Seleção de bombas criogênicas: centrífugas versus alternativas

A seleção de bombas criogênicas começa por uma pergunta: precisa de vazão ou de pressão? As bombas centrífugas movem vazões elevadas a pressão moderada e servem a transferência a granel. As bombas alternativas dão pressão elevada a menor vazão e servem o enchimento de cilindros. O NPSH e o resfriamento definem o resto.

Muitas instalações criogênicas não precisam de qualquer bomba. A pressão do próprio tanque consegue deslocar o líquido quando a pressão de entrega exigida é modesta e a distância é curta, e essa é normalmente a solução mais simples e mais econômica.

Este guia explica quando a bomba se torna necessária, em que diferem as duas grandes famílias de bombas, porque é que a cavitação se comporta de forma distinta em serviço criogênico e em serviço com água, e o que deve especificar para que um fornecedor possa propor a máquina certa.

Precisa mesmo de uma bomba criogênica?

Um tanque criogênico consegue expulsar o líquido utilizando sua própria pressão de vapor. O circuito de construção de pressão retira líquido do fundo do tanque, vaporiza-o numa serpentina exterior e devolve o gás ao espaço de vapor, elevando a pressão do tanque para que o líquido saia por efeito da sua própria carga. Para muitos serviços, isso é suficiente.

A transferência por pressão tem, no entanto, limites reais. A pressão do tanque não pode exceder a MAWP do recipiente, por isso, a pressão de entrega disponível fica limitada pela classe de pressão do tanque. Elevar a pressão do tanque também aquece o líquido e consome produto, e a vazão fica limitada pela rapidez com que o circuito de construção de pressão consegue trabalhar.

A transferência por pressão costuma ser suficiente quando

• A pressão de entrega exigida está bastante abaixo da MAWP do tanque
• A exigência de vazão é moderada e intermitente
• A distância de transferência e as perdas de linha são pequenas
• A perda de produto resultante da construção de pressão é aceitável
• O recipiente receptor está a pressão inferior à do tanque de fornecimento

A bomba torna-se necessária quando

• A pressão de descarga necessária excede o que a classe de pressão do tanque pode oferecer
• Está enchendo cilindros ou baterias de cilindros de alta pressão
• Precisa de vazão elevada numa janela de transferência curta, como a descarga de semirreboques cisterna com horário fixo
• Está alimentando um vaporizador de alta pressão para fornecimento de gás a pressão elevada
• A construção de pressão repetida consumiria demasiado produto
• O recipiente receptor está a pressão semelhante ou superior à do tanque de fornecimento

Se a limitação afinal for a classe de pressão do tanque e não a vazão, verifique essa questão antes de especificar uma bomba. O nosso guia sobre a MAWP e a classe de pressão de tanques criogênicos explica como a pressão de entrega é definida no tanque.

Qual a diferença entre bombas criogênicas centrífugas e alternativas?

As duas famílias resolvem problemas diferentes. A bomba centrífuga utiliza um rotor rotativo para acrescentar energia cinética ao líquido, que se converte em pressão na descarga. A bomba alternativa utiliza um pistão ou êmbolo num cilindro para deslocar um volume fixo por curso, contra a pressão que a descarga apresentar.

Essa diferença de mecanismo determina tudo o resto. A bomba centrífuga produz uma altura manométrica que depende da velocidade e do diâmetro do rotor, e sua vazão varia com a resistência do sistema. A bomba alternativa, de deslocamento positivo, produz sensivelmente a mesma vazão por curso independentemente da pressão de descarga, por isso, a pressão é limitada pela máquina e pelo acionamento e não pelo rotor.

Bombas criogênicas centrífugas

• Adequadas a vazão elevada com pressão de descarga moderada
• Vazão contínua e suave, com baixa pulsação
• Serviços típicos: transferência a granel, descarga de semirreboques e de contêineres ISO, transferência entre tanques, alimentação de vaporizadores de baixa e média pressão
• A vazão varia com a resistência do sistema, por isso, o ponto de funcionamento se desloca ao longo de uma curva
• As construções multiestágio elevam a altura manométrica quando um único estágio não chega
• Em geral mecanicamente mais simples, com menos peças de desgaste no percurso do líquido

Bombas criogênicas alternativas

• Adequadas a pressão de descarga elevada com vazão mais baixa
• Deslocamento positivo, por isso, a vazão é definida pelo curso e pela velocidade e não pela pressão de descarga
• Serviços típicos: enchimento de cilindros e de baterias, fornecimento de gás a alta pressão através de vaporizador, enchimento de reboques de tubos
• Vazão pulsante, que o projeto da tubulação tem que acomodar
• Exige um dispositivo de segurança na descarga, porque uma bomba de deslocamento positivo contra uma válvula fechada continua a aumentar a pressão
• Mais peças de desgaste, por isso, a manutenção de vedações e gaxetas faz parte do plano de operação

Alguns postos utilizam ambas: uma bomba centrífuga para a movimentação a granel e uma bomba alternativa para o enchimento a alta pressão. Isso é normal e não redundante, porque obrigar uma só máquina a cobrir os dois serviços costuma significar que não cumpre bem nenhum deles.

Como ajustar a bomba ao serviço pretendido?

A seleção é uma conversa sobre o ponto de funcionamento e não sobre a bomba. Defina o que o sistema tem que fazer e a máquina resulta daí. Os parâmetros abaixo são os que qualquer fornecedor competente irá pedir, e tê-los preparados encurta consideravelmente o processo.

• Fluido em serviço: LIN, LOX, LAR, GNL ou LCO2, uma vez que as propriedades e as exigências de materiais são diferentes
• Vazão necessária, média e de ponta, e se a vazão tem que ser contínua ou é por lotes
• Pressão de descarga necessária no ponto de utilização e não na bomba
• Condições de sucção: pressão do tanque, faixa de níveis de líquido e geometria da linha de sucção
• Regime de utilização: funcionamento contínuo, arranques frequentes ou utilização ocasional
• Tempo de resfriamento que pode aceitar antes de cada arranque
• Tipo de acionamento e alimentação elétrica disponível
• Classificação do local, em particular para GNL e outros produtos inflamáveis
• Se a bomba serve um único posto ou tem que poder deslocar-se entre pontos

Dois destes pontos merecem destaque. É a vazão de ponta, e não a vazão média, que dimensiona a máquina, e é a pressão exigida no ponto de utilização, e não na descarga da bomba, que determina a altura manométrica necessária depois de contabilizadas as perdas de linha e do vaporizador.

O serviço com oxigênio acrescenta exigências próprias. As peças em contato com o fluido têm que ser compatíveis com oxigênio e estar limpas para oxigênio, e apenas podem ser montados lubrificantes e vedações aprovados para utilização com oxigênio. O nosso guia sobre segurança e seleção de tanques de oxigênio líquido cobre essas regras.

O que é o NPSH e porque é que a cavitação importa em serviço criogênico?

NPSH significa altura de sucção positiva líquida. É a margem entre a pressão do líquido que chega à sucção da bomba e a pressão de vapor desse líquido à sua temperatura. Se a margem desaparecer, o líquido ferve dentro da bomba. Formam-se bolhas de vapor que colapsam e perturbam o escoamento. Isso é a cavitação, que destrói o desempenho e danifica a máquina.

O serviço criogênico torna isto mais difícil do que o serviço com água por uma razão específica: o líquido no tanque encontra-se no seu ponto de ebulição, ou muito perto dele, para a pressão do tanque. Já está saturado. Qualquer pequena entrada de calor ou queda de pressão no percurso até a bomba pode iniciar a vaporização na linha de sucção.

• O NPSH disponível é definido pelo sistema: pressão do tanque, altura de líquido acima da bomba e perdas na linha de sucção
• O NPSH requerido é definido pela bomba e é fornecido pelo fabricante para a máquina e a velocidade selecionadas
• O NPSH disponível tem que exceder o NPSH requerido com margem em toda a faixa de funcionamento, incluindo com o nível do tanque baixo
• Instale a bomba abaixo do nível de líquido do tanque sempre que possível, para que a carga estática trabalhe a seu favor
• Mantenha a linha de sucção curta, direita, generosamente dimensionada e totalmente encamisada a vácuo ou bem isolada
• Minimize acessórios, curvas e estrangulamentos na linha de sucção
• Preveja uma linha de purga ou de retorno para que o vapor gerado na linha de sucção possa escapar de volta ao tanque
• Verifique o caso mais desfavorável, que normalmente é o nível de tanque mais baixo combinado com a vazão mais elevada

Os sinais de cavitação em funcionamento incluem ruído e vibração na bomba, pressão de descarga instável ou em queda e uma vazão que diminui sem qualquer alteração da demanda. Se não for corrigida, danifica o rotor ou o êmbolo e os rolamentos.

Há uma tensão de projeto que vale a pena nomear. Elevar a pressão do tanque aumenta o NPSH disponível, mas também eleva a temperatura de saturação do líquido, e o líquido mais quente vaporiza com maior facilidade. A resposta correta é um sistema de sucção bem projetado e não simplesmente mais pressão no tanque.

Porque é que uma bomba criogênica precisa de resfriamento antes do arranque?

Uma bomba criogênica à temperatura ambiente faz ferver instantaneamente o primeiro líquido que lhe chega. A bomba estaria então a tentar deslocar vapor em vez de líquido, o que não produz vazão útil e pode danificar a máquina. O resfriamento prévio é o processo de resfriar a bomba e sua linha de sucção até a temperatura do líquido antes do arranque.

O resfriamento prévio também protege a máquina em termos mecânicos. Os componentes criogênicos contraem à medida que resfriam, e as folgas são projetadas para a condição fria. Arrancar com uma bomba quente significa fazê-la funcionar com folgas erradas enquanto processa também vapor.

• Abra a válvula de sucção e deixe o líquido circular pela bomba com a linha de purga ou de retorno aberta
• Deixe o vapor gerado durante o resfriamento sair para o tanque e não para a linha de descarga
• Aguarde até que passe líquido, e não vapor, pelo retorno, sinal de que o corpo da bomba está frio
• Só então arranque o acionamento contra o sistema de descarga
• Respeite o tempo de resfriamento indicado pelo fabricante em vez de uma estimativa baseada no hábito
• Mantenha a bomba fria entre operações frequentes sempre que o serviço o permita, para evitar resfriamentos repetidos

O tempo de resfriamento é um custo operacional real. Num posto com transferências curtas e frequentes, uma máquina que tenha de ser novamente resfriada antes de cada arranque reduz a capacidade de processamento, e é muitas vezes isso que leva um projeto a manter a bomba fria ou a repartir os serviços de outra forma. Considere este aspecto na disposição do posto em vez de o descobrir em operação. O mesmo princípio se aplica ao próprio tanque durante o primeiro enchimento, tema tratado no nosso guia de comissionamento de tanques criogênicos.

Que serviços cobrem as bombas em postos de enchimento e na descarga?

Descarga de semirreboques e de contêineres ISO

A descarga é um serviço de vazão elevada e pressão moderada com restrição de tempo, uma vez que o veículo está à espera. Algumas cisternas rodoviárias transportam sua própria bomba, caso em que a instalação receptora pode não precisar de nenhuma. Quando é a instalação a fornecer a bomba, a escolha habitual é uma máquina centrífuga. Confirme desde cedo se o veículo que entrega bombeia ou se depende de transferência por pressão, porque isso determina quem fornece o equipamento. A nossa visão geral dos contêineres-tanque ISO para transporte criogênico e a nossa comparação entre semirreboques e bobtails cobrem o lado do veículo.

Enchimento de cilindros e de baterias

O enchimento de cilindros de alta pressão é o serviço clássico da bomba alternativa. A bomba eleva a pressão do líquido, um vaporizador de alta pressão converte-o em gás e o gás enche os cilindros. A vazão é moderada, a pressão é elevada e o serviço é repetitivo. A proteção por dispositivo de segurança na descarga é essencial, porque uma bomba de deslocamento positivo contra uma válvula fechada continua a aumentar a pressão.

Abastecimento de GNL e estações satélite

As estações de GNL variam bastante. Algumas dependem da pressão do tanque e de um vaporizador, sem qualquer bomba, enquanto outras usam bomba para a distribuição ou para alimentar uma unidade de regaseificação de alta pressão. A classificação de área perigosa aplica-se ao equipamento. A nossa lista de verificação de equipamento para estações satélite de GNL apresenta o escopo completo.

Fornecimento a processos e a postos de cliente

Quando um posto de cliente se limita a fornecer gás a um processo a pressão moderada, a pressão do tanque através de um vaporizador atmosférico costuma ser suficiente, e a bomba acrescenta custo e manutenção sem benefício. Dimensione primeiro o vaporizador para o consumo de gás e verifique se a bomba é sequer necessária.

Que outros elementos devem ser especificados em torno da bomba?

A bomba é um componente de um sistema. A maioria dos problemas de bombas comunicados em instalações criogênicas remonta à linha de sucção, aos controles ou ao procedimento de operação e não à máquina em si.

• Tubulação de sucção encamisada a vácuo ou bem isolada, generosamente dimensionada e mantida curta
• Linha de purga ou de retorno ao tanque para o resfriamento e para liberação de vapor
• Dispositivo de segurança na descarga, obrigatório em bombas de deslocamento positivo
• Válvulas de seccionamento que permitam manutenção sem esvaziar o tanque
• Proteção por válvula de segurança em qualquer trecho de linha que possa ser isolado nas duas extremidades, uma vez que o líquido criogênico retido aquece e expande
• Instrumentação de pressão de sucção e de descarga, e de vazão quando o serviço o exigir
• Escolha do acionamento e, quando é necessária vazão variável, controle de velocidade
• Equipamento adequado à classificação de área perigosa em GNL e em outros serviços com produtos inflamáveis
• Acesso para manutenção de vedações e gaxetas, que é rotina em máquinas alternativas

Inclua a bomba no plano de manutenção da instalação em vez de a tratar à parte. O nosso plano de manutenção de tanques criogênicos cobre os intervalos do equipamento envolvente, incluindo a recomendação de fazer uma leitura de vácuo a cada 6 a 12 meses.

Como pode a KAF Cryogenics ajudar numa instalação com bomba?

A KAF Cryogenics fornece o equipamento em torno da bomba: tanques de armazenamento para LIN, LOX, LAR, GNL, LCO2 e GLP, vaporizadores atmosféricos e equipamento de processo, tanques MicroBulk e equipamento de transporte, incluindo semirreboques cisterna, bobtails, cisternas montadas em caminhão e contêineres-tanque ISO.

Isto importa para a seleção da bomba porque são a classe de pressão do tanque, o arranjo da sucção e o serviço do vaporizador que definem, à partida, a exigência de bombeamento. Acertar nestes pontos reduz muitas vezes o serviço exigido à bomba e, por vezes, elimina completamente a necessidade de bomba.

• Classe de pressão do tanque escolhida em função da pressão de entrega que seu processo realmente necessita
• Capacidade do vaporizador dimensionada para o consumo de gás e para as condições ambientais do seu local
• Disposição do tanque e posições das ligações que permitam uma linha de sucção curta e de baixa perda
• Equipamento fornecido novo segundo especificação, ou como unidades usadas certificadas, inspecionadas, ensaiadas por NDT, com ensaio de vácuo e de pressão, dossiê documental e garantia escrita
• Certificação adequada ao mercado de destino nos termos da PED 2014/68/EU com a EN 13458, ou ASME quando se aplica o código norte-americano
• Entrega a partir de estoque em semanas para unidades usadas certificadas, em comparação com meses para fabricação nova

Envie-nos o serviço pretendido: fluido, vazão, pressão no ponto de utilização e o que o posto tem que fazer. Diremos como deve ser o lado do tanque e do vaporizador e onde é que a bomba tem realmente lugar.

Perguntas frequentes

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