Los parámetros clave son el caudal, la altura dinámica total, las propiedades del fluido, las condiciones de succión y la potencia de la bomba. Para las bombas de alimentación y circulación en plantas piloto de operaciones unitarias de ingeniería química, el dimensionamiento debe tener en cuenta el flujo volumétrico requerido, el rendimiento másico, la elevación estática, la diferencia de presión en los recipientes, la fricción en tuberías y accesorios, las pérdidas en válvulas de control y la densidad y viscosidad del fluido. En circuitos de alta presión, estos cálculos pueden generar alturas considerables; la referencia principal cita alturas dinámicas totales de aproximadamente 237 a 268 m para algunas aplicaciones.
El dimensionamiento de una bomba es la intersección de la curva del sistema y la curva de la bomba. Un diseño fiable evalúa tanto el punto de trabajo requerido como el rango de operación, y luego verifica la presión de succión, el margen de cavitación, la demanda de potencia, la controlabilidad y la compatibilidad con el fluido del proceso.
Definir el punto de trabajo requerido de la bomba
Caudal volumétrico
El caudal volumétrico requerido determina la capacidad de la bomba e influye fuertemente en el diámetro de la tubería, la velocidad, las pérdidas por fricción y el rango de control.
El diseño debe especificar los caudales normal, mínimo y máximo en lugar de un solo valor nominal. Una sola bomba puede ser adecuada para un rango de operación estrecho, mientras que pueden ser necesarias bombas en paralelo o control de velocidad variable cuando la planta piloto debe soportar experimentos sustancialmente diferentes.
Rendimiento másico
El flujo másico es esencial cuando la especificación del proceso se expresa en kilogramos por hora o cuando la densidad del fluido cambia con la composición, la temperatura o la presión.
La relación es:
[ \dot{m} = \rho Q ]
donde (\dot{m}) es el caudal másico, (\rho) es la densidad del fluido y (Q) es el caudal volumétrico. Ambas cantidades deben verificarse porque la bomba mueve volumen, mientras que muchas operaciones unitarias están diseñadas en función del rendimiento másico.
Rango de operación
Las plantas piloto a menudo operan en varios regímenes de flujo para demostrar el comportamiento del proceso y el rendimiento del control. La bomba debe permanecer estable y controlable en el flujo mínimo, normal y máximo.
Por lo tanto, el punto de trabajo seleccionado debe compararse con la curva de rendimiento completa de la bomba, incluyendo la eficiencia, el rango de operación permitido y cualquier requisito de flujo mínimo.
Calcular la altura dinámica total
Altura de elevación estática
La altura de elevación es la diferencia vertical entre los niveles de líquido o los puntos de referencia de presión relevantes en los recipientes de origen y destino.
Una bomba debe proporcionar esta altura independientemente del tamaño de la tubería o el caudal. Es particularmente importante en plantas piloto con columnas elevadas, tanques, lechos empacados o receptores de reflujo.
Altura de presión estática
Si los recipientes de origen y destino operan a presiones diferentes, la bomba debe superar la diferencia de presión correspondiente.
Para un líquido de densidad (\rho), la conversión de presión a altura es:
[ H_{\Delta P} = \frac{\Delta P}{\rho g} ]
Esto significa que la misma diferencia de presión produce un requisito de altura diferente para fluidos con diferentes densidades. Por lo tanto, una presión de descarga declarada por sí sola es insuficiente para el dimensionamiento de la bomba.
Pérdida de altura por fricción
Las pérdidas por fricción ocurren en tuberías rectas, accesorios, válvulas, intercambiadores de calor, secciones empacadas, medidores de flujo y otros componentes.
Dependen de la longitud y el diámetro de la tubería, la rugosidad de la superficie, la densidad y viscosidad del fluido, la velocidad del flujo y la geometría de los accesorios. Las pérdidas por fricción generalmente aumentan rápidamente con el flujo, por lo que deben calcularse en los límites operativos relevantes en lugar de solo en el flujo promedio.
Caídas de presión en válvulas de control y equipos
Las válvulas de control pueden consumir intencionalmente una parte significativa de la altura de presión disponible para proporcionar un control de flujo estable.
El cálculo debe incluir las caídas de presión en válvulas, filtros, coladores, intercambiadores de calor, mezcladores estáticos, lechos empacados y otros equipos de proceso. Omitir estas pérdidas puede producir una bomba que cumpla con el requisito estático pero que no pueda lograr el flujo requerido.
Altura dinámica total
Una expresión práctica para la altura de la bomba requerida es:
[ H_{\text{TDH}} = H_{\text{elevación}} + H_{\text{presión}} + H_{\text{fricción}} + H_{\text{equipo}} ]
La altura resultante del sistema debe evaluarse en todo el rango de operación. Para circuitos de plantas piloto de alta presión, la altura requerida puede alcanzar aproximadamente 237 a 268 m, como se cita en la referencia principal.
Evaluar el comportamiento hidráulico del fluido
Densidad y gravedad específica
La densidad afecta tanto al rendimiento másico como a la altura asociada con una diferencia de presión. También afecta la potencia hidráulica requerida por la bomba.
Para mezclas, la densidad puede variar significativamente con la composición y la temperatura. La base de diseño debe utilizar la densidad más alta creíble al verificar la potencia y la carga mecánica.
Viscosidad
La viscosidad afecta el número de Reynolds, el factor de fricción, la caída de presión, la eficiencia de la bomba y el flujo alcanzable.
Los líquidos de baja viscosidad suelen ser manejados por bombas centrífugas. Los líquidos altamente viscosos pueden requerir bombas de desplazamiento positivo, como las bombas de engranajes, porque el rendimiento de la bomba centrífuga puede deteriorarse a medida que aumenta la viscosidad.
Número de Reynolds
El número de Reynolds indica si el flujo es predominantemente laminar, de transición o turbulento:
[ Re = \frac{\rho u D}{\mu} ]
donde (u) es la velocidad promedio, (D) es el diámetro de la tubería y (\mu) es la viscosidad dinámica.
Este parámetro es necesario para seleccionar la correlación de factor de fricción adecuada. También ayuda a explicar por qué la misma bomba y tubería pueden comportarse de manera diferente cuando cambia la temperatura o la composición del fluido.
Diámetro y velocidad de la tubería
El diámetro de la tubería establece la relación entre el caudal y la velocidad promedio:
[ u = \frac{4Q}{\pi D^2} ]
Una mayor velocidad puede reducir el tamaño de la tubería y el costo de capital, pero aumenta la caída de presión por fricción, el ruido, el riesgo de erosión y la potencia de bombeo. Una menor velocidad reduce las pérdidas hidráulicas pero requiere tuberías más grandes y costosas.
Verificar las condiciones de succión y el margen de cavitación
Altura de succión disponible
La entrada de la bomba debe tener suficiente presión absoluta para mantener el fluido en estado líquido bajo las condiciones reales de operación.
La altura de succión disponible depende de la presión del recipiente de origen, el nivel del líquido, la fricción de la línea de succión, la presión de vapor del fluido y la temperatura. Debe compararse con la altura neta positiva de succión requerida por la bomba, o NPSH.
Margen de NPSH
El NPSH disponible debe exceder el NPSH requerido por la bomba por un margen de ingeniería apropiado en todo el rango de operación.
Esta verificación es especialmente importante para líquidos volátiles, líquidos calientes, recipientes operados al vacío y sistemas con líneas de succión largas o restrictivas. Una bomba colocada demasiado alto sobre el recipiente de origen puede experimentar una presión de entrada inadecuada, cavitación, flujo inestable o pérdida total de flujo.
Ubicación de la bomba
Las bombas centrífugas generalmente se ubican mejor cerca y debajo del recipiente de origen, donde la línea de succión es corta y la presión de entrada es más alta.
La tubería de succión debe minimizar los accesorios innecesarios, las restricciones bruscas y los cambios de elevación. Estos detalles pueden determinar si la bomba opera de manera fiable incluso cuando los cálculos del lado de descarga son correctos.
Determinar los requisitos de potencia y accionamiento
Potencia hidráulica
La potencia hidráulica ideal es:
[ P_{\text{hidráulica}} = \rho g Q H ]
La potencia requerida en el eje debe tener en cuenta la eficiencia de la bomba:
[ P_{\text{eje}} = \frac{\rho g Q H}{\eta_{\text{bomba}}} ]
El dimensionamiento del motor también debe considerar la eficiencia del accionamiento, el margen de operación, las condiciones de arranque y la posibilidad de que la planta piloto opere al máximo flujo o máxima densidad.
Tipo de bomba
Las bombas centrífugas son comúnmente adecuadas para fluidos de proceso estándar de baja viscosidad y tareas de circulación continua.
Las bombas de desplazamiento positivo son más apropiadas para tareas de bajo flujo, alta altura, dosificación o alta viscosidad. Las bombas de diafragma pueden ser ventajosas para fluidos corrosivos y dosificación precisa, mientras que las bombas de engranajes se usan comúnmente para líquidos viscosos.
Velocidad y control
El arreglo del accionamiento afecta la controlabilidad y la eficiencia operativa. Los accionamientos de velocidad variable pueden ajustar la salida de la bomba a las condiciones cambiantes de la planta piloto, mientras que el estrangulamiento con una válvula de control cambia la resistencia del sistema y convierte parte de la energía de la bomba en pérdida de presión.
El diseño debe evaluar si el control de flujo se logrará mediante ajuste de velocidad, estrangulamiento de válvula, circulación de derivación (bypass) o una combinación de estos métodos.
Adaptar la bomba al fluido del proceso
Corrosividad y materiales
Los fluidos corrosivos pueden atacar las carcasas de las bombas, los impulsores, los sellos, las empaquetaduras y las tuberías.
Los materiales de construcción deben seleccionarse utilizando la composición del fluido, la concentración, la temperatura y el tiempo de exposición. La operación intermitente también importa porque el fluido residual puede permanecer en la bomba durante los períodos de inactividad y aumentar la corrosión interna.
Sólidos en suspensión
Los sólidos en suspensión pueden causar erosión, bloqueo, daños en el sello y desgaste acelerado.
El diseño debe tener en cuenta la concentración de sólidos, el tamaño de partícula, el comportamiento de sedimentación y las holguras internas requeridas. Una bomba seleccionada solo a partir de datos de flujo y altura puede fallar cuando el fluido del proceso contiene sólidos.
Presión de vapor y temperatura
La presión de vapor determina la probabilidad de destello o cavitación en la succión de la bomba.
Los cambios de temperatura pueden alterar simultáneamente la viscosidad, la densidad, la presión de vapor y la compatibilidad de los materiales. Estas propiedades deben evaluarse en las condiciones de arranque en frío, normal y de temperatura máxima.
Comprender las compensaciones
Sobredimensionar la bomba
Una bomba sobredimensionada puede producir un flujo excesivo, altas caídas de presión en las válvulas, operación ineficiente y un control difícil a bajo rendimiento.
El estrangulamiento puede forzar a la bomba hacia un punto de operación indeseable y puede crear recirculación, vibración o sobrecalentamiento. Una bomba debe seleccionarse para la curva del sistema real y el rango de operación en lugar de simplemente elegir la unidad más grande disponible.
Subdimensionar la bomba
Una bomba subdimensionada puede no alcanzar el flujo requerido cuando aumentan las pérdidas por fricción o los requisitos de presión del proceso.
Esto es particularmente probable cuando las caídas de presión a través de válvulas de control, intercambiadores de calor, lechos empacados o filtros se omiten del cálculo. El sistema debe verificarse en la condición de operación creíble más exigente.
Elegir el diámetro de la tubería
Una tubería pequeña reduce el costo de capital pero aumenta la velocidad y la pérdida de altura por fricción. Una tubería grande reduce las pérdidas de bombeo pero aumenta el costo del equipo, la huella y, potencialmente, el inventario de fluido de la planta piloto.
El diámetro seleccionado debe equilibrar el costo de capital, el consumo de energía, el rendimiento del control, el riesgo de erosión y los objetivos educativos o de investigación de la instalación.
Ignorar la curva del sistema
Las clasificaciones de los catálogos de bombas a menudo indican un valor de altura o flujo sin representar la relación completa entre ellos.
La bomba seleccionada debe verificarse contra la curva del sistema calculada. El punto de operación real es donde la curva de la bomba se cruza con la curva del sistema, y puede diferir materialmente del trabajo nominal del catálogo.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
Las siguientes prioridades ayudan a organizar el cálculo de dimensionamiento en torno al propósito de la planta piloto:
- Si su enfoque principal es la circulación fiable del proceso: Defina los caudales normal, mínimo y máximo, calcule la altura dinámica total completa y verifique el punto de operación y el margen de NPSH en todo el rango.
- Si su enfoque principal es la dosificación precisa de alimentación o reactivos: Priorice el rendimiento estable a bajo flujo, la viscosidad del fluido, la pulsación, la controlabilidad y la idoneidad de una bomba de desplazamiento positivo o de diafragma.
- Si su enfoque principal es la operación a alta presión: Incluya las diferencias de presión del recipiente, las caídas de presión del equipo, la densidad del fluido, la potencia del eje, las clasificaciones mecánicas y el análisis completo de las condiciones de succión.
- Si su enfoque principal es la enseñanza de la dinámica de fluidos: Instrumente el flujo, la presión, la presión diferencial, la velocidad y la potencia del motor para que los usuarios puedan comparar las pérdidas de altura teóricas, las curvas de la bomba, las caídas en las válvulas y el consumo de potencia medido.
- Si su enfoque principal es el servicio corrosivo o con sólidos: Evalúe los materiales de construcción, la selección de sellos, las holguras internas, el manejo de sólidos, la temperatura y la corrosión tanto durante la operación como en los períodos de inactividad.
Una especificación sólida de bomba para planta piloto conecta el flujo, la altura, el comportamiento del fluido, las condiciones de succión, la potencia y los requisitos de control en una base de diseño hidráulico completa.
Tabla resumen:
| Parámetro | Qué evaluar | Por qué es importante |
|---|---|---|
| Caudal | Flujo volumétrico mínimo, normal y máximo; rendimiento másico | Define la capacidad de la bomba, la velocidad de la tubería y la controlabilidad |
| Altura dinámica total | Elevación, diferencia de presión del recipiente, fricción de tuberías, válvulas y pérdidas de equipo | Determina la altura de la bomba requerida y la curva del sistema |
| Propiedades del fluido | Densidad, viscosidad, presión de vapor, temperatura, corrosividad y sólidos | Afecta la fricción, la potencia, el riesgo de cavitación, el tipo de bomba y los materiales |
| Condiciones de succión | Presión de origen, nivel de líquido, pérdidas en la línea de succión y margen de NPSH | Evita la cavitación, el flujo inestable y la pérdida de rendimiento |
| Bomba y accionamiento | Curva de la bomba, eficiencia, potencia del eje, velocidad y rango de operación | Confirma que la bomba alcance su punto de trabajo de manera eficiente y fiable |
| Estrategia de control | Velocidad variable, estrangulamiento de válvula, bypass o dosificación | Garantiza una operación estable en condiciones cambiantes de la planta piloto |
| Prioridades de diseño | Circulación, dosificación, alta presión, enseñanza, servicio corrosivo o con sólidos | Alinea la selección de la bomba con los objetivos del proceso de la planta piloto |
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