Desde hace años, las bombas centrífugas de la serie HPM de Sundyne destacan entre las bombas de alimentación de reactores de alta presión preferidas para su uso en instalaciones de PTA en todo el mundo. Estas bombas especiales engranadas integralmente se emplean en las etapas de purificación y tratamiento del ácido tereftálico en bruto. En esta aplicación, las bombas transportan el lodo de ácido tereftálico, es decir, un polvo de ácido tereftálico en suspensión disuelto en agua destilada a alta temperatura, hasta un reactor de hidrogenación, donde se desprenden de la suspensión todas las impurezas a través de una reacción química con hidrógeno.

El ácido tereftálico purificado (PTA) es uno de los materiales de base esenciales para la producción de resina de poliéster de alta pureza que es necesaria, entre otras aplicaciones, para la producción de tereftalato de polietileno, la materia prima que sirve para fabricar envases PET, films de poliéster, fibras textiles y productos de plástico para aplicaciones técnicas.

Las bombas de alimentación de reactores de alta presión engranadas integralmente se utilizan durante las etapas de purificación y tratamiento del ácido tereftálico en bruto (TA). En esta aplicación, las bombas transportan el lodo de ácido tereftálico, es decir, un polvo de ácido tereftálico en suspensión disuelto en agua destilada a alta temperatura, hasta un reactor de hidrogenación, donde se desprenden de la suspensión todas las impurezas a través de la reacción química con hidrógeno. La confiabilidad de las bombas de alimentación de reactores de alta presión es decisiva para asegurar procesos de producción estables en las instalaciones de tratamiento de PTA. En estos procesos, los sellos mecánicos se cuentan entre los componentes de la bomba particularmente importantes –sobre todo debido a las condiciones extraordinarias de alta velocidad y alta presión.

La bomba centrífuga seleccionada para estas aplicaciones con PTA está configurada como una bomba montada en horizontal y engranada integralmente de dos etapas en la que los rodetes incorporados en ambos extremos del eje motor giran a una velocidad de 6.200 min^-1. Las dos etapas se conectan en serie con una tubería para generar la presión requerida. En esta configuración, la presión de salida de la primera etapa de la bomba alimenta la segunda etapa, lo que trae consigo un considerable aumento de la presión. En la zona del sello del eje de la segunda etapa de la bomba se llega a una presión de hasta 80 bar (1.160 psi).

Los sellos para esta aplicación fueron diseñados como un sistema de cartucho de doble acción en la etapa de bombeo 1 en una disposición física opuesta denominada «cara con cara». En la etapa de bombeo 2, el diseño consistió en una disposición de sellado en tándem (cara con espalda) orientado en el mismo sentido con el fin de dividir el diferencial de presión entre los dos sellos y asegurar una relación adecuada entre presión y velocidad. A través del sistema de suministro de sellado se efectúa el lavado en ambas etapas de bombeo, de modo que se evita que los sellos se obstruyan con la suspensión de ácido tereftálico en el lado del producto.

Desafíos técnicos especiales

Uno de los desafíos técnicos más exigentes estaba relacionado con el medio de cierre, que normalmente en las instalaciones de PTA es provisto por un sistema de suministro de sellado central. Para la aplicación específica, el usuario final – uno de los mayores productores de PTA en el ámbito mundial – exigió el uso de agua caliente a una temperatura de 65 ºC … 85 ºC (149 ºF … 185 ºF) como medio de cierre en el sistema. Entre los desafíos de este proceso figura el hecho de que pueden resultar condiciones de sellado desfavorables, tales como la disipación insuficiente de calor y la lubricación deficiente de las superficies de deslizamiento debido a la evaporación del medio de cierre.

A esto se le sumó la dificultad técnica constituida por la presurización inversa del sello en el proceso en la etapa de bombeo 2 durante la puesta en marcha y el apagado de la bomba. Durante la secuencia de arranque, antes del encendido del motor principal de la bomba, este sello es presurizado a la inversa por el medio de cierre proveniente del sistema de suministro de sellado. Durante la fase de transición en la que la bomba funciona a la máxima velocidad para alcanzar toda la presión de salida, se invierte la presurización aplicada al sello, lo que provoca la separación de las superficies de sellado. Lo mismo ocurre en orden inverso durante el apagado de la bomba en la fase de desactivación de la instalación. Para contrarrestar este efecto y lograr un funcionamiento estable en todo el campo de aplicación fue necesario modificar específicamente y optimizar el diseño del sello original.

Necesidad de extensos conocimientos técnicos

Los nuevos sellos dobles se basaron en un sello de alta presión especial de probada eficacia tomado de la gama de productos existente. En concreto, se optó por el sello de alta presión SH(V) de gran eficiencia que se utiliza en aplicaciones de alta presión desde hace años en todo el mundo. A diferencia de los sellos mecánicos convencionales de la gama estándar, los sellos de alta presión tienen una característica esencial: en ellos, el asiento gira sobre el eje mientras que la cara de sellado – con su soporte de muelles– se mantiene en posición fija en la carcasa. Este concepto de sellado proporciona una mayor estabilidad a altas velocidades. Precisamente a velocidades de deslizamiento de 20 m/s o más, los muelles deberían ser estacionarios para que no absorban las vibraciones y no se deformen.

Diseño optimizado

Además, el diseño del sello SH(V) de probada eficacia fue optimizado para esta aplicación específica. Para garantizar un funcionamiento seguro en todo el campo de aplicación, se realizaron mejoras técnicas concretas en el diseño. Junto con esas mejoras se emplearon materiales de alto rendimiento: en la cara de sellado estacionaria para esta solución se empleó la variedad de carburo de silicio BuKa 30. Este material de alto rendimiento de EagleBurgmann tiene un alto contenido de carbono que lo convierte en la solución perfecta para los medios con escasas propiedades lubricantes como el agua. El material BuKa 30 convence por sus propiedades funcionales en casos de emergencia y la tolerancia a la marcha en seco.

El sello fue optimizado aún más para garantizar la confiabilidad de funcionamiento incluso en los rangos límite de operación. Una cara de sellado sin apriete proporciona una seguridad adicional contra la inflexión y la desalineación. Una de las características técnicas especiales del sello de alta presión desarrollado para la aplicación con PTA es la incorporación de ranuras de alta precisión en las caras de sellado. En este caso, la profundidad y la geometría se especifican con extrema precisión. Las ranuras que EagleBurgmann ha venido utilizando durante años en el ámbito de los sellos de gas seco respaldan el funcionamiento seguro de los sellos dobles lubricados con líquido, incluso en las fases críticas. A baja presión, estas ranuras favorecen la separación de las caras de sellado creando un colchón de presión positiva y, de ese modo, aseguran muy rápidamente un funcionamiento estable. A alta presión, estas ranuras tienen un efecto estabilizador, ya que impiden que se amplíe la separación.

Eficacia demostrada en el campo de pruebas y en la práctica

La combinación de todas estas medidas dio lugar a sofisticados sistemas de sellado tanto en versiones tándem como en versiones de espalda con espalda que cubren una gama de aplicaciones de hasta 100 bar (1.450 psi) y 9.000 min^-1  y garantizan la seguridad funcional exigida por Sundyne, el fabricante de la bomba. Los sellos dobles lubricados con líquido cumplen sin problema alguno con todos los parámetros de funcionamiento y convencen por su rendimiento constante de sellado, incluso si están expuestos a fluctuaciones importantes de presión, temperatura y velocidad. Esto se confirmó con pruebas de funcionamiento dinámicas en el campo de pruebas de Wolfratshausen (Alemania) donde los sellos, diseñados como cartuchos para una instalación sencilla, fueron probados exhaustivamente y luego aceptados por los representantes de Sundyne.

En la práctica, los nuevos sellos dobles han demostrado su eficacia en muchas bombas de alta presión engranadas integralmente de Sundyne que, en el año 2014, fueron puestas en servicio en una de las plantas de PTA más grandes del mundo, situada en China.