I parametri chiave sono la portata, la prevalenza totale, le proprietà del fluido, le condizioni di aspirazione e la potenza della pompa. Per le pompe di alimentazione e circolazione negli impianti pilota di ingegneria chimica, il dimensionamento deve tener conto della portata volumetrica richiesta, della portata massica, del dislivello statico, della differenza di pressione tra i serbatoi, dell'attrito nelle tubazioni e nei raccordi, delle perdite nelle valvole di controllo e della densità e viscosità del fluido. Nei circuiti ad alta pressione, questi calcoli possono generare prevalenze considerevoli; il riferimento principale cita prevalenze totali di circa 237 - 268 m per alcune applicazioni.
Il dimensionamento della pompa è l'intersezione tra la curva dell'impianto e la curva della pompa. Una progettazione affidabile valuta sia il punto di lavoro richiesto che il campo operativo, verificando poi la pressione di aspirazione, il margine di cavitazione, la richiesta di potenza, la controllabilità e la compatibilità con il fluido di processo.
Definire il punto di lavoro richiesto della pompa
Portata volumetrica
La portata volumetrica richiesta determina la capacità della pompa e influenza fortemente il diametro delle tubazioni, la velocità, le perdite per attrito e il campo di regolazione.
Il progetto dovrebbe specificare le portate normale, minima e massima, anziché un solo valore nominale. Una singola pompa può essere adeguata per un campo operativo ristretto, mentre potrebbero essere necessarie pompe in parallelo o il controllo a velocità variabile quando l'impianto pilota deve supportare esperimenti molto diversi tra loro.
Portata massica
La portata massica è essenziale quando la specifica di processo è espressa in chilogrammi all'ora o quando la densità del fluido cambia con la composizione, la temperatura o la pressione.
La relazione è:
[ \dot{m} = \rho Q ]
dove (\dot{m}) è la portata massica, (\rho) è la densità del fluido e (Q) è la portata volumetrica. Entrambe le grandezze dovrebbero essere verificate poiché la pompa sposta un volume, mentre molte operazioni unitarie sono progettate in base alla portata massica.
Campo operativo
Gli impianti pilota operano spesso in diversi regimi di flusso per dimostrare il comportamento del processo e le prestazioni di controllo. La pompa deve rimanere stabile e controllabile alla portata minima, normale e massima.
Il punto di lavoro selezionato dovrebbe quindi essere confrontato con la curva delle prestazioni completa della pompa, inclusi l'efficienza, il campo operativo consentito e qualsiasi requisito di portata minima.
Calcolare la prevalenza totale (TDH)
Prevalenza statica di dislivello
La prevalenza di dislivello è la differenza verticale tra i livelli del liquido o i punti di riferimento di pressione rilevanti nei serbatoi di origine e di destinazione.
Una pompa deve fornire questa prevalenza indipendentemente dal diametro del tubo o dalla portata. È particolarmente importante negli impianti pilota con colonne elevate, serbatoi, letti impaccati o ricevitori di riflusso.
Prevalenza di pressione statica
Se i serbatoi di origine e destinazione operano a pressioni diverse, la pompa deve superare il corrispondente differenziale di pressione.
Per un liquido di densità (\rho), la conversione da pressione a prevalenza è:
[ H_{\Delta P} = \frac{\Delta P}{\rho g} ]
Ciò significa che la stessa differenza di pressione produce un requisito di prevalenza diverso per fluidi con densità differenti. Una pressione di scarico dichiarata da sola è quindi insufficiente per il dimensionamento della pompa.
Perdite di carico per attrito
Le perdite per attrito si verificano in tubi dritti, raccordi, valvole, scambiatori di calore, sezioni impaccate, misuratori di portata e altri componenti.
Dipendono dalla lunghezza e dal diametro del tubo, dalla rugosità superficiale, dalla densità e viscosità del fluido, dalla velocità del flusso e dalla geometria dei raccordi. Le perdite per attrito aumentano generalmente in modo rapido con la portata, quindi devono essere calcolate ai limiti operativi rilevanti e non solo alla portata media.
Cadute di pressione delle valvole di controllo e delle apparecchiature
Le valvole di controllo possono consumare intenzionalmente una parte significativa della prevalenza disponibile per fornire un controllo del flusso stabile.
Il calcolo dovrebbe includere le cadute di pressione attraverso valvole, filtri, colini, scambiatori di calore, miscelatori statici, letti impaccati e altre apparecchiature di processo. Omettere queste perdite può portare a una pompa che soddisfa il requisito statico ma non riesce a raggiungere la portata richiesta.
Prevalenza totale (TDH)
Un'espressione pratica per la prevalenza richiesta della pompa è:
[ H_{\text{TDH}} = H_{\text{dislivello}} + H_{\text{pressione}} + H_{\text{attrito}} + H_{\text{apparecchiature}} ]
La prevalenza dell'impianto risultante dovrebbe essere valutata sull'intero campo operativo. Per i circuiti di impianti pilota ad alta pressione, la prevalenza richiesta può raggiungere circa 237 - 268 m, come citato nel riferimento principale.
Valutare il comportamento idraulico del fluido
Densità e peso specifico
La densità influisce sia sulla portata massica che sulla prevalenza associata a un differenziale di pressione. Influisce anche sulla potenza idraulica richiesta dalla pompa.
Per le miscele, la densità può variare significativamente con la composizione e la temperatura. La base di progettazione dovrebbe utilizzare la densità più alta credibile durante la verifica della potenza e del carico meccanico.
Viscosità
La viscosità influisce sul numero di Reynolds, sul fattore di attrito, sulla caduta di pressione, sull'efficienza della pompa e sulla portata raggiungibile.
I liquidi a bassa viscosità sono solitamente gestiti da pompe centrifughe. I liquidi altamente viscosi possono richiedere pompe a spostamento positivo, come le pompe a ingranaggi, poiché le prestazioni della pompa centrifuga possono deteriorarsi all'aumentare della viscosità.
Numero di Reynolds
Il numero di Reynolds indica se il flusso è prevalentemente laminare, di transizione o turbolento:
[ Re = \frac{\rho u D}{\mu} ]
dove (u) è la velocità media, (D) è il diametro del tubo e (\mu) è la viscosità dinamica.
Questo parametro è necessario per selezionare la correlazione del fattore di attrito appropriata. Aiuta anche a spiegare perché la stessa pompa e tubazione possono comportarsi in modo diverso quando cambiano la temperatura o la composizione del fluido.
Diametro e velocità del tubo
Il diametro del tubo stabilisce la relazione tra la portata e la velocità media:
[ u = \frac{4Q}{\pi D^2} ]
Una velocità maggiore può ridurre le dimensioni del tubo e il costo del capitale, ma aumenta la caduta di pressione per attrito, il rumore, il rischio di erosione e la potenza di pompaggio. Una velocità inferiore riduce le perdite idrauliche ma richiede tubazioni più grandi e costose.
Verificare le condizioni di aspirazione e il margine di cavitazione
Prevalenza di aspirazione disponibile
L'ingresso della pompa deve avere una pressione assoluta sufficiente per mantenere il fluido allo stato liquido nelle condizioni operative reali.
La prevalenza di aspirazione disponibile dipende dalla pressione del serbatoio di origine, dal livello del liquido, dall'attrito della linea di aspirazione, dalla tensione di vapore del fluido e dalla temperatura. Deve essere confrontata con la prevalenza netta di aspirazione positiva richiesta dalla pompa, o NPSH.
Margine NPSH
L'NPSH disponibile dovrebbe superare l'NPSH richiesto dalla pompa di un margine ingegneristico appropriato su tutto il campo operativo.
Questa verifica è particolarmente importante per liquidi volatili, liquidi caldi, serbatoi operanti sottovuoto e sistemi con linee di aspirazione lunghe o restrittive. Una pompa posizionata troppo in alto rispetto al serbatoio di origine può subire una pressione di ingresso inadeguata, cavitazione, flusso instabile o perdita completa del flusso.
Posizione della pompa
Le pompe centrifughe sono generalmente posizionate al meglio vicino e al di sotto del serbatoio di origine, dove la linea di aspirazione è corta e la pressione di ingresso è massima.
Le tubazioni di aspirazione dovrebbero ridurre al minimo raccordi non necessari, restrizioni brusche e cambi di elevazione. Questi dettagli possono determinare se la pompa funziona in modo affidabile anche quando i calcoli sul lato di scarico sono corretti.
Determinare i requisiti di potenza e azionamento
Potenza idraulica
La potenza idraulica ideale è:
[ P_{\text{idraulica}} = \rho g Q H ]
La potenza all'albero richiesta deve tenere conto dell'efficienza della pompa:
[ P_{\text{albero}} = \frac{\rho g Q H}{\eta_{\text{pompa}}} ]
Il dimensionamento del motore deve anche considerare l'efficienza dell'azionamento, il margine operativo, le condizioni di avviamento e la possibilità che l'impianto pilota operi alla portata massima o alla densità massima.
Tipo di pompa
Le pompe centrifughe sono comunemente adatte a fluidi di processo standard a bassa viscosità e servizi di circolazione continua.
Le pompe a spostamento positivo sono più appropriate per servizi a bassa portata, alta prevalenza, dosaggio o alta viscosità. Le pompe a membrana possono essere vantaggiose per fluidi corrosivi e dosaggi precisi, mentre le pompe a ingranaggi sono comunemente usate per liquidi viscosi.
Velocità e controllo
La disposizione dell'azionamento influisce sulla controllabilità e sull'efficienza operativa. Gli azionamenti a velocità variabile possono regolare l'uscita della pompa in base alle mutevoli condizioni dell'impianto pilota, mentre la strozzatura con una valvola di controllo modifica la resistenza del sistema e converte parte dell'energia della pompa in perdita di pressione.
Il progetto dovrebbe valutare se il controllo del flusso sarà ottenuto tramite regolazione della velocità, strozzatura della valvola, circolazione in bypass o una combinazione di questi metodi.
Abbinare la pompa al fluido di processo
Corrosività e materiali
I fluidi corrosivi possono attaccare corpi pompa, giranti, guarnizioni, premistoppa e tubazioni.
I materiali di costruzione devono essere selezionati utilizzando la composizione del fluido, la concentrazione, la temperatura e il tempo di esposizione. Anche il funzionamento intermittente è importante perché il fluido residuo può rimanere nella pompa durante i periodi di inattività e aumentare la corrosione interna.
Solidi sospesi
I solidi sospesi possono causare erosione, blocco, danni alle guarnizioni e usura accelerata.
Il progetto dovrebbe tenere conto della concentrazione di solidi, della dimensione delle particelle, del comportamento di sedimentazione e dei giochi interni richiesti. Una pompa selezionata solo in base ai dati di portata e prevalenza può guastarsi quando il fluido di processo contiene solidi.
Tensione di vapore e temperatura
La tensione di vapore determina la probabilità di flashing o cavitazione all'aspirazione della pompa.
I cambiamenti di temperatura possono alterare simultaneamente viscosità, densità, tensione di vapore e compatibilità dei materiali. Queste proprietà dovrebbero essere valutate nelle condizioni di avvio a freddo, normali e di temperatura massima.
Comprendere i compromessi
Sovradimensionamento della pompa
Una pompa sovradimensionata può produrre una portata eccessiva, elevate cadute di pressione nelle valvole, funzionamento inefficiente e un controllo difficile a bassa portata.
La strozzatura può forzare la pompa verso un punto di lavoro indesiderato e può creare ricircolo, vibrazioni o surriscaldamento. Una pompa dovrebbe essere selezionata per la curva dell'impianto reale e il campo operativo, piuttosto che scegliere semplicemente l'unità più grande disponibile.
Sottodimensionamento della pompa
Una pompa sottodimensionata potrebbe non riuscire a raggiungere la portata richiesta quando aumentano le perdite per attrito o i requisiti di pressione di processo.
Ciò è particolarmente probabile quando le cadute di pressione attraverso valvole di controllo, scambiatori di calore, letti impaccati o filtri vengono omesse dal calcolo. Il sistema dovrebbe essere verificato nella condizione operativa credibile più impegnativa.
Scelta del diametro del tubo
Un tubo piccolo riduce il costo del capitale ma aumenta la velocità e la perdita di carico per attrito. Un tubo grande riduce le perdite di pompaggio ma aumenta il costo delle apparecchiature, l'ingombro e potenzialmente l'inventario del fluido dell'impianto pilota.
Il diametro selezionato dovrebbe bilanciare il costo del capitale, il consumo energetico, le prestazioni di controllo, il rischio di erosione e gli obiettivi educativi o di ricerca della struttura.
Ignorare la curva dell'impianto
Le classificazioni dei cataloghi delle pompe spesso indicano un valore di prevalenza o portata senza rappresentare la relazione completa tra loro.
La pompa selezionata deve essere verificata rispetto alla curva dell'impianto calcolata. Il punto di lavoro effettivo è dove la curva della pompa interseca la curva dell'impianto, e può differire sostanzialmente dal lavoro nominale da catalogo.
Fare la scelta giusta per il tuo obiettivo
Le seguenti priorità aiutano a organizzare il calcolo del dimensionamento attorno allo scopo dell'impianto pilota:
- Se il tuo obiettivo principale è la circolazione affidabile del processo: Definisci le portate normale, minima e massima, calcola la prevalenza totale dinamica completa e verifica il punto di lavoro e il margine NPSH su tutto il campo.
- Se il tuo obiettivo principale è il dosaggio accurato di alimentazione o reagenti: Dai priorità alle prestazioni stabili a bassa portata, alla viscosità del fluido, alla pulsazione, alla controllabilità e all'idoneità di una pompa a spostamento positivo o a membrana.
- Se il tuo obiettivo principale è l'operazione ad alta pressione: Includi le differenze di pressione tra i serbatoi, le cadute di pressione delle apparecchiature, la densità del fluido, la potenza all'albero, le classificazioni meccaniche e l'analisi completa delle condizioni di aspirazione.
- Se il tuo obiettivo principale è l'insegnamento della fluidodinamica: Strumenta portata, pressione, pressione differenziale, velocità e potenza del motore in modo che gli utenti possano confrontare le perdite di carico teoriche, le curve della pompa, le cadute nelle valvole e l'assorbimento di potenza misurato.
- Se il tuo obiettivo principale è il servizio corrosivo o con solidi: Valuta i materiali di costruzione, la selezione delle guarnizioni, i giochi interni, la gestione dei solidi, la temperatura e la corrosione sia durante il funzionamento che nei periodi di inattività.
Una specifica solida per la pompa di un impianto pilota collega portata, prevalenza, comportamento del fluido, condizioni di aspirazione, potenza e requisiti di controllo in un'unica base di progettazione idraulica completa.
Tabella riassuntiva:
| Parametro | Cosa valutare | Perché è importante |
|---|---|---|
| Portata | Portata volumetrica minima, normale e massima; portata massica | Definisce la capacità della pompa, la velocità del tubo e la controllabilità |
| Prevalenza totale | Dislivello, differenza di pressione, attrito del tubo, valvole e perdite | Determina la prevalenza richiesta della pompa e la curva dell'impianto |
| Proprietà del fluido | Densità, viscosità, tensione di vapore, temperatura, corrosività e solidi | Influisce su attrito, potenza, rischio di cavitazione, tipo di pompa e materiali |
| Condizioni di aspirazione | Pressione di origine, livello del liquido, perdite della linea e margine NPSH | Previene cavitazione, flusso instabile e perdita di prestazioni |
| Pompa e azionamento | Curva della pompa, efficienza, potenza all'albero, velocità e campo operativo | Conferma che la pompa raggiunga il punto di lavoro in modo efficiente e affidabile |
| Strategia di controllo | Velocità variabile, strozzatura valvola, bypass o dosaggio | Garantisce un funzionamento stabile in condizioni mutevoli dell'impianto |
| Priorità di progettazione | Circolazione, dosaggio, alta pressione, didattica, servizio corrosivo o solidi | Allinea la selezione della pompa agli obiettivi di processo dell'impianto |
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