Entrambi i tipi di pompa vengono utilizzati perché gli impianti di processo chimico devono gestire attività di trasporto fondamentalmente diverse. Le pompe centrifughe sono preferite per il trasferimento continuo di portate relativamente elevate con prevalenze da basse a moderate, mentre le pompe volumetriche vengono selezionate quando il processo richiede alta pressione, dosaggio accurato o una portata affidabile con liquidi viscosi. La principale differenza prestazionale è che la portata di una pompa centrifuga varia considerevolmente con la resistenza del sistema, mentre quella di una pompa volumetrica rimane quasi costante al variare della pressione di mandata.
Le pompe centrifughe sono macchine che generano portata e il cui punto di funzionamento dipende fortemente dalla prevalenza del sistema; le pompe volumetriche erogano un volume definito per ciclo e quindi mantengono la portata in modo più indipendente dalla pressione di mandata. Gli impianti utilizzano entrambi i tipi perché la circolazione di grandi volumi e il dosaggio preciso ad alta pressione sono requisiti ingegneristici differenti.
Perché gli impianti di processo necessitano di entrambi i tipi di pompa
Trasferimento continuo di grandi volumi
Le pompe centrifughe sono adatte a movimentare grandi quantità di liquido in modo continuo attraverso le apparecchiature di processo. Le applicazioni tipiche includono il trasferimento dell’alimentazione, la circolazione nelle colonne, i servizi con acqua di raffreddamento e la circolazione nei ribollitori.
La loro struttura compatta, l’erogazione regolare e la manutenzione relativamente ridotta le rendono pratiche per la normale circolazione di processo.
Erogazione e dosaggio ad alta pressione
Le pompe volumetriche vengono utilizzate quando l’impianto deve erogare un volume controllato contro una pressione significativa. Le pompe alternative sono comuni per il dosaggio a bassa portata e alta pressione, mentre le pompe rotative sono utili per l’erogazione relativamente uniforme di liquidi viscosi.
Ciò rende la tecnologia volumetrica adatta all’iniezione di reagenti, catalizzatori, additivi o altre sostanze chimiche di processo a portate controllate.
Diverse proprietà dei fluidi
Le pompe centrifughe generalmente offrono le migliori prestazioni con liquidi a bassa viscosità. Le loro prestazioni possono peggiorare all’aumentare della viscosità, poiché l’attrito interno aumenta il fabbisogno di potenza e riduce la portata e l’efficienza.
Le pompe volumetriche sono spesso più adatte ai fluidi viscosi perché spostano meccanicamente un volume definito, invece di basarsi principalmente sulla velocità impartita al fluido.
Formazione e flessibilità degli impianti pilota
L’inclusione di entrambi i tipi di pompa in un impianto pilota consente agli operatori e agli studenti di osservare come le caratteristiche delle pompe interagiscono con la resistenza delle tubazioni. È possibile misurare prevalenza, portata, risposta alla pressione, effetti della viscosità e variazioni del punto di funzionamento in condizioni di processo realistiche.
Questo confronto è prezioso perché la selezione della pompa dipende dai requisiti combinati di portata, prevalenza, viscosità e accuratezza del controllo.
Come cambiano le prestazioni delle pompe centrifughe
La prevalenza diminuisce all’aumentare della portata
Una pompa centrifuga trasferisce energia cinetica al liquido e converte parte di tale energia in pressione. A una determinata velocità, il suo aumento di pressione è generalmente massimo in prossimità della portata nulla e diminuisce all’aumentare della portata volumetrica.
La curva risultante della pompa presenta generalmente una pendenza negativa: una maggiore resistenza del sistema produce una portata inferiore, mentre una resistenza minore consente una portata maggiore.
La portata dipende dalla curva del sistema
Una pompa centrifuga non funziona a una portata fissa in tutte le condizioni. Il suo punto di funzionamento effettivo è il punto in cui la curva della pompa interseca la curva di resistenza del sistema di tubazioni.
L’apertura di una valvola di mandata riduce la resistenza del sistema e generalmente aumenta la portata. La chiusura della valvola aumenta la resistenza e generalmente riduce la portata, aumentando al contempo la prevalenza sviluppata verso la condizione di mandata chiusa della pompa.
La velocità modifica la curva della pompa
La variazione della velocità di rotazione sposta la curva prestazionale della pompa centrifuga. L’aumento della velocità generalmente incrementa la prevalenza e la portata disponibili, mentre la riduzione della velocità diminuisce entrambe.
Ciò fornisce un metodo utile per il controllo della capacità, sebbene sia necessario considerare anche gli effetti sul consumo energetico e sui limiti dell’apparecchiatura.
Principali punti di forza nei processi
Le pompe centrifughe sono efficaci per:
- Portate elevate o moderate
- Prevalenze da basse a moderate
- Erogazione continua e relativamente uniforme dei liquidi
- Fluidi di processo puliti e a bassa viscosità
- Installazioni compatte con funzionamento semplice
Sono disponibili in materiali resistenti alla corrosione, come acciaio inossidabile, polipropilene e gres, a seconda della compatibilità chimica.
In che modo differiscono le prestazioni delle pompe volumetriche
La portata è determinata dallo spostamento volumetrico
Una pompa volumetrica cattura e sposta un volume definito di liquido durante ogni ciclo o rotazione. La sua portata teorica è quindi determinata principalmente dallo spostamento volumetrico e dalla velocità di funzionamento.
Per una pompa alternativa, la portata è correlata allo spostamento del pistone e alla frequenza delle corse. Per una pompa rotativa, la portata è correlata allo spostamento per giro e alla velocità di rotazione.
La curva prestazionale è quasi verticale
A differenza di una pompa centrifuga, una pompa volumetrica può mantenere quasi la stessa portata volumetrica all’aumentare della pressione di mandata. La sua curva caratteristica viene quindi spesso rappresentata come quasi verticale.
La portata effettiva varia comunque in una certa misura a causa di perdite, comprimibilità, comportamento delle valvole, slittamento e limitazioni meccaniche. “Quasi costante” è più accurato di perfettamente costante.
La pressione è generata dalla resistenza del sistema
Una pompa volumetrica continua a cercare di spostare il liquido quando aumenta la resistenza a valle. La pompa non riduce semplicemente la portata in risposta alla pressione come fa una pompa centrifuga.
Di conseguenza, la pressione può aumentare rapidamente se il percorso di mandata è ostruito. È essenziale disporre di una valvola di sicurezza, di un bypass o di un altro sistema di protezione dalla pressione adeguatamente dimensionato.
Il controllo della portata utilizza lo spostamento o il bypass
La portata delle pompe volumetriche viene comunemente controllata modificando la velocità, la lunghezza della corsa del pistone o la frequenza delle corse. Un circuito di bypass può inoltre riportare il liquido in eccesso al lato di aspirazione, sebbene ciò possa sprecare energia e influire sulla temperatura del fluido o sulla qualità del prodotto.
La regolazione della valvola di mandata non è un metodo primario adeguato per il controllo della portata di una pompa volumetrica.
Come viene stabilito il punto di funzionamento
Intersezione per la pompa centrifuga
Per una pompa centrifuga, il punto di funzionamento è stabilito dall’intersezione tra:
- La caratteristica prevalenza-portata della pompa
- La curva di resistenza del sistema di tubazioni
La variazione di una valvola modifica la curva del sistema. La variazione della velocità della pompa modifica la curva della pompa.
Interazione con la pompa volumetrica
Una pompa volumetrica è meno sensibile alla curva del sistema in termini di portata. All’aumentare della resistenza, la portata tende a rimanere simile mentre aumenta la pressione di mandata richiesta.
Il sistema determina comunque la pressione che la pompa deve sviluppare, ma la protezione dalla pressione diventa il principale aspetto di sicurezza.
Cosa dimostrano gli impianti pilota
Un impianto pilota può mostrare direttamente queste differenze variando le valvole, la velocità della pompa o la viscosità del fluido. Gli esperimenti con pompe centrifughe evidenziano la variazione di portata e prevalenza, mentre quelli con pompe volumetriche evidenziano una portata relativamente stabile e una pressione crescente.
Queste osservazioni collegano la teoria delle pompe alla selezione pratica delle apparecchiature e al controllo di processo.
Comprendere i compromessi
Limitazioni delle pompe centrifughe
Le pompe centrifughe sono generalmente meno efficaci con liquidi altamente viscosi e possono non generare pressioni elevate in una configurazione monostadio. Inoltre, richiedono comunemente l’adescamento perché non sono intrinsecamente autoadescanti.
La loro massima efficienza viene solitamente raggiunta entro un determinato intervallo operativo. Il funzionamento troppo lontano da tale intervallo può aumentare vibrazioni, ricircolo, usura o consumo energetico.
Limitazioni delle pompe volumetriche
Le pompe volumetriche sono meccanicamente più complesse di molte pompe centrifughe e possono produrre una portata pulsante, in particolare nei modelli alternativi. Richiedono inoltre una protezione accurata contro le condizioni di mandata ostruita.
Un sistema di bypass può migliorare la flessibilità operativa, ma il ricircolo continuo può ridurre l’efficienza energetica. I modelli rotativi possono fornire una portata più uniforme, ma la loro idoneità dipende da viscosità, contenuto di solidi, perdite e compatibilità dei materiali.
La chiusura della valvola non è ugualmente sicura
Una pompa centrifuga può generalmente tollerare una breve restrizione della mandata perché la portata diminuisce all’aumentare della resistenza, sebbene il funzionamento prolungato a mandata chiusa possa causare surriscaldamento e danni.
Una pompa volumetrica non deve funzionare contro una mandata completamente chiusa senza un adeguato percorso di scarico della pressione. Poiché continua a spostare il liquido, la pressione risultante può danneggiare la pompa, le tubazioni, le tenute o il motore.
La selezione richiede più di pressione e portata
La scelta di una pompa basata esclusivamente sulla portata o sulla pressione nominale può produrre risultati insoddisfacenti. La selezione deve considerare anche viscosità, corrosione, solidi, temperatura, condizioni di aspirazione, accuratezza del dosaggio, pulsazioni, metodo di controllo e conseguenze di un guasto.
Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo
La scelta corretta deriva dall’applicazione di processo e non dal solo nome della pompa.
- Se l’obiettivo principale è il trasferimento continuo ad alta portata: scegliere una pompa centrifuga quando il liquido ha una viscosità relativamente bassa e la prevalenza richiesta è da bassa a moderata.
- Se l’obiettivo principale è il dosaggio preciso di sostanze chimiche: scegliere una pompa volumetrica perché il suo spostamento e la sua velocità forniscono un controllo più diretto del volume erogato.
- Se l’obiettivo principale è un servizio ad alta pressione e bassa portata: preferire una pompa volumetrica, dotata di adeguate apparecchiature di sicurezza e protezione dalla pressione.
- Se l’obiettivo principale è la gestione di liquidi viscosi: valutare le pompe volumetriche rotative o alternative prima di selezionare una pompa centrifuga.
- Se l’obiettivo principale è la formazione sul processo o lo studio in impianto pilota: includere entrambi i tipi, in modo che gli operatori possano confrontare le curve delle pompe, le resistenze del sistema, la risposta alla pressione, gli effetti della viscosità e i metodi di controllo.
Le pompe centrifughe sono adatte alle applicazioni di circolazione con portata variabile, mentre le pompe volumetriche sono adatte alle applicazioni a volume controllato e ad alta pressione; comprendere questa distinzione è il fondamento di una corretta selezione delle pompe di processo.
Tabella riepilogativa:
| Caratteristica | Pompa centrifuga | Pompa volumetrica |
|---|---|---|
| Più adatta per | Trasferimento continuo ad alta portata | Servizi e dosaggio ad alta pressione e bassa portata |
| Comportamento della portata | Varia significativamente con la resistenza del sistema | Rimane quasi costante al variare della pressione |
| Idoneità per i fluidi | Liquidi a bassa viscosità | Liquidi viscosi e alimentazioni chimiche controllate |
| Controllo della portata | Regolazione della valvola o variazione della velocità | Variazione della velocità, della corsa o bypass |
| Applicazioni tipiche | Trasferimento dell’alimentazione, circolazione, acqua di raffreddamento, ribollitori | Iniezione di reagenti, catalizzatori e additivi |
| Principale aspetto di sicurezza | Evitare il funzionamento prolungato a mandata chiusa | Richiede una protezione con valvola di sicurezza o bypass contro la mandata ostruita |
| Valore per l’impianto pilota | Dimostra le curve delle pompe e i punti di funzionamento | Dimostra il dosaggio, la risposta alla pressione e gli effetti della viscosità |
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