Cosa dovresti sapere prima di scegliere una pompa per processi chimici?

Che cos'è una pompa per processi chimici e perché richiede una considerazione speciale?

A pompa per processi chimici è una pompa industriale progettata specificamente per gestire fluidi corrosivi, tossici, abrasivi, infiammabili o altrimenti pericolosi nella produzione chimica, nella raffinazione petrolchimica, nella produzione farmaceutica, nel trattamento delle acque e nelle industrie di processo correlate. A differenza delle pompe dell'acqua standard o delle pompe per servizi generali, le pompe per processi chimici sono progettate fin dall'inizio per resistere agli effetti distruttivi dei fluidi aggressivi, pur mantenendo un funzionamento affidabile e senza perdite per intervalli di manutenzione prolungati. Le conseguenze di un guasto della pompa in un ambiente di processo chimico vanno da costosi tempi di fermo della produzione a catastrofici incidenti di sicurezza, motivo per cui la selezione della pompa, le specifiche dei materiali e la disposizione delle tenute sono trattate con molto maggiore rigore rispetto alle applicazioni industriali generali.

La filosofia di progettazione alla base delle pompe per processi chimici è incentrata su tre priorità: contenimento, durata e manutenibilità. Contenimento significa impedire che il fluido di processo raggiunga l'ambiente o il personale in qualsiasi condizione operativa, comprese condizioni alterate e guasti alle guarnizioni. Durabilità significa selezionare materiali e progetti idraulici che resistano all'usura, alla corrosione e allo stress termico per una durata di servizio misurata in anni anziché in mesi. Manutenibilità significa progettare la pompa in modo che le parti soggette ad usura possano essere sostituite rapidamente con uno smontaggio minimo, riducendo il tempo medio di riparazione e consentendo agli impianti di gestire in modo efficiente le scorte di pezzi di ricambio. Comprendere come queste priorità vengono affrontate nei diversi progetti di pompe è essenziale prima di specificare l'attrezzatura per qualsiasi servizio chimico.

Quali tipi di pompe per processi chimici sono disponibili e quando vengono utilizzate?

Le pompe per processi chimici sono disponibili in diversi principi operativi fondamentali, ciascuno adatto a caratteristiche specifiche del fluido, requisiti di portata e condizioni di pressione. La selezione del tipo di pompa sbagliato per un'applicazione comporta una scarsa efficienza, un'usura prematura e frequenti interventi di manutenzione, indipendentemente dalla qualità dei materiali specificati.

Pompe di processo centrifughe

Le pompe centrifughe sono il tipo più utilizzato negli impianti di processo chimico e rappresentano la maggior parte di tutte le installazioni di pompe nelle raffinerie, nei complessi chimici e negli impianti farmaceutici. Trasferiscono energia al fluido attraverso una girante rotante, convertendo l'energia cinetica in pressione mentre il fluido passa attraverso la voluta o l'involucro del diffusore. Le pompe centrifughe sono più adatte a fluidi a bassa viscosità, portate elevate e applicazioni in cui sono richieste prevalenze da moderate ad elevate. Sono autoadescanti in alcune configurazioni, facili da controllare tramite azionamenti a velocità variabile e offrono un'ampia gamma di prestazioni idrauliche attraverso la regolazione della girante. ANSI B73.1 e ISO 2858 sono gli standard dimensionali dominanti per le pompe centrifughe chimiche, garantendo l'intercambiabilità tra i produttori e semplificando la manutenzione e la gestione dei pezzi di ricambio.

Pompe volumetriche positive

Quando il fluido di processo è viscoso, sensibile al taglio, richiede un dosaggio preciso o deve essere pompato a pressione molto elevata con flusso basso, le pompe volumetriche diventano la scelta appropriata. Le pompe a ingranaggi, le pompe a lobi, le pompe a cavità progressiva, le pompe a membrana e le pompe a pistoni rientrano tutte in questa categoria. A differenza delle pompe centrifughe, le pompe volumetriche forniscono un volume fisso per giro o corsa indipendentemente dalla contropressione del sistema, rendendole ideali per applicazioni di dosaggio e per fluidi come resine, polimeri, fanghi e paste che una girante centrifuga non è in grado di gestire in modo efficace. La portata di una pompa volumetrica viene controllata regolando la velocità o la lunghezza della corsa anziché strozzando una valvola di scarico, che causerebbe un eccessivo accumulo di pressione e potenziali danni all'apparecchiatura.

Pompe a trascinamento magnetico e a motore fisso

Laddove l'assenza di perdite è un requisito assoluto, ad esempio quando si maneggiano fluidi altamente tossici, cancerogeni o ultra puri, le pompe senza tenuta accoppiate magneticamente o le pompe a motore incapsulato eliminano completamente la tenuta meccanica. In una pompa a trascinamento magnetico, la girante è collegata al motore di azionamento tramite un accoppiamento magnetico che trasmette la coppia attraverso un guscio di contenimento, senza che alcun albero rotante penetri nel corpo della pompa. Le pompe a motore incapsulate integrano lo statore del motore e il corpo della pompa in un'unica unità sigillata, con il fluido di processo che lubrifica i cuscinetti del motore. Entrambi i design sono intrinsecamente a tenuta e sono ampiamente specificati nella produzione di API farmaceutiche, nella gestione del cloro, nel servizio dell'acido fluoridrico e in altre applicazioni in cui anche solo tracce di emissioni di fluido di processo sono inaccettabili.

Quali materiali vengono utilizzati nella costruzione di pompe per processi chimici?

La selezione dei materiali è l'aspetto tecnicamente più impegnativo delle specifiche delle pompe per processi chimici. Il corpo della pompa, la girante, l'albero e i componenti di tenuta devono tutti resistere agli specifici meccanismi di attacco corrosivo ed erosivo presentati dal fluido di processo, pur mantenendo un'adeguata resistenza meccanica alla temperatura di esercizio. La tabella seguente riassume i materiali da costruzione più comuni e le loro tipiche applicazioni per servizi chimici:

La selezione dei materiali deve considerare non solo il fluido di processo primario ma anche gli agenti detergenti, i mezzi di sterilizzazione, le tracce di contaminanti e qualsiasi condizione alterata che la pompa potrebbe incontrare durante la sua vita utile. Una pompa che funziona bene in condizioni operative normali ma si corrode rapidamente durante un ciclo di pulizia caustica si guasterà prematuramente. La consultazione delle tabelle dei dati sulla corrosione sia del produttore della pompa che dei riferimenti specialistici in ingegneria della corrosione e, ove possibile, la convalida con test su campioni nel fluido di processo effettivo, fornisce la massima fiducia nelle decisioni di selezione dei materiali.

Come funzionano le tenute meccaniche nelle pompe per processi chimici e perché sono importanti?

La tenuta meccanica è il componente che richiede più manutenzione ed è più soggetto a guasti in una pompa per processi chimici sigillata convenzionalmente. Impedisce al fluido di processo di fuoriuscire lungo l'albero rotante dove esce dal corpo della pompa, mantenendo il contenimento e consentendo all'albero di ruotare liberamente. Una tenuta meccanica è costituita da due facce di tenuta lappate con precisione, una rotante con l'albero e una fissa nell'alloggiamento della tenuta, tenute in contatto dalla forza della molla e dalla pressione del fluido. Una sottile pellicola di fluido tra le facce fornisce lubrificazione e raffreddamento, mentre le tenute secondarie elastomeriche impediscono perdite attorno ai componenti della tenuta stessa.

Tenute meccaniche singole o doppie

Una tenuta meccanica singola è la soluzione più semplice ed economica, adatta per fluidi che non sono altamente tossici, non polimerizzano o cristallizzano sulle facce della tenuta e possono tollerare una minima perdita controllata nell'atmosfera. Le tenute meccaniche doppie sono costituite da due set di tenute disposti schiena a schiena o faccia a faccia, con un fluido barriera o tampone fatto circolare tra loro da un sistema di supporto della tenuta esterno. Il fluido barriera viene mantenuto a una pressione superiore o inferiore alla pressione del fluido di processo a seconda della configurazione, impedendo a qualsiasi fluido di processo di raggiungere l'atmosfera anche se la tenuta interna è usurata. Le doppie tenute sono richieste dalle normative ambientali e dai codici di sicurezza per le pompe che trattano composti organici volatili, agenti cancerogeni e altre sostanze pericolose classificate secondo gli standard sulle emissioni come EPA 40 CFR Parte 63 o la Direttiva UE sulle emissioni industriali.

Materiali per superfici di tenuta per servizi chimici

L'accoppiamento dei materiali delle superfici di tenuta è fondamentale nel servizio chimico. Il carburo di silicio rispetto al carburo di silicio è la combinazione ad alte prestazioni più comune, che offre eccellente durezza, resistenza chimica e conduttività termica. La grafite di carbonio rispetto al carburo di silicio è preferibile laddove è necessaria resistenza al funzionamento a secco o laddove il fluido di processo fornisce scarsa lubrificazione. Per l'acido fluoridrico e altri flussi contenenti fluoruro, sono specificati materiali frontali in carburo di tungsteno o ceramici specializzati perché il carburo di silicio viene attaccato dai fluoruri. Anche gli O-ring elastomerici e le tenute secondarie devono essere compatibili con il fluido di processo; EPDM, Viton (FKM), PTFE e Kalrez (FFKM) coprono ciascuno diversi intervalli di compatibilità chimica e limiti di temperatura.

Quali parametri prestazionali chiave devono essere definiti prima della selezione della pompa?

Dati idraulici e di processo accurati sono prerequisiti per selezionare una pompa per processi chimici che funzioni in modo affidabile al suo punto di massima efficienza e soddisfi i requisiti del sistema di processo in tutto il suo intervallo operativo. L'invio di dati incompleti o stimati a un produttore di pompe porta a apparecchiature sovradimensionate o sottodimensionate, ricircolo eccessivo, cavitazione e guasti meccanici che diventano evidenti solo dopo la messa in servizio.

• Portata: Definire il flusso operativo normale, il flusso minimo continuo stabile e il flusso massimo che la pompa deve fornire. Le pompe centrifughe che funzionano continuamente al di sotto del loro flusso minimo stabile sono soggette a ricircolo, vibrazioni e usura accelerata della girante e dei componenti della tenuta.
• Prevalenza differenziale totale: Calcolare la resistenza del sistema alla portata specificata, tenendo conto della differenza di elevazione statica, delle perdite per attrito del tubo, delle perdite dei raccordi e della differenza di pressione tra i recipienti di aspirazione e di scarico. Questa è la prevalenza che la pompa deve generare, non solo la pressione del recipiente di scarico.
• Prevalenza netta di aspirazione disponibile (NPSHa): Calcolare l'NPSHa sulla flangia di aspirazione della pompa in base alla pressione del serbatoio di aspirazione, alla pressione del vapore del fluido, alla prevalenza statica e alle perdite per attrito della linea di aspirazione. L'NPSHr richiesto dalla pompa deve essere almeno da 0,5 a 1,0 metri al di sotto dell'NPSHa per fornire un margine adeguato contro la cavitazione, che causa l'erosione della girante e l'instabilità idraulica.
• Proprietà del fluido: Fornire la densità e la viscosità del fluido alla temperatura di esercizio, la pressione di vapore, il contenuto di solidi e la dimensione delle particelle, se applicabile, e l'eventuale tendenza a polimerizzare, cristallizzare o formare depositi. Una viscosità superiore a circa 50 centistoke richiede l'applicazione di fattori di correzione alle curve delle prestazioni a base acqua pubblicate della pompa.
• Intervallo di temperatura operativa: Specificare la temperatura operativa normale, la temperatura massima di ribaltamento e la temperatura minima durante l'avvio o l'uscita del vapore. Le differenze di dilatazione termica tra i componenti della pompa a temperature elevate influiscono sui giochi, sui carichi dei cuscinetti e sulle prestazioni delle tenute.
• Classificazione dei compiti: Classificare la pompa come servizio continuo, servizio intermittente o servizio di standby. Le pompe per servizio continuo richiedono un dimensionamento più conservativo e disposizioni di guarnizioni e cuscinetti più robuste rispetto alle pompe che funzionano solo occasionalmente per brevi periodi.

Come dovrebbe essere effettuata la manutenzione delle pompe per processi chimici per massimizzare la durata utile?

Anche la pompa per processi chimici meglio specificata avrà prestazioni inferiori e si guasterà prematuramente se le pratiche di manutenzione sono inadeguate. Un programma di manutenzione strutturato incentrato sull'affidabilità e adattato al tipo di pompa, alla severità del servizio e alla criticità del processo è l'approccio più efficace per ridurre al minimo i costi del ciclo di vita e i tempi di fermo non pianificati.

• Gestione piano di flussaggio tenuta meccanica: Verificare che il sistema di lavaggio delle guarnizioni o del fluido barriera funzioni alla portata e alla pressione corrette ad ogni ispezione di routine. La perdita del flusso di lavaggio è la causa principale di guasti prematuri alle guarnizioni nei servizi chimici ed è spesso prevenibile attraverso il semplice monitoraggio degli indicatori del sistema di lavaggio.
• Monitoraggio delle vibrazioni: Installare sensori di vibrazione sui cuscinetti della pompa e del motore e stabilire i segnali di vibrazione di riferimento al momento della messa in servizio. Livelli di vibrazione in aumento indicano usura della girante, cavitazione, disallineamento o deterioramento dei cuscinetti settimane prima che si verifichi un guasto catastrofico, consentendo una manutenzione pianificata anziché riparazioni di emergenza.
• Verifica dell'allineamento: L'aumento termico durante il funzionamento sposta le linee centrali dell'albero motore e della pompa rispetto alle rispettive posizioni di allineamento a freddo. Le pompe in servizio a caldo devono essere allineate a caldo utilizzando un comparatore a quadrante inverso o un'apparecchiatura di allineamento laser per garantire che l'allineamento dell'albero sia corretto alla temperatura di esercizio, non solo alla temperatura ambiente durante l'installazione.
• Gestione lubrificazione cuscinetti: Seguire esattamente il programma di lubrificazione del produttore per i cuscinetti lubrificati con grasso. L'ingrassaggio eccessivo è dannoso quanto quello insufficiente, poiché provoca il surriscaldamento dei cuscinetti attraverso perdite per sbattimento. I telai dei cuscinetti lubrificati a olio richiedono controlli regolari del livello dell'olio e analisi periodiche dell'olio per rilevare contaminazione o degrado prima che si verifichino danni ai cuscinetti.
• Andamento delle prestazioni idrauliche: Monitorare la pressione differenziale e la portata della pompa a intervalli regolari e tracciare il punto di funzionamento rispetto alla curva delle prestazioni della pompa. Uno spostamento del punto operativo verso una prevalenza più bassa e un flusso più elevato indica usura della girante o ricircolo interno dovuto ad anelli di usura usurati, mentre uno spostamento verso una prevalenza più alta e un flusso più basso suggerisce una restrizione o un blocco dell'aspirazione.

La documentazione della cronologia delle riparazioni delle pompe e l'analisi dei modelli di guasto ripetuti consente ai tecnici della manutenzione di identificare le cause profonde e implementare modifiche progettuali o operative che interrompono il ciclo di guasto. Le pompe che richiedono la sostituzione delle guarnizioni ogni tre-sei mesi in un particolare servizio inviano un chiaro segnale che è necessario rivedere il design delle guarnizioni, la disposizione del flusso o le condizioni operative e affrontare la causa principale è invariabilmente più conveniente che accettare la sostituzione cronica delle guarnizioni come normale attività di manutenzione.