DISEÑO EFICIENTE DE SISTEMAS DE VAPOR

Transcripción

1 DISEÑO EFICIENTE DE SISTEMAS DE VAPOR La palabra eficiente se utiliza a menudo para describir el funcionamiento general de un sistema. Sin embargo, es importante distinguir la diferencia entre la eficiencia y la eficacia. La eficacia difiere de la eficiencia en el sentido que la eficiencia hace referencia en la mejor utilización de los recursos, en tanto que la eficacia hace referencia en la capacidad para alcanzar un objetivo, aunque en el proceso no se haya hecho el mejor uso de los recursos. Por ejemplo un intercambiador de calor puede ser muy eficiente, incluso si esta medio inundado. La mayoría de la energía que se introduce en el intercambiador de calor entra en el proceso. Sin embargo, debido al hecho de que se inunda su capacidad de salida de producción se reduce y por eso no será eficaz. Lo que realmente queremos es un sistema eficiente y eficaz. Un sistema de vapor y condensado es una mezcla de cuatro balances, un equilibrio de temperatura, un equilibrio de la presión, un balance de energía y un balance de masas. Para que un sistema funcione adecuadamente debe ser diseñado de modo que todos los cuatro balances se satisfagan simultáneamente. La presión de vapor afecta a la temperatura, el equilibrio de la temperatura afecta a la transferencia de energía y el balance de energía exige un flujo másico. Todas las tuberías, válvulas, bombas, tanques, etc. deben estar diseñadas para mantener el sistema en equilibrio, pero a menudo bajo condiciones de operación variables. Es posible, pero no es fácil. EFICACIA Un gran error en el diseño de equipos de sistemas de vapor, como intercambiadores de calor es sobredimensionar el equipo. Puede parecer una buena idea en teoría aumentar la superficie de contacto, pero esto puede tener un efecto adverso sobre el funcionamiento del equipo en la práctica. Por ejemplo si un intercambiador de calor relacionado con un recalentador es diseñado para operar a 30 psi (este ejemplo se utiliza porque a menudo están diseñados para operar con presiones de vapor bajas), pero el área del intercambiador de calor es de gran tamaño, entonces la presión de operación final quizá será de 5 psi. Si el condensado del intercambiador de calor se introduce en un recipiente recuperador de vapor flash a 10 psi entonces la unidad se inundara. Si hay alguna inestabilidad en el sistema, entonces el nivel de condensado subirá y caerá en el intercambiador de calor y puede causar problemas de erosión y corrosión alrededor de la superficie del condensado. Demasiada presión baja de vapor también puede generar corrosión excesiva de los tubos a la entrada del intercambiador de calor debido a las altas velocidades relacionadas con el vapor de baja densidad. Así que el primer punto es dimensionar correctamente el equipo de vapor y no sobredimensionar el mismo. Otro factor que afectará adversamente el rendimiento de una unidad es recalentamiento excesivo. Aunque el vapor sobrecalentado es más caliente que el vapor saturado (para la misma presión) la presencia de recalentamiento reducirá realmente la salida de calor. El vapor saturado

2 tiene un coeficiente de transferencia de calor muy alto porque el momento en que entra en contacto con la superficie del intercambiador de calor más frío se condensa y transfiere la gran cantidad de calor latente en el flujo del proceso. En el caso de vapor de agua sobrecalentado, es sólo un gas caliente y la transferencia de calor desde el gas al flujo de proceso se reduce considerablemente en comparación con la transferencia de calor de condensación. Si sólo hay una ligera cantidad de sobrecalentamiento (4 o 5 ⁰C), entonces el vapor perderá rápidamente el sobrecalentamiento y pasará a la fase de condensación. Si hay cantidades excesivas de sobrecalentamiento el vapor caliente también puede tener un efecto adverso sobre el producto y resultará en el incrustamiento de producto quemado en la superficie de transferencia de calor interna de los tubos. Los niveles excesivos de sobrecalentamiento también hacen más difícil el control de procesos. Uno de los grandes beneficios de vapor saturado es que cuando la presión se reduce la temperatura se reduce por lo que la salida se reduce. Cuando hay un componente grande de sobrecalentamiento al vapor la capacidad de controlar el proceso mediante el control de la presión de vapor se reduce. Se recomienda para la mayoría de aplicaciones de calentamiento usar vapor saturado. Si el vapor se genera con recalentamiento, por ejemplo descarga de una turbina de vapor, el vapor debe ser acondicionado con un sobrecalentador antes de distribuirlo a otro. Un sobrecalentador muy bueno controlará a 5 ⁰C por encima de la temperatura de saturación, sin embargo 10 ⁰C por arriba es satisfactorio generalmente. Si el nivel de sobrecalentamiento es muy cercana a la temperatura de saturación, grandes cantidades de condensado se inyectará en el vapor y será poco efectivo. Esto puede generar golpes de ariete en el sistema de distribución de vapor. Recuerde que cuando un sobrecalentador se utiliza para acondicionar el vapor, el condensado que se inyecta en el atemperador se convierte en vapor. Así que si es importante conocer las velocidades de flujo o el balance de masas de un proceso para determinar la cantidad de condensado que tiene que añadirse al flujo de entrada de vapor. Un medidor de flujo debe estar situado aguas abajo del sobrecalentador para que mida el flujo de vapor total, incluyendo el vapor generado en el mismo. Trampas de Vapor Otro factor que afecta el rendimiento de un intercambiador de calor son las trampas de vapor. Lo que suele ocurrir es que las trampas mecánicas están sobredimensionadas, pues están seleccionadas para el doble o tripe de la carga inicial para permitir la puesta en marcha y cuando el tamaño correcto de la trampa se ha determinado, eligen instalar una trampa de un tamaño más grande como 'medida de seguridad'. El resultado es una trampa con una capacidad mucho mayor que el requerido, lo cual genera un bajo rendimiento del sistema. Cuando la trampa sobredimensionada abre el flujo a través de la trampa es mucho mayor que el condensado que se forma. El condensado fluye a través de la unidad y pasa una gran cantidad

3 de vapor invariablemente a través de la trampa sobredimensionada, lo cual produce que la presión caiga en el intercambiador de calor y la válvula de control se abre para compensar dicha presión. Posteriormente la trampa se cierra, pero ahora la unidad de sobre-presuriza, afectando adversamente el control de la estabilidad del proceso. La inestabilidad en el flujo de condensado también reduce el coeficiente de transferencia de calor general. Las trampas de vapor hidrodinámicos son una mejor solución para aplicaciones de proceso debido a que el flujo a través de las trampas es continuo. No se escapa el vapor por lo que el control del proceso es mucho mejor y el flujo de condensado estable genera un coeficiente de transferencia de calor mejorado. A menudo una gran cantidad de dinero se invierte en la válvula de control y la instalan para mejorar la estabilidad del proceso, pero en la salida del intercambiador de calor hay un flotador muy flotador tosco de cubeta invertida que desafía los intentos para estabilizar el flujo de vapor. Por lo tanto, las trampas hidrodinámicas son necesarias para alcanzar rendimiento eficaz. Cuando se mide el rendimiento de la trampa de vapor para una aplicación de proceso, es necesario conocer cuatro temperaturas y presiones, antes de la válvula de control, después de la válvula de control, antes de la trampa de vapor y después de la trampa de vapor, especialmente si se trata de una aplicación de alta presión con una gran rango de funcionamiento. Si por ejemplo la presión de suministro de vapor es de 20 bar, pero la unidad está funcionando a 5 bar, entonces la temperatura del vapor después de la válvula de control será 180 ⁰C, pero la temperatura de saturación 160 ⁰C. Si la trampa está funcionando bien a continuación, la temperatura medida antes de la trampa debe ser de 160 ⁰C también y la temperatura después de la trampa relacionada con la presión de retorno. Si el proceso es crítico, se recomienda instalar un transmisor de temperatura antes de la trampa para supervisar el funcionamiento de los purgadores, sin embargo es importante para interpretar los resultados en función de las condiciones de funcionamiento. Eficiencia del Sistema Recuperación de vapor Flash Es una buena idea tratar de recuperar la gran cantidad de calor sensible del condensado a alta presión. Cuando el condensado pasa a través de una trampa de vapor o de una válvula de control, la caída de presión convierte parte del condensado de nuevo en vapor para mantener el balance de energía. Este vapor "flash" se puede utilizar en el proceso para reducir la cantidad de vapor "vivo". Sin embargo, se debe diseñar cuidadosamente el sistema de recuperación de vapor flash. Un ejemplo es cuando el aire de proceso se calienta en un serpentín de vapor de flash, seguido de un serpentín de vapor vivo. El condensado del serpentín de vapor vivo va a un tanque de evaporación instantánea que alimenta el serpentín de vapor flash. Sin embargo, es crítico que la válvula reductora de presión instalada tenga la capacidad suficiente para alimentar toda la carga del serpentín de vapor flash. Si no se dimensiona adecuadamente la válvula reductora de presión es posible que el sistema se cicle. La presión en el serpentín de vapor vivo aumentará hasta alcanzar el punto de ajuste. A medida que la presión y el flujo del serpentín de vapor vivo aumenten, la cantidad de vapor flash aumentará, por lo que habrá mayor capacidad de

4 calentamiento y se superará el punto de ajuste del sistema. El sistema responde cerrando el serpentín de vapor vivo, pero esto también reduce el vapor flash por lo que el sistema no tendrá suficiente calor disponible y caerá por debajo de punto de ajuste. Un sistema de vapor flash debe estar diseñado de manera que la cantidad de vapor flash generado sea siempre inferior a la demanda de vapor a baja presión. De esta manera, siempre habrá algo de vapor vivo de reposición y el sistema permanecerá estable. Otro error en los sistemas de flash es recuperar flash en cada etapa de presión. Por ejemplo, si una planta utiliza vapor a 25 bar, 12 bar, 5 bar y 2 bar, generalmente el condensado del proceso de 25 bar va a un tanque de 12 Bar, de 12 a 5 y de 5 a 2. Sin embargo, es relativamente poco el flash que se genera entre las presiones de 25 bar a 12 bar o de 5 bar a 2 bar y por lo tanto, dependiendo de las cargas de diseño se deben utilizar las etapas de presión menores, por ejemplo, las líneas de 25 bar, 12 bar y 5 bar deben alimentar un tanque de vapor flash a 2 bar, u otra opción sería que la línea a 25 bar y la línea a 12 bar llegaran a un tanque a 5 bar y la línea de 5 bar uno a 2 bar. Puede presentarse el caso en el que no hay suficiente vapor vivo de reposición para suministrar la presión más baja (por ejemplo, 2 bar) debido a que muchas de las trampas en las presiones más elevadas están pasando vapor. Por tanto, parece que todo está bien y no tiene mucho sentido el invertir en el mantenimiento de las trampas de vapor. Sin embargo, las trampas de vapor no solo se instalan para ahorrar energía, sino que también protegen los equipos de proceso asociados. El propósito de una trampa de vapor es desalojar el condensado al mismo tiempo que se está formando sin pasar vapor vivo. Si una trampa de vapor presenta falla abierta o ciclado rápido, en vez de tener vapor estancado en los tubos del intercambiador de calor, esto genera un flujo de dos fases. El flujo de dos fases es altamente corrosivo y por lo que sólo sería cuestión de tiempo que los tubos, y en particular los codos del intercambiador de calor, se erosionaran y fallaran. Así que incluso si la eficiencia global de la planta es buena porque los flujos de vapor de baja presión se mantienen sin vapor vivo, sigue siendo esencial llevar a cabo el mantenimiento de las trampas de vapor. La importancia del mantenimiento de las trampas de vapor en el rendimiento general de la planta es a menudo pasada por alto. Operación de la casa de calderas Hay muchos artículos escritos sobre el correcto funcionamiento de las calderas y una gran cantidad de experiencia en esta área. Este artículo se relaciona más con el lado de la demanda que el de la producción. Sin embargo, el punto en que vale la pena ahondar es sobre el uso eficaz de la energía que se introduce en una caldera. Hay algunas pérdidas de energía, tales como la radiación, las pérdidas por convección y por purga, las cuales se pueden considerar como pérdidas fijas (aunque por supuesto es posible recuperar la energía de la purga), sin embargo la mayoría de las pérdidas de energía de la caldera son por la chimenea. La temperatura de los gases de combustión que salen de la caldera está relacionada con la temperatura del vapor que se genera. La temperatura de los gases de combustión no puede estar por debajo de la del vapor y son normalmente de al menos 20 ⁰C por encima. Así que el

5 primer punto a considerar, es qué presión se requiere en la planta. A menudo, el vapor se genera a presiones mucho más altas de lo necesario, por razones históricas que ya no son relevantes (uso anterior de turbinas de vapor, etc.). Si la presión se puede reducir, existe un ahorro de energía. Pero antes de que la presión se reduzca, cuando la caldera se he diseñado para altas presiones, se debe revisar que pueda funcionar a una presión más baja. La clave para la generación eficiente de vapor es recuperar tanto como sea posible la energía que se pierde en la chimenea. Si tuviéramos que hacer caso omiso de las pérdidas de calor por la carcasa y la purga, tanto como la temperatura de la chimenea sea cercana a la temperatura ambiente del aire, la eficiencia de la caldera tenderá a ser del 100%. La manera normal de comenzar es la instalar un economizador para calentar el condensado del de-aireador de la caldera. Esto reducirá la cantidad de combustible necesaria para elevar la temperatura del condensado de la del de-aireador a la temperatura del punto de ebullición. Un segundo paso podría ser instalar un precalentador de aire de combustión de aire a aire. Se debe tener cuidado con respecto a un posible aumento de los NOx por tonelada de vapor debido a que la temperatura del aire de la llama se encuentra ligeramente elevada, pero el reducido consumo de combustible lo compensa. Se debe tener cuidado de no calentar el aire de combustión por encima de los límites especificados del ventilador de combustión y del quemador. Incluso tanto con un economizador y un precalentador del gas de escape tipo aire a aire, la temperatura de la chimenea de la caldera es rara vez menor a 110 ⁰C. Normalmente, la regla es no reducir la temperatura de la chimenea de la caldera debido a la posibilidad de enfriamiento localizado (en bolsillos móviles de gas más lentos) y la posibilidad de la formación de condensado. El condensado será ligeramente ácido si se trata de gas natural (con un contenido de azufre despreciable) o más ácido si el combustible contiene sulfuros por ejemplo, Petróleo No.6. Sin embargo, la unidad Condex de Combustion and Energy Ltd está diseñado para operar por debajo del punto de rocío de los gases de la chimenea (a 70 ⁰C aproximadamente). La temperatura final de salida de los gases dependerá de la temperatura del agua a calentar, pero generalmente la temperatura del agua es de 20 ⁰C, lo cual generará una temperatura de salida de la chimenea de entre 45 y 50 ⁰C. A esta temperatura, una gran proporción del calor latente (debido al agua que es un subproducto de la combustión) en el flujo de gas de combustión puede ser capturado. El hecho de que los gases dejen la caldera a temperaturas inferiores de 50 ⁰C significa que la eficiencia de la caldera se puede llegar a ser de 95%. Sin embargo, se debe tener cuidado al evaluar este ahorro porque con economizadores y precalentadores de aire, la caldera va a producir la misma cantidad de vapor con menor consumo de combustible, pero en el caso del Condex el ahorro será el uso de menos gas, porque se requiere menos vapor. Vea el sitio web de PES ó para más detalles sobre la unidad Condex.

6 Termocompresores o Inyectores A menudo, en un proceso es necesario generar una presión inferior a la atmosférica. Esto se puede lograr con un condensador para colapsar los componentes condensables del vapor y una bomba de vacío mecánica para eliminar los no condensables. Sin embargo, las bombas de vacío pueden ser costosas al ponerlas en marcha y mantenerlas. Una alternativa es utilizar un termocompresor o un inyector. Estas unidades utilizan vapor de alta presión para crear una baja presión en un tubo de Venturi que aspira el flujo de vapor creando una presión baja. La mezcla del flujo de vapor y el vapor se descarga a una presión más alta que se puede condensar sin la necesidad de utilizar una bomba de vacío. El beneficio de utilizar un termocompresor es que en general pueden duplicar la presión y esto se mide como presión absoluta. Así que, si se requiere para generar un vacío de -0,3 barg esto equivale a 0,7 barg que significa que la presión de descarga máxima sería de 1.4 ó 0.4 barg. Intercambiadores de Calor Al igual que con las calderas, existe un sinfín de material disponible sobre el diseño de los intercambiadores de calor, pero en general, para calentar líquidos se debe elegir entre uno de casco y tubos ó placas. En general, el tipo de casco y tubos sería seleccionado para aplicaciones más robustas de alta presión y de placas para los flujos y presiones más bajas. Sin embargo, hay muchos diseños especializados en cada tipo.