El vapor suele proporcionar la mayor parte del calor, pero su calidad no siempre se gestiona con cuidado. Aquí hay algunos consejos sobre cómo mejorar y mantener la calidad del vapor.
Las operaciones de planta se centran en la actividad de producción, manteniendo un control estricto sobre los algoritmos de proceso, las materias primas y el equipo. El vapor suele proporcionar la mayor parte del calor, pero su calidad no se gestiona cuidadosamente. ¿Consideran los ingenieros que todo el vapor distribuido es igual en calidad?
Hay varias preguntas que me gusta hacer cuando me reúno con ingenieros u operadores de vapor por primera vez, como las siguientes:
Si usted fuera el gerente de planta, ¿querría optimizar el valor de la producción? ¿Aceptaría voluntariamente materia prima o equipo fuera de especificación? ¿De dónde obtiene la planta la mayor parte del calor utilizado en la producción? Si la respuesta es «vapor», ¿está sobrecalentado, saturado o húmedo?
La respuesta típica a la última pregunta es: «Tenemos los tres tipos de vapor». Es entonces cuando les digo que su respuesta es imposible, no existe algo como el vapor saturado sostenible en una planta de producción. «Su vapor está húmedo».
Debido a que el vapor está húmedo, surge una pregunta más: «¿Cómo puede una planta optimizar la producción si su activo de calor de vapor está en una condición subóptima?»
La calidad del vapor debe optimizarse para lograr confiabilidad y eficiencia; de lo contrario, los sistemas y equipos críticos pueden deteriorarse. Algunos ejemplos de áreas que pueden sufrir los efectos negativos del vapor húmedo incluyen:
- Plaqueo en turbinas, depósitos de sílice, erosión, disparos
- Erosión en eyectores de vacío, alto uso de energía, bajo vacío
- Vapor de stripping de mala calidad
- Erosión en punta de antorcha, disparos de medidor, apagones de antorcha, control deficiente
- Humedad en vapor de atomización
- Problemas de soplado de hollín en tubos de caldera
- Daño por vapor en sellos de prensaestopas
- Erosión en válvulas de control
- Erosión en tuberías, particularmente en codos y tes
Para mitigar tales problemas, la calidad del vapor debe y puede mejorarse, pero requiere comprender la importancia de dos requisitos clave en un sistema de vapor: 1) mantener proactivamente un umbral mínimo de purgadores en «buen» estado con alta prioridad [1, 2]; y 2) implementar equipos de separación mecánica para procesos críticos según sea necesario.
Mire su activo de calor
El vapor de planta es la principal fuente de calor para la mayoría de los procesos químicos y de refinación, sin embargo, a menudo recibe poca atención en relación con su calidad. Quizás esto sea el resultado de referirse comúnmente al vapor de planta como «saturado». Declaraciones como la siguiente son típicas: «Tenemos vapor sobrecalentado a 650 psig, y tres niveles de vapor saturado, a 150, 50 y 15 psig». El uso de la palabra «saturado» es tan prevalente, que puede convertirse fácilmente en un reemplazo de lo que realmente está presente en la planta. Es decir, el vapor de planta está sobrecalentado, o es vapor húmedo a temperatura de saturación. ¿Por qué es esto tan importante? Si los ingenieros y otro personal de la planta creen que la mayor parte de su vapor está saturado, podría ser difícil visualizar la importancia de lidiar con la humedad normal, y esto puede tener un efecto profundo en las operaciones y la eficiencia de la planta.
¿Cómo se usa el vapor?
El vapor tiene cuatro etapas: generación, distribución, uso y retorno (Figura 1). Una vez que está en la etapa de uso, es importante tener el vapor lo más seco posible, drenar el condensado rápidamente después de que el calor del vapor se haya transferido al proceso, y recuperar el calor restante y el agua tratada del proceso para devolverla a la caldera, reduciendo así la carga en la caldera y su impacto en el costo de calentar y tratar el agua de reposición cruda.
¿Por qué el vapor de planta está húmedo?
Los cambios de fase que ocurren con el agua se muestran en la Figura 2 [3]. Hay tres fases: sólido/hielo, líquido/agua, vapor/steam. Si bien la temperatura permanece igual (0°C, 32°F) en condiciones atmosféricas al convertir hielo en agua en el punto de congelación, se necesita una cierta cantidad de energía calorífica «latente» para cambiar una masa de hielo completamente a agua. Si solo se proporciona parte del calor requerido para un cambio de fase, aún quedarían trozos de hielo en la masa sujeta, pero la temperatura permanece igual (la cantidad de calor añadido no es clara o está oculta).
Una vez que la masa completa de hielo se ha convertido en líquido, teóricamente ahora es agua a temperatura de congelación, y ya no es hielo. Esta agua helada no está saturada: tiene la capacidad de absorber calor y permanecer en un estado completamente líquido hasta la temperatura de saturación del agua, también conocida como su punto de ebullición (100°C, 212°F). Mientras se agrega calor entre el punto del agua helada y la ebullición, cada aumento de calor eleva la temperatura del agua. Es por eso que el calor de esta región se conoce como «sensible». Al registrar su temperatura y masa, es posible calcular matemáticamente o percibir la cantidad total de calor en el agua aún no saturada (insaturada).
Una vez que el agua está saturada, agregar calor convierte algunas de sus moléculas en vapor, hasta el punto conocido como vapor «saturado», cuando todas las moléculas se han convertido en vapor. Sin embargo, durante esta fase entre el agua saturada y el vapor saturado, no está claro exactamente cuánto calor se ha agregado porque el vapor, húmedo o saturado, se forma a la misma temperatura que el agua saturada. La cantidad real de calor está oculta, de ahí el término «calor latente». Quizás esta es la razón por la que el vapor se conoce comúnmente como saturado, cuando de hecho, es vapor húmedo a temperatura de saturación, la misma temperatura de saturación que el agua hirviendo y el vapor.
¿Vapor saturado de las calderas?
¿Producen las calderas vapor saturado? La respuesta directa es «no». El vapor de caldera tiene un 3-5% de humedad causada por el agua que se adhiere al exterior de las burbujas de vapor cuando atraviesan la superficie del agua al salir de la caldera. Existen métodos que pueden usarse para mejorar la calidad del vapor de salida, pero incluso con ellos, el vapor no está 100% seco y también experimenta cierta pérdida de calor durante la etapa de distribución.
Una vez que se produce vapor húmedo, puede pasar a través de un sobrecalentador, que elimina toda la humedad al cruzar el umbral del vapor saturado, y luego aumenta su temperatura, volumen y contenido total de calor. El vapor sobrecalentado tiene un bajo contenido de calor específico, por lo que comúnmente su beneficio se obtiene cuando se requiere alta temperatura o sequedad, no calor añadido. Los usos típicos son para alta demanda de temperatura de proceso o para impulsar turbinas.
El vapor distribuido es clave
Al discutir la distribución de vapor, el tema invariablemente conduce a la importancia de mitigar el golpe de ariete. Si bien dicha evitación es crítica para una operación segura, es solo parte de la historia.
Los ejemplos de golpe de ariete ni las gotas que son parte de una mezcla de vapor húmedo, y cuán adversamente esas gotas pueden crear problemas que afectan la eficiencia operativa y la confiabilidad (Figura 3). Más adelante se proporciona una revisión de cómo el vapor húmedo reduce la confiabilidad de equipos específicos, pero primero se proporciona información adicional sobre la humedad del vapor. La entalpía específica del vapor se puede calcular usando la Ecuación (1):hg=hf+(D×hfg)(1)hg=hf+(D×hfg)(1)
Donde: hg=hg= Calor total del vapor, hf=hf= Calor sensible, hfg=hfg= Calor latente, D=D= Sequedad del vapor, %%
Considere la Figura 4, que muestra las regiones de calidad del vapor y valores de calor. La línea azul oscuro representa el agua saturada, con el área bajo esta línea representando la región de agua no saturada. Esta línea de agua demuestra que a medida que la presión aumenta hasta 10.35 MPa (1,500 psig), se debe agregar calor adicional para alcanzar la ebullición.
La línea roja representa el calor latente, el calor del vapor que se utiliza para la mayoría de las aplicaciones de proceso. El calor latente disminuye en la gráfica a medida que aumenta la presión. Cuanto mayor es la presión, menos calor de vapor está disponible. Las líneas de color mostaza debajo de la línea de calor latente del vapor son las más importantes porque demuestran la reducción en el calor latente para un porcentaje dado de humedad, hasta una mezcla de vapor húmedo del 15%. Algunas aplicaciones pueden tener una suspensión de vapor húmedo con un 30% de condensado, por lo que un vapor húmedo del 15% es una posibilidad real a considerar, particularmente en el «extremo húmedo» de una planta.
La línea marrón representa el calor total del vapor, y las dos líneas más claras directamente debajo muestran cómo cambia el calor total cuando el vapor está húmedo. El calor agregado por encima de la línea marrón muestra una región de sobrecalentamiento. Si bien se requiere calor total para producir vapor, solo el calor latente se utiliza en la mayoría de las aplicaciones de equipo de vapor.
¿El vapor de descompresión está saturado?
Una creencia común es que reducir la presión del vapor de una presión más alta a una más baja a través de válvulas puede crear vapor saturado o incluso sobrecalentado. Si bien es relativamente fácil de demostrar desde un punto de vista teórico, tales cálculos pueden ser poco realistas. Considere las dos tablas que se muestran como Figura 5. La tabla de la izquierda enumera el calor total del vapor a 200 psig para humedad del 5%, 10% y 12% (sequedad del 95%, 90% y 88%), así como el calor total requerido para el vapor saturado a 15 psig. Incluso el vapor a 200 psig con solo un 5% de humedad (1,158 Btu) no es suficiente para crear vapor saturado a 15 psig (1,164 Btu). En aplicaciones reales, el vapor puede tener mucha más humedad debido a un atrapamiento deficiente que no elimina suficiente agua desprendida, ineficiencia del aislamiento y otros aspectos que roban calor que ocurren naturalmente en los sistemas de tuberías, como las bridas que actúan como disipadores de calor o la convección normal. Esta es la razón por la cual el vapor de planta, si no está sobrecalentado, está húmedo.
Cómo mejorar la calidad del vapor
El gráfico de la figura 5 muestra los efectos de una separación de humedad del 98% de un flujo de vapor con humedad arrastrada. Todos los valores de calidad del vapor que salen de la etapa de separación se acercan al territorio del vapor seco, con valores estimados de sequedad del 99.7% al 99.9%.
Hay varios requisitos clave para lograr una alta sequedad, como un atrapamiento adecuado, un alto porcentaje de purgadores en «buen» estado y operación dentro del rango requerido especificado para un separador en cuanto a flujo, velocidad y presión. Sin embargo, cuando está diseñado e instalado correctamente, la separación puede mejorar significativamente la confiabilidad operativa del equipo. Es importante entender que la eliminación de humedad no aumenta la eficiencia energética, sino que mejora la transferencia de calor y la confiabilidad del equipo.
La sequedad final del vapor, después de la eliminación de humedad, se puede calcular usando la Ecuación (2):De=Do/[1−S(1−Do)](2)De=Do/[1−S(1−Do)](2)
Donde: De=De= Sequedad del vapor después de la separación, %%, Do=Do= Sequedad del vapor antes de la separación, %%, S=S= Separación de humedad, %%
Separación mecánica
Las piernas de recolección y sus purgadores eliminan el condensado que ya se ha desprendido del vapor que fluye. Una forma útil de eliminar el condensado que aún está arrastrado en el flujo de vapor es instalar separación mecánica. Hay cuatro características clave del diseño del separador: impedimentos físicos, impacto, velocidad de flujo y cambios de dirección.
Los impedimentos físicos pueden consistir en crestas, paredes o deflectores. El impacto puede verse favorecido al incluir superficies rugosas, la velocidad del flujo se puede aumentar al impulsar el vapor a través de pequeñas aberturas e incorporar un diseño ciclónico, y los cambios de dirección deben torcer e idealmente invertir la trayectoria del flujo [7].
En la Figura 6 se muestra un ejemplo de un separador de vapor de alta velocidad que incorpora estas cuatro características y sus interacciones para lograr una separación eficiente.
Algunas consideraciones importantes al seleccionar separadores y lograr la eficiencia de separación incluyen el caudal de vapor, su velocidad (para asegurar que el flujo se mantenga dentro del rango requerido para que el separador cumpla con las especificaciones), la carga de condensado esperada a descargar (para seleccionar el purgador para drenar el condensado) y la caída de presión máxima permitida. Seleccionar un separador con una caída de presión mínima es especialmente importante para mantener la presión del vapor y su temperatura correspondiente. Reducir la temperatura innecesariamente puede disminuir la cantidad de calor que fluye hacia ciertos procesos, por lo que es clave minimizar la caída de presión a través de los separadores para mantener la temperatura más alta que pueda impulsar el calor hacia un proceso.
La importancia de los separadores
Una vez que los sistemas tienen el condensado drenado adecuadamente a través de purgadores, el uso de separadores puede tener un impacto profundamente positivo en varios equipos.
Turbinas. Las turbinas pueden ser de una o múltiples etapas (Figura 7). Independientemente del número de etapas, es importante usar vapor libre de masas de agua o gotas. A menudo, la calidad del vapor que impulsa las turbinas es menos que ideal, con el resultado de que las operaciones de la planta pueden abrir derivaciones o válvulas de purga, creando una zona de niebla (Figura 8). Incluso cuando se implementan tales medidas, las turbinas pueden experimentar problemas con las válvulas de disparo y estrangulación, plaqueo, erosión o daño severo a los álabes.
Los problemas causados por el condensado generalmente se clasifican en las siguientes dos causas:
- El condensado en la línea de vapor que alimenta la turbina no se drenó adecuadamente a través de purgadores que funcionaban correctamente [8, 9]. Esto puede mitigarse implementando procedimientos para mantener los purgadores en la línea de distribución que suministra vapor a la turbina, y verificando el diseño general de drenaje para asegurarse de que las ubicaciones donde se acumula agua antes, en o después de la turbina tengan purgadores instalados que funcionen bien.
- El vapor de suministro tiene cantidades significativas de humedad arrastrada. No solo el agua que golpea un álabe a alta velocidad crea erosión, sino que también está la dinámica de que el álabe gira a alta velocidad. A medida que el vapor se lanza hacia afuera, la aceleración crea una caída en la presión estática localizada, lo que hace que las gotas de agua arrastradas se evaporen. Esta acción crea «pérdida de humedad» (trabajo negativo [10]), aumenta la erosión, y cualquier precipitado en el condensado se separará del vapor y puede depositarse en los álabes. La separación mecánica ofrece un excelente medio para reducir o eliminar la humedad arrastrada en el suministro de vapor. Las turbinas que experimentan lavados frecuentes deben tener los sistemas de atrapamiento y separación de vapor revisados para un buen diseño y operación para mitigar la frecuencia.
Además, «Los resultados de muchas pruebas indican que la eficiencia de una etapa de [turbina] se reduce aproximadamente un 1% por cada 1% de humedad presente en el vapor» [10].
Esto no implica un beneficio de eficiencia energética, ya que aún se debe crear la misma cantidad de energía en la caldera. Sin embargo, se eliminan las gotas de humedad que pueden causar interrupciones por arrastre o vaporización instantánea, permitiendo que la turbina opere con una eficiencia óptima.
Cuando la línea de distribución de vapor que alimenta la turbina está drenada adecuadamente, y cuando el vapor se toma desde la parte superior de la línea de distribución, entonces un diseño combinado de drenaje y separación puede parecerse al ejemplo mostrado en la Figura 9. Tenga en cuenta que después de la separación inicial, se drena la válvula de disparo y estrangulación, así como la(s) carcasa(s) de la turbina y el tubo ascendente de salida.
No siempre existen piernas de recolección suficientes y sus purgadores en la línea de distribución que suministra vapor a la turbina. Esto puede crear problemas importantes en unidades de operación, como un craqueador catalítico fluido (FCC). Una pierna de recolección de gran tamaño (botella de recolección de condensado o CCB) y la instalación de un purgador pueden proporcionar cierta mitigación de masas de agua, a lo que debería seguir un separador mecánico de alta velocidad para eliminar la humedad arrastrada (Figura 10) [9].
Vapor de sello según API 682 Plan 62. El vapor de sello mantiene la presión en el sello de la bomba mientras proporciona enfriamiento, pero el vapor húmedo puede causar una falla prematura del sello. Por lo tanto, no se debe permitir que la humedad entre y debe eliminarse de antemano. API 682 Plan 62 está destinado a prevenir el agua en el sello, pero comúnmente se malinterpreta, resultando en una instalación incorrecta. Una consideración importante es asegurarse de que el suministro de vapor de sello tenga un purgador antes de la válvula reguladora de presión y que el purgador no descargue condensado en el sello mismo (Figura 12). Normalmente, las líneas de vapor de sello tienen un diámetro pequeño, pero si se suministra vapor húmedo a múltiples bombas en un área compacta, la instalación de un separador antes de ramificarse a las bombas individuales puede desprender el condensado y optimizar la calidad del vapor.
Antorchas. Las antorchas pueden experimentar una miríada de problemas, algunos de los cuales se muestran en la Figura 12. La causa de cada problema generalmente puede identificarse como masas de agua o humedad arrastrada en el suministro de vapor. Nuevamente, los esfuerzos de mitigación son los mismos: drenar el condensado de la línea de distribución a la estación de válvulas de control de la antorcha (y después), y separar la humedad del suministro de vapor antes de la estación de válvulas de control (y el medidor de vapor) (Figura 13).
Las mismas recomendaciones básicas se pueden hacer para todas las estaciones de válvulas de control de vapor porque el vapor que viaja a través del conjunto del obturador de la válvula puede alcanzar velocidades increíblemente altas. Es importante eliminar el condensado y separar la humedad antes de la válvula. De lo contrario, la humedad puede erosionar la válvula y vaporizarse durante la caída de presión a través de la válvula, causando cavitación, desgaste prematuro y pérdida de control.
Eyectores y sistemas de vacío. La situación respecto a la calidad del vapor es similar para los eyectores utilizados en la eliminación de vapor y sistemas de vacío de columnas. El vapor de alta velocidad viaja a través del eyector a velocidades de 3,000-4,000 pies/s [11], y la humedad arrastrada crea una erosión severa de la boquilla, el difusor y el codo de salida. «Si hay humedad en el vapor, se debe usar un separador y un purgador para mejorar la calidad del vapor a mejor del 99.5%» [12, 13]. Además, si una boquilla de eyector o la garganta del difusor se agranda solo un 7%, el vacío puede disminuir, volverse errático o romperse, y la temperatura de descarga se reduce, requiriendo el reemplazo del componente agrandado [14]. Una solución es asegurarse de que el conjunto de suministro de vapor a cualquier sistema de vacío o eyector esté aislado, tenga el condensado drenado adecuadamente y la humedad separada (Figura 14).
Calderas de recuperación de calor residual y sistemas de recuperación de flash. Calentar con vapor saturado transmite calor más uniforme y proporciona el tiempo de calentamiento más corto. Esta es una consideración clave no solo para el vapor húmedo generado por calderas, sino también para el vapor que se produce o recupera de calderas/generadores de calor residual, tambores de knock-out o sistemas de recuperación de flash. La calidad del vapor de este tipo de equipo puede tener una humedad excepcional que debe separarse ya sea en el punto de producción o antes de la primera estación de uso (Figura 15) [15].
Vapor desobrecalentado. Un sistema desobrecalentador está diseñado para que la humedad añadida al vapor sobrecalentado reduzca la temperatura a 10 o 15 grados por encima de la saturación para la presión de vapor entregada. Sin embargo, su sensor de temperatura puede estar ubicado en la parte superior de la tubería, incapaz de determinar si la válvula está descargando demasiada agua, que fluye a lo largo del fondo de la tubería. Además, el sensor puede estar a solo unos pies de la válvula desobrecalentadora, lo que puede llevar a lecturas erróneas con flujo de vapor de alta velocidad. Como resultado, no es raro que el flujo desobrecalentador cree masas de agua, que pueden eliminarse mediante purgadores y separadores de vapor para un calentamiento y rendimiento del equipo óptimo aguas abajo.
Nota: Un desobrecalentador es un dispositivo que reduce la temperatura del vapor sobrecalentado inyectando agua fría directamente en el flujo de vapor para bajarla a un nivel deseado.
Sistemas en cascada de condensado a vapor. Cuando los diseñadores descargan condensado de una línea de vapor de alta presión a la siguiente presión de vapor más baja, esto tiene el efecto perjudicial de aumentar la carga sobre los purgadores para manejar mayores cantidades de condensado desprendido. Además, parte de ese condensado de alta presión se mezcla con el flujo de vapor de menor presión, aumentando así la humedad del vapor ya húmedo. En tales sistemas, la separación mecánica puede facilitar un calentamiento mejorado del equipo, el rendimiento general y la confiabilidad.
Comentarios finales
El vapor de planta está húmedo, y su calidad subóptima afecta negativamente la producción confiable y la eficiencia en múltiples áreas. No es posible optimizar la producción con una calidad de vapor subóptima, pero afortunadamente puede ser relativamente fácil mejorar este importante activo de calor.
Las plantas deben establecer una prioridad de mantenimiento basada en la comprensión de que los purgadores juegan un papel esencial en la calidad del calor utilizado en el proceso de producción. Si se ignora la salud de los purgadores o se maneja de manera reactiva, el sistema de vapor puede no drenar el condensado adecuadamente, y esto puede conducir a problemas de golpe de ariete, así como erosión y daño catastrófico al equipo. También aumenta la humedad en el suministro de vapor, lo que a su vez dificulta las operaciones de calentamiento de procesos. Además, determine qué equipos de calentamiento, turbinas y sistemas de eyectores de vacío pueden mejorarse mediante el uso de separadores mecánicos para desprender la humedad del vapor húmedo, llevando así su calidad a niveles cercanos a la saturación.
Los propietarios que invierten en proyectos de capital pueden querer prestar mucha atención al diseño de nuevos sistemas para asegurar que se incluyan equipos de drenaje y separación apropiados. A menudo es difícil, si no relativamente imposible, corregir un sistema de vapor una vez que está operando con vapor de menor calidad, con el desafortunado resultado de que no se puede lograr la operación de referencia esperada. Su vapor está húmedo, pero no necesita permanecer subóptimo si implementa medidas adecuadas para mejorar su calidad.
