MANUAL de PROCEDIMIENTOS Sala de Calderos - Supermix

CONCRETOS SUPERMIX S.A.

PLANTA DE DURMIENTES DE

CONCRETO PRETENSADO

MANUAL DE OPERACIONES

SALA DE CALDEROS

SISTEMA DE VAPOR SATURADO

MO-002-2013-SUPERMIX

Preparado por:

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Manual de Operaciones Sala de Calderos SUPERMIX

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CONCRETO PRETENSADO

SALA DE CALDEROS Sistema de Vapor Saturado


MANUAL DE OPERACIONES LISTA DE REVISIONES

Rev. Seccin Pgina(s) Fecha Comentarios



Visin Somos un equipo de trabajo auto-dirigido; alta y constantemente motivados y comprometidos con la excelencia operacional, que laboramos en un ambiente seguro y saludable, integrados con xito a las operaciones de SUPERMIX, contribuyendo a su xito global.

Misin Producir eficientemente vapor saturado de alta calidad y bajo costo, maximizando nuestros recursos y satisfaciendo la demanda de la Planta de Produccin.



OBJETIVO

El objetivo principal de este manual es proveer de informacin sobre mtodos de trabajo a operadores y supervisores para:

Conocer claramente el trabajo y realizarlo con seguridad.

Operar la Sala de Calderos y sus equipos complementarios de acuerdo con las

regulaciones ambientales, permisos y limitaciones aplicables conservando la

ecologa y el medio ambiente.

Operar la Sala de Calderos y sus equipos complementarios de acuerdo a los

procedimientos establecidos.

Conocer conceptualmente el proceso de generacin de vapor saturado en el

caldero instalados en la Planta.

Comprender el principio de funcionamiento del caldero y sus equipos

complementarios, de tal forma que el operador pueda reconocer y corregir fallas, y

sugerir mejoras o modificaciones que permitan reducir los costos de operacin.

Ejecutar los procedimientos de operacin de manera correcta, asegurando los

equipos y evitando dao en ellos.



INDICE del CONTENIDO

Derechos reservados Lista de revisiones Visin Misin Objetivo 1.0. INTRODUCCION

1.1. Ingeniera del Vapor

1.1.1. Qu es el vapor? 1.1.2. Produccin de Vapor 1.1.3. Calor y Temperatura 1.1.4. Presin de vapor 1.1.5. Volumen de Vapor 1.1.6. Calidad de Vapor 1.1.7. Mecanismos de Transferencia de Calor 1.1.8. Generacin de Vapor 1.1.9. Utilizacin del Vapor 1.1.10. Tablas de Vapor

1.2. Calderos

1.2.1. Definicin de caldero 1.2.2. Componentes bsicos de una caldera 1.2.3. Designacin de la capacidad de los calderos 1.2.4. Clasificacin de los calderos 1.2.5. Calderos Pirotubulares 1.2.6. Criterios de seleccin de calderos

1.3. Agua para Calderos

1.3.1. Caractersticas del agua antes de ser tratada 1.3.2. Problemas que ocasionan las impurezas del agua en el interior de los

calderos 1.3.3. Tratamiento del agua para calderos 1.3.4. Rgimen de purgas

1.4. Combustibles Industriales

1.4.1. Origen y formacin de yacimientos petrolferos 1.4.2. Composicin de petrleo crudo



1.4.3. Refinacin del petrleo crudo 1.4.4. Clasificacin de los combustibles resultantes del petrleo 1.4.5. Combustibles gaseosos

1.5. Equipamiento y dispositivos de seguridad / control de los calderos

1.5.1. Control de presin 1.5.2. Controles de nivel 1.5.3. Programadores control de combustin 1.5.4. Vlvulas de seguridad

2.0. SALA DE CALDEROS

2.1. La sala de calderos 2.1.1. Equipamiento y distribucin general 2.1.2. Equipamiento especfico

2.2. Capacidad Instalada VS Demanda de Vapor 3.0. PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS

Introduccin

Esquema de los procedimientos operativos

3.1. Revisiones previas a la puesta en marcha

3.1.1. Revisiones previas a la puesta en marcha del Sistema de Combustible Bunker

3.1.2. Revisiones previas a la puesta en marcha del Sistema de generacin de vapor saturado

3.1.3. Revisiones previas a la puesta en marcha del sistema de suministro de agua blanda

3.2. Puesta en Marcha 3.2.1. Puesta en marcha del sistema de combustible 3.2.2. Puesta en marcha del sistema de generacin de vapor saturado

3.3. Tareas del Operador

3.3.1. Descarga de un camin cisterna de combustible 3.3.2. Inspecciones Diarias 3.3.3. Llenado de agua de un caldero de vapor 3.3.4. Regeneracin de ablandadores de agua 3.3.5. Anlisis de combustin 3.3.6. Mantenimiento de Quemador



3.4. Paradas Prolongadas del Caldero

3.5. Tratamiento Qumico y limpieza de la superficie de calentamiento de un caldero

nuevo

4.0. MANTENIMIENTO PREVENTIVO

4.1. Operaciones y mantenimiento Trabajando juntos 4.2. Qu es el mantenimiento?

4.3. Cmo est organizado el mantenimiento?

4.4. Programa de mantenimiento para salas de calderos

- Frecuencia Diaria

- Frecuencia Semanal

- Frecuencia Mensual

- Frecuencia Semestral

- Frecuencia Anual

FORMATOS:

- Anlisis de combustin

- Eficiencia trmica de calderos

- Check List de Operacin

5.0. MANUALES

- Manual Caldero Cleaver Brooks CB-LE - Manual Control de Nivel Level Master CBLME

6.0. LITERATURA COMPLEMENTARIA


Manual de Operaciones Colores de Identificacin de Fluidos (Archivo MO-002-2013-SUPERMIX) Pgina 1 de 1

LEYENDA DE FLUIDOS y COLOR DE IDENTIFICACION

A lo largo de Manual de Operaciones, en diferentes secciones se han utilizado diversos fluidos segn el proceso que los involucre. La siguiente leyenda ilustra todas las soluciones utilizadas en los procesos de la Generacin de Vapor y color asignado correspondiente segn norma nacional NTP 399.012 Colores de Identificacin de Tuberas para Transporte de Fluidos en Estado Gaseoso o Lquido en Instalaciones Terrestres y Naves.

Vapor Saturado

Condensado

Agua de Proceso(1)

Agua Blanda

Salmuera (solucin de cloruro de sodio)

Petrleo Bunker

Petrleo Diesel

Gas Licuado de Petrleo (GLP)

Drenajes (agua u otro)

Aire Comprimido


Manual de Operaciones Seccin 1.0 - INTRODUCCION (Archivo MO-002-S1-2013-SUPERMIX) Pgina 1 de 56



CONCRETO PRETENSADO

SALA DE CALDEROS Sistema de Vapor Saturado


MANUAL DE OPERACIONES

SECCION 1.0 INTRODUCCION



1.1. INGENIERIA DEL VAPOR

Descripcin General del Proceso de Generacin de Vapor Saturado 1.1.1. Qu es el Vapor?

Como otras sustancias, el agua puede estar en estado slido llamado hielo, en estado lquido, que es cuando la llamamos agua, o como gas, llamado vapor. En esta seccin centraremos la atencin en las fases lquido y gas y en el cambio de una fase a la otra.

Si se aade calor al agua, su temperatura aumenta hasta que alcanza un valor a partir del cual ya no puede subsistir como lquido. A este valor lo llamamos punto de saturacin.

Al aadir ms energa provocamos que parte del agua hierva y se convierta en VAPOR. Esta evaporacin requiere cantidades de energa relativamente importantes. En ese punto, el agua y el vapor formado permanecen a la misma temperatura. Igualmente, si conseguimos que el vapor libere la energa que se aadi cuando se form, condensar y se formar agua a la misma temperatura.

El vapor es un vehculo para transferir calor en forma eficiente y fcil de controlar. Es usado frecuentemente para transportar energa desde un punto central (caldero) hasta varios lugares en la Planta o centro de consumo donde se utiliza para calentar aire, agua o para diversos usos en procesos.

1.1.2. Produccin de Vapor

Para comprender mejor la formacin del vapor consideremos el siguiente experimento imaginario (ver Fig. 1).

Supongamos un cilindro tapado en la parte inferior y rodeado con un aislante 100% eficiente, con lo que no hay prdidas de calor a travs del mismo. Si introducimos en el cilindro 1 kg. de agua a 0 C (usado como punto de referencia) y que para nuestros propsitos su contenido de calor, o entalpa, es cero (0). Al adicionar calor aumentaremos la temperatura del agua hasta llegar a los 100 C

FIG. 1 : EXPERIMENTO DE PRODUCCIN DE VAPOR



(puesto que el cilindro est abierto en su parte superior, al agua se le aplica nicamente la presin atmosfrica). Cualquier aumento adicional de calor hace que el agua no pueda mantenerse en fase lquida y una parte hierva convirtindose en vapor. El calor total retenido por cada kg. de agua lquida a la temperatura de ebullicin se llama Entalpa especfica del agua saturada y se le designa con el smbolo hf.

El calor adicional para convertir 1 kg. de agua en vapor se llama Entalpa especfica de evaporacin y se designa con el smbolo hfg.

El calor total de cada kg. de vapor es la suma de las dos anteriores, se llama Entalpa especfica del vapor y se designa con el smbolo hg, por lo tanto:

hg = hf + hpg (1.1)

En consecuencia cuando al kg. de agua contenido en el cilindro a 100 C se le aade toda la Entalpa especfica de evaporacin, el agua se habr convertido totalmente en vapor a la presin atmosfrica. Su volumen ser mucho mayor que el del agua lquida.

Claramente las molculas del agua lquida se mantienen mucho ms prximas que las molculas del vapor. Se puede pensar en que el proceso de evaporacin consiste en aadir suficiente energa para que cada molcula pueda vencer la fuerza de cohesin que la mantiene prxima a sus vecinas con lo que abandonar el lquido del cilindro y se mover libremente en fase gas.

Se puede esperar que si la presin en la parte superior del lquido aumenta, las molculas encontrarn mayor dificultad en abandonar el lquido. Les deberemos comunicar ms energa para que puedan romper los enlaces y moverse en fase gas.

Esto quiere decir que la temperatura del agua deber ser mayor de 100 C para que la evaporacin se inicie. Esto es, realmente, lo que sucede en las calderas. Si nuestro cilindro imaginario es provisto de un pistn, libre de rozamiento, y se coloca un peso en la parte superior del mismo para aumentar la presin del agua, la temperatura de la misma estar encima de los 100 C cuando empiece la evaporacin.

A cualquier presin dada le corresponde una temperatura nica por encima de la cual el agua no puede subsistir como lquido, y cualquier entalpa cuyo valor est por encima de la Entalpa especfica del agua saturada evaporar parte del lquido.



En las Tablas de Vapor se recogen temperaturas y presiones de ebullicin junto con las entalpas de agua y vapor.

1.1.3. Calor y Temperatura

El calor es una forma de energa y como tal es parte integrante de la entalpa de un lquido o gas.

1.1.3.1. Calor Sensible

El calor que produce una elevacin de la temperatura cuando se aade a un cuerpo se llama Calor Sensible. En las calderas, hablamos del calor aportado por el combustible y que se transfiere al agua elevando su temperatura hasta la ebullicin.

Si el agua que ingresa a la caldera lo hace a una temperatura mayor a 0 C, entonces sta trae consigo ya una parte del Calor Sensible necesario para llevarla al punto de ebullicin, siendo solamente necesario agregar el resto de Calor Sensible.

1.1.3.2. Calor Latente

El agua hirviendo a presin atmosfrica tiene una temperatura de 100 C, pero en la Caldera se sigue aportando calor, el mismo que transforma el agua hirviendo en vapor.

Este calor que produce un cambio de esta en el agua, sin variar su temperatura, se conoce como Calor Latente (llamado tambin Calor Latente de Vaporizacin).

1.1.3.3. Calor Total del Vapor

Como habamos dicho anteriormente, el vapor es un vehculo para transferir calor en forma eficiente. Tambin hemos mencionado que el vapor generado en la Caldera, lleva consigo dos claves de vapor.

Tenemos el calor sensible, del agua hirviendo, al que hay que agregar el calor latente, que convierta el agua en vapor.



El calor total del vapor es, por lo tanto, la suma del calor Sensible ms el Calor Latente.

Calor Total = Calor Sensible + Calor Latente (1.2)

Hay que tener presente que el Calor Latente es considerablemente mayor que la cantidad de Calor Sensible. Para dar un ejemplo, en cada kg. de vapor (que se encuentra a 100 C) hay 100 caloras de Calor Sensible y aproximadamente 540 caloras de Calor Latente, haciendo un total de 640 caloras.

1.1.3.4. Temperatura

Es un parmetro del calor que nos indica la cantidad promedio de energa trmica acumulada en un cuerpo, que podra traducirse como una condicin de estado. Las siguientes relaciones nos sirven para poder convertir la Temperatura de C a F o viceversa.

T (F) = 1.8 x (T C) + 32 (1.3)

T (C) = T (F) 32 1.8

(1.4)

1.1.4. Presin de Vapor

Ya hemos mencionado el trmino presin atmosfrica. Es simplemente la presin que ejerce la atmsfera terrestre sobre todas las cosas en todas direcciones. La unidad de presin en el sistema internacional (SI) es el bar (1 bar = 100 kPa).

La presin ejercida por la atmsfera cuando el agua est hirviendo a 100 C es de 1,01325 bar. Es una valor tan prximo a 1 bar, que la aproximacin es suficiente en la mayor parte de casos prcticos.

Volvamos al cilindro imaginario de la Fig. 1, con su pistn libre de rozamientos, que hemos mencionado antes. Si el agua es calentada en el cilindro hasta que se produce vapor, ste llenar la parte inferior del pistn hasta que la presin del vapor y el agua se equilibren con la ejercida por el pistn cargado.

En este momento, si se produce ms vapor, empujar el pistn la presin permanecer constante. Si pudisemos introducir ms agua en el cilindro para



mantener su nivel, se ira formando ms vapor que empujara ms arriba al cilindro. A partir del momento en que el cilindro no pudiese subir ms, si se siguiese formando vapor, la presin aumentara.

Ya hemos dicho que si el cilindro o Caldera se opera a un presin superior a la atmosfrica, la temperatura del agua saturada y del vapor es superior a 100 C. Por ejemplo, si la presin de saturacin fuese de 10 bar, la temperatura de saturacin del agua sera de 180 C. Para alcanzar esta mayor temperatura, el agua tendr una mayor cantidad de Entalpa del agua saturada o Calor Sensible. Por otra parte, encontramos que la entalpa de evaporacin o Calor Latente necesario para convertir el agua saturada en vapor es menor a medida que la presin aumentada.

1.1.5. Volumen de Vapor

Si 1 kg. (masa) de agua (1 litro en volumen) se convierte totalmente en vapor, el resultado ser exactamente 1 kg. (masa) de vapor.

Sin embargo, al contrario de lo que ocurre con el agua, el volumen ocupado por una masa dada de vapor depende de su presin.

FIG. 2: VAPOR SATURADO SECO

PRESIN / VOLUMEN ESPECIFICO

A la presin atmosfrica, 1 kg. de vapor ocupa unos 1.673 m3. A la presin de 10 bar abs, el mismo kg. de vapor slo ocupa 0.1943 m3 . El volumen de 1 kg. de vapor a una presin dada es un volumen especfico (kg.).

02468

101214161820

0 1 2Pre

si

n M

an

om

tr

ica -

bar

Volumen Especfico - m3/kg



El volumen ocupado por una unidad de masa de vapor disminuye cuando la presin aumenta. Este viene representado en forma grfica en la Fig. 2.

1.1.6. Calidad del Vapor

1.1.6.1. Vapor Seco / Vapor Hmedo

Las Tablas de Vapor muestran las propiedades del llamado Vapor Saturado Seco. Es un vapor que ha sido evaporado completamente, es decir, no contiene gotas de agua lquida.

En la prctica, el vapor a menudo arranca pequeas gotas de agua, con lo que ya no puede ser descrito como vapor saturado seco. Sin embargo, es importante que el vapor utilizado para procesos o calefacciones sea lo ms seco posible. Veremos ms adelante como se consigue, utilizando separadores y purgadores. La calidad del vapor se describe mediante su fraccin seca, que es la proporcin de vapor completamente seco presente en el vapor considerado. El vapor se llama hmedo si contiene gotas de agua en suspensin que no transportan calor latente o entalpa especfica de evaporacin. Por ejemplo, la entalpa especfica del vapor a 7 bares con una fraccin seca de 0.95 se puede calcular del modo siguiente: Cada kg de vapor hmedo contendr la totalidad de calor del agua hirviendo (saturado), pero como slo hay 0.95 kg de vapor seco con 0.05 kg de agua, slo estar presente el 0.95 de la entalpa de evaporacin. Por tanto, la cantidad de calor total del vapor ser:

hg = hf + (0,95 x hfg )

= 721.4 + (0.95 x 2047.7) = 2667 kJ/kg.

Este valor representa una reduccin de 102.4 kJ/kg. en relacin con el calor del vapor a 7 bar relativos encontrados en las Tablas de Vapor. Son las gotas de agua en suspensin las que hacen visible el vapor hmedo. El vapor como tal es un gas transparente pero las gotas de agua le dan un aspecto blanquecino al reflejar la luz.



1.1.6.2. Vapor Sobrecalentado

Mientras haya agua presente, la temperatura del vapor saturado se corresponder con la que se encuentra en las Tablas de Vapor. Sin embargo, si la transferencia de calor contina despus que se ha evaporado toda el agua, la temperatura del vapor seguir aumentando.

En estos casos el vapor se llama sobrecalentado entendido como tal al vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor saturado a la presin correspondiente. El vapor saturado condensa rpidamente sobre cualquier superficie que est a menor temperatura, puesto que le comunica calor latente, que es la energa que transporta en mayor proporcin. Contrariamente, cuando el vapor sobrecalentado cede una parte de su calor, lo hace mediante una disminucin de temperatura. Por tanto no habr condensacin hasta que se alcance la temperatura de saturacin y, por tanto, el flujo de calor desde el vapor sobrecalentado es menor, en general, que el que se puede alcanzar con vapor saturado aunque el vapor sobrecalentado est a mayor temperatura. Debido a otras propiedades, el vapor sobrecalentado es el que se utiliza habitualmente para potencia, mientras que el vapor saturado es ideal para aplicaciones de proceso y calefaccin.

1.1.7. Mecanismos de Transferencia de Calor

El calor es energa en trnsito, debido a la diferencia de temperaturas. Dentro del Caldero se tienen los tres mecanismos de transferencia de calor, los mismos que se describen a continuacin:

1.1.7.1. Conduccin

La transferencia de calor por conduccin aparece en slidos, lquidos y gases. Podemos pensar en la conduccin como la transferencia de calor desde partculas ms calientes a partculas adyacentes menos calientes. La velocidad con la que se puede transferir calor de una partcula a otra depende de la diferencia de temperaturas entre las mismas y la conductividad trmica k, propia del material. Por lo que podemos deducir que existen materiales que son buenos conductores de calor y otros con propiedades conductivas pequeas, como es el caso de los llamados aislantes trmicos.



1.1.7.2. Conveccin

Es la transferencia de calor entre una superficie slida que se encuentre en contacto con un fluido, los mismos que se encuentran a diferentes temperaturas. El fluido se encuentra sometido a movimiento, por fuerzas naturales (diferencia de densidad en el mismo fluido) o por fuerzas externas (ventilador o bomba).

1.1.7.3. Radiacin

La radiacin trmica es radiacin electromagntica que se emite en la banda de longitud de onda. No requiere de soporte para propagarse.

1.1.8. Generacin de Vapor

Antes de pasar a considerar el uso prctico del vapor conviene verificar que los aspectos tericos han quedado suficientemente claros.

La energa qumica contenida en el carbn, gas, Diesel 2, Bunker, Residual o cualquier otro combustible se convierte en energa calorfica al quemarse. Esta energa calorfica se transmite a travs de las paredes del hogar del caldero hasta



el agua. Mediante la adicin de esta energa calorfica la temperatura del agua aumenta y cuando alcanza el punto de saturacin, hierve.

La energa calorfica adicionada, que ha tenido como efecto el aumento de la temperatura del agua, se llama Entalpia del Agua Saturada o Calor Sensible (hf). El agua a una temperatura igual a la de su punto de ebullicin se llama agua saturada.

El calor sensible del agua a 0 C se toma habitualmente como cero. La capacidad calorfica especfica del agua es 4.186 kJ/kg C.

Por lo tanto, aumentar la temperatura de 1 kg de agua de 0 C a 100 C (punto de ebullicin a la presin atmosfrica) requerir la siguiente cantidad de calor:

1 kg x 4.186 kJ/kg C x 100 C = 418.6 kJ

Si la caldera se alimenta con 1000 kg msicos de agua (1000 litros) la entalpa del agua saturada es de:

1000 kg x 4.186 kJ/kg C x 100 C = 418,600 kJ

Si el agua de nuestra caldera est ya a 10 C el aumento de temperatura necesario para llevarla al punto de saturacin es de:

1 000 kg x 4.186 kJ/kg. C x 90 C = 376 740 kJ

Hay que recordar que este valor no es el calor total del agua saturada sino el aumento en el calor sensible para llevar el agua de 10 C a 100 C.

El agua a 10 C ya tiene calor (llamado algunas veces entalpa del agua fra). El calor total es siempre 418 600 kJ para agua saturada a 100 C en una Caldera de 1 000 kg.

El ejemplo proporciona una primera leccin prctica de economa de combustible. Cuanto mayor sea la temperatura inicial del agua en la caldera menor calor ser necesario para llevarla al punto de saturacin, y por consiguiente, ser necesario quemar menos cantidad de combustible.

Ya tenemos el agua a 100 C. Si en nuestra caldera continuamos transfiriendo calor al agua, este increment en el calor no provoca un aumento de temperatura del agua sino que la evapora, convirtindola en vapor. La entalpa (o calor) que produce este cambio de estado sin aumento de temperatura se conoce como Entalpa de evaporacin (hfg) o calor latente.



As pues, el vapor generado en la caldera tiene dos tipos de entalpa (o calor), la del agua saturada (calor sensible) y la de evaporacin (calor latente). La suma de las dos es la Entalpa del vapor saturado (hf) o calor total del vapor.

hf + hfg = hg (1.5)

En los ejemplos citados para ilustrar los puntos bsicos suponen presin atmosfrica. Consideremos ahora la caldera como un recipiente cerrado. Al generarse vapor queda comprimido y ejerce una presin en todo lo que rodea, incluida la superficie del agua. Al aumentar la presin de esta superficie del agua, aumenta la temperatura del agua saturada, puesto que las molculas necesitan ms energa para abandonar la superficie. Mientras que a la presin atmosfrica la temperatura del agua saturada es de 100 C, a la presin de 10 bares abs, la temperatura del agua saturada sube a 180 C.

La Fig. 3 muestra la entalpa del agua saturada a presin atmosfrica. Comparmosla con la Fig. 4 que muestra la entalpa correspondiente a 10 bares abs.

FIG. 3: ENTALPIA DE 1 kg. DE VAPOR

A PRESIN ATMOSFERICA

FIG. 4: ENTALPIA DE 1 kg. DE VAPOR

A 10 Bar ABSOLUTOS

Las reglas prcticas que se deducen son:

i) Cuando la presin del vapor aumenta: La entalpa del vapor saturado aumenta ligeramente

La entalpa del agua saturada aumenta. La entalpa de evaporacin disminuye



ii) Cuando la presin del vapor disminuye

La entalpa del vapor saturado disminuye ligeramente La entalpa del agua saturada disminuye. La entalpa de evaporacin aumenta.

Por tanto, cuanto menor es la presin del vapor mayor es la entalpa de evaporacin.

1.1.9. Utilizacin del Vapor

El vapor es uno de los fluidos ms usados en la industria. Su uso original fue como transportador de energa desde las calderas a las mquinas, pero esta aplicacin queda actualmente reservada a las plantas de energa.

La gran utilidad que la industria a encontrado al vapor es como transporte de energa calrica, para suministrarla a todos los procesos de calentamiento, secado, evaporacin, coccin, esterilizacin y otros, de los cuales depende hoy el mundo de la fabricacin. La siguiente tabla nos muestra los sectores y su respectiva utilizacin del vapor en el proceso productivo correspondiente.

SECTOR UTLIZACION

Textil Teidos, lavado de lanas. Etc.

Pesquera Procesamiento de harina de pescado

Lctea Evaporacin, pasteurizacin

Hotelera Calefaccin, sauna, servicios

Hospitales Esterilizacin de instrumentos quirrgicos

Lavanderas Lavado, secado, planchado de prendas

Comedores Coccin de alimentos (marmitas)

Papelera Secar pasta y procesar papel

Alimentaria Esterilizacin, deshidratacin, etc.



Bebidas Lavado de botellas, preparacin de jarabes

Agroindustria Deshidratacin, pasteurizacin

Minera Lixiviacin, planta de molibdeno, calefaccin

Curtiembres Curtido de cueros, secado al vaco

1.1.10. Tablas de Vapor

Ya hemos visto que hay una relacin entre la presin del vapor y la temperatura de saturacin: que las entalpas del agua saturada de evaporacin y del vapor saturado varan y se interrelacionan con la presin y que el volumen vara tambin con estos cambios de presin. Afortunadamente existen tablas que relacionan las propiedades del vapor a varias temperaturas. Se llaman Tablas de Vapor y son el resultado de los ensayos efectuados hasta ahora con el mismo. La informacin dada en las 7 columnas de la Tabla, es la siguiente:

TABLAS DE VAPOR DE AGUA

Entalpa Especfica Volumen

Presin Presin Especfico

Relativa Relativa Temperatura Agua Evaporacin Vapor Vapor

(hf) (hfg) (hg) (Vg)

bar psi C kJ/kg kJ/kg kJ/kg m3/kg

0.00 0.00 100.00 419.04 2257.0 2676.04 1.673

0.50 7.25 11.61 468.3 2225.6 2693.9 1.149

1.00 14.50 120.42 505.6 2201.1 2706.7 0.881

2.00 29.00 133.69 562.2 2163.3 2725.5 0.603



3.00 43.50 143.75 605.3 2133.4 2738.7 0.461

4.00 58.00 151.96 640.7 2108.1 2748.8 0.374

5.00 72.50 158.92 670.9 2086 2756.9 0.15

6.00 87.00 165.04 697.5 2066 2763.5 0.272

7.00 101.50 170.5 721.4 2047.7 2769.1 0.24

8.00 116.00 175.43 743.1 2030.9 2774 0.215

9.00 130.50 179.97 763 2015.1 2778.1 0.194



1.2. CALDEROS

1.2.1. Definicin de Caldero

El trmino Caldero se aplica a un dispositivo para generar:

Vapor para fuerza, procesos industriales o calefaccin.

Agua caliente para calefaccin o para uso general.

Por razones de sencillez de comprensin, al caldero se le considera como un productor de vapor en trminos generales. Sin embargo muchas calderos diseados para vapor se pueden convertir en calentadores de agua o aceite trmico.

Fig. 2.1: Caldero Pirotubular de 400 BHP

Los calderos son diseados para transmitir el calor procedente de una fuente externa (generalmente combustin de algn combustible), a un fluido contenido dentro del mismo caldero.



De cualquier carcter que sea, el lquido contenido en la caldera debe estar con las debidas medidas de seguridad. El vapor o agua caliente, deben ser alimentados en las condiciones deseadas, es decir, de acuerdo con la presin, temperatura y calidad, y en la cantidad que se requiera en Planta.

1.2.2. Componentes Bsicos de una Caldera

Los componentes bsicos de una Caldera son los que se detallan a continuacin:

a. QUEMADOR: Aporta el combustible y el aire de combustin (comburente), mezclndolo y produce la combustin. La Fig. 2 muestra las partes principales de un quemador.

Fig. 2.2: Partes Principales de un Quemador

Donde: 1. Caja del quemador 6. Obturador 12. Accesorio de salida de

2. Obturador de aire 7. Motor Combustible



3. Banda de ingreso de aire 9. Rueda del ventilador 13. Tubo de combustible

4. Roseta 10. Compuerta de aire 14. Transformador de 5. Platina 11. Bomba de combustible Ignicin

6. Obturador

b. CAMARA DE COMBUSTIN: tambin llamado Hogar, es el espacio

donde se aloja la llama, cabe decir, donde produce la combustin transfiriendo el calor por radiacin hacia las superficies conventivas de la caldera.

c. SECCIN DE CONVECIN: Zona donde se transfiere el calor de los

gases de combustin al fluido a travs de la superficie de calefaccin (haz de tubos).

d. VENTILADOR: proporciona el aire de combustin, introducindolo al

hogar e impulsndolo a travs de la Caldera.

e. CHIMENEA: por donde se eliminan los gases de combustin despus de haber transferido su calor al fluido, permitiendo regular el tiro.

f. INSTRUMENTACIN Y CONTROLES: permiten efectuar la operacin

de la Caldera con mayor seguridad logrando mayores niveles de eficiencia.

Existen gran variedad de calderos; el ms simple podra ser concebido con el sencillo hervidor de agua casero. Las necesidades de disponer gradualmente de fluidos (agua caliente, vapor, aceite trmico) con caractersticas cada vez ms exigentes de presin y temperatura, determinaron que los calderos se vayan tornando cada vez ms complejos, hasta llegar a los modernos sistemas de generacin de vapor a presiones crticas y supercrticas para generacin elctrica.

1.2.3. Designacin de la Capacidad de los Calderos

La cantidad de vapor requerida para producir en determinadas mquinas un horse power de potencia, da lugar a la expresin de la capacidad de los calderos en BHP. Un BHP es equivalente, en tales trminos, a 34.5 libras de vapor por hora, producido desde agua a 100C hasta vapor a la misma temperatura o aproximadamente 33,475 BTU/hr, considerando que el calor de vaporizacin es de 970.3 BTU/lb.



Los calderos antiguos podan evaporar esta cantidad de agua con aproximadamente 10 pies2 de rea de transferencia de calor, por lo cual las potencias de los calderos fueron expresadas en Boiler Horse Power (BHP), siendo tales los pies2 de rea de transferencia de calor divididos entre 10. Actualmente estos trminos no resultan tericamente correctos, ya que no existe una relacin directa entre la cantidad de vapor producida y la requerida para generar un horse power y tampoco con el rea de transferencia empleada; sin embargo, particularmente en el caso de los calderos pirotubulares, la expresin de la capacidad de los calderos en HP o BHP, utilizada por los propios fabricantes y usuarios en la prctica industrial, debe tomarse en cuenta, considerando que un HP o BHP resulta equivalente a una produccin de 34.5 lb/hr de vapor a 100 C, a partir de agua a la misma temperatura.

Puesto que los generadores de vapor operan a condiciones distintas, el flujo de vapor debe ser corregido considerando la temperatura del agua de alimentacin y la presin de vapor saturado. Tal correccin puede ser realizada utilizando el siguiente nomograma:

Ejemplo: Para calcular el flujo de vapor de un caldero de 500 BHP, cuando la temperatura del agua de alimentacin es 180 F y la presin de vapor es 150 psig (164.7 psia), en el nomograma anexo, alinear 180F con 150 psig y leer C.F. = 0.926; alinear este valor con 500 bhp para obtener 15,970 lb/hr. La capacidad de las grandes unidades de centrales termoelctricas se suele expresar en megawatts, en referencia a la mxima capacidad de energa elctrica que resulta posible generar con la produccin de vapor que ingresa a las turbinas. Un sistema que se orienta a uniformizar las diferentes formas de expresar la capacidad de calderos, recomienda referirse a la capacidad mxima de transferencia de calor en el sistema, expresada en las unidades, adoptadas por el Sistema Internacional (SI), es decir, Joules/hr.

La prctica moderna es describir a los calderos industriales en trminos de su mxima produccin de vapor lb/hr, kg/hr o TM/hr para condiciones determinadas de presin y temperatura.



1.2.4. Clasificacin de los Calderos

Los calderos se clasifican segn diferentes criterios relacionados con la disposicin de los fluidos y su circulacin, el mecanismo de transmisin de calor dominante, el tipo de combustible empleado, la presin de trabajo, el tiro, el modo de operacin y parmetros exteriores al caldero ligados a la implantacin, ubicacin, lugar de montaje y aspectos estructurales.

A los efectos de este manual slo nos fijaremos en los criterios que tengan alguna relacin con la energa. De acuerdo con ello, clasificaremos los calderos segn los criterios siguientes:

a) Por la disposicin de los fluidos : De tubos de agua (acuotubulares). De tubos de humo (pirotubulares).

b) Por la circulacin de agua : De circulacin natural.

De circulacin asistida. De circulacin forzada.

c) Por el mecanismo de transmisin de calor : De conveccin. De radiacin. De radiacin y conveccin.

d) Por el combustible empleado : De carbn mineral (parrilla mecnica o carbn pulverizado). De combustibles lquidos. De combustibles gaseosos. De combustibles especiales (lea, bagazo, etc.). De recuperacin de calor de gases (con o sin combustin de apoyo). Mixtos. Nucleares.

e) Por la presin de trabajo : Subcrticos.

De baja presin: p < 20 Kg/cm2. De media presin: 20 > p > 64 Kg/cm2. De alta presin: p < 64 Kg/cm2.

Supercrticos.



f) Por el tiro : De tiro natural. De tiro forzado. De tiro inducido.

1.2.5. Calderos Pirotubulares

En este tipo de calderos, los gases calientes fluyen por el interior de tubos que son sumergidos en agua dentro de un casco. Las presiones operativas de diseo son prximas a 150 psig y sus capacidades varan entre 10 y 800 HP, equivalentes a producciones de vapor de 345 y 27,600 lb/hr de vapor aproximadamente.

Este tipo de calderos es el ms popular y es usado en la mayora de pequeas plantas industriales.

Fig. 2.3. Recorrido de los gases de combustin

Las ventajas de los calderos pirotubulares son:

Requieren bajo costo de inversin y son menos costosos que los acuotubulares.

Alcanzan elevadas eficiencias (> 80%).



Pueden absorber grandes y sbitas fluctuaciones de carga con ligeras variaciones de presin debido al gran volumen de agua contenido en el casco.

Pueden operar inmediatamente despus de ser instalados en planta.

Fig. 2.4. Caldera Pirotubular de 3 pasos

1.2.6. Criterios de Seleccin de Calderos

La gran variedad de tipos de calderos existentes y las mltiples posibilidades de conformacin de los equipos que integran un sistema de generacin de vapor podran hacer aparecer como algo muy complejo la seleccin de un determinado caldero para atender un requerimiento industrial de minado caldero para atender un requerimiento industrial de vapor, agua caliente o calentamiento de fluidos trmicos. En el caso de calderos pirotubulares, la seleccin de equipos de uno, dos, tres o cuatro pasos obedece a criterios tcnicos y econmicos. Mientras mayor sea el nmero de pasos se conseguir mayores eficiencias, pero los equipos sern ms caros. En acuotubulares, hasta cierta capacidad podrn ser tipo paquete, pero a partir de cierto lmite, variable para cada caso, resultar conveniente montarlos en planta. La decisin respecto a la instalacin de economizadores y recuperadores de calor obedece igualmente a criterios de factibilidad tcnica y conveniencia econmica, en funcin de la capacidad de produccin de vapor de los calderos y sus presiones de operacin.



Conviene establecer, para evitar confusiones, que en la prctica industrial se llama economizador al sistema que permite aprovechar el calor de los gases de combustin para precalentamiento del agua de alimentacin y recuperadores a los que lo hacen para precalentamiento del aire de combustin.

1.3. AGUA PARA CALDEROS

1.3.1. Caractersticas del Agua antes de ser Tratada

El agua natural a simple vista puede parecer pura y limpia, pero sometida a un anlisis qumico, siempre se encontrar impurezas que resultan indeseables en el agua de alimentacin a una Caldera.

El agua contenida en las nubes es perfectamente pura y si se pudiese disponer de ella para la produccin de vapor, no habra razn para tratarla. Sin embargo a medida que comienza a caer en forma de lluvia, a travs de las capas de aire atmosfrico, absorbe varios gases: oxgeno, nitrgeno, dixido de carbono, etc. Posteriormente, al entrar en contacto con los suelos, disuelve sales minerales, calcio, magnesio y sodio.

Fig. 3.1 Impurezas del agua



Consideremos las diferentes impurezas que contiene el agua, las cuales son de mltiples formas y caractersticas y puedan ser divididas en la siguiente forma:

a. Sales minerales en solucin: consisten en bicarbonatos, sulfatos, cloruros,

nitratos en forma de calcio, magnesio, sodio o potasio. b. Slidos en suspensin o turbidez: como la arena, xidos de hierro, arcilla o

greda, tierra, etc. c. Materia orgnica: como microorganismos de tipo animal y vegetal, aceites,

aguas servidas, etc.

Todas las aguas naturales, sea cual fuere su procedencia, tienen algunas o todas las impurezas indicadas.

1.3.2. Problemas de ocasionan las impurezas del agua en el interior de

los Calderos

1.3.2.1. Incrustacin

Las sales de calcio y magnesio, cuya presencia se identifica como dureza del agua, se quedan depositadas en las superficies de los tubos, en forma de incrustaciones cuando el agua se evapora. Esto ocurre porque los componentes de calcio y magnesio son relativamente insolubles en agua y tienden a precipitar, estas incrustaciones reducen la transferencia de calor y provocan sobrecalentamiento en los tubos. La dureza del agua natural vara desde pequeas cantidades de calcio y magnesio hasta ms de 800 ppm. Los calderos de alta presin (> 200 psi) pueden tolerar slo 0 - 5 ppm de dureza como carbonato de calcio. Los sulfatos y la slice precipitan generalmente en la superficie metlica del caldero y no forman lodo, siendo estas incrustaciones de mayor dureza. El hierro disuelto suspendido se encuentra tambin como depsitos en las superficies metlicas. Los compuestos de sodio se depositan slo cuando el agua est completamente evaporada, puesto que son muy solubles.

1.3.2.2. Corrosin

Los tipos ms comunes de corrosin son causados por el oxgeno disuelto en el agua y por el bajo pH causado por la presencia de dixido de carbono (CO2), ste se origina directamente desde el agua de alimentacin, tanto por absorcin del CO2 del aire como de la descomposicin de los carbonatos que contiene.



La corrosin por bajo pH, causada por el cido carbnico, consume al metal reduciendo el espesor de los tubos y creando zonas de fatiga. El oxgeno disuelto en el vapor y condensado, proveniente de entradas de aire o una inadecuada remocin del oxgeno por deareacin, puede generar corrosin localizada o generalizada. Mientras se produzca la reduccin del oxgeno la corrosin continuar.

1.3.2.3. Arrastre

La espuma es la causa del arrastre de la humedad, aceites, sales, disueltas, etc. Ciertas sustancias como lcalis, aceites, grasas, materia orgnica y slidos suspendidos, provocan la formacin de espuma. Esto ocurre por una repentina agitacin del agua contenida en el caldero, causada por un cambio brusco en la carga del mismo. Los slidos disueltos y suspendidos en el agua del caldero pueden causar espumas que son arrastradas por el vapor, contaminando el sistema, causando sobrecalentamientos y corrosin, propiciando fallas en tubos sobrecalentados. Las purgas y agentes antiespumantes pueden ayudar a reducir el arrastre, tambin un control apropiado de la operacin del caldero puede reducir el arrastre.

1.3.2.4. Fragilidad Caustica

Concentraciones altas de sustancias causticas causan fragilidad del metal. Esto ocurre cuando, en condiciones normales de operacin, estas sustancias se concentran bajo los remaches, a lo largo y al final de las suturas de los tubos, donde el agua se evapora bruscamente (flasheada). Por lo menos, trazas de slice deben estar presentes para que ocurra la fragilizacin.

En la tabla 3.1 se presentan las impurezas comunes en el agua y los efectos que producen cuando se encuentran en el agua alimentada a las calderas.

1.3.3. Tratamiento del Agua para Calderos

La forma ms frecuente de expresar la concentracin de impurezas es la que relaciona las partes en peso del elemento por milln de partes de agua (ppm). Lo anterior equivale a multiplicar el porcentaje de la concentracin por 104, lo cual representa una ventaja al poder utilizar siempre nmeros enteros positivos para pequeas concentraciones.



El agua que entra a la Caldera se convierte en vapor el mismo que sale en estado de relativa pureza. Las impurezas y los gases que forman parte del agua de alimentacin son retenidos y concentrados en el agua de la Caldera. Los slidos productores de espuma en grandes concentraciones dentro del agua de la Caldera contribuyen a que esta sea portadora de partculas contaminantes y, en consecuencia, contaminen el vapor.

TABLA 3.1. IMPUREZAS COMUNES EN EL AGUA Y POSIBLES EFECTOS CUANDO

ES USADO DIRECTAMENTE EN LAS CALDERAS

SUSTANCIA ORIGEN DE LA SUSTANCIA

CONTAMINANTE

POSIBLE EFECTO CUANDO ESTN PRESENTES EN EL AGUA

DE LA CALDERA

Bicarbonato de Calcio

Depsitos minerales incrustacin

Carbonato de

Calcio


Cloruro de Calcio


Sulfato de

Calcio

Depsitos minerales incrustacin y corrosin

Acido Carbnico Absorcin de la atmsfera, depsitos minerales,

descomposicin de materia orgnica

corrosin

Acido libre Desperdicios industriales Corrosin

Bicarbonato de

Magnesio


Carbonato de

Magnesio


Cloruro de Magnesio

Depsitos minerales incrustacin y corrosin

Aceites y

grasas

Desperdicios industriales corrosin, depsitos y espumas

Materia orgnica y

alcantarillado

Desperdicios domsticos e industriales

corrosin, depsitos y espumas

Oxigeno de la atmsfera corrosin

Silice Depsitos minerales incrustacin

Bicarbonato de

Sodio

Depsitos minerales Espuma y fragilidad

Carbonato de Sodio

Depsitos minerales Espuma y fragilidad

Cloruro de

Sodio

Desperdicios industriales y

depsitos minerales

inerte, pero puede ser corrosivo

bajo de estas condiciones.

Slidos suspendidos

desperdicios industriales espuma, lodos e incrustaciones



Con muy pocas excepciones el agua, tal como se encuentra en la naturaleza, no es apropiada para su empleo en las calderas, por lo cual debe ser sometida a un tratamiento apropiado. De lo anterior se deduce, en forma esencial, la vinculacin que existe entre la separacin de los elementos nocivos del agua, la conversin de las impurezas residuales en formas inocuas por medio de los tratamientos suplementarios dentro de la Caldera o sistemas conectados; y la remocin sistemtica, por medio de purgas de los concentrados del agua de la Caldera para evitar la acumulacin excesiva de slidos depositados dentro de la unidad. Tabla 3.2. Valores a mantener en el agua de la Caldera

Parmetro a controlar Mximo Aceptable

Total de sales disueltas 2000 ppm 800 pmm

Alcalinidad total 700 ppm 150 pmm

Dureza 17 ppm 7 ppm

Slidos en suspensin 125 ppm 30 ppm

Slice (SiO) 325 ppm 80 ppm

Aceite/materia orgnica 7 ppm 2 ppm

Oxgeno 70 ppm 10 20 ppm

Bixido de carbono 70 ppm 10 20 ppm

1.3.3.1. Tratamiento Interno

El tratamiento interno del agua de la Caldera tiene por objeto evitar la corrosin, las impurezas en las superficies conductoras de calor y la contaminacin del vapor, tambin es un auxiliar que ayuda a mantener dentro de los lmites satisfactorios las condiciones generales del agua.

El tratamiento requiere cantidades apropiadas de productos qumicos que reaccionan con las impurezas residual presentes en el agua de alimentacin. Especficamente, el tratamiento interno del agua provee:

Productos qumicos que reaccionan con la dureza del agua de alimentacin y provienen la formacin de incrustaciones en el metal.

Acondicionadores de lodos, sintticos o naturales, para prevenir que los slidos suspendidos se depositen en el metal.

Antiespumante para prevenir el arrastre. Reactivos para la eliminacin de oxgeno y prevenir la corrosin.



Reactivos qumicos para mantener cierta alcalinidad y minimizar la corrosin.

Fig 3.2 Dosificadores de Productos Qumicos

1.3.3.2. Tratamiento Externo

Su principio de aplicacin se basa en la necesidad de preparar el agua ANTES de que entre a la Caldera para que llegue lista para calentarse y evaporarse sin ocasionar problemas en los equipos.

a. SUAVIZADO

Este es el mtodo ms popular, usado para retirar las sales de calcio (Ca) y magnesio (Hg) que siempre acompaan el agua y que le dan la propiedad de dureza. Estas sales al calentarse se precipitan generando lodos que se compactan por efectos de la temperatura y la presin solidificndose produciendo incrustaciones de tipo Blanda o porosa, reduciendo considerablemente el intercambio de calor, siendo sta retirable slo por medios mecnicos o lavados qumicos. El principio de operacin del suavizador o ablandador est basado en el intercambio inico.

El equipo consiste en dos tanques, uno de ellos es el tanque ablandador propiamente dicho, el cual tiene en su interior una resina, ya sea natural o sinttica conocida como zeolita, recubierta



normalmente de sodio (Na); el otro Tanque contiene sal comn (Na Cl) disuelta en agua, para formar salmuera, la misma que es usada para regenerar la resina.

Fig 3.3. Ablandador: Tanque de Salmuera y Tanque Reactor

ETAPAS DE ABLANDADMIENTO: La operacin del ablandador consiste principalmente de cuatro pasos:

1. Servicio

Durante el cual, el agua cruda para ser suavizada, fluye a travs del equipo desde la parte superior a la cama de Zeolita, pasa por ella y sale al servicio. Continua as hasta que la suavidad deseada en el agua no es la adecuada por haberse agotado la capacidad de intercambio de la zeolita. En este punto ha terminado el ciclo de suavizacin y requiere regeneracin.

2. Retrolavado

En esta etapa, de entrada fluye en sentido contrario al de servicio, es decir, de abajo hacia arriba, a fin de que todos los cuerpos extraos acumulados en el ciclo anterior sobre la cama de resina sean expulsados, as como para



aflojar sta para que el regenerante (solucin de salmuera) que ser agregado a la zeolita, pueda ser distribuido uniformemente sobre toda la cama, sin colarse por donde pueda ofrecer menor resistencia la resina.

3. Regeneracin.

En esta etapa, se succiona la solucin de sal para pasarla en el ablandador de arriba hacia abajo por la cama de zeolita, quitndole a sta los iones que forman la dureza y recogidos en el ciclo anterior de suavizacin. Esto permite reacondicionar la resina, dejndola nuevamente activa para el siguiente ciclo.

4. Enjuague

En esta ltima etapa la cama es enjuagada para remover los productos de la regeneracin y el exceso del regenerante remanente en la cama de resina como resultado del paso N 3.

Los cuatro pasos antes mencionados constituyen un ciclo. Debido a que la resina, mientras est activa qumicamente, es fsicamente estable; estos ciclos pueden repetirse indefinidamente.



b. DESAREACIN

El agua de alimentacin de las calderas contiene principalmente dos gases disueltos: oxgeno (O2) y bixido de carbono (CO2), el propsito de la desaereacin es eliminarlos antes de que se liberen dentro de la caldera, pues producen corrosin en sta, as como en las lneas de vapor, lneas de condensado y en los Intercambiadores de calor, porque el oxgeno busca formar xidos, principalmente con el hierro contenido en el acero, sin embargo, el sistema no es muy usual debido a su relativo alto costo inicial y por ello se recomienda slo para calderas de gran capacidad; pero resulta ventajoso a largo plazo, ya que permite una mayor duracin de los equipos.

Su principio de operacin se basa en la mayor volatilidad de los gases con respecto al agua y reduce el contenido de oxgeno a menos de 0.005 cc/l, lo cual es llamado en trminos prcticos "cero oxgeno", los gases son eliminados del agua de alimentacin a la vez que es precalentada antes de entrar a la caldera, la mayora de los desaereadores estn diseadas para operar con vapor de la caldera, vapor residual de un retorno de alta presin o ambos; si se utiliza vapor residual, significa una reduccin en el consumo de combustible de aproximadamente 1% por cada 6C (10F) que se incremente la temperatura del agua de alimentacin.



Fig. 3.5. Tanque de Condensados con Desaereador

c. FILTRACIN

Este mtodo se emplea para retirar slidos en suspensin, materia orgnica y algunas otras sustancias que al acompaar al agua provocan problemas en los equipos industriales, pueden ser de arena, de carbn activado, etc., en el caso de los equipos de suavizacin el equipo lleva integrado un filtro de arena en el lecho del tanque, sin embargo si las condiciones del agua requieren pueden usarse como equipo adicional.



Fig. 3.6 Tanque Filtro

1.3.4. Rgimen de Purgas

El proceso de produccin de vapor en una caldera origina que las sales contenidas en el agua utilizada tiendan a saturar el lquido, y a su vez se precipiten en el fondo tanto del recipiente como de la columna, motivo por el cual en un periodo determinado tienen que ser eliminados esos slidos.

Purga es la eliminacin de slidos grasas y lodo que se almacenan en la caldera a fin de evitar problemas como el espumeo arrastre y sobre calentamiento de tubos.

1.3.4.1. Purga de Fondo

Esta es la ms importante de las purgas que se debe efectuar en una caldera su finalidad es eliminar los lodos que forman sales de calcio y magnesio y dems slidos precipitables en el fondo de la caldera a fin de evitar que se compacten y formen incrustacin ms difcil de retirar.

La frecuencia y duracin se determina para cada equipo en particular y se hace en base a los resultados de laboratorio del anlisis del agua de abastecimiento y la del interior del equipo de que se toman muestras.



La mejor manera de efectuarla es subiendo el motor de la bomba de agua de alimentacin hasta que llegue a la mitad del cristal indicador, para disminuir el riesgo de descubrir los fluxes durante la operacin, y posteriormente abriendo las vlvulas de la tubera de purgas las cuales son dos normalmente montadas tal como lo indica el diagrama.

El orden en el cual deben operarse las vlvulas es el siguiente: Colocar en la posicin de abierto la vlvula de apertura rpida, posteriormente abrir la vlvula de apertura lenta a fin de evitar hasta donde sea posible el choque trmico. EL tiempo para realizar esta purga es variable, dependiendo de la cantidad de slidos que contiene el agua de alimentacin a la caldera, y en algunas ocasiones la referencia para el cierre final de la purga se hace al arranque de la bomba de agua o al paro de la caldera por bajo nivel. En algunos casos las calderas resultan ser demasiado largas y una sola tubera de purgas no es suficiente para una limpieza efectiva, por lo que se monta tambin una tubera al frente, de cualquier modo el trabajo de purgado se hace a travs de una sola tubera a la vez, aunque stas se encuentren intercomunicadas.

Toda el agua se enva al "Tanque Rompe purgas" en donde se expande el vapor, se separan los lodos y se manda al drenaje nicamente agua lquida para no estropear la tubera de albaal.

1.3.4.2. Purga de Columna

La purga de columna se efecta a travs de la vlvula para tal efecto colocada en la parte inferior de la columna de agua su finalidad es la de mantener libre de lodos el cuerpo de la columna y evitar que el flotador se atore provocando que la caldera se quede sin agua y los daos que esto ocasiona. Su frecuencia va en funcin de la confiabilidad del tratamiento de aguas y se hace necesaria porque, aunque no hay transmisin de calor en este accesorio, s hay sedimentacin de sales de calcio y magnesio que generan incrustacin.

1.3.4.3. Purga de Cristal

La finalidad de colocar un cristal indicador de nivel es para tener un medio transparente donde poder observar el nivel real del agua dentro de la caldera y si lo dejamos que se llene de sedimentos nos encontraremos con que pierde su razn de ser; la manera de mantenerla limpio es abriendo



peridicamente la vlvula montada en la parte inferior del cristal para que arrastre los sedimentos antes de que se solidifiquen, evitando que se obstruyan los conductos del agua y vapor que comunican con el cristal.

1.3.4.4. Purga de manmetros e instrumentos

La purga de manmetro tiene la misma finalidad que la purga anterior, aunque se le debera llamar purga de instrumentos porque la limpieza que se pretende realizar con esta es la de aparatos tales como el manmetro mismo y los controles de presin (presostatos) as como el conducto que los alimenta en el cual normalmente se maneja condensado que puede provocar que se acumulen impurezas o incrustaciones en la entrada de instrumentos cuando en el vapor se tiene arrastres de agua.

1.3.4.5. Purgas de Superficie

Esta purga tiene la finalidad de eliminar grasas, aceites o sustancias flotantes en la superficie del agua que se encuentra en el interior de la caldera. Los efectos que causan las grasas y aceites es un espumeo que arrastran agua lquida con el vapor y esto afecta las lneas de distribucin, las vlvulas y en ocasiones a los procesos mismos, tambin se le llama "purga continua" en razn de que la vlvula de purga se abre por perodos prolongados de tiempo para que lentamente sean arrastradas al exterior del equipo las impurezas antes mencionadas. La purga de superficie, si est instalada, puede tener dos modalidades la ms antigua es un tubo colocado a la altura del nivel normal del agua en un costado de la caldera que, por efecto de la presin interna, desaloja lentamente lquido que arrastra impurezas. La otra modalidad es a travs de un tubo perforado como una flauta montado en el interior de la caldera y que corre a todo lo largo de sta, dicho tubo ha recibiendo las impurezas y se encarga de mandarlo a otro tubo que las saca finalmente del equipo hacia la fosa de purgas, este ltimo mtodo ha demostrado tal efectividad que ya se instala de fbrica en casi todas las calderas.



1.4. COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

En trminos generales, combustible es todo aquello capaz de arder o quemarse

produciendo luz y calor.

Combustible industrial, especficamente, ser aquel elemento, sustancia o compuesto, que al quemarse en condiciones controladas produzca energa trmica aprovechable con fines industriales.

Los combustibles pueden estar en tres estados:

Combustibles gaseosos (Gas Natural GN, Gas Licuado de Petrleo GLP). Combustibles lquidos, derivados del petrleo crudo (Diesel, Bunker, Residuales) Combustibles slidos (carbn).

A continuacin veremos detalles referidos a estos combustibles, dando mayor nfasis a los ms usados industrialmente.

1.4.1. Origen y Formacin de Yacimientos Petrolferos

Etimolgicamente, petrleo significa aceite de piedra (ptreo = piedra y leo = aceite), lo cual define de donde se extrae o donde se encuentra, el llamado tambin oro negro debido a su multiplicidad de aplicaciones tiles y valiosas.

Las teoras orgnicas confirman que el petrleo y el gas que lo acompaa en el subsuelo, provienen de materias orgnicas procedentes de animales o vegetales. Debido a su estado lquido, es difcil identificar con exactitud el lugar de formacin u origen, ya que se ha desplazado a travs de las rocas porosas. En general, caso todos los campos petrolferos se encuentran en formaciones de rocas sedimentarias.

1.4.2. Composicin del Petrleo Crudo

El petrleo crudo, tal como se extrae del subsuelo, es una mezcla de miles de diferentes compuestos qumicos que varan desde gases sumamente ligeros hasta hidrocarburos semislidos, tales como asfaltos o parafinos.



En la tabla 4.1, se dan los lmites de la composicin del petrleo crudo.

TABLA 4.1 Composicin del Petrleo Crudo

ELEMENTO % EN PESO

Carbono (C) 83 87 %

Hidrgeno (H) 11 15%

Oxigeno (O) hasta 5 %

Azufre (S) hasta 6 %

Nitrgeno (N) hasta 0.5 %

Sales Minerales hasta 0.5 %

1.4.3. Refinacin del Petrleo Crudo

El petrleo crudo tendr que ser sometido a un proceso industrial de refinacin, para obtener los productos secundarios que dan lugar a los combustibles, lubricantes e insumos industriales para la petroqumica, mediante procesos de refinacin simple o compleja. La destilacin permite la separacin o el fraccionamiento de los componentes de la mezcla, en funcin de sus temperaturas de ebullicin, aprovechando las diferencias de volatilidad de los mismos. Se trata de un procedimiento sencillo y de costo relativamente mdico, por lo que, en las Refineras y Plantas Petroqumicas, abundan las torres de destilacin. En la destilacin primaria (fig. 4.1), el crudo es primero calentado hasta vaporizar los hidrocarburos ligeros de la carga, bombendolo a travs de haces de tubos de acero en el interior de un horno. Despus de este proceso, el crudo ingresa a la parte inferior de una torre de destilacin, en la cual ascienden los vapores pasando a travs de platos perforados provistos de casquetes de burbujeo, los cuales son diseados para favoreces la condensacin y permitir la separacin de las distintas fracciones en funcin de sus distintos puntos de ebullicin.



Fig. 4.1: Unidad de Destilacin Primaria

Como este proceso contina, las diferentes fracciones del petrleo crudo condensan en los platos a diferentes niveles de altura de la columna. Las fracciones ms pesadas (con punto de ebullicin ms alto) condensan en los platos ms bajos y calientes. Las fracciones ms livianos (con punto de ebullicin ms bajo), condensan en los platos ms altos y fros. La destilacin al vaco (fig. 7.2), es un proceso semejante al descrito para la Destilacin Primaria. La diferencia fundamental es que mientras la Primaria opera a presin casi atmosfrica, la Unidad al Vaco lo hace a presiones mucho menores que la atmosfrica. Esto permite destilar las fracciones ms pesados con temperaturas que no posibilitan el craqueo trmico.



FIG. 4.2.: Unidad de Destilacin al Vacio

En ambos casos se produce una separacin fsica de las fracciones del petrleo crudo sin rotura qumicas de las molculas que conforman la mezcla. Cuando se trata de refinacin compleja, mediante procesos de mayor exigencia trmica o utilizando catalizadores qumicos especialmente diseados y probados, se produce la rotura de las largas cadenas que conforman los hidrocarburos ms pesados, dando lugar a hidrocarburos ms livianos lo cual permitir producir mayor proporcin de fracciones livianas a partir de las fracciones denominadas LVGO (light vacuum gas oil) y HUGO (heavy vacuum gas oil), procedentes de la destilacin al vaco.



1.4.4. Clasificacin de los Combustibles resultantes del Petrleo

Los productos de refinacin del petrleo que se utilizan como combustibles industriales, son los destilados ms pesados y los residuales que salen por el fondo de las columnas de destilacin. En la Tabla 4.2 se presenta la clasificacin de combustibles lquidos establecida por la ASTM 396, incluyendo la informacin que permite identificar sus caractersticas y sus posibilidades de utilizacin en la prctica industrial.

TABLA 4.2: Derivados del Petrleo: Destilados y Residuales

GRADO DESCRIPCIN Y

APLICACIN Gravedad

API

Poder Calorfico Viscosidad cSt 100 F

Calentamiento para

Bombeo

Calentamiento para

atomizacin

BTU/Gal Kcal/kg

Diesel 1 - Destilado liviano - Quemadores de

vaporizacin 38 - 45 137,400 11,216 4.5 * No No

Diesel 2 - Destilado medio. - Quemadores

convencionales 30 - 40 139,600 10,936 4.86 No No

Residual 4 - Destilado pesado

con algo de residual

20 - 28 145,108 10,698 19.5 No Usualmente

No

Residual 5

- Residual liviano - Quemadores

comerciales e industriales

17 22 148,808 10,540 150 Usualmente

No Si

Residual 6 (Bunker)

- Residual pesado - Quemadores

industriales 8 15 152,400 10,420 615 Si Si

Residual 500

- Alta viscosidad - Quemadores

industriales 7 13 150,623 10,500 1 070 Si Si

Los que resultan ms importantes, en funcin de frecuencia de empleo, son los siguientes:

1.4.4.1. Diesel DB

Como su nombre lo indica, este combustible es concebido, producido y normalizado especficamente para ser empleado en motores de combustin interna del ciclo Diesel, por lo cual el ndice de cetano es una de sus especificaciones de mayor importancia.

Aunque una gran proporcin de su produccin se consume en el Sector Transportes, tambin se utiliza en usos industriales, cuando por el tamao



y capacidad de los equipos o por condiciones del proceso mismo, no resulta posible o conveniente utilizar combustibles residuales.

Sus caractersticas diferenciales ms importantes para uso industrial son las siguientes: - No requiere calentamiento precio para ser bombeado, ni para su

atomizacin. - Por ser destilado, es un combustible limpio, con mnimo contenido de

cenizas, sin humedad ni sedimentos y bajo contenido de azufre. - Poder calorfico especfico menor que los combustibles residuales. Desde el punto de vista tcnico resultara siempre atractivo y cmodo utilizar Diesel 2 en procesos industriales, pero precisamente por tener caractersticas valiosas (ndice de cetano), que no interesan ni se aprovechan al quemarse industrialmente, su empleo difcilmente resulta conveniente en trminos econmicos. Hoy es un combustible caro y su reemplazo inmediato es el GLP.

1.4.4.2. Residual 4

Su empleo se proyecta a sustituir al Diesel en usos industriales, al presentar caractersticas similares en razn de conformarse con una proporcin de Diesel que vara entre 70 y 80 % siendo el resto Residual 6.

Sus caractersticas diferenciales son: - En condiciones normales, no requiere calentamiento para su bombeo ni

para su atomizacin. - En climas fros, cuando la temperatura ambiental disminuye por debajo

de 15 C, podra requerir un ligero calentamiento para su adecuada atomizacin, dependiendo ello del tipo del quemador y su requerimiento de viscosidad.

- El contenido de impurezas, tales como cenizas, agua, sedimentos y azufre, es ligeramente superior al del Diesel.

- Su poder calorfico inferior, expresado en funcin del volumen, es ligeramente mayor que el del Diesel.

Su atractivo se basa en su ligero menor costo de aproximadamente 10 15 % y adems de combustionar en condiciones similares, respecto al Diesel.



1.4.4.3. Residual 5

Es un combustible ms ligero que el Residual 6, contiene 45% de Diesel. Sus caractersticas ms importantes son las siguientes: - Usualmente no requiere calentamiento para su bombeo (12 C), siendo

necesario el calentamiento para su atomizacin (75 C). - Su contenido de cenizas es 0.01 % en peso, el contenido de

compuestos corrosivos es relativamente bajo (5 ppm de vanadios). - El punto de fluidez debe considerarse cuando las temperaturas son

bajas (6 C). - El contenido de azufre es 1% por lo que es necesario tomarlo en

cuenta, por tratarse de un compuesto corrosivo. - El contenido de agua es de 1% como mximo, este valor debe tomarse

en cuanta sobre todo en el almacenamiento, ya que puede sedimentarse en el fondo del Tanque, ocasionando problemas de corrosin.

- En cuanto a su poder calorfico por unidad de volumen, proporciona 8 % ms de energa que el Diesel 2 y 0,28% menos que el residual 6.

Es un combustible que podra sustituir al Diesel, realizando algunos cambios, pues slo necesita calentamiento para su atomizacin, no siendo generalmente necesario para el bombeo.

1.4.4.4. Residual 6 - Bunker

Es el combustible industrial tpico para usos industriales. Como producto residual de la destilacin presenta caractersticas marcadamente diferentes a los destilados en razn de la presencia de impurezas que juegan un significativo papel en cuando a eficiencia de combustin, contaminacin de productos y mantenimiento de equipos. Sus caractersticas se encuentran normalizadas pero presentan algunas variaciones en cuanto a su composicin, en funcin del crudo del que proceden y el proceso de refinacin utilizado. - Requiere ser calentado, tanto para su bombeo (75 C) como para su

correcta atomizacin (110 C). - Su viscosidad no debe exceder los 300 cSt - El punto de fluidez resulta un factor a tomar en cuenta cuando se

trabaja en climas fros (15 C).



- En cuanto al problema de corrosin y contaminacin, el contenido de azufre, normalizado en menos de 2% representa uno de los aspectos de mayor importancia.

- El poder calorfico, expresado en funcin del volumen de combustible, resulta mayor que el correspondiente al Diesel, aproximadamente en un 7%.

- El contenido de agua y arrastre de sedimentos tambin representa un factor a tomar en cuenta, particularmente cuando no se les presta la importancia que requieren en las etapas de recepcin y almacenamiento.

Aunque su combustin resulta ms problemtica que la del Diesel y el Residual 4, su empleo se justifica por una conveniencia econmica derivada de su precio inferior en el mercado, de su mayor poder calorfico o por razones de disponibilidad.

1.4.4.5. Residual 500 (alta viscosidad)

Aunque su nominacin aparece con gran frecuencia respecto al Residual 6, realmente la diferencia entre ambos es muy pequea, mientras el Residual 6 debe tener una viscosidad inferior a 300 SSF a 122 F, este combustible alcanza valores equivalentes cercanos a los 500 SSF a 122 F.

Sus caractersticas son muy similares a las del Residual 6. As: - Resultar necesario calentarlo para su bombeo en 5 C ms que el

Residual 6. - La temperatura necesaria de calentamiento para disminuir su viscosidad

al rango requerido por los quemadores es 10 C mayor que la del Residual 6.

1.4.5. Combustibles Gaseosos

Los combustibles gaseosos son generalmente ms fciles de manejar y quemar que los lquidos o slidos. Los combustible fsiles gaseosos son gas natural (principalmente metano y etano) y gases licuados de petrleo (GLP, principalmente butano y propano). Los combustibles gaseosos artificiales provienen, en su mayor parte, de combustibles lquidos o slidos.



1.4.5.1. Gas Natural GN

a. Usos y Distribucin

Si bien su principal uso es el calentamiento, el gas natural tambin se usa para generar electricidad y como materia prima para la elaboracin de productos qumicos.

Se distribuye para gasoductos a alta presin. En pases en los que existe este servicio, la distribucin final por tubera subterrnea para fines domsticos, como calefaccin y alimentacin de estufas de gas, y para generacin de vapor, se hace a presiones reguladas del orden de unas cuantas pulg H2O a unos cuantos psi.

b. Impacto Ambiental

El efecto de la combustin de gas natural sobre el ambiente es mnimo: se produce partculas slo si los quemadores estn ajustados de manera deficiente (mezcla demasiado rica o no homognea, o apagamiento de la flama), y xidos de nitrgeno slo en unos cuantos casos de combustin intensa con aire precalentado. Debido a su facilidad de mezclados y su relativa carencia de hidrocarburos insaturados, el gas natural tiene reputacin de ser el combustible ms limpio en cuanto a su combustin, almacenamiento y transporte.

c. Tipos y Composicin

Los gases naturales se clasifican en dulces y agrios dependiendo de su contenido de compuestos de azufre. La mayor parte de tales compuestos se eliminan antes de la distribucin del gas. Las sustancias odorferas agregadas (a fin de hacer posible la deteccin de fugas) suelen ser compuestos de azufre, pero la cantidad es tan pequea que no afecta el funcionamiento de los dispositivos en que se emplea el gas ni contribuye a la contaminacin.

d. Propiedades

Las propiedades de ms inters para los usuarios de gases naturales se refieren al calor que se obtiene de su combustin, sus caractersticas de flujo y su combustibilidad en diversos tipos de quemadores.



e. Poder calorfico

En el cuadro 4.3 se muestran las propiedades calricas de algunos combustibles gaseosos.

CUADRO 4.3: PROPIEDADES CALORICAS DE ALGUNOS COMPUESTOS ENCONTRADOS EN LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS.

COMPUESTO Indice de Wobbe

P.C.S. P.C.I.

Libros de pca secos por pie3

estndar de combustible

Libros de H2O por pie3 estndar de combustible

Volumen de aire por

volumen de combustible

Metano, CH4 1 360 1 013 921 0.672 0.0950 9.56

Etano, C2H6 1 729 1 763 1 625 1.204 0.1425 16.7

Propano, C3H8 2 034 2 512 2 328 1.437 0.1900 23.9

Butano, C4H10 2 302 3 264 3 034 2.267 0.2375 31.1

1.4.5.2. Gas Licuado de Petrleo GLP

Los gases licuados de petrleo (GLP) son subproductos de la extraccin de gas natural de las refineras de petrleo. Consisten principalmente en propano (C3H8) y algo de butano, propileno y butileno. Se almacenan y embarcan en forma de lquido a alta presin, por tanto, sus gastos suelen medirse en unidades como galones por hora o libras por hora. Cuando se expanden y evaporan, los GLP son ms pesados que el aire. El ritmo de consumo de GLP es mucho menor que el de gas natural o aceites combustibles. Hay aspectos econmicos prcticos que usualmente limitan su empleo a:

a. Instalaciones pequeas inaccesibles para las tuberas. b. Transporte. c. Sustituto en procesos industriales en los que la combustin de aceites

es difcil o imposible.

Normalmente es posible quemar GLP en quemadores de gas natural ya existentes, siempre que la razn aire gas se ajuste de manera adecuada.



1.5. EQUIPAMIENTO Y DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD / CONTROL DE LOS CALDEROS

En las calderas es muy importante la deteccin de fallas, porque eso permite evitar y prevenir accidentes por causa de stas. El anlisis de fallas permite detectar a tiempo problemas en las calderas, tales como: defectos de diseo, fabricacin o ensamble de piezas; errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y servicio de los equipos; malas rutinas de mantenimiento o abusos y descuidos durante la operacin. Los controles buscan garantizar el funcionamiento de la caldera bajo las condiciones y requerimientos especificados. En las calderas pequeas; igual que en las calderas grandes, se disponen de sistemas y aparatos que permiten controlar la presin de vapor, el nivel del agua, flujo de vapor, la presencia de llama, el flujo de combustible, y el flujo de aire.

1.5.1. Control de Presin

El presostato tambin es conocido como interruptor de presin. Es un aparato que cierra o abre un circuito elctrico dependiendo de la lectura de presin de un fluido.

FIG. 5.1.: Presostato de Vapor Danfoss

TORNILLO DE AJUSTE DE

LA ESCALA PRINCIPAL

TORNILLO DE AJUSTE

DEL DIFERENCIAL

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