PROCESO DE BOMBEO Y COMPRESION DE HIDROCARBUROS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y PETROLERAS
LICENCIATURA EN INGENIERIA PETROLERA
BOMBAS Y SU ING. JUAN ALMANZA MOSQUEDA
CLASIFICACIÓN PRESENTA: DIANA CASTELLANOS MUÑIZ MATRICULA: 141630
Contenido ANTECEDENTES HISTORICOS ............................................................................................................................... 2 DEFINICIÓN DE BOMBA ....................................................................................................................................... 3 POTENCIA DE UNA BOMBA.............................................................................................................................. 3 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS ................................................................................................................................ 4 ..............................................................................................................................................................................
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SELECCIÓN DE BOMBAS ....................................................................................................................................... 4 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO .......................................................................................................... 6 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO ROTATORIAS ............................................................................... 6 Tipos De Bombas Rotatorias ........................................................................................................................ 7 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO RECIPROCANTES .......................................................................... 9 Ventajas y desventajas de las bombas reciprocantes ............................................................................... 10 PRINCIPIO BASICO DE OPERACIÓN ............................................................................................................ 11 TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES ......................................................................................................... 11 BOMBAS DINAMICAS ......................................................................................................................................... 13 BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................................................... 15
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La bomba es uno de los artefactos más viejos conocidos por la humanidad y es el segundo en número en ser usado después del motor de inducción de jaula de ardilla. Con una larga historia y extenso uso, la bomba ha estado sujeta a sustanciales innovaciones, lo cual ha dado como resultado que actualmente estén disponibles en numerosos tipos. La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes y se conoce como tornillo de Arquímedes, descrito por Arquímedes en el siglo III adC, aunque este sistema había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII adC. En el siglo XII, Al-Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo bombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua y bombas de desplazamiento positivo.
El tornillo de Arquímedes consiste en un tornillo (“superficie helicoidal que rodea a un cilindro”) dentro de un tubo. El movimiento de este aparato se consigue gracias a un molino o por trabajo manual. Debido a que el tornillo rota, éste hace que el líquido que se encuentra debajo ascienda por la superficie helicoidal que lo rodea. Se usó principalmente para sistemas de irrigación y para sacar agua de minas u otros sitios poco accesibles. Si existiera agua que se cae de una sección, caerá encima de la siguiente que
Figura 1. Tornillo de Arquímedes
probablemente haga que suba de nuevo. Sin embargo, este hecho reduciría la eficiencia del tornillo. En algunos diseños, el tubo que rodea al tornillo también rota a la vez que esté en vez de quedarse fijo. El tornillo podría ser sellado con resina o algún otro adhesivo en su parte exterior. Asimismo puede fundirse sobre una pieza de bronce. Algunos investigadores afirman que este sistema es el que se utilizaba para el riego de los jardines de Babilonia, una de las siete maravillas del mundo antiguo. Tenemos descripción de los que usaban los griegos y romanos, quienes se valían de la fuerza humana para ponerlos en movimiento en la carcasa, de forma que todo era una pieza.
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Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que generalmente es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que transfieren energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad de su fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo son los compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica. Pero también es común encontrar el término bomba para referirse a máquinas que bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas de aire. Las bombas se utilizan para impulsar líquidos a través de sistemas de tuberías. Determinamos
ℎ
que es la
energía que una bomba agrega al fluido.
p1
2
z1
v1
2g
ha
hl
p2
2
z2
v2
2g
A este valor ha se le llama Carga Total sobre la bomba, algunos fabricantes de bombas se refieren a él como Carga Dinámica Total (TDH). La interpretación esta ecuación como una expresión del conjunto total de tareas que tiene que realizar la bomba en un sistema dado. Debe elevar la presión del fluido, desde la que tiene en la fuente p1, hasta la que tendrá en el punto de destino p2, debe subir el fluido desde el nivel de la fuente z1, al nivel del destino z2, tiene que incrementar la carga de velocidad en el punto 1 a la del punto 2, se necesita que compense cualquier pérdida de energía en el sistema debido a la fricción en las tuberías o en válvulas, acoplamientos, componentes del proceso o cambios en el área o dirección de flujo.
La potencia que una bomba transmite al fluido.
P A
ha Q 3
Hay pérdidas inevitables de energía en la bomba debido a la fricción mecánica y a la turbulencia que se crea en el fluido cuando pasa a través de ella, por lo tanto, se requiere más potencia para impulsar la bomba que la cantidad que eventualmente se transmite al fluido
P1
P A e M
Al seleccionar bombas para una aplicación dada, tenemos varias bombas entre las que elegir. Haremos lo posible para seleccionar una bomba que opere con un rendimiento relativamente alto para las condiciones de funcionamiento dadas. Los parámetros que se deben investigar incluyen la velocidad específica Ns, el tamaño D del impulsor y la velocidad de operación n. Otras posibilidades son el uso de bombas multietapa, bombas en serie, bombas en paralelo, etc. Incluso, bajo ciertas condiciones, limitar el flujo en el sistema puede producir ahorros de energía.
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El objetivo es seleccionar una bomba y su velocidad de modo que las características de funcionamiento de la bomba en relación al sistema en el cual opera sean tales que el punto de funcionamiento esté cerca del PMR (punto de máximo de rendimiento). Esto tiende a optimizar el rendimiento de la bomba, minimizando el consumo de energía. El punto de operación puede desplazarse cambiando la curva características de la bomba, cambiando la curva característica del sistema o cambiando ambas curvas. La curva de la bomba puede modificarse cambiando la velocidad de funcionamientos de una bomba dada o seleccionando una bomba distinta con características de funcionamiento diferentes. En algunos casos puede ser una ayuda ajustar el impulsor, es decir, reducir algo su diámetro, alrededor de un 5 por 100, mediante rectificado. Este impulsor mas reducido se instala en la cubierta original. La curva característica del sistema puede cambiarse modificando el tamaño de la tubería o estrangulando el flujo. Una complicación que se presenta a menudo es que los niveles de ambos extremos del sistema no se mantienen constantes, como ocurre si los niveles de los depósitos fluctúan. En tal caso es difícil alcanzar un rendimiento alto para todos los modos de funcionamiento. En casos extremos a veces se utiliza un motor con velocidad variable. El procedimiento de selección de una bomba que permita una recirculación segura es selecciones una bomba que produzca el flujo de descarga Qa deseado. La curva E es la característica de carga y capacidad de la bomba y la curva a es la de carga del sistema para la descarga hacia el tanque A. La bomba funciona con una carga de Hop. Para incluir circulación continua en el sistema de bombeo, hay que aumentar el caudal de la bomba con la carga Hop de funcionamiento para mantener una descarga de Qa hacia el tanque A y, al mismo tiempo, una recirculación Qb de retorno al tanque B. Para lograrlo, se selecciona el tamaño inmediato mayor de impulsor con la curva de rendimiento F. Si se conoce el flujo Qb con la curva Hop de funcionamiento para orificio y tubo de recirculación, el flujo de recirculación Qs, en el punto de corte de la bomba se puede determinar con:
en donde H, es la carga de corte de la bomba con la curva de rendimiento F.
Calcúlese el flujo mínimo seguro, Qmin, para la bomba con curva de rendimiento F y la ecuación (2) y conviértase Wmin a Qmin. Compárese la recirculación, Qs, en el punto de corte de la bomba contra el flujo seguro mínimo, Qmin. Si Qs, es mayor que o igual a Qmin, esto concluye el proceso de selección. Si Q, es menor que Qmin, selecciónese el tamaño inmediato mayor de impulsor y repítase los pasos 3, 4 y 5 hasta Determinar el tamaño de impulsor que produzca la recirculación mínima segura.
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Las bombas de este tipo son de desplazamiento que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico.
El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada solamente por la resistencia estructural de las distintas partes de la bomba y la descarga no es afectada por la carga a presión sino que está determinada por la velocidad de la bomba y la medida del volumen desplazado. Las bombas de desplazamiento positivo funcionan con bajas capacidades y altas presiones en relación con su tamaño y costo. Este tipo de bomba resulta el más útil para presiones extremadamente altas, para operación manual, para descargas relativamente bajas, para operación a baja velocidad, para succiones variables y para pozos profundos cuando la capacidad de bombeo requerida es muy poca.
USOS:
Bombeo en pozos llanos
Bombeo en pozos profundos
Para niveles de agua variable
Bombas de incendio
Bombas de transferencia y circulación
Operación por molinos de viento
Altas cargas a presión
Alimentación de calderas
Bombeo de aceite y gasolina
Fumigadores de cosechas
Son máquinas que desarrollan presión transportando líquidos en trayectoria definida en una sola dirección.
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Las bombas rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, que consisten en una caja fija que contiene engranes, aspas u otros dispositivos que rotan, y que actúan sobre el líquido atrapándolo en pequeños volúmenes entre las paredes de la caja y el dispositivo que rota, desplazando de este modo el líquido de manera similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante. Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como sucede con las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme, por el movimiento de rotación de los engranes que es bastante rápido. Las bombas rotatorias se usan generalmente para aplicaciones especiales, con líquidos viscosos, pero realmente pueden bombear cualquier clase de líquidos, siempre que no contengan sólidos en suspensión. No obstante, debido a su construcción, su uso más común, es como bombas de circulación o transferencia de líquidos.
Características principales:
Son de acción positiva
Desplazamiento rotativo
Flujo uniforme
Construcción compacta
Carga alta
Descarga relativamente baja
Velocidades de operación de moderadas a altas
Pocas partes móviles
Requieren toda la potencia para llevarlas a su velocidad de operación
Flujo constante dentro de ciertos límites para carga variable
Aspiración limitada
Como las piezas que originan el desplazamiento son de metal y rotan, el contacto metálico entre las partes móviles origina desgastes que posibilitan los resbalamientos a altas presiones, es por eso que la efectividad de las bombas rotatorias disminuye con el uso.
Las bombas más comunes y más efectivas de este tipo son las de engranes externos (figura 7.4). Según los dientes se separan en el lado de succión de la bomba, el espacio entre dos dientes consecutivos se llena de líquido y de esta forma es arrastrado hasta quedar atrapado entre estos y la pared de la caja de la bomba; el movimiento de rotación del engrane lleva entonces el líquido atrapado hasta el lado de descarga, en donde al quedar libre es impulsado hacia afuera por la llegada constante de nuevas cantidades de líquido. Las bombas rotatorias son generalmente fabricadas para capacidades que no exceden de 500 gpm (31.54 l/s) y cargas que no sobrepasan 500 pies (152.4 m). Existen bombas rotatorias de engranes internos, de levas, lobulares de tornillo, de paletas, etc. En las figuras 7.4 a 7.7 se muestran distintos tipos de bombas rotatorias. 7
Se compone de dos engranes que giran dentro de una carcasa, en sentido contrario y muy ajustados uno con el otro. Las bombas de engranes desarrollan presiones en el sistema en el rango de 1500 a 4000 psi (10.3 a 27.6 Mpa). El flujo que entregan varía con el tamaño de los engranes y la velocidad de rotación que puede ser de hasta 4000 rpm.
Consiste en un rotor excéntrico que contiene un conjunto de aspas deslizantes que corren dentro de una carcasa, un anillo de levas en la carcasa controla la posición radial de las aspas, la selección de la entrega variable es manual, eléctrica, hidráulica o neumática y las capacidades comunes de presión van de 2000 a 4000 psi (13.8 a 27.6 Mpa).
Una desventaja de las bombas de engranes, pistón y aspas es que distribuyen un flujo por impulsos hacia la salida, debido a que cada elemento funcional mueve un elemento, volumen capturado, de fluido de la succión a la descarga, Las bombas de tornillo no tienen este problema. Se ilustra el rotor de impulso central, semejante a una espiral, se acopla muy bien con los dos rotores impulsados y proporciona un flujo uniforme continuo. Las bombas de tornillo operan a 3000 psi (20.7 Mpa) funcionan a velocidades altas y son más silenciosas que la mayoría de otros tipos de bombas hidráulicas
Produce un flujo suave que no pulsa y se utiliza sobre todo para enviar fluidos de procesos, Conforme el rotor central grande gira dentro del estator, se forman cavidades que avanzan hacia el extremo de descarga de la bomba que mueve el material en cuestión. El rotor está hecho de una placa de acero con placas gruesas de cromo y la mayoría de 8
los estatores están construidos de caucho natural o sintético, Las capacidades de flujo llegan a ser hasta de 1860 gal/min y la presión de 900 psi, Este tipo de bomba maneja líquidos muy viscosos, champú, alimentos como el jarabe de manzana e incluso masa de pan.
O bomba de levas opera en forma similar a la de engranes, Los dos rotores que giran en sentido contrario tienen dos, tres o más lóbulos que coinciden uno con otro y se ajustan muy bien en su contenedor. El fluido se mueve alrededor de la cavidad formada entre los lóbulos contiguos.
Consta de una tubería flexible la cual captura al liquido mediante la acción de un rodillo. Se usa para manipular fluidos en pequeñas cantidades, a bajas presiones y manteniendo una limpieza constante. Estas bombas se utilizan para las aplicaciones químicas, médicas, procesamiento de alimentos, científicas, etc.
En las bombas reciprocantes el pistón crea un vacío parcial dentro del cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión atmosférica. Como hace falta un espacio determinado de tiempo para que se llene el cilindro, la cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de las válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las válvulas y del pistón. Como se muestra en la figura de la izquierda. Figura 2. ESQUEMA DE BOMBA RECIPROCANTE DE EFECTO SIMPLE
Debido a la resistencia friccional que se desarrolla en sus partes en movimiento, las bombas reciprocantes tienen una eficiencia
relativamente baja; las pérdidas en las correas, los engranes y las chumaceras se añaden a la resistencia de las partes móviles para dar un rendimiento bajo en proporción a la potencia suministrada por la unidad motriz.
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Figura 3. BOMBA RECIPROCANTE HORIZONTAL DE TRANSMISIÓN DE DOBLE EFECTO
Las válvulas de las bombas de pistón son de dos tipos las de succión, que permiten la entrada al espacio de desplazamiento, y las de descarga, que dejan que el agua pase hacia el tubo de descarga, Estas válvulas operan por la fuerza que ejerce sobre ellas el peso del agua, o por la acción ejercida por elemento de desplazamiento.
Las ventajas de las bombas reciprocantes de pozo llano son: -
Alta presión disponible
-
Autocebantes (dentro de ciertos límites)
-
Flujo constante para cargas a presión variable
-
Adaptabilidad a ser movidas manualmente o por motor
Las desventajas son: -
Baja descarga
-
Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas
-
Muchas partes móviles
-
Requieren mantenimiento a intervalos frecuentes
-
Succión limitada
-
Costo relativamente alto para la cantidad de agua suministrada
-
Requieren un torque considerable para llevarlas a su velocidad
-
Flujo pulsante en la descarga
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Son máquinas que suministran presión a un líquido por acción de un pistón o émbolo en un cilindro.
Bomba aspirante de émbolo alternativo. En una "bomba aspirante", un cilindro que contiene un pistón móvil está conectado con el suministro de agua mediante un tubo. Una válvula bloquea la entrada del tubo al cilindro. La válvula es como una puerta con goznes, que solo se abre hacia arriba, dejando subir, pero no bajar, el agua. Dentro del pistón, hay una segunda válvula que funciona en la misma forma. Cuando se acciona la manivela, el pistón sube. Esto aumenta el volumen existente debajo del pistón, y, por lo tanto, la presión disminuye. La presión del aire normal que actúa sobre la superficie del agua, del pozo, hace subir el líquido por el tubo, franqueando la válvula-que se abre- y lo hace entrar en el cilindro. Cuando el pistón baja, se cierra la primera válvula, y se abre la segunda, que permite que el agua pase a la parte superior del pistón y ocupe el cilindro que está encima de éste. El golpe siguiente hacia arriba hace subir el agua a la espita y, al mismo tiempo, logra que entre más agua en el cilindro, por debajo del pistón. La acción continúa mientras el pistón sube y baja. Una bomba aspirante es de acción limitada, en ciertos sentidos. No puede proporcionar un chorro continuo de líquido ni hacer subir el agua a través de una distancia mayor a 10 m. entre la superficie del pozo y la válvula inferior, ya que la presión normal del aire sólo puede actuar con fuerza suficiente para mantener una columna de agua de esa altura. Una bomba impelente vence esos obstáculos.
Bomba impelente de émbolo alternativo, La bomba impelente consiste en un cilindro, un pistón y un caño que baja hasta el depósito de agua. Asimismo, tiene una válvula que deja entrar el agua al cilindro, pero no regresar. No hay válvula en el pistón, que es completamente sólido. Desde el extremo inferior del cilindro sale un segundo tubo que llega hasta una cámara de aire. La entrada a esa cámara es bloqueada por una válvula que deja entrar el agua, pero no salir. Desde el extremo inferior de la cámara de aire, otro caño lleva el agua a un tanque de la azotea o a una manguera.
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Una barra reciprocante mueve un diafragma flexible dentro de una cavidad, con lo que descarga fluido conforme aquél se mueve a la izquierda y lo empuja cuando va hacia la derecha, en forma alternada. La ventaja es que solo el diafragma entra en contacto con el fluido La bomba de diafragma se utiliza en la construcción, minería, aceite, gas, procesamiento de alimentos, procesos químicos y otras aplicaciones industriales.
Figura 4. Diagrama de bomba de doble diafragma.
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En las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:
Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la carga o energía de la bomba en pielb/lb se debe expresar en pies o en metros y es por eso por lo que se denomina genéricamente como "altura". Las bombas centrífugas tienen un uso muy extenso en la industria ya que son adecuadas casi para cualquier servicio. Las más comunes son las que están construidas bajo normativa DIN 24255 (en formas e hidráulica) con un único rodete, que abarcan capacidades hasta los 500 M3/h y alturas manométricas hasta los 100 metros con motores eléctricos de velocidad estándar. Estas bombas se suelen montar horizontales, pero también pueden estar verticales y para alcanzar mayores alturas se fabrican disponiendo varios rodetes sucesivos en un mismo cuerpo de bomba. De esta forma se acumulan las presiones parciales que ofrecen cada uno de ellos. En este caso se habla de bomba multifásica o multietapa, pudiéndose lograr de este modo alturas del orden de los 1200 metros para sistemas de alimentación de calderas. Constituyen no menos del 80 % de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre de pulsaciones de baja frecuencia.
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Cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor.
Cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro.
Cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.
Una aplicación de esta bomba es la usada en centrales hidroeléctricas tipo embalse llamadas también de acumulación y bombeo, donde la bomba consume potencia; en determinado momento, puede actuar también como turbina para entregar potencia. Son también conocidas como bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas, en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas. La velocidad es generada a través de impulsos de energía extremadamente rápidos y potentes en el impulsor.
Figura 5. Diagrama de funcionamiento de bomba periférica.
Las bombas periféricas poseen una turbina más chica que las bombas centrifugas. Dependiendo de la aplicación, ya sea por altura o frecuencia de uso debe considerarse que tipo de bomba utilizar. El precio es mucho más elevado entre una bomba periférica y una centrífuga. Poseen mayor potencia, por lo cual es recomendable para grandes alturas.
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BIBLIOGRAFIA
http://www.ingenierocivilinfo.com/2011/11/bombas-de-desplazamiento-positivo.html
JUTGLAR, Luis B. “Bombas, Ventiladores y compresores”. Ediciones Ceac, 2005. Impreso en España. Pág: 19, 72-90 VIEJO M, ÁLVAREZ J. “BOMBAS. Teoría, Diseño y Aplicaciones”. Tercera Edición 2004.Impreso en México. Págs: 11-79, 149-159.
http://es.slideshare.net/ecampos91/bombas-perifricas
http://html.rincondelvago.com/bombas-y-sus-aplicaciones.html
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