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GENERACION DE VAPOR

 

Recopilado de la revista PALMAS  (Conferencia del Ing. Andres Echeverry)


La generación del vapor es uno de los aspectos importantes para el buen desempeño de una planta extractora de aceite de palma, por cuanto si no hay una buena temperatura el proceso es inefeciente. La temperatura en este caso se logra mediante una adecuada generación de vapor.

Para convertir el agua en vapor saturado, es necesario llegar a una temperatura de 341.27°F y una presión de 105.3 p.s.i.

 

COMBUSION EN UNA CALDERA

 

La combustión se lleva a cabo por la acción del fuego sobre el combustible (fibra en caso de calderas para palma) en presencia del oxigeno (O2).

En el caso de las plantas de beneficio primario, implica una serie de problemas con respecto a una mala combustión, la cual puede ocasionar a:

 

HUMOS NEGROS

1.  Ocasionados por una mala combustión, debido a deficiencias en la proporción del oxigeno presente en la combustión; para corregir esta anomalía:

·        Revisar el correcto funcionamiento de los ventiladores de la caldera.

·        Hacer limpieza a todos los pasos de gases (pirotubo y chimenea).

·        Revisar la humedad de la fibra, 32% es recomendable; valores superiores ocasionan una combustión desastrosa.

·        Controlar la dosificación de fibra, porque un exceso de la misma ocasiona mala combustión.

 

2        Ocasionados por bajas temperaturas, debido a los siguientes factores:

·        Exceso de aire de combustión y poco combustible (fibra).

·        Deficiente aislamiento térmico de la caldera.

 

3        Por exceso de partículas en los gases de la combustión, debido a:

·        Humedad en la fibra.

·        Manejo (operación) de la caldera.

 

4 Las tusas como combustible para calderas, presentan problemas de alta cantidad de cenizas y corrosividad de los humos (dióxido sulfúrico), por lo cual es conveniente no utilizarlas para este propósito.

La humedad de la fibra es la causante de que salgan cenizas por la chimenea, debido al retardo en su combustión.

Las capas de fibra en el hogar deben ser de máximo 30 Cm de espesor, dispuestas a todo lo largo y ancho de la parrilla.

La temperatura en la combustión debe estar por encima de los 200° C, para evitar la corrosión de la chimenea, con los gases de emisión.

Con ciclones en las chimeneas, de las calderas combinadas (piro – acuotubulares), se recogen el 97% de esas partículas antes que salgan a la atmósfera.

 

CALCULO DE LOS VENTILADORES

 

Para una caldera tipo combinada, podemos determinar la capacidad de los ventiladores de aire primario y secundario, de la siguiente forma:

Supongamos que vamos a generar 1.000.000 de BTU.

El poder calorífico de la fibra (Qf neto) es de 5200 BTU/Lb. (Para fibra de 35% de humedad, el poder calorífico es de 5980 BTU/Lb).

Da es la densidad del aire es de 0.072 Lb/pie3.

RAC es la relación aire – combustible teórica ( 4.5 a 1).

Cf  es la cantidad de fibra requerida en Lb.

Ac es el aire teórico para la combustión.

Atr es el aire total requerido.

AP es la capacidad del ventilador de aire primario (pies cúbicos).

AS es la capacidad del ventilador de aire secundario (pies cúbicos).

 

 

Tenemos  Cf = ( BTU  / Qf neto) = (1.000.000/5200) = 192.3 Lb de fibra.

                 Ac = (RAC x Cf) = (4.5 x 192.3) = 865.35 Lb.

                 Art = (1.4 x Ac) = (1.4 x 865.35) = 1211.49 Lb.

Con estos datos podemos determinar la capacidad de los ventiladores de la caldera:

 

Aire primario          Ap = (0.8 x Art) = (0.8 x 1211.49) = 969.2 Lb

                              AP = (Ap / Da) = (969.2 / 0.072) = 13461 pies cúbicos.

 

Aire secundario         As = (0.2 x Art) = (0.2 x 1211.49) = 242.3 Lb

                                  AS = (As / Da) = (242.3 / 0.072) = 3365 pies cúbicos.

 

Se aclara que los anteriores cálculos son como referencia, para tener una idea de los caudales requeridos por estos ventiladores.

 

BOMBAS DE AGUA

 

Generalmente se usan dos tipos de bombas para alimentación de agua a las calderas:

·        Turbi.

Tiene por ventaja su bajo costo y disponibilidad de modelos.

Sus desventajas están en su moderada eficiencia, no es reparable en sitio (por las tolerancias pierden efiencia).

·        Centrifugas multietapas.

Tienen por ventaja una mayor eficiencia, mejor operación en control modulado y fácil mantenimiento.

 

Selección de la capacidad

 

El caudal de la bomba de alimentación de agua a la caldera, se selecciona entre 0.09 a 0.12 GPM x BHP (Caldera) a una presión igual a la de la caldera (ejemplo, si la caldera genera vapor a 150 p.s.i., entonces la bomba debe mantener una presión de 150 p.s.i.).

No sobredimensionar la capacidad de la bomba, porque en el largo plazo se presentarán daños en la caldera.

Tener en cuenta que temperaturas mayores a 80°C en el agua de alimentación a las calderas, causan problemas de cavitación en las bombas (no bombean) y por consiguiente su pronto deterioro y riesgos para la caldera, al no haber un eficiente suministro de agua. Recomendable establecer una temperatura regulada de 70°C, en el agua de alimentación a la caldera, para evitar estos contratiempos.

El precalentamiento del agua se realiza para eliminar el oxigeno disuelto en el agua de alimentación.

 

VALVULAS DE SEGURIDAD

 

Seleccionar las válvulas de seguridad, no tanto por el diámetro sino por la presión de apertura (Lbs/hora), por lo menos 10% más sobre la presión de generación de la caldera.

Por ejemplo si la generación es a 100 p.s.i., entonces aplicar una valvula de seguridad de apertura a 110 p.s.i. y otra de respaldo, sí falla la primera, a 130 p.s..i. de apertura (aplicado para calderas entre 300 a 450 BHP).

 

TRATAMIENTO DEL AGUA DE ALIMENTACION

 

Es un aspecto al cual se debe prestar la mayor atención, si queremos preservar las calderas y obtener la generación de vapor requerida para el proceso.

El agua de alimentación para calderas, debe cumplir con los siguientes pre-tratamientos mínimos:

·        Precipitación

·        Filtrar.

·        Suavización.

·        Desalcalinizarla.

·        Desmineralizarla.

·        Desaireación (Química o física)

 

Parámetros a controlar en el agua de alimentación

 

·        PH: identifica el nivel de agresividad química del agua. En las purgas el PH debe estar entre 10 y 10.5; dentro de estos valores la caldera se conserva adecuadamente. Si el PH es mayor de 11 comienza un fenómeno indeseable, que es la fragilidad cáustica.

·        Dureza total: indica la cantidad de sales minerales disueltas en el agua; una alta dureza en el agua de alimentación causa la formación de depósitos muy duros, sobre las superficies de calentamiento y evaporación, llamados incrustaciones que disminuyen la eficiencia de producción de vapor y originan daños por rotura de tuberías. La dureza se contrarresta directamente sobre el agua de alimentación, antes de esta ingrese a la caldera, mediante el uso de equipos de operación sencilla, los suavizadores, que usan resinas de intercambio iónico; también se usan los inhibidores de dureza, llamados equipos solavite.

·        Sólidos disueltos: el agua de alimentación para calderas debe ser traslúcida (baja turbidez), por consiguiente se debe contar con una planta general de tratamiento de agua cruda, que garantice una eficiente remoción de los sólidos en suspensión, causantes de una alta turbidez; al no removerlos previamente, ocasionan  taponamientos en tuberías e incrustaciones dentro de la caldera.

·        Contenido de hierro: El hierro presente en el agua de alimentación para calderas es corrosivo y debe eliminarse. Es necesario poner atención a este parámetro cuando el agua que se usa para la planta de beneficio primario es de pozo profundo. El hierro se elimina mediante oxidación, floculación y filtración, en la planta de tratamiento de agua cruda.  

·        Oxigeno disuelto: el oxigeno es otro de los enemigos de las calderas; se encuentra disuelto en el agua de alimentación y es completamente necesario retirarlo. De lo contrario produce el fenómeno conocido como “pitting” en las tuberías de evaporación dentro de las calderas, que se manifiesta como “huecos” o manchas fácilmente reconocibles. Cuando el agua de alimentación tiene bastante oxigeno disuelto, el daño de las tuberías es muy rápido. El agua de alimentación para calderas debe tener 0.0 ppm de oxigeno disuelto. El oxigeno se retira del agua usando desaireadores, químicos o precalentando el agua.

 

Chequeo recomendados en las calderas

 

·        Semanal: Funcionamiento de los niveles de agua, verificar taponamiento en las purgas, limpieza mecánica de parrillas y tubos en el pirotubo, revisión del tablero eléctrico de control.

·        Trimestral: Funcionamiento de los niveles de agua, verificación del funcionamiento del presuretrol (control de presión), verificación de los manómetros de la caldera y la bomba del agua, Verificar estado del termómetro de la chimenea, verificar disparándolas manualmente las válvulas de seguridad ( a la presión de cierre).

 

No se recomienda, bajo ninguna circunstancia, recalibrar las válvulas de seguridad en sitio, enviarlas a bancos de calibración especializados, para que les cambien el resorte.

 

·        Semestral: Revisar la curva de operación de la bomba del agua, que por desgaste no es capaz de mantener el nivel en la caldera. Con la válvula de salida cerrada, después del manómetro, prender la bomba y observar la presión en el manómetro (no hacerlo por un tiempo prolongado).

 

·        Periódicos: de la parte interna de la caldera, destapando los “manholes” y “handholes” para inspeccionar la corrosión e incrustación, en la parte externa de los tubos del pírotubo. Establecer el periodo de esta verificación en coordinación con el fabricante de la caldera.

 

MATERIALES PARA LAS CALDERAS

 

La lámina A-36 no tiene certificación para ser usada en calderas, usar láminas de norma para estos propósitos.

Las tuberías usadas para las calderas son 178 csi con costura y 192 csi sin costura. Generalmente en Colombia, todas las calderas se fabrican con tuberías 178 csi.

Las principales características de las tuberías usadas en calderas son:

·        Temperatura máxima de 1000 °F.

·        Esfuerzo máximo de 47000 p.s.i.

·        Esfuerzo de fluencia de 26000 p.s.i.

·        Esfuerzo de diseño de 11800 p.s.i.

 

Consideraciones para seleccionar tuberías de vapor en el proceso

 

Al seleccionar los diferentes tramos de tubería, para llevar vapor al proceso es recomendable tener en cuenta:

·        Flujo de vapor a transportar.

·        Longitud del tramo.

·        Condiciones de trabajo (presión y temperatura).

·        Usar la ruta más corta con la menor cantidad posible de accesorios (codos, tés).

·        Los tramos largos de líneas de vapor deben tener trampas y desniveles para purgarlas y así evitar el golpe de ariete.

 

AISLAMIENTO DE LAS TUBERIAS

 

Asunto muy importante es el del aislamiento térmico  de tuberías conductoras de vapor y de equipos con camisas de vapor, para lograr una eficiencia del vapor y a la vez ahorrar energía.

Una tubería sin aislar o mal aislada, aparte de las pérdidas de energía, ocasiona problemas mecánicos por el incremento de condensados, ales como:

 

·        Al tener condensados adicionales a los producidos por los intercambiadores, las trampas de vapor deberán desalojarlos teniendo que trabajar más, con mayor desgaste y mayor mantenimiento.

·        Ocurre mayor desgaste de tuberías por el transporte de condensados.

·        Riesgo grande de golpes de ariete, principalmente en las tuberías mal drenadas.

Para que la instalación de un aislamiento térmico resulte óptima y se obtengan beneficios reales, se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

 

·        Aislar con la tubería, los accesorios adicionales tales como bridas y otros. Una brida sin aislar causa una perdida equivalente a la de 30 Cm de tubería.

·        Trabajar el aislamiento de tal forma que por ningún motivo éste se humedezca. La presencia de agua en el aislamiento causa un aumento muy importante de las pérdidas de calor. A la vez que si esta es continuada y la tubería no tiene un uso continuo, se puede presentar corrosión generalizada.

·        No exagerar en el espesor del aislamiento, porque al duplicar éste sólo se reducen las pérdidas en aproximadamente un 25% con respecto al espesor original.

 

TRAMPAS DE VAPOR

 

Una trampa de vapor es un equipo auxiliar en líneas o equipos de calentamiento con vapor, y su función consiste en evacuar los condensados que se van produciendo, sin permitir el paso de vapor. Según el principio físico que se use para seleccionar el paso de condensados, la clasificación de las trampas se muestra en la tabla No. xx:

 

Poder calorífico de subproductos de la palma

 

SUBPRODUCTO

HUMEDAD

Kcal / Kg.

Fibra

35 %

2800

Cuesco o cascarilla

 

4500

Raquis

 

1400

 

 

 

SELECCIÓN DE TRAMPAS DE VAPOR

 

APLICACION

1

2

3

4

5

6

7

8

Tanques de almacenamiento

 

 

 

x

 

 

 

Digestores

x

 

 

 

 

 

Evaporadores

x

y

 

 

 

 

 

Serpentines de calentamiento

x

y

 

 

 

 

Radiadores de secamiento  por convección (silos)

y

 

 

 

x

Y

 

 

Tuberías de distribución horizontales

y

 

 

X

 

 

Y

Tanques de proceso con descarga superior

y

 

 

X

y

 

 

Y

Tanques de proceso con descarga inferior

x

 

 

Y

y

 

 

Y

Tanques calentados por serpentín

x

 

 

 

y

 

 

Y

 

Donde:  x = Primera alternativa      y = segunda alternativa.

 

1   :  Trampa de flotador termostático ( FT )

2  :  Trampa flotador termostático con dispositivo antibloqueo por vapor ( FT TV SLR ).

3   :  Trampa flotador con dispositivo antibloqueo por vapor  ( FT SLR ).

2        :  Trampa termodinámica  ( TD ).

3        :  Trampa termostática  de presión balanceada ( BPT ).

4        :  Trampa bimetálica  ( SM ).

5        :  Trampa por expansión de líquidos  ( Termotón ).

6        :  Trampa de balde invertido  ( IB ).

                  

RETORNO DE CONDENSADOS

 

El retorno de condensados en una planta de beneficio primario, es de gran importancia por cuanto se presenta ahorro de energía.

Uno de los usos más importantes que se le pueden dar a los condensados, es el precalentamiento del agua de alimentación de la caldera, pues aparte del ahorro de energía se obtiene un ahorro en los costos de tratamiento de las aguas recicladas por este concepto. No olvidar que con el precalentamiento del agua de alimentación a la caldera, logramos controlar el oxigeno disuelto y aumentar, en cierta proporción, el rendimiento de producción de vapor.

 

En algunas plantas de beneficio “sobra” combustible y por tal razon no se le da importancia al manejo del vapor y pareciera que un ahorro de energía no tuviese sentido, pero si se cuantifican los puntos de extracción sacrificados o el fruto dejado de procesar por bajones de presión en el suministro de vapor para la planta, se encontrará que este aspecto es de vital importancia.

 

 

CONSUMOS DE VAPOR EN LAS PLANTAS DE BENEFICIO PRIMARIO

 

 

En todos los tiempos se ha reconocido, que la generación de vapor, es clave para el correcto funcionamiento de un proceso de extracción de aceite de palma; por deficiencias en este aspecto, la tasa de extracción de aceite se verá notoriamente afectada (perdidas de aceite por falta de temperatura).

 

Se ha establecido que el 60% del consumo de vapor ocurre en la esterilización y el restante 40% en los demás equipos del proceso. El consumo promedio de vapor en las plantas de beneficio primario, está por el orden de 420 a 550 Kg / hora de vapor saturado a 3.5 bares, esto por tonelada de fruta procesada.

 

Teniendo una generación de vapor a 150 p.s.i., tenemos los requerimientos de vapor, en la planta de beneficio primario, de acuerdo a su capacidad de proceso.

 

Capacidad de planta

(ton / hora)

Consumo de vapor

(Kg / hora)

10

5450

15

8180

20

10900

30

16380

 

La presión de servicio de las calderas de vapor en plantas, de beneficio primario de aceite de palma, está entre 17 a 18 Kg/cm2.

Como datos promedios (no generalizados) en plantas de beneficio primario estándar (funcionando normalmente), los consumos típicos por tonelada de fruto procesado, en los diferentes equipos son:

 

 

EQUIPOS

CONSUMO DE VAPOR

( Kg. )

Digestores

35

Transportador – secador de fibra

10

Silo secador de nueces

65

Calentamiento de aceite crudo

22

Precalentador de aceite húmedo

22

Clarificadores

10

Calentamiento de agua proceso

40

Almacenamiento de aceite

21

Precalentamiento agua caldera

25

 

 

Una caída de presión en el vapor, ocasionada por mal dimensionamiento de la caldera o tuberías de conducción o por un manejo inadecuado de los esterilizadores, conlleva a los siguientes problemas en los procesos de calentamiento:

 

·        Menores tasas de transferencia de calor, por disminución del diferencial de temperatura entre el vapor y la parte del proceso a calentar.

·        Incapacidad de las tuberías para transportar el vapor requerido, por estar este a una presión menor a la de diseño.

·        Menor flujo de vapor a través de eyectores de vapor (caso de los equipos de vacío), causada por la disminución del diferencial de presión.

·        Incapacidad de las trampas de vapor para evacuar condensados cuando la presión de entrada disminuye. Esto llega a ser grave cuando la trampa permite la inundación del intercambiador, llegándose a anular en casos extremos.

 

CALDERA SIN AGUA

 

En el supuesto caso de encontrarse ante esta situación, proceder de la siguiente forma:

 

·        No bombearle agua por ningún motivo.

·        Cerrar de forma urgente la válvula de salida de vapor a la caldera (la que está encima).

·        Retire el fuego en el hogar.

·        Tener calma.

 


 

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