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BOMBAS Y COMPRESORES
1 INTRODUCCION
Toda máquina que realiza trabajo con la finalidad de mantener un fluido en movimiento o provocar el desplazamiento o el flujo del mismo se podría ajustar al nombre de bomba o compresor Las bombas y compresores son elementos que siempre están presentes en la industria petrolera. En ella, tienen diversos usos y sus aplicaciones más frecuentes son: En gasoductos. En oleoductos. Compresión de gas a plantas. Recolección de crudo y gas. Inyección de agua a pozos. Fracturamiento hidráulico a pozos. Inyección de gas a Yacimientos de petróleo. Las bombas se utilizan para mover los líquidos, que incluyen: Líquidos Los gases disueltos - vapores de aire disuelto y de hidrocarburos Sólidos - arena, arcilla, subproductos de corrosión, y la escala Los tipos más comunes de líquidos bombeados en las operaciones aguas arriba son: Petróleo crudo Condensado Aceites lubricantes Glicoles Aminas Agua
TIPOS DE BOMBAS
Tipos de bombas Desplazamiento Positivo Rotativo paleta deslizante Engranaje externo Engranaje interno Lóbulo Tornilho Alternativas Reciprocante (pistón) Bombas de émbolo y pistón Membrana o Diafragma Bombas de energía cinética (centrifuga) Centrifuga Perifericas
hacen un sello de cerca, o en forma, en contra de la pared de la carcasa. Atrapado fluido es forzado desde el puerto de succión al orificio de descarga. El diseño de aletas es capaz de entregar capacidad media y la cabeza. Entregan un caudal constante para una velocidad del rotor conjunto. Trabajan bien con fluidos de baja viscosidad y son un tanto auto-compensando el desgaste. No son adecuados para su uso con fluidos altamente viscosos (líquidos más espesos interfieren con la acción de deslizamiento de las paletas). A grandes resultados área de desgaste de la fricción encajan entre las paletas y el cilindro. Vane flexible. La aleta flexible es similar a la paleta deslizante, excepto que las paletas son generalmente un material suave, flexible y son integrales con el rotor. A medida que el rotor gira, la curva paletas y adaptarse a la forma excéntrica del cilindro. Son simples, de bajo costo, y son capaces de desarrollar un vacío. No se debe permitir a funcionar en seco y se deben utilizar solamente con fluidos de baja temperatura y en aplicaciones de baja la cabeza. 3.1.2 Engranaje externo El engranaje externo se compone de dos engranajes de igual tamaño de mallado, uno es un conductor y la otra es una rueda loca, que giran dentro de una carcasa. Como el desengranan engranajes en el lado de succión de la bomba, se forma un vacío. La presión obliga al líquido en la bomba, donde se lleva el fluido entre los dientes de los engranajes y el caso del puerto de descarga. En la descarga, el engrane de los dientes de engranaje crea un límite que impide que el fluido retorne a la succión. Las bombas de engranajes operan igualmente bien cuando es impulsado en cualquier dirección. Se deben tomar precauciones para asegurarse de que la rotación del eje es correcta cuando las características especiales, tales como válvulas de seguridad incorporadas o una espalda sangrado de la junta del eje, se utilizan. También hay modelos que utilizan en varios conjuntos de engranajes en un eje para producir más capacidad. Bombas de engranajes externos son de tamaño compacto y puede producir altas presiones. Son muy adecuadas para fluidos altamente viscosos. Se fabrican fácilmente en una amplia gama de materiales
para asegurar la compatibilidad con los fluidos bombeados. Debido a sus tolerancias estrechas, están limitados a aplicaciones de fluido limpio. a) Bombas de engranajes externos de baja presión: Lo que sucede es el origen de un vacío en la aspiración cuando se separan los dientes, por el aumento del volumen en la cámara de aspiración. En el mismo momento los dientes se van alejando, llevándose el fluido en la cámara de aspiración. La impulsión se origina en el extremo opuesto de la bomba por la disminución de volumen que tiene lugar al engranar los dientes separados. b) Bombas de engranajes externos de alta presión: El tipo de bomba más utilizado son las de engranajes rectos, además de las helicoidales y behelicoidales. En condiciones óptimas estas bombas pueden llegar a dar un 93% de rendimiento volumétrico 3.1.3Engranaje interno El eje motriz arrastra el engranaje interno. Entre los dos engranajes, hay una pieza de separación en forma de media luna (de color negro en el esquema de la derecha), situada entre los orificios de entrada y salida, donde la holgura entre los dientes de los engranajes interno y externo es máxima. Ambos engranajes giran en la misma dirección, pero el interno, al tener un diente más, es más lento que el externo.
Bombas de lóbulos operar de la misma manera como bombas de engranajes, excepto los elementos giratorios tienen dos, tres, o cuatro lóbulos en lugar de dientes de engranaje. Lóbulos no pueden conducir entre sí, de modo de sincronización se utilizan engranajes. Los lóbulos nunca entran en contacto uno con el otro por lo que la bomba puede funcionar en seco. Lóbulos se utilizan cuando se debe mantener la integridad del producto y en aplicaciones en las que los líquidos son sensibles al cizallamiento. El gran volumen creado entre la carcasa y lóbulos permite muchos productos para ser bombeados sin dañar el producto en sí. Una ventaja importante es que no hay contacto metal con metal entre los lóbulos, por lo tanto la posibilidad de trazas de hierro, acero, u otros materiales de construcción de la bomba-terminan en el producto debido al desgaste que se reduce considerablemente. Por otro lado, son más caros que las bombas de engranajes o de paletas y son difíciles de reparar y mantener 3.1.5 Tornillo Utiliza un tornillo helicoidal que se mueve dentro de una camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa Está específicamente indicada para bombear crudos altamente viscosos y con contenidos apreciables de sólidos. Nuevos desarrollos de estas bombas permiten el bombeo multifásico Convirtiéndolas en excelentes equipos de bombeo para utilizarse en redes de recolección de petróleo
3.2 BOMBAS ALTERNATIVAS RECIPROCANTE (PISTÓN)
Bombas alternativas se mueven líquido por medio de un movimiento hacia atrás y hacia adelante constante de un pistón, pistón, o el diafragma dentro de un volumen fijo o cilindro. Bombas de pistón puede manejar fluidos viscosos y abrasivos. Son máquinas de baja velocidad en comparación con las bombas centrífugas y rotativas. Ofrecen una mayor eficiencia, por lo general 85 a 94%, por lo que requieren menos potencia. Bombas de pistón son los más adecuados para aplicaciones de alta presión y bajo volumen. Ellos frecuentemente requieren amortiguadores de pulsaciones debido a la naturaleza pulsátil del flujo. Tienen mayores costos instalados (generalmente compensado por una mayor eficiencia) y altos costos de mantenimiento de las bombas centrífugas o rotatorias. 3.2.1Bombas de émbolo y pistón En las bombas de émbolo, un émbolo se mueve a través de un sello packed estacionaria y se empuja en y retirado de una cavidad de líquido. En las bombas de pistón, un pistón que se mueve hacia atrás y adelante dentro de una cavidad líquido empuja el fluido desde el cilindro. Movimiento de cualquiera de émbolo o pistón crea un aumento alterna y disminución del flujo. A medida que el émbolo o pistón se mueve hacia atrás, el volumen disponible en el cilindro aumenta y una válvula de succión se abre para permitir que el líquido entre en el cilindro a través de una válvula de aspiración de un solo sentido. A medida que el émbolo o pistón se mueve hacia adelante, el volumen disponible en las disminuciones de los cilindros, la presión del líquido aumenta, y el líquido es forzado a salir a través de una válvula de descarga de una sola vía. Eficiencias siguen siendo altos, independientemente de la cabeza o la velocidad (tienden a disminuir ligeramente con el aumento de velocidad). Debido a que las bombas de pistón funcionan a velocidades más bajas que las bombas centrífugas o rotativos, que son más adecuados para la manipulación de líquidos viscosos. Ellos son capaces de producir altas presiones y grandes capacidades y son autocebantes. Por otro lado, requieren más mantenimiento debido al gran número de piezas móviles. Ellos son más pesados en el peso y requieren más espacio que las bombas centrífugas o rotatorias. Además, ellos son buenos para la manipulación de líquidos que contienen sólidos que tienden a erosionar válvulas y asientos. Bombas de émbolo y de pistón requieren NPSHs más grandes debido a flujo pulsante y la caída de presión a través de las válvulas. Como resultado del flujo pulsante, requieren especial atención al diseño de aspiración y descarga de la tubería para evitar tanto las vibraciones acústicas y mecánicas.
4 BOMBAS DINAMICAS
En este tipo de bombas la energía es comunicada al fluido por un elemento rotativo que imprime al líquido el mismo movimiento de rotación, transformándose luego, parte en energía y parte en presión. El caudal a una determinada velocidad de rotación depende de la resistencia al movimiento en la línea de descarga. Las bombas dinámicas se clasifican en: Centrifugas Periféricas 4.1 BOMBA CENTRIFUGA Una bomba centrífuga es una máquina que consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o una cubierta o coraza. Se denominan
así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción. Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales: Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, esto peras y chumaceras. El flujo entra a la bomba a través del centro u ojo del rodete y el fluido gana energía a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética, lo cual es debido a la forma de caracol de la voluta para generar un incremento gradual en el área de flujo de tal manera que la energía cinética a la salida del rodete se convierte en cabeza de presión a la salida.
En estas condiciones el tipo vertical tiene mayor ventaja, porque puede bajarse a la profundidad que separa el bombeo y el eje vertical es lanzado a la superficie donde está el motor. La bomba centrifuga se limita al bombeo en los depósitos de agua, lagos o pozos poco profundos, donde la succión no es mayor de 6 metros. La bomba centrifuga horizontal es la más usada, cuesta menos, es fácil de instalar y es más accesible para su inspección y mantenimiento, sin embargo, requiere mayor espacio que la bomba de tipo vertical. En la siguiente figura se muestra una bomba horizontal típica. Sección transversal de una bomba centrifuga horizontal moderna Existen varias formas de clasificar las bombas centrifugas y entre ellas se tienen las siguientes: 4.1.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE IMPULSOR: a) IMPULSOR ABIERTO: En esta clase de impulsor las paletas están unidas directamente al núcleo del impulsor sin ningún plato en los extremos. Su uso está limitado a bombas muy pequeñas, pero se puede manejar cualquier líquido y además inspeccionarlo es muy sencillo.
B )IMPULSOR SEMI-ABIERTO:
Su construcción varia en que está colocado un plato en el lado opuesto de la entrada del líquido y por ende está más reforzada que el impulsor abierto como las paletas a estar unidas tienen la función de disminuir la presión en la parte posterior del impulsor y la entrada de materiales extraños se alojan en la parte posterior del mismo.
Bombas de flujo Mixto El flujo penetra axialmente en el impulsor y sale en una dirección intermedia entre radial y axial, las cargas manométricas manejadas son medias. 4.1.5 CLASIFICACIÓN SEGÚN LA CARCAZA: Bombas con Carcaza Tipo Voluta. La carcaza en este tipo de bombas es de voluta o espirar y no tienen paletas difusoras como se ve en la figura que sigue: La voluta recibe el líquido que sale del impulsor y transforma la mayor parte de la energía cinética en energía de presión. El área de la sección transversal de la voluta aumenta progresivamente en el arco de 360º descrito en torno al impulsor.
Debido a que la voluta no es simétrica existe un des-balance de presiones a lo largo de la misma, lo cual origina una fuerza radial muy considerable en caso de que la bomba trabajara fuera del punto de rendimiento óptimo la magnitud de este empuje radial puede compensarse con un aumento del diámetro del eje con un sobre-dimensionamiento de los cojinetes, lo que encarece la bomba. Bombas de difusor o Bombas-turbina: Este tipo de bomba se caracteriza por poseer, fijas a la carcasa, paletas direccionadoras del flujo de agua que sale del impulsor, el que recorre el camino establecido por las paletas fijas, a lo largo de las cuales ocurre la transformación de energía cinética en energía de presión. Las bombas con difusores fueron muy utilizadas al inicio del desarrollo de las bombas centrifugas pero fueron perdiendo importancia al perfeccionarse las técnicas para construir carcazas. 4.2 BOMBAS PERIFÉRICAS Son también conocidas como bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas, en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas, dentro del canal anular donde gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía, no se debe confundir a las bombas tipo difusor de pozo profundo, llamadas frecuentemente bombas turbinas aunque no se asemeja en nada a la bomba periférica. La verdadera bomba turbina es la usada en centrales hidroeléctricas tipo embalse llamadas también de Acumulación y Bombeo, donde la bomba consume potencia; en determinado momento, puede actuar también como turbina para entregar potencia.
6 COMPRESORES
Un compresor es una máquina que admite un gas, lo comprime y lo descarga a una mayor presión. Se designan por el término de compresores a todas las máquinas que comprimen aire, gases o vapores, haciéndolos fluir de una región a una presión determinada a otra región a una presión más elevada. 7 TIPOS DE COMPRESORES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA DE HIDROCARBUROS
Tipos de
compresores
Desplazamiento
Positivo
Rotatório
Tornillo
(lóbulos)
Paletas
Reciprocante
(pistón)
De alta
velocidad
(separables)
De baja
velocidad
(integrales)
Dinamicos
Centrifugo
Axial
8 Aplicaciones de compresores en la industria de gas y petróleo Compresores utilizados en la industria del petróleo y el gas se dividen en seis grupos de acuerdo a su servicio previsto. Estos son: Compresores de gas de Flash Compresores de gas lift Compresores de reinyección Compresores elevadores (transporte y planta de LNG) Compresores de recuperación de vapor Compresores Casinghead 9 Clasificación y tipos Los compresores se clasifican en dos categorías principales: Compresores de desplazamiento positivo Compresores dinámicos o cinéticos 10 COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Compresores de desplazamiento positivo se dividen en: Alternativos (Reciprocantes-pistón). Rotatórios. 11 ALTERNATIVOS (reciprocantes-pistón) Los compresores alternativos son máquinas de desplazamiento positivo en el que el elemento de compresión y desplazamiento es un pistón que tiene un movimiento alternativo dentro de un cilindro. Tipos de compresores alternativos (reciprocantes) a) De alta velocidad (separables) b) Baja velocidad (integrales) El Instituto Americano del Petróleo (API) ha producido dos estándares de la industria, la API estándar 11P y API Standard 618, que se emplean con frecuencia para gobernar el diseño y fabricación de compresores de pistón. 11.1 De alta velocidad (separables) El término "separable" se usa porque esta categoría de compresores alternativos está separado de su unidad motriz. Requiere de un motor externo. A menudo se
