el líquido de bombeo contiene sólidos abrasivos.

4.

Donde el derrame del líquido de bombeo es intolerable debido a la toxicidad, corrosividad o calidades de ensuciamiento.

Los sellos mecánicos han sido exitosamente aplicados prácticamente a todos los servicios en los que previamente se ha usado la empacadura.

Control de Contaminación Se debe reconocer que las cajas de estoperas de bombas que manejan hidrocarburos y químicos representa una fuente potencial y a veces significante de la emisión del fluido de proceso a la atmósfera y al sistema de drenaje de líquido. Los sellos simples mecánicos, aplicados apropiadamente, suministran un sellado adecuado y confianza para las necesidades actuales y futuras de control de contaminación. Los sistemas de sello doble con instalaciones para separación de fugas del sello interno proveen un mayor potencial para confiabilidad alta, y operación de bomba libre de contaminación. El costo mayor de estos sistemas se puede justificar para algunas situaciones en esta base, ahora y en los años futuros.

Sistemas de Sello de Eje con Mínimo Riesgo de Fuego Los sellos mecánicos simples suministran fuerza y confiabilidad suficiente para mantener bajo el riesgo de fuego en la proximidad de la gran mayoría de bombas que manejan hidrocarburos. En ocasiones donde las circunstancias justifiquen reducir el riesgo de fuego a niveles excepcionalmente bajos, se deben considerar los siguientes diseños y arreglos: 1.

Purga continua con vapor o nitrógeno en el plato de sello.

2.

Espacio libre mínimo en el cojinete de garganta (Throat Bushing) (diseñado para permitir de flexión normal del eje) con un drenaje del plato prensa estopa drenado a un punto seguro de descarga de desecho.

3.

Use un collarín de prensa–estopa (Gland) de empaque auxiliar en vez de un cojinete de garganta (Throat Bushing), con lubricante suministrado afuera del sello interno, y con venteo de seguridad del plato de sello. Se puede usar un sello simple mecánico no balanceado en vez de un empaque auxiliar.

4.

Coloque una alarma por falla de sello (hay disponibles varios tipos comerciales) para indicar la falla inicial, antes de que ocurra una falla catastrófica.

5.

Use sello mecánico convencional doble o tandem con previsiones para venteo seguro del sistema de aceite de sello.



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RECOMENDACIONES DE DISEÑO Generalidades Sellos mecánicos para Servicios Limpios – Para todos los servicios limpios deberían especificarse sellos mecánicos según se indica en la Tabla 2, excepto para las siguientes aplicaciones donde se prefiere usar sellos empacados: 1.

Agua no tratada a temperatura ambiente y presión de succión, tal como agua para fuego, agua de enfriamiento de planta, agua de pozo, bombeado de sumidero, etc.

2.

Bombas de sumidero donde la fuga se drena de regreso al sumidero.

Servicios Sucios – Los servicios sucios se deben manejar según la presentación “Método de Lavado”.

Servicios con Historial de Problemas – Los servicios de bombeo donde la experiencia ha demostrado que el tiempo entre la falla con los sellos mecánicos simples se debe esperar que no sea menor de 4000 horas, por la naturaleza del servicio, se deben especificar como sigue: 1.

Si el derrame de producto es tóxico o altamente corrosivo, o si el lavado externo es un producto contaminante o diluente, use sellos mecánicos dobles con lubricación entre sellos.

2.

De otra forma especifique el empaque con lavado externo disponible inyectado en el forro de estrangulación de la caja de estopera.

Bombas de Repuesto Las bombas de operación y de repuesto deberían tener arreglos idénticos de sello del eje. En los casos de repuestos comunes, el arreglo para el sello del eje para el repuesto en común debe ser adecuado para los dos servicios.

Servicios Específicos Agua Tratada y Condensado – Las bombas que manejan agua tratada o condensado, incluyendo las bombas de alimentación de caldera, deben estar provistas con sellos mecánicos. Por encima de 65 C (150 F), la viscosidad del agua, y su lubricidad, es demasiado baja para una buena vida del sello. Por lo tanto, especifique enfriamiento con agua, auto–lavante. °

°

AAC (Acido Cianoacético) – Los sellos mecánicos para servicios de bombeo CAA se deberían especificar de la siguiente manera: 1.

Especifique un arreglo de sello mecánico doble lubricado con aceite como se muestra en la Figura 5. donde las condiciones de la caja de estopera de la bomba son favorables a la vaporización instantánea de la solución CAA. Esto incluirá todos los servicios de bombeo CAA por encima de 75 C (165 F) °

°


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2.

Use un sello mecánico simple auto–lavante en todos los otros servicios CAA e incluya la Tabla 3 como guía al suplidor de la bomba para seleccionar el arreglo auto–lavante.

3.

Especifique la construcción de las bombas inicialmente puestas con sellos mecánicos simples para ser aptos a conversión a sellos mecánicos dobles en “Pareja”.

Servicio de Bombeo de Fenol – Especifique un sello mecánico en “Pareja” (tandem) y el sistema presentado en la Figura 6. Un fluido de barrera (aceite) se circula a través de la cámara del sello intermedio, lubricando las caras de sello externas. La fuga en “Pareja” previene el derrame de fenol en el casode que el sello interno falle. El derrame del sello interno se puede remediar rápidamente, porque la presión en el sistema de tambor de aceite de sello aumentará. El sello externo prevendrá el derrame hasta que se tome una acción correctiva.

Producto Asfáltico – Especifique el empaque con previsiones para lavado externo para arranque y parada, y con construcción de bomba que permita conversión a sellos mecánicos.

Soda Cáustica – Si la corriente de proceso puede tolerar una dilución de 100 a 200 dm3 /h (0.5 a 1 gpm) de agua, especifique sellos mecánicos simples con agua fresca de lavado y agua de enfriamiento del plato prensa estopa. Si la corriente de proceso sólo puede tolerar dilución de agua al nivel de 12.5 a 25 dm 3 /h (0.05 a 0.1 gpm), especifique el empaque con sello de agua fresca en el anillo de cierre hidráulico. En cualquier caso, provea una regulación de presión del suministro de agua externa para evitar una inyección excesiva de agua de la corriente de proceso.

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NOMENCLATURA (Ver MDP–02–P–02)



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TABLA 1. USO DE FLUIDOS AUXILIARES EN EL SELLADO DE EJE DE BOMBAS

Servicio Lavado

Objetivos

Fluido Utilizado

Previene la vaporización en la cercanía de superficies con fricción enfriando y controlando la presión.

Líquido bombeado para auto–lavado. Fuentes externas a veces necesarias debido al bombeo de sólidos, lubricación insuficiente, temperatura excesivas.

––––Donde Aplica––– Cajas de Estoperas Empacapas

Sello Mecánico

Anillo de linterna tipo cojinete Conexión del plato prensa de garganta (también, en los estopa. anillos de desgaste para suspensiones abrasivas).

Reduce la temperatura en la caja de estoperas a un nivel adecuado para una duración larga y una flexibilidad propia de los sellos elastómeros secundarios y la durabilidad del anillo de carbón. Previene la entrada de sólidos en la caja de estopera desde el bombeo. Reduce la formación de polímeros y coque en la caja de estoperas entrando y circulando. Sellado

Provee lubricación para elementos de sello del donde el bombeo es lubricante pobre o confiable.

los eje un no

Fuente externa; usualmente Conexión de anillo aceite lubricante, linterna en la caja ocasionalmente una estopera. corriente de proceso.

de de

Entre los dos sellos en el caso de los sellos mecánicos dobles, o entre el sello individual y empaque externo auxiliar, a través de la conexión del plato prensa estopa.

Provee un medio seguro y conveniente de detección de pérdida del sello interno. Barrera que previene la explosión del sello interno y pérdida a la atmósfera. Humectación

A temperatura de bombeo Vapor (metanol menores que 2 C (35 F), ocasionalmente). previene la acción de cristales de hielo sobre las caras del sello. °

De 2 a 175 C (35 a 350 F), Agua lava las fugas de la caja de estoperas; no sirve para hidrocarburos por debajo de 38 C (100 F), ya que el agua a temperatura ambiente no puede prevenir la vaporización de la fuga; para fenol, use vapor para prevenir la solidificación. °

°

°

usado ––

°

°

Prensa–estopa (Gland)

Conexión de enfriamiento del plato prensa estopa.

No se utiliza normalmente.


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Servicio

Objetivos

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––––Donde Aplica––– Cajas de Estoperas Empacapas

Fluido Utilizado

175 C (350 F) permita la Vapor fusión de líquidos altamente viscosos para liberar el eje el arranque. También provee una barrera para minimizar la oxidación del derrame en las cercanías del sello del eje. °

Calentamiento

Prensa estopa (Gland)

°

Para sellos de fase vapor – Vapor de 345 a 520 kPa man. –– lleva el líquido de bombeo en (150 a 75 psig), 140 a 160 C la caja de estopera al vapor. (280 325 F). °

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Sello Mecánico Conexión de enfriamiento del plato prensa estopa.

Conexión de calentamiento del plato prensa estopa.

°

Enfriamiento

Para alta viscosidad – ayuda Vapor a liberar el eje y el sello para el arranque.

Camisa de caja de estopera; Conexión de calentamiento algunos modelos están del plato prensa estopa. equipados con camisas en el cuerpo para calentamiento.

Previene vaporización en las Agua superficies de fricción.

Camisa de enfriamiento de Camisa de enfriamiento de caja de estopera. caja de estoperas.

Reduce la temperatura del fluido de la caja de estopera a un nivel adecuado para duración larga y flexibilidad apropiada para sellos elastómeros secundarios y durabilidad de los anillos de carbón.

Cavidad anular enfriante en el plato de sello. Enfriador externo cuando se usa auto–lavado.

Enfriador externo cuando se usa recirculación de la caja de estopera por el anillo de bombeo. Lubricación

Lubricación de las Aceite lubricante superficies de fricción donde el bombeo no es satisfactorio.

Grasa o aceite de sello Purga

Un colchón amortiguador Nitrógeno fuera de un sello mecánico individual para excluir positivamente el aire y la humedad del ambiente.

––

Entre las caras de los sellos diseñados para fuerza mínima lubricación de alimentación a través de las perforaciones en las caras de los sellos.

Anillo de linterna ––

Conexión especial para arreglos especiales de instalación, por ejemplo, el modelo Sundyne para servicio de hidrocarburos a baja temp.



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TABLA 2. TIPOS DE SELLOS DE EJE RECOMENDACIONES PARA HIDROCARBUROS LIMPIOS Y QUIMICOS Presión de Succión kPa psig man.

Temperatura Normal °

C

°

Tipo de Sello de Eje

Lavado/Sellado

F

0–8300

0–1200

–50

–60

Cada aplicación requiere ingeniería Individual

0–8300

0–1200

–50 a +175

–60 –+350

Sello mecánico individual

Auto lavante

0–8300

0–12100

175 a 230

350 – 450

Sello mecánico

Auto lavante con enfriamiento cuando se requiere para prevenir la vaporización.

0–2100

230 a 400

450 –750

Sello mecánico individual de alta temperatura o sello normal con lavado de enfriamiento, dependiendo de la necesidad de enfriar para prevenir la vaporización en las caras de los sellos.

Auto lavante con enfriamiento cuando se requiere para prevenir la vaporización o controlar la temperatura del ambiente del sello.

Vacío

–50 a 400

–60 –750

Lo mismo que para presión de succión Lavado diseñado para presión positiva positiva. en la caja de estoperas. Fuentes externas para arranque y parada.

–40–+120

El sello individual de v apor es u na opción aceptable.

1800–2800

260 – 400

–40 a +50

8300

1200

Cualquiera

Cualquiera

400

Calentamiento con vapor; sin lavado.

Cada aplicación requiere ingeniería individual. 750

Cada aplicación requiere ingeniería individual.

NOTA: (1)

En vez de especificar un tipo particular de sello del eje, la especificación debería requerir que el diseño del sello suministrado sea uno probado con éxito por experiencia de operación comercial anterior. Los diseños aplicables incluyen los sellos mecánicos dobles con presión elevada en la caja de estoperas, sin lavado, y purga de nitrógeno a fuera de las caras del sello.


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TABLA 3. SELLOS MECANICOS INDIVIDUALES REQUERIMIENTOS PARA BOMBAS EN SERVICIO CAA Detalles del Sello

–––––––––––––––Construcción de la Bomba–––––––––– Bombas con anillo de desgaste detrás del impulsor y perforaciones de balance.

Bombas sin anillos desgaste detrás del impulsor y perforaciones de balance.

Arreglo de un Auto Lavado

Línea terminal de lavado sin restricción o válvula desde la descarga hasta el tope de la caja de estoperas en las caras del sello.

Línea de lavado derecha sin restricciones o válvula desde la descarga hasta el fondo de la caja de estoperas en las caras del sello, línea sin válvula o restricción desde el tope de la caja de estoperas hasta la succión.

Cojinete de Garganta en el impulsor

Ninguno

Requerida

Tipo de Sello

––––––––––––––––––––Balanceado––––––––––––––––––

Material de la Empacadura del Sello Mecánico

––––––––––––––––––––––Teflón–––––––––––––––––––––

Resorte del Sello

––––––––––––––––––––Individual––––––––––––––––––––

Enfriamiento con Agua

Agua a ser circulada a través de las conexiones de la ventilación del plato de sello y drenaje para remover los depósitos de CAA en el anillo de sello.


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Fig 1. ARREGLOS COMUNES PARA EL SELLADO Y LAVADO DE SELLOS MECANICOS


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Fig 1. (CONT.)

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Fig 2. CONFIGURACIONES TIPICAS DE SELLOS MECANICOS


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Fig 3. SISTEMA TIPICO DE LAVADO EXTERNO SIN RECIRCULACION

Fig 4. SISTEMA TIPICO DE ACEITE DE SELLO PARA SELLOS MECANICOS DOBLES


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Fig 5. ARREGLO DE ACEITE PARA SELLOS MECANICOS EN SERVICIO CAA


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Fig 6. SISTEMA DE SELLOS PARA BOMBAS DE FENOL CON SELLOS MECANICOS TIPO “PAREJA” “TANDEM”


PDVSA N°

MDP–02–P–10

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FECHA

APROB.



PDVSA, 1983

TITULO

REQUERIMIENTOS DE INSTALACION

APROBADA DESCRIPCION

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20

L.R.

L.R.

PAG.

REV.

APROB.

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ESPECIALISTAS




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Indice 1 2 3 4 5

ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OPERACION EN PARALELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INSTALACION DE REPUESTOS COMUNES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DISEÑO DE BOMBAS CENTRIFUGAS PARA OPERACION BAJO FLUJO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 ARRANQUE AUTOMATICO DE BOMBAS AUXILIARES . . . . . . . . 7 TUBERIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 SISTEMAS DE DRENAJE PARA CUERPOS DE BOMBAS CERRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 FACILIDADES DE CALENTAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 FILTROS DE SUCCION DE BOMBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 PULSACION DE BOMBAS RECIPROCANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 SISTEMA DE LUBRICACION DE ACEITE EN DISPERSION . . . . . 13 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 6 7 9 13 14 14 15 17 17 18




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ALCANCE Esta subsección trata sobre la integración de bombas individuales en las instalaciones de servicio de bombeo. Incluye los aspectos básicos de instalaciones de bombas múltiples y diseño de estaciones de bombeo. Incluye también los sistemas de tuberías y los accesorios directamente asociados con las unidades de bombeo.

2

REFERENCIAS PDVSA H–251 GA–201 N–265 N–268 N–269 N–271

Otras Referencias Kent, G.R.

3

Requerimientos de Diseño de Tuberías de Proceso y Servicio Centrifugal Pumps “specification for procurement of Low Voltage AC Adjustable Speed Drive” “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” “Field Inspection and Testing of New Electrical Equipment” “Stop Pump Flashing – Find Minimum Flow”, Hydrocarbon Processing, 44 (July, 1965)

OPERACION EN PARALELO Razones Para Arreglo en Paralelo Las bombas pueden ser diseñadas para operación en paralelo por cualquiera de las siguientes razones típicas: Se requiere un aumento de capacidad de un servicio de bombeo existente, 1. y se agrega una nueva bomba en paralelo a una o más bombas existentes. Sin embargo, debido a la característica del sistema de descarga existente, el flujo del sistema no incrementará necesariamente en proporción al número de bombas agregadas. 2. Se requiere una confiabilidad muy alta del servicio de bombeo sin confianza total en el funcionamiento de un mecanismo de auto arranque. La parada de una bomba de un grupo que opera en paralelo no causa falla total repentina del servicio.




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La capacidad del servicio requerido puede exceder la capacidad de cualquier bomba disponible, y aceptable o cualquier modelo de accionador. La capacidad de servicio requerida puede exceder el suministro de energía de servicio disponible para un sólo accionador o un tipo de accionador. El deseo de flexibilidad de operación en la fuente o el tipo de energía puede llevar a unidades paralelas múltiples con diferentes tipos de accionadores. El uso de bombas múltiples puede permitir ahorros de inversión, por ejemplo, para servicios de capacidad alta, tres bombas dimensionadas al 50% pueden requerir menor inversión total que dos bombas dimensionadas al 100%. Para cumplir con un requerimiento de mayor capacidad de flujo que el normal en una operación poco común, puede ser preferible tener una bomba de servicio y su repuesto operar en paralelo, en vez de diseñar cada una para un caudal de flujo mayor de lo normal. Los requerimientos de códigos nacionales o locales pueden ordenar que las bombas múltiples normalmente operen en paralelo para incrementar la seguridad y/o la confiabilidad de la planta.

Requerimientos para Operación Satisfactoria en Paralelo Varios aspectos de la curva de cabezal–capacidad son importantes cuando se desea obtener una operación exitosa de bombas centrífugas en paralelo: 1. El nivel de cabezal a cero flujo debe ser igual. 2. La curva de cabezal no debe decrecer a medida que el flujo disminuye hacia cero para evitar la inestabilidad, debido a la existencia de dos puntos de operación. 3. Las curvas deben tener una similitud cercana en la forma para asegurar un repartición apropiada de la carga. 4. El cabezal a cero flujo debe ser por lo menos el 110% del cabezal a PME (Punto de máxima Eficiencia), para evitar fluctuaciones en la parte horizontal de la curva, lo que produce una gran variación en el caudal de flujo con sólo un pequeño cambio de cabezal. Ya que la forma de la curva no decreciente y la buena combinación de curvas entre las bombas en paralelo es crítica para lograr una operación de servicio de bombeo satisfactoria, es deseable una prueba de funcionamiento de la bomba seleccionada y a veces especificada. La decisión para requerir la prueba de funcionamiento se debería basar en la forma de la curva propuesta, los resultados de la prueba previa del vendedor, el tipo de bomba seleccionada, y el nivel de cabezal–capacidad. Por lo tanto, la decisión es tomada en la ingeniería de detalle, y no en el diseño básico de planta. El grado de atención requerida en diseño de servicios con bombas en paralelo depende de la disimilitud de las unidades de bombas a ser puestas en paralelo.




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La situación más simple y más común es colocar en paralelo dos bombas idénticas con los mismos accionadores. Algunas situaciones más complejas en orden creciente son: 1.

Bombas idénticas con tipos diferentes de accionador.

2.

Bombas de tipo similar, pero con diferente característica de capacidad de cabezal y diferentes puntos de PME (Punto de Máxima Eficiencia).

3.

Bombas centrífugas con curvas decrecientes.

4.

Disposición en paralelo de bombas centrífugas y de desplazamiento positivo.

Disposición en Paralelo Para Bombas Centrífugas y de Desplazamiento Positivo Las modificaciones o expansiones de planta a veces resultan combinando bombas rotativas y centrífugas en servicio paralelo. Esto mayormente ocurre en el rango de viscosidad de 32 a 430 mm2 /s (150 a 2000 SSU) donde son operables ambos tipos. Las bombas de desplazamiento positivo tienen una curva de cabezal–capacidad muy decreciente y operan esencialmente a capacidad constante. Cuando se opera a esa capacidad la bomba de desplazamiento positivo es capaz de producir una presión de descarga lo suficientemente alta para parar completamente el flujo en la bomba centrífuga, lo que puede producir daños por sobre calentamiento. Por lo tanto, la bomba centrífuga debe estar equipada con un desvío al lado de la válvula de retención de la bomba, diseñado para asegurar un flujo mínimo a través de la bomba. Disposición en Paralelo de Bombas Centrífugas de Alta Velocidad Las bombas centrífugas de alta velocidad tienen curvas decrecientes de cabezal–capacidad, pero tienen la ventaja económica que sobrepasa esta deficiencia. En algunas situaciones puede ser deseable usarlas en operación paralela a pesar de que haya que tomar más precauciones. En estos casos, se recomienda consultar con los especialistas en máquinas. Características de Diseño de Instalación para Bombas Normalmente en Operación en Paralelo 1.

El tamaño del accionador se debería seleccionar para no permitir sobrecarga en cualquier punto a través de toda la curva de la bomba (“no–sobrecarga”), en el caso de que una bomba asuma una carga mayor que la de igual repartición de la carga debido a una combinación pobre de las características de la bomba o cuando una bomba se para, ocasionando que la bomba remanente se mueva fuera de su curva.




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2.

Se debería prever posiciones para orificios de prueba de flujo en la línea de descarga de cada bomba para permitir la verificación que el flujo está propiamente repartido entre las bombas. Los amperímetros para accionadores de motor y medidores de flujo de vapor para accionadores de turbina suministran una indicación indirecta de repartición de carga y son a veces de ayuda para este propósito, aunque no tan conclusivas como los medidores de flujo.

3.

Las tuberías de distribución de la succión se debería arreglar tan simétricas como sea posible de manera tal que todas las bombas tengan el mismo NPSHD.

4.

Cuando se requiera de instrumentación para arranque automático, se debería arreglar para permitir que cualquiera o todas las bombas en paralelo sean seleccionadas por el operador como la bomba auxiliar para arranque automático.

5.

Las turbinas o máquinas que accionan las bombas que trabajan en paralelo con bombas accionadas con motor, deberían tener un gobernador capaz de retener la velocidad a una variación máxima de 0.5% de la velocidad del motor (NEMA Clase B o mejor) para asegurar una buena distribución de carga de las bombas).

6.

Donde dos o más bombas operan normalmente en paralelo pero donde el caudal de flujo puede caer a una tasa lo suficientemente baja para permitir apagar una bomba, coloque una alarma de flujo bajo para señalar al operador que él puede apagar una.

Operación en Serie A continuación se presentan situaciones donde se utilizan arreglos en series: 1.

2.

3.

4.

5.

Un NPSHR inusitadamente alto, por ejemplo, operando a un punto alto de cabezal–capacidad, a veces requiere una bomba reforzadora para presionar la succión de la bomba de alta presión. El requerimiento de cabezal excede la capacidad de una sola bomba y el caudal de flujo está por debajo del rango económico de la bomba reciprocante. Se prefieren dos o más bombas en serie en vez de una bomba multietapa para servicio de suspensiones erosivas. El requerimiento de diferencial de presión es lo suficientemente bajo para que una de las bombas en serie se pueda apagar, como en líneas de transporte de fluido. La alimentación de la planta se debe transferir de un área remota de almacenaje a la de succión de una bomba de alimentación de cabezal alto.




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La operación en serie tiende a tener desventajas que deben ser arregladas en la fase de ingeniería de detalle y con frecuencia sobrepasan las ventajas. Algunas desventajas grandes son: 1.

El costo del equipo total de la bomba y el costo de instalación son mayores que para una sola bomba.

2.

La confianza es reducida porque el servicio de bombeo es dependiente en ambas bombas y ambos accionadores por continuidad. Se requieren a veces acciones de seguridad para prevenir la operación de una bomba sin la otra. Esta seguridad se logra usando un accionador común para las dos bombas.

3.

Los cambios de cabezal–capacidad se reflejan en las dos bombas, requiriendo un estudio especial de la respuesta del sistema a los cambios de flujo y presión.

El sellado del eje de la bomba de etapa superior será difícil si la presión entre las bombas es alta. En vista de estas desventajas, se debería evitar la operación en serie cuando sea posible. 4.

4

INSTALACION DE REPUESTOS COMUNES En el documento MDP–02–P–02 se presentan las consideraciones que se aplican en la selección de los servicios para los cuales se pueden usar bombas con repuestos comunes. Una vez que los servicios compatibles ha sido seleccionados, se debe diseñar la distribución de tubería para permitir el uso de repuesto en cualquier servicio. Las condiciones de temperatura y presión son usualmente lo suficientemente cercanas para que no se requiera una clasificación especial de la tubería; sin embargo, se debe verificar para determinar si es necesario. La tubería de succión y descarga se deben clasificar para soportar la mayor presión y temperatura de los dos servicios. Ya que las condiciones de operación entre los dos servicios pueden ser lo suficientemente diferentes para justificar diferencias en los detalles del sistema de sello del eje, las Especificaciones de Diseño deberían especificar que el diseño del sello del eje para los repuestos comunes sea adecuado para ambos servicios.



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DISEÑO DE BOMBAS CENTRIFUGAS PARA OPERACION A BAJO FLUJO Sistemas de Reciclo Si cualquier condición de flujo de proceso especificada es menor que el nivel de flujo mínimo permisible para una bomba en particular, se debe instalar un desvío para recirculación para evitar daños a la máquina por cavitación, sobrecalentamiento o atascamiento. Los desvíos se dimensionan típicamente para el 10% a 25% de la capacidad de la bomba en el punto de mejor eficiencia (“PME”). Una eficiencia alta (del 75 al 85% a PME) tiende a reducir el flujo mínimo requerido; un cabezal alto tiende a incrementarlo. El rango de 10 a 25% está limitado típicamente en su límite superior con servicios de alimentación de calderas de alto cabezal y servicios criogénicos, y en su límite inferior con bombas para alto flujo de una sola etapa. Las bombas de proceso con caudales de flujo nominales de 2.5 a 20 dm3 /s (40–300 gpm) típicamente se seleccionan para operar 40% a 75% de la capacidad de PME y aquellas de 20 a 125 dm3 /s (300 a 2000 gpm) a 75% a100% de la capacidad de PME. Se debe prestar atención en el diseño de todo sistema de recirculación para asegurar que el flujo recirculado no aumente significativamente la temperatura de la succión de la bomba, lo que incrementaría la presión de vapor resultante y, por lo tanto, reduciría el NPSH disponible. La línea de reciclo debería preferiblemente ser llevada al tanque de succión en vez de la línea de succión de la bomba. El desvío puede tener un orificio fijo para recircular constantemente el flujo mínimo o una válvula de control que comienza a abrir cuando el requerimiento de flujo del sistema iguala el valor mínimo permisible. La válvula de control requiere una inversión mayor que el orificio, pero típicamente es económica en bombas por encima de 37kW, y cuando el caudal de flujo de operación normal está por encima del 50% de la capacidad de PME (ya que el flujo de reciclo no se requiere en operación normal). La siguiente fórmula basada en el aumento de temperatura permisible del fluido es una forma conveniente de estimar el flujo continuo mínimo y seguro cuando se conocen las características de funcionamiento reales de la bomba. Qmin 

77H PME QPME E PME ( F10 CP  T  HPME )

Ec. (1)




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F10

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= Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

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En unidades métricas 85

En unidades inglesas 649

donde: HPME, QPME y EPME son el cabezal, la capacidad y la eficiencia (en porcentaje) al flujo de mayor eficiencia para la bomba. Cp es el calor específico del líquido a presión constante. Si esta fórmula produce un valor menor al 10% del flujo del PME, use el 10% para el diseño del sistema de reciclo. Este método provee una forma rápida de evaluar un requerimiento de flujo mínimo recomendado por el suplidor de la bomba. Antes de seleccionar una bomba y antes de que se conozcan la eficiencia real y las características de PME, se puede obtener un estimado para determinar la eficiencia, sustituyendo las condiciones normales de proceso y usando datos típicos de funcionamiento de la MDP–02–P–02, Figura 3 ó 4. Si el aumento de temperatura permisible (T) es desconocido, use 8.3 C (15 F) para agua y aplicaciones químicas en general, 5.6 C (10 F) para hidrocarburos y agua de alimentación de calderas y 2.8 C (5 F) para hidrocarburos livianos, criogénicos y otros servicios de NPSH crítico. Donde se requiere reciclo por bajo flujo para bombas que se operan en paralelo, se requieren reciclos individuales para cada bomba. °

°

°

°

°

°

Control de Flujo Mínimo Para Servicio de Agua de Alimentación de Caldera La necesidad de un control automático del desvío por bajo flujo en servicios de agua de alimentación de caldera ha llevado al desarrollo de una unidad combinada de válvula de retención / válvula de desvío por bajo flujo.Estas unidades están comercialmente disponibles y se recomiendan para servicios de agua de alimentación de caldera. La aplicación en otros servicios diferentes del agua de alimentación de caldera depende de la experiencia de aplicaciones exitosas anteriores. Cuando se aplica esta unidad combinada de válvulas, se recomienda una alarma por bajo flujo, un manómetro de presión y un orificio de restricción en la línea de desvío del bajo flujo para verificar manualmente de que hay recirculación, ver Figura 3. Aumento Real de Temperatura El aumento de temperatura que ocurre en una bomba es importante cuando el líquido bombeado está cerca de su punto de burbuja, ya que se produce una fuga de la descarga a la succión. El aumento de temperatura se puede estimar con la siguiente fórmula cuando la eficiencia al caudal de flujo de operación se conoce:



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F11



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H o (0.98  Eo) F 11 CpEo

= Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

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Ec. (2)

En unidades métricas 102

En unidades inglesas 778

Modificación de las Características Efectivas de Cabezal–Capacidad del Sistema Cuando se seleccionan las bombas centrífugas para servicios de caudal de flujo bajo, el aumento de capacidad de cabezal entre el caudal de flujo nominal y a cero flujo con frecuencia y por necesidades menor que el 10% de aumento mínimo requerido; por ejemplo el punto de flujo nominal está en la parte horizontal de la curva cabezal–capacidad. Esto haceque el caudal de flujo de la bomba sea muy sensible al cambio de presión y tienda a inestabilizar la bomba y su sistema de control. Un método simple de prevenir esta deficiencia es suministrar un orificio de restricción en la brida de descarga de la bomba y diseñar la bomba con una capacidad adicional de cabezal tal que la presión aguas abajo del orificio sea suficiente para los requerimientos del servicio. Las características de presión–capacidad aguas abajo del orificio serán adecuadas para una operación y control estable. El orificio se dimensiona para la diferencia entre la presión diferencial correspondiente a el aumento natural de la curva y el aumento deseado de la curva, típicamente alrededor de 10% de la presión diferencial requerida por el servicio. La bomba es entonces diseñada para cabezal extra tomando en consideración la caída de presión del orificio. Como el orificio y el cabezal de la bomba no se pueden diseñar hasta que no se haya hecho una selección tentativa de la bomba, este procedimiento de diseño se debe usar en la fase de procura de la bomba, en cooperación con el suplidor, en lugar de hacerlo en la etapa de diseño básico de planta.

6

ARRANQUE AUTOMATICO DE BOMBAS AUXILIARES Situaciones que Requieren Arranque Automático Las bombas auxiliares son previstas con arranque automático cuando la parada de la bomba de operación por más de unos pocos minutos pueda parar la unidad de proceso o poner en peligro la seguridad del personal o del equipo.La mayoría de los servicios de bombeo de la refinería pueden tolerar una pérdida de bombeo del orden de 2 a 5 minutos requeridos por el operador para informarse de una falla de bomba y tomar acción para arrancar manualmente la bomba auxiliar. Por lo




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tanto, la mayoría de los servicios de bombeo de proceso no se ajustan a los requerimientos para arranque automático. Algunos ejemplos de los servicios críticos donde se usa el arranque automático son los siguientes:

Servicio Agua de alimentación de caldera

Razón crítica La capacidad de generación de vapor es rápidamente afectada; se requiere un suministro continuo de vapor a presión a presión máxima para permitir la operación de la planta en fallas momentáneas de energía y para permitir una parada de planta de emergencia con seguridad.

Condensado de condensadores de La acumulación de condensado en el superficie condensador de superficie de una turbina de condensado de vapor puede exponer el rotor de la turbina a inundación del cuerpo de salida y causar daños severos a la máquina. Agua de enfriamiento de refinería

Alimentación de horno

Aceite lubricante de compresor

El enfriamiento del proceso a través de la planta es afectado; una falla de flujo de agua puede causar un cambio grande en el proceso y condiciones peligrosas. Con la parada de flujo del líquido de proceso en un horno de temperatura alta se arriesga un sobreca– lentamiento del metal del tubo y una falla, lo cual permite a un líquido de proceso inflamable entrar en contacto con el área de combustión del horno. La falla de cojinetes ocurre muy rápidamente después de la pérdida de presión del aceite lubricante requiriendo por lo tanto de un sistema de parada de aceite lubricante de baja presión; el arranque automático de la bomba auxiliar se instala para permitir una operación continua de la unidad del compresor por causa de la parada de la bomba principal de aceite.




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El arranque automático de una bomba auxiliar no es la única previsión de seguridad para un servicio de este tipo. La parada automática de suministro de combustible, la inyección automática de vapor, la parada automática de máquinas, etc., se emplean como previsiones posteriores en muchas situaciones.

Parámetros que Disparan el Arranque Automático El parámetro más comúnmente usado para disparar el arranque automático de la bomba auxiliar es la caída de la presión de descarga de la bomba. En el caso de bombeo de condensado de pozo caliente, se usa un nivel alto en el pozo caliente para arrancar la bomba de repuesto. El flujo bajo o la temperatura alta pueden, en algunas situaciones de proceso, ser preferible a la presión de descarga o al nivel de líquido en el recipiente de succión. Control de Arranque Automático Los servicios de bombeo arreglados para arranque automático de las bombas de repuesto deberían estar provistos de controles y un interruptor principal de selección de arranque automático, localizado en la instalación de la bomba, lo cual permite la designación de cual bomba va a arrancar automáticamente. En instalaciones de bombas múltiples en paralelo, normalmente cada unidad de bomba se instrumenta para servir de unidad de arranque automático, cuando sea señalado por el interruptor selector de arranque automático. Los sistemas de arranque automático deberían tener alarmas para indicar que la bomba ha arrancado automáticamente. Los controles que afectan el arranque automático deberían dejar la bomba de repuesto en funcionamiento después que la crisis de arranque automático ha pasado. Se debería especificar la parada manual de la bomba de repuesto y el reajuste del mecanismo de arranque automático. Este arreglo ayuda a centrar la atención del operador en el evento del arranque automático aumentando la probabilidad de que se corrija el problema que lo causó. En el caso de turbinas de vapor, la válvula de abertura rápida colocada en la línea de suministro del vapor debería estar provista con una palanca de reajuste manual. Dimensionamiento del Motor Para Arranque Automático Los accionadores tipo motor de bombas designadas como de arranque automático, se debería especificar para no ser sobrecargados, (dimensionados para el requerimiento de potencia máxima de la bomba en su rango de flujo completo) de manera que puedan ser operados continuamente con seguridad con la bomba en operación lejos de la curva cabezal–capacidad. Esto es necesarioporque las circunstancias que causan el arranque automático frecuentemente fuerzan la bomba de repuesto a operar a un caudal de flujo mayor de lo normal.




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Arreglos de Turbina para Arranque Automático Generalidades – Las especificaciones de diseño deben especificar cuales turbinas están dispuestas para arranque automático tal que se puedan seleccionar modelos de turbina con cojinetes y sistemas de lubricación adaptados. La válvula de abertura rápida se debería diseñar para caída de presión despreciable a un flujo de vapor normal para asegurar una presión adecuada a la válvula de admisión de vapor de la turbina. Los siguientes puntos son cubiertos en la ingeniería de detalle y normalmente no requieren especificaciones de diseño. 1.

La válvula de abertura rápida en la línea de suministro de vapor para arrancar automáticamente las turbinas deberían tener un desvío de 19 mm (3/4 pulg), con un orificio de restricción para proveer un suministro continuo de vapor de calentamiento a la turbina.

2.

Se requieren trampas de vapor inmediatamente aguas arriba de la válvula de abertura rápida, en el fondo del cuerpo de descarga de la turbina, y en cualquier otro punto bajo en la tubería de descarga.

Las turbinas de vapor con eje que manejan bombas de aceite lubricante e interruptores que se disparan por baja presión de aceite lubricante deben tener características de retraso automático de tiempo para permitir una aceleración automática a toda velocidad antes de que se estabilice la presión total del aceite combustible. Turbinas de Contrapresión – Las tuberías de descarga de turbinas de contrapresión arregladas para arranque automático requieren atención especial para prevenir la formación y el arrastre de condensado de la descarga (Exhaust) lateral en la descarga principal. Si está presente una parte de condensado cuando la turbina arranca, esta será acelerada por el repentino golpe de vapor y puede causar daños serios en la tubería cuando golpea un codo o entra en el cabezal de vapor de presión baja. La posibilidad de daño se puede reducir de las siguientes maneras: 3.

1.

El uso de trampas de vapor dobles y paralelas en cada punto bajo se considera una precaución suficiente si el tamaño de la línea de descarga de vapor es pequeña, comparada con la línea principal de baja presión.

2.

Si la disposición de tuberías es tal que el mal funcionamiento de las trampas pudiera resultar en la formación de una gran porción de condensado, se debería agregar una chimenea de venteo atmosférico con válvula para la tubería de descarga dentro de la válvula de bloqueo de descarga. La válvula de venteo estará abierta mientras la turbina esté parada y por pocos minutos después del arranque automático, hasta que llegue un operador para cambiar el interruptor a operación de contrapresión. Este método no se




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puede usar, sin embargo, si el diseño de la turbina no es adecuado para la operación con presión de descarga atmosférica, o si el vapor escapa a la atmósfera antes de que llegue un operador, podría poner en serio peligro la disponibilidad de vapor de presión baja (Turbine Exhaust) necesitado en otro lugar durante una emergencia de planta.

Acumuladores para Servicio de Aceite Combustible para Calderas Cuando la bomba de suministro de aceite combustible para una caldera de vapor se para, el quemador puede apagarse antes que la bomba de repuesto de arranque automático pueda reestablecer la presión y el flujo, parando la caldera y perjudicando seriamente la operación de la planta. Para evitar que el quemador se apague, se debería usar en la línea de descarga de la bomba un acumulador similar al que se usa en los sistemas de aceite lubricante de compresores centrífugos. El acumulador debería ser capaz de mantener la presión de aceite combustible y el flujo por 10 segundos mientras que la bomba de repuesto se acelera a la velocidad de operación. Este debe tener traza de calor y aislante para asegurar un funcionamiento confiable con aceite combustible de alta viscosidad.

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TUBERIAS Los requerimientos de diseño de tubería para bomba se presentan en PDVSA H–251. Se requiere atención especial en seleccionar las clasificaciones para las tuberías de succión y válvulas para bombas con tuberías distribuidas para flexibilidad de repuestos comunes. El sistema de tubería debe ser diseñado mecánicamente para limitar las fuerzas y los momentos impuestos en las bridas de la bomba, aquellas permitidas por el diseño de la bomba. Las tuberías de succión para bombas con terminal de succión convencional requiere atención especial en diseño mecánico debido a que las corridas cerca de la bomba tienden a tener menor flexibilidad que las corridas superiores a las bombas que succionan por el tope. La tubería de succión de bombas centrífugas se dimensiona para un caída de presión de 1.7 a 2.8 kPa (0.25 a 0.4 psi) por cada 30 m (100 pie) de tubería,resultando en velocidades típicas de flujo de 1.5 a 3 m/s (5 a 9 pie/s); el dimensionamiento de tuberías de descarga resulta en aproximadamente el doble de esta velocidad. Las tuberías de succión de una bomba reciprocante se dimensionan para velocidades menores, debido al efecto del cabezal de aceleración sobre el NPSHD.



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SISTEMAS DE DRENAJE PARA CUERPOS DE BOMBAS CERRADAS Muchos tipos de servicios de bombeo requieren facilidades para un drenaje seguro del cuerpo de la bomba antes de abrir éste para mantenimiento. Las facilidades requeridas son: 1.

Una conexión de drenaje para el cuerpo, con válvula.

2.

Una tubería pequeña de drenaje (19 mm) (3/4 pulg), con traza de vapor para líquidos con punto de fluidez alto.

3.

Un punto de colección adecuado o un tanque de colección.

Los tipos de servicio que requieren estas facilidades son: 1.

Los servicios con temperatura por encima de autoignición, como los fondos de destilados, los cuales requieren drenaje de cuerpos para evitar solidificación, pero crearían un peligro de incendio si el residuo fuera liberado directamente a la atmósfera.

2.

Hidrocarburos livianos que vaporizarían inmediatamente al ser liberados a la atmósfera, causando contaminación atmosférica y riesgos de incendio.

3.

Fluidos tóxicos y altamente corrosivos como el fenol y el ácido sulfúrico, los cuales pudieran ocasionar daños al personal y/o los equipos si se drena localmente durante el mantenimiento de la bomba.

En algunos casos se requiere el lavado del cuerpo con agua o un solvente después del drenaje, pero esta operación no requiere instalaciones adicionales. Las especificaciones de diseño deberían especificar los servicios para los cuales se deben prever las instalaciones de drenaje de cuerpo cerrado.

9

FACILIDADES DE CALENTAMIENTO Se recomienda incluir arreglos para calentamiento de bombas en servicios con líquidos de alto punto de fluidez y temperaturas sobre 232 C (450 F). °

°

Los indicadores de temperatura se deberían especificar para bombas que requieran facilidades de calentamiento, y ser instalados en la tubería inmediatamente anexa a la bomba. Los indicadores de temperatura se deberían también colocar en las bombas donde el tamaño del accionador seleccionado está tan cerca de los requerimientos mínimos que requieren calentamiento casi completo antes del arranque. Esta necesidad puede no ser detectada hasta que se haya seleccionado la bomba y el tamaño del accionador durante la ingeniería de detalle.




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10 FILTROS DE SUCCION DE BOMBA Filtros Temporales Los filtros temporales se usan para la protección de las bombas durante la limpieza, lavado y período de operación inicial de plantas nuevas para recolectar pedazos de soldadura y de tuberías, y cualquier otro objeto extraño que pueda existir en el sistema. Estos se usan también después de paradas largas cuando los recipientes y los sistemas de tubería han sido abiertos para servicios internos. Ver H–251 y GA–201 para detalles de instalación. Filtros Permanentes Los filtros permanentes se aplican en servicios donde sólidos o material extraño son un constituyente normal del fluido bombeado, por ejemplo,coque en el fondo de las torres, desechos en agua de reservorio, y suspensiones donde las partículas pueden ser lo suficientemente grandes para tapar la bomba. Ellos se diseñan para instalación permanente con limpieza, sin perturbar las conexiones de las tuberías de procesos primarios. Estos filtros se limpian cuando la caída de presión alcanza el límite máximo permisible. Los filtros permanentes se pueden clasificar de acuerdo a su método de diseño de limpieza:  Limpieza manual – El filtro se debe construir para permitir remoción y limpieza de los elementos de filtro sin remover el cuerpo del filtros de la tubería de proceso.  Auto–limpiante – El elemento de filtro es normalmente limpiado por un fluido directo hacia un punto apto para recolección, utilizando el flujo de fluido del proceso. Los filtros permanentes se deberían diseñar para descarga (como los filtros tipo “Y”) o para retrolavado cuando existen posibilidades de depósito adecuado en el sistema del proceso. Para retrolavado, las válvulas de bloqueo están provistas de filtros por ambos lados: Se usa una línea del lado de descarga de la bomba de operación hacia el lado aguas abajo del filtro para ser retrolavado; y un punto de deposición de filtrado se selecciona para que pueda aceptar líquido de proceso y sólidos. Se debe tomar precaución en seleccionar la presión de diseño de la línea y del colador. El uso de las instalaciones de descarga y de retrolavado tiende a incrementar el tiempo entre las operaciones de limpieza manual, pero la necesidad para estos y su efectividad se puede predecir solamente con base en experiencias anteriores específicas.



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Los filtros permanentes se deberían colocar para proteger las bombas del pase de partículas más grandes que la mitad del ancho de la abertura de salida del impulsor. Se deberían usar tamaños normales de malla, como los siguientes: Tamaños Nominales de Malla

Tamaño de abertura

Relación de área (Area total / área abierta)

mm

pulg

3

6.9 x 6.9

0.27 x 0.270

1.52

5

3.5 x 3.5

0.137 x 0.137

2.15

20

0.76 x 0.76

0.30 x 0.030

2.78

Si el tamaño de la línea de succión es 200 mm (8 pulg), el área de malla total mínima requerida es: A  200 2

 

2

x  x 3 x 2 . 1 5 x 1 06  0.203 m2 (315 pulg2)

Como la geometría del impulsor es desconocida hasta que la bomba es seleccionada, la selección del tamaño de malla se realiza en la ingeniería de detalles. En este momento se puede tomar en consideración la recomendación del suplidor de la bomba. Los filtros de la bomba no se instalan normalmente para proteger las bombas con espacios de corrida pequeños de sucios finos o partículas de proceso que puedan estar en el bombeo. El sucio fino se debe remover limpiando y lavando el sistema de proceso. Los sólidos finos de proceso se deben dejar pasar a través de la bomba o ser removidos con una unidad de filtro. La configuración más comúnmente usada para coladores permanentes de bombas son los T en línea, orientados con la barra cruzada en la dirección vertical. Se coloca una brida ciega en el terminal de la brida de la rama horizontal, a la cual va soldada una placa con malla. Unas barras de guía se sueldan en la rama horizontal para soportar la placa y permitir sacarla. Los filtros de tipo “Y” son sustitutos aceptables para los filtros tipo“T”. En las instalaciones donde el margen entre NPSHD y NPSHR es pequeño, la acumulación de la caída de presión de un filtro permanente es una amenaza a una operación continua segura. Cuando se requieren filtros permanentes, para cálculos del NPSHD se debería asumir una caída de presión a través del filtro no menor de 1 psi para cálculos del NPSHD. Se deberían especificar tomas para medida de presión (o de diferencial de presión) en ambos lados del filtro permanente. Se deberían tomar en cuenta previsiones para alarmas que indique un diferencial de presión alto a través del filtro.




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Los filtros permanentes se pueden arreglar en pares con válvulas en la línea de succión del servicio de bombeo, o se puede colocar un colador en la succión lateral a cada bomba, del lado de la bomba donde está la válvula de bloqueo de la succión. Este último arreglo reduce el número de válvulas de bloqueo que se requieren para aislar un filtro, pero requiere cambiar de bombas cada vez que se limpia un filtro.

11 PULSACION DE BOMBAS RECIPROCANTES Las pulsaciones de presión producidas por la acción de bombeo de las bombas reciprocantes puede hacer que ocurra una falla en la tubería cuando las fuerzas oscilatorias resultantes excedan los niveles razonables o excitan la frecuencia natural del sistema. La experiencia indica que cuando la presión de la línea incrementa el nivel de pulsaciones permisibles aumenta en valor absoluto, pero disminuye cuando se le expresa como un porcentaje de la presión de la línea. Los niveles tolerables de pulsación expresada como porcentaje de la presión absoluta de la línea se presentan en la Figura 2. Esto provee una base para especificar el funcionamiento requerido de los amortiguadores de pulsación de presión. Las pulsaciones de presión se pueden reducir usando una bomba de cilindros múltiples como un diseño doble o triple, instalando acumuladores del tipo hoja (Bladder) en la línea de descarga de la bomba, o por un cambio enla velocidad del accionador. Sin embargo, hacer pre–ingeniería de el amortiguamiento de estas pulsaciones por los métodos anteriores se justifica solamente cuando una experiencia anterior con un servicio particular indica su necesidad y provee una base de diseño.

12 SISTEMA DE LUBRICACION DE ACEITE EN DISPERSION La experiencia ha mostrado que una reducción importante de fallas debidas a contaminación de lubricación (polvo, humedad y óxido) es posible lubricando los cojinetes de la bomba con un sistema central de lubricación de niebla de aceite. El sistema central distribuye aceite combustible a los cojinetes en la forma de una niebla aerosol suspendida en aire caliente a una presión levemente positiva para controlar el ambiente en la zona en condiciones ideales. A pesar de que un sistema de lubricación de aceite en dispersión requiere una inversión inicial de capital, se han encontrado ahorros de mantenimiento para justificar la inversión incremental, haciendo por lo tanto su aplicación apropiada cuando se desean inversiones óptimas y mantenimiento mínimo. Los sistemas de lubricación de aceite en dispersión para bombas se debería indicar en las especificaciones de diseño cuando la aplicación es consistente con la filosofía de inversión del proyecto y del plan de mantenimiento de la planta. Cuando se requiera, los detalles de diseño de sistemas de lubricación de aceite en dispersión se puede obtener consultando con los especialistas de máquinas.




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13 NOMENCLATURA (Ver MDP–02–P–02).

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Fig 1. CURVAS CARACTERISTICAS PARA BOMBAS QUE OPERAN EN PARALELO.

NOTAS: EN ESTE RANGO HAY DOS VALORES DE Q PARA CADA VALOR DE H; UNA CONDICION QUE PUEDE CONTRIBUIR A LA INESTABILIDAD.



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Fig 2. NIVEL ACEPTABLE DE PULSACION DE LA PRESION EN TUBERIAS DE BOMBAS.

Fig 3. PROTECCION POR BAJO FLUJO PARA BOMBAS DE ALIMENTACION A CALDERAS UTILIZANDO UNA UNIDAD COMBINADA DE VALVULA DE RETENCION / VALVULA DE DESVIO POR BAJO FLUJO (1).

NOTAS: 1. SISTEMA MINIMO DE PROTECCION, UN SISTEMA MAS COMPLICADO SE PUEDE JUSTIFICAR POR LA SITUACION INDIVIDUAL DEL DISEÑO. 2. LA OPERABILIDAD DE LA VALVULA DE COMBINACION SE VERIFICA MANUALMENTE CERRANDO LA VALVULA DE DESCARGA Y OBSERVANDO LA PRESION MANOMETRICA EN LA LINEA DE DESVIO. 3. LA LINEA DE DESVIO TIPICAMENTE SE DIMENSIONA PRA 65 a 115 kPa POR CADA 100 METROS (3 a 5 pie POR CADA 100 pies) 4. DIMENSION ES EL ORIFICIO DE RESTRICCION PARA UNA CAIDA DE PRESION DE 69 kPa (10 psi) AL 25% DEL FLUJO NOMINAL DE LA BOMBA.


°

PDVSA N

MDP–02–P–11

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FECHA

TITULO

ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES


APROB.

 PDVSA,

1983

APROB.

16

L.R.

PAG.

REV.


ESPECIALISTAS



.Menú Principal

PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES Indice manual

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Indice 1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 SELECCION DEL TIPO DE ACCIONADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 MOTORES ELECTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 TURBINAS DE VAPOR PARA USO GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 TURBINAS HIDRAULICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 TRANSMISIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 AGUA DE ENFRIAMIENTO PARA BOMBAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 3 3 5 8 11 13 14 15



PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES

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Página 2 Indice Indice norma

ALCANCE Esta subsección presenta la base para la selección del tipo de accionador y presenta los requerimientos de servicio de las unidades de bombas.

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REFERENCIAS Prácticas de Diseño (Además de otros documentos de este capítulo) “Compresores” “Seguridad en el Diseño de Plantas”

PDVSA H–251–R

Requerimientos de Diseño de Tuberías de Proceso y Servicios

G–203–R

Turbinas a Vapor de Uso General

G–201–R N–201

Turbinas a Vapor para Uso Especial Obras Eléctricas

N–268

“General Purpose Application of API 541 Form–wound Squirrel–cage Induction Motors 250 Horsepower and Larger”

N–269

“Special Purpose Application of API 541 Form–wound Squirrel–cage Induction Motors 250 Horsepower and Larger” “Field Inspection and Testing of New Electrical Equipment”

N–271

Otras Referencias API, Standard 611, 611 , General Purpose Steam Turbines for Refinery Services NEMA SM 20, 20, Mechanical Drive Steam Turbines

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ANTECEDENTES La mayoría de los servicios de bombeo en las plantas de proceso requieren accionadores de bombas en el rango de 7 a 300 kW (10 (10 a 400 HP). HP). Las bombas de carga de crudo y las bombas de carga de producto a tanqueros frecuentemente caen en el rango de 525 a 1500 kW (700 a 2000 HP), pero otros servicios para hidrocarburos muy pocas veces exceden los 525 kW (700 HP). Los servicios de agua de alimentación a calderas y de agua de enfriamiento de planta en refinerías y plantas químicas comúnmente requieren accionadores en el rango de 300 a 1100 kW (400 a 1500 HP), con ejemplos ocasionales de 1500 a 2100 kW (2000 a 2800 HP).

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Los motores de inducción se seleccionan para accionar la mayoría de las bombas. Normalmente, se usan accionadores directos con acoples acoples flexibles. Se requieren requieren razones y circunstancias especiales para seleccionar cualquier otro tipo práctico de accionador turbina de vapor, turbina hidráulica, máquina diesel o para justificar transmisiones de velocidad variable o ajustable para motores de inducción. La necesidad de unidades de engranaje (u otras transmisiones de velocidad constante) se determina durante la procura de los equipos.

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DEFINICIONES Para las definiciones de los términos de clasificación de turbina a vapor, ver Manual de Diseño Diseño de Proceso, Proceso, Subsección 11–M, versión 1986, PDVSA G–203–R y G–203–R y PDVSA PDVSA G–201–R G–201–R..

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SEL ELEC ECC CION ION DEL DEL TI TIPO PO DE AC ACCION IONADOR Alternativas Disponibles Los tipos de accionadores prácticos para bombas dentro de plantas se limitan a motores de inducción, turbinas de vapor de propósitos generales, máquinas de vapor (para bombas de vapor de acción directa) y turbinas hidráulicas. Para servicios de proceso fuera de planta, no existen oportunidades de aplicación de turbinas hidráulicas, pero las máquinas de combustión interna (usualmente diesel) encuentran una aplicación ocasional. Las turbinas de gas se usan como accionadores de bombas en tuberías y servicios de producción, pero no son económica econó micas s en el rango de potencia de las bombas. Los motores sincrónicos rara vez se usan como accionadores de bombas, ya que su mayor costo en los rangos típicos de velocidad y potencia de las bombas centrífugas rara vez se justifican el mejoramiento en el factor de potencia que ellos proveen.

Bombas de Operación Normal Las dos consideraciones que mayormente influencian la selección de los tipos de accionadores para bombas de operación normal son: 1.

Costos de energía del servicio industrial y

2.

Balance del sistema del servicio industrial

Los costos de energía y el balance del sistema es el resultado de muchos factores que han influenciado en el diseño del sistema de servicio de planta. Los accionadores para bombas de operación normal se especifican para ser consistentes con el diseño del sistema de servicio de de la planta. En la mayoría de los casos, se especifican motores de inducción.

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Ahorros en el costo de energía de los accionadores se pueden lograr a veces por recuperación de energía de corrientes líquidas a través de la aplicación de turbinas hidráulicas, y por el uso de velocidad variable en vez de estrangulamiento de descarga o reciclos para el control del flujo de la bomba. En ambos casos, se deben realizar estudios individuales para determinar si se justifican la inversión incremental. Otros factores que a veces influencian la selección del tipo de accionador para bombas de operación normal son: 1.

Reducción de la carga del mechurrio por fallas de una fuente de servicio determinada.

2.

Costos de inversión de las líneas de suministro de servicio requerido, por ejemplo en las localidades remotas, fuera de planta.

3.

Simplicidad operacional. Este factor favorece los motores eléctricos y bajo algunas circunstancias puede prevalecer sobre otras consideraciones.

4.

Requerimientos de mantenimiento. Las turbinas tienden a requerir más mantenimiento que los motores. Las bombas centrífugas en línea pueden ser mantenidas más convenientemente cuando están equipadas con accionadores de motores eléctricos.

Los factores que usualmente no influyen sobre la selección del tipo de accionador son: 1.

Velocidad de la bomba, ya que la inclusión de una unidad de engranaje puede producir cualquier velocidad con cualquier tipo de accionador.

2.

Precio del accionador, ya que otros factores son siempre más significativos en la selección del tipo de accionador para bombas que las diferencias en el costo inicial del accionador.

3.

Compatibilidad entre unidades de bombeo paralelas, paralelas, ya que los sistemas de control se pueden suministrar para compensar las diferencias de características de los accionadores.

Bombas de Repuesto y Auxiliar Cuando el propósito primario de proveer una bomba de repuesto instalada es cubrir requerimientos de mantenimiento de la bomba, en vez de breves interrupciones en el suministro del servicio servicio de energía, se debe usar el mismo tipo de accionador para el servicio y para el repuesto. Usar tipos diferentes de accionadores (por ejemplo, motores y turbinas) incrementa innecesariamente la inversión de la planta. Los servicios de bombeo de proceso dentro de planta normalmente se apoyan en alimentadores de poder dobles y en sistemas de reaceleración para confiabilidad de accionadores de bombas, y por lo tanto, use motores tanto para bombas de repuesto como para bombas en operación.

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Cuando el requerimiento de alta confiabilidad de un servicio de bombeo justifica el empleo de un segundo tipo de accionador, el arreglo común es un motor para la bomba en operación y una turbina para el repuesto. Este arreglo se aplica normalmente en sistemas de servicio para prevenir fallas en los servicios durante una falla de energía. Los sistemas de bombeo de servicio servicio normalmente provistos con repuestos con turbinas son: los suministros de combustible, agua de alimentación de caldera y agua de enfriamiento de planta. Los servicios de proceso, dentro de planta que requieren bombas de repuesto con turbina por razones de seguridad son limitados a los requeridos para evitar una crisis mayor de seguridad, tales como salidas grandes de vapor de válvulas de donde se justifican seguridad, durante una falla de energía. Las situaciones donde se justifican repuestos con turbinas normalmente ocurren en unidades de refinería de muy alta capacidad. Donde una bomba de repuesto tiene un servicio alterno para bombeo de emergencia se debería especificar con turbina de vapor. En servicios que usan turbinas hidráulicas para operar las bombas, la bomba de repuesto debería tener como accionador motor o turbina de vapor. vapor. Ver MDP–02–P–02,, Repuesto MDP–02–P–02 Repuesto y Multiplicidad, para Detalles Adicionales.

Servicios de Bombeo de Emergencia Una de las dos bombas normalmente suministradas para servicio de bombeo de agua contra fuego debería tener un motor eléctrico. La segunda bomba debería tener una turbina de vapor si es práctica una línea de suministro de vapor hasta el sitio de instalación y si una sola contingencia no puede causar falla en suministro de vapor y energía (V (Ver er capítulo de Seguridad Seguridad de Diseño). Si cualquiera de estas condiciones no es satisfecha, se debería especificar una máquina de combustión interna (normalmente diesel). Las bombas auxiliares de los pozos de agua con frecuencia se especifican con accionadores tipo motor diesel para dar confiabilidad en el caso de fallas del sistema de servicio y para evitar tener líneas de servicio hasta los lugares remotos de los pozos de agua. Los servicios de bombeo deberían tener accionadores con vapor para tomar ventaja del mayor potencial de seguridad.

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MOTORES ELECTRICOS Generalidades Los motores eléctricos de inducción normalmente usados como accionadores de bomba se construyen en un rango de fracciones de kW (<1) hasta 16400 kW (22000 (2200 0 HP). A continuación se presentan las bases para dimensionar el motor con la siguiente ecuación:


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PF requerida mínima, del accionador

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PF nom omiina nall de la bom omb ba cen entr tríf ífu uga x 1.1 Efici Eficienc encia ia mecáni mecánica ca de transm transmisi isión ón

El factor de carga 1.1 da un 10% de margen de seguridad. La eficiencia mecánica de la transmisión será 1.0 para un acople directo del motor a la bomba. La eficiencia de la unidad de engranaje se puede obtener de la Subsección 11–L de la versión de 1986 del Manual de Prácticas de de Diseño. Las eficiencias de unidades de velocidad variable acarga total y parcial se debería obtener por consulta con el especialista en máquinas. Vea también la Subsección 11–L antes indicada para obtener un sumario de tamaños de motores, eficiencias, factores de potencia y cargas conectadas. Las especificaciones de diseño deberían incluir una tabla de los siguientes renglones de bombas con motor, incluyendo las notas numeradas:

Operación Carga de Operación, kW(1)

Equipo

N, S o I (2)

P–XXX

Clasificación de Reaceleración

XXX

A, B, o C

(1)

Potenci Potencia a al motor motor a la PF nominal nominal estim estimado ado para para la la bom bomba, ba, kW kW (BHP), (BHP), usando una eficiencia de motor estimada.

(2)

N = Operaci Operación ón norma normal; l; S = Repue Repuesto, sto, I = Carga Carga interm intermiten itente. te.

Si el diseñador de la planta ha incluido un 20% u otra contingencia en la carga de operación reportada, tiene que anotarlo en la especificación de diseño.

Ejemplo de Cálculo Q = 50 dm3 /s (794 gpm), P = 700 kPa (101 psi), Eo bomba = 72% PF



Q x P F6 x E0

F6



(50) (50) (700 (700)) (1000) (1000) (0.72) (0.72)



49 kW (66 HP)

= Factor Factor cuyo cuyo valor valor dep depende ende de las unidades usadas

Ec. (1)



1000

1714

PF mínimo requerido = 49 x 1.1 = 53.9. Se usará un motor de 75 kW (100 HP). La eficiencia a carga máxima es 91%; la eficiencia a 3/4 de carga es 89%. Carg Ca rga a de op oper erac ació ión n



49 0.89



55kW (72 (72 HP)


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Reaceleración Los servicios de bombeo en una unidad de proceso se deben clasificar de acuerdo a sus necesidades para reaceleración automática en el caso de un cambio temporal de voltaje que causa un retraso o una parada de la bomba. Las clasificaciones son las siguientes:

Clasificación

Necesidad para Reaceleración Automática

Bases

A

Necesario

El servicio de bombeo requerido para mantener la unidad operando sin daño al equipo y sin abertura de la válvula de seguridad, pero no necesariamente en las especificaciones de producto.

B

Deseable

Servicios de bombeo adicionales requeridos para mantener los productos en especificación.

C

Innecesario

Arranque manual es suficiente sin efectos contrarios en la unidad o las especificaciones de producto.

Las bombas accionadas por motores con bombas auxiliares con turbinas de vapor, especificadas con arranque automático se deberían incluir en la clasificación A como protección contra la contingencia de la necesidad de mantenimiento de la bomba auxiliar, su turbina o el sistema de arranque automático, cuando haya una reducción de voltaje. PDVSA N–201 N–201 “Obras Eléctricas”, especifica como las clasificaciones de reacelera reace leración ción se deben implementar durante el diseño de detalles del sistema. Se deben establecer prioridades relativas entre los servicios de bombeo, y entre los servicios de bombeo y otros equipos con motores en la planta (intercambiadores de aire, compresores, etc.) para implementar la secuencia de reaceleración.

Tipos Especiales de Motores Circunstancias no usuales ocasionalmente justifican investigación de los tipos de motores especiales para servicios de accionadores de bombas: 1.

Motores sincrónicos para mejoramiento de factores de potencia de la planta

2.

Motores de velocidad variable para control de bomba

3.

Motores de dos velocidades para condiciones de operación dobles.

Se debería consultar especialistas eléctricos cuando se consideran tipos especiales de motores.

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TURBINAS DE VAPOR Propósitos Generales El tipo de turbina de vapor usada para manejar bombas se define en API Standards como “Propósitos Generales”. Esta clase de turbina es limitada nominalmente a las condiciones de entrada del vapor de 4100 kPa man. (600 psig) y 400 C (750 F) y 100 rps (6000 rpm). Los modelos comerciales disponibles son tan altos como 4800 kPa man. (700 psig) para el vapor de entrada y presión de descarga entre vacío total y 520–2600 kPa man. (75 a 375 psig), tamaños de bridas de entrada de vapor hasta 150 mm (6 pulg), y caudales de flujo de vapor hasta 12.6 kg/s (100000 lb/h). La potencia para turbinas está usualmente por debajo de 1120 kW (1500 HP), pero puede ser tan alta como 2200–3000 kW (3000 a 4000 HP). °

°

Las turbinas de propósitos generales tienen válvulas de admisión de vapor de modulación simple y 1 ó 2 etapas de expansión. Estas son equipadas con válvulas separadas de cierre rápido para disparo por alta velocidad, pero normalmente no se proveen válvulas reguladoras manuales con las turbinas. Tiene sistemas de lubricación simples y auto–contenidos.

Condiciones de Vapor de Descarga Normalmente se selecciona vapor de 860 a 4100 kPa man. (125 y 600 psig) para turbinas de vapor accionadoras de bombas. Los accionadores de las bombas auxiliares frecuentemente descargan a la atmósfera porque la pequeña cantidad de vapor no usada no justifica su recuperación. Los accionadores de bombas en operación normal descargan a líneas de vapor de 100–860 kPa man. (15 a 125 psig). Instalaciones de condensación no son prácticas para turbinas por su pequeño tamaño y su localización dispersa en el área de la unidad de proceso. La temperatura de descarga se puede estimar con el diagrama de Mollier y la eficiencia obtenida de la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. Las turbinas de vapor de propósitos generales pueden tolerar hasta11–12% de humedad en la descarga sin requerimientos excesivos de mantenimiento.

Eficiencia y Consumo de Vapor La eficiencia global de una turbina de vapor es la relación entre el trabajo de eje y la energía del vapor teóricamente disponible a entropía constante calculada con el diagrama de Mollier. Esta eficiencia global es el producto de las eficiencias mecánicas y térmicas. Las pérdidas de turbinas se debe en parte a las pérdidas por fricción mecánica del eje de la turbina sobre sus cojinetes, pero mayormente se debe a las pérdidas termodinámicas ya la turbulencia. Estimados de las eficiencias globales de las turbinas de vapor se presentan en la subsección de

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servicios de la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. La eficiencia de turbina tiende a incrementar con el aumento de velocidad y tamaño. Para ilustrar el efecto del tamaño, una turbina para una instalación de 1.5 kW (2 HP) tendrá aproximadamente una rueda de 230 mm (9 pulg) y una eficiencia de 10%, mientras que una de 150 kW (200 HP), de una sola etapa tendrá una rueda de 640 mm (25 pulg) y una eficiencia de 30 a 40%. Una turbina multietapa muy grande puede tener una eficiencia de 65%. El “caudal de agua” o flujo de vapor requerido por una turbina para una aplicación dada de potencia y condiciones dadas de vapor, puede variar ampliamente, dependiendo del tamaño, constructor y selección del modelo. Los flujos de agua se pueden estimar de los datos incluidos en la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. Estas figuras están basadas en datos promedio del suplidor y se puede desviar mucho de la eficiencia de la selección de una turbina específica. La desviación, sin embargo, tenderá a cancelarse si se suman el caudal de agua de varias turbinas de una planta. En general, la correlación dará un valor de caudal de agua dentro del 10% del flujo real de agua para turbinas mayores de 19 kW (25 HP). Para turbinas menores el error puede ser mayor, pero su importancia en el diseño de planta es pequeño. Los requerimientos de vapor son iguales al flujo de agua obtenido en la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño , multiplicado por la potencia desarrollada.

Control de Velocidad Las turbinas de vapor de propósitos generales son equipadas con reguladores de velocidad con características de control seleccionadas para adaptar la aplicación. Los reguladores pueden ser mecánicos, actuando directamente en la válvula de admisión de vapor, o del tipo relé de aceite el cual opera la válvula de admisión de vapor por presión de aceite modulada hidráulicamente. Este tipo es adecuado para respuesta a una señal de control de proceso externa (como la presión de descarga de la bomba), afectando el control de velocidad variable. Ambos tipos permiten un arreglo manual de velocidad con un “regulador de velocidad manual”. Una combinación especial de los dos tipos básicos (a veces llamado “control de carga”) se aplica una señal de control externo directamente para posicionar la válvula de admisión de vapor de turbina y emplea un regulador mecánico o de relé de aceite sólo para limitaciones de velocidad máxima (antes del disparo por exceso de velocidad). El funcionamiento de control de los reguladores de turbina es definido por NEMA SM20 y se clasifica en cuatro clases normalizadas: A, B, C, D. La clase A corresponde a un regulador mecánico de acción directa. La clase D corresponde a un regulador hidráulico preciso más comúnmente usado para turbinas de vapor para propósitos especiales, y para turbinas de vapor de propósitos generales que tienen requerimientos críticos de control como servicios

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de agua de alimentación a calderas o generación de potencia de emergencia para instrumentos. La clase B es el requerimiento mínimo recomendado para turbinas que normalmente manejan bombas en operación en paralelo con bombas con motores.

Válvulas Manuales Se pueden colocar válvulas manuales de bajo costo en las turbinas de vapor para permitir aumentar la eficiencia térmica cuando operan a cargas menores que la máxima. Las válvulas manuales se usan para cerrar manualmente una porción de la boquilla de entrada de la primera etapa; esto incrementa la velocidad del vapor en el resto de las boquillas, incrementando la eficiencia de la turbina. Una porción de las boquillas se puede cerrar con frecuencia porque normalmente existe un margen significativo de potencia en una turbina de vapor, especialmente una en nuevas condiciones. El margen existe debido a una serie de factores conservativos usados en el diseño: 1.

API 611, requiere que la turbina sea diseñada para una potencia nominal a condiciones de entrada mínima y máxima descarga de vapor. Esto da como resultado una capacidad extra de potencia a las condiciones normales de vapor.

2.

El requerimiento nominal de la bomba frecuentemente excede las demandas de una condición de operación real.

3.

El constructor provee normalmente algún margen para asegurar obtener la potencia nominal garantizada.

La válvula manual, en efecto devuelve este margen de potencia para aumentar la eficiencia a las condiciones de operación real. El aumento de eficiencia de las válvulas manuales no se requiere para accionadores de bombas auxiliares y no se requiere en turbinas de operación normal en sistemas de vapor donde el consumo de vapor no es significativo. Sin embargo, si se desea la eficiencia máxima de la turbina en las condiciones de bombeo nominales, entonces se debería indicar en las especificaciones de diseño, para que se coloque por lo menos una válvula manual.

Sistema de Tuberías Los requerimientos del sistema de tuberías se presentan en PDVS A H–251–R y G–203–R. Los criterios de dimensionamiento de tubería de entrada de turbinas de vapor del capítulo de Flujo de Fluidos de este Manual, normalmente resulta en velocidades de vapor inferiores a 45m/s (150 pie/s). Las velocidades de vapor de descarga están por debajo de 75m/s (250 pie/s). Los coladores permanentes, requeridos en las líneas de suministro a las turbinas de vapor, segú n H–251–R, están normalmente equipadas con mallas reforzadas de 8 mesh, o con huecos de 2.5 mm (0.1 pulg) de diámetro en platos perforados.


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Arranque Automático Ver MDP–02–P–10.

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TURBINAS HIDRAULICAS Situaciones de Aplicación Las unidades de proceso que operan con líquido a altas presiones (hidrocraqueadores, plantas de amoníaco, etc.) frecuentemente requieren de reducción de presión de las corrientes de líquido de caudales grandes a niveles de presión atmosférica. Esta situación se presenta en oportunidades para recuperación de energía de la corriente de líquido despresurizado. La máquina aplicada para la recuperación de energía es la turbina hidráulica del tipo de proceso. Los modelos se construyen casi idénticamente a las bombas centrífugas de proceso, pero el líquido se pasa a través de la máquina en la dirección opuesta a la de la bomba centrífuga, y se extrae potencia del eje, generalmente para manejar una bomba. Los límites comunes de aplicación son como sigue: Caudal de flujo: 13–230 dm 3 /s (200 a 3600 gpm) Presión de entrada: 1400–14500 kPa man. (200 a 2100 psig) Capacidad de potencia: 110–970 kW (150 a 1300 BHP) El incremento de inversión para la instalación de una turbina hidráulica sobre un motor eléctrico o una turbina de vapor requiere justificación en base de la potencia ahorrada. El ahorro potencial disponible para unidades menores de 110 kW (150 HP) es demasiado baja para justificar un número significativo de instalaciones, y por lo tanto, raramente garantiza estudios específicos de ingeniería. Los ahorros de potencia por encima de 110 kW (150HP) justifican el estudio del caso. El potencial de recuperación de potencia para una corriente de líquido en despresurización se puede estimar con la ecuación (1). PF



(Q) P) (E 0) F6

Ec. (2)

La eficiencia hidráulica de la turbina, Eo, se puede asumir igual a la de una bomba centrífuga con un caudal de flujo y un nivel de cabezal similar. Las turbinas hidráulicas se usan de la industria de energía eléctrica para manejar generadores, (en estaciones hidráulicas) pero en las plantas de proceso ellas son generalmente limitadas a manejar bombas de proceso en las unidades de corrientes líquidas de alta presión.

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Diseño del Sistema La consideración más importante en el diseño de un servicio de turbina hidráulica es soportar posibles fluctuaciones en el flujo disponible de líquido de alta presión, para diseñar el equipo con una potencia de eje adecuado para el manejo del equipo en todo momento. Esto se logra en una de las dos maneras siguientes: 1.

Se puede colocar un accionador adicional, junto con la turbina hidráulica para suministrar potencia cuando el flujo reducido de líquido en la turbina reduce la recuperación de potencia.

2.

El servicio se puede arreglar con un desvío continuo alrededor de la turbina hidráulica que tome toda variación de flujo del proceso, siempre dejando el flujo mínimo requerido en la turbina.

Con el sistema de accionador doble, el motor o la turbina de vapor se dimensiona para 50 a 100% de la carga de la bomba nominal. Se usa para arranque de la unidad, antes de que el líquido de alta presión está disponible para la turbina hidráulica, y se desenergiza o se disminuye la carga,dependiendo de su clasificación (Rating), en operación normal. Con este sistema, el flujo en la turbina se modula para controlar una variable de proceso tal como el nivel en el recipiente aguas arriba. Un regulador principal y una válvula de estrangulamiento o desvío se requieren para limitar la velocidad máxima de operación. Con el sistema de desvío, la velocidad de la turbina hidráulica se mantiene constante mediante un regulador que modula una válvula aguas abajo de la turbina. El nivel en los recipientes aguas arriba se controla modulando la corriente de desvío a la turbina. Refinamientos en el sistema de control como la integración de velocidad y controles de nivel permiten aumentar la recuperación de energía a expensas de la complejidad del sistema. El arranque de la unidad se opera con la bomba auxiliar manejada convencionalmente. Los Diseños de sistemas de control específicos requieren consideración individual y se deberían desarrollar por consulta con especialistas de máquina y control. La recuperación de energía de corrientes de líquido con alto potencial se puede dividir en varias turbinas hidráulicas, en serie o en paralelo, para igualar los requerimientos de carga de bomba. Los arreglos en serie de turbinas simplifica el diseño de maquinas, pero requiere instalaciones para control de nivel de presión intermedia. El arreglo en paralelo aumenta las etapas y el costo de la turbina, pero simplifica el sistema del fluido de proceso. Existe el peligro de falla por velocidad excesiva cuando el flujo de la bomba se reduce repentinamente o se para, antes que el flujo a través de la turbina se pare, justo como con una turbina de vapor. Para evitar este tipo de fallas se debería especificar un dispositivo contra velocidad excesiva.

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Un factor crítico en el diseño de patrón de flujo de turbinas hidráulicas, de múltiples etapas y de cabezal alto, es la velocidad a la que el gasse forma a partir del líquido a medida que éste se despresuriza en la turbina. La especificación de diseño debería incluir un análisis completo de la corriente de líquido para que el diseñador de turbina pueda optimizar los pasos de flujo para la producción anticipada de gas. Las turbinas de una sola etapa, para cabezales de 250 a 300 m (800 a 1000 pie), son relativamente insensibles a la producción de gas. Las turbinas hidráulicas de proceso normalmente emplean sellos de eje mecánico idénticos a los aplicados en bombas. El lavado externo es frecuentemente requerido para prevenir la producción de gases en la caja de estoperas, sin embargo, la necesidad específica y el diseño de lavado externo no se puede determinar hasta que se seleccione un modelo específico de turbina. Para un caso específico en estudio, el diseño del sistema, la tolerancia de la máquina de vapor y otros detalles de funcionamiento, y preparación del texto de especificaciones, se debería consultar a los especialistas en máquinas.

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TRANSMISIONES Velocidad Constante Las unidades de engranaje se usan entre los accionadores y las bombas para cambiar el nivel de velocidad en 5 a 10% de las unidades de la bomba usada en servicio de planta de procesos. Excepto para bombas centrífugas sofisticada de alta velocidad, el cambio de velocidad es usualmente una reducción de velocidad. El cambio de velocidad se produce para igualar la velocidad óptima de la bomba con la velocidad óptima del accionador. La necesidad de cambio de velocidad se desarrolla durante la procura de equipos. En los tamaños aplicados a los accionadores de la bomba, las unidades de engranaje consumen de 3 a 5% de la potencia transmitida; por ejemplo,tienen una eficiencia mecánica de 95 a 97%. La potencia perdida aumenta la temperatura del aceite lubricante en la unidad de engranaje y frecuentemente necesita suministro de agua de enfriamiento a un enfriador de aceite lubricante. El uso de correas es un segundo método para alcanzar una velocidad en la bomba diferente de la velocidad del accionador. No son normalmente permitidas para servicios dentro de refinerías, pero se usan ocasionalmente en plantas químicas y servicios fuera de planta. Tienen la desventaja de la necesidad de mantenimiento frecuente y mayor peligro para la seguridad del personal, pero tienen la ventaja de un costo bajo y un ajuste fácil de velocidad con el reemplazo de una polea.

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Velocidad Variable Se pueden aplicar cuatro tipos de transmisión de velocidad variable para accionadores de bombas, pero se utilizan con muy poca frecuencia: 1.

Acople hidráulico

2.

Acople electromagnético

3.

Accionadores de frecuencia ajustable (El costo inicial alto es una desventaja)

4.

Unidades de correas variables.

Las dos principales razones para usar accionadores de velocidad variable son la de ahorrar potencia en el control de flujo, desarrollando sólo la presión de descarga de la bomba que el servicio requiere y para mantener la velocidad de la bomba tan baja como sea posible para evitar la erosión o la fractura de partículas sólidas. El acople hidráulico y el electromagnético desperdician una parte de la energía que ahorran en calor y por lo tanto requieren agua de enfriamiento. Ambos factores tienen un efecto adverso en la economía de la aplicación. Se recomiendan estudios de casos de aplicación para muchos servicios de refinería cuando el nivel de energía exceda 370 kW (500 HP) y para servicios con requerimientos de presión de descarga por encima de 220 kW (300 HP). El alto mantenimiento es la principal desventaja de la unidad con correa variable. Los especialistas de máquinas deberían ser consultados en servicios donde se consideran transmisiones de velocidad variable.

10 AGUA DE ENFRIAMIENTO PARA BOMBAS Las bombas en servicios por encima de 200 C (400 F) pueden requerir agua de enfriamiento para los cojinetes, camisas de cajas de estoperas, y líquido de lavado de sello. Debido a que la mayoría de estos pasajes de enfriamiento están en el cuerpo del equipo y no son fáciles de limpiar o sustituir, se prefiere el agua fresca. No se debería usar agua salada para enfriamiento sin reconocer los costos altos de mantenimiento por corrosión y los requerimientos de limpieza. También, el taponamiento de los pasajes de enfriamiento hace inefectivo el uso de agua salada. °

°

Para enfriamiento con agua fresca, el agua a las camisas de enfriamiento en los enfriadores de aceite de sello, cojinetes y caja de estoperas se envía en serie para bombas con un solo cojinete y en dos corrientes paralelas para bombas con dos cojinetes. Para servicio de agua salada, el agua es enviada en paralelo para evitar un aumento excesivo de temperatura y depósitos de sal, lo cual incrementa el caudal requerido de agua de enfriamiento.


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Para propósitos de diseño preliminar de plantas, se pueden usar los siguientes caudales de flujo aproximados de agua de enfriamiento se pueden usar para propósitos de diseño preliminar de plantas. Para sistemas de agua salada, las cantidades indicadas se deben duplicar. Estos caudales de flujo son valores aproximados, solamente se deben revisar después que se conozcan los valores reales para los modelos de bomba seleccionada.

Caudal de Flujo de Agua de Enfriamiento Tamaño de la Bomba dm3/S Bombas



>63

Temperaturas de bombeo: <200 C 200 C – 260 C >260 C

ninguno 0.13 dm3 /s 0.19 dm3 /s

ninguno 0.25 dm3 /s 0.38 dm3 /s

63

°

°

°

°

Turbinas de vapor Vapor de entrada: 860 kPa man. >800 kPa man. Para convertir de:

a:

C kPa dm3 /s °


F psig gpm °

0.13 dm 3 /s 0.25 dm 3 /s multiplique por: use F = C* 1.8 + 32 0.145 15.85 °

°

Manual de Diseño de Proceso PDVSA (Bombas)

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