SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE PAQUETES DE CENTRIFUGACIÓN DE...

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE PAQUETES DE CENTRIFUGACIÓN DE

COMBUSTIBLE LÍQUIDO PARA TURBINAS A GAS

Por:

José Rafael Abreu González

INFORME DE PASANTÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, marzo de 2012

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE PAQUETES DE CENTRIFUGACIÓN DE

COMBUSTIBLE LÍQUIDO PARA TURBINAS A GAS

Por:

José Rafael Abreu González

Realizado con la asesoría de:

Tutor Académico: Víctor Barreto

Tutor Industrial: Antonio Vidal

INFORME DE PASANTÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, marzo de 2012

iv

RESUMEN

Los paquetes de centrifugación de combustibles líquidos son requeridos en plantas de generación

de energía eléctrica para purificar el combustible de acuerdo a las condiciones establecidas por el

fabricante de las turbinas a gas. Los destilados del petróleo contienen agentes contaminantes

como agua, sodio, potasio, vanadio y sedimentos que deben ser retirados, ya que corroen los

álabes de la turbina. El sistema de tratamiento es diseñado en forma de módulos, con todos los

equipos, tuberías, válvulas y accesorios instalados, de acuerdo al tipo de combustible y los

niveles de contaminantes. El separador centrífugo es el primer equipo que debe ser seleccionado,

y de acuerdo a sus características de operación se establecen los requerimientos para la selección

de bombas de alimentación y de lodos. Una vez seleccionados los todos los equipos se puede

proceder el diseño detallado del las líneas de producto y servicios, y las dimensiones del módulo.

Debido a la gran cantidad de aspectos que deben ser tomados en cuenta para el diseño del sistema

de purificación de combustible, es primordial establecer una metodología que permita al

ingeniero seleccionar los equipos en base a criterios establecidos en las normativas

correspondientes, de manera de asegurar una solución eficiente y segura. Se planteó la

elaboración de una guía para la selección y evaluación de paquetes de centrifugación de

combustible líquido para turbinas orientada a ingenieros de proyectos, a partir de un caso de

estudio. En el procesos de diseño del sistema se emplearon criterios de selección de separadores

centrífugos establecidos por el fabricante; se aplicaron también las normas del American

Petroleum Institute API (Instituto Americano de Petróleo), API 610 para bombas centrífugas; y

procedimientos para el dimensionamiento de la tuberías de procesos establecidos en la noma

MDP-02-FF-03 en el Manual de Ingeniería de Diseño de PDVSA. Finalmente, la aplicación del

procedimiento de selección y cálculo en el Proyecto Termozulia III permitió determinar que el

diseño de módulos de bombeo y purificación por separado fue el más adecuado para las

condiciones dadas, y que los principales equipos mecánicos fueron bien seleccionados. Sin

embargo, se debe indicar que el dimensionamiento del múltiple de succión no es el correcto

debido a que permite la aspiración preferencial de una de las bombas.

v

DEDICATORIA

A mis padres, Patricia González y José Humberto Abreu, que siempre han

estado a mi lado para guiarme, apoyarme y brindarme su amor.

A mis abuelos, Alirio Alfonzo Abreu Burelli y Rafael Ernesto González Urdaneta.

vi

ÍNDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1

CAPITULO 1 .................................................................................................................................. 4

1.1 Reseña histórica de la empresa .................................................................................................. 5

1.2 Misión ....................................................................................................................................... 7

1.3 Visión ....................................................................................................................................... 7

1.4 Valores ...................................................................................................................................... 7

1.5 Objetivos Estratégicos .............................................................................................................. 8

1.6 Estructura Organizativa de la Empresa .................................................................................... 8

CAPITULO 2 ................................................................................................................................ 12

2.1 Propiedades de los combustibles líquidos ............................................................................... 13

2.2 Diagrama de procesos de sistemas de tratamiento de combustible líquido ............................. 15

2.3 Tanques de combustible .......................................................................................................... 20

2.4 Separación mecánica de mezclas ............................................................................................. 21

2.4.1 Principios físicos involucrados en la separación mecánica .................................................. 22

2.4.2 Criterios para la selección separadores ................................................................................. 23

2.5 Separador de platos autolimpiante ........................................................................................... 25

2.5.1 Componentes principales del separador ............................................................................... 25

2.5.2 Operación del separador de platos ........................................................................................ 27

2.5.3 Parámetros de operación ....................................................................................................... 32

2.5.4 Instalación del separador ...................................................................................................... 35

2.6 Bombas .................................................................................................................................... 36

2.6.1 Clasificación de las bombas ................................................................................................. 37

vii

2.6.2 Criterios de selección del tipo bomba................................................................................... 37

2.6.2.1 Rango de aplicación .......................................................................................................... 38

2.6.2.2 Velocidad específica del impulsor ..................................................................................... 38

2.6.3 Bomba centrífuga ................................................................................................................. 39

2.6.3.1 Partes principales ............................................................................................................... 40

2.6.3.2 Cabezal de la bomba .......................................................................................................... 41

2.6.3.3 Potencia y rendimiento ...................................................................................................... 42

2.6.3.4 Altura neta de succión positiva NPSH .............................................................................. 43

2.6.3.5 Curvas características ........................................................................................................ 45

2.6.3.6 Instalación de una bomba centrífuga ................................................................................. 46

2.6.3.7 Criterios para la evaluación de bombas centrífugas .......................................................... 48

2.6.3.8 Cargas admisibles en las boquillas .................................................................................... 51

2.6.3.9 Sellos mecánicos de cartucho ............................................................................................ 51

2.7 Bombas de diafragma .............................................................................................................. 54

2.7.1 Características ....................................................................................................................... 55

2.7.2 Partes principales .................................................................................................................. 55

2.7.2.1 Diafragma .......................................................................................................................... 55

2.7.2.2 Válvulas ............................................................................................................................. 55

2.7.3 Tipo de accionamiento ......................................................................................................... 57

2.7.3.1 Accionamiento mecánico .................................................................................................. 57

2.7.3.2 Accionamiento Hidráulico ................................................................................................. 58

2.7.3.3 Accionamiento neumático ................................................................................................. 59

2.7.4 Bomba neumática de doble diafragma ................................................................................. 59

2.7.4.1 Partes principales ............................................................................................................... 60

2.7.4.2 Curva característica ........................................................................................................... 61

viii

2.7.4.3 Características de operación .............................................................................................. 62

2.7.4.4 Altura neta de succión disponible mínima ........................................................................ 63

2.8 Bombas rotativas ..................................................................................................................... 64

2.8.1 Bombas de engranajes externos ............................................................................................ 65

2.8.2 Bomba de tornillo ................................................................................................................. 66

2.9 Dimensionamiento de tuberías ................................................................................................ 67

2.10 Caída de presión en sistemas de tuberías............................................................................... 67

2.10.1 Pérdidas primarias .............................................................................................................. 68

2.10.2 Pérdidas secundarias ........................................................................................................... 70

2.11 Sistema de identificación de componentes para plantas de potencia .................................... 75

CAPITULO 3 ................................................................................................................................ 81

3.1 Familiarización con los sistemas de tratamiento de combustibles líquidos ............................ 81

3.2 Recopilación de la información requerida para el diseño del sistema ..................................... 82

3.3 Selección y evaluación de paquetes de centrifugación ............................................................ 83

3.3.1 Características de operación del sistema .............................................................................. 83

3.3.1.1 Caudal de operación y tanques de almacenamiento .......................................................... 84

3.3.1.2 Separación de las fases ...................................................................................................... 85

3.3.2 Diagrama general de procesos .............................................................................................. 85

3.3.2.1 Calentamiento del combustible ......................................................................................... 85

3.3.2.2 Etapas de purificación ....................................................................................................... 85

3.3.2.3 Dosificación de neutralizante ............................................................................................ 87

3.3.2.4 Temperatura de vaporización y temperatura de enturbiamiento ....................................... 85

3.3.3 Selección del separador ........................................................................................................ 87

3.3.3.1 Hoja de datos del separador ............................................................................................... 88

3.3.3.2 Tiempo de Separación ....................................................................................................... 88

ix

3.3.5.1 Dimensionamiento del múltiple de alimentación .............................................................. 89

3.3.5.2 Regulación de la presión de alimentación ......................................................................... 89

3.3.6 Selección de la bomba de alimentación ................................................................................ 91

3.3.6.1 Tipo y número de bombas ................................................................................................. 91

3.3.6.2 Dimensionamiento del múltiple de succión y descarga..................................................... 93

3.3.6.3 Cálculo de NPSHa ............................................................................................................. 93

3.3.6.4 Selección del fabricante ..................................................................................................... 95

3.3.6.4.1 Evaluación de bombas centrífugas ................................................................................. 96

3.3.6.5 Selección de los materiales de la bomba centrífuga .......................................................... 96

3.3.6.6 Selección del sello mecánico ............................................................................................. 96

3.3.7 Selección de la bomba de lodos ............................................................................................ 97

3.3.7.1 Caudal de operación .......................................................................................................... 97

3.3.7.2 Presión de descarga ........................................................................................................... 97

3.3.7.3 Selección del tipo de bomba de lodo ................................................................................. 99

3.3.7.4 Selección del fabricante ..................................................................................................... 99

3.3.7.5 Cálculo de NPSHa ........................................................................................................... 100

CAPITULO 4 .............................................................................................................................. 101

4.1 Diseño del sistema ................................................................................................................. 101

4.1.1 Cálculo de caudal de operación y volumen de tanques ...................................................... 102

4.1.2 Condiciones críticas del combustible ................................................................................. 103

4.1.2.1 Diferencia de densidad entre las fases ............................................................................. 103

4.1.2.2 Temperatura de vaporización y temperatura de enturbiamiento .................................... 104

4.1.3 Diagrama de procesos ......................................................................................................... 104

4.1.3.1 Calentamiento del combustible ....................................................................................... 105

4.1.3.2 Número de etapas de separación ..................................................................................... 105

x

4.1.3.3 Dosificación de inhibidor de vanadio .............................................................................. 106

4.2 Selección del separador ......................................................................................................... 107

4.2.1 Selección del tipo de tambor .............................................................................................. 108

4.2.2 Selección del modelo de separador .................................................................................... 109

4.2.3 Hoja de datos del separador ................................................................................................ 111

4.2.4 Tiempo de Separación ........................................................................................................ 112

4.3 Módulo de separadores .......................................................................................................... 113

4.3.1 Dimensionamiento de los múltiples de alimentación y descarga ....................................... 113

4.3.2 Regulación de presión de alimentación .............................................................................. 115

4.3.3 Caída de presión en el múltiple de alimentación ................................................................ 115

4.3.4 Instalación de los separadores en el módulo de purificación ............................................. 116

4.4 Módulo de bombeo ................................................................................................................ 117

4.4.1 Tipo y número de bombas .................................................................................................. 117

4.4.2 Dimensionamiento de los múltiples de succión y descarga ............................................... 121

4.4.3 Cálculo de NPSHa .............................................................................................................. 123

4.4.4 Selección del fabricante y modelo de bomba ..................................................................... 126

4.4.6 Selección del material de los componentes de la bomba .................................................... 130

4.4.6 Selección del sello mecánico .............................................................................................. 131

4.4.7 Cargas admisibles en las boquillas de la bomba de alimentación ...................................... 132

4.5 Selección de la bomba de lodos ............................................................................................. 134

4.5.1 Cálculo del caudal de operación ......................................................................................... 134

4.5.2 Concentración de sólidos en el lodo ................................................................................... 134

4.5.3 Caída de presión en la tubería de descarga ......................................................................... 135

4.5.3.1 Selección del tipo de accionamiento ............................................................................... 137

4.5.4 Cálculo del NPSHa ............................................................................................................. 138

xi

4.5.4 Evaluación de fabricantes de bombas de diafragma ........................................................... 137

4.5.4 Selección del tipo de bomba para lodo ............................................................................... 136

4.6 Servicios requeridos por el sistema de tratamiento ............................................................... 139

4.6.3 Electricidad ......................................................................................................................... 140

4.7 Designación de componentes de diagramas de tubería e instrumentos ................................. 140

ANEXO A ................................................................................................................................... 147

ANEXO B ................................................................................................................................... 148

ANEXO C ................................................................................................................................... 149

ANEXO D ................................................................................................................................... 150

ANEXO E .................................................................................................................................... 151

ANEXO F .................................................................................................................................... 155

ANEXO G ................................................................................................................................... 156

ANEXO H ................................................................................................................................... 161

ANEXO I ..................................................................................................................................... 164

CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 142

RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 144

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................ 145

xii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1: Tamaños límites de las partículas de acuerdo al tipo de tambor……………………...24

Tabla 2.2: Concentración de sólidos permitidos de acuerdo al tipo de tambor…………………..24

Tabla 2.3: Potencia del motor eléctrico en función de la potencia de la bomba…………………50

Tabla 2.4: planes API de lubricación y limpieza de sellos mecánicos…………………………...54

Tabla 2.5: Velocidad de flujo en tubería de acero comercial recomendada por PDVSA..………67

Tabla 2.6: Estructura de niveles de la designación KKS…………………………………………76

Taba 2.7: Designación del nivel 0 de la norma KKS…………………………………………….77

Tabla 2.8: Prefijo de nivel 1 de la norma KKS…………………………………………………..77

Tabla 2.9 Función del nivel 1 de la norma KKS…………………………………………………78

Tabla 2.10: Designación del nivel 2 de la norma KKS………………………………………..…78

Tabla 2.11: Designación del nivel 3 de la norma KKS…………………………………………..79

Tabla 3.1: Datos para el cálculo del cabezal de la bomba de alimentación………………………92

Tabla 3.2. Datos del tanque de combustible sin tratar……………………………………………94

Tabla 3.3: Datos de la tubería de conexión entre tanque y bombas de alimentación………….....94

Tabla 3.4: Datos requeridos para seleccionar la bomba de alimentación………………………...95

Tabla 4.1: Caudal de operación y volumen de los tanques……………………………………..103

Tabla 4.2: Temperatura de inflamación y temperatura de enturbiamiento……………………...104

Tabla 4.3: Rango de viscosidad permitida………………………………………………………105

Tabla 4.4 Etapas de separación requeridas……………………………………………………...106

Tabla 4.5: Concentración de vanadio permitida………………………………………………...107

Tabla 4.6: Criterios para la selección del tipo de tambor……………………………………….108

Tabla 4.7: Datos para la selección del tipo de tambor…………………………………………..108

xiii

Tabla 4.8: Cantidad de separadores requeridos para el caudal del diseño………………………109

Tabla 4.9: Comparación de modelos de separador……………………………………………...110

Tabla 4.10: Condiciones de operación del separador OSE 80/80……...……………………….111

Tabla 4.11: Caudales del sistema……………………………………………………………….111

Tabla 4.12: Tiempos de separación para diferentes combustibles……………………………...112

Tabla 4.13: Concentración de contaminantes establecidos en la norma ISO 8217……………..112

Tabla 4.14: Tiempo de separación para el diesel………………………………………………..113

Tabla 4.15: Velocidad del fluido en el múltiple de alimentación……………………………….114

Tabla 4.16: Velocidad el fluido en ramales del múltiple de alimentación……………………...115

Tabla 4.17: Cálculo del cabezal de la bomba de alimentación………………………………….117

Tabla 4.18: Caudal y cabezal para varias bombas………………………………………………118

Tabla 4.19: Velocidad específica del impulsor…………………………………………………120

Tabla 4.20: Velocidad del fluido en el múltiple de succión…………………………………….121

Tabla 4.21: Diámetros del múltiple de succión del módulo de bombeo………………………..121

Tabla 4.22: Velocidades del flujo en la descarga del módulo de bombeo……………………...122

Tabla 4.23: Diámetros del múltiple de descarga del módulo de bombeo……………………….123

Tabla 4.24: Datos del tanque de combustible y tubería de conexión…………………………...124

Tabla 4.25: Datos de la tubería de succión……………………………………………………...125

Tabla 4.26: Caída de presión en la tubería de conexión………………………………………...125

Tabla 4.27: NPSHa para distintos diámetro de tubería de conexión……………………………127

Tabla 4.28. Datos para corrección por fluido viscoso…………………………………………..127

Tabla 4.29: Factores de corrección por viscosidad……………………………………………..127

Tabla 4.30: Datos para la selección de la bomba centrífuga……………………………………128

Tabla 4.31: Bombas centrífugas recomendadas por cada fabricante……………………………129

Tabla 4.32: Evaluación de bombas centrífugas…………………………………………………130

Tabla 4.33: Condiciones de operación de la bomba de alimentación para el rango de caudal…131

xiv

Tabla 4.34: Datos para el cálculo del caudal de lodo…………………………………………...134

Tabla 4.35: Tabla 4.35: Datos para el cálculo del caudal de lodos……………………………..133

Tabla 4.36: Velocidad del flujo en la tubería de lodo…………………………………………...135

Tabla 4.37: Condiciones de flujo en la tubería de lodo…………………………………………136

Tabla 4.38: Caída de presión en la tubería de lodo……………………………………………..136

Tabla 4.39: Condiciones de operación de la bomba de lodo……………………………………138

Tabla 4.40: Evaluación de fabricantes de bombas de diafragma……………………………….138

Tabla 4.41 Cálculo de carga de aceleración…………………………………………………….139

Tabla 4.42: NPSHa para bomba de doble diafragma Ingersoll Rand…………………………...139

Tabla 4.43: Designación KKS para equipos mecánicos principales……………………………141

Tabla A: Formato para la recolección de datos del sistema…………………………………….147

Tabla B: Capacidades para distintos modelos de separadores GEA Westfalia Separator………148

Tabla C: Hoja de datos del separador OSE 80/80………………………………………………149

Tabla E.1: Evaluación de bomba Gouldpumps modelo 3700 3x6-9 SA……………………….152

Tabla E.2: Evaluación de bomba Flowserve modelo 4HPX8A………………………………..154

Tabla G.1: Factor de fricción en múltiple de alimentación……………………………………..156

Tabla G.2: Pérdidas primarias en múltiple de alimentación……………………………………156

Tabla G.3: Corrección de coeficiente de resistencia en múltiple de alimentación……………...157

Tabla G.4: Pérdidas secundarias en múltiple de alimentación………………………………….157

Tabla G.5: Pérdidas por elevación en múltiple de alimentación………………………………..157

Tabla G.6: Pérdidas totales en múltiple de alimentación……………………………………….158

Tabla G.7: Factor de fricción para tubería tanque-bomba de 10” .…………………………….158

Tabla G.8: Coeficientes de resistencia para accesorios de tubería tanque-bomba de 10”……...158

Tabla G.9: Pérdidas primarias en tubería tanque-bomba de 10”……………………………….159

Tabla G.10: Pérdidas secundarias en tubería tanque-bomba de 10”……………………………159

Tabla G.11: Pérdidas totales en tubería tanque-bomba de 12””………………………………..159

xv

Tabla G.12: Factor de fricción para tubería tanque-bomba de 12”…………………………….159

Tabla G.13: Coeficientes de resistencia para accesorios de tubería tanque-bomba de 12”……..160

Tabla G.14: Pérdidas primarias en tubería tanque-bomba de 12”……………………………....160

Tabla G.15: Pérdidas secundarias en tubería tanque-bomba de 12”……………………………160

Tabla G.16: Pérdidas totales en tubería tanque-bomba de 12””………………………………..160

Tabla H: Fallas del separador: posibles causas y soluciones……………………………………161

xvi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Estructura organizativa de la empresa……………………………………………….11

Figura 2.1: Módulo integral de purificación de combustible……………………………………16

Figura 2.2. Diagrama de procesos de sistema de tratamiento de diesel…………………………17

Figura 2.3: Diagrama de procesos de sistema de tratamiento de crudo ligero………………….18

Figura 2.4: Diagrama de procesos de sistema de tratamiento de combustible residual…………20

Figura 2.5: Separador centrífugo de platos autolimpiante para combustible líquido……………22

Figura 2.6: Principio físico de la centrifugación………………………………………………...23

Figura 2.7: Partes principales del separador centrífugo………………………………………....26

Figura 2.8: Partes principales del tambor………………………………………………………..26

Figura 2.9: Conjunto de platos del separador……………………………………………………27

Figura 2.10: Recorrido del fluido dentro del separador………………………………………….28

Figura 2.11: Patrón de flujo entre los platos del separador………………………………………29

Figura 2.12: Distribución de las fases y sedimentos dentro del tambor…………………………29

Figura 2.13: descarga de lodo del tambor autolimpiante………………………………………...30

Figura 2.14: Bomba centrípeta del separador……………………………………………………31

Figura 2.15: Transmisión del separador por correa y embrague hidráulico……………………..32

Figura 2.16: Anillo de regulación de la separación de fases…………………………………….34

Figura 2.17: Válvulas y accesorios básicos para la instalación del separador…………………...36

Figura 2.18: Rango de operación de los distintos tipos de bombas………………………………38

Figura 2.19: Velocidad específica del impulsor………………………………………………….39

Figura 2.20: Componentes de la carcasa de una bomba centrífuga……………………………...40

Figura 2.21: Partes de una bomba centrífuga…………………………………………………….41

Figura 2.22: Curva característica de una bomba centrífuga suministrada por un fabricante…….46

xvii

Figura 2.23: Instalación de una bomba con succión en carga……………………………………47

Figura 2.24: Partes de un sello mecánico de cartucho……………………………………………52

Figura 2.25: Válvula de retención plana para bomba de diafragma……………………………...56

Figura 2.26: Válvula de retención bola para bomba de diafragma……………………………….56

Figura 2.27: Accionamiento mecánico de bomba de diafragma…………………………………58

Figura 2.28: Accionamiento hidráulico de bomba de diafragma………………………………...59

Figura 2.29: Bomba de doble diafragma accionada neumáticamente……………………………61

Figura 2.30: Curva característica de una bomba de doble diafragma neumática………………...62

Figura 2.31: Bomba de engranajes externos……………………………………………………..65

Figura 2.32: Bomba de tornillo simple…………………………………………………………...66

Figura 2.33: Reducción gradual…………………………………………………………………..71

Figura 2.34: Expansión gradual…………………………………………………………………..72

Figura 2.35: Placa orificio………………………………………………………………………..73

Figura 2.36. Factor de flujo para placa orificio en régimen laminar y transición………………..74

Figura 2.37. Factor de flujo de placa orificio en régimen turbulento……………………………74

Figura 3.1: Corrección de densidad de mezclas……….…………………………………………98

Figura 4.1: Diagrama general de procesos del sistema de purificación………………………...107

Figura 4.2: Dimensiones del múltiple de alimentación de los separadores……………………..115

Figura 4.3: Diagrama de tuberías e instrumentos del módulo de bombeo……………………...123

Figura 4.4: Plan 51 de lavado de sello API………………………………………………….….132

Figura 4.5: Sistema de coordenada para bomba OH2 según la norma API 610 10ma Ed……...133

Tabla D: Curva de válvula reductora de presión OCV 127-3…………………………………..150

Figura E.1: Curva característica de bomba Gouldspumps 3700 3x6-9 SA…………………….151

Figura E.2. Curva característica de bomba Flowserve 4HPX8A……………………………….153

Figura F: Corrección por fluido viscoso………………………………………………………...155

Figura I: Diagrama de tubería e instrumentación del módulo de purificación……………….…164

xviii

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolos

β Relación de diámetros [adim.]

η Eficiencia [%]

ρ Densidad [kg/m3]

C Constante del tipo de bomba reciprocante [adim.]

Di Diámetro interno [in]

f’ Factor de fricción de Moody [adim.]

f Factor de fricción de Fanning [adim.]

g Gravedad [m/s2] ó [ft/s2]

ha Carga de aceleración [ft]

hf Carga por fricción [ft]

k Coeficiente de resistencia [adim.]

h Altura, elevación [ft]

H Altura, elevación [ft]

L Longitud [ft]

LLLL Nivel mínimo mínimo del tanque [ft]

HHLL Nivel máximo máximo del tanque [ft]

m Flujo másico de combustible consumido por la turbina [kg/s]

N Número de tanques [adim.]

xix

Ns Velocidad específica del impulsor [rpm*gpm0.5/ft0.75]

Nss Velocidad en la succión [rpm*gpm0.5/ft0.75]

n Velocidad de giro [rpm]

Pa Presión atmosférica [psi]

Q Caudal [m3/h] ó [gpm]

Re Número de Reynolds [adim.]

t Tiempo [h]

V Velocidad [ft/s]

V’ Volumen del recinto de lodo [gal]

Vº Caudal de combustible [gpm]

X Concentración

Subíndices

a atmosférica

acc aceleración

b bomba

cont contingencia

cst combustible sin tratar

ct combustible tratado

fric fricción

fund fundación

hid hidroestática

mín mínimo

mix mixto

xx

máx máximo

op operación

sed sedimentos

sep separador

tag Turbina a gas

tur turbulento

tam tambor

vap vaporización

vc Válvula de control

xxi

LISTA DE ABREVIACIONES

API American Petroleum Institute “Instituto Americano de Petóleo”

BEP Best Efficience

ISO International Standard Organization “Organización Internacional de Estándares”

KKS Kraftwerk Kennzeichensystem “Sistema de designación de plantas de potencia”

PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima

HI Hydraulic Institute “Instituto Hidráulico”

NPSH Net Positive Suction Head “Cabezal Neto de Succión Positiva”

NPSHa Net Positive Suction Head Available “Cabezal Neto de Succión Positiva

Disponible”

NPSHr Net Positive Suction Head Required “Cabezal Neto de Succión Positiva

Requerido”

INTRODUCCIÓN

Los paquetes de centrifugación de combustible líquido son empleados en plantas de

generación de energía eléctrica para reducir la concentración de contaminantes presentes en el

combustible a los niveles recomendados por los fabricantes de turbinas a gas. Dichas impurezas

generan daños severos en los alabes de la turbina, debido a su efecto corrosivo ante temperaturas

elevadas. Por esta razón, los fabricantes de turbogeneradores solicitan que se instalen sistemas de

purificación de combustible en plantas de generación de potencia.

El primer sistema de centrifugación para el tratamiento de combustibles líquidos fue

desarrollado en 1959, en el cual se utilizaron separadores centrífugos en la purificación y

deshidratación de fueloil para turbinas a gas. Los equipos fabricados hasta ese momento lograban

reducir la concentración de contaminantes a los niveles recomendados mediante dos etapas de

tratamiento. Luego, diversos tipos de combustibles empezaron a ser tratados bajo el mismo

sistema de dos etapas, entre ellos el crudo, en 1971, y el fueloil residual en 1979. Para el año

1983 una nueva serie de separadores centrífugos permitían alcanzar la composición recomendada

para el diesel en una etapa de tratamiento. En la actualidad, solo el heavy fueloil requiere de dos

etapas de tratamiento debido a su alto contenido de impurezas. En la actualidad, los avances en el

diseño de los separadores y en la automatización del proceso permiten manejar grandes flujos con

una gran eficiencia de purificación aún con una composición variable del combustible.

En Venezuela, se han implementado sistemas de tratamiento de combustible líquido en

plantas de generación de energía eléctrica con turbinas a gas: Josefa Camejo, Complejo

Termoeléctrico General Rafael Urdaneta (Termozulia I, II, y III); Argimiro Gabaldón; La Raisa,

El Sitio, Picure y Juan Bautista Arismendi, y en las barcazas instaladas en Tacoa. La totalidad de

los paquetes fueron diseñados para la purificación continua de combustible diesel, por lo que se

requirió de separadores centrífugos de platos autolimpiantes. En dichos sistemas se logra obtener

la concentración requerida por la turbina mediante una sola etapa de tratamiento. Únicamente los

2

sistemas instalados en La Raisa y las barcazas de Tacoa cuentan con módulos de purificación de

combustible integrales, es decir que, cada uno de los separadores centrífugos puede realizar sus

funciones de manera independiente, los demás cuentan con módulos de bombeo y purificación

separados.

Entre los combustibles frecuentemente empleados para la generación de energía eléctrica se

encuentra el crudo ligero y los destilados de fueloil como diesel y combustible residual, debido a

las facilidades que ofrecen en cuanto al transporte y combustión. En el caso del fueloil residual y

el crudo ligero su uso se ve favorecido por su bajo costo. Sin embargo, tienen la desventaja de

que poseen una gran cantidad de contaminantes como agua y trazas de sodio, potasio y vanadio,

además de una alta concentración de sedimentos como arena, oxido y pequeñas partículas,

adquiridos durante su proceso de refinación y transporte.

Las impurezas solubles en agua, como sodio y potasio, y los sedimentos son extraídos

mediante separación mecánica en una o múltiples etapas según las características del producto.

Mientras que las trazas de elementos solubles en el combustible, como el vanadio, no pueden ser

extraídos por separación mecánica, de modo que son neutralizados con un inhibidor para evitar el

efecto corrosivo producido por sus cenizas.

Existen parámetros que determinan el diseño de procesos del sistema de tratamiento. El flujo

que se debe manejar y el tiempo de operación de los turbogeneradores determinan el tipo de

separador. Por otra parte, el tipo de combustible empleado, su grado de contaminación,

viscosidad y densidad determinan si es necesario aplicar al producto tratamientos previos o

posteriores a la separación mecánica, como precalentamiento para disminuir la viscosidad o

dosificación de inhibidores.

El diseño de una planta de centrifugación de combustible se basa en la filosofía de operación

y los parámetros de operación de la planta establecidos en la ingeniería de base, y forma parte de

la ingeniería de detalle. A partir de los parámetros suministrados, los ingenieros de proyectos

deben realizar los diagramas de identificación y proceso, seleccionar los equipos principales y

3

dimensionar las líneas de producto, tomando en cuenta los criterios establecidos por las normas,

locales e internacionales, y por los fabricantes de los equipos.

El objetivo principal del presente informe es realizar la selección y evaluación de un paquete

de centrifugación de combustible líquido empleado en turbinas a gas empleada en plantas de

generación de energía eléctrica. Para ellos se plantearon los siguientes objetivos específicos.

Estudiar el diseño, funcionamiento y parámetros de operación de los separadores

centrífugos empleados en combustibles y aceites lubricantes.

Conocer las principales aplicaciones de los paquetes de centrifugación en plantas de

generación de potencia y su filosofía de operación.

Identificar los componentes que conforman un sistema de purificación de combustible

líquido y su función dentro del mismo.

Establecer criterios para la selección de los principales equipos mecánicos, bombas y

separadores, y el dimensionamiento de las líneas de combustible.

Identificar los requerimientos para equipos y accesorios, eléctricos y de control: válvulas,

medidores, detectores, motores y panel de control.

Elaborar una guía para la selección y evaluación de para estos sistemas que permita

cumplir los requerimientos del cliente de acuerdo a las normativas correspondientes.

Aplicar la guía elaborada para la selección y evaluación del paquete de centrifugación

requerido en el proyecto Termozulia III.

Revisar diagramas de tuberías e identificación, y planos de instalación del proyecto

estudiado.

Realizar el seguimiento de la aprobación por parte del cliente de los documentos de

ingeniería tales como diagramas de identificación y procesos, planos de instalación,

descripción del sistema, hojas de datos de equipos, listas de componentes y protocolos de

pruebas del sistema.

CAPITULO 1

DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

Representaciones Westfalia Separator C.A. (RWS), la empresa autorizada por GEA

Westfalia Separator para llevar a cabo, en Venezuela, la asesoría técnica, suministro y

mantenimiento de la línea de separadores y decantadores fabricados por la casa matriz, ubicada

en Oelde, Alemania.

GEA Westfalia Separator pertenece a la división de equipos mecánicos del grupo alemán

GEA, y se dedica a la fabricación de equipos separación mecánica de mezclas de líquidos. La

división también cuenta con empresas como Niro Soavi y Tuchenhagen encargados de los

homogeneizadores y componentes para flujo respectivamente. Además de la división de equipos

mecánicos se encuentran las divisiones de ingeniería de procesos, tecnologías de refrigeración,

intercambiadores de calor, tecnología de alimentos y tecnología agrícola.

Desde hace más de treinta años RWS contribuye con el desarrollo de las industrias de

lácteos, bebidas, grasas de origen animal y vegetal, aceites lubricantes, combustibles,

farmacéutica, químicos, alimentos concentrados, biotecnología y aguas residuales al proveer

equipos con tecnología de vanguardia en el área de la separación mecánica.

5

1.1 Reseña histórica de la empresa

Westfalia Separator AG fue fundada por Franz Rameshol y Franz Schmidt en 1893, en

Oelde, Alemania. Surgió con el propósito de fabricar separadores centrífugos para descremar

leche. Debido a la gran tradición en la producción de lácteos en la zona, la fabricación de equipos

aumento rápidamente, para el año de 1900 ya existían más de diez mil descremadoras de leche en

operación.

En 1907 se fabricó el primer separador destinado a purificar y deshidratar aceite mineral.

Esta nueva aplicación surgió de la incursión de empresa en la industria automovilística con

Westfalia motorcars. Debido a la fuerte competencia decidió retirarse del negocio en el año 1013.

Sin embargo, se continuó con el desarrollo de equipos para el tratamiento de aceites minerales.

Luego de años de investigación del proceso de separación mecánica permitieron diseñar

separadores autolimpiantes. La era de estos equipos se inició en 1930, cuando se emplearon por

primera vez en la purificación de combustibles residuales en plantas de generación de energía

eléctrica con motores diesel.

En 1940 la compañía empezó a comercializar bajo el nombre de Westfalia Sepaarator AG.

Un año más tarde se desarrolló la primera máquina para elaborar mantequilla que operaba de

manera continua.

En 1955 se construyó el primer decantador, y se empleó en fábricas para elaborar harina de

pescado y aceite para trenes. Luego su aplicación se extendió a los aceites y grasas de origen

animal o vegetal, concentración proteínas, almidón, extracción de té y café, lactosa, penicilina,

caseína y aguas residuales.

El primer sistema de centrifugación para el tratamiento de combustibles líquidos fue

desarrollado en 1959, en el cual se utilizaron separadores centrífugos en la purificación y

6

deshidratación de fueloil para turbinas a gas. Los niveles aceptados de contaminantes eran

logrados mediante dos etapas de lavado del producto.

En el año 1964 se inició la aplicación de la automatización a los sistemas de purificación.

Esto permitió asegurar una mayor seguridad y procesos más eficientes.

La purificación y deshidratación de combustible diesel se llevó a cabo por primera vez en

1983. Se emplearon equipos automatizados, SA100, lo que permitía manejar grandes capacidades

con una operación eficiente y económica.

Entre los años 1976 y 1992 la empresa evolucionó, pasó de ser un suplidor de equipos a un

suplidor de instalaciones a ser un suplidor de instalaciones y sistemas.

Desde 1994 Westfalia Separator pertenece al Grupo GEA, uno de los proveedores de

procesos alimentos y energía del mundo. En el año 2008 se añadió al nombre la palabra GEA, y

como resultado pasó llamarse GEA Westfalia Separator AG. Finalmente, desde el 2010 la

compañía opera bajo el nombre de GEA Westfalia Separator Group GmbH.

Actualmente GEA Wesfatlia Separator Group es la compañía líder a nivel mundial en el

campo de la separación mecánica de líquidos y mezclas de líquidos. Desde sus inicios hasta

entonces han construido centrifugas empleadas, tanto separadores como decantadores, que

combinan alta eficiencia de separación, eficiencia de clarificación y capacidades con máximo

ahorro en términos de energía, agua, producción y costos de sedimentos.

Basados en la experiencia adquirida con más de tres mil aplicaciones en procesos y un

procedimiento para una rápida incorporación de las innovaciones en procesos comerciales,

proveen respuestas rentables para las más urgentes interrogantes actuales.

7

1.2 Misión

Estar a la vanguardia de la tecnología ofreciendo al sector industrial general, una amplia

gama de equipos con alto componente tecnológico que contribuye en el desarrollo de las

compañías venezolanas, logrando así alta competitividad y calidad como resultado de los

procedimientos implementados.

1.3 Visión

La Investigación y desarrollo de nuevas tecnologías llevada a cabo por nuestra Matriz, define

el futuro de la empresa, posibilitando la aplicación de las mismas en los procesos de los

diferentes sectores industriales, en pro de obtener resultados altamente eficientes y rentables.

1.4 Valores

Se fundamentan a través de los siguientes principios:

Honestidad: Manifestado a través de la transparencia y sinceridad con que se manejan las

relaciones entre personal y cliente.

Pertenencia e Identificación: se pretende crear un ambiente familiar y que todos se sientan

identificados con la organización, de manera tal que se lleve el nombre de la empresa con

orgullo y se cuide de los recursos de la misma.

Responsabilidad y Compromiso: Reflejado en el cumplimiento de las obligaciones y la

política de asumir las consecuencias de las acciones.

Pasión: Se persigue motivar al personal para dar el 100% y cumplir con los compromisos

en mente, cuerpo y alma.

8

Respeto y Humildad: Basado en brindar el trato que se desea recibir, la atención de los

clientes y compañeros con cortesía, así como la disposición de reconocer y aprender de los

errores.

Unión: A través del trabajo en equipo y comunicación respetuosa con el fin de alcanzar las

metas comunes.

1.5 Objetivos Estratégicos

Proveer soluciones rentables a algunas de las interrogantes más urgentes de nuestro tiempo

en las diversas industrias tales como: Industria farmacéutica, Biotecnología, Industria química,

Bebidas, Sector agrícola, Productos lácteos, Grasas de origen vegetal y animal, Almidón, Aceite

mineral, Aguas residuales, para garantizar la sustentabilidad del planeta.

1.6 Estructura Organizativa de la Empresa

La estructura organizativa está integrada por diversos departamentos, enfocados a la

jerarquización de las actividades operativas y administrativas de una forma lógica que permiten el

consecuente cumplimiento de las mismas, se describen brevemente los siguientes departamentos

principales.

1.6.1 Gerencia General

Se encarga de realizar la aprobación de todo lo concerniente a su cargo y ser el representante

de la empresa a nivel mundial.

9

1.6.2 Ventas e Importaciones

Su función es planificar, ejecutar y controlar las actividades del Departamento. Así dar

seguimiento y control continuo a las actividades de ventas e importaciones. Tiene bajo su

responsabilidad a:

Analista de Venta e Importaciones: es el encargado de recibir las requisiciones, enviar las

ofertas y notificar el estatus de las importaciones pendientes.

Servicio Post Ventas: responsable de realizar el seguimiento a los clientes luego de la

venta. Verificar que el servicio brindado por el personal técnico sea óptimo, y si que los

repuestos adquiridos estén en perfecto estado.

Compras y Procura: realizar las órdenes de compra ante los proveedores, y velar porque

se cumplan las fechas de entrega establecida. Llevar el control de las compras realizadas.

1.6.3 Asesoría Legal

Tiene como función cumplir y hacer cumplir con todos los reglamentos y leyes en que están

amparados el país y las empresas, es decir, verificar y fiscalizar todas las actividades

considerando las diversas leyes establecidas. Además tiene como función, representar a la

empresa en cualquier situación legal que amerite la presencia de abogados.

1.6.4 Proyectos

El Departamento cargado de llevar a cabo la planificación y materialización de la ingeniería

destinada a satisfacer las necesidades del cliente.

Administra las actividades relacionadas, siguiendo las normas establecidas y contribuyendo

al crecimiento del negocio. Entre las principales funciones:

10

Brindar asesoría técnica al cliente

Suministrar al cliente la información necesaria en la ejecución de los Proyectos.

Definir la logística de las actividades.

Elaboración de documentos de apoyo.

Realizar el seguimiento de cada uno de los proyectos.

Documentar los procesos involucrados.

Elaborar reportes del avance de los proyectos.

Garantizar la culminación exitosa de los mismos.

1.6.5 Asesoría contable y finanzas

Tiene como función la realización de actividades financieras elaboradas por la empresa, es

decir, todas aquellas transacciones bancarias, cancelación de facturas, impuestos, contabilización

de las mismas para la elaboración de los estados financieros de la compañía, los cuales son un

factor importante para la presentación de facturas de reembolso, entre otras actividades.

1.6.6 Departamento de Administración

Su función es recibir los soportes de los gastos administrativos de la empresa, gestionar las

actividades relacionadas con los viajes del personal técnico y demás actividades de servicios

generales de la empresa.

1.6.7 Departamento de Relaciones Públicas

Se encarga de representar a la empresa ante en todas las reuniones que sean de interés, con la

finalidad de llegar a acuerdos entre los diversos organismos que han sido establecidos.

11

1.6.8 Servicio Técnico

Personal responsable de realizar el mantenimiento, preventivo o correctivo, de los equipos,

planificar el cronograma de atención al cliente y entregar de repuestos.

Figura 1.1: Estructura Organizativa de la empresa

GERENCIA GENERAL

RELACIONES PÚBLICAS

VENTAS E IMPORTACIONES

ASESORÍA LEGAL

ADMINISTRACIÓN COMPRAS Y PROCURA

PROYECTOS

ASISTENTE ADMINISTRATIVO

SERVICIO TÉCNICO

ASESORÍA CONTABLE

ANALISTA DE PROYECTOS*

SERVICIO POST-VENTA

ANALISTA DE VENTAS E

IMPORTACIONES

CAPITULO 2

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

El sistema de tratamiento de combustible líquido puede ser dividido sus principales procesos

con el objetivo de tratar de manera detallada los aspectos más importantes de cada uno de ellos.

La separación mecánica es indudablemente el proceso central del sistema, por lo tanto se le

dedicará especial atención. Se expondrán los principios físicos involucrados, criterios de

selección, funcionamiento, parámetros de operación y diseño y limitaciones de los separadores

centrífugos.

Los procesos de bombeo de producto y de lodo serán tratados por separado debido a que

cada uno cuenta con características diferentes. Sin embargo, entre los aspectos en común que

serán expuestos se encuentran los criterios de selección, funcionamiento, parámetros de

operación, normativa correspondiente y criterios para evaluación de equipos.

Se explicará la nomenclatura y símbolos básicos para la realización de diagramas de tuberías

e instrumentación P&ID (Piping and Instrumentation ) según la norma alemana de designación de

plantas de generación de potencia KKS (Kraftwerk Kennzeichensystem)

Adicionalmente se incluirá el dimensionamiento de las líneas de producto y cálculo de caída

de presión, donde se hará énfasis en la selección de diámetro y el método empleado para

13

determinar la pérdida de presión por fricción y por accesorios en base a criterios de Petróleos de

Venesuela S.A. PDVSA.

2.1 Propiedades de los combustibles líquidos

Los combustibles líquidos son obtenidos mediante el proceso de refinación, dónde el crudo

es separado en fracciones de acuerdo a su punto de evaporación. Estas fracciones son luego

modificadas al ser sometidas a procesos de craqueo, condensación, polimerización y alquilación,

para formulas compuestos comerciales como naftas, gasolina, combustible jet y fueloil.

Por su parte el fueloil está compuesto por mezclas de destilados del petróleo con distintas

características. Estos son separados posteriormente por destilación, y se les denomina con

números, dónde el fueloil 1 y 2 son más volátiles, menos viscosos y se les conoce como

destilados. Mientras que el fueloil 4, 5 y 6 son fracciones más pesadas. En particular el fueloil 6

es conocido comúnmente como bunker. Sus aplicaciones son las siguientes:

Fueloil N°1: denominado keroseno, su uso es únicamente doméstico.

Fueloil N°2: conocido como diesel. Es empleado en motores y quemadores tanto

domésticamente como comercialmente.

Fueloil N° 4: es una fracción pesada, empleada en quemadores industriales sin necesidad de

ser precalentado.

Fueloil N°5 y 6: residuo viscoso resultante del proceso de destilado, empleados en calderas,

plantas de generación de potencia, embarcaciones y metalurgia. Son conocidos como

bunker B y C, respectivamente.

Estos son susceptibles a tener una alta concentración de contaminantes como sodio, potasio y

arena, cuyo principal causante es el agua de mar, los cuales pueden presentarse durante la

extracción o transporte del crudo. Mientras otros elementos como calcio vanadio y plomo, son

característicos.

14

Sgsw

mV

Sgsw

Los hidrocarburos son considerados mezclas de dos líquidos con distintas densidades,

combustible y agua, y sólidos en suspensión. Estos poseen ciertas propiedades que influyen en

los procesos involucrados en el sistema de tratamiento. Entre las cuales se encuentran:

Viscosidad: resistencia interna de un fluido al movimiento. Esta fricción interna se debe a

la cohesión y adhesión entre las. La viscosidad de un líquido disminuye con el aumento de

temperatura, puesto que disminuye la cohesión molecular. Se definen dos tipos de

viscosidades:

Viscosidad absoluta dinámica μ:

Viscosidad cinemática ν: establece una relación ente las fuerzas de fricción y las

fuerzas inerciales relacionadas con la densidad, y se obtiene del cociente entre la

viscosidad dinámica y la densidad.

Ecuación 2.1

Densidad absoluta: se define como la cantidad de masa por unidad de volumen.

Ecuación 2.2

Gravedad específica: es la relación entre la densidad de la sustancia de interés ρs y la

densidad de una sustancia de referencia ρw, que generalmente se toma la del agua a

condiciones estándar.

Ecuación 2.3

Temperatura: está definida como la cantidad de energía almacenada por las moléculas de

un fluido.

15

Temperatura de enturbiamiento: temperatura a la cual se inicia la formación de

cristales de parafina lo que le da una apariencia turbia al combustible. Se le

denomina también como temperatura de aparición de parafina o temperatura de

precipitación de parafina.

Temperatura de vaporización: temperatura a la cual se inicia formación de vapor

de un líquido.

Presión de vapor: presión a la cual coexisten el estado líquido y el estado gaseoso, a una

determinada temperatura.

2.2 Diagramas de procesos de sistemas de tratamiento de combustible líquido

Los sistemas de tratamiento de combustible líquido tienen como objetivo acondicionar el

combustible líquido para disminuir la corrosión generada por contaminantes presentes en

productos como diesel, combustible residual y crudo, para así alargar la vida útil de las turbinas a

gas empleadas en plantas de generación de energía eléctrica.

El grado de contaminación y la viscosidad del producto son parámetros que determinan el

diseño de la planta de tratamiento. Estos factores determinan si se deben implementar procesos

previos o posteriores a la purificación, y la cantidad de etapas de tratamiento.

Entre los procesos previos requeridos se encuentran calentamiento del producto, para

disminuir la viscosidad, y lavado, que consiste en adicionar agua y mezclar el producto para

retirar altas cantidades de sales. Mientras que el único tratamiento posterior a la purificación es la

dosificación de un inhibidor de vanadio.

En el diseño de la planta de tratamiento también se deben considerar los servicios requeridos

para todos los procesos. Se requiere de una instalación eléctrica para alimentar los motores, de

separadores y bombas, válvulas solenoide y panel de control; agua desmineralizada para la

16

operación del separador y el lavado del combustible; aire presurizado para válvulas neumáticas; y

vapor para el calentamiento del combustible.

Los sistemas de centrifugación son fabricados como módulos preensamblados con bombas

de alimentación y de lodo, separadores, motores eléctricos, tuberías de productos y servicios, y

cableado. Sin embargo, las bombas de alimentación pueden colocarse en un módulo aparte. El

diseño no comprende los tanques ni las tuberías de conexión hasta los módulos. La figura 2.1

ilustra un módulo de purificación de combustible integral de dos separadores centrífugos cada

uno con su bomba de alimentación, bomba de lodo y panel de control.

Figura 2.1: Módulo integral de purificación de combustible líquido

Los destilados ligeros como el diesel son frecuentemente empleados como combustible para

turbinas a gas debido su facilidad de combustión y transporte. Estos tienen propiedades similares

a las del gas.

Los niveles de contaminantes como sodio potasio, plomo y calcio son bajos. Sin embargo,

impurezas como arena, otras partículas sólidas y agua generalmente exceden los límites

17

establecidos por los fabricantes de turbinas. Por lo tanto, una sola etapa de tratamiento es

suficiente para lograr los niveles de impureza que requiere la turbina.

El diesel es transportado directamente desde el tanque de combustible sin tratar hasta el

separador. Tanto el agua como los sólidos extraídos son enviados a un depósito, mientras que el

combustible purificado pasa por un analizador, si cumple los requerimientos es enviado al tanque

de combustible tratado, sino retorna al tanque de combustible sin tratar. Este proceso

generalmente se lleva a cabo a temperatura ambiente. Sin embargo, el producto aumenta de

temperatura hasta 50°C debido a la elevada fricción por las altas velocidades.

Figura 2.2: Diagrama de procesos de sistema de tratamiento de diesel

El diesel es el combustible empleado en las termoeléctricas venezolanas por tres razones:

facilidad en el manejo, facilidad en la combustión, y simplicidad en el diseño del sistema en

comparación con otros combustibles. Por lo tanto, en las secciones siguientes se hará énfasis en

sistemas que operan con este tipo de combustible

Lodos

No

Agua de operación

Tanque de combustible sin tratar

Filtrado

Bombeo de producto

Planta de tratamiento del combustible con Separadores

centrífugos (purificación, eliminación de sales)Aire

comprimido

Agua aceitosa

Tanque de combustible tratado

Analizador

Si

18

El crudo ligero generalmente contiene bajos niveles de sodio y potasio, por lo tanto no se

requiere el lavado del combustible. Al igual que en el caso del diesel solo se requiere una etapa

de separación para reducir la concentración de contaminantes a los niveles requeridos. Pero para

crudos con altas viscosidades y alto contenido de sodio y potasio puede ser requerido una

segunda etapa de separación

La temperatura de separación debe ser al menos de 60°C, esto asegura que la solubilidad de

las parafinas contenidas en el combustible.

Figura 2.3: Diagrama de procesos de sistema de tratamiento de crudo ligero

Los combustibles residuales contienen altos niveles de contaminantes, por lo tanto se

requieren de dos etapas de tratamiento con lavado para lograr reducir la concentración de

impurezas a los límites recomendados. El lavado se realiza previamente a la purificación, y

consiste en agregar pequeñas cantidades de agua al producto para diluir las sales.

Lodo

No

Planta de tratamiento de combustible con Separadores

centrífugos (purificación, eliminación de sales)

Agua aceitosa

Agua de operación

Aire compromido

Analizador


Filtrado

Bombeo de producto

Precalentamiento

Si


19

La primera etapa comprende por varios procesos:

Filtrado: para eliminar sedimentos de gran tamaño, y así proteger la bomba.

Calentamiento: se lleva el producto hasta la temperatura de separación, la cual depende de

la viscosidad, mediante regeneración y calentamiento con vapor.

Adición de demulsificante: se añade un componente para facilitar la separación del agua de

lavado.

Mezclado y lavado: se agrega agua al combustible y se para por un mezclador de múltiples

etapas antes de entrar en el

Purificación: se eliminan impurezas y agua mediante el separador.

La segunda etapa solo incluye los procesos de mezclado, lavado y purificación. En ella la

concentración de impurezas debe ser reducida a los niveles recomendados. Se pueden instalar

analizadores que monitoreen de manera continua la composición del combustible, si este cumple

con los requisitos es enviado al tanque de producto tratado sino retorna al de producto sin tratar.

20

Figura 2.4: Diagrama de procesos de sistema de tratamiento de combustible residual

2.3 Tanques de combustible

El sistema debe tener dos tipos de tanque, los tanques de combustible sin tratar y los tanques

de combustible tratado.

El volumen de los tanques de combustible tratado se determina en función del número de

turbogeneradores, que operan continuamente. Se recomienda que hayan mínimo dos tanques de

combustible limpio, de manera que el combustible tenga un tiempo de asentamiento de por lo

menos de doce horas. Por lo tanto, el tiempo de llenado de cada tanque debe ser menor a doce

horas.

No

Lavado

Lavado

Lodos Agua

aceitosa

Lodos Agua

aceitosa

Agua de operación

Aire compromido


Filtrado

Bombeo de producto

Primera etapa de tratamiento

Mezclado multietapas

Precalentamiento

Analizador

Si


Mezclado multietapas

Segunda etapa de tratamiento Agua de operación

Aire compromido

21

El volumen de los tanques de combustible sin tratar debe ser entre dos y tres veces el

volumen de los tanques de combustible tratado.

2.4 Separación mecánica de mezclas

Los combustibles están compuestos por dos líquidos con distintas densidades (fases), y

sólidos en suspensión. De manera que los componentes son los siguientes:

Fase pesada: agua

Fase ligera: combustible

Sólidos: arena, oxido y pequeñas partículas

Mediante la centrifugación se logra eliminar los sólidos y separar la mezcla en las dos fases.

El diseño del tambor del separador permite la descarga de los tres componentes por separado. De

esta manera se obtiene un combustible purificado. Por lo tanto, un requisito indispensable para

una separación eficiente es la diferencia entre las densidades del agua, aceite y sólidos.

Los separadores permiten separar las mezclas en sus distintos componentes en un lapso de

tiempo muy breve con una alta eficiencia. Sin embargo, se encuentran limitados por los

siguientes factores:

Agua emulsionada en el combustible

Parafinas contenidas en el combustible que obstruyen el interior del separador

Temperatura de vaporización inferior a la temperatura de separación.

El tamaño de las partículas, tanto por partículas pequeñas que escapan del efecto del campo

centrífugo como de partículas de gran tamaño que obstruyen el equipo.

22

La figura 2.5 muestra tanto el exterior como el interior de un separador centrífugo de platos

empleado para la purificación de combustibles líquidos.

Figura 2.5. Separador de platos autolimpiante para combustible líquido

2.4.1 Principios físicos involucrados en la separación mecánica

La alta velocidad de rotación desarrollada por el tambor genera grandes fuerzas sobre el

producto debido al campo de aceleración al cual es sometido. Estas fuerzas hacen que se

produzca un movimiento relativo entre los componentes. Los de mayor densidad se desplazan

hacia la periferia, mientras que los de menor densidad se dirigen hacia el centro del tambor.

23

1. Fuerza centrífuga

2. Sólidos

3. Líquido

Figura 2.6: Principio de físico de la centrifugación

El fenómeno de centrifugación es análogo a la sedimentación, ambos se basan en las fuerzas

producidas por un campo de aceleración.

2.4.2 Criterios para la selección separadores

Los criterios expuestos a continuación son aplicables a todos los separadores. Sin embargo,

nuestro interés son los separadores que puedan trabajar con combustibles líquidos así que nos

enfocaremos en ellos. El tratamiento de combustible requiere que se empleen separadores de

platos, ya que este diseño permite la separación de los tres componentes.

A partir del tipo de operación, el tamaño de las partículas, el porcentaje de sólidos se puede

permite determinar el tipo de tambor, entre sólido o autolimpiante. Mientras que la selección del

modelo específico se realiza en función la capacidad del separador.

La purificación de combustibles se puede realizar de dos maneras distintas: por lotes o de

manera continua. El tratamiento por lotes implica que el separador trabaja un determinado

número de horas durante un día, generalmente de 8 a 10h, dependiendo del volumen de

24

combustible. Se emplean separadores de tambor sólido, los cuales no realizan descargas durante

su operación. Los sedimentos son retirados manualmente cuando se detiene el equipo. Mientras

que en la operación continua se los separadores operan durante 90 días sin ser detenidos para

realizar mantenimiento. Los sólidos y el agua son eliminados durante la operación mediante

descargas parciales o totales.

El tamaño de partículas que pueden manejar los dos tipos de separadores de platos está

determinado por dos criterios. La magnitud del campo de aceleraciones determina el menor

tamaño de partícula que puede ser extraída. Mientras que la separación entre platos establece el

máximo tamaño de partícula que puede ser manejado para evitar obstrucciones.

Tabla 2.1: Tamaño límite de partículas

La cantidad de sólidos que puede manejar cada tipo de separador está determinada por la

frecuencia con que deben ser retirados los lodos del recinto. No es conveniente que el tambor

sólido maneje altas concentraciones de sólidos ya que debe ser detenido y destapado para retirar

los sedimentos muy seguido. Mientras que el tambor autolimpiante, aunque puede manejar una

mayor concentración, está limitado porque las descargas no deben ser muy frecuentes ya que se

pierde producto en cada una de ellas.

Tabla 2.2: Concentración de sólidos permitido de acuerdo al tipo de tambor

Tamaño de partícula[μm]

Sólido 0.5-500Autolimpiante 0.5-500

Tipo de tambor

Contenido de sólidos[%v/v]

Sólido 0-3Autolimpiante 2-10

Tipo de tambor

25

La diferencia entre los dos tipos de separadores de platos se encuentra en que el separador de

tambor autolimpiante puede manejar una mayor concentración de sólidos debido a que realiza

descargas parciales de lodos durante su operación.

Luego de elegir un tipo de separador se debe seleccionar el modelo del separador en función

del flujo de combustible que debe ser tratado y la capacidad del equipo. La capacidad del

purificador varía de acuerdo a la viscosidad y concentración de contaminante del combustible.

Una alta viscosidad y alta concentración de impurezas implica una disminución de la capacidad.

2.5 Separador de platos autolimpiante

Este tipo de equipo es empleado en los casos en que el contenido de sólidos en el

combustible es muy alto para ser retirado manualmente. Los sólidos extraídos deslizan por los

platos cónicos hasta el recinto de lodos. Estos son eyectados automáticamente mientras el equipo

está operando para evitar detener el equipo para retirar los sedimentos. El combustible tratado y

el agua separada son descargados a presión mediante

2.5.1 Componentes principales del separador

Los componentes principales del separador centrífugo son tambor, bastidor, motor y transmisión.

El tambor puede ser autolimpiante, es decir, que realiza las descargas de sólidos durante la

operación, o de pared sólida dónde el equipo debe ser detenido y abrirse para retirar el lodo. La

transmisión es por correa plana con embrague hidráulico o variador de frecuencia, por lo que el

motor debe ser vertical.

26

1. Alimentación

2. Doble bomba centrípeta

3. Capó

5. Tambor

6. Bastidor

7. Visor para nivel de aceite

8. Visor de transmisión

9. Freno

10. Bloque de válvula solenoide

11. Embrague hidráulico

12. Motor

Figura 2.7: Partes principales del separador centrífugo

El tambor es el componente más importante del separador. Las altas velocidades de rotación

alcanzadas y el diseño del conjunto de platos permiten llevar a cabo la separación de la mezcla en

sus componentes. Por esta razón se hace especial énfasis en sus componentes.

A. Distribuidor

1. Tambor

2. Distribuidor

3. Conjunto de platos

4. Recinto de lodos

Figura 2.8: Partes principales del tambor

27

2.5.2 Operación del separador de platos

La capacidad de producto que puede manejar el equipo está determinada por la eficiencia del

conjunto de platos y por la cantidad de sólidos que puede almacenar de lodos.

Los separadores de platos deben su nombre al conjunto de conos truncados colocados unos

sobre otros como se observa en la Figura 2.8. Este tipo de arreglo incrementa notablemente la

capacidad de clarificación del equipo por dos razones. La primera, es que el área disponible para

la sedimentación aumenta, esta pasa de ser equivalente a la suma de la superficie interna de cada

uno de los platos. Segundo, la altura de sedimentación se reduce al mínimo, lo que implica un

menor tiempo de sedimentación.

Cada uno de los platos tiene múltiples perforaciones en la periferia, cuyo propósito es

mejorar la eficiencia de la separación. Al colocarse los platos uno sobre otro se forma un canal

que permite la circulación ascendente para así lograr una mejor distribución de los componentes

de la mezcla. La ubicación de estos canales está determinada por la proporción de los

componentes y sus densidades. En la figura 2.9 se observa con detalle el arreglo de platos y los

canales de distribución.

Figura 2.9: Conjunto de platos del separador

28

El combustible entra a través del distribuidor hasta el fondo del tambor, y se distribuye por el

conjunto de platos paralelos en finas capas. La fuerza centrífuga de manera simultánea separa

fases y envía los sedimentos al recinto de lodos. Tanto la fase ligera como la fase pesada son

descargadas a presión mediante sus respectivas bombas centrípetas.

1 Alimentación

2 Descarga de fase ligera

3 Descarga de fase pesada

4 Bomba centrípeta de fase ligera

5 Bomba centrípeta de fase pesada

6 Recinto de lodos

Figura 2.10: Recorrido del fluido dentro del separador

La siguiente figura permite explicar el patrón de flujo que se produce entre dos platos o

espacio de separación. Por cada sección del conjunto de platos fluye una cantidad de producto

igual a Q/z, donde z es el número de espacios de separación.

29

Figura 2.11: Patrón de flujo entre platos

Tanto las partículas sólidas como la fase pesada son expulsadas hasta alcanzar la superficie

cónica superior, estas deslizan hacia abajo por la superficie en una capa cohesiva hacia la

periferia. La fase ligera fluye hacia el centro del tambor y abandona el conjunto de platos por el

borde interno. La distribución de las fases dentro del tambor es la que se observa en la siguiente

figura.

1. Fase ligera: combustible

2. Fase pesada: agua

3. Sólidos

Figura 2.12: Distribución de fases y sedimentos dentro del tambor

30

El tambor de estos equipos tiene un recinto de lodos, donde son recolectados los sedimentos

extraídos del combustible. Estos lodos deben ser eyectados al llenarse el recinto de lodos. Para

ello se debe desactivar el sello producido por la sección inferior del tambor, denominada pistón

de cierre, que es accionada hidráulicamente. Los puertos de descarga, ubicados en la periferia del

tambor, se abren, y los sólidos son eyectados sin detener la rotación del equipo. El término

“autolimpiante” proviene de esta acción. El proceso de descarga es ilustrado en la siguiente

figura.

A Separación

B Descarga

1. Agua de operación

2. Pistón anular

3. Pistón de cierre

Figura 2.13: Descarga de lodo del tambor autolimpiante

En la sección A se observa como el líquido de operación eleva el pistón de cierre para hacer

el sello durante la separación. Mientras que en la sección B, el pistón de cierre cae sobre el pistón

anular, por la ausencia de presión del líquido de operación, para realizar la descarga de lodos.

31

Existen dos tipos de descarga de lodo:

Descarga parcial: su objetivo es eyectar el lodo. Para ello se cierra la válvula de

alimentación, y se abre el pistón hidráulico.

Descarga total: su objetivo es descargar el lodo y limpiar el conjunto de platos. Para ello

se cierra la válvula de admisión de producto y se inyecta agua. El contenido es

centrifugado durante un período de tiempo determinada, y luego es eyectado.

Mientras que la descarga de ambas fases, agua y combustible, se realiza a presión mediante

bombas centrípetas ubicadas en la parte superior del equipo. La rotación del fluido, suministrada

por el tambor, es transformada en presión por un rodete estático. La figura 2.12 ilustra el

funcionamiento de la bomba centrípeta.

Figura 2.14: Bomba centrípeta del separador

La transmisión de potencia desde el motor eléctrico hacia el eje vertical del tambor se realiza

mediante correa plana. Para evitar el deslizamiento de la correa durante el arranque, debido a la

gran inercia del tambor, se emplea un embrague centrífugo o un variador de frecuencia. La figura

2.15 ilustra una transmisión con correa plana y embrague hidráulico.

32

1 Motor

2 Embrague hidráulico

3 Correa

4 Eje vertical

Figura 2.15: Transmisión del separador por correa y embrague hidráulico

2.5.3 Parámetros de operación

Entre los parámetros de operación del separador mecánico a destacar se encuentran la

concentración contaminantes, el caudal, presión de alimentación y descarga, tiempo de

separación y el diámetro del anillo de regulación.

La concentración de los contaminantes se expresa en partes por millón ppm. Esta unidad se

refiere a los gramos del elemento contaminante por cada kilogramo de sustancia.

La eficiencia de purificación de los separadores para sodio y potasio es de 95%. Por lo tanto,

la concentración de sodio y potasio en el combustible obtenida luego de una etapa de tratamiento

depende de la concentración de estos elementos al a entrada. Esta eficiencia se mantiene

constante siempre y cuando el contenido de agua a la entrada esté entre 2000 y 20000ppm.

Por otra parte, la concentración de agua luego de una etapa de separación será de 200ppm

siempre y cuando la concentración en la alimentación no sea mayor a 20000ppm.

33

El caudal de operación se establece a partir del número de separadores empleado, el flujo

total que debe ser purificado, la viscosidad y la concentración de contaminantes. Este debe ser

menor al caudal de diseño cuando se tiene un fluido con alta concentración de contaminantes, es

reducido aproximadamente un 10% para asegurar la eficiencia de separación.

Las presiones de alimentación y descarga deben ser similares. Aunque siempre se debe

cumplir que la presión de alimentación sea mayor que la de descarga por dos razones: el

separador tiene pequeñas pérdidas internas por fricción, y, la otra, es garantizar el sello de las

bombas centrípetas, lo que permite el bombeo.

El control de la presión tanto de alimentación como de descarga es indispensable para el

buen funcionamiento del separador. Se recomienda que la descarga del separador se realice a un

tanque de presión constante, o en el caso de un tanque atmosférico por la parte superior del

mismo.

Es el tiempo que transcurre entre las descargas de lodos. Este parámetro está determinado

por los siguientes factores:

Tipo de descarga: total o parcial

El contenido de sólidos en la alimentación

Consistencia de los sólidos

El volumen efectivo del recinto de sólidos

Caudal de operación

Su cálculo es fundamental para el correcto funcionamiento del separador. Si los lodos

superan el volumen el volumen efectivo del recinto de lodos, establecido como el 75% del

volumen total del recinto, estos pueden llegar a tapar el conjunto de platos. La expresión

matemática para calcular el tiempo de separación es la siguiente:

34

tsepV´

V° p60 100

Ecuación 2.6

Donde:

p: contenido de sólidos %v/v

V´: volumen efectivo del recinto de lodos

V°: caudal de operación

Otra manera de determinar el tiempo de separación es la tabla de tiempos de separación para

destilados y combustible residual establecidos por GEA Westfalia Separator en base a resultados

experimentales, tanto para descargas parciales como totales.

El anillo de regulación tiene la función de garantizar que la fase más liviana, o clarificada,

salga con la pureza deseada. Para ello su diámetro interno debe ser igual al diámetro de división

de las fases, la cual depende de la proporción que existe entre los componentes. La figura 2.14

muestra la ubicación del anillo de regulación dentro del separador.

Figura 2.16: Anillo de regulación del separador

35

2.5.4 Instalación del separador

El separador requiere de ciertos servicios para su operación, entre ellos se encuentran: agua

desmineralizada: para el lavado del combustible y operación de las descargas; aire a presión: para

operar válvulas neumáticas; y electricidad: para el motor y válvulas solenoide.

Las funciones que cumplen cada uno de los elementos indicados en la Figura 2.17 son los

siguientes:

Válvulas de membrana: se emplean para regular el flujo en las líneas 1, 2 y 4. Son

accionada manualmente

Válvulas de bola: permiten o interrumpen el flujo. Accionada neumáticamente, ya que se

requiere un accionamiento suave para evitar cierres buscos que produzcan golpes de

ariete.

Válvula solenoide: Controla los procesos de lavado y descarga

Medidor de flujo: permite comprobar si el flujo es el adecuado

Alarma de presión: detiene la operación si se registra una valor fuera del rango por un

período de tiempo prolongado.

36

La Figura 2.17 muestra el diagrama de la instalación básica del separador.

1 Combustible sin purificar

2 Combustible purificado

3 Agua de operación y lavado

4 Agua separada

5 Lodos y agua de operación y lavado

Figura 2.17: Válvulas y accesorios básicos para instalación del separador

2.6 Bombas

Las bombas son máquinas que transforman energía mecánica en energía hidráulica. Se

emplean para impulsar una gran variedad de fluidos con diferentes características, entre ellos:

agua, aceites lubricantes o combustibles, bebidas, químicos, efluentes, lodos, leche, melazas,

entre muchos otros fluidos.

37

2.6.1 Clasificación de las bombas

Se clasifican en dos grandes grupos según su funcionamiento en rotodinámicas y de

desplazamiento positivo.

Bombas rotodinámicas: se llaman rotodinámicas debido a que su movimiento es rotativo

y la dinámica influye notablemente en la transmisión de energía. A este grupo pertenecen

todas, y solo las bombas que son turbomáquinas. Se clasifican según:

Dirección del flujo: radial, axial o mixto

Posición del eje: horizontal o vertical

Presión generada: baja, media o alta presión

Bombas de desplazamiento positivo: su funcionamiento se basa en el principio de

desplazamiento positivo, lo que implica que la dinámica de fluido no influye en la

transmisión de energía. Este grupo está formado por bombas reciprocantes y rotativas.

2.6.2 Criterios de selección del tipo de bomba

Entre los tipos de bombas que pueden ser empleados para la alimentación de los separadores

en el tratamiento de combustible se encuentran las bombas centrifugas, de tornillo y de

engranajes externos. Cada una de ellas tiene valores límites en cuanto a caudal, cabezal,

viscosidad y contenido de sólidos.

La aplicación de los siguientes criterios permite seleccionar el tipo de bomba indicado para

determinada aplicación en función del caudal, cabezal y características del fluido.

38

2.6.2.1 Rango de aplicación

La Figura 2.18 permite determinar a partir de la capacidad y presión de operación el o los

tipos de bombas que pueden ser empleados bajo las condiciones requeridas. Este gráfico es una

herramienta indispensable que permite tener una idea del tipo de equipo a emplear ya que incluye

tanto las bombas rotodinámicas como las de desplazamiento positivo.

Figura 2.18: Rango aplicación de distintos tipos de bombas

En el caso de que se pueda emplear más de un tipo de bomba se puede recurrir a otros

criterios para seleccionar cuál de ellas es la más indicada.

2.6.2.2 Velocidad específica del impulsor

Se define como la velocidad a la cual un impulsor, geométricamente similar al que se

encuentra bajo estudio, giraría si se redujera de tamaño para entregar un caudal de un galón por

minuto (gpm) a un cabezal de un pie. Expresado matemáticamente como:

39

NsN Q

H

34

Ecuación 2.7

Este parámetro permite determinar el tipo de bomba que ofrece una mayor eficiencia ante

ciertas condiciones de diseño, ya que establece una relación entre la geometría del impulsor y el

rendimiento del equipo. Para ello debe ser calculado en el punto de mayor eficiencia para el

diámetro máximo. La Figura 2.19 corresponde al diagrama de velocidad específica del impulsor.

Figura 2.19: Velocidad específica del impulsor

2.6.3 Bomba centrífuga

Las bombas centrífugas pertenecen a la categoría de las bombas rotodinámicas. Son

turbomáquinas donde el flujo ingresa en dirección axial y sale en dirección radial. Su

funcionamiento se basa en transformar la energía cinética en energía de presión. La energía

cinética transferida al fluido por el rotor es luego transformada en energía de presión por el

difusor en el interior de la bomba.

40

2.6.3.1 Partes principales

Impulsor: gira solidario al eje y consta de un número de álabes que imparten energía al

fluido en forma de energía cinética.

Carcasa: elemento estático encargado de guiar el fluido desde la boquilla de succión

hasta la boquilla de descarga. Está compuesto por :

Corona directriz: corona de álabes fijos que recoge el líquido del rodete y

transforma la energía cinética en energía de presión. Hace que la bomba sea

más eficiente, pero no se incluye en todas la bombas.

Caja espiral o voluta: transforma la energía dinámica en energía de presión.

Además recoge, con pérdidas mínimas de energía, el fluido que sale del rodete

y lo conduce a la boquilla de descarga.

Tubo difusor: realiza una tercera etapa de difusión. Transforma energía

cinética en energía de presión.

Boquillas de succión y descarga

1. Rodete

2. Corona directriz

3. Caja espiral o voluta

4. Tubo difusor

Figura 2.20: Componentes de la carcasa de un centrífuga bomba

41

HPz PA

gZz ZA Hf

Eje: transfiere la potencia desde el motor hacia el impulsor.

Cojinetes: elementos que permiten la rotación del eje.

Anillos de desgaste: evitan la recirculación del fluido en la parte posterior del impulsor.

Sellos: evitan la fuga de producto por el eje.

Figura 2.21: Partes de una bomba centrífuga

2.6.3.2 Cabezal de la bomba

Se le denomina también como Altura Dinámica Total ADT. Es la diferencia de alturas totales

entre la salida y la entrada de la bomba. Esta diferencia representa el incremento de altura que

debe suministrar la bomba para llevar un fluido del punto A al punto Z. Al aplicar la ecuación de

Bernoulli entre los puntos A y Z se obtiene la expresión para la altura efectiva.

Ecuación 2.7

42

P g H

Pa2

60n M

P PZ PA g ZA ZA Hf

PhPa

La presión de descarga es equivalente a la presión generada por una columna de combustible

igual al cabezal de la bomba. Se expresa matemáticamente con la siguiente ecuación:

Ecuación 2.8

Si se aplica a la ecuación 2.6, se obtiene:

Ecuación 2.9

2.6.3.3 Potencia y rendimiento

Rendimiento: relación entre la energía producida y la energía consumida. Indica la

eficiencia del equipo en la transformación de energía mecánica en energía hidráulica. Este

proceso no es ideal ya que se generan pérdidas mecánicas, hidráulicas, volumétricas y

eléctricas. El rendimiento se calcula a partir de la siguiente ecuación:

Ecuación 2.10

Potencia de accionamiento: también denominada potencia al freno BHP (brake horse

power), es la potencia en el eje de la bomba. Según la mecánica tiene la siguiente

expresión:

Ecuación 2.11

Esta fórmula es empleada en ensayos de bombas realizados en bancos de prueba, donde se

miden las revoluciones n, y el par de reacción M con un motor de accionamiento

basculante.

43

Ph Q g Hb

Potencia hidráulica: denominada también potencia útil ya que está relacionada con la

energía transmitida al fluido, y viene dada por la siguiente expresión:

Ecuación 2.12

Esta es equivalente a la potencia de accionamiento menos las pérdidas mecánicas,

hidráulicas y volumétricas.

2.6.3.4 Altura neta de succión positiva NPSH

La cavitación un fenómeno que causa diversos inconvenientes como pérdida de eficiencia,

vibraciones, ruido y erosión, principalmente en el rodete. La erosión se debe a la implosión de las

burbujas de vapor generadas por la disminución de la presión por debajo de la presión de vapor a

la temperatura de operación. Las burbujas de vapor colapsan al llegar a una zona cuya presión es

mayor que la presión de vaporización.

La aparición de la cavitación está relacionada con los siguientes factores:

Elevada velocidad específica en la succión Nss.

Flujo de operación por encima del máximo permisible.

Pérdidas elevadas de presión en la succión por accesorios

Presencia de gases disueltos

Sólidos en suspensión que favorecen la nucleación.

Existen dos parámetros que permiten evitar que se genere cavitación en las bombas

rotodinámicas: la altura neta de succión positiva NPSH, denominada de esta forma por sus siglas

en inglés (Net Positive Suction Head) y la velocidad específica en la succión Nss.

La altura neta de succión disponible NPSHa, se define como el cabezal disponible a la

entrada del impulsor menos la presión de vapor absoluta del fluido a la temperatura de operación.

Esta parámetro siempre deber ser positivo, y depende de las características del sistema.

44

NPSHa 0

NPSHa NPSHr 1m

NPSHaminPtanq Pv

ghs hf

NPSHaminPtanq Pv

ghs hf

NssN Q

NPSHr

34

Para una bomba instalada en carga se tiene la siguiente ecuación:

Ecuación 2.13

Mientras que para un sistema en aspiración la expresión cambia a.

Ecuación 2.14

Su valor debe ser calculado para la condición más desfavorable. Por lo tanto, se debe calcular

el NPSHa mínimo con el caudal máximo, nivel y presión absoluta mínima en el tanque de

aspiración y presión absoluta de vapor máxima.

La altura neta de succión requerida NPSHr, indica la caída de presión en el interior de la

bomba. Su valor depende de múltiples factores como el tipo de bomba, velocidad de giro, diseño

del impulsor y las condiciones de operación. Por lo tanto, debe ser suministrado por el fabricante.

Para que no se genere cavitación se debe cumplir que:

Ecuación 2.15

Ecuación 2.16

La velocidad específica en la succión Nss, es un parámetro relacionado con el diseño

hidráulico de la succión. Una alta velocidad en la succión indica que de la boquilla de succión es

más larga de lo normal, y, por lo tanto, se relaciona con un alto NPSHr. Es expresado

matemáticamente como:

Ecuación 2.17

45

Experimentalmente se han determinado rangos de velocidad específica en la succión entre

los cuales las bombas pueden operar de manera segura para distinto tipos de fluidos como agua e

hidrocarburos.

2.6.3.5 Curvas características

Las curvas características describen de manera rápida el funcionamiento del equipo. Entre

los parámetros estudiados en función del caudal se encuentran: altura dinámica total, potencia al

freno, eficiencia, altura neta de succión positiva requerida.

A partir de la curva característica de una bomba se puede determinar una serie de parámetros,

además del flujo, cabezal, NPSHr, potencia requerida y eficiencia, que son requeridos para la

selección y evaluación de una bomba centrífuga.

Punto de máxima eficiencia: se refiere al caudal de operación, a máximo diámetro de

impulsor, al cual se logra la máxima eficiencia. Comúnmente se le denomina BEP por sus

siglas en inglés (Best Efficience Point).

Flujo mínimo estable: se refiere al menor flujo al cual puede operar la bomba sin exceder

los límites de vibración establecidos por la norma API 610. Determinado por una línea a

la izquierda de la curva de cabezal.

Cabezal para caudal cero: altura entregada por la bomba cuando se estrangula la

descarga.

Diámetros mínimo y máximo

Caudal máximo para el máximo impulsor Qeof

46

La figura 2.22 muestra una curva típica proporcionada por fabricantes de bombas.

Figura 2.22. Curva característica de una bomba centrífuga

2.6.3.6 Instalación de una bomba centrífuga

La instalación de una bomba puede realizarse de dos manera de acuerdo a la ubicación de la

cota de nivel del tanque y la línea de aspiración de la bomba: en carga o en aspiración.

Instalación en carga: la cota de nivel del tanque se encuentra por encima del centro de la

aspiración de la bomba, tal como se observa en la siguiente figura:

47

Figura 2.23. Instalación de una bomba en carga

Instalación en aspiración: La cota de nivel del tanque se encuentra por debajo del centro

de aspiración de la bomba.

Los componentes básicos en la instalación de una bomba centrífuga son los siguientes:

Filtro: evita la entrada de suciedades que pueden obstruir la bomba.

Válvula de pié: aplica para la instalación en aspiración. Hace posible el cebado ya que

retiene la columna de líquido.

Válvulas de compuerta: colocadas en la succión y en la descarga. La válvula de la

descarga permite regular el caudal. También cumplen con la función de aislar el equipo

para realizar mantenimiento.

Válvula de retención en la descarga: impide el retroceso del fluido.

Reducción: permite la transición entre la tubería y la boquilla de succión de la bomba.

48

2.6.3.7 Criterios para la evaluación de bombas centrífugas

Según los criterios de PDVSA las bombas centrífugas que operan con combustibles deben

cumplir los estándares establecidos por el Instituto Americano de Petróleo API 610. También

existen normas establecidas por otros institutos que pueden ser consultados ante un vacío en la

norma API 610 o ante un requerimiento especial, entre estas se encuentran los estándares del:

Instituto Nacional Americano de Estándares ANSI por sus sigla en inglés (American

National Standars Institute ANSI)

Instituto hidráulico HI por sus siglas en inglés (Hydraulic Institute)

La norma API 610 establece los requerimientos para bombas centrífugas empleadas en las

industrias del petróleo, petroquímica y gas natural. Es aplicable a bombas en voladizo, entre

rodamientos y suspendidas verticalmente. No es aplicable a bombas sin sellos.

Las bombas API se clasifican según su tipo en:

Bombas en voladizo: se denominan mediante las letras OH (over hung). Estas a su vez se

clasifican según:

Acople: flexible, rígido o cerrado

Orientación: horizontal o vertical

Montaje: por la base o por el centro

Entre rodamientos: se denominan mediante las letras BB (Between Bearings). A su vez

se clasifican según:

Etapas: simple o multietapas

Construcción: carcasa partida radial o axialmente

Carcasa: simple o doble

49

Vertical suspendida: se denominan mediante las letras VS. Se clasifican según:

Carcasa: simple o doble

Descarga: por la columna, descarga separada, difusor o voluta

Acople: eje o en voladizo

La norma API 610 propone unos criterios básicos para la evaluación de bombas centrífugas

entre los cuales se encuentran.

El punto de máxima eficiencia PME debe estar ubicado preferiblemente entre el punto de

operación y el punto de diseño. También es conocido como BEP por sus siglas en inglés.

La región de operación de se debe ubicar entre el 70 y el 120% del PME.

El caudal de diseño debe estar ubicado entre el 80 y 110% del PME.

Debe ser posible un incremento mínimo de 5% de la altura nominal mediante la instalación

de un impulsor de mayor diámetro o diferente diseño.

Ecuación 2.18

Ecuación 2.19

Ecuación 2.20

70%Qop

Qpme100 120%

80%Qd

Qpme100 110%

HmiHop

105%

50

70%QopQbep

120%

80%Qd

Qbep 110%

Para sistemas en paralelo el aumento de altura desde el punto de diseño al punto de caudal

cero debe ubicarse entre el 110 y 120%.

Ecuación 2.21

El caudal de operación debe ser menor al 85% del máximo caudal a máximo impulsor Qeof.

Ecuación 2.22

La potencia del motor eléctrico incluyendo el factor de servicio debe igual o mayor los

porcentajes de la potencia de la bomba a las condiciones de diseño establecidos en la tabla

2.3.

Tabla 2.3. Potencia del motor eléctrico en función de la potencia de la bomba

Otros criterios de selección:

De acuerdo a la Data Hidráulica de Cameron la velocidad específica en la succión para

hidrocarburos debe ser menor a 11000, para cálculos realizados con unidades inglesas.

La relación entre el diámetro de impulsor seleccionado y el máximo diámetro debe ser

menor a 90%.

[kW] [hp]<22 <30

22-55 30-75˃55 ˃75

Porcentaje de la potencia de la bomba

[%]

Potencia nominal del motor

125115110

Ecuación 2.23 D

Dmax90%

51

La norma de PDVSA establece que todas las bombas deben poder operar continuamente

al 45% de la capacidad nominal.

2.6.3.8 Cargas admisibles en las boquillas

Tanto la bomba como su base deben estar diseñadas para soportar las fuerzas y momentos

generados durante su operación. Las cargas pueden generar dos efectos: deformación de la

carcasa y desalineación entre la bomba y el motor.

La norma API 610 establece las fuerzas y momentos admisibles para los distintos tipos de

bombas. Los valores de las cargas admisibles pueden ser determinados de la tabla suministrada

en la norma, a partir de los diámetros de las boquillas. Las cargas se establecen de acuerdo al

sistema de coordenadas establecido para cada tipo de bomba, lo que permite determinar la

dirección de las cargas límite.

2.6.3.9 Sellos mecánicos de cartucho

La norma API 682 establece los requerimientos y recomendaciones para la aplicación de

sistemas de sellado para bombas centrífugas y rotativas empleadas en la industria petrolera,

petroquímica y de gas natural. Propone un sistema de identificación para los sellos mecánicos

según el tipo, materiales, equipos auxiliares y planes de lubricación API. Todos los sellos

estandarizados bajo esta norma tienen un diseño de cartucho.

Los sellos mecánicos de cartucho están conformados por un sello mecánico básico, además

incluye la camisa, brida, anillo primario, asiento, sellos secundarios, sistema de arrastre, sistema

de compensación de desgaste y partes metálicas.

52

1. Asiento

2. Sello terciario (O-ring)

3. Anillo primario

4. Fuelle

5. Camisa

6. Sello secundario (O-ring)

7. Collar de arrastre

8. Tornillo de arrastre

9. Espaciadores

10. Tornillo del collar

11. Brida

12. Resortes

13. Adaptador

14. Empaque

15. Collar conductor

16. Retenedor

17. Disco

18. Anillo retenedor

Figura 2.24. Partes de un sello mecánico de cartucho

Este tipo de sello es seleccionado de acuerdo a su categoría, tipo y arreglo, de acuerdo a las

condiciones de operación de la bomba.

Categoría 1: recomendadas para cámaras de sellado que no cumplen con las normas

API610. Limitados a temperatura de operación entre -40°c a 260°C y presiones absolutas

de hasta 22bar.

Categoría 2: empleados en cámaras que cumplen con los requerimientos de la norma

API610. Su aplicación está limitada a cámaras de sellado entre -40°C y 400°C y presiones

absolutas de hasta 42bar.

Categoría 3: es el diseño más riguroso y documentado, requiere que el sello sea probado.

Estos sellos reúnen los requerimientos de las cámaras de sellado bajo norma API610. Están

limitados a operar a temperaturas entre -40°C a 400°C y presiones absolutas hasta 42bar.

53

Los tipos de arreglo son los siguientes:

Arreglo 1: su configuración tiene un solo sello, por lo que se le denomina sello mecánico

sencillo.

Arreglo 2: conformado por dos ensambles de sellos con líquido amortiguador entre ellos.

Se le denomina sello mecánico dual no presurizado.

Arreglo 3: tiene dos ensambles de sello con líquido amortiguador entre ellos. El líquido es

suministrado externamente, y a una presión mayor que la de la cámara de sellado. Se le

denomina sello mecánico dual presurizado.

El tipo de sello se selecciona de acuerdo a las siguientes condiciones.

Tipo A: es un sello balanceado, de montaje interno, con sello de empuje con múltiples

resortes, cabezal del anillo primario rotativo y anillos secundarios de elastómero.

Tipo B: sello balanceado, de montaje interno, con sello de sin empuje (fuelle), cabezal de

anillo primario rotativo y anillo secundario de elastómero.

Tipo C: sello balanceado, de montaje interno, con sello de sin empuje (fuelle metálico),

cabezal de anillo primario estacionario y anillo secundario de grafito flexible.

Las altas temperaturas generadas por la fricción durante la rotación del sello degradan los

elastómeros, mientras que la presencia de partículas abrasivas en el fluido causa un rápido

deterioro en las caras del asiento y del anillo primario. Por lo tanto, es necesario instalar sistemas

para lubricar y enfriar las superficies en contacto mediante la circulación de un fluido. En el caso

del fluido lubricante o de enfriamiento se le conoce como “flush”, mientras que al fluido de

limpieza se le denomina “quench”.

De acuerdo a las características del fluido bombeado la norma API establece distintos planes

de auxiliares. La tabla 2.4 presenta algunas de las recomendaciones en función del fluido

bombeado.

54

Tabla 2.4: Planes API de lubricación y limpieza de sellos mecánicos

2.7 Bombas de diafragma

Son bombas de desplazamiento positivo que proporcionan un volumen determinado en cierto

período de tiempo, por esta razón se les denomina como bombas dosificadoras. El control del

volumen se debe a que el diafragma es forzado a moverse de manera alternante por un medio

mecánico, neumático o hidráulico, desplazando el volumen contenido en la cámara de bombeo.

El control sobre la dirección del flujo se realiza mediante válvulas de retención colocadas

tanto en la succión como en la descarga. Estas válvulas limitan el tamaño de los sólidos y la

viscosidad del producto que pueden ser manejados.

Son equipos versátiles puesto que manejan una gran variedad de aplicaciones. Se emplean en

la dosificación de químicos, minerales y aditivos en la industria farmacéutica, de alimentos y

bebidas, tratamiento de agua potable y llenados de envases, entre otros. Así como también se

utilizan en el manejo de fluidos viscosos o con sólidos en suspensión como lodo, concreto

líquido, pintura, gomas y resinas.

Característica del fluido

Acción requerida Planes API

Limpio Lubricación 1, 11, 12, 13, 14

Alta temperaturaLubricación y enfriamiento

2, 21, 22, 23

Abrasivo Lubricación 31, 32Abrasivo a alta

temperaturaLubricación y enfriamiento

41

peligrosos: ácidos, tóxicos,

inflamablesSeguridad 51, 52, 53, 54

Vapor y otrosControl de emisiones

61, 62

55

2.7.1 Características

Baja capacidad de bombeo: de 0.1gal/h a 100gpm para diafragma simple, y mayores

capacidades para doble diafragma

Presión de descarga: hasta 100psi para accionamiento mecánico, y hasta 50000psi para

accionamiento hidráulico

Permiten variar la capacidad y presión de descarga

No existe contacto entre el fluido bombeado y la fuente de energía

Bajo riesgo de fuga de producto. Puede manejar fluidos tóxicos, inflamables o costosos

Viscosidad máxima del fluido a bombear: 1000cP

Son autocebantes: NPSHamin 5psia

No tienen sellos

2.7.2 Partes principales

2.7.2.1 Diafragma

Transmite el movimiento al fluido y sirve de barrera hacia el accionamiento. Su espesor y

densidad deben ser suficientes para evitar filtraciones. Se fabrican de elastómeros termoplásticos

(poliuretano, santopreno, hytrel), nitril, teflón (PTFE), caucho (neopreno, buna-N, nordel y

viton), entre otros. En caso de manejar fluidos a altas temperaturas, que sean contaminantes o

explosivos se recomienda utilizar doble diafragma.

2.7.2.2 Válvulas

Válvulas de succión y descarga: se encuentran en todos los tipos de bombas de diafragma.

Su función es determinar la dirección del flujo. Son fabricadas de materiales como acero,

plástico, teflón y aluminio. Estas pueden ser del tipo:

56

Plana: manejan gran variedad de fluidos y permiten el paso de sólidos de tamaño muy

cercano al diámetro de la tubería. Generan menor caída de presión, por lo que puede

manejar fluidos viscosos

Figura 2.25: Válvula de retención plana

De bola: aportan una mejor capacidad de succión a largo plazo, son recomendadas para

manipular sustancias viscosas, pero no se recomienda para el manejo de sólidos ya que

puede atascarse.

Figura 2.26: Válvula de retención de bola

Válvulas de compensación: son empleadas en bombas de accionamiento hidráulico para

mantener el volumen requerido de aceite entre émbolo y diafragma

57

2.7.3 Tipo de accionamiento

Las bombas de diafragma se clasifican según el tipo de accionamiento en mecánicamente

actuadas, hidráulicamente actuadas y neumáticamente actuadas.

2.7.3.1 Accionamiento mecánico

El accionamiento mecánico puede ser realizado mediante un electromagneto o un motor

eléctrico.

Electromagneto: Un circuito electrónico maneja el electromagneto acoplado al conjunto

eje-diafragma. Cada pulso genera una carrera de descarga, y un juego de resortes retorna el

ensamblaje a la posición inicial.

Manejan caudales entre 0.1 a 100L/h

Presiones hasta 250psi.

Motor eléctrico: el movimiento reciprocante es transmitido al diafragma mediante un

sistema eje cigüeñal.

Manejan caudales entre 100 a 1000L/h

Presiones hasta 250psi.

Esta tipo de bomba puede requerir que se instalen amortiguadores de pulsaciones en las

líneas de succión y descarga.

58

1. Válvula de descarga

2. Cámara de bombeo

3. Válvula de succión

4. Diafragma plano

5. Vástago

Figura 2.27. Accionamiento mecánico de bomba de diafragma

2.7.3.2 Accionamiento Hidráulico

El movimiento del diafragma es producido de manera indirecta mediante el aumento de

presión en el fluido hidráulico generado por un émbolo que se desplaza dentro de la cámara de

accionamiento.

Las bombas accionadas hidráulicamente tienen las siguientes características:

Manejan caudales entre 1 a 100000L/h

Presión de descarga hasta 7500psi

Ajuste de ajustar la capacidad mediante la modificación efectiva de la carrera o la

velocidad de la bomba

Presión mínima en la succión de 9psi, para evitar cavitación del fluido hidráulico

59

1. Diafragma plano



5. Cámara de bombeo

6. Émbolo

7. Fluido hidráulico

Figura 2.28: Accionamiento hidráulico para bomba de diafragma

2.7.3.3 Accionamiento neumático

El movimiento reciprocante del diafragma es generado por la entrada y salida de aire a

presión en la cámara de accionamiento. El diseño más común de accionamiento neumático es la

bomba de doble diafragma.

2.7.4 Bomba neumática de doble diafragma

Consta de dos cámaras, cada una con un diafragma flexible. Los diafragmas son unidos, por

la parte interna, mediante un eje, lo que permite un movimiento simultáneo. La acción alternante

del aire comprimido sobre los diafragmas genera un movimiento recíproco continuo, y, por lo

tanto, la entrada y descarga de cada cámara también se realiza de manera alternante.

60

Este tipo de bomba presenta las siguientes características:

Capacidad máxima de bombeo aproximada: 1150L/min

Presión máxima de aire: 125psi.

Facilidad para regular las condiciones de operación

Consumo de aire proporcional al caudal de producto

La presión de descarga está determinada por el caudal, presión del aire y NPSHr

Ideal para manejar líquidos volátiles y operar en ambientes explosivos

La presión de descarga no depende de la gravedad específica

La descarga puede ser estrangulada y trabajar en seco indefinidamente

Viscosidad máxima: 11000cSt

Pueden manejar: polvos secos en suspensión de aire, líquidos abrasivos y fluidos no

newtonianos

2.7.4.1 Partes principales

Las bombas de doble diafragma accionadas neumáticamente varías su construcción

únicamente en la cámara de bombeo, dónde se incorporan válvulas que controlan el flujo de aire.

61

1. Succión

2. Descarga



5. Diafragma

6. Cámara

7. Vástago

8. Suministro de aire

9. Descarga de aire

Figura 2.29. Bomba de doble diafragma de accionamiento neumático

2.7.4.2 Curva característica

La figura 2.30 representa la típica curva suministrada por los fabricantes de bombas

neumáticas de doble diafragma. Dicha curva está compuesta por:

Curva de presión constante de aire

Curva de consumo constante

A partir de la capacidad y presión de descarga podemos determinar la presión y consumo de

aire requerido para operar a dichas condiciones.

62

Figura 2.30. Curva característica de bomba de doble diafragma accionada neumáticamente

2.7.4.3 Características de operación

Los distintos tipos de bombas de diafragma requieren ciertas condiciones para garantizar una

operación eficiente, segura y un bajo mantenimiento. Entre los factores que afectan la operación

del equipo se encuentran:

Condiciones de entrada y salida: deben permanecer constantes para asegurar un

funcionamiento seguro.

Velocidad de giro:

Baja (<10rpm): bajo caudal o viscosidad elevada

Media (50-150rpm): minimiza costo de mantenimiento

Alta (<200rpm): alto caudal o con sólidos en suspensión

63

NPSHaminPa Pvp

hs hamax

2 hfmax2

Vmax

2Vt

2.7.4.4 Altura neta de succión disponible mínima

Se define como la energía disponible en el sistema calculada a las condiciones más

desfavorables. Para el caso de succión es aspiración se determina mediante la expresión 2.23.

Ecuación 2.23

La carga de aceleración (hamax),

Carga de fricción hfmax:

Dónde la velocidad máxima (Vmax) para bombas dúplex viene dada por:

Ecuación 2.26

El término de pseudo presión de vapor (Pvp) se incluye para evitar que ocurra cavitación del

producto, y del fluido de accionamiento en el caso de que la bomba sea de accionamiento

hidráulico. Se recomienda emplear una presión de vaporización de 5psi para el fluido a bombear,

mientras que en el caso del fluido de accionamiento se debe determinar.

Ecuación 2.24

Ecuación 2.25

hamaxL V n C

k g

hfmax fLD

Vmax2

2 g

64

2.8 Bombas rotativas

Son bombas de desplazamiento en las que el elemento de bombeo proporciona un volumen

determinado por cada revolución del eje. Su principio de operación se basa en que el transporte

del fluido es generado por el movimiento de la cavidad que lo contiene, la cual es llenada en la

succión debido a la acción de la presión atmosférica. Dicha cavidad se puede formar entre los

elementos rotativos o entre estos y la carcasa.

El caudal bombeado depende directamente de la velocidad de giro del rotor. Por lo tanto, la

manera de regular el flujo durante su operación en mediante un variador de frecuencia.

La viscosidad del fluido determina la velocidad de giro, ya que un fluido viscoso dificulta el

llenado de cada una de las cámaras del rotor. Por lo tanto, para fluidos con alta viscosidad la

velocidad de rotación es baja.

Ofrecen una alta eficiencia en el bombeo de fluidos viscosos, debido a que las pequeñas

tolerancias que existen minimizan las pérdidas volumétricas. Sin embargo, En el caso de fluidos

con viscosidades bajas la eficiencia se reduce debido a los deslizamientos o recirculación del

fluido.

Las bombas rotativas no generan presión por sí mismas, la presión es generada por la

restricción del flujo en la descarga, lo que permite una presión para un amplio rango de caudales.

El rango de presión es amplio, aunque generalmente operan a presiones menores a 150psig,

pueden llegar a manejar presiones de 3000psig

El NPSHr es bajo ya que el diseño de la succión es simple y no requieren de válvulas para su

operación.

65

Este tipo de bombas se clasifican según el elemento de bombeo y la manera en que se forma

la cavidad. Dos de los tipos de bombas empleados en combustibles y lubricantes son las bombas

de engranaje y las bombas de tornillo.

2.8.1 Bombas de engranajes externos

En este tipo de bomba el fluido es trasportado por la periferia, entre las cavidades que forman

dos engranajes, ya sean rectos o helicoidales, con la carcasa de la bomba. La rotación de los

engranajes es posible debido a que existe cierta tolerancia respecto al cuerpo de la bomba. Por

esta razón, no se recomienda su uso para fluidos con sólidos ya que generan corrosión.

Figura 2.31. Bomba de engranajes externos

Las bombas de engranajes externas tienen las siguientes características:

No manejan fluidos abrasivos

Caudales hasta 600 gpm

Presiones hasta 400psi

Viscosidades hasta 2160 St

Velocidades máximas de 5000rpm

66

2.8.2 Bomba de tornillo

Está constituida por un engranaje de dos elementos helicoidales interiores de ejes paralelos,

más no idénticos. El elemento interno es el rotor, mientras que el externo es el estator. Cada uno

de los dientes del rotor se encuentra en permanente contacto con el estator, lo que forma una serie

de cavidades separadas 180°.

Figura 2.32. Bomba de tornillo simple

Características:

Puede manejar fluidos abrasivos

Caudales hasta 300 gpm

Presiones hasta 3000psi

Viscosidades sobre los 20cSt hasta 8640 St

Flujo libre de pulsaciones a bajas velocidades

67

2.9 Dimensionamiento de tuberías

La selección del diámetro de la línea se realiza de acuerdo a la velocidad media recomendada

para el fluido, material de la tubería y proceso involucrado. Esta velocidad se obtiene mediante la

siguiente expresión:

Las velocidades son establecidas por institutos o empresas en base a la experiencia y criterios

de diseño como corrosión, erosión, vibraciones y costos. Según la Guía de Ingeniería de PDVSA

para el Dimensionamiento de Tuberías de Proceso, las velocidades recomendadas para líquidos

en tuberías de acero son las siguientes:

Tabla 2.5: Velocidades de flujo recomendadas en tuberías de acero comercial (Kern)

2.10 Caída de presión en sistemas de tuberías

La pérdida de presión experimentada en un tramo de tubería está determinada por la

contribución de tres efectos: pérdida de carga hidrostática, pérdida de energía cinética y pérdida

por fricción.

≤ 2 3 A 10 10 A 20in in in

ft/s ft/s ft/sSucción de bomba 1.5 a 2.5 2 a 4 3 a 6

Cabezal de descarga (largo) 2.5 a 3.5 3 a 5 4 a 7Conexiones de descarga (corta) 4 a 9 5 a 12 8 a 12

Drenajes 3 a 4 3 a 5 -

HIDROCARBUROS LÍQUIDOS viscosidades normales

DIÁMETRO NOMINAL DE TUBERÍA

VELOCIDAD DEL FLUIDO

Ecuación 2.27 V4Q

D2

68

La ecuación de Bernoulli nos permite identificar cada uno de los términos:

La variación de presión por aceleración para flujo en tuberías generalmente es despreciada

debido a que las velocidades son bajas. Por lo tanto, su magnitud se mantiene muy por debajo del

10% de la presión manejada. Mientras que en los tramos de tubería de sección transversal

constante y sin variación de caudal este término es nulo, ya que la velocidad media del flujo no

varía. Su valor corresponde al segundo término de la ecuación de Bernoulli.

Por otra parte, las variaciones de elevación o inclinación de la tubería con respecto al plano

horizontal producen un cambio en la presión debido a la acción del campo gravitatorio. Su

cálculo se realiza a partir de las cotas de los extremos del tramo.

La variación de presión por ficción es el resultado de la contribución de dos tipos de

pérdidas, las denominadas pérdidas primarias y las pérdidas secundarias.

2.10.1 Pérdidas primarias

Se deben al contacto del fluido con la tubería y por el rozamiento de las capas de fluido o de

las partículas del fluido entres sí. Por lo tanto, se calculan en los tramos de tubería de sección

constante. Mediante la expresión de Darcy-Weisbach:

Ecuación 2.28

Ecuación 2.29

P total P hid P acc P fric

P total g Z2 Z1 12 V2

2 V12

12

fLD

69

El coeficiente de fricción f puede ser determinado del diagrama de Moody, el cual se basa en las

siguientes ecuaciones:

Colebrook-white: para Re ≥ 2000

Poiseuille: para Re < 2000

También es común emplear el factor de Fanning f´, el cual se relaciona con el factor de

Moody f mediante la siguiente expresión:

Ambos parámetros dependen de la rugosidad relativa ε/D y del número de Reynolds Re. El

número de Reynolds se calcula mediante la siguiente expresión:

Ecuación 2.30

Ecuación 2.31

Ecuación 2.32

Ecuación 2.33

Ecuación 2.34

hf fLD

V2

2 g

1

f2 log

k3.7 D

2.51

Re f

f64Re

f 4 f´

Re V D

70

Es utilizado para establecer el régimen de flujo de la siguiente manera para tuberías

comerciales de acero al carbono

Régimen laminar: Re < 2000

Régimen de transición: 2000≤ Re ≤ 4000

Régimen turbulento: Re ˃ 4000

2.10.2 Pérdidas secundarias

Se deben a la resistencia adicional generada por los accesorios de tubería: válvulas, codos,

derivaciones, contracciones, expansiones y orificios.

La caída de presión generada por los accesorios, o pérdidas secundarias, pueden ser

calculadas a partir del coeficiente de resistencia k, que depende del tipo de accesorio, número de

Reynolds y rugosidad, mediante la siguiente expresión:

El valor del coeficiente de resistencia k para válvulas y accesorio se pueden obtener de los

datos ofrecidos en el material de Crane. Estos valores son calculados para flujo completamente

turbulentos, de modo que debe ser corregido mediante la ecuación 2.36 si el flujo no es

turbulento:

Coeficiente de resistencia para flujo laminar k´´, con Re <100:

Ecuación 2.35

Ecuación 2.36

hf kV2

2g

k´ kturf´

ftur

71

En el caso de las expansiones, contracciones y placas orificio, el coeficiente de resistencia

debe ser calculado mediante ecuaciones, a partir de la relación de diámetros β.

La resistencia al flujo en términos de la tubería de menor diámetro se identifica como k1,

mientras que en términos de la tubería de mayor diámetro como k2, y se relacionan mediante la

siguiente expresión:

El coeficiente de las contracciones graduales se calcula de acuerdo al ángulo del cuello.

Figura 2.33. Reducción gradual

Para θ ≤ 45°

Ecuación 2.37

Ecuación 2.38

Ecuación 2.39

k´´ kturf´´ftur

Re

1000

d12

d22

k2k1

2

72

Para 45° < θ < 180°

Al igual que las contracciones, el coeficiente de las expansiones depende del

ángulo del cuello.

Figura 2.34. Expansión gradual

Para θ ≤ 45°

Para 45° < θ < 180°

Ecuación 2.40

Ecuación 2.41

Ecuación 2.42

Ecuación 2.43

k1 0.8 1 2

sin

2

k1 0.5 1 2

sin

2

k1 2.6 1 2

sin

2

k1 1 2

2

73

Los orificios son utilizados para restringir el flujo o para reducir la presión. La siguiente

figura muestra una placa orificio, y como se establecen los diámetros.

Figura 2.35. Placa orificio

Coeficiente de resistencia para un orificio:

El factor de flujo C puede ser calculado para una relación de diámetros y número de

Reynolds a partir de las siguientes gráficas suministradas por Crane.

Ecuación 2.44 k1

2

C2

4

74

Figura 2.36. Factor de flujo para placa orificio en régimen laminar y transición

Figura 2.37. Factor de flujo de placa orificio en régimen turbulento

75

El factor de resistencia para curvas y codos de 90°, con bridas o con extremos para soldar a

tope pueden ser determinados a partir de la relación diámetro de tubería d y radio de curvatura r:

El valor de esta relación determina la expresión mediante la cual se hará el cálculo del

coeficiente. La expresión tiene la siguiente forma:

El coeficiente ftur corresponde al coeficiente de fricción para flujo turbulento.

Finalmente, las pérdidas de presión primaria y secundaria se suman con las pérdidas por

elevación para obtener la pérdida total.

2.11 Sistema de identificación de componentes para plantas de potencia

Es indispensable para la construcción y operación de una planta de generación de potencia

que se establezca un sistema estándar para la designación y clasificación de la planta, y de sus

partes y componentes.

Los sistemas de designación permiten, independientemente del idioma, identificar

uniformemente y sin ambigüedad las partes de la planta que se encuentren bajo el alcance de la

norma. El sistema Kraftwerk Kennzeichensystem KKS (Sistema de Designación de Plantas de

Potencia) satisface los requerimientos de la designación de esta tipo de plantas en un grado

superior a otros sistemas.

El sistema KKS consiste en tres tipos de designación: identificación de procesos,

identificación del punto de instalación e identificación local

La identificación del proceso subdivide el sistema de acuerdo a funciones o procesos, en

mecánico, eléctrico, control o civil, ya que deben ser identificadas los equipos y componentes

relacionados con determinado proceso.

2.45 k ctte ftur

76

Esta designación corresponde al segmento de designación plantas establecidas en la segunda

parte de la norma DIN 40719.

Mientras que la identificación del punto de instalación se emplea para designar ubicaciones,

principalmente de equipos eléctricos; y de instrumentación y control, aunque puede ser empleado

para equipos mecánicos. Las ubicaciones, como por ejemplo coordenadas y posiciones en

cubículos, son designadas en el nivel de clasificación EQUIPOS

La identificación del local tiene el objetivo establecer claramente la ubicación de una

instalación, subsistema y equipo en la estación de generación de energía, se incluye la estructura

y el piso en el nivel de clasificación de FUNCIÓN. Mientras que la sala se indica en el nivel de

clasificación de EQUIPOS.

La designación KKS de los componentes de una planta de generación de potencia consiste en

una estructura de cuatro niveles de clasificación que se emplea para los tres tipos de designación.

Cada nivel tiene una combinación de caracteres alfanuméricos que asegura la claridad de la

designación de la estación.

Tabla 2.6: Estructura de niveles de la designación KKS

Nivel de clasificación

0

Nombre del nivel de

clasificaciónInstalación

Designación del caracter

de datoG F0 F1 F2 F3 FN A1 A2 AN A3 B1 B2 BN

Tipo del caracter de

dato(A) o (N) (N) A A A N N A A N N N (A) A A N N

3

N = símbolo numérico ( ) = pueden ser omitidos

A = símbolo alfabético

1

Función Equipo Componente

2

77

El nivel 0 está asociado a la INSTALACIÓN, y se emplea cuando es necesario identificar

unidades o etapas dentro de la planta, para que haya una clara distinción entre ellas. Se

recomienda utilizar un símbolo alfabético para evitar confusión con la designación

correspondiente a el próximo ya que el carácter F0 es numérico. Este puede ser omitido en los

casos que no sea requerido.

Tabla 2.7: Designación del nivel 0 de la norma KKS

Mientras la designación del nivel 0 corresponde a la FUNCIÓN del componente. Este se

divide en dos partes, una corresponde al número prefijo y otra a la función cumplida por el

subsistema.

Número prefijo de función

Es utilizado para diferenciar dos subsistemas iguales – e.g. 2 plantas de vapor, 2

estructuras con las mismas funciones –. Cada número es válido en el área correspondiente

a la función designada, y se refiere al símbolo alfabético F que le sigue. En el caso que la

numeración de sistemas no aplique se emplea el campo FN para este propósito.

Tabla 2.8: Prefijo del nivel 1 de la norma KKS

0 2 3A o N N AAANN AANNNA AANN

Niveles1


Niveles1

78

Clasificación de la función

Los tres símbolos alfabéticos de esta sección se utilizan para dividir la planta en

subsistemas, sistemas o edificios. El símbolo numérico es empleado simplemente para

subdividir y enumerar la unidad – e.g. tuberías, cubículos, pisos, etc. –.

Tabla 2.9: Función del nivel 1 de la norma KKS

Por su parte, el nivel 2 corresponde a los EQUIPOS, y se puede emplear para designar

equipos relacionados a procesos o su ubicación.

Tabla 2.10: Designación de nivel 2 de la norma KKS

Designación relacionada a procesos:

Los primeros dos símbolos alfabéticos se utilizan para diferenciar los aparatos

mecánicos y los equipos; equipos eléctricos y de instrumentación y control; y entre los

circuitos de medición y de control de lazo cerrado. Si se requiere puede ser empleado el

tercer dígito alfabético para designar válvulas piloto, termómetros dobles, etc., como

subunidad de un equipo.


Niveles1


Niveles1

79

Principales grupos de los EQUIPOS

A Equipo mecánico

B Equipo mecánico

C Circuitos de medición directa

D Circuitos de control de lazo cerrado

E Señal análoga y binaria de condicionamiento

F Circuitos de medición indirecta

G Equipo eléctrico

H Ensamblaje de una maquinaria principal

I Ensamblaje nuclear

Designación de ubicación: utilizada para designar, para el caso de equipos eléctricos los

bastidores y la posición de paneles, tableros o cubículos.

Designación de salas: se emplea para identificar espacios interiores.

En este caso el dígito numérico (AN) no influye en la clasificación de ninguno de los tres

tipos de designaciones, simplemente enumera la unidad identificada por el dígito A2.

Finalmente, el nivel 3 se aplica a sistemas eléctricos y de instrumentación y control, para

designar los componentes, - e.g. interruptores, botones, relés, etc. - de cada equipo. En el caso de

ingeniería de procesos e ingeniería mecánica se utiliza para indicar los componentes, tales como

acoples de bombas y transmisiones. Por otra parte, los números solo se emplean para llevar el

conteo de los componentes.

Tabla 2.11: Designación del nivel 3 de la norma KKS


Niveles1

80

Principales grupos de componentes

K Componentes mecánicos

M Componentes mecánicos

Q Componentes de instrumentación y control no eléctricos

Componentes eléctricos

X Origen de la señal

Y Aplicaciones de la señal

Z Señal cerrada

CAPITULO 3

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El siguiente esquema presenta los pasos que se siguieron para la elaboración y aplicación de

una guía de selección y evaluación de paquetes de centrifugación de combustibles líquidos para

turbinas a gas.

Familiarización con el proceso de tratamiento de combustibles líquidos empleados en

turbinas a gas

Recopilación de información requería para el diseño y selección de equipos principales de

un sistema de tratamiento de combustible.

Elaboración de la guía para la selección y evaluación de paquetes de tratamiento de

combustibles líquidos para turbinas a gas.

Evaluación de un sistema de tratamiento para combustible diesel.

3.1 Familiarización con los sistemas de tratamiento de combustibles líquidos

El proceso de instrucción se basó en la lectura de material suministrado y elaborado por la

empresa, entre ellos guías de entrenamiento, publicaciones técnicas, videos y dosier de ingeniería

de proyectos previos.

82

Se inició con la consulta de material relacionado con los fundamentos de la separación

mecánica, con el propósito de comprender los principios físicos involucrados en el proceso y los

principios de diseño de los separadores de platos.

Luego se prosiguió con la lectura de información relacionada con el uso de máquinas

centrífugas en procesos de separación y clarificación. Esta etapa se enfocó en establecer los

criterios de selección y parámetros de operación de los distintos tipos de separadores. Se empleó

material audiovisual para afianzar el conocimiento sobre la operación de los separadores de

platos con combustibles líquidos.

La etapa principal de la instrucción consistió en consultar publicaciones hechas por

ingenieros de GEA Westfalia Separator especializados en sistemas de tratamiento de combustible

y aceite lubricante para plantas de generación de potencia con turbinas a gas. A partir de ellos se

obtuvo información sobre los efectos producidos por los contaminantes presentes en los

combustibles, los requerimientos de los fabricantes de turbinas, diagramas de procesos, equipos

involucrados y características del sistema de acuerdo al tipo de combustible empleado.

Finalmente, se accedió a información relacionada a sistemas de tratamiento de combustibles

instalados previamente como requerimientos de fabricantes de turbinas, hojas de datos del

proceso, planos y diagramas de procesos e identificación. Estos documentos suministraron datos

sobre las limitaciones en cuanto a concentración de contaminantes y criterios de diseño.

3.2 Recopilación de la información requerida para el diseño del sistema

Una vez obtenidos los conocimientos básicos sobre el funcionamiento del proceso de

tratamiento de combustibles y se identificaron los principales equipos y componentes, se elaboró

un esquema general con los principales pasos a seguir para el diseño y cálculo del sistema:

1. Determinar las características de operación del sistema

83

2. Establecer el diagrama general de procesos

3. Selección del separador centrífugo

4. Selección de bombas de alimentación

5. Dimensionamiento de la líneas de proceso

6. Cálculo de caída de presión

7. Selección de bombas de lodos

8. Identificar los servicios requerido

9. Revisar diagramas de tubería e instrumentación

Para la recopilación de la información requerida para cada uno de los pasos se consultó

material especializado en sistemas de tratamiento crudo ligero y sus destilados; bombas

centrífugas, rotativas y de diafragma; cálculo de tuberías de proceso, flujo en válvulas y

accesorios; y sistemas de identificación de componentes para plantas de potencia.

3.3 Selección y evaluación del paquete de centrifugación

A partir de la información recopilada se elaboró la guía para la selección y evaluación de

paquetes de centrifugación de combustibles líquidos.

3.3.1 Características de operación del sistema

Se le solicitó al cliente información relacionada con los siguientes aspectos:

Filosofía de operación

Capacidad requerida

Propiedades del combustible

Especificaciones de la turbina

84

Vct Ntag topmtag

Para el registro de la información se elaboró un formato, Anexo A, para la recolección de los

datos del combustible y especificaciones de la turbina que son requeridos para el diseño del

sistema.

3.3.1.1 Caudal de operación y tanques de almacenamiento

Se verificó que el flujo de combustible requerido por el cliente fuese el correcto, y se calculó

el volumen de los tanques tanto de combustible sin tratar como de combustible tratado en función

de los siguientes parámetros:

Número de turbogeneradores Ntag

Consumo de combustible por cada turbogenerador Qtag

Horas de operación t.op

Tiempo máximo de llenado de tanque tllenado

El volumen del tanque de combustible tratado se calculó mediante la siguiente expresión:

Ecuación 3.1

Luego, se obtuvo el volumen de combustible sin tratar.

Finalmente, se estableció el caudal recomendado para el sistema.

Ecuación 3.2

Ecuanción3.3

Vcst 3Vct

QopVct

tllenado

85

3.3.1.2 Separación de las fases

Se verificó que el combustible se encontrara dentro del rango de densidad que asegura una

eficiente separación de las fases.

3.3.2.3 Temperatura de vaporización y temperatura de enturbiamiento

Se verificó que se cumpliesen las siguientes relaciones:

Temperatura ambiental mínima mayor que la temperatura de formación de parafinas.

Temperatura de separación menor que la temperatura de vaporización.

3.3.2 Diagrama general de procesos

Se determinó el número de etapas de purificación, y los tratamientos previos y posteriores

requeridos en cada una de ellas, mediante la comparación las características del combustible

suministrado a la planta con los estándares establecidos por GEA Westfalia Separator.

3.3.2.1 Calentamiento del combustible

Para determinar la necesidad de precalentar el combustible previo a la purificación se

comparó la viscosidad del combustible con los valores límites de este parámetro para la

operación de separadores centrífugos.

3.3.2.2 Etapas de purificación

Se determinó el número de etapas requeridas para lograr una concentración de sodio y

potasio, en el combustible, tratado menor que la requerida por el fabricante de turbinas. Para ello

86

Qlavado 0.5% Qop

Xn 1 Xtag

se estableció un proceso iterativo en base al rango de contenido de agua que garantiza una óptima

eficiencia de separación.

Proceso iterativo:

Se calculó la concentración de sodio y potasio a la salida mediante la expresión

Donde “n” corresponde al número de etapas

Se comparó la concentración obtenida con la requerida por la turbina hasta que se

cumplió la relación

Ecuación 3.5

Se estableció el número de etapas “n” requerido

Luego, se calculó el caudal de agua de lavado requerida luego de cada etapa de separación

mediante la siguiente expresión matemática

Ecuación 3.6

Ecuación 3.4 Xn 1 sep Xn

87

3.3.2.3 Dosificación de neutralizante

Se comparó la cantidad de vanadio presente en el combustible con el límite permitido, y se

realizaron las modificaciones al diagrama de procesos estándar correspondiente.

3.3.3 Selección del separador

La selección del separador consistió en dos pasos: primero la selección del tipo de tambor, y,

luego, la elección del modelo de equipo.

Se eligió el tipo de tambor luego de comparar las características del combustible y del

sistema con la tabla de criterios de selección para el tambor:

Concentración de sólidos

Tamaños limites de partículas

Para determinar el modelo de separador y el número de equipos requeridos se consultó la

tabla de capacidades en función del tipo de combustible y su viscosidad contenida suministrada

en el Anexo B.

Luego, se estableció en número de equipos en operación y en reserva.

Ecuación 3.7 Nsepop

QopQsep

88

Separadores en reserva

Por último, se calculo el flujo mínimo de operación.

3.3.3.1 Hoja de datos del separador

Se elaboró un formato para recoger los datos del separador relacionados con:

Condiciones de operación

Condiciones de separación

Dimensiones del equipo

Servicios requeridos

3.3.3.2 Tiempo de Separación

El tiempo de separación se determinó a partir de la tabla suministrada por el fabricante para

diversos tipos de combustibles marinos. Para ello se compararon las características del

combustible suministrado a planta con las características de combustibles marinos según la

norma ISO 8217.

Ecuación 3.8

Ecuación 3.9

Nsepre

0.20 Qop

Qsep

Qopmin

QopNsepop

89

P vc P QopminP Qopmax

3.3.5 Módulo de separadores

3.3.5.1 Dimensionamiento del múltiple de alimentación

Los diámetros del múltiple de alimentación y colector de descarga de los separadores se

seleccionaron en función de la velocidad del fluido y el tipo de proceso según la Tabla 2.5 de

velocidades típicas de líquidos en tuberías de acero.

Se calculó la velocidad del fluido en la línea principal para distintos diámetros, y el

procedimiento se repitió el procedimiento para las derivaciones en función del caudal de cada

separador.

En base a las dimensiones de los separadores se elaboró un diagrama del módulo de tratamiento.

3.3.5.2 Regulación de la presión de alimentación

En función del diámetro del múltiple de alimentación se seleccionó una válvula reguladora

de presión. A partir de las curvas de operación se determinó la caída de presión para el rango de

caudal.

Ecuación 3.10

3.3.5.3 Calculo de caída de presión

Para calcular la pérdida de presión en el múltiple de alimentación se siguió el siguiente

procedimiento:

90

V4Q

Di2

Re V D

hf fLD

V2

2 g

kmix kturfmixftur

Se dividió la tubería en tramos de flujo constante

Se identificaron las válvulas y accesorios

Se calculó la velocidad del flujo mediante la ecuación 2.27.

Luego, se determinó el número de Reynolds a partir de la ecuación 2.24

En función de la rugosidad relativa y el número de Reynolds se determinó el factor de

fricción del gráfico de Fanning

Pérdidas primerias

Se calculó la caída de cabezal a partir de la ecuación 2.30

Pérdidas secundarias

Se seleccionó el coeficiente de resistencia Ktur de acuerdo a las tablas de Crane.

Se corrigió el coeficiente de resistencia para flujo mixto mediante la expresión

2.36

91

hf kV2

2g

P g hf z

Luego, se calculó la caída de cabezal mediante la expresión 2.35.

Se calculó la pérdida por elevación

Finalmente, se sumaron las pérdidas y se llevó a caída de presión

Ecuación 3.11

3.3.6 Selección de la bomba de alimentación

La selección de las bombas de alimentación del módulo de tratamiento se realizó en varios

pasos.

3.3.6.1 Tipo y número de bombas

El tipo de bomba se determinó mediante los dos criterios: velocidad específica del impulsor

y rango de aplicación. Para ello se determinó previamente el caudal y cabezal de la bomba.

Mientras que el número de bombas se determinó al comparar el desempeño de una determinada

bomba para las distintas opciones.

92

HbPsep P ma P vc P cont

comb gHd

QNb

QopNb

Se elaboró la Tabla 3.1 para recoger los datos requeridos.

Tabla 3.1: Cálculo del cabezal de la bomba

Se empleó la siguiente expresión para el cálculo del cabezal de la bomba.

Ecuación 3.12

Rango de aplicación

Se calculó el caudal para módulos de bombeo con varias bombas.

Ecuación 3.13

A partir de los caudales obtenidos y el caudal se determinaron los tipos de bombas

correspondientes a cada caso mediante el gráfico de rango de aplicación

Descripción Símbolo Unid. MagnitudPresión de entrada del

separador Pesep psi

Caída de presión por fricción

∆Pma psi

Caída de presión por válvula reductora

∆Pvc psi

Contingencia ∆Pcont psiCabezal de la bomba Hb ft

93

Ns

N QNb

H

34

Velocidad específica del impulsor

Se calculó la velocidad específica del impulsor para cada uno de los casos mediante la

ecuación 2.7.

3.3.6.2 Dimensionamiento del múltiple de succión y descarga

Los diámetros del múltiple de succión y descarga de las bombas se seleccionaron en función

de la velocidad del fluido y el tipo de proceso según la Tabla 2.5.

Primero, se calculó la velocidad del fluido en la línea principal para distintos diámetros, y,

luego, se repitió el procedimiento para las derivaciones en función del caudal de cada las bombas.

3.3.6.3 Cálculo de NPSHa

Para el cálculo del NPSHa se le solicitó al cliente información relacionada con el diseño de

los tanques y la tubería de conexión con las bombas de alimentación. Se elaboró la tabla 3.2 para

registrar los datos.

94

NPSHaminPa Pvp

hs hamax

2 hfmax2

Tabla 3.2. Datos del tanque de combustible sin tratar y tubería de conexión

Adicionalmente, se utilizó la Tabla 3.3 para el registro de datos de la tubería.

Tabla 3.3: Datos de la tubería de conexión entre tanque y bombas

A partir de los datos suministrados se calculó la pérdida de presión, mediante el

procedimiento descrito el punto 3.2.4.5, y, luego, el NPSHa para un sistema encarga de acuerdo a

la ecuación 2.23:

Descripción Símbolo unid. MagnitudPresión de operación del tanque Poptanq psiaPresión máxima de operación del tanque Pmaxtanq psiaElevación del tanque Htanq ftElevación de la brida del tanque Hdesctanq ftNivel mínimo del tanque LLLL ftNivel de operación del tanque Hop ftNivel máximo del tanque HHLL ftElevación de la base de la bomba Hfund ftElevación de la succión de la bomba Hsuc ft

Nominal Interno[in] [in] [ft]

Tubería

Codos 90°Codos 45°

Diámetro

Válvula de compuerta

Descripción CantidadLongitud

95

hs Htanq LLLL Hdesctanq Hfund Hsuc

Donde:

Ecuación 3.14

3.3.6.4 Selección del fabricante

Se consultaron tres proveedores de bombas centrífugas: Flowserve, Gouldspumps y

Ruhrpumpen. Para ello se emplearon las herramientas de selección en línea ofrecidas por cada

uno de ellos:

Se elaboró la Tabla 3.3 para agrupar los datos requeridos por los programas para la selección

de bombas.

Tabla 3.4: Datos para requeridos seleccionar la bomba centrífuga

Luego, se seleccionó el equipo con mejores características de cada uno de los fabricantes en

función de las características:

Porcentaje del caudal a máxima eficiencia

Eficiencia

NPSHr

Parámetro unid. MagnitudCaudal de diseño gpmCaudal de operación gpmCabezal ftViscosidad dinámica @40°C cPViscosidad cinemática @40°C cStNPSHa ftVelocidad rpm

96

3.3.6.4.1 Evaluación de bombas centrífugas

La evaluación de las bombas preseleccionadas se realizó mediante el formato para

evaluación de bombas centrífugas según los criterios del estándar API 610, suministrado en los

apuntes del curso de Evaluación de Equipos Rotativos de la Universidad Simón Bolívar.

Los resultados de la evaluación se reunieron en una tabla, y se analizaron detalladamente las

características de cada uno de los equipos.

3.3.6.5 Selección de los materiales de la bomba centrífuga

El material de cada uno de los componentes de la bomba se seleccionó de acuerdo a la “Guía

para la Selección de Materiales” de la norma API 610 a partir del fluido manejado y la

temperatura de operación.

3.3.6.6 Selección del sello mecánico

La selección del sello mecánico se realizó de acuerdo al procedimiento establecido en la

norma API 682 de acuerdo a las condiciones de operación y las características del combustible.

Se estableció el siguiente orden para la elección del sello.

Categoría

Tipo

Arreglo

Plan de lavado

97

QlodoNsep Vtam

tvaciado

Vsed XisosedV´

XlodoVsed

Vtamb Vsed

3.3.7 Selección de la bomba de lodos

3.3.7.1 Caudal de operación

El caudal se calculó en función del volumen de lodo resultante de la descarga total, el

número de separadores y el tiempo de vaciado del tanque.

Ecuación 3.15

Se calculó el diámetro de la tubería que garantizara flujo turbulento

3.3.7.2 Presión de descarga

Se calculó la relación entre sedimentos y agua contenidos en el diesel de acuerdo a la norma

ISO 8217. A partir de la concentración determinada se determinó la cantidad de sólidos

contenidos en el tambor por proporción..

Ecuación 3.16

En base al volumen de sedimentos y el volumen restante del separador de determinó la

concentración de sólidos por cada descarga, mediante la ecuación 3.17.

Ecuación3.17

98

V4Q

Di2

Res V D

w4000

Se corrigió la densidad del lodo mediante la gráfica Figura 3.1, en función de la

concentración de sedimentos.

Figura 3.1: Corrección de densidad de mezclas

Se estableció un diámetro de tubería y se comprobó que el flujo se encontrara en régimen

turbulento. Para ello se realizaron los siguientes pasos:

Cálculo de la velocidad del fluido a partir de la ecuación 2.27

Se halló el valor del número de Reynolds para la mezcla, mediante la ecuación

Ecuación 3.18

99

hf fLD

V2

2 g

Se leyó el factor de fricción de Moody en el grafico

Caída de presión en tubería recta a partir de la ecuación 2.30

3.3.7.3 Selección del tipo de bomba de lodo

Se determinaron los tipos de bombas aplicables mediante el gráfico de rango de aplicación,

Figura 2.18, Posteriormente, se seleccionó el tipo de bomba definitivo en función de las

características del fluido:

Viscosidad

Contenido de sólidos

Inflamable

Adicionalmente, se determinó el tipo de válvula de retención indicada para el fluido.

3.3.7.4 Selección del fabricante

Se consultaron dos fabricantes de bombas de doble diafragma de accionamiento neumático.

Para la selección se utilizaron los diagramas de cabezal en función de la capacidad. Los

resultados se registraron en una tabla y se compararon de acuerdo al NPSHr, el consumo y la

presión de aire.

100

NPSHaminPa Pvp

hs hamax

2 hfmax2

hamax

L V n Ck g

Vmax

2V

NPSHa NPSHr 6ft

3.3.7.5 Cálculo de NPSHa

Se calculó en NPSHa de acuerdo a la expresión 2.23, correspondiente a una bomba de

diafragma instalada en aspiración.

Primero determinó mediante la ecuación la carga de aceleración para una bomba duplex

simple efecto mediante la ecuación 2.24.

Posteriormente, calculó la velocidad máxima y la carga de fricción mediante las

ecuaciones 2.26 Y 2.25 respectivamente, para una bomba dúplex.

Finalmente, se comprobó que se cumpliera el margen de NPSH.

Ecuación 3.19

hamaxL V n C

k g

CAPITULO 4

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A continuación se presentarán los resultados obtenidos de aplicar la guía para la selección y

evaluación de paquetes de centrifugación de combustibles líquidos para turbinas a gas en el

diseño del sistema del sistema de tratamiento de combustible diesel de la termoeléctrica

Termozulia III.

4.1 Diseño del sistema

El cliente solicitó que se diseñara un paquete de centrifugación encargado de acondicionar,

de manera continua, el destilado N°2 para que cumpla los requerimientos establecidos por el

fabricante de las unidades turbogeneradoras. En caso de que no cumpliera con la composición

requería debía ser devuelto al tanque de combustible sin tratar. El sistema debía contemplar el

bombeo desde el tanque de combustible sin tratar hasta el tanque de combustible tratado.

Además de los requerimientos en cuanto a la operación del sistema, el cliente estableció

requisitos en cuanto a los equipos, entre ellos.

Bombas de alimentación

Tres equipos al 50%

Centrifugas horizontales

102

Tipo OH2

Separadores centrífugos

Dos módulos al 100%

Un equipo en reserva en cada módulo

Separadores de platos

Bombas de lodos

Tanques atmosféricos

Bombas de diafragma de accionamiento neumático

Los requerimientos del cliente se toman en cuenta para el diseño del sistema, sin embargo se

debe evaluar si existe una mejor alternativa a la propuesta.

4.1.1 Cálculo de caudal de operación y volumen de tanques

A pesar de que el cálculo del caudal de combustible y del volumen de los tanques no se

encuentra dentro del alcance del diseño se decidió realizar un estudio sobre estos dos aspectos,

con el objetivo de verificar que el tiempo de asentamiento se encontrara dentro del rango

establecido. Se recomienda un período de asentamiento mínimo de 12h y un máximo de 48h para

evitar la que el diesel capture agua del ambiente.

Los datos requeridos para el cálculo tanto del volumen de los tanques y del caudal de

operación, fueron tomados de la información suministrada por el cliente en el formato del Anexo

A.

103

La Tabla 4.1 contiene los resultados obtenidos para un sistema de operación continua y dos

generadores, Siemens SGT6 5000F, y un tiempo de llenado del tanque de combustible tratado de

12h.

Tabla 4.1: Caudal de operación y volumen de los tanques

El cliente solicitó que caudal de operación fuese de 240m3/h, lo que implica un tiempo de

llenado de 10h, inferior al tiempo máximo establecido que es de 12h. Por lo tanto, se

consideraron los caudales establecidos por el cliente para el diseño del sistema.

4.1.2 Condiciones críticas del combustible

4.1.2.1 Diferencia de densidad entre las fases

La primera condición que se debe verificar, antes de continuar con el diseño, es la diferencia

entre la densidad entre el agua y el combustible, ya que de ello depende que se pueda producir la

separación.

Se puede comprobar que la densidad se encuentra dentro del rango, por lo tanto se obtendrá

una separación eficiente entre diesel y agua.

Parámetro Unid. MagnitudQop m3/h 206Vct m3 2473*Nct adim 2Vcst m3 7419Ncst adim. 1

*volumen por cada tanque

850kg

m3857.3

kg

m3 870

kg

m3

104

TambminTent

Top Tvap

4.1.2.2 Temperatura vaporización y temperatura de enturbiamiento

Se constató que no se alcanzara ninguno de estos dos puntos para el rango de temperaturas

manejadas por el sistema, ya que comprometen la operación segura y eficiente del sistema.

Tabla 4.2: Temperatura de vaporización y temperatura de enturbiamiento

De la tabla 4.2 se observa que se cumplen las dos condiciones.

Esto garantiza un funcionamiento seguro del sistema. No obstante, se deberá verificar al

momento de elaborar el diagrama de procesos que un calentamiento no comprometa estas

condiciones.

4.1.3 Diagrama de procesos

Existen diagramas generales de procesos para cada uno de los combustibles. Dichos

diagramas fueron elaborados para ciertas características del combustible. Por lo tanto, se debe

verificar si el combustible suministrada a la planta bajo estudio cumple los requerimientos

empleados para elaborar los diagramas estándar, o si por el contrario requiere de tratamientos

adicionales.

Parámetro Unid. MagnitudTambmin °C 30

Tent °C -16Top °C 60Tinf °C 74

105

4.1.3.1 Calentamiento del combustible

El separador requiere que la viscosidad del combustible se encuentre dentro de un rango

establecido. Esto se debe a que la separación entre los platos es reducida, entre 0.2 y 2mm, por lo

tanto una viscosidad elevada genera pérdidas considerables en el interior del equipo.

En la siguiente tabla se verificó el rango de viscosidad.

Tabla 4.3: Rango de viscosidad permitido

Se observa que la viscosidad se encuentra dentro del rango permitido, de modo que no hace

falta el calentamiento del combustible.

4.1.3.2 Número de etapas de separación

El diesel suministrado a la planta tiene una concentración de sodio y potasio de 6ppm, y un

contenido de agua del 0.1%v/v, de acuerdo a los análisis realizados. Este porcentaje de agua

equivale a 1190ppm. Sin embargo, el diesel se caracteriza por absorber agua del ambiente en

concentraciones superiores 2000ppm. Bajo estas condiciones el separador garantiza una

eficiencia de purificación de sodio y potasio de 95%, y un contenido de agua menor a 200ppm.

De acuerdo a las especificaciones del turbogenerador la concentración de sodio y potasio en

el combustible debe ser menor a 0.5ppm, mientras que el contenido de agua no debe superar los

1000ppm.

Parámetro Unid. Mínimo Destilado N°2 Máximoμ @40°C cSt 3.0 3.5 5.0

106

Los resultados obtenidos para las condiciones dadas son los siguientes:

Tabla 4.4: Etapas de separación requeridas

Por lo tanto, solo se requiere de una etapa de separación para alcanzar los niveles de

contaminantes requeridos por la turbina.

4.1.3.3 Dosificación de inhibidor de vanadio

El vanadio no puede ser separado debido a que es soluble en el combustible. Por lo tanto, si

su concentración supera los niveles establecidos se debe emplear un sistema de dosificación de

inhibidor.

La siguiente tabla contiene el nivel máximo permitido por el fabricante de la turbina y la

concentración presente en el diesel de acuerdo a los análisis.

Tabla 4.5: Concentración de vanadio permitida

La sensibilidad del análisis no permite determinar si el nivel de vanadio es menor que el

máximo permitido. Por lo tanto, se debe incluir la dosificación de inhibidor en el sistema.

Etapa

1 0.30ppm

Concentración Na+K

Parámetro Unid. Mínimo Destilado N°2 MáximoVa ppm - <1 0.5

107

Finalmente, se adaptó el diagrama de procesos estándar para diesel de acuerdo a las

condiciones del diesel suministrado a la planta, ya que se requirió de un dosificador de

neutralizante debido al alto contenido de vanadio.

Figura 4.1: Diagrama general de procesos del sistema

4.2 Selección del separador

De acuerdo a las características del combustible y del sistema se seleccionó el tipo de

tambor, sólido o autolimpiante, y el modelo de separador más adecuado.

Lodos

No

Agua aceitosa


Analizis de composición

Si

Turbina

Dosificación de inhibidor

Agua de operación


Filtrado

Bombeo de alimentación

Módulo de tratamiento de combustible con Separadores

centrífugosAire

comprimido

108

4.2.1 Selección del tipo de tambor

Los criterios de selección del separador se reunieron en una sola tabla para facilitar la

elección del tipo de tambor más adecuado.

Tabla 4.6: Criterios para selección del tipo de tambor

Los datos suministrados del las propiedades del combustible no permiten aplicar los criterios

de manera directa, ya que requieren los valores del contenido de sólidos y del tamaño de

partícula, y la información suministrada fue la siguiente.

Tabla 4.7: Datos para la selección del tipo de tambor

El tipo de tambor seleccionado es el autolimpiante. La razón de mayor peso es que se

requiere un equipo para el tratamiento continuo del combustible. A pesar de que se recomienda el

uso para concentraciones de sedimentos mayores a 2%v/v esto no implica que no pueda ser

empleado para concentraciones menores. Por último, cumple con el tamaño de partículas puesto

que los granos de arena serían sedimento de mayor tamaño, y estos tienen un tamaño de 200μm.

Sólido AutolimpianteOperación Lotes Continua

Contenido de sedimentos

%v/v 0-3 2-10

Tamaño de partículas

μm 0.5-500 0.5-500

Tipo de tamborCriterio Unid.

Característica Unid. DescripciónOperación - Continua

Contenido de agua y sedimentos

%v/v 0.1

Tamaño de partículas μm 200**arena fina

109

4.2.2 Selección del modelo de separador

La selección del modelo del separador se enfocó en tres aspectos:

Longitud del módulo limitada por la longitud máxima de transporte.

Que el caudal de operación fuese lo más cercano al caudal nominal del equipo para no sub

utilizar los equipos.

Número de separadores en reserva equivalente al 20% del caudal de operación.

Se evaluó el diseño del módulo de separadores para distintos modelos correspondientes a la

serie OSE. Los datos empleados para el cálculo se tomaron de la tabla de capacidades en función

de la viscosidad que se encuentra en el Anexo B.

Primero se evaluó la cantidad de equipos requeridos con el propósito de hallar el equipo que

tenga la capacidad instalada más cercana al caudal de diseño con la menor cantidad de equipos.

Los resultados se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 4.8: Cantidad de separadores requeridos para el caudal de diseño

Los modelos que requieren menor cantidad de equipos, y que dicho valor se encuentra más

cercano a las unidades son los modelos OSE 80/80 y OSE 120/120. Esto garantiza que el sistema

no sea sobredimensionado, ya que el sistema operará normalmente con un caudal menor. Por esta

razón, se evaluaron estos dos equipos con más detalle.

Capacidad m3/h

OSE 80/70 45.5OSE 80/80 52

OSE 120/100 65OSE120/120 78

5.14.13.4

Modelo de separador

N° separadores

5.8

110

Posteriormente, se realizaron los cálculos para el caudal de operación con el número de

separadores obtenidos anteriormente. El diseño se evaluó en función de la diferencia entre el

caudal de diseño y la capacidad instalada, el caudal inoperativo y la cantidad de equipos

requeridos para garantizar un mínimo de 20% de reserva.

Los resultados obtenidos para el caudal de operación fueron los siguientes:

Tabla 4.9: Comparación de modelos de separador

Se observa que el modelo OSE80/80 es el más adecuado, a pesar de que no cubre el caudal

de diseño, ya que presenta un mejor desempeño para el caudal de operación del sistema. El

caudal inoperativo es bajo, esto es importante ya que un elevado caudal inoperativo indica un

sobredimensionamiento del sistema.

Es importante señalar que al emplearse equipos con grandes caudales se pueden generar

desequilibrios en el sistema debido a las variaciones de flujo al encenderse o apagarse un equipo.

Por esta razón, es preferible emplear equipos pequeños cuando sea posible.

Se debe tener en cuenta que las dimensiones de un módulo de 6 separadores son manejables

desde el punto de vista de transporte, y se dispone de espacio suficiente en su lugar de

instalación.

Nominal Operación* Instalado Inoperativo Operación Reserva**m3/h m3/h m3/h m3/h

OSE 80/80 52 48 260 20 5 1OSE120/120 78 60 312 72 4 1*Por cada separador **Para una reserva de 20% del caudal de operación del sistema

N° separadoresModelo de separador

Caudal

111

Las condiciones de operación del separador son las siguientes:

Tabla 4.10: Condiciones de operación del separador OSE80/80

Aunque los cinco separadores en operación tienen una capacidad instalada menor que el

caudal de diseño no se consideró necesario emplear un equipo de mayor capacidad por las

razones antes expuestas. Por lo tanto se consideró la capacidad instalada como el nuevo caudal de

diseño.

La Tabla 4.11 contiene los caudales característicos del sistema: mínimo, de operación y de

diseño.

Tabla 4.11: Caudales del sistema

4.2.3 Hoja de datos del separador

Para continuar con el diseño del módulo de purificación, y del sistema en general, se requiere

más información acerca de las características de operación y dimensiones del equipo. Los datos

requeridos fueron obtenidos de la hoja de datos la cual se encuentra en el Anexo B

Nominal Operación Inoperativo Operación Reservam3/h m3/h m3/h

OSE 80/80 52 48 4 5 1

Caudal N° separadoresModelo de separadorModelo de separador

Caudal m3/h gpmMínimo 48 211

Operación 240 1057Diseño 260 1145

112

4.2.4 Tiempo de Separación

Al no disponerse de datos sobre la cantidad de sólidos y agua, cada uno por separado, se

recurrió a la Tabla 4.12, que proporciona el tiempo de separación para destilados combustible

residual determinados de manera experimental por el fabricante del separador centrífugo.

Tabla 4.12: Tiempos de separación establecidos para diferentes combustibles

Se seleccionaron los tiempos para diesel marino, ya que este tipo de combustible tiene mayor

contenido sedimentos que el diesel de planta, como se observa en la Tabla. 4.13

Tabla 4.13: Concentración de contaminantes establecidos en la norma ISO8217 3ra. Ed.

De esta manera se garantiza que el volumen de lodos no supere la capacidad efectiva del

recinto de lodos. Se debe tener en cuenta que este valor es un aproximado, el tiempo de

separación siempre debe ser ajustado en campo.

Finalmente, se consideró alternar los dos tipos de descarga debido a que ofrece una buena

limpieza del interior del tambor sin detener frecuente mente el proceso para realizar el lavado.

Total Parcial[h] [h]

Residual 2 1Diesel Marino 2 1

Diesel 4 2

DescargaCombustible

DMB DMCSedimentos %m/m max 0.03 0.03

Agua %v/v max 0.3 0.3

Categoria ISO-FContaminante Unid. Límite

113

Los tiempos de descarga parcial y total del separador son:

Tabla 4.14: Tiempos de separación para diesel

4.2.5 Posibles fallas del separador

El separador puede presentar fallas durante su operación originadas por caudas propias del

equipo como mal ensamblado del equipo, daños en alguna de sus partes durante la instalación o

por el mal funcionamiento de válvulas; o por causas ajenas como baja presión en el agua de

operación o combustibles fuera de especificación. Las fallas, posibles causas y su solución se

encuentran expuestas de manera detallada en el Apéndice H.

4.3 Módulo de separadores

4.3.1 Dimensionamiento de los múltiples de alimentación y descarga

En el caso del módulo de purificación ambos múltiples manejan flujos provenientes de

bombas por esta razón tienen los mismos diámetros. La selección de los mismos se realizó de

acuerdo a las velocidades para hidrocarburos con viscosidades medias en tuberías de acero

comercial establecidas en la tabla 2.5.

Se tomó en cuenta que el caudal que debe manejar la tubería principal del múltiple es alto, de

1057gpm, por esta razón se determinaron las velocidades para tuberías schd. 40 de diámetros de

6, 8 y 10in, para los caudales de cada sección.

Tipo de Tiempodescarga hParcial 1Total 2

114

Tabla 4.15: Velocidades del fluido en el múltiple de alimentación

En la tabla observamos las velocidades del fluido a lo largo de la tubería. Al comparar los

resultados obtenidos con el rango de velocidad recomendado para una conexión de descarga de

bomba corte, se observó que el diámetro adecuado es 8in.

En el caso de los ramales se evaluaron las velocidades para diámetros de 3, 3 ½ y 4, debido a

que maneja un mucho menor que la línea principal.

Tabla 4.16: Velocidades del fluido en ramales del múltiple de alimentación

Aunque los diámetros de 3 ½ y 4in se encuentran dentro del rango, se seleccionó el diámetro

de 4in debido a que genera menos pérdidas.

En función de las dimensiones del separador OSE80/80 y la longitud máxima de transporte

en contenedores, que es de 13m, se estableció la distancia entre separadores y la longitud de los

Nominal Internoin in 211.3 422.7 634 845.4 10576 6.065 2.4 4.8 7.2 9.6 128 7.981 1.3 2.7 4 5.4 6.7

10 10.02 0.9 1.7 2.6 3.5 4.3

[gpm]

[ft/s]Velocidad del fluido

Diámetro Caudal

Velocidad del fluido[ft/s]

CaudalNominal Interno [gpm]

in in 211.33 3.068 9.6

3 1/2 3.548 7.04 4.090 5.4

Diámetro

115

P vc 8psi

ramales. Para el múltiple de alimentación también se tomó en cuenta el espacio requerido para la

instalación de la válvula de control de presión y el sistema de agua de lavado del diesel.

Figura 4.2: Dimensiones del múltiple de alimentación de los separadores

4.3.2 Regulación de presión de alimentación

Una vez calculado el diámetro principal del múltiple de alimentación se decidió determinar

la caída de presión causada por la válvula de control. Para el cálculo se empleó la curva

suministrada por el fabricante OCV para una válvula de reducción de presión modelo 127-3.

Dicha curva se encuentra en el Anexo D

Se fijó un valor de caída de presión para la válvula reductora de presión (∆Pvc) que pudiese

ser manejado por la válvula para todo el rango de caudales del sistema.

4.3.3 Caída de presión en el múltiple de alimentación

La caída de presión se calculó para el caso más desfavorable, que corresponde al separador

ubicado en el tramo 7. El cálculo se desarrolló de manera detallada en el Anexo G.

116

Primero se calcularon las pérdidas primarias para una tubería comercial de acero al carbono

schd. 40, lo que dio como resultado una caída de presión de 0.25psi.

Luego, se calcularon las pérdidas generadas por las válvulas y accesorios requeridos para la

operación del separador, cuyos coeficientes de resistencia se seleccionaron de las tablas de

coeficientes de resistencia de la Data Hidráulica de Crane. En este caso se registró una caída de

presión de 1.03psi.

Por último, la caída de presión por diferencia de cotas entre el múltiple y la alimentación del

separador es de 1.76psi.

Por lo tanto, la pérdida de presión total para el múltiple de alimentación (∆Pma) es de:

∆Pma = 3.0 psi

4.3.4 Instalación de los separadores en el módulo de purificación

La Figura I.1, contenida en el Anexo I, muestra el arreglo del módulo de purificación con 6

separadores OSE 80/80. El diagrama incluye las válvulas y accesorios básicos para la conexión

de los separadores a las líneas de combustible y agua. El tanque de lodo recoge las descargas de

todos los equipos, para que estos luego sean enviados a la pileta por las bombas de lodo.

117

4.4 Módulo de bombeo

4.4.1 Tipo y número de bombas

La aplicación de los criterios de selección de bombas requirió calcular el cabezal de la

bomba. Aunque no se disponía del valor de la caída de presión en la descarga de la bomba los

cálculos se realizaron en base a las pérdidas en el módulo de separadores, la reducción de

presión generada por la válvula antiretorno, la válvula de compuerta y un posible múltiple de

descarga, en el caso de varias bombas, se reunieron en un factor de contingencia. Se consideró

que el término de contingencia debía ser bajo, ya que tanto la velocidad del fluido como la

viscosidad del combustible son bajas.

En base a los siguientes datos de pérdida de presión por fricción, reducción por la válvula de

control y la presión de alimentación del separador se calculó el cabezal de la bomba.

Tabla 4.17: Cálculo del cabezal de la bomba centrifuga

Luego de que se obtuvieron las características de operación requeridas se procedió a

determinar el tipo de bomba apropiada. Se consideró emplear varias bombas en paralelo bebido a

que el cabezal requerido es bajo en relación con el caudal que debe manejar la bomba.

Descripción Símbolo Unid. MagnitudPresión de entrada del

separadorPesep psi 50.8

Caída de presión por fricción

∆Pma psi 3.0

Caída de presión por válvula reductora

∆Pvc psi 8.0

Contingencia ∆Pcont psi 5.0Cabezal de la bomba Hb ft 185.2

118

Se evaluó hasta un máximo de tres bombas debido a que para un mayor número de bombas

se requeriría una bomba que opere con un caudal para un cabezal alto, lo que implica que la

bomba estaría cercano al flujo mínimo continuo en el caso de las bombas centrífugas.

Tabla 4.18: Caudal y cabezal para varias bombas

A partir de estos datos se determinaron los tipos de bombas de acuerdo al gráfico de rango de

aplicación, Figura 2.18.

Para los casos planteados se pueden aplicar tres tipos de bombas distintos:

Bomba centrífuga

Bomba de tornillo simple o cavidad progresiva

Bomba de engranaje

Se estudió la aplicación de cada uno de los tipos en función de los siguientes aspectos:

Regulación del caudal

Emplear bombas de tornillo o engranaje, en un módulo de bombeo separado no es

recomendable, ya que el caudal puede variar considerablemente durante la operación del

sistema. En vista de que en este tipo de bomba el caudal se regula mediante la velocidad

de giro, sería necesario emplear variadores de frecuencia conectados a un sistema de

control que monitoree el flujo para realizar los ajustes necesarios. Podrían emplearse 5

bombas, una para cada separador en operación, ya que trabajarían a caudal constante. Sin

Número de bombas Caudal Cabezal[gpm] [ft]

1 1057 185.22 528.5 185.23 352.3 185.2

119

embargo esta configuración no es conveniente puesto que cada bomba necesitaría de una

recirculación al tanque para evitar problemas de golpe de ariete. Por esta razón, las

bombas rotativas son emplea en módulos de tratamiento integral de bajo caudal.

La bomba centrífuga puede operar para un amplio rango de caudal a una velocidad de

giro constante. Esto es una ventaja para este tipo de sistemas, debido a que el caudal

puede variar notablemente al encender o apagar un separador. Solo se debe seleccionar la

bomba de manera que opere adecuadamente para el rango de caudal requerido.

Regulación de la presión

Los separadores requieren de una presión de alimentación estable, de 50.8 psi. Las

bombas rotativas son las indicadas para suministrar presión constante a caudal variable,

ya que la presión depende únicamente de la restricción a la descarga.

En el caso de las bombas centrífugas la presión de descarga varía en función del flujo,

para un impulsor y velocidad determinada. Esto debe ser tomado en cuenta a la hora de

seleccionar el equipo.

Características del fluido

En este caso la viscosidad del combustible es baja, esta condición es ideal para la

bomba centrífuga ya que las pérdidas son mínimas, y, por lo tanto, su desempeño será

similar al obtenido al operar con agua. Por otra parte, las bombas rotativas pueden operar

con viscosidades bajas, sin embargo su eficiencia disminuye debido a la recirculación que

se genera entre las cavidades. En el caso de las bombas de engranaje se debe considerar

que la falta de lubricación genera desgaste en los dientes.

El contenido de sólidos en bajo, por lo tanto no es una limitante. Sin embargo, un

posible aumento de los sedimentos podría causaría daños en una bomba centrífuga o de

engranajes por el desgaste generados en los álabes y dientes, respectivamente.

120

Finalmente, se concluyó que la bomba centrífuga es la más adecuada para las condiciones de

operación establecidas.

Luego, se estudiaron las tres opciones en función de la velocidad específica del impulsor Ns

para determinar el número de bombas.

Tabla 4.19: Velocidad específica de impulsor

De la gráfica de velocidad de específica del impulsor, Figura 2.19, se observa que para una

bomba se requiere una bomba de flujo mixto. Esta puede manejar grandes flujos pero con

eficiencias bajas y grandes variaciones de cabezal debido al amplio rango de flujos.

Por otra parte, para dos y tres equipos se requieren bombas centrífugas. La configuración de

tres bombas operando a 352gpm y 185.2 ft puede estar asociada a una baja eficiencia por

encontrarse cercana al flujo mínimo continuo.

Se tomó en cuenta la solicitud del cliente y se estableció un módulo de bombeo con dos

bombas en operación y una en reserva, todas al 50% del caudal total.

Número de bombas

Caudal Cabezal VelocidadVelocidad específica

del impulsor[gpm] [ft] [rpm] [adim]

1 1057 185.2 3600 23312 528.5 185.2 3600 16493 352.3 185.2 3600 1346

121

4.4.2 Dimensionamiento de los múltiples de succión y descarga

Una vez definida la cantidad de bombas se obtuvieron los datos requeridos para el

dimensionamiento de los múltiples de succión y descarga., se prosiguió a calcular el NPSHa, el

cual es requerido para la evaluación de la bomba.

La Tabla 4.20 contiene las velocidades alcanzadas por el fluido tanto en la línea principal

como en los ramales, para distintos diámetros:

Tabla 4.20: Velocidades en múltiple de succión de las bombas

En base a las velocidades recomendadas en la Tabla 2.5 para succión de bombas, se

seleccionaron los siguientes diámetros.

Tabla4.21: Diámetros del múltiple de succión del módulo de bombeo

[in] [in] 528.5 105710 9.980 2.2 4.312 11.874 1.5 3.114 13.062 1.3 2.5

[ft/s]Caudal

Diámetro

Nominal [gpm]

Velocidad

Interno

Nominal Interno[in] [in]

Recto 12 11.874Ramal 10 9.980

TramoDiámetro

122

En el caso del múltiple de descarga solo se determinó el diámetro de los ramales, ya que el

diámetro de la línea principal es el mismo que el del múltiple de alimentación de los separadores.

En este caso los resultados obtenidos fueron los siguientes.

Tabla 4.22: Velocidades del flujo en la descarga del módulo de bombeo

Se seleccionó el diámetro de 6” para la descarga de la bomba, ya que la velocidad del flujo se

encuentra dentro del rango de velocidad establecido en la Tabla 2.5.

Los diámetros seleccionados fueron los siguientes:

Tabla 4.23: Diámetros del múltiple de descarga del módulo de bombeo

Velocidad[ft/s]

Caudal [GPM]

[in] [in] 528.54 4.090 12.96 6.065 5.98 7.981 3.4

Interno

Diámetro

Nominal

Nominal Interno[in] [in]

Recto 8 7.981Ramal 6 6.065

TramoDiámetro

123

La Figura 4.3 ilustra el diagrama de tuberías e instrumentos del módulo de bombeo.

Figura 4.3. Diagrama de tuberías e instrumentos del módulo de bombeo

La instalación de las bombas centrifuga se observa que la conexión básica de las bombas puede

ser complementada con alarmas de presión de presión baja tanto en la succión como en la

descarga. En ambos casos la operación del sistema es detenida por el panel de control. Cuando se

registra baja presión en la succión el sistema es detenido para evitar problemas de cavitación.

Mientras que una baja presión a la descarga se puede estar asociada a un bajo caudal o la rotura

del sello de la bomba

4.4.3 Cálculo de NPSHa

El cálculo de NPSHa se realizó en base a las características tanto de los tanques como de la

tubería de conexión con el múltiple de succión, los cuales fueron diseñados por el cliente. La

pérdida de presión generada en el múltiple de admisión debido a que las velocidades son bajas,

las distancias son cortas y la cantidad de accesorios es la mínima requerida.

124

El cliente suministró el plano topográfico del diseño de los tanques y tuberías. Aunque el

plano original no puede ser reproducido, las mediciones se registraron en una Tabla. A ser un

plano topográfico todas las elevaciones se encuentran referenciadas a un punto en común. Dicho

plano fue realizado a escala lo que permitió determinar la longitud de la tubería. Los datos que se

emplearon para el tanque fueron los siguientes:

Tabla 4.24: Datos del tanque de combustible

Mientras que para la tubería de conexión con el múltiple de succión de las bombas se utilizaron

los siguientes datos:

Tabla 4.25: Datos de la tubería de succión

Descripción Símbolo unid. MagnitudPresión de operación del tanque Poptanq psia 14.7Presión máxima de operación del tanque Pmaxtanq psia 14.7Elevación del tanque Htanq ft 4.5Elevación de la brida del tanque Hdesctanq ft 2.2Nivel mínimo del tanque LLLL ft 2.7Nivel de operación del tanque Hop ft 33.0Nivel máximo del tanque HHLL ft 37.7Elevación de la base de la bomba Hfund ft 0.2Elevación de la succión de la bomba Hsuc ft 2.5

Nominal Interno[in] [in] [ft]

Tubería 10 9.980 197 1

Codos 90° 10 9.980 - 6Codos 45° 10 9.980 - 4

DescripciónDiámetro

Longitud Cantidad

Válvula de compuerta 10 9.980 - 1

125

El diámetro seleccionado por el cliente para la tubería que conecta el tanque con el módulo

de bombeo es menor al determinado para el tramo principal del múltiple de succión. Esto implica

que las pérdidas de presión serán mayores, lo que no es conveniente ya que disminuye el rango

de NPSH.

Se evaluaron ambos casos para poder determinar que tan diferentes eran los valores de caída

de presión. El cálculo detallado de la pérdida de presión se encuentra en el Anexo G.

Tabla 4.26: Caída de presión en la tubería de conexión tanque-bombas

Se observa que la para un diámetro de 10” la caída de presión se incrementa en un 62.5% con

respecto a la tubería de 12”, por lo que se recomendó emplear una tubería de 12”.

Luego, se calculó el NPSHa para los dos diámetros para determinar que tanto se vería

reducido su valor al emplear una tubería de 10”.

Tabla 4.27: NPSHa para distintos diámetros

La variación del diámetro no genera una diferencia significativa en el NPSHa, el cual es

amplio debido a que el tanque se encuentra por encima de la cota de la succión de la bomba.

Diámetro hf ∆P [in] [ft] [psi]12 1.9 0.810 3.3 1.3

Diámetro NPSHa[in] [ft]12 35.210 33.8

126

4.4.4 Selección del fabricante y modelo de bomba

Una vez que se definió que se emplearían dos bombas centrífugas tipo OH2 para el bombeo

del combustible se continuó con la selección del fabricante y modelo del equipo. Se escogieron

tres importantes fabricantes de bombas, cada uno de ellos ofrece su propio programa de selección

de bombas. Entre los fabricantes consultados, con sus respectivos programas, se encuentran:

Flowserve: Flowselex

Gouldspumps: Pump Selection System PSS (Sistema de Selección de Bombas)

Ruhrpumpen: Global Proposal System GPS (Sistema global de Propuesta)

Las curvas características que ofrecen los fabricantes de bombas son elaboradas a partir de la

operación con agua. Si bien la viscosidad del diesel (3.5cSt) es mayor que la del agua (1 cst), la

diferencia es muy baja, por lo que el desempeño de la bomba no se debería ver afectado. Sin

embargo, se decidió se realizar la corrección por viscosidad para corroborar que las condiciones

de operación no se verían afectadas.

La grafica para la corrección por viscosidad del Instituto Hidráulico, permite determinar tres

factores de corrección para. Caudal, cabezal y eficiencia. Estos factores se determinan de las

curvas mediante a partir del caudal, cabezal y viscosidad.

El diesel suministrado a la planta tiene una viscosidad menor al mínimo valor registrado en

la grafica, que es de 8.6 cSt (40SSU). Se decidió realizar la corrección con esta viscosidad para

ver la variación en las condiciones de operación.

Los datos empleados para la corrección de las condiciones de operación de bombas

centrífugas por manejo de fluidos viscosos fueron los siguientes:

127

Tabla 4.28: Datos para corrección por fluido viscoso

El procedimiento detallado para el cálculo de los factores se encuentra en el Anexo F. Los

resultados obtenidos fueron los siguientes:

Tabla 4.29: Factores de correción por viscosidad

El único factor afectado es la eficiencia, pero en un grado muy bajo. Por lo tanto, la selección

de la bomba se puede realizar con las condiciones de operación obtenidas para el diesel.

Los datos que se utilizaron en los programas de selección de los fabricantes fueron los

siguientes.

Tabla 4.30: Datos para la selección de bomba centrífuga

Parámetro unid. MagnitudCabezal ft 185.2Caudal gpm 528Viscosidad cSt 8.6**valor de referencia

Factor Simbolo ValorCabezal CH 1

Flujo CQ 1Eficiencia CE 0.98

*para 1.0 Qn

Parámetro unid. MagnitudCaudal de diseño gpm 572Caudal de operación gpm 528Cabezal ft 185.2Viscosidad dinámica @40°C cP 2.9Viscosidad cinemática @40°C cSt 3.5NPSHa ft 35.8Velocidad rpm 3600

128

Al introducir los datos en cada uno de los programas se obtuvo una lista de equipos

recomendados para las condiciones de operación. En cada caso se seleccionó en base a los

valores calculados por el programa para los siguientes parámetros:

Porcentaje del caudal a máxima eficiencia %Qbep

Eficiencia

Velocidad específica en la succión.

En la tabla 4.31 contiene el equipo correspondiente a cada fabricante, seleccionado a partir

del caudal de diseño:

Tabla 4.31: Bombas centrífugas recomendada por los fabricantes

La bomba de Ruhrpumpen fue descartada debido a la baja eficiencia que presenta para las

condiciones de operación.

La elección de la bomba requiere de una evaluación más detallada que permita determinar

cuál de los dos equipos tiene un mejor desempeño para las condiciones de operación. Para ello se

emplearon los criterios establecidos en la norma API 610, dirigida a bombas centrífugas

empleadas en el bombeo de hidrocarburos. Dichos criterios se resumieron en una hoja de cálculo

donde se puede verificar el cumplimiento de cada uno de los requerimientos establecidos en el

estándar antes mencionado.

Los datos requeridos para la evaluación de las bombas se obtuvieron de las curvas

características suministradas por cada uno de los fabricantes, las cuales se encuentran en el

Anexo E. En este anexo se muestran también, por separado los resultados de obtenidos para cada

una de las bombas. En la tabla 4.32 se expone la comparación entre las dos bombas.

Fabricante Modelo Tamaño Qbep Eficiencia NPSHr% ft

Flowserve HPX 4HPX8A 83.0 79.1 15.2Gouldspump 3700 3x6-9 SA 93.8 73.5 17.2Ruhrpumpen SCE 6x4x8.5 A 84.1 70.1 13.6

129

Tabla 4.32: Evaluación de bombas centrífugas

Finalmente, se observa que el equipo adecuado es la bomba Gouldspumps 3700 3x6-9 SA,

ya que a pesar de que tiene una menor eficiencia esta puede operar en todo el rango de caudales,

a diferencia de la bomba Flowserve. El mínimo flujo continuo (188gpm), es menor que el flujo

mínimo del sistema (211gpm). También se debe destacar que consume menos potencia y su

velocidad específica en la succión es menor que en la bomba Flowserve.

4.4.5 Características de operación del módulo de bombeo

El módulo de bombeo está constituido por tres bombas al 50%, de modo que operan dos

bombas mientras una permanece en reserva. Este fue diseñado para suministrar diesel a las cinco

centrífugas en operación. Sin embargo, se consideró la posibilidad de que el módulo de

separadores pudiese operar con un equipo. Por lo tanto, se estableció el número de bombas que

debía operar en cada caso, y se estudiaron las condiciones de de operación para cada uno de ellos.

Se estableció que se emplearían dos bombas para alimentar una cantidad mínima de tres

separadores, de modo que para un número menor de separadores en operación se consideró

emplear una sola bomba.

Criterio Flowserve Técnicamente Gouldspumps Técnicamente 4PX8A aceptable 3700 3x6-9 SA aceptable

Qrated/Qbep entre 80-110% 83.0% SI 93.8% SIQnor/Qbep entre 70-120% 76.6% SI 86.6% SIQeof menor a 85% 54.2% SI 51.3% SIHso entre 110-120% 112.4% SI 116.1% SIφdis/φmax ≥ 90% 83.3% SI 80.0% SIIncremento de cabezal ≥ 105% 172.8% SI 195.5% SIEficiencia a Qnor 77.6% 72.5%NPSHa-NPSHr ≥3ft 20.2 SI 18.2 SIQmfc 225 gpm NO 188 SI45%*Qbep 310 gpm 274.5Nss ≤ 11000 10902 SI 10812 SIPotencia (BHP) 29 Hp 25.9 HpPotencia del motor 33.4 Hp 29.8 HpPotencia Motor Comercial 40 Hp 40 Hp

130

El estudio del comportamiento de las bombas para todo el rango de operación se realizó en

base al cabezal entregado por la bomba, la eficiencia y la relación con el caudal a máxima

eficiencia. Los resultados obtenidos para cada una de las bombas se exponen en la tabla 4.33.

Tabla 4.33: Condiciones de operación de la BC para todo el rango de caudal

Se observa que para caudales iguales o menores a 317gpm la bomba tiene un rendimiento

notablemente bajo. No es recomendable que opere bajo estas condiciones ya que se generan

fuertes vibraciones en la bomba producto del bajo flujo.

Es importante destacar que las bombas operaran a una mayor eficiencia con 2, 4 o 5

separadores que con 1 o 3 separadores,

En cuanto al cabezal de se observa que entre el caudal de operación y el mínimo caudal se

registra una variación de 22.5ft, lo que representa un aumento del 11.4% del cabezal. Si se lleva a

presión esta diferencia equivale a 8.2psi. El aumento de presión no es un inconveniente ya puede

ser manejado por la válvula de control de presión para asegurar que presión de alimentación de

los separadores se mantenga entre 43.5 y 50.8psi.

4.4.6 Selección del material de los componentes de la bomba

De acuerdo la Guía de Selección de Clase de Material de la norma API 610 10ma. edición,

para diesel que contiene agua completa y a una temperatura menor a 175°C, se recomienda

emplear un material clase S-3 ó S-6. Sin embargo, se seleccionó un material S-8 debido a que

ofrece una mejor resistencia a la corrosión.

Separadores Bombas[gpm] [ft] [%]

5 2 528.3 192.2 72.54 2 422.7 203.4 683 2 317.0 210.8 59.52 1 422.7 203.4 681 1 211.3 214.7 46.5

Cantidad de Caudal Cabezal Eficiencia

131

El material de las partes principales requerido por la clase S-8 son los siguientes:

Carcasa: acero al carbono

Componentes internos de la carcasa: acero inoxidable austenítico Tipo 316

Impulsor: acero inoxidable austenítico Tipo 316

4.4.6 Selección del sello mecánico

Se eligió un sello mecánico tipos cartucho de acuerdo a la norma API 682, en base a las

características de operación de la bomba y del fluido.

Se seleccionó un sello de cartucho categoría 2, ya que se requiere que la bomba cumpla con

los requerimientos para cámaras de sellado establecidos en la norma API 610. Las condiciones de

operación de la bomba, en cuanto a temperatura y presión, se encuentran dentro del rango de

aplicación de sello. Su uso está restringido para temperaturas de -40 a 400°C, y presiones

absolutas hasta 42bar, mientras que la bomba opera a una temperatura de 40°C, y una presión

absoluta 4.5bar.

Por otra parte, se eligió el arreglo 1, que corresponde a un sello simple de cartucho. Aunque

el diesel es inflamable no se requiere de un sello doble, presurizado o no, ya este no genera

vapores tóxicos o peligrosos a las condiciones ambientales, y tampoco es altamente

contaminante.

El tipo de sello seleccionado fue el A, el cual es un sello de empuje de múltiples resorte,

balanceado, cabezal de anillo primario rotativo y elementos sellantes de elastómeros. Se

seleccionó en base a la temperatura y presión de operación permitida. Este tipo aplica para una

temperatura entre -5 a 176°C y presión absoluta menor a 22bar.

132

El plan de lavado de sello seleccionado fue el 51, ya que permite el manejo de fluidos

inflamable en bombas horizontales con sellos mecánico de arreglo 1. Este consiste de un

reservorio que contiene un líquido no presurizado conectado al sello a través de la conexión del

quench.

Finalmente, se tiene un sello categoría 2 (C2), tipo A (TA), arreglo 1 (A1), y plan de lavado

51, el cual se muestra en la Figura 4.4.

Figura 4.4: Plan 51 de lavado de sello API

4.4.7 Cargas admisibles en las boquillas de la bomba de alimentación

Las bombas de alimentación de los separadores tienen boquillas de succión y descarga de 6”

y 3” respectivamente. A partir de estos diámetros se determinaron las cargas admisibles en cada

caso de acuerdo a la Tabla 4.34, según la norma API 610 10ma ed.

133

Tabla 4.34: Cargas admisibles en las boquillas según la norma API 610 10ma Ed.

La orientación de la cargas se realizó de acuerdo al sistema de coordenadas para una bomba

de tipo OH2, como se observa en la Figura 4.5.

1. Centro del eje 2. Boquilla de descarga 3. Boquilla de succión 4. Centro de la bomba 5. Centro del pedestal 6. Plano vertical

Figura 4.5 Sistema de coordenada para bomba OH2 según la norma API 610 10ma Ed.

2 3 4 6 8

200 240 400 700 1100160 300 320 560 850130 200 260 460 700290 430 570 1010 1560

160 240 320 560 850130 200 260 460 700200 300 400 700 1100290 430 570 1010 1560

340 700 980 1700 2600170 350 500 870 1300260 530 740 1300 1900460 950 1330 2310 3500

MX

Cargas en boquillas [lbf]Fuerza/Momento

Ambas

FZFR

Succión

Descarga

FXFY

MYMZMR

Medida Nominal de Brida (NPS)

FZFR

FXFY

134

4.5 Selección de la bomba de lodos

4.5.1 Cálculo del caudal de operación

El lodo se almacena provisionalmente en un tanque ubicado debajo de los equipos, lo que

permite que los sedimentos caigan por gravedad. La cantidad de lodo que debe retirar la bomba

del tanque equivale a la suma del volumen de la descarga total de todos los separadores en

operación.

El tanque cuenta con sensores de nivel que determinan el encendido y apagado de la bomba.

El nivel alto marca el inicio del bombeo, mientras que el nivel bajo determina su fin. Se desea

que este proceso sea lo más rápido posible. Se considera que la bomba no debe operar más de

5min para llevar el tanque desde el nivel alto hasta el nivel bajo. Esto proporciona un margen de

de seguridad alto en caso de que el volumen en el tanque supere el nivel alto.

La forma en que opera el sistema de bombeo de lodo establece que el caudal se determina

únicamente a partir del volumen y el tiempo de bombeo establecido. En el caso del módulo con

seis separadores OSE 80/80 el caudal requerido es el siguiente.

Tabla 4.35: Datos para el cálculo del caudal de lodos

4.5.2 Concentración de sólidos en el lodo

Debido a la falta de datos se halló una aproximación para concentración en base a la

composición de diesel descrita por la norma ISO8217 3ra ed. , expuesta en la tabla 4.13. Se

determinó que para la mezcla de agua y sedientos, los sólidos equivalente a un 25%v/v.

Parámetro unid. MagnitudVolumen del tambor gal 6.6

Número de separadores* - 5

Tiempo de vaciado min 5

Caudal gpm 6.6

*en operación

135

La concentración determinada anteriormente corresponde a la mezcla de agua y sedimentos

que se ubica en el recinto de lodos como se observa en la figura 2.12.

El recinto de lodo tiene un volumen de 2.9gal (11L), de modo que el contenido de sólidos es

equivalente a 0.73gal (2.75L), mientras que el agua es igual resto del volumen del tambor 5.35gal

(20.25L). Por lo tanto, se tiene una concentración de sólidos de 13.6%v/v.

La densidad de la mezcla se corrigió en base a la concentración de sólidos mediante la Figura

3.1, y se obtuvo que para un porcentaje de sólidos de 13.6% la gravedad específica de la mezcla

es igual a 1.21, lo que equivale a una densidad de 75.5lb/ft3 (1210kg/m3).

4.5.3 Caída de presión en la tubería de descarga

En vista de que el flujo de lodo debe ser turbulento para evitar el depósito de sedimentos en

la tubería, se hallaron las velocidades para diferentes diámetros y el correspondiente número de

Reynolds. Los resultados para cada uno de los casos se exponen en la tabla 4.36.

Tabla 4.36: Velocidades de flujo en tubería de lodo

De acuerdo a los resultados se seleccionó un diámetro de 1in ya que produce un flujo

turbulento sin que la velocidad sea muy elevada, para evitar grandes pérdidas de presión.

Para el cálculo de caída de presión se consideraron las condiciones más desfavorables, de

manera que se empleó la viscosidad del diesel, ya que ante una falla del separador centrífugo el

tanque de lodo se puede llenar de gran cantidad de combustible. En la tabla 4.37 se resumen las

condiciones del flujo en la tubería de lodo.

Nominal Interno[in] [in] [ft/s] adim.1/2 0.622 7.0 140003/4 0.824 4.0 105701 1.049 2.5 8300

Diámetro Velocidad Re

136

Tabla 4.37: Condiciones de flujo en la tubería de lodo

En el diseño de la planta la pileta de lodo se colocó a una distancia de 130ft, en línea recta,

del lugar destinado para el sistema de tratamiento de combustible. Por lo tanto, se calculó la caída

de presión para una tubería recta sin accesorio. Los resultados obtenidos muestran en la tabla

4.38.

Tabla 4.38: Caída de presión en la tuberías de lodo

Se obtuvo una pérdida de presión de 6.1psi, que equivale a una columna 11.7ft de lodo

En función de las pérdidas de presión, se fijó una presión de descarga de la bomba de 30psig,

para que exista un margen amplio que permita un leve aumento del caudal, y que este pueda ser

manejado por la bomba.

4.5.4 Selección del tipo de bomba para lodo

Entre los tipos de bombas indicados por el diagrama de rango de aplicación, Figura 2.18, de

las bombas para las condiciones de operación del sistema, 6.6gpm y 11.7ft, se encuentran bombas

de diafragma, de lóbulos y alabes como se observa en el gráfico de rango de aplicación de

bombas.

Parámetro unid. MagnitudCaudal gpm 6.6Diámetro in 1.049Velocidad ft/s 2.5Densidad lb/ft3 75.5Viscosidad cP 2.9Reynolds adim. 8300

Parámetro unid. MagnitudReynolds adim. 8300Rugosidad relativa adim. 0.002Factor de fricción adim. 0.032Caida de presión psi 6.1

137

De los tres tipos de bombas antes propuestos, la bomba de diafragma es la más adecuada por

las siguientes razones:

Puede manejar un alto contenido de sólidos sin que el diafragma sufra el efecto abrasivo

de los lodos.

El fluido se mantiene aislado de la cámara de accionamiento, lo que proporciona un

funcionamiento seguro con líquidos inflamables.

Permiten una fácil regulación de las condiciones de operación. Esto es importante ya que

ante un aumento del volumen de lodos se puede requerir un mayor caudal de operación.

Control preciso sobre el volumen de fluido bombeado.

Son autocebantes. Una característica importante ya que la bomba debe ser instalada en

aspiración.

En el caso de las bombas de lóbulos y alabes, estas deben ser descartadas por el alto efecto

abrasivo de los lodos con altos contenidos de sólidos y a altas velocidades.

4.5.3.1 Selección del tipo de accionamiento

Posteriormente se debió elegir si la bomba sería accionada mecánicamente, hidráulicamente

o neumáticamente. Para ello se evaluaron las características de cada una.

Se seleccionó el accionamiento neumático ya que ofrece las siguientes ventajas:

Posee el NPSHr más bajo de los tres accionamientos. No hay problemas de cavitación en

el fluido de accionamiento.

Son las más seguras para manejar fluidos inflamables.

4.5.4. Evaluación de fabricantes de bombas de diafragma

Se evaluaron dos fabricantes de bombas de doble diafragma accionadas neumáticamente:

Ingersoll Rand y Wilden. Ambos ofrecen equipos destinados al manejo de lodos con alto

contenido de sólidos, equipados con válvulas antiretorno planas. Este tipo de válvula es el más

138

adecuado para el manejo de lodos ya que permite altas velocidades de flujo sin que su asiento se

vea afectado como sucede con las válvulas de bola.

Las condiciones de operación a partir de la cuales se evaluaron los modelos seleccionados se

encuentran expresadas en la tabla 4.39.

Tabla 4.39: Condiciones de operación de la bomba de lodos

Los valores de presión y consumo de aire obtenidos de las curvas características

suministradas por lo fabricantes se exponen en la tabla 4.39.

Tabla 4.40: Evaluación de fabricantes de bombas de diafragma

Ambas bombas tienen valores similares en cuanto al número de ciclos, presión y consumo de

aire y número de ciclos por minuto. Sin embargo, la bomba de Ingersoll Rand tiene un NPSHr

menor, por esta razón se escogió el modelo PD10.

4.5.5 Cálculo del NPSHa

Para el cálculo del NPSHa se despreció la caída de presión en la tubería de succión ya que

mide menos de 1.5ft y se conecta de forma recta al tanque. También se despreció el efecto del

nivel del tanque en la presión de succión ya que la diferencia entre los niveles mínimo y máximo

es de 2ft.

Parámetro unid. magnitudCaudal gpm 6.6Presión psig 30

unid. Wilden Ingersoll RandP200 PD10

Consumo de aire SCFM 5 5Presión de aire psig 34 40

NPSHr ft 13.6 7.5Desplazamiento

por ciclo gal 0.12 0.116

Ciclos ciclos/min 55 57

Parámetro

139

La tabla 4.41 muestra los resultados para la carga de aceleración de una bomba dúplex,

simple efecto y mezcla de agua con sedimentos, ya que es el caso más desfavorable.

Tabla 4.41: Cálculo de carga de aceleración

En el caso que la bomba maneje diesel la carga de aceleración disminuye, debido a que el

factor C sería igual a 2.

Tabla 4.42: NPSHa para bomba de doble diafragma Ingersoll Rand

Finalmente, se obtuvo que el margen de NPSH de 6.7. Por lo tanto, se comprobó que se

cumpliera la condición:

NPSHa NPSHr 6ft

4.6 Servicios requeridos por el sistema de tratamiento

En función de los equipos y válvulas se estableció el consumo y características de los

servicios requeridos por sistema para su operación. Se requiere de agua para la operación del

separador y lavado del diesel; aire comprimido para el accionamiento de la bomba de lodos y

válvulas; y de electricidad para la operación del válvulas solenoide, motores eléctricos y panel de

control.

Parámetro unid. MagnitudLongitud ft 130

Velocidad del fluido ft/s 2.5Velocidad del vástago ciclos/min 57

Factor C adim. 0.200Factor K adim. 1.5

Carga de aceleración ft 8.0

Parámetro unid. MagnitudPresión atmosférica psi 14.7Presión de vapor psi 2Cabezal de aceleración ft 8.0Altura de succión ft 1.5NPSHa ft 14.6

140

Se obtuvo que el separador requiere de 2.4m3/h de agua para el lavado del combustible, en

caso de que la concentración inicial de sodio y potasio sea mayor a 6ppm.

Por otra parte, se estableció que se necesita un suministro con una capacidad de 1L/s para realizar

las descargas de lodo, ya que la cámara de sustentación del pistón hidráulico tiene una capacidad

un poco menor a 1L, y la eyección se debe realizar en menos de un segundo. El consumo por

cada separador es de 24L cada hora, de los cuales 23L son utilizados para el lavado de los platos.

Finalmente, el sistema tiene un consumo total de agua de 2.5m3/h.

Se estableció que el sistema debe contar con un suministro de 6 SCFMD a una presión entre

90 y 140psi. Estas condiciones se estimaron de acuerdo a los cálculos realizados en el punto

4.5.4, dónde se determinó que la bomba de lodo requiere de 5 SCFM a una presión de 30psi.

Mientras que las válvulas neumáticas requieren de una presión entre 90 y 140 psi, con un

consumo despreciable de aire.

4.6.3 Electricidad

Los motores eléctricos de los separadores, cada uno con una potencia de 45W, requieren que

se suministre una corriente de 480VAC trifásica de 60Hz. Mientras que los motores de las

bombas tienen una potencia de 30kW cada uno, y requieren una corriente de 460VAC trifásica de

60Hz. Por lo tanto, se calculó que la potencia eléctrica consumida por los motores eléctricos es de

285kW. El suministro de la electricidad debe ser canalizado a través del panel de control en su

sección de potencia.

4.7 Designación de componentes de diagramas de tubería e instrumentos

La designación KKS de los equipos mecánicos principales se realizó siguiendo los siguientes

criterios:

Solo se emplearon los niveles de designación 1 y 2. El nivel 0 no es requerido, ya que

solo se está trabajó con un subsistema de la planta de generación, con el sistema de

tratamiento de combustible. Por otra parte, el nivel 3 no se empleó, ya que no es necesario

designar los componentes de equipos o accesorios.

141

La función del sistema de tratamiento se denomina “EGR”, que corresponde a sistemas de

remoción de residuos.

Las bombas, con sus válvulas y accesorios, se identificaron cada una como un módulo.

Por lo tanto, se diferenciaron con los dígitos 01, 02 y 03, previo a la denominación de la

función del sistema. Mientras que el módulo de purificación se identificó con el dígito 10:

La denominación “AP” se refiere a bombas, mientras “AT” corresponde a equipos de

separación y filtrado.

El primer dígito colocado después del código del sistema (EGR), corresponde al número

del equipo. Mientras que el segundo corresponde a la línea dónde está instalado.

Las líneas se denominaron de la siguiente manera:

1 Combustible sin tratar

2 Combustible tratado

3 Agua de la lavado y operación

4 Aire comprimido

5 Agua separada (aceitosa)

6 Lodo

7 Combustible fuera de especificación

Tabla 4.43: Designación KKS para equipos mecánicos principales

Equipo N° Identificación

Separador 1 10EGR11 AT001






Bomba de alimentación 1 01EGR11 AP001



Bombas de lodo 1 10EGR16 AP001

Bombas de lodo 2 10EGR26 AP001

142

CONCLUSIONES

Los sistemas de tratamiento con separadores centrífugos garantizan una eficiencia de

purificación constante de sodio, potasio y agua ante una composición variable del

combustible dentro de un rango establecido.

La concentración de sodio y potasio presente en el diesel es reducida un 40% por debajo del

nivel máximo establecido por el fabricante de los turbogeneradores mediante una solo etapa

de separación.

El agua contenida en el diesel fue reducida un 80% por debajo del nivel máximo permitido

por la turbina.

El efecto producido por la viscosidad del diesel, de 3.5 cSt, sobre las condiciones de

operación de la bomba centrífuga es despreciable.

El separador de tambor autolimpiante permite purificar combustibles con una concentración

de sólidos tres veces mayor que los separadores de tambor sólido sin necesidad de detener la

operación.

La eficiencia de las bombas al operar con 2, 4 o 5 separadores es superior a 68%, mientras

que para 1 o 3 separadores la eficiencia es menor a 60%.

La variación de cabezal registrada entre el caudal de operación y el caudal mínimo es de

11.4%.

Las plantas de generación eléctrica de ciclo simple o combinado destinadas a trabajar con

carga base deben emplear sistemas de purificación de combustible con separadores de platos

autolimpiantes para la purificación del combustible líquido.

Los sistemas de centrifugación de combustible diseñados bajo el esquema de módulos de

bombeo y purificación por separado requieren que se empleen bombas centrífugas para la

alimentación de los separadores.

La selección del separador se debe realizar en función del caudal de operación del sistema

para evitar el sobredimensionamiento del mismo.

143

Las bombas rotativas tienen un buen desempeño como bomba de alimentación en el caso de

módulos de tratamiento integrales, debido a no se requiere variar en el flujo de operación.

El proceso de centrifugación reduce de manera importante el tiempo requerido para la

purificación del los combustibles en comparación con los tanques de sedimentación, ya que

los tanques se requieren de horas, mientras que el separador purifica el producto de manera

instantánea.

144

RECOMENDACIONES

Garantizar que la presión del agua de operación se encuentra entre 90 y 140psi ya que de ello

depende que las descargas puedan ser realizadas correctamente.

Se debe realizar un análisis del combustible que permita determinar concentraciones de

vanadio menores a 0.5ppm

El diámetro del tramo principal del múltiple de succión de la bomba debe ser por lo menos

2” mayor que el diámetro de los ramales para evitar la succión preferencial de alguna de las

bombas y reducir las pérdidas.

El detector de agua debe ser fijado a 200ppm, y no a 1000ppm. Esto permite determinar si la

eficiencia del separador disminuye.

Emplear programas de flujo en tuberías para simplificar los cálculos de caída de presión en

tuberías.

Incluir en el sistema una línea de retorno desde el tanque de combustible tratado hasta el

tanque de combustible sin tratar, para poder purificar el combustible ante una posible

contaminación del tanque de diesel limpio.

145

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147

ANEXO A

Tabla A: Formato para la recolección de datos del sistema

Proyecto:Combustible Diesel Sistema Lote O Continuo OConcentración Na+K 6 ppm Caudal de diseño 264 m3/hConcentración vanadio <1 ppm Caudal de operación 240 m3/hContenido de sedimentos - %v/v Tiempo de operación - hContenido de agua 0.1 %v/v Tanque de combustible sin tratar

Viscosidad cinemática @Tmin - cSt Presión de operación 14.7 psiViscosidad cinemática @ 40°C 3.5 cSt Altura de operación 33.0 ftViscosidad cinemática @Tprm - cSt HHLL 37.7 ftViscosidad dinámica @ 40°C 2.9 cP LLLL 2.7 ftDensidad @15°C 857.3 kg/m3 Elevación del tanque 4.5 ftDensidad @30°C 846.9 kg/m3 Elevación de la brida 2.2 ftDensidad @40°C 839.6 kg/m3 Ambiente

Gravedad específica @40°C 0.8418 Temp ambiente mín 30 °CPunto de inflamación 74 °C Temp ambiente prom 35 °CPunto de enturbiamiento -16 °C Temp ambiente máx 40 °CPresión de vapor 0.14 bar Presión absoluta 14.7 psiTurbogenerador

Consumo combustible 43255 kg/hMarca: Siemens <1000 ppmModelo: SGT6 5000F Concentración Na+K <0.5 ppmCantidad: 2 Concentracion Va <0.5 ppm

Contenido de agua

Termozulia III

DATOS PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE COMBUSTIBLE LÍQUIDO

SOLICITADOS AL CLIENTE

148

ANEXO B

Tabla B: Capacidades para distintos modelos de separadores GEA Westfalia Separator

GO: gasoil

MDO: diesel marino

DMA/B/X: diesel marino tipo A/B/X

Descripción GO/MDO MDO IF 30 IF 80 IF 180 IF 380 IF 480 IF 500 IF 600 IF 700Viscosidad cinemática (mm2/s) a 40°C ≤ 6 ≤ 14 - - - - - - - -Viscosidad cinemática (mm2/s) a 50°C - - 30 80 180 380 420 500 600 700Viscosidad cinemática (mm2/s) a 100°C - - 7 15 25 35 40 45 50 55

RMG 380DMX DMB RMA 30 RME 180 RMH 380 RMH 700DMA DMC RMB 30 RMD 80 RMF 180 RMK 380 RMK700

Temperatura de separación (°C) 20 40 75 98 98 98 98 98 98 98

l/h l/h l/h l/h l/h l/h l/h l/h l/h l/hOSE 5/3 1690 1300 1300 1300 1100 680 600 470 420 390OSE 5/4 2280 1750 1750 1750 1470 910 810 630 560 530OSE 5/5 2990 2300 2300 2300 1940 1200 1060 830 740 690OSE 10/6 4230 3250 3250 3250 2530 1690 1500 1170 1040 980OSE 10/8 5200 4000 4000 4000 3360 2080 1840 1440 1280 1200OSE 10/10 5980 4600 4600 4600 3870 2400 2120 1660 1480 1380OSE 20/15 8450 6500 6500 6500 5460 3380 2990 2340 2080 1950OSE 20/18 10730 8250 8250 8250 6930 4290 3800 2970 2640 2480OSE 20/20 13000 10000 10000 10000 8400 5200 4600 3600 3200 3000OSE 40/25 16250 12500 12500 12500 10500 6500 5750 4500 4000 3750OSE 40/30 19500 15000 15000 15000 12600 7800 6900 5400 4800 4500OSE 40/35 22750 17500 17500 17500 14700 9100 8050 6300 5600 5250OSE 40/40 26000 20000 20000 20000 16800 10400 9200 7200 6400 6000OSE 80/50 32500 25000 25000 25000 21000 13000 11500 9000 8000 7500OSE 80/60 39000 30000 30000 30000 25200 15600 13800 10800 9600 9000OSE 80/70 45500 35000 35000 35000 29400 18200 16100 12600 11200 10500OSE 80/80 52000 40000 40000 40000 33600 20800 18400 14400 12800 12000OSE 120/100 65000 50000 50000 50000 42000 26000 23000 18000 16000 15000OSE 120/120 78000 60000 60000 60000 50400 31200 27600 21600 19200 18000

Sistemas GEA Westfalia Separator

ISO (estándar 8217) ISO-F

Modelo de separadorCapacidad para una etapa de separación

Diesel Combustible ResidualCapacidades óptimas de combustibles para Plantas de Generación de Potencia

149

ANEXO C

Tabla C: Hoja de datos de separador OSE80/80

Velocidad de giro 6800 rpm Potencia 45 kWCaudal nominal 52 m3/h Velocidad 1800 rpmPresión de alimentación mín. 3.0 bar Voltaje 480 VACDescarga del combustible máx. 3.0 bar Frecuencia 60 HzDescarga del agua máx. 4.0 bar Tipo IMV1Viscosidad @ 40°C mín/máx 3/5 cSt Protección IP55Densidad @ 15°C mín/máx 0.85/0.87 kg/m3 Transmisión Correa Temperatura máx/mín 40/15 °CTemperatura de vaporización ˃70 °C Embrague Hid.

Entrada A 1.611 mConcentración máx. de Na + K 6 ppm B 0.867 mSalida C 1.503 mConcentración de Na + K ≤ 0.5 ppmConcentración de agua ≤ 200 ppm

Agua de operación/lavado

Capacidad mín. 3.6 m3/hConsumo máx. 2.5 m3/hPresión mín/máx 5.0-10 barDureza (CaCo3) 180 mg/kgIones cloruro <100 mg/kgPH 6Concentración de Na + K <5 ppmSólidos en suspensión <50 mg/kg Tambor 25 LTamaño de partícula <50 μm Recinto de lodo 11 LAire comprimido

Presión mín/máx 6.0-10.0 bar

Dimensiones internas

Volumen efectivo recinto de lodo 8.25 L

HOJA DE DATOS DEL SEPARADOR CENTRÍFUGO

Condiciones de operación Motor

Condiciones de separación Dimensiones externas

Servicios (5 separadores)

Modelo: OSE 80/80 Tipo de tambor: platos/autolimpiante

150

ANEXO D

Figura D: Curva de válvula reductora de presión OCV 127-3

151

ANEXO E

Figura E.1: Curva característica de bomba Goulsdpumps 3700 3x6-9 SA

152

Tabla E.1: Evaluación de bomba Gouldspumps modelo 3x6-9 SA

Fluido: Diesel1) % del BEP

Qrated = 572 gpmQBEP = 610 gpm

Qrated/QBEP = 93.8 % entre 80-110%

2) % del BEP

Qnormal = 528 gpmQBEP = 610 gpm


Qrated @ máx imp = 528.3 gpmQ @EOF = 1030 gpm

Qrated @mi/Q @EOF = 51.3 % si cumple criterio <=85%

Hshutoff = 215 ftHrated o TDH = 185.2 ft

Hso/Hrated = 116.1 % entre 110-120%

ϕmin = 6.5 inϕdiseño = 7.4 inϕmáximo = 9.25 in

ϕdis/ϕmin= 113.8 % sí cumple criterio >=110%

ϕdis/ϕmáx = 80.0 % si cumple criterio <=90%

TDH a impulsor máx = 362 ftTDHrated = 185.2 ft

TDHim/TDHrated = 195.5 % sí cumple criterio >=105%

7) Eficiencias

η @Qmín = % si es especificadoη @Qnor = 72.5 %η @Qmáx = % si es especificado

NPSHd = 35.4 ftNPSHr = 17.2 ft

NPSHd - NPSHr = 18.2 ft sí cumple criterio >3 ft

Q mfc = 188 gpm0.45*QBEP = 274.5 gpm

Velocidad de giro = 3560 RPMCaudal @BEP, máx imp = 825 gpmNPSHr @BEP, máx imp = 20 ft

Nss = 10812 sí cumple criterio Nss <=11.000

11) Materiales de construcción:según Norma API-610Caudal = 572 gpmHrated = 185.2 ft 12) Tipo de sello mecánico:según Norma API-682

S.G. = 0.8418η = 0.725 13) Plan de lavado del sello:

BHP = 31.1 Hp

Criterio API-610 = 35.7 Hp 14) Tipo de bomba según API-610/ANSI:Motor Selec 40.0 Hp( 29.8 Kw)

S-8

C2-TA-A1

51

API-OH2

8) Margen de NPSH

9) Mínimo Flujo Continuo

10) Velocidades específica en la succión

11) Potencia al freno

5) Tamaño del impulsor

4) Incremento del Shutoff

3) Caudal a EOF

6) Punto 2.14 según API-610

Modelo: 3x6-9 SAMarca: Gouldspumps

153

Figura E.2: Curva característica de bomba Flowserve modelo 4HPX8A

154

Tabla E.2: Evaluación de bomba Flowserve 4HPX8A

Fluido: Diesel1) % del BEP

Qrated = 572 gpmQBEP = 688.9 gpm


2) % del BEP

Qnormal = 528 gpmQBEP = 688.9 gpm


Qrated @ máx imp = 528.3 gpmQ @EOF = 975 gpm

Qrated @mi/Q @EOF = 54.2 % si cumple criterio <=85%

Hshutoff = 208.1 ftHrated o TDH = 185.2 ft

Hso/Hrated = 112.4 % entre 110-120%

ϕmin = 6.5 inϕdiseño = 7 inϕmáximo = 8.4 in

ϕdis/ϕmin = 107.7 % no cumple criterio >=110%

ϕdis/ϕmáx = 83.3 % si cumple criterio <=90%

TDH a impulsor máx = 320 ftTDHrated = 185.2 ft

TDHim/TDHrated = 172.8 % sí cumple criterio >=105%

7) Eficiencias

η @Qmín = % si es especificadoη @Qnor = 77.6 %η @Qmáx = % si es especificado

NPSHd = 35.4 ftNPSHr = 15.2 ft

NPSHd - NPSHr = 20.2 ft sí cumple criterio >3 ft

Q mfc = 200 gpm0.45*QBEP = 310.0 gpm

Velocidad de giro = 3560 RPMCaudal @BEP, máx imp = 820 gpmNPSHr @BEP, máx imp = 19.7 ft

Nss = 10902 sí cumple criterio Nss <=11.000

11) Materiales de construcción:según Norma API-610Caudal = 572 gpmHrated = 185.2 ft 12) Tipo de sello mecánico:según Norma API-682

S.G. = 0.8418η = 0.776 13) Plan de lavado del sello:

BHP = 29.0 Hp

Criterio API-610 = 33.4 Hp 14) Tipo de bomba según API-610/ANSI:Motor Selec 40.0 Hp( 29.8 Kw)

5) Tamaño del impulsor

4) Incremento del Shutoff

3) Caudal a EOF

6) Punto 2.14 según API-610

Modelo: 4HPX8AMarca: Flowserve

S-8

C2-TA-A1

51

API-OH2

8) Margen de NPSH

9) Mínimo Flujo Continuo

10) Velocidades específica en la succión

11) Potencia al freno

155

ANEXO F

Figura F: Corrección por fluido viscoso

156

ANEXO G

Cálculo de caída de presión en el múltiple de alimentación del módulo de separadores.

Cálculo de factor de fricción por diagrama de Fanning

Tabla G.1: Factor de fricción para el múltiple de alimentación

Tabla G.2: Cálculo de pérdidas primarias en múltiple de alimentación

Tramo Diámetro Caudal Velocidad Re ffanning ε/D Retur ftur

[in] [gpm] [ft/s] [adim] [adim] [adim] [adim] [adim]1 7.981 1056.8 6.8 119640 0.0045 0.0002 6*10^6 0.00352 7.981 1056.8 6.8 119640 0.0045 0.0002 6*10^6 0.00353 7.981 845.4 5.4 95712 0.0050 0.0002 6*10^6 0.00354 7.981 634.1 4.1 71784 0.0050 0.0002 6*10^6 0.00355 7.981 422.7 2.7 47856 0.0055 0.0002 6*10^6 0.00356 7.981 211.4 1.4 23928 0.0060 0.0002 6*10^6 0.00357 4.090 211.4 5.2 46688 0.0060 0.0004 1.25*10^6 0.0045

Diámetro Longitud Velocidad ffanning hf ∆P [in] [ft] [ft/s] [adim] [ft] [psi]

1 7.981 7.4 6.8 0.005 0.143 0.0522 7.981 5.6 6.8 0.005 0.108 0.0403 7.981 5.6 5.4 0.005 0.077 0.0284 7.981 5.6 4.1 0.005 0.043 0.0165 7.981 5.6 2.7 0.006 0.021 0.0086 7.981 5.6 1.4 0.006 0.006 0.0027 4.090 9.8 5.2 0.006 0.287 0.105

Total 0.684 0.251

Tramo

157

Tabla G.3: Corrección de coeficiente de resistencia en múltiple de alimentación

Tabla G.4: Cálculo de pérdidas secundarias en múltiple de alimentación

Tabla G.5: Pérdidas por elevación en múltiple de alimentación

Caudal Velocidad K Kreal

[GPM] [ft/s] [adim] [adim]1 Válvula Mariposa 1 1056.8 6.8 0.63 0.811 Reducción 1 60 1 7.981 6.067 1056.8 6.8 0.45 0.571 Expansión 60 1 7.981 6.067 1056.8 6.8 0.53 0.691 Placa orificio 1 7.981 6.067 1056.8 6.8 2.19 2.812 Te Línea 2 1056.8 6.8 0.28 0.363 Te Línea 1 845.4 5.4 0.28 0.364 Te Línea 1 634.1 4.1 0.28 0.405 Te Línea 1 422.7 2.7 0.28 0.406 Te Línea 1 211.4 1.4 0.28 0.447 Te Ramal 1 211.4 5.2 0.26 0.357 Válvula Aguja 1 211.4 5.2 0.081 0.117 Válvula Bola 1 211.4 5.2 0.050 0.077 Reducción 2 60 1 4.090 3.068 211.4 5.2 0.49 0.65

4.090

7.981

7.9814.0904.090

Tramo Accesorio Tipo Cantidad Diámetro[in]

7.981

7.9817.9817.981

hf ∆P [ft] [psi]

1 1.48 0.5432 0.51 0.1893 0.16 0.0604 0.10 0.0385 0.05 0.0176 0.01 0.0057 0.49 0.178

Total 2.80 1.029

Tramo

Z1 Z5 ∆P[ft] [ft] [psi]0 7.9 1.8

158

Tabla G.6: Pérdidas totales en el múltiple de alimentación

Cálculo de caída de presión en la tubería de conexión entre el tanque de diesel sin tratar y el

módulo de bombeo para un diámetro de tubería de 10”.

Tabla G.7: Factor de fricción para tubería de 10”

Tabla G.8: Coeficientes de resistencia en tubería tanque-bombas de 10”

hf ∆P [ft] [psi]

Primarias 0.7 0.3Secundarias 2.8 1.0

Cota 7.9 1.8Totales 11.4 3.0

Perdidas


[in] [gpm] [ft/s] adim adim adim adim adim1 9.980 1057 4.3 95669 0.0050 0.0002 6*10^6 0.003252 9.980 1057 4.3 95669 0.0050 0.00018 6*10^6 0.003253 9.980 1057 2.2 47835 0.0060 0.00018 6*10^6 0.003254 9.980 528 2.2 47835 0.0060 0.00018 4*10^6 0.00350

Caudal Velocidad K KRebajo

[gpm] [ft/s] adim adim1 Entrada Proyectada 1 1057 4.3 0.78 1.201 Válvula Compuerta 1 1057 4.3 0.11 0.171 Codo 45° 4 1057 4.3 0.22 0.341 Codo 90° 6 1057 4.3 0.16 0.252 Te Línea 1 1057 4.3 0.26 0.403 Te Línea 1 528 2.2 0.26 0.484 Te Ramal 1 528 2.2 0.84 1.444 Válvula Mariposa 1 528 2.2 0.63 1.084 Filtro 0.01bar 1 528 2.2 - -4 Reducción 1 60 1 9.980 6.065 528 2.2 1.63 2.80

9.9809.9809.980

9.9809.9809.9809.9809.9809.980

Tramo Accesorio Tipo CantidadDiámetro

[in]

159

Tabla G.9: Pérdidas primarias en tubería tanque-bombas de 10”

Tabla G.10: Pérdidas secundarias en tubería tanque-bombas de 10”

Tabla G.11: Pérdidas totales en tubería tanque-bombas de 10”

Cálculo de caída de presión en la tubería de conexión entre el tanque de diesel sin tratar y el

módulo de bombeo para un diámetro de tubería de 12”.

Tabla G.12: Factor de fricción para tubería tanque-bombas de 12”

Tramo Diámetro Longitud Velocidad Re ffanning hf ∆P [in] [ft] [ft/s] adim adim [ft] [psi]

1 9.980 197.0 4.3 95669 0.005 1.382 0.5082 9.980 9.8 4.3 95669 0.005 0.069 0.0253 9.980 9.8 2.2 47835 0.006 0.021 0.0084 9.980 11.5 2.2 47835 0.006 0.024 0.009

Total 1.496 0.549

Tramo hf ∆P [ft] [psi]

1 1.23 0.452 0.12 0.043 0.04 0.014 0.39 0.29

Total 1.77 0.79


Total 3.3 1.3


[in] [gpm] [ft/s] adim adim adim adim adim1 11.874 1057 3.1 80412 0.0055 0.00015 6*10^6 0.003252 11.874 1057 3.1 80412 0.0050 0.00015 6*10^6 0.003253 11.874 1057 1.5 40206 0.0060 0.00015 6*10^6 0.003254 9.980 528 2.2 47835 0.0060 0.00018 4*10^6 0.00350

160

Tabla G.13: Cálculo coeficientes de resistencia para tubería tanque-bombas de 12”

Tabla G.14: Pérdidas primarias en tubería tanque-bombas de 12”

Tabla G.15: Pérdidas secundarias en tubería tanque-bombas de 12”

Tabla G.16: Pérdidas totales en tubería de 12”

Caudal Velocidad K KRebajo

[gpm] [ft/s] adim adim1 Entrada Proyectada 1 240 3.1 0.78 1.321 Válvula Compuerta 1 240 3.1 0.11 0.191 Codo 45° 4 240 3.1 0.22 0.371 Codo 90° 6 240 3.1 0.16 0.272 Te Línea 1 240 3.1 0.26 0.403 Te Línea 1 120 1.5 0.26 0.484 Te Ramal 1 120 2.2 0.84 1.444 Válvula Mariposa 1 120 2.2 0.63 1.084 Filtro 0.01bar 1 120 2.2 - -4 Reducción 2 60 1 9.980 6.065 120 2.2 1.63 2.804 Reducción 1 60 1 11.874 9.980 120 1.5 0.21 0.36

9.9809.9809.980

11.87411.87411.87411.87411.87411.874

Tramo Accesorio Tipo CantidadDiámetro

[in]

Tramo Diámetro Longitud Velocidad Re ffanning hf ∆P [in] [ft] [ft/s] adim adim [ft] [psi]

1 11.874 197.0 3.1 80412 0.0055 0.64 0.232 11.874 9.8 3.1 95669 0.0050 0.03 0.013 11.874 9.8 1.5 47835 0.0060 0.01 0.004 9.980 11.5 2.2 47835 0.0060 0.02 0.01

Total 0.70 0.25


1 0.67 0.242 0.06 0.023 0.02 0.014 0.41 0.30

Total 1.16 0.57


Total 1.9 0.8

161

ANEXO H

Tabla H: Fallas del separador y sus posibles causas

Falla Posibles causas Solución

El tambor no alcanza la

velocidad de diseño o le

lleva mucho tiempo hacerlo

El freno está aplicado Quitar el freno

La correa desliza por presencia

de aceite lubricante

Limpiar la correa. De no

funcionar reemplazar la correa

La correa desliza debido su

estiramiento Reemplazar la correa

El motor fue conectado

incorrectamente Revisar las conexiones

La correa fue instalada

incorrectamente

Verificar la posición de la correa

en ambos ejes

Alto nivel de aceite en el

embrague hidráulico

Retirar aceite del embrague hasta

alcanzar el nivel recomendado

La velocidad del tambor cae

durante su operación

La correa desliza por

estiramiento Reemplazar la correa

La velocidad del motor

disminuye durante la operación

Revisar el motor y el voltaje de

la línea

Las superficies del embrague

están aceitosas Limpiar las superficies

162

Continuación Tabla H


La corriente de arranque

supera el valor permitido

El nivel de aceite en el

embrague es bajo Llenar el embrague

Vibración del equipo al

operar

Incorrecto ensamblado del

tambor

Detener el separador bajo el

protocolo establecido

Desarmar el tambor y limpiarlo.

Reemplazar parte en caso de ser

necesario y ensamblar de nuevo el

tambor de forma correcta

Bajo nivel de compresión

del conjunto de platos

Partes dañadas

El tambor no abre o abre

parcialmente

El tiempo de alimentación

de agua de operación es

muy corto

Establecer el tiempo de 3-4

segundos

El filtro del agua de

operación está obstruido Cerrar la válvula, y limpiar el filtro

Bajo flujo de agua de

operación

Verificar el consumo establecido de

agua establecido, y la presión

requerida

La válvula solenoide no

funciona Reemplazar la válvula

Sistema hidráulico

obstruido

Desarmar el tambor y limpiar el

sistema

Sellos o empaquetaduras

dañadas

Reemplazar los sellos y

empaquetaduras

163

Continuación Tabla H


El tambor no es limpiado

completamente,

permanecen sólidos en el

separador

Bajo flujo de agua de operación

Revisar la presión de la

línea de agua,

El tiempo de separación establecido

es muy extenso

Disminuir el tiempo de

separación

El tambor se abre durante la

operación fuere del tiempo

establecido

El pulso de agua de cierre es muy

breve o muy extenso

Corregir el impulso de

agua de cierre

164

ANEXO I

Figura I. Diagrama de tuberías e instrumentación del módulo de purificación

SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE PAQUETES DE CENTRIFUGACIÓN DE...

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