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
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.
iv
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.
v
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
vi
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
vii
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
viii
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
ix
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
x
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
xi
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
xii
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
xiii
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
xiv
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
xv
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
xvi
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
xvii
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolos
β
Relación de diámetros
[adim.]
η
Eficiencia
ρ
Densidad
C
Constante del tipo de bomba reciprocante
Di
Diámetro interno
f’
Factor de fricción de Moody
[adim.]
f
Factor de fricción de Fanning
[adim.]
g
Gravedad
ha
Carga de aceleración
[ft]
hf
Carga por fricción
[ft]
k
Coeficiente de resistencia
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
N
Número de tanques
[%]
[kg/m3]
[adim.]
[in]
[m/s2] ó [ft/s2]
[adim.]
[kg/s]
[adim.]
xviii
Ns
Velocidad específica del impulsor
[rpm*gpm0.5/ft0.75]
Nss
Velocidad en la succión
[rpm*gpm0.5/ft0.75]
n
Velocidad de giro
Pa
Presión atmosférica
Q
Caudal
Re
Número de Reynolds
t
Tiempo
V
Velocidad
[ft/s]
V’
Volumen del recinto de lodo
[gal]
Vº
Caudal de combustible
X
Concentración
[rpm]
[psi]
[m3/h] ó [gpm]
[adim.]
[h]
[gpm]
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
xix
máx
máximo
op
operación
sed
sedimentos
sep
separador
tag
Turbina a gas
tur
turbulento
tam
tambor
vap
vaporización
vc
Válvula de control
xx
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”
xxi
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.
GERENCIA GENERAL
VENTAS E
IMPORTACIONES
COMPRAS Y
PROCURA
ANALISTA DE
VENTAS E
IMPORTACION
ES
SERVICIO
POST-VENTA
ASESORÍA
LEGAL
PROYECTOS
ADMINISTRACIÓN
ASESORÍA
CONTABLE
ANALISTA DE
PROYECTOS*
SERVICIO
TÉCNICO
RELACIONES
PÚBLICAS
ASISTENTE
ADMINISTRATIVO
Figura 1.1: Estructura Organizativa de la empresa
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
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.
s
Sg
w
m
Ecuación 2.2


V
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.
Sg
s
Ecuación 2.3
w
 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.
Tanque de combustible sin tratar
Filtrado
Bombeo de producto
Agua de
operación
Aire
comprimido
Lodos
Planta de tratamiento del
combustible con Separadores
centrífugos (purificación, eliminación
de sales)
Agua
aceitosa
Analizador
No
Si
Tanque de combustible tratado
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
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.
Tanque de combustible sin tratar
Filtrado
Bombeo de producto
Precalentamiento
Agua de
operación
Aire
compromido
Lodo
Planta de tratamiento de
combustible con Separadores
centrífugos (purificación, eliminación
de sales)
Agua
aceitosa
Analizador
No
Si
Tanque de combustible tratado
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.
La primera etapa comprende por varios procesos:
19
 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
Tanque de combustible sin tratar
Filtrado
Bombeo de producto
Precalentamiento
Lavado
Mezclado multietapas
Agua de
operación
Aire
compromido
Primera etapa de tratamiento
Lavado
Mezclado multietapas
Agua de
operación
Aire
compromido
Lodos
Agua
aceitosa
Segunda etapa de tratamiento
Lodos
Agua
aceitosa
Analizador
No
Si
Tanque de combustible tratado
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.
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
Tamaño de partícula
[μm]
Sólido
0.5-500
Autolimpiante
0.5-500
Tipo de tambor
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
Contenido de sólidos
[%v/v]
Sólido
0-3
Autolimpiante
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
6.
Bastidor
10.
Bloque de válvula solenoide
2.
Doble bomba centrípeta
7.
Visor para nivel de aceite
11.
Embrague hidráulico
3.
Capó
8.
Visor de transmisión
12.
Motor
5.
Tambor
9.
Freno
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
3. Conjunto de platos
1. Tambor
4. Recinto de lodos
2. Distribuidor
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
4
Bomba centrípeta de fase ligera
2
Descarga de fase ligera
5
Bomba centrípeta de fase pesada
3
Descarga 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
2. Pistón anular
B
Descarga
3. Pistón de cierre
1.
Agua de operación
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.
Existen dos tipos de descarga de lodo:

31
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
3 Correa
2 Embrague hidráulico
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:
tsep
V´
60 100
V°p
34
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.
La Figura 2.17 muestra el diagrama de la instalación básica del separador.
1 Combustible sin purificar
4 Agua separada
2 Combustible purificado
5 Lodos y agua de operación y lavado
36
3 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
Ns
N Q
H
3
4
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
3.
Caja espiral o voluta
2.
Corona directriz
4.
Tubo difusor
Figura 2.20: Componentes de la carcasa de un centrífuga bomba
41

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.
H
P z  PA
 g
 Zz  ZA  Hf
Ecuación 2.7
42
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:
P
 gH
Ecuación 2.8
Si se aplica a la ecuación 2.6, se obtiene:
P


PZ  PA   g ZA  ZA  Hf
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:


Ph
Ecuación 2.10
Pa
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:
Pa
2 
nM
60
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
Potencia hidráulica: denominada también potencia útil ya que está relacionada con la
energía transmitida al fluido, y viene dada por la siguiente expresión:
Ph
Q  gHb
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.
Para una bomba instalada en carga se tiene la siguiente ecuación:
NPSHamin
 Ptanq  Pv  h
s  hf
 g
44
Ecuación 2.13
Mientras que para un sistema en aspiración la expresión cambia a.
NPSHamin
 Ptanq  Pv  h
s  hf
 g
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
NPSHa  0
NPSHa  NPSHr  1m
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:
Nss
N Q
NPSHr
3
4
Ecuación 2.17
Experimentalmente se han determinado rangos de velocidad específica en la succión entre
45
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
La figura 2.22 muestra una curva típica proporcionada por fabricantes de bombas.
46
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.
70% 
Qop
Qpme
100  120%
Ecuación 2.18
 El caudal de diseño debe estar ubicado entre el 80 y 110% del PME.
80% 
Qd
Qpme
100  110%
Ecuación 2.19
 Debe ser posible un incremento mínimo de 5% de la altura nominal mediante la instalación
de un impulsor de mayor diámetro o diferente diseño.
Hmi
 105%
Hop
Ecuación 2.20
50
 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%.
70% 
Qop
Qbep
 120%
Ecuación 2.21
 El caudal de operación debe ser menor al 85% del máximo caudal a máximo impulsor Qeof.
80% 
Qd
Qbep
 110%
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
Potencia nominal
del motor
[kW]
[hp]
<22
<30
22-55
30-75
˃55
˃75
Porcentaje de la potencia
de la bomba
[%]
125
115
110
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%.
D
Dmax
 90%
Ecuación 2.23
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
7. Collar de arrastre
13. Adaptador
2. Sello terciario (O-ring)
8. Tornillo de arrastre
14. Empaque
3. Anillo primario
9. Espaciadores
15. Collar conductor
4. Fuelle
10. Tornillo del collar
16. Retenedor
5. Camisa
11. Brida
17. Disco
6. Sello secundario (O-ring)
12. Resortes
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.
Los tipos de arreglo son los siguientes:
53
 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.
Tabla 2.4: Planes API de lubricación y limpieza de sellos mecánicos
54
Característica del
Acción requerida Planes API
fluido
Limpio
Lubricación
1, 11, 12, 13, 14
Lubricación y
Alta temperatura
2, 21, 22, 23
enfriamiento
Abrasivo
Lubricación
31, 32
Abrasivo a alta
Lubricación y
41
temperatura
enfriamiento
peligrosos: ácidos,
tóxicos,
Seguridad
51, 52, 53, 54
inflamables
Control de
Vapor y otros
61, 62
emisiones
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.
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
4. Diafragma plano
2. Cámara de bombeo
5. Vástago
3. Válvula de succión
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
3. Válvula de succión
6. Émbolo
4. Válvula de descarga
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.
Este tipo de bomba presenta las siguientes características:
60

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
3.
Válvula de succión
4.
Válvula de descarga
7. Vástago
5.
Diafragma
8. Suministro de aire
6.
Cámara
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
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.
NPSHamin
Pa  Pvp

 hs 
2
2
hamax  hfmax
Ecuación 2.23
La carga de aceleración (hamax),
hamax
LVn C
k g
Ecuación 2.24
Carga de fricción hfmax:
2
hfmax
L Vmax
f 
D 2 g
Ecuación 2.25
Dónde la velocidad máxima (Vmax) para bombas dúplex viene dada por:
Vmax

2
Vt
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.
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:
V
4Q

2
D
Ecuación 2.27
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)
DIÁMETRO NOMINAL DE TUBERÍA
≤2
3 A 10
10 A 20
HIDROCARBUROS LÍQUIDOS
in
in
in
viscosidades normales
VELOCIDAD DEL FLUIDO
ft/s
ft/s
ft/s
Succión de bomba
1.5 a 2.5
2a4
3a6
Cabezal de descarga (largo)
2.5 a 3.5
3a5
4a7
Conexiones de descarga (corta)
4a9
5 a 12
8 a 12
Drenajes
3a4
3a5
-
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.
68
P
total
P
Ecuación 2.28
hid  P acc  P fric
La ecuación de Bernoulli nos permite identificar cada uno de los términos:
P
total
 Z2  Z1  2   V22  V12  2   f  D 
 g
1
1
L
Ecuación 2.29
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:
69
2
L V
f 
D 2 g
hf
Ecuación 2.30
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
1
f

 k  2.51 

 3.7 D Re f 
2 log
Ecuación 2.31
Poiseuille: para Re < 2000
f
64
Re
Ecuación 2.32
También es común emplear el factor de Fanning f´, el cual se relaciona con el factor de
Moody f mediante la siguiente expresión:
f
4 f´
Ecuación 2.33
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:
Re
 VD

Ecuación 2.34
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:
hf
2
V
k
2g
Ecuación 2.35
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:
k´
 f´ 
ktur

 ftur 
Coeficiente de resistencia para flujo laminar k´´, con Re <100:
Ecuación 2.36
71
k´´
 f´´   Re
ktur

 ftur  1000
Ecuación 2.37
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.

d1
2
d2
2
Ecuación 2.38
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:
k2
k1

2
Ecuación 2.39
El coeficiente de las contracciones graduales se calcula de acuerdo al ángulo del cuello.
Figura 2.33. Reducción gradual
Para θ ≤ 45°
72

2

2
k1
0.8 1  
k1
0.5  1  
 sin  
Ecuación 2.40

Ecuación 2.41
2
Para 45° < θ < 180°
 
sin 
2
Al igual que las contracciones, el coeficiente de las expansiones depende del
ángulo del cuello.
Figura 2.34. Expansión gradual
Para θ ≤ 45°
k1

2.6  1  
 sin  
2
2
Ecuación 2.42
Para 45° < θ < 180°
k1
 1   2 2
Ecuación 2.43
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:
k
1
2
2
4
C 
Ecuación 2.44
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.
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:
k
ctteftur
2.45
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.
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
0
clasificación
Nombre del
nivel de Instalación
clasificación
Designación
del caracter
G
de dato
Tipo del
caracter de (A) o (N)
dato
A = símbolo alfabético
N = símbolo numérico
( ) = pueden ser omitidos
1
2
3
Función
Equipo
Componente
F0 F1 F2 F3 FN
A1 A 2 AN
A3
(N) A A A N N
A A N N N (A)
B1 B2 BN
A A N N
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
Niveles
0
1
2
3
A o N N AAANN AANNNA AANN
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
Niveles
0
1
2
3
A o N N AAANN AANNNA AANN
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
Niveles
0
1
2
3
A o N N AAANN AANNNA AANN
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
Niveles
0
1
2
3
A o N N AAANN AANNNA AANN
 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.
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
Niveles
0
1
2
3
A o N N AAANN AANNNA AANN
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
80
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
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:
Vct
Ntagtop 
mtag

Ecuación 3.1
Luego, se obtuvo el volumen de combustible sin tratar.
Vcst
3Vct
Ecuación 3.2
Finalmente, se estableció el caudal recomendado para el sistema.
Qop
Vct
tllenado
Ecuanción3.3
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
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
Xn 1
 sep Xn
Ecuación 3.4
Donde “n” corresponde al número de etapas

Se comparó la concentración obtenida con la requerida por la turbina hasta que se
cumplió la relación
Xn1  Xtag

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
Qlavado
0.5%Qop
Ecuación 3.6
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.
Nsep
op
Qop
Qsep
Ecuación 3.7
88
Separadores en reserva
0.20 Qop
Nsep
re
Qsep
Ecuación 3.8
Por último, se calculo el flujo mínimo de operación.
Qop
min
Qop
Nsep
Ecuación 3.9
op
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.
89
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.
P
vc
P
Qopmin
P
Qopmax
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

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.
4Q
V


Luego, se determinó el número de Reynolds a partir de la ecuación 2.24
Re

2
Di
 VD

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
hf

2
L V
f 
D 2 g
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
 fmix
kmix ktur

ftur


91
 Luego, se calculó la caída de cabezal mediante la expresión 2.35.
2
V
k
2g
hf

Se calculó la pérdida por elevación

Finalmente, se sumaron las pérdidas y se llevó a caída de presión
P
 hf  z 
 g
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
Se elaboró la Tabla 3.1 para recoger los datos requeridos.
Tabla 3.1: Cálculo del cabezal de la bomba
Descripción
Símbolo Unid. Magnitud
Presión de entrada del
Pesep
psi
separador
Caída de presión por
∆Pma
psi
fricción
Caída de presión por
∆Pvc
psi
válvula reductora
Contingencia
∆Pcont
psi
Cabezal de la bomba
Hb
ft
Se empleó la siguiente expresión para el cálculo del cabezal de la bomba.
Hb

Psep  P ma  P vc  P cont
 Hd
 combg
Ecuación 3.12
Rango de aplicación
Se calculó el caudal para módulos de bombeo con varias bombas.
QN
Qop
b
Nb
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
93

Velocidad específica del impulsor
Se calculó la velocidad específica del impulsor para cada uno de los casos mediante la
ecuación 2.7.
Ns
N  QN
b
H
3
4
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
Tabla 3.2. Datos del tanque de combustible sin tratar y tubería de conexión
Descripción
Presión de operación del tanque
Símbolo unid. Magnitud
Pop tanq psia
Presión máxima de operación del tanque
Pmax tanq psia
Elevación del tanque
Elevación de la brida del tanque
Nivel mínimo del tanque
Nivel de operación del tanque
Nivel máximo del tanque
Elevación de la base de la bomba
Elevación de la succión de la bomba
Htanq
ft
Hdesctanq
LLLL
Hop
HHLL
Hfund
ft
ft
ft
ft
ft
Hsuc
ft
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
Descripción
Diámetro
Longitud Cantidad
Nominal Interno
[in]
[in]
[ft]
Tubería
Válvula de
compuerta
Codos 90°
Codos 45°
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:
NPSHamin
Pa  Pvp

 hs 
2
2
hamax  hfmax
95
Donde:
hs
 Htanq  LLLL  Hdesctanq   Hfund Hsuc
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
Parámetro
Caudal de diseño
Caudal de operación
Cabezal
Viscosidad dinámica @40°C
Viscosidad cinemática @40°C
NPSHa
Velocidad
unid.
gpm
gpm
ft
cP
cSt
ft
rpm
Magnitud
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
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
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.
Qlodo
Nsep Vtam
Ecuación 3.15
tvaciado
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..
Vsed
Xiso V´
sed
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.
Xlodo
Vsed
Vtamb  Vsed
Ecuación3.17
98
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
4Q
V


2
Di
Se halló el valor del número de Reynolds para la mezcla, mediante la ecuación
Re
 s VD
w
 4000
Ecuación 3.18
99

Se leyó el factor de fricción de Moody en el grafico

Caída de presión en tubería recta a partir de la ecuación 2.30
hf
2
L V
f 
D 2 g
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
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.
NPSHamin

Pa  Pvp

 hs 
2
2
hamax  hfmax
Primero determinó mediante la ecuación la carga de aceleración para una bomba duplex
simple efecto mediante la ecuación 2.24.
ha
max

LVnC
k g
Posteriormente, calculó la velocidad máxima y la carga de fricción mediante las
ecuaciones 2.26 Y 2.25 respectivamente, para una bomba dúplex.
Vmax
hamax


2
V
LVn C
k g
Finalmente, se comprobó que se cumpliera el margen de NPSH.
NPSHa  NPSHr  6ft
Ecuación 3.19
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
Parámetro
Qop
Unid.
Vct
m3
adim
Nct
Magnitud
206
3
m /h
3
Vcst
2473*
2
m
Ncst
adim.
*volumen por cada tanque
7419
1
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.
850
kg
m
3
 857.3
kg
m
3
 870
kg
m
3
Se puede comprobar que la densidad se encuentra dentro del rango, por lo tanto se obtendrá
una separación eficiente entre diesel y agua.
104
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
Parámetro
Tambmin
Top
Unid.
°C
°C
°C
Magnitud
30
-16
60
Tinf
°C
74
Tent
De la tabla 4.2 se observa que se cumplen las dos condiciones.
Tamb  Tent
min
Top  Tvap
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.
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
Parámetro Unid. Mínimo Destilado N°2 Máximo
μ @40°C cSt
3.0
3.5
5.0
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.
Los resultados obtenidos para las condiciones dadas son los siguientes:
106
Tabla 4.4: Etapas de separación requeridas
Etapa
Concentración Na+K
ppm
1
0.30
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
Parámetro Unid. Mínimo Destilado N°2 Máximo
Va
ppm
<1
0.5
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.
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.
Tanque de combustible sin tratar
Filtrado
Bombeo de alimentación
Agua de
operación
Módulo de tratamiento de
combustible con Separadores
centrífugos
Aire
comprimido
Lodos
Agua
aceitosa
Analizis de composición
No
Si
Tanque de combustible tratado
Dosificación de
inhibidor
Turbina
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.
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
Criterio
Operación
Contenido de
sedimentos
Tamaño de
partículas
Unid.
Tipo de tambor
Sólido Autolimpiante
Lotes
Continua
%v/v
0-3
2-10
μm
0.5-500
0.5-500
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
Característica
Unid. Descripción
Operación
Continua
Contenido de agua y
%v/v
0.1
sedimentos
Tamaño de partículas μm
200*
*arena fina
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.
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
Modelo de Capacidad
separador
m3/h
OSE 80/70
45.5
OSE 80/80
52
OSE 120/100
65
OSE120/120
78
N° separadores
5.8
5.1
4.1
3.4
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.
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
N° separadores
Caudal
Modelo de
Nominal Operación* Instalado Inoperativo Operación Reserva**
separador
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
OSE 80/80
52
48
260
20
5
1
OSE120/120
78
60
312
72
4
1
*Por cada separador
**Para una reserva de 20% del caudal de operación del sistema
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.
Las condiciones de operación del separador son las siguientes:
111
Tabla 4.10: Condiciones de operación del separador OSE80/80
Caudal
N° separadores
Modelo de
Nominal Operación Inoperativo Operación Reserva
separador
m3/h
m3/h
m3/h
OSE 80/80
52
48
4
5
1
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
Caudal
Mínimo
Operación
Diseño
m3/h
48
240
260
gpm
211
1057
1145
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
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
Combustible
Residual
Diesel Marino
Diesel
Descarga
Total
Parcial
[h]
[h]
2
1
2
1
4
2
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.
Contaminante Unid.
Sedimentos %m/m
Agua
%v/v
Límite
max
max
Categoria ISO-F
DMB
DMC
0.03
0.03
0.3
0.3
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.
Los tiempos de descarga parcial y total del separador son:
113
Tabla 4.14: Tiempos de separación para diesel
Tipo de
descarga
Parcial
Total
Tiempo
h
1
2
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.
Tabla 4.15: Velocidades del fluido en el múltiple de alimentación
Diámetro
Nominal Interno
in
in
6
6.065
8
7.981
10
10.02
211.3
2.4
1.3
0.9
Velocidad del fluido
[ft/s]
Caudal
[gpm]
422.7
634
4.8
7.2
2.7
4
1.7
2.6
845.4
9.6
5.4
3.5
114
1057
12
6.7
4.3
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
Velocidad del fluido
[ft/s]
Caudal
Nominal Interno
[gpm]
in
in
211.3
3
3.068
9.6
3 1/2
3.548
7.0
4
4.090
5.4
Diámetro
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
115
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.
P
vc
8psi
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
Descripción
Símbolo Unid. Magnitud
Presión de entrada del
Pesep
psi
50.8
separador
Caída de presión por
∆Pma
psi
3.0
fricción
Caída de presión por
∆Pvc
psi
8.0
válvula reductora
Contingencia
∆Pcont
psi
5.0
Cabezal de la bomba
Hb
ft
185.2
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.
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
Número de bombas Caudal Cabezal
1
2
3
[gpm]
1057
528.5
352.3
[ft]
185.2
185.2
185.2
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
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
Número de
Velocidad específica
Caudal Cabezal Velocidad
bombas
del impulsor
[gpm]
[ft]
[rpm]
[adim]
1
1057
185.2
3600
2331
2
528.5
185.2
3600
1649
3
352.3
185.2
3600
1346
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.
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
Velocidad
[ft/s]
Caudal
[gpm]
528.5
1057
2.2
4.3
1.5
3.1
1.3
2.5
Diámetro
Nominal
Interno
[in]
[in]
10
12
14
9.980
11.874
13.062
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
Tramo
Recto
Ramal
Diámetro
Nominal
Interno
[in]
[in]
12
10
11.874
9.980
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
Diámetro
Nominal Interno
[in]
4
6
8
[in]
4.090
6.065
7.981
Velocidad
[ft/s]
Caudal
[GPM]
528.5
12.9
5.9
3.4
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
Tramo
Recto
Ramal
Diámetro
Nominal
Interno
[in]
[in]
8
6
7.981
6.065
La Figura 4.3 ilustra el diagrama de tuberías e instrumentos del módulo de bombeo.
123
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
Descripción
Presión de operación del tanque
Símbolo unid. Magnitud
Pop tanq psia 14.7
Presión máxima de operación del tanque
Pmax tanq psia
Elevación del tanque
Elevación de la brida del tanque
Nivel mínimo del tanque
Nivel de operación del tanque
Nivel máximo del tanque
Elevación de la base de la bomba
Elevación de la succión de la bomba
14.7
Htanq
ft
4.5
Hdesctanq
LLLL
Hop
HHLL
ft
ft
ft
ft
2.2
2.7
33.0
37.7
Hfund
ft
0.2
Hsuc
ft
2.5
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
Diámetro
Longitud Cantidad
Nominal Interno
[in]
[in]
[ft]
Tubería
Válvula de
compuerta
10
9.980
197
1
10
9.980
-
1
Codos 90°
Codos 45°
10
10
9.980
9.980
-
6
4
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
Diámetro
[in]
12
10
hf
[ft]
1.9
3.3
∆P
[psi]
0.8
1.3
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
Diámetro
[in]
12
10
NPSHa
[ft]
35.2
33.8
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.
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:
Tabla 4.28: Datos para corrección por fluido viscoso
Parámetro
unid.
Cabezal
ft
Caudal
gpm
Viscosidad
cSt
*valor de referencia
127
Magnitud
185.2
528
8.6*
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
Factor
Cabezal
Flujo
Eficiencia
Simbolo
CH
CQ
CE
Valor
1
1
0.98
*para 1.0 Qn
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
Caudal de diseño
Caudal de operación
Cabezal
Viscosidad dinámica @40°C
Viscosidad cinemática @40°C
NPSHa
Velocidad
unid.
gpm
gpm
ft
cP
cSt
ft
rpm
Magnitud
572
528
185.2
2.9
3.5
35.8
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
Fabricante Modelo Tamaño
Qbep Eficiencia NPSHr
%
ft
Flowserve
HPX 4HPX8A 83.0
79.1
15.2
Gouldspump 3700 3x6-9 SA 93.8
73.5
17.2
Ruhrpumpen SCE 6x4x8.5 A 84.1
70.1
13.6
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.
129
Tabla 4.32: Evaluación de bombas centrífugas
Criterio
Qrated/Qbep entre 80-110%
Qnor/Qbep entre 70-120%
Qeof menor a 85%
Hso entre 110-120%
φdis/φmax ≥ 90%
Incremento de cabezal ≥ 105%
Eficiencia a Qnor
NPSHa-NPSHr ≥3ft
Qmfc
45%*Qbep
Nss ≤ 11000
Potencia (BHP)
Potencia del motor
Potencia Motor Comercial
Flowserve Técnicamente Gouldspumps Técnicamente
4PX8A
aceptable
3700 3x6-9 SA aceptable
83.0%
SI
93.8%
SI
76.6%
SI
86.6%
SI
54.2%
SI
51.3%
SI
112.4%
SI
116.1%
SI
83.3%
SI
80.0%
SI
172.8%
77.6%
20.2
225 gpm
310 gpm
10902
29 Hp
33.4 Hp
40 Hp
SI
SI
NO
SI
195.5%
72.5%
18.2
188
274.5
10812
25.9 Hp
29.8 Hp
40 Hp
SI
SI
SI
SI
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.
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
Cantidad de
Separadores
Bombas
5
4
3
2
1
2
2
2
1
1
Caudal
[gpm]
528.3
422.7
317.0
422.7
211.3
Cabezal Eficiencia
[ft]
192.2
203.4
210.8
203.4
214.7
[%]
72.5
68
59.5
68
46.5
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.
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
131
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.
Fuerza/M omento
2
S ucción
FX
FY
FZ
FR
Descarga
FX
FY
FZ
FR
Ambas
MX
MY
MZ
MR
Cargas en boquillas [lbf]
M edida Nominal de Brida (NPS)
3
4
6
8
200
160
130
290
240
300
200
430
400
320
260
570
700
560
460
1010
1100
850
700
1560
160
130
200
290
240
200
300
430
320
260
400
570
560
460
700
1010
850
700
1100
1560
340
170
260
460
700
350
530
950
980
500
740
1330
1700
870
1300
2310
2600
1300
1900
3500
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Centro del eje
Boquilla de descarga
Boquilla de succión
Centro de la bomba
Centro del pedestal
Plano vertical
Figura 4.5 Sistema de coordenada para bomba OH2 según la norma API 610 10ma Ed.
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
Parámetro
unid.
Magnitud
Volumen del tambor
gal
6.6
Número de separadores*
-
5
Tiempo de vaciado
min
5
Caudal
gpm
6.6
*en operación
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.
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
Diámetro
Nominal
Interno
[in]
[in]
1/2
0.622
3/4
0.824
1
1.049
Velocidad
Re
[ft/s]
7.0
4.0
2.5
adim.
14000
10570
8300
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.
Tabla 4.37: Condiciones de flujo en la tubería de lodo
Parámetro
Caudal
Diámetro
Velocidad
Densidad
Viscosidad
Reynolds
unid.
gpm
in
ft/s
lb/ft3
cP
adim.
136
Magnitud
6.6
1.049
2.5
75.5
2.9
8300
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
Parámetro
Reynolds
Rugosidad relativa
Factor de fricción
Caida de presión
unid.
adim.
adim.
adim.
psi
Magnitud
8300
0.002
0.032
6.1
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.
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
Parámetro
Caudal
Presión
unid. magnitud
gpm
6.6
psig
30
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
Parámetro
unid.
Consumo de aire SCFM
Presión de aire
psig
NPSHr
ft
Desplazamiento
gal
por ciclo
Ciclos
ciclos/min
Wilden
P200
5
34
13.6
Ingersoll Rand
PD10
5
40
7.5
0.12
0.116
55
57
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.
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
Parámetro
unid. Magnitud
Longitud
ft
130
Velocidad del fluido
ft/s
2.5
Velocidad del vástago ciclos/min
57
Factor C
adim.
0.200
Factor K
adim.
1.5
Carga de aceleración
ft
8.0
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
Parámetro
Presión atmosférica
Presión de vapor
Cabezal de aceleración
Altura de succión
NPSHa
unid.
psi
psi
ft
ft
ft
Magnitud
14.7
2
8.0
1.5
14.6
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.
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
Separador
2 10EGR21 AT001
Separador
3 10EGR31 AT001
Separador
4 10EGR41 AT001
Separador
5 10EGR51 AT001
Separador
6 10EGR61 AT001
Bomba de alimentación 1 01EGR11 AP001
Bomba de alimentación 2 02EGR11 AP001
Bomba de alimentación 3 03EGR11 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
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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203-247, 355-429 (1986).
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146
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(1997).
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pp.14-31 (2003).
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Bolívar, Satenejas, (2010).
International Organization for Standardization, “Standard ISO 8217 3th. Ed.: Petroleum productsspecifications of marine fuels”, HIS, Suiza, 3-21 (2005)
Westaway, C. R., Loomis, A. W., “Cameron hydraulic data”, Ingersoll-Rand, EEUU, pp. 4-45—
4-53, (1984)
147
ANEXO A
Tabla A: Formato para la recolección de datos del sistema
DATOS PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE COMBUSTIBLE LÍQUIDO
SOLICITADOS AL CLIENTE
Proyecto:
Termozulia III
Combustible Diesel
Concentración Na+K
Concentración vanadio
Contenido de sedimentos
Contenido de agua
Viscosidad cinemática @Tmin
Viscosidad cinemática @ 40°C
Viscosidad cinemática @Tprm
Viscosidad dinámica @ 40°C
Densidad @15°C
Densidad @30°C
Densidad @40°C
Gravedad específica @40°C
Sistema
Lote O
Continuo O
6
ppm
Caudal de diseño
264
m3/h
<1
ppm
Caudal de operación
240
-
%v/v
Tiempo de operación
-
m3/h
h
0.1
%v/v
Tanque de combustible sin tratar
-
cSt
Presión de operación
14.7
3.5
cSt
Altura de operación
33.0
ft
-
cSt
HHLL
37.7
ft
LLLL
2.7
ft
Elevación del tanque
4.5
ft
Elevación de la brida
2.2
ft
Temp ambiente mín
30
°C
cP
2.9
857.3 kg/m3
846.9 kg/m3
839.6 kg/m
0.8418
3
psi
Ambiente
Punto de inflamación
74
°C
Temp ambiente prom
35
°C
Punto de enturbiamiento
-16
°C
Temp ambiente máx
40
°C
0.14
bar
Presión absoluta
14.7
psi
Presión de vapor
Turbogenerador
Marca:
Siemens
kg/h
Consumo combustible
43255
<1000 ppm
<0.5 ppm
Modelo:
SGT6 5000F
Contenido de agua
Concentración Na+K
Cantidad:
2
Concentracion Va
<0.5
ppm
148
ANEXO B
Tabla B: Capacidades para distintos modelos de separadores GEA Westfalia Separator
Sistemas GEA Westfalia Separator
Capacidades óptimas de combustibles para Plantas de Generación de Potencia
Descripción
Viscosidad cinemática (mm 2/s) a 40°C
Diesel
GO/MDO MDO
IF 30
IF 80
Combustible Residual
IF 180
IF 380 IF 480 IF 500 IF 600 IF 700
≤6
≤ 14
-
-
-
-
-
-
-
-
Viscosidad cinemática (mm 2/s) a 50°C
-
-
30
80
180
380
420
500
600
700
Viscosidad cinemática (mm 2/s) a 100°C
-
-
7
15
25
35
40
45
50
55
RMG 380
ISO (estándar 8217) ISO-F
DMX
DMA
Temperatura de separación (°C)
Modelo de separador
20
DMB RMA 30
RME 180 RMH 380
DMC RMB 30 RMD 80 RMF 180 RMK 380
40
75
98
98
98
RMH 700
RMK700
98
98
98
98
Capacidad para una etapa de separación
l/h
l/h
l/h
l/h
l/h
l/h
l/h
l/h
l/h
l/h
OSE 5/4
1690
2280
1300
1750
1300
1750
1300
1750
1100
1470
680
910
600
810
470
630
420
560
390
530
OSE 5/5
2990
2300
2300
2300
1940
1200
1060
830
740
690
OSE 10/6
4230
3250
3250
3250
2530
1690
1500
1170
1040
980
OSE 10/8
5200
4000
4000
4000
3360
2080
1840
1440
1280
1200
OSE 10/10
5980
4600
4600
4600
3870
2400
2120
1660
1480
1380
OSE 20/15
8450
6500
6500
6500
5460
3380
2990
2340
2080
1950
OSE 20/18
10730
8250
8250
8250
6930
4290
3800
2970
2640
2480
OSE 20/20
13000
10000 10000
10000
8400
5200
4600
3600
3200
3000
OSE 40/25
16250
12500 12500
12500
10500
6500
5750
4500
4000
3750
OSE 40/30
19500
15000 15000
15000
12600
7800
6900
5400
4800
4500
OSE 40/35
22750
17500 17500
17500
14700
9100
8050
6300
5600
5250
OSE 40/40
26000
20000 20000
20000
16800
10400
9200
7200
6400
6000
OSE 80/50
32500
25000 25000
25000
21000
13000
11500 9000
8000
7500
OSE 80/60
39000
30000 30000
30000
25200
15600
13800 10800 9600
9000
OSE 80/70
45500
35000 35000
35000
29400
18200
16100 12600 11200
10500
OSE 80/80
52000
40000 40000
40000
33600
20800
18400 14400 12800
12000
OSE 120/100
65000
50000 50000
50000
42000
26000
23000 18000 16000
15000
OSE 120/120
78000
60000 60000
60000
50400
31200
27600 21600 19200
18000
OSE 5/3
GO: gasoil
MDO: diesel marino
DMA/B/X: diesel marino tipo A/B/X
149
ANEXO C
Tabla C: Hoja de datos de separador OSE80/80
HOJA DE DATOS DEL SEPARADOR CENTRÍFUGO
Modelo: OSE 80/80
Tipo de tambor: platos/autolimpiante
Condiciones de operación
Velocidad de giro
Motor
Caudal nominal
52
rpm
m3/h
Presión de alimentación mín.
3.0
bar
Voltaje
Descarga del combustible máx.
3.0
bar
Frecuencia
Descarga del agua máx.
4.0
bar
Tipo
IMV1
Viscosidad @ 40°C mín/máx
3/5
cSt
Protección
IP55
Densidad @ 15°C mín/máx
Temperatura máx/mín
Temperatura de vaporización
6800
0.85/0.87 kg/m3
40/15
°C
˃70
°C
Condiciones de separación
Potencia
45
kW
Velocidad
1800
rpm
480
VAC
60
Hz
Transmisión
Embrague Hid.
Dimensiones externas
Entrada
Concentración máx. de Na + K
6
Correa
ppm
Salida
Concentración de Na + K
≤ 0.5
ppm
Concentración de agua
≤ 200
ppm
A
1.611
m
B
0.867
m
C
1.503
m
Servicios (5 separadores)
Agua de operación/lavado
Capacidad mín.
3.6
Consumo máx.
2.5
Presión mín/máx
m3/h
m3/h
Dureza (CaCo3)
5.0-10
180
bar
mg/kg
Iones cloruro
<100
mg/kg
PH
6
Concentración de Na + K
<5
ppm
Sólidos en suspensión
<50
mg/kg
Tamaño de partícula
<50
μm
Aire comprimido
Presión mín/máx
6.0-10.0 bar
Dimensiones internas
Tambor
Recinto de lodo
Volumen efectivo
recinto de lodo
25 L
11 L
8.25 L
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
Tabla E.1: Evaluación de bomba Gouldspumps modelo 3x6-9 SA
Fluido: Diesel
1) % del BEP
Marca: Gouldspumps
Modelo: 3x6-9 SA
Qrated =
QBEP =
Qrated/QBEP =
572 gpm
610 gpm
93.8 %
entre 80-110%
Qnormal =
QBEP =
Qrated/QBEP =
528 gpm
610 gpm
86.6 %
entre 70-120%
2) % del BEP
3) Caudal a EOF
Qrated @ máx imp =
528.3
Q @EOF =
1030
Qrated @mi/Q @EOF =
51.3
4) Incremento del Shutoff
Hshutoff =
215
Hrated o TDH =
185.2
Hso/Hrated =
116.1
5) Tamaño del impulsor
ϕmin =
6.5
ϕdiseño =
7.4
ϕmáximo =
9.25
ϕdis/ϕmin=
113.8
ϕdis/ϕmáx =
80.0
6) Punto 2.14 según API-610
TDH a impulsor máx =
362
TDHrated =
185.2
TDHim/TDHrated =
195.5
7) Eficiencias
η @Qmín =
η @Qnor =
72.5
η @Qmáx =
8) Margen de NPSH
NPSHd =
35.4
NPSHr =
17.2
NPSHd - NPSHr =
18.2
9) Mínimo Flujo Continuo
Q mfc =
188
0.45*QBEP =
274.5
10) Velocidades específica en la succión
Velocidad de giro =
3560
Caudal @BEP, máx imp =
825
NPSHr @BEP, máx imp =
20
Nss =
10812
11) Potencia al freno
Caudal =
572
gpm
Hrated =
185.2
ft
S.G. =
0.8418
η=
0.725
BHP =
31.1
Hp
Criterio API-610 =
35.7
Hp
Hp( 29.8 Kw)
Motor Selec
40.0
gpm
gpm
%
si cumple criterio <=85%
ft
ft
%
entre 110-120%
in
in
in
%
%
sí cumple criterio >=110%
si cumple criterio <=90%
ft
ft
%
sí cumple criterio >=105%
%
%
%
ft
ft
ft
si es especificado
si es especificado
sí cumple criterio >3 ft
gpm
gpm
RPM
gpm
ft
sí cumple criterio Nss <=11.000
11) Materiales de construcción:según Norma API-610
S-8
12) Tipo de sello mecánico:según Norma API-682
C2-TA-A1
13) Plan de lavado del sello:
51
14) Tipo de bomba según API-610/ANSI:
API-OH2
152
153
Figura E.2: Curva característica de bomba Flowserve modelo 4HPX8A
154
Tabla E.2: Evaluación de bomba Flowserve 4HPX8A
Fluido: Diesel
1) % del BEP
Marca: Flowserve
Modelo: 4HPX8A
Qrated =
QBEP =
Qrated/QBEP =
572 gpm
688.9 gpm
83.0 %
entre 80-110%
Qnormal =
QBEP =
Qrated/QBEP =
528 gpm
688.9 gpm
76.6 %
entre 70-120%
2) % del BEP
3) Caudal a EOF
Qrated @ máx imp =
528.3
Q @EOF =
975
Qrated @mi/Q @EOF =
54.2
4) Incremento del Shutoff
Hshutoff =
208.1
Hrated o TDH =
185.2
Hso/Hrated =
112.4
5) Tamaño del impulsor
ϕmin =
6.5
ϕdiseño =
7
ϕmáximo =
8.4
ϕdis/ϕmin =
107.7
ϕdis/ϕmáx =
83.3
6) Punto 2.14 según API-610
TDH a impulsor máx =
320
TDHrated =
185.2
TDHim/TDHrated =
172.8
7) Eficiencias
η @Qmín =
η @Qnor =
77.6
η @Qmáx =
8) Margen de NPSH
NPSHd =
35.4
NPSHr =
15.2
NPSHd - NPSHr =
20.2
9) Mínimo Flujo Continuo
Q mfc =
200
0.45*QBEP =
310.0
10) Velocidades específica en la succión
Velocidad de giro =
3560
Caudal @BEP, máx imp =
820
NPSHr @BEP, máx imp =
19.7
Nss =
10902
11) Potencia al freno
Caudal =
572
gpm
Hrated =
185.2
ft
S.G. =
0.8418
η=
0.776
BHP =
29.0
Hp
Criterio API-610 =
33.4
Hp
Hp( 29.8 Kw)
Motor Selec
40.0
gpm
gpm
%
si cumple criterio <=85%
ft
ft
%
entre 110-120%
in
in
in
%
%
no cumple criterio >=110%
si cumple criterio <=90%
ft
ft
%
sí cumple criterio >=105%
%
%
%
ft
ft
ft
si es especificado
si es especificado
sí cumple criterio >3 ft
gpm
gpm
RPM
gpm
ft
sí cumple criterio Nss <=11.000
11) Materiales de construcción:según Norma API-610
S-8
12) Tipo de sello mecánico:según Norma API-682
C2-TA-A1
13) Plan de lavado del sello:
51
14) Tipo de bomba según API-610/ANSI:
API-OH2
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
Tramo
1
2
3
4
5
6
7
Diámetro
[in]
7.981
7.981
7.981
7.981
7.981
7.981
4.090
Caudal Velocidad
[gpm]
[ft/s]
1056.8
6.8
1056.8
6.8
845.4
5.4
634.1
4.1
422.7
2.7
211.4
1.4
211.4
5.2
Re
[adim]
119640
119640
95712
71784
47856
23928
46688
ffanning
[adim]
0.0045
0.0045
0.0050
0.0050
0.0055
0.0060
0.0060
ε/D
[adim]
0.0002
0.0002
0.0002
0.0002
0.0002
0.0002
0.0004
Retur
[adim]
6*10^6
6*10^6
6*10^6
6*10^6
6*10^6
6*10^6
1.25*10^6
ftur
[adim]
0.0035
0.0035
0.0035
0.0035
0.0035
0.0035
0.0045
Tabla G.2: Cálculo de pérdidas primarias en múltiple de alimentación
Tramo
1
2
3
4
5
6
7
Total
Diámetro
[in]
7.981
7.981
7.981
7.981
7.981
7.981
4.090
Longitud Velocidad
[ft]
[ft/s]
7.4
6.8
5.6
6.8
5.6
5.4
5.6
4.1
5.6
2.7
5.6
1.4
9.8
5.2
ffanning
[adim]
0.005
0.005
0.005
0.005
0.006
0.006
0.006
hf
[ft]
0.143
0.108
0.077
0.043
0.021
0.006
0.287
0.684
∆P
[psi]
0.052
0.040
0.028
0.016
0.008
0.002
0.105
0.251
Tabla G.3: Corrección de coeficiente de resistencia en múltiple de alimentación
Tramo Accesorio
1
1
1
1
2
3
4
5
6
7
7
7
7
Tipo
Válvula Mariposa
Reducción 1
60
Expansión
60
Placa
orificio
Te
Línea
Te
Línea
Te
Línea
Te
Línea
Te
Línea
Te
Ramal
Válvula
Aguja
Válvula
Bola
Reducción 2
60
Cantidad
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
Diámetro
[in]
7.981
7.981
6.067
7.981
6.067
7.981
6.067
7.981
7.981
7.981
7.981
7.981
4.090
4.090
4.090
4.090
3.068
Caudal
[GPM]
1056.8
1056.8
1056.8
1056.8
1056.8
845.4
634.1
422.7
211.4
211.4
211.4
211.4
211.4
Velocidad
K
[ft/s]
[adim]
6.8
0.63
6.8
0.45
6.8
0.53
6.8
2.19
6.8
0.28
5.4
0.28
4.1
0.28
2.7
0.28
1.4
0.28
5.2
0.26
5.2
0.081
5.2
0.050
5.2
0.49
Tabla G.4: Cálculo de pérdidas secundarias en múltiple de alimentación
Tramo
1
2
3
4
5
6
7
Total
hf
[ft]
1.48
0.51
0.16
0.10
0.05
0.01
0.49
2.80
∆P
[psi]
0.543
0.189
0.060
0.038
0.017
0.005
0.178
1.029
Tabla G.5: Pérdidas por elevación en múltiple de alimentación
Z1
[ft]
0
Z5
[ft]
7.9
∆P
[psi]
1.8
157
Kreal
[adim]
0.81
0.57
0.69
2.81
0.36
0.36
0.40
0.40
0.44
0.35
0.11
0.07
0.65
158
Tabla G.6: Pérdidas totales en el múltiple de alimentación
Perdidas
Primarias
Secundarias
Cota
Totales

hf
[ft]
0.7
2.8
7.9
11.4
∆P
[psi]
0.3
1.0
1.8
3.0
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”
Tramo Diámetro Caudal Velocidad
Re
[in]
[gpm]
[ft/s]
adim
1
9.980
1057
4.3
95669
2
9.980
1057
4.3
95669
3
9.980
1057
2.2
47835
4
9.980
528
2.2
47835
ffanning
adim
0.0050
0.0050
0.0060
0.0060
ε/D
adim
0.0002
0.00018
0.00018
0.00018
Retur
adim
6*10^6
6*10^6
6*10^6
4*10^6
ftur
adim
0.00325
0.00325
0.00325
0.00350
Tabla G.8: Coeficientes de resistencia en tubería tanque-bombas de 10”
Tramo
1
1
1
1
2
3
4
4
4
4
Accesorio
Tipo
Entrada Proyectada
Válvula Compuerta
Codo
45°
Codo
90°
Te
Línea
Te
Línea
Te
Ramal
Válvula
Mariposa
Filtro
0.01bar
Reducción 1
60
Cantidad
1
1
4
6
1
1
1
1
1
1
Diámetro
[in]
9.980
9.980
9.980
9.980
9.980
9.980
9.980
9.980
9.980
9.980
6.065
Caudal Velocidad
[gpm]
[ft/s]
1057
4.3
1057
4.3
1057
4.3
1057
4.3
1057
4.3
528
2.2
528
2.2
528
2.2
528
2.2
528
2.2
K
adim
0.78
0.11
0.22
0.16
0.26
0.26
0.84
0.63
1.63
KRebajo
adim
1.20
0.17
0.34
0.25
0.40
0.48
1.44
1.08
2.80
159
Tabla G.9: Pérdidas primarias en tubería tanque-bombas de 10”
Tramo Diámetro Longitud Velocidad
Re
[in]
[ft]
[ft/s]
adim
1
9.980
197.0
4.3
95669
2
9.980
9.8
4.3
95669
3
9.980
9.8
2.2
47835
4
9.980
11.5
2.2
47835
Total
ffanning
adim
0.005
0.005
0.006
0.006
hf
[ft]
1.382
0.069
0.021
0.024
1.496
∆P
[psi]
0.508
0.025
0.008
0.009
0.549
Tabla G.10: Pérdidas secundarias en tubería tanque-bombas de 10”
Tramo
1
2
3
4
Total
hf
[ft]
1.23
0.12
0.04
0.39
1.77
∆P
[psi]
0.45
0.04
0.01
0.29
0.79
Tabla G.11: Pérdidas totales en tubería tanque-bombas de 10”
Tramo
Total

hf
[ft]
3.3
∆P
[psi]
1.3
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 Caudal Velocidad
Re
[in]
[gpm]
[ft/s]
adim
1
11.874
1057
3.1
80412
2
11.874
1057
3.1
80412
3
11.874
1057
1.5
40206
4
9.980
528
2.2
47835
ffanning
adim
0.0055
0.0050
0.0060
0.0060
ε/D
adim
0.00015
0.00015
0.00015
0.00018
Retur
adim
6*10^6
6*10^6
6*10^6
4*10^6
ftur
adim
0.00325
0.00325
0.00325
0.00350
Tabla G.13: Cálculo coeficientes de resistencia para tubería tanque-bombas de 12”
Tramo Accesorio
1
1
1
1
2
3
4
4
4
4
4
Tipo
Entrada Proyectada
Válvula
Compuerta
Codo
45°
Codo
90°
Te
Línea
Te
Línea
Te
Ramal
Válvula
Mariposa
Filtro
0.01bar
Reducción 2
60
Reducción 1
60
Cantidad
1
1
4
6
1
1
1
1
1
1
1
Diámetro
Caudal Velocidad K KRebajo
[in]
[gpm]
[ft/s] adim adim
11.874
240
3.1
0.78 1.32
11.874
240
3.1
0.11 0.19
11.874
240
3.1
0.22 0.37
11.874
240
3.1
0.16 0.27
11.874
240
3.1
0.26 0.40
11.874
120
1.5
0.26 0.48
9.980
120
2.2
0.84 1.44
9.980
120
2.2
0.63 1.08
9.980
120
2.2
9.980 6.065 120
2.2
1.63 2.80
11.874 9.980 120
1.5
0.21 0.36
Tabla G.14: Pérdidas primarias en tubería tanque-bombas de 12”
Tramo Diámetro Longitud Velocidad
Re
[in]
[ft]
[ft/s]
adim
1
11.874
197.0
3.1
80412
2
11.874
9.8
3.1
95669
3
11.874
9.8
1.5
47835
4
9.980
11.5
2.2
47835
Total
ffanning
adim
0.0055
0.0050
0.0060
0.0060
hf
[ft]
0.64
0.03
0.01
0.02
0.70
∆P
[psi]
0.23
0.01
0.00
0.01
0.25
Tabla G.15: Pérdidas secundarias en tubería tanque-bombas de 12”
Tramo
1
2
3
4
Total
hf
[ft]
0.67
0.06
0.02
0.41
1.16
∆P
[psi]
0.24
0.02
0.01
0.30
0.57
Tabla G.16: Pérdidas totales en tubería de 12”
Tramo
Total
hf
[ft]
1.9
∆P
[psi]
0.8
160
161
ANEXO H
Tabla H: Fallas del separador y sus posibles causas
Falla
Posibles causas
Solución
El tambor no alcanza la
El freno está aplicado
Quitar el freno
velocidad de diseño o le
La correa desliza por presencia
Limpiar la correa. De no
de aceite lubricante
funcionar reemplazar la correa
lleva mucho tiempo hacerlo
La correa desliza debido su
estiramiento
El motor fue conectado
incorrectamente
Revisar las conexiones
La correa fue instalada
Verificar la posición de la correa
incorrectamente
en ambos ejes
Alto nivel de aceite en el
Retirar aceite del embrague hasta
embrague hidráulico
alcanzar el nivel recomendado
La velocidad del tambor cae La correa desliza por
durante su operación
Reemplazar la correa
estiramiento
La velocidad del motor
Reemplazar la correa
Revisar el motor y el voltaje de
disminuye durante la operación la línea
Las superficies del embrague
están aceitosas
Limpiar las superficies
162
Continuación Tabla H
Falla
Posibles causas
La corriente de arranque
El nivel de aceite en el
supera el valor permitido
embrague es bajo
Vibración del equipo al
Incorrecto ensamblado del
operar
tambor
Solución
Llenar el embrague
Detener el separador bajo el
protocolo establecido
Bajo nivel de compresión
del conjunto de platos
Desarmar el tambor y limpiarlo.
Reemplazar parte en caso de ser
necesario y ensamblar de nuevo el
tambor de forma correcta
Partes dañadas
El tambor no abre o abre
El tiempo de alimentación
parcialmente
de agua de operación es
muy corto
El filtro del agua de
operación está obstruido
Bajo flujo de agua de
operación
La válvula solenoide no
funciona
Establecer el tiempo de 3-4
segundos
Cerrar la válvula, y limpiar el filtro
Verificar el consumo establecido de
agua establecido, y la presión
requerida
Reemplazar la válvula
Sistema hidráulico
Desarmar el tambor y limpiar el
obstruido
sistema
Sellos o empaquetaduras
Reemplazar los sellos y
dañadas
empaquetaduras
163
Continuación Tabla H
Falla
Posibles causas
Solución
El tambor no es limpiado
completamente,
Bajo flujo de agua de operación
permanecen sólidos en el
Revisar la presión de la
línea de agua,
separador
El tambor se abre durante la
operación fuere del tiempo
establecido
El tiempo de separación establecido
Disminuir el tiempo de
es muy extenso
separación
El pulso de agua de cierre es muy
Corregir el impulso de
breve o muy extenso
agua de cierre
164
ANEXO I
Figura I. Diagrama de tuberías e instrumentación del módulo de purificación