Gli ingegneri di processo valutano la pressione di mandata della pompa convertendola in prevalenza del fluido e confrontando tale prevalenza con la prevalenza totale richiesta dal sistema. Per un liquido di densità ( \rho ), una pressione di mandata (P) corrisponde a una prevalenza di pressione di (h=P/(\rho g)). La pompa è adatta solo quando la sua prevalenza differenziale disponibile alla portata richiesta supera la somma della prevalenza statica di elevazione, la differenza di pressione tra i serbatoi, l'attrito dei tubi, i raccordi, le valvole e le altre perdite di sistema.

Una pompa deve superare l'intera prevalenza del sistema, non solo l'elevazione. La conversione della pressione in prevalenza fornisce un utile controllo preliminare, ma il dimensionamento finale richiede la curva della pompa, la portata operativa, le proprietà del fluido, le condizioni di aspirazione e tutte le perdite idrauliche.

Stabilire la prevalenza di sistema richiesta

Calcolare la prevalenza statica di elevazione

La prevalenza statica di elevazione è la distanza verticale che il liquido deve superare tra le superfici del liquido di origine e di destinazione. Per una differenza di elevazione tra origine e destinazione ( \Delta z ), il requisito di pressione corrispondente è:

[ \Delta P_{\text{static}}=\rho g\Delta z ]

Per l'acqua a circa (60^\circ\text{F}), con una densità vicina a (62.4\ \text{lb/ft}^3), la relazione è approssimativamente:

[ 1\ \text{psi} \approx 2.31\ \text{ft di acqua} ]

Pertanto, una pompa che produce (50.0\ \text{psig}) in condizioni d'acqua equivalenti fornisce:

[ h=\frac{50.0 \times 144}{62.4}\approx115.4\ \text{ft} ]

Se il sollevamento di elevazione richiesto è (148\ \text{ft}), la sola pressione è insufficiente prima di considerare la resistenza delle tubazioni.

Includere le differenze di pressione alle superfici del liquido

La prevalenza richiesta non è sempre determinata esclusivamente dall'elevazione. Se i serbatoi di origine e destinazione operano a pressioni diverse, tale differenza di pressione deve essere inclusa:

[ H_{\text{static}}=\Delta z+ \frac{P_{\text{destinazione}}-P_{\text{origine}}}{\rho g} ]

Per due serbatoi aperti esposti alla stessa atmosfera, i termini di pressione superficiale si annullano. Per una pompa che alimenta un reattore pressurizzato, un assorbitore o un serbatoio di stoccaggio, la pressione di destinazione può aumentare notevolmente la prevalenza richiesta della pompa.

Utilizzare la pressione differenziale, non solo la pressione di mandata

Una pompa risponde alla differenza di pressione tra i suoi lati di mandata e di aspirazione:

[ \Delta P_{\text{pompa}}=P_{\text{mandata}}-P_{\text{aspirazione}} ]

Una lettura della pressione di mandata di (50\ \text{psig}) non rappresenta necessariamente (50\ \text{psi}) di pressione utile della pompa. La pressione di aspirazione può essere positiva, atmosferica o inferiore alla pressione atmosferica, a seconda del serbatoio di origine e della disposizione delle tubazioni.

Per la selezione della pompa, gli ingegneri lavorano generalmente con la prevalenza differenziale o la prevalenza dinamica totale, piuttosto che trattare la pressione manometrica di mandata come una capacità indipendente della pompa.

Convertire correttamente la pressione in prevalenza

Applicare la relazione pressione-prevalenza

La relazione generale tra pressione e prevalenza del liquido è:

[ H=\frac{\Delta P}{\rho g} ]

Nelle unità consuetudinarie statunitensi, quando la pressione è in psi e si utilizza il peso specifico:

[ H\ (\text{ft})=\frac{2.31\Delta P\ (\text{psi})}{SG} ]

Nelle unità SI:

[ H\ (\text{m})=\frac{\Delta P\ (\text{Pa})}{\rho\ (\text{kg/m}^3)g} ]

La stessa pressione produce meno prevalenza per un liquido più denso e più prevalenza per un liquido meno denso.

Distinguere tra pressione manometrica e assoluta

Per una pompa che sposta liquido tra serbatoi, utilizzare le differenze di pressione in modo coerente. La pressione manometrica è solitamente conveniente quando entrambe le pressioni dei serbatoi sono riferite alla stessa atmosfera, poiché la pressione atmosferica si annulla nella differenza.

La pressione assoluta diventa essenziale quando si valuta il servizio in vuoto, la tensione di vapore, il rischio di cavitazione, la compressione del gas o i serbatoi che operano a pressioni sostanzialmente diverse:

[ P_{\text{assoluta}}=P_{\text{manometrica}}+P_{\text{atmosferica}} ]

Una conversione di pressione che mescola la pressione manometrica su un lato con la pressione assoluta sull'altro può produrre una prevalenza di sistema errata.

Considerare la densità del liquido nelle condizioni operative

Gli impianti pilota di ingegneria chimica possono gestire solventi, salamoie, polimeri, fluidi biologici o liquidi sensibili alla temperatura anziché acqua. La densità deve essere valutata alla temperatura e alla composizione operative effettive.

Anche la viscosità influisce sulle prestazioni della pompa e sulle perdite nelle tubazioni. Una pompa centrifuga che soddisfa la sua curva con acqua potrebbe fornire meno portata o prevalenza con un liquido di processo viscoso.

Aggiungere perdite per attrito e perdite locali

Calcolare le perdite nei tubi rettilinei

L'attrito del tubo deriva dal movimento del fluido attraverso sezioni rettilinee di tubo. La perdita dipende dalla portata, dal diametro del tubo, dalla lunghezza, dalla rugosità, dalla densità e dalla viscosità.

Gli ingegneri calcolano solitamente questa perdita utilizzando una relazione del fattore di attrito come l'equazione di Darcy-Weisbach:

[ h_f=f\frac{L}{D}\frac{v^2}{2g} ]

dove (f) è il fattore di attrito, (L) è la lunghezza del tubo, (D) è il diametro del tubo e (v) è la velocità media del fluido.

Includere valvole, raccordi e apparecchiature

Gomiti, T, riduzioni, valvole di controllo, filtri, scambiatori di calore, misuratori di portata e altri componenti creano perdite di pressione locali. Queste sono spesso rappresentate utilizzando coefficienti di perdita:

[ h_{\text{locale}}=\sum K\frac{v^2}{2g} ]

Le unità pilota possono avere perdite locali significative perché spesso contengono tubazioni compatte, molti raccordi, tubi flessibili, collegamenti temporanei e valvole di controllo.

Formare la prevalenza dinamica totale

La prevalenza della pompa richiesta a una portata specificata può essere espressa come:

[ H_{\text{sistema}}= H_{\text{static}}+ H_{\text{attrito}}+ H_{\text{locale}}+ H_{\text{apparecchiatura}} ]

Equivalentemente, in termini di pressione:

[ \Delta P_{\text{richiesta}}

\Delta P_{\text{static}} + \Delta P_{\text{attrito}} + \Delta P_{\text{locale}} + \Delta P_{\text{apparecchiatura}} ]

Poiché l'attrito e le perdite locali variano con la portata, il requisito di sistema non è una singola pressione fissa. È una curva di sistema che mostra la prevalenza richiesta in funzione della portata.

Confrontare il requisito con la curva della pompa

Selezionare la portata operativa

La portata richiesta deriva dal bilancio di materia del processo, dall'obiettivo del tempo di residenza, dal requisito di circolazione, dal carico di scambio termico, dal tasso di riflusso o dalle specifiche operative dell'apparecchiatura.

Una pompa dovrebbe essere valutata a quella portata, non solo alla sua condizione di chiusura o di prevalenza massima. La prevalenza della pompa centrifuga generalmente diminuisce all'aumentare della portata, quindi la prevalenza disponibile alla portata desiderata può essere molto inferiore alla prevalenza massima pubblicizzata.

Trovare il punto di lavoro

Il punto di lavoro della pompa si verifica dove la curva della pompa interseca la curva del sistema. In questo punto, la prevalenza disponibile della pompa è uguale alla resistenza idraulica del sistema collegato.

Una pompa è accettabile quando questo punto di lavoro fornisce la portata richiesta con un margine appropriato e rimane all'interno dell'intervallo operativo preferito dal produttore.

Controllare oltre la pressione di mandata nominale

La valutazione dovrebbe includere:

Prevalenza differenziale della pompa alla portata di progetto
Pressioni dei serbatoi di origine e destinazione
Differenza di elevazione statica
Perdite di tubi, valvole, raccordi e apparecchiature
Densità e viscosità del fluido
Efficienza della pompa e potenza all'albero
NPSH disponibile (Net Positive Suction Head)
Portate operative minime e massime previste
Compatibilità dei materiali e limiti di temperatura

Una pressione di mandata nominale è quindi un valore di screening iniziale, non una base completa per il dimensionamento della pompa.

Comprendere i compromessi

Le pompe in serie aumentano la prevalenza

Quando una pompa non può fornire la prevalenza richiesta, le pompe possono essere disposte in serie. A una data portata, le prevalenze delle pompe sono approssimativamente additive, soggette alle curve effettive delle pompe e alle condizioni operative.

Questa configurazione è appropriata per un elevato sollevamento statico o un'elevata resistenza del sistema. Non risolve automaticamente le limitazioni di aspirazione, la cavitazione o la capacità di portata insufficiente.

Le pompe in parallelo aumentano la portata

Le pompe in parallelo aumentano principalmente la portata disponibile a una data prevalenza. Sono utili quando il sistema richiede una maggiore produttività o flessibilità di regolazione, ma generalmente non sono la soluzione preferita per superare una limitazione di alta prevalenza.

Scegliere pompe in parallelo per un sistema che manca di una capacità di pressione sufficiente può lasciare l'unità al di sotto della portata richiesta.

Tubazioni più grandi riducono l'attrito

Aumentare il diametro del tubo di mandata può ridurre la velocità e la perdita di pressione per attrito. Poiché la perdita varia fortemente con la velocità e quindi con la portata, una modifica alle tubazioni può ridurre la curva del sistema abbastanza da consentire a una singola pompa di soddisfare il requisito di processo.

Questa opzione può essere più pratica rispetto all'aggiunta di una pompa, ma può influire sulla disposizione dell'apparecchiatura, sui costi, sulla drenabilità, sulla miscelazione e sulla risposta delle valvole di controllo.

Evitare un margine di pressione eccessivo

Selezionare una pompa con una prevalenza sostanzialmente superiore a quella richiesta può creare una portata eccessiva, elevate cadute di pressione nelle valvole di controllo, vibrazioni, stress delle tenute o un funzionamento lontano dal punto di massima efficienza della pompa.

La capacità in eccesso dovrebbe essere gestita con un metodo di controllo adeguatamente valutato, come il controllo della velocità o una disposizione di strozzamento adatta, piuttosto che essere considerata innocua.

Controllare separatamente l'NPSH e la sicurezza della pressione

Soddisfare la prevalenza di mandata non conferma che la pompa funzionerà in modo affidabile. La pressione di aspirazione deve rimanere sufficientemente alta da prevenire la formazione di vapore e la cavitazione, con l'NPSH disponibile che supera l'NPSH richiesto dalla pompa nelle peggiori condizioni operative.

La pressione di mandata della pompa non sostituisce nemmeno la progettazione della valvola di sicurezza. Gli impianti pilota richiedono una valutazione separata di uscite bloccate, espansione termica, reazioni incontrollate, flashing e altri scenari di sovrappressione utilizzando le pratiche applicabili per le apparecchiature a pressione e i sistemi di scarico.

Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo

La valutazione dovrebbe concludersi con un confronto documentato tra la curva di sistema richiesta e la curva di prestazione della pompa selezionata.

Se il tuo obiettivo principale è il sollevamento statico: Converti la pressione differenziale della pompa in prevalenza del liquido e confrontala con l'elevazione e la differenza di pressione del serbatoio prima di considerare le perdite per attrito.
Se il tuo obiettivo principale è mantenere la portata target: Valuta la pompa alla portata richiesta utilizzando la curva completa del sistema, incluse le perdite di tubi, raccordi, valvole e apparecchiature.
Se il tuo obiettivo principale è un servizio ad alta prevalenza: Considera pompe in serie o un tipo di pompa diverso dopo aver controllato potenza, NPSH, compatibilità dei materiali e limiti operativi.
Se il tuo obiettivo principale è ridurre l'uso di energia: Indaga su tubazioni più grandi, raccordi a bassa perdita e un dimensionamento appropriato delle valvole di controllo prima di aggiungere capacità di pompaggio.
Se il tuo obiettivo principale è un fluido chimico non acquoso: Ricalcola la prevalenza e le perdite utilizzando densità, viscosità, temperatura, tensione di vapore e composizione effettive.

Una pompa correttamente dimensionata è quella la cui prevalenza differenziale disponibile, alla portata e alle condizioni operative richieste, supera in modo affidabile l'intero requisito idraulico senza creare rischi operativi o di sicurezza inaccettabili.

Tabella riassuntiva:

Valutazione chiave	Cosa controllare
Prevalenza statica	Differenza di elevazione tra le superfici del liquido di origine e di destinazione
Pressione del serbatoio	Differenza di pressione tra i serbatoi di origine e di destinazione
Prevalenza differenziale	Pressione di mandata della pompa meno pressione di aspirazione
Perdite per attrito	Tubi rettilinei, valvole, raccordi, tubi flessibili e apparecchiature
Punto di lavoro	Intersezione della curva della pompa e della curva del sistema alla portata richiesta
Condizioni del fluido	Densità, viscosità, temperatura, tensione di vapore e composizione
Controlli di affidabilità	NPSH, efficienza, potenza, compatibilità dei materiali e limiti operativi
Opzioni di progettazione	Pompe in serie per una prevalenza maggiore, pompe in parallelo per una portata maggiore o tubazioni più grandi per ridurre le perdite

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