Tesis Ingenieria Quimica

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERA QUMICA

TESIS DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO QUMICO

TEMA:

RECUPERACIN DE CONDENSADOS GENERADOS EN EL SISTEMA DE DRENAJE DE CABEZALES DE

VAPOR Y VENAS DE CALENTAMIENTO EN EL REA DE SETIL (SERVICIOS AUXILIARES) DE LA REFINERA

ESTATAL DE ESMERALDAS

ELABORADA POR:

JOS ANDRS SOSA DAZA

DIRECTOR DE TESIS:

ING. QCO. CARLOS MUOZ CAJIAO

2013

GUAYAQUIL ECUADOR

DEDICATORIA

Este trabajo se lo dedico:

A Dios por ser el gua y la luz que ilumina mi camino

A mi madre por su esfuerzo y apoyo incondicional

A mi padre (+) por todos los buenos momentos y recuerdos vividos

A mi hijo por ser la razn por la cual me esfuerzo cada da

A toda mi familia por sus buenos consejos

AGRADECIMIENTOS

Mis ms sinceros agradecimientos:

Ing.Qco.Carlos Quinde, Superintendente de la Refinera Estatal de Esmeraldas por abrirme las puertas para realizar este proyecto.

A mi tutor Ing.Qco.Carlos Muoz por toda su colaboracin para con este proyecto.

A todo el personal operativo del rea de Setil de la Refinera Esmeraldas por sus conocimientos brindados.

Un especial agradecimiento a la empresa SERVIMEC y a su Gerente Jorge Vivar; as como todo el personal de esta empresa por sus servicios y colaboracin brindada.

NDICE GENERAL

Pg.

DEDICATORIA

AGRADECIMIENTOS

NDICE GENERAL i

NDICE DE FIGURAS iv

NDICE DE TABLAS vi

CAPTULO I

1. RESUMEN 1

1.1. Antecedentes 2

1.2. El Problema 3

1.3. Planteamiento del Problema 4 1.4. Objetivos 5 1.4.1. Objetivo Principal 5

1.4.2. Objetivos Especficos 5

CAPTULO II

2. MARCO TERICO

2.1. Conceptos Generales 6

2.1.1. Vapor de Agua 6

2.1.2. Ttulo del Vapor 6

2.1.3. Entalpa 6

2.1.4. Entalpa Especfica 7

2.1.4.1. Entalpa del Lquido Saturado 7

2.1.4.2. Entalpa de Evaporacin 7

2.1.4.3. Entalpa del Vapor Saturado 7

2.1.5. Volumen Especfico 7

2.1.6. Presin Absoluta y Presin Manomtrica 7

2.1.7. Tipos de Vapor 8

2.1.7.1. Vapor Saturado 8

2.1.7.2. Vapor Hmedo 8

2.1.7.3. Vapor Sobrecalentado 9

2.1.7.4. Vapor Flash 10

2.1.8. Aplicaciones Principales para el Vapor de Agua 13

2.1.8.1. Vapor para Calentamiento 14

2.1.8.2. Vapor para Impulso/Movimiento 14

2.1.8.4. Vapor para Atomizacin 15

2.1.8.5. Vapor para Limpieza 16

2.2. SISTEMA DE VAPOR EN LA INDUSTRIA 17

2.3. GENERACIN DE VAPOR 18

2.3.1. Caldera de Vapor 18

2.3.2. Clasificacin de Calderas 18

2.3.2.1. Segn la circulacin de fluidos dentro de los tubos de la caldera 18

2.3.2.2. Segn la presin de trabajo de la caldera 19

2.3.2.3. Segn el combustible utilizado 19

2.3.3. Partes Principales de una Caldera 20

2.3.3.1. Hogar 20

2.3.3.2. Quemadores 20

2.3.3.3. Calentadores de Aire 20

2.3.3.4. Economizadores 20

2.3.3.5. Tambor de Vapor (Separacin Vapor Lquido) 21

2.3.3.6. Tambor de lodos 21

2.3.3.7. Sobrecalentadores de Vapor 21

2.3.3.8. Atemperadores 22

2.3.4. Esquema de una Caldera Acuotubular de vapor saturado 24

2.3.5. Sistema de Combustible para las Calderas 25

2.3.6. Sistema de Agua de Alimentacin a las Calderas 25

2.3.6.1. Tratamiento de Agua de Alimentacin a las Calderas 25

2.2.6.1. Parmetros Tratamiento de Agua 27

2.4. SISTEMA DE DISTRIBUCIN DE VAPOR 29 2.4.1. Cabezales de Vapor 29

2.4.2. Tuberas Principales 31

2.4.3. Ramales de Tubera (Tuberas Secundarias) 32 2.4.4. Lneas Adicionales en un Sistema de Vapor 33

2.4.4.1 Venas de Calentamiento (Lneas Tracer o Steam Tracer) 33 2.5. RECUPERACIN DE CONDENSADOS 34

2.5.1. Formacin de Condensados 34

2.5.2. Efectos del Condensado en los Sistemas de Vapor 34

2.5.3. Importancia Energtica del Retorno de Condensado 37

2.5.4. Sistemas de Recuperacin de Condensados 38

2.5.4.1. Sistema Abierto 38

2.5.4.2. Sistema Cerrado 38

2.5.5. Trampas de Vapor 39

2.5.5.1. Tipos de Trampas de Vapor 39

CAPTULO III

3. METODOLOGA

3.1. Situacin actual del sistema de generacin de vapor recuperacin de

condensados en Setil 44

3.1.1. Proceso Generacin de Vapor en SETIL 44

3.1.2. Parmetros de diseo de los generadores de vapor 46

3.1.2.1. Smbolos Sistema de Generacin de Vapor y Condensado 47

3.1.2.2. Condiciones de agua desmineralizada (BFW) 48

3.1.2. Anlisis de Recuperacin de Condensados en SETIL 49

3.2. Actividades para la toma de decisiones 53

3.2.1 Evaluacin de los puntos donde se genera condensado en SETIL 53

3.2.2 Registro e identificacin de Trampas de Vapor 57

3.2.2.1 Diagnstico de Trampas de Vapor 58

3.2.3 Caracterizacin Fsico-Qumico de muestras de Condensados 58

3.2.4 Cuantificacin de prdidas de condensado y Vapor en el rea 60

3.3. Planteamiento para el diseo del Sistema de

Recuperacin de condensado 61

3.3.1 Sistema de Tubera 61

3.3.2 Seleccin del Tambor de recuperacin de condensado 62

3.3.3 Seleccin del sistema de Bombeo 62

3.4 Anlisis Econmico de la Situacin Actual y del Sistema

diseado de la Recuperacin de condensados 63

4. RESULTADOS Y ANALISIS

4.1 Anlisis del sistema Actual de Recuperacin de Condensados 64

4.2 Registro, identificacin y Diagnostico de Trampas de Vapor 66

4.3 Resultados de la Caracterizacin Fsico-Qumica de

las muestras de Condensados 71

4.4 Resultados de los Balances de Masas y Energas

para estimar la cantidad de condensados retornados 74

4.4.1 situacin actual 74

4.4.2 Calculo de flujo msico de Condensado de

la Trampa de Vapor inventariada 79

4.5 Planteamiento para el diseo del Sistema de

Recuperacin de Condensados 80

4.5.1 Sistema de Tubera 80

4.5.2 Seleccin del Tambor de Recuperacin de Condensado 83

4.5.3 Seleccin del sistema de Bombeo 84

4.6 Anlisis Econmico del sistema Actual 84

4.6.1 Estimacin de Perdidas Econmicas del Sistema Actual 84

4.6.2 Ahorro Econmico estimado 91

5 Conclusiones y Recomendaciones 94

Bibliografa 96

Anexos 98

NDICE DE FIGURAS Pg.

Figura. 1.1. Vista area instalaciones de Refinera Estatal Esmeraldas 2

Figura. 2.1. Relacin Presin- Temperatura del Agua y Vapor 9

Figura. 2.2. Ejemplo de Clculo de Vapor Flash 12 Fig.2.3 Quemador Asistido por Vapor 15 Fig.2.4 Representacin Esquemtica de un Sistema de Vapor 17 Fig.2.5 Esquema de una caldera Acuotubular 24

Fig.2.6 Cabezal o Distribuidor de vapor de Calderas 30 Fig.2.7 Cabezal de vapor 30 Fig.2.8 Modo Correcto de Ejecutar una Derivacin 32 Figura 2.9.Formacin de ondas de condensado 35 Fig. 2.10 Dao en Tuberas por la presencia de gases no condensables 36 Fig.2.13 Funcionamiento Trampa de Vapor Mecnica Tipo Flotador 40 Fig. 2.14 Trampa de vapor mecnica Flotador Libre 40 Fig.2.15 Trampa de vapor termosttica 41 Fig.2.16 Trampa de vapor termodinmica 42 Fig.3 Diagrama de Bloques de Actividades Desarrolladas 43

Fig.3.1 Proceso generacin de vapor Refinera Esmeraldas 46

Fig.3.2 Recuperacin de condensados generados en Setil 50

Fig.3.3 Sistema de recuperacin de condensados

de REE ubicado en Setil 52

Fig.3.4 Prdidas de Condensado y Vapor adyacente a la calle 4 53

FIG.3.5 Prdidas de Condensado y Vapor principales

adyacente a la calle 2 54

NDICE DE TABLAS Pg.

Tabla 2.2 Valores recomendados de STD 26 Tabla 3.1Condiciones de Diseo de los Generadores de Vapor 46 Tabla 3.2 Smbolos de servicios del Sistema de Generacin de Vapor y Condensados de SETIL 47 Tabla 3.3 Condiciones de servicios del Sistema

de Generacin de Vapor y Condensados de SETIL 48

Tabla 3.4 Parmetros de agua desmineralizada (BFW) 48 Tabla 3.5 Precalentadores de aire con vapor de las 4 calderas 49 Tabla 3.6 Tabla de Referencia de Valores permitidos

en las Propiedades de Condensados 58 Tabla 4. Anlisis Energtico del Sistema Actual

de Recuperacin de Condensados 65

1

RESUMEN

La creciente demanda de energa, el elevado costo del combustible y los problemas ambientales requieren que las industrias se encuentren en constante mejora e implementen programas de ahorro de energa.

El sector industrial, es uno de los sectores en los que mayor consumo energtico se produce, superando el 31% del total de energa final. Esto se debe a que los procesos productivos; de fabricacin adems de necesitar materias primas; mano de obra, precisan de energa para obtener el producto final.

Este proyecto plantea el diseo preliminar de un sistema de recuperacin de condensados generados en los drenajes de cabezales de vapor y venas de calentamiento en el rea de SETIL (Servicios Auxiliares) de la Refinera Estatal de Esmeraldas ,con el propsito de evaluar los beneficios obtenidos por la recuperacin de un subproducto valioso ,buscar la disminucin de impactos ambientales ; riesgos operacionales que se presentan en estas instalaciones ;as tambin cumplir con los desafos que plantea la alta Gerencia ,en el manejo racional de energa, amabilidad de los procesos con el medio ambiente y seguridad de la personas.

Este trabajo fue llevado a cabo mediante la evaluacin del estado actual del sistema de vapor y condensado; inspeccin de las trampas de vapor, lneas principales e internas, equipos dentro del rea, medicin de las condiciones de operacin y comparacin con las de diseo; tambin mediante anlisis de los parmetros fisicoqumicos de los condensados.

Mostrando que estos sistemas se encuentran deteriorados por falta de mantenimiento, generando prdidas por escapes de vapor y condensado. Lo que me permiti estimar las cantidades de condensado a recuperar, el impacto econmico y con ello la implementacin de un sistema eficaz de retorno de condensados. Adems esta informacin sirvi de base para que el personal se concientizara sobre el uso eficiente de la energa al igual que la necesidad de implementar acciones para mejorar las condiciones actuales.

2

CAPTULO I

INTRODUCCIN

1.1 ANTECEDENTES

La Refinera Estatal Esmeraldas (REE) es uno de los tres centros de produccin de derivados de petrleo del Ecuador, cuyo propsito es satisfacer la demanda de combustibles a nivel nacional bajo estndares internacionales de calidad, para incrementar la productividad del pas generando riqueza y ahorro de divisas. Figura 1.1

La refinera est constituida por varias unidades de procesos, las cuales se encuentran encadenadas entre s, razn por la cual el buen funcionamiento de cada una de las unidades es de vital importancia para su desempeo global e influye directamente en la economa del pas.

Figura. 1.1. Vista area instalaciones de Refinera Estatal Esmeraldas

(Fuente: Diario HOY, 13/04/2012)

3

En la actualidad las industrias buscan ser ms eficientes, evitando el desperdicio de recursos y optimizando sus procesos para alcanzar una mayor rentabilidad.

La Refinera Estatal de Esmeraldas se encuentra dividida en varias reas operativas, una de las cuales es la Unidad de Servicios Auxiliares (SETIL); esta unidad se encarga de todos los procesos de apoyo los cuales son indispensables para la operacin de la planta, tales como: desmineralizacin del agua, produccin de vapor, generacin de energa elctrica, suministro de combustibles entre otros.

La capacidad de generacin de vapor de la refinera es de aproximadamente 400 toneladas por hora con una presin de 600 PSIG (42,2 Kg/cm2) y 395 C de temperatura, producidas por 4 calderas de combustin directa y 2 generadores de vapor por intercambio de calor.

1.2. PROBLEMA

En la actualidad la Refinera Estatal de Esmeraldas es la Planta de refinacin ms grande del pas con una capacidad de procesamiento de 110 000 barriles diarios de crudo para lo cual requiere una gran cantidad de energa y fundamentalmente el uso de vapor para la realizacin de sus procesos productivos.

El aumento constante de la demanda de energa relacionado al desarrollo socio-econmico, las limitaciones financieras para incrementar la oferta energtica y a su vez mitigar el impacto ambiental de la misma, fundamentan hoy en da la trascendencia que tiene el mejoramiento de la eficiencia energtica en cualquier proceso productivo.

La factibilidad tcnico-econmica de recuperar energa y condensado presente en esta Planta de Refinacin representa a la fecha un problema an no resuelto y que condiciona el incremento de la eficiencia energtica del sistema de vapor.

4

Por ello es indispensable implementar un sistema de ahorro de energa y recuperacin de condensados para obtener una mejor eficiencia que conlleva a resolver problemas de ndole econmico y ambiental.

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La implementacin de un mtodo de recuperacin de condensados y energa en el sistema de drenaje de cabezales de vapor y venas de calentamiento en la Unidad de Utilidades de la Refinera Estatal de Esmeraldas es esencial ya que el consumo excesivo de energa implica gastos econmicos para esta Industria la cual es uno de los puntos ms importantes en la cadena de elaboracin de derivados de petrleo.

El sistema de recuperacin de condensados se ha transformado de un modesto subproducto de la distribucin de vapor a un recurso muy valioso para todas las industrias.

En todos los procesos trmicos dnde se utiliza vapor como fluido calefactor produce o forma condensado. La presencia de este en el circuito de vapor disminuye el rendimiento trmico de la instalacin, avera elementos del circuito y aunque este condensado deber ser desalojado de la red de distribucin a la salida de los equipos de consumo, es recomendable recuperarlo para disminuir el consumo de agua y de combustible del sistema as como los costos debido al agua tratada.

El aprovechamiento de los condensados supone tambin una reduccin de los consumos energticos directos de la lnea de agua de alimentacin a las calderas.

Con esto se debe obtener la mejor eficiencia del sistema, reduciendo costos financieros asociados a este y acercando a esta Industria cada da ms a una produccin basada en un desarrollo sostenible.

5

1.4. OBJETIVOS

1.4.1. OBJETIVO PRINCIPAL

Recuperar los condensados generados en el sistema de drenaje de cabezales de vapor y venas de calentamiento en el rea de SETIL (Servicios Auxiliares) de la Refinera Estatal de Esmeraldas.

1.4.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

Obtener datos detallados de las condiciones y equipos involucrados en el sistema de vapor y retorno de condensados.

Analizar el estado actual del retorno de condensados en esta rea.

Disminucin del agua de alimentacin a las calderas.

Caracterizacin fsico-qumica de cada condensado que retorna al sistema de recuperacin en SETIL.

Implementacin de un sistema de retorno de condensado.

Determinar la eficiencia del sistema de recuperacin de condensados.

Balance de masa y energa.

Evaluar los resultados obtenidos.

Reduccin de costos con la implantacin de este sistema.

Disminuir tiempos de produccin.

6

CAPTULO II

MARCO TERICO

2.1. CONCEPTOS GENERALES

2.1.1. Vapor de Agua

El vapor de agua es el gas formado cuando el agua pasa de estado, lquido a uno gaseoso, a nivel molecular es cuando las molculas de H2O logran liberarse de las uniones que las mantienen juntas.

Se genera cuando se le aade energa calorfica al agua. Se necesita aadir suficiente energa para que se eleve la temperatura del agua hasta su punto de ebullicin. Despus de ello, cualquier energa adicional transforma el agua en vapor, sin un incremento en la temperatura. (www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-steam.html,03/05/2013)

2.1.2. Ttulo del Vapor (Calidad) Es la cantidad de vapor seco por kilogramo de vapor hmedo. El ttulo x del vapor se puede expresar como porcentaje o como una fraccin decimal. (Severns, Degler, Miles, 1982)

2.1.3 Entalpa Es el trmino utilizado para designar la energa total, debida a la presin y a la temperatura, de un fluido, lquido o vapor (tales como el agua y el vapor de agua), en cualquier momento y condicin dados, se representa con la letra H. La unidad bsica de medida de cualquier tipo de energa es el joule (smbolo J). Actualmente se trabaja en Kilo joules (KJ).

2.1.4. Entalpa Especfica: Es la entalpa (energa total) de una unidad de masa (1Kg). Las unidades normalmente usadas son KJ/Kg.

7

2.1.4.1 Entalpa del Lquido Saturado (Calor Sensible) La cantidad de calor necesario para llevar el agua desde su temperatura inicial de referencia (0C) hasta su temperatura de ebullicin sin cambio de fase se conoce como la entalpa del lquido (Hf) y est expresado en KJ/Kg.

2.1.4.2 Entalpa de Evaporacin (Calor Latente Vaporizacin)

El calor suministrado durante el perodo de ebullicin, es utilizado para producir estrictamente el cambio de fase de lquido en vapor. La cantidad de calor necesario para llevar toda la masa de lquido a estado de vapor se conoce como la entalpa de evaporacin (Hfg), est expresado en KJ/Kg y su valor depende de la presin.

2.1.4.3 Entalpa del Vapor Saturado (Calor Total)

Si a la entalpa de evaporacin se le suma la del lquido, tendremos lo que se llama entalpa del vapor saturado (Hg) y est expresada en KJ/Kg. Es la cantidad total de calor que se debe suministrar a un Kilogramo masa de agua desde la temperatura de referencia (0 C) para transformarlo totalmente en vapor. (LIFSCHITZ, 1994)

2.1.5. Volumen Especfico

El volumen especfico (v) es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es la inversa de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia se expresa en m3/Kg. (Severns, Degler, Miles, 1982)

2.1.6 Presin Absoluta y Presin Manomtrica

A la situacin terica de vaco perfecto o ausencia total de presin se le llama cero absoluto presin absoluta es la ejercida por encima de este cero absoluto. La presin atmosfrica es de 1.013 bar abs (14.7 psia) A nivel del mar.

La presin manomtrica es la que se lee en un manmetro estndar instalado en el sistema.

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Puesto que esta presin es la existente por encima de la atmosfrica, el cero del dial del manmetro es equivalente a unos 1.013 bar abs. As, se puede expresar las presiones por medio de la siguiente relacin: (SELMEC, 1997)

Presin manomtrica = Presin absoluta - Presin Atmosfrica

2.1.7. Tipos de Vapor

2.1.7.1. Vapor Saturado

Es vapor puro a una temperatura igual a la temperatura de ebullicin del agua a una presin dada. El vapor saturado se presenta a presiones y temperatura en las cuales el vapor (gas) y el agua (lquido) pueden coexistir juntos.

El vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen una fuente de gran calor, particularmente a temperaturas de 100 C (212 F) .Algunas de estas son:

Tabla 2.1 Propiedades del Vapor Saturado

Propiedad Ventaja Calentamiento equilibrado a travs de la trasferencia de calor latente y rapidez.

Mejora la productividad y calidad del producto.

La presin puede controlar la temperatura.

La temperatura puede establecerse rpida y precisamente.

Elevado coeficiente de transferencia de calor.

rea de transferencia de calor requerida es menor.

Se origina del agua. Limpio, seguro y de bajo costo.

Fuente: (Revista TLV-Compaa Especialista en Vapor, 2012)

Elaborado por: Jos A. Sosa Daza

2.1.7.2. Vapor Hmedo

Esta es la forma ms comn de vapor que se puede experimentar en plantas de proceso.

Cuando el vapor se genera utilizando una caldera, generalmente contiene humedad proveniente de las partculas de agua no vaporizadas las cuales son arrastradas hacia las lneas de distribucin de vapor.

9

Incluso las mejores calderas pueden descargar vapor conteniendo de un 3% a un 5% de humedad. Al momento en el que el agua se aproxima a un estado de saturacin y comienza a evaporarse, normalmente, una pequea porcin de agua generalmente en la forma de gotas, es arrastrada en el flujo de vapor y dirigida a los puntos de distribucin.

2.1.7.3. Vapor Sobrecalentado

El vapor sobrecalentado se crea por el sobrecalentamiento del vapor saturado o hmedo para alcanzar un punto mayor al de saturacin. Esto quiere decir que es un vapor que contiene mayor temperatura y menor densidad que el vapor saturado en una misma presin.

El vapor sobrecalentado es usado principalmente para el movimiento e impulso de aplicaciones como son las turbinas.

Relacin Presin- Temperatura del Agua y Vapor

Figura. 2.1. Relacin Presin- Temperatura del Agua y Vapor (Fuente: www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-steam.html)

2.1.7.4. Vapor Flash o Instantneo

Es un nombre dado al vapor que se forma a partir del condensado caliente cuando existe una reduccin en la presin.

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El vapor flash no es tan diferente del vapor normal, simplemente es un nombre conveniente que es utilizado para explicar cmo se forma el vapor.

Vapor normal o vivo se genera en la caldera, o en un generador de vapor por recuperacin de calor, mientras que el vapor flash se genera cuando un condensado de alta temperatura y presin se expone a una gran cada de presin tal como la descarga de una trampa de vapor.

El condensado de alta temperatura contiene una gran energa que no puede permanecer en forma lquida a presiones menores debido a que existe mayor energa que la requerida para obtener agua saturada a una menor presin. El resultado es que algo de este exceso de energa genera el condensado un % porcentaje de vapor flash.

El vapor flash se genera debido a que el punto de saturacin del agua vara de acuerdo a la presin. Por ejemplo, el punto de saturacin del agua a presin atmosfrica es de 100 C (212 F), pero a 1.0 MPaG (145 psig) es de 184C (363F).

As que, ocurre cuando el condensado que se mantiene bajo presin a 184 C (363 F) se libera a la atmosfera, el condensado contiene demasiada energa (entalpa) para permanecer solamente como lquido, por lo que una porcin del condensado se evapora, ocasionando que la temperatura del condensado restante se reduzca a una presin de saturacin (Ej., 100C o 212 F si es descargado a la atmosfera).Este fenmeno se conoce como evaporacin flash.

11

El % de vapor flash generado (rango de flasheo de vapor) puede ser calculado de la siguiente manera:

En el cual:

hf1 = entalpa Especifica del Agua Saturada a la Entrada

hf2 = entalpa Especifica del Agua Saturada a la Salida

hfg2 = Calor Especifico del Vapor a la Salida

Ejemplo 1:

El condensado a la temperatura de vapor y a una presin relativa de 1 MPaG o 10 bar guarda una cantidad de calor igual a 781.4 kJ/kg. Si este condensado se descarga a la presin atmosfrica, 0 MPaG (presin relativa), su contenido calorfico instantneamente se reduce a 419 kJ/kg. La diferencia de 362.4 kJ/kg transforma parte del condensado en vapor flash. El calor latente del vapor a baja presin es de 2256.5 kJ/kg. Para los valores de calor sensible y latente ver tabla de vapor.

Ejemplo 2:

El condensado a la temperatura de vapor y a una presin relativa de 1 MPaG; se descarga a un sistema de recuperacin de condensado cerrado a una presin de 0.3 MPaG. Cul ser el % de vapor flash que se generar?.

( www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-steam.html,03/05/2013)

12

Como se puede observar en los ejemplos en la parte inferior, se genera un % mayor de vapor flash cuando el condensado se descarga a la atmosfera (ejemplo 1) comparado a cuando se descarga a un sistema de recuperacin de condensado cerrado (ejemplo 2)

Figura. 2.2. Ejemplo de Clculo de Vapor Flash

(Fuente: www.tlv.com/global/LA/steam-theory/flash-steam.html)

13

2.1.8. Aplicaciones Principales para el Vapor de Agua

El vapor de agua se utiliza en los procesos industriales debido a las siguientes razones:

Para su produccin se utiliza agua, es abundante, barata y fcil de obtener.

Es muy controlable, a cada presin le corresponde una temperatura, una energa especfica y un volumen especfico.

Tiene un alto contenido de energa por unidad de masa.

Es estril, de fcil distribucin y control.

El vapor fluye en las lneas de distribucin como respuesta a una cada de presin y no necesita bombas para su circulacin.

Los coeficientes de transferencia del calor del vapor son mayores que los del agua.

El vapor es usado en un gran rango de industrias. Las aplicaciones ms comunes para el vapor son, por ejemplo procesos calentados por vapor en fbricas y plantas, turbinas impulsadas por vapor etc.

Algunas de las aplicaciones tpicas del vapor para la industria son:

Esterilizacin/Calentamiento

Para proceso

Motriz

Atomizacin

Limpieza

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2.1.8.1. Vapor para Calentamiento (Vapor de Presin Positiva)

El vapor generalmente es producido y distribuido en una presin positiva. En la mayora de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 MPaG (0 psig) y a temperaturas mayores de 100C (212F). Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presin positiva se pueden encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas qumicas, y refineras solo por nombrar algunas. El vapor saturado es utilizado como la fuente de calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores, reboilers, precalentadores de aire de combustin, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.

2.1.8.2. Vapor para Impulso/Movimiento

El vapor se usa regularmente para propulsin (as como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generacin de electricidad en plantas termoelctricas.

En un esfuerzo por mejorar la eficiencia, se han realizado progresos orientados al uso del vapor a presiones y temperaturas an mayores. Existen algunas plantas termoelctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 25 MPa abs (3625 psia), 610C (1130F), presin supercrtica en sus turbinas. Adems de la generacin de energa, otras aplicaciones tpicas de impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas, ejemplo: compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc.

2.1.8.3. Vapor como Fluido Motriz

El vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza motriz para mover flujos de lquido o gas en una tubera. Los eyectores de vapor son usados para crear el vaco en equipos de proceso tales como las torres de destilacin que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos.

15

Los eyectores tambin pueden ser utilizados para la remocin continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presin de vaco deseada en las turbinas de condensacin (vaco).

2.1.8.4. Vapor para Atomizacin

La atomizacin de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecnicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustin y minimizar la produccin de holln.

Calderas y generadores de vapor que utilizan combustible de petrleo utilizaran este mtodo para romper el aceite viscoso en pequeas gotas para permitir una combustin ms eficiente, tambin los quemadores (elevados) comnmente utilizaran la atomizacin de vapor para reducir los contaminantes a la salida.

Quemador Asistido por Vapor

Fig.2.3 Quemador Asistido por Vapor Fuente (www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html)

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2.1.8.5. Vapor para Limpieza

El vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de la industria es el uso del vapor en los sopladores de holln. Las calderas que usan carbn o petrleo como fuente de combustible deben estar equipadas con sopladores de holln para una limpieza cclica de las paredes del horno y remover los depsitos de la combustin de las superficies de convencin para mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera.

(www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html, 03/05/2013)

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2.2. SISTEMA DE VAPOR EN LA INDUSTRIA

Gracias a las propiedades sobresalientes de transferencia de calor, el vapor es ampliamente usado como medio de energa. Varios mtodos y procesos son usados para la generacin de vapor con propiedades requeridas por los consumidores individuales en sus sistemas especficos.

Es importante disear un sistema de vapor eficiente que eviten desperdicios de vapor y condensado y la energa contenida l, para lo cual es importante la seleccin adecuada de los diferentes componentes y accesorios del sistema.

(www.santillan.es/web/index.php/es/instalaciones/vapor,15/05/2013)

Los sistemas de vapor estn compuestos bsicamente por tres subsistemas: La generacin de vapor; compuesto por la caldera, la distribucin; compuesta por tuberas para transportar el vapor del lugar de produccin hacia los usuarios, consumidores finales, generalmente equipos o procesos donde se requiere la energa transportada por el vapor y el retorno de condensado desde los procesos hacia la caldera .Fig. 2.4

Fig.2.4 Representacin Esquemtica de un Sistema de Vapor Fuente (www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar20/HTML/articulo04.htm)

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2.3. GENERACIN DE VAPOR

Es el conjunto o sistemas formados por una caldera y sus equipos complementarios, destinados a transformar agua de estado lquido en estado gaseoso a temperaturas y presiones diferentes de la atmosfrica.

2.3.1. Caldera de Vapor

La caldera es una mquina o dispositivo de ingeniera diseado para generar vapor. Este vapor se produce a travs de una transferencia de calor a presin constante, en la cual el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia su fase.

Tambin podemos decir que la caldera es todo recipiente de presin donde el calor procedente de cualquier fuente de energa se transforma en energa utilizable, a travs de un medio de transporte en fase lquida o vapor. (Norma Espaola UNE 9-001-87)

2.3.2. Clasificacin de Calderas

Segn la circulacin de fluidos dentro de los tubos de la caldera.

Segn la presin de trabajo de la caldera.

Segn el combustible utilizado.

2.3.2.1. Segn la circulacin de fluidos dentro de los tubos de la caldera

Calderas Acuotubulares: El agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior. Permiten generar grandes cantidades de vapor sobrecalentado a alta presin y alta temperatura. Este tipo de calderas maneja presiones de 0 a 2200 psig.

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Con la finalidad de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se les suele instalar sobrecalentadores, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando as mejor el calor sensible de dichos gases.

Calderas Pirotubulares: En estas calderas los humos (gases calientes) pasan por dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea. Para presiones mximas de 20 bar (290 psig) y consumos hasta 30 Ton/hr. Son econmicas, de alto rendimiento y fcil mantenimiento.

2.3.2.2. Segn la presin de trabajo de la caldera

Calderas de baja presin: Son calderas que producen vapor a baja presin, hasta unos 4 o 5 Kg/cm2.

Calderas de media presin: Producen vapor hasta aproximadamente 20 Kg/cm2. Generalmente vapor saturado.

Calderas de alta presin: Asociadas a ciclos de potencia, trabajan con presiones desde 20 Kg/cm2 hasta presiones cercanas a la crtica (Mayor a 200 Kg/ cm2).

2.3.2.3. Segn el combustible utilizado

Slido: Carbn, biomasa.

Lquido: Fuel oil, queroseno.

Gaseoso: GLP, gas natural.

(Castillo, 2006)

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2.3.3. Partes Principales de una Caldera

2.3.3.1. Hogar

El hogar es una cmara donde se efecta la combustin. La cmara regula, confina la combustin de los productos y es capaz de resistir las altas temperaturas y presiones que se presentan. Sus dimensiones y geometra estn adaptadas a los siguientes parmetros:

a) Velocidad de generacin de energa trmica.

b) Tipo de combustible utilizado.

c) Sistema de Combustin

2.3.3.2. Quemadores

El propsito de un quemador es mezclar y dirigir el flujo de aire-combustible de tal manera que se asegure el encendido rpido y una combustin completa. En los quemadores de carbn pulverizado, una parte del aire (aire primario) se mezcla inicialmente con el combustible, como medio de transporte, el restante (aire secundario) se introduce a los quemadores fuera de las entradas del aire primario.

(Almanza, 1993)

2.3.3.3. Calentadores de Aire

Es un intercambiador de calor destinado a incrementar la temperatura del aire de combustin por medio del calor de los gases de combustin antes de su salida a la atmsfera. (UNE 900-1)

2.3.3.4. Economizadores

Son esencialmente intercambiadores de calor que utilizan como fluido caliente los gases de la chimenea, calentando el agua de alimentacin a las calderas (BFW, Boiler Feed Water por sus siglas en ingls), que entra al tambor de vapor de las calderas de circulacin natural y forzada. (Hernndez, 2007)

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2.3.3.5. Tambor de Vapor (Separacin Vapor Lquido)

El tambor superior en la generacin de vapor cumple con varias funciones importantes en el proceso. Entre estas estn la recepcin del agua de alimentacin de las calderas, separar el vapor de la mezcla lquido vapor que circula por los tubos ascendentes, servir de punto de inyeccin de tratamiento qumico interno del agua de caldera, y permitir la purga continua de la caldera para disminuir la concentracin de slidos.

La separacin primaria se da en dos pasos. En el primer paso todo el vapor es removido del agua y en el segundo se remueven pequeas gotas de agua que suben con el vapor. En la separacin primaria se hace uso del efecto de gravedad ayudado de deflectores que ayudan a la separacin del vapor. Algunos diseos utilizan el efecto de fuerza centrfuga para lograr la separacin. (Lawrence, 2000)

2.3.3.6. Tambor de lodos

Dispuesto en la parte baja de la caldera, el tambor de lodos colecta las impurezas que se producen del tratamiento qumico del agua. Estas impurezas tienden a depositarse en las partes bajas, por lo cual all se van los materiales indeseables e impurezas de la caldera para, mediante extracciones como las purgas de fondo, mantener limpia y libre de suciedad la caldera.

2.3.3.7. Sobrecalentadores de Vapor

Los Sobrecalentadores o llamados tambin indistintamente recalentadores de vapor, son elementos que permiten elevar la temperatura del vapor producido dentro de la caldera, manteniendo constantemente la presin del mismo; transforman el vapor saturado en vapor recalentado haciendo disminuir el peligro de que est se condense dentro de la mquina, ya que el vapor que llega a la fuente de consumo lo hace en estado ms seco. Mediante el empleo de recalentadores, se puede llevar la temperatura del vapor hasta 390 C aproximadamente.

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Los sobrecalentadores son de acero dulce(contenido de carbono que se sitan entre el 0,15% y el 0,25%) cuando la temperatura de recalentamiento no es superior a los 450 C, para temperaturas comprendidas entre 450 y 475 C, se usa acero dulce, al que se le agrega 0.5 % de molibdeno, para mayores temperaturas, se utilizan aleaciones de acero con bajo contenido de carbono, ya que este tipo de acero permite efectuar las soldaduras necesarias, sin necesidad de efectuar un precalentamiento previo del tubo.

Existen dos tipos de recalentadores, el de radiacin y el de conveccin. El primer tipo, el elemento calefactor lo constituye el calor radiado por la combustin. En el segundo caso, son los gases de combustin son los que ceden calor al vapor.

Ventajas

Se aumenta la eficiencia total de la unidad.

Se aumenta la ganancia termodinmica del vapor.

Se obtiene un vapor ms seco

(Burgos, 2001)

2.3.3.8. Atemperadores

Los atemperadores de vapor se usan para reducir la temperatura de una lnea de vapor inyectando agua. Son equipos muy habituales en instalaciones de vapor para ajustar los balances de vapor. La regulacin se hace con una vlvula de control en la lnea de agua utilizando la seal de la temperatura en la descarga.

Se pueden instalar en cualquier posicin y no hay necesidad de instalar un separador de gotas. El mantenimiento es mnimo: slo reemplazar la tobera.

Son sistemas por medio de los cuales es posible aumentar o disminuir la temperatura durante el proceso.

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Estn diseados para reducir la temperatura del vapor sobrecalentado, por medio de la inyeccin de agua/condensado tratado, para optimizar eficiencia y transferencia de calor.

Por ejemplo el atemperador tipo atomizador utiliza agua condensada del vapor purificado del domo de la caldera mediante un condensador de tubos verticales en U que intercambiar calor con el agua de alimentacin de la caldera.

El vapor sobrecalentado produce muchos problemas, tanto de flujo en las lneas de vapor, como en los procesos productivos, por lo que en muchas ocasiones, es necesario bajar la temperatura al vapor sobrecalentado.

Los atemperadores son diseados para cada aplicacin Y pueden ser fabricados en varios materiales.

(www.inmateinsa.com/sistemas_vacio_atemperadores.html,15/05/2013)

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2.3.4. Esquema de una Caldera Acuotubular de vapor saturado y sobrecalentado mostrando sus diferentes secciones.

Fig.2.5 Esquema de una caldera acuotubular

Fuente: (Manual de Calderas, McGraw-Hill, Madrid, 2000)

El agua lquida entra al economizador , donde se calienta hasta una temperatura prxima a la de saturacin, se introduce en el caldern(domo) y desciende por los tubos de riego hasta el colector inferior, distribuyndose hacia los tubos vaporizadores, donde se forman las burbujas de vapor que a su vez se separan en el caldern. El vapor saturado puede calentarse por encima de su temperatura de saturacin en el sobrecalentador.

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2.3.5. Sistema de Combustible para las Calderas

Su funcin es suministrar el combustible al quemador que a su vez producir la flama en la caldera que transformar el agua tratada en vapor. Adems de utilizar combustibles lquidos algunos equipos tambin utilizan gas natural o mezclas de gases como en el caso del flexigas en las empresas petroleras. Componentes:

Tanque de combustible: es un recipiente cilndrico donde se almacena el combustible que ser suministrado por la bomba al quemador.

Bomba de combustible: Se encarga de generar un cabezal de presin para bombear el combustible desde el tanque de combustible hasta el quemador.

(Mesny, 1977) 2.3.6. Sistema de Agua de Alimentacin a las Calderas

Uno de los factores principales para la operacin ptima de una caldera es el de contar con un sistema de suministro de agua el cual sea adecuado para cada caso en particular. Esto es debido a que es indispensable mantener un nivel de agua constante en el interior de la caldera para que no ocurra un siniestro o falla de alguna de sus partes.

Todo sistema efectivo de alimentacin de agua a calderas debe contar con:

Reserva mnima de agua (tanque de almacenamiento) Equipo de bombeo

Control de sistema

(Selmec, 1997)

2.3.6.1. Tratamiento de Agua de Alimentacin a las Calderas

El tratamiento del agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental para asegurar una larga vida til libre de problemas operacionales, reparaciones de importancia y accidentes.

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El objetivo principal del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosin e incrustaciones, asegurando la calidad del agua de alimentacin y del agua contenida en la caldera.

El aseguramiento de la calidad del agua de alimentacin y agua de la caldera se consigue cumpliendo con los requerimientos de las normas, que definen los lmites recomendados para los parmetros involucrados en el tratamiento del agua.

El tratamiento del agua deber tener en cuenta la cantidad de slidos disueltos en el agua ( STD), que pueden ser medidos de forma indirecta mediante la conductividad del agua, para posteriormente con el uso de tablas lo convierten a valores de concentracin en partes por milln. En funcin de la presin de trabajo del generador la Asociacin Americana de Constructores de Calderas (ABMA), recomienda mantener ciertos niveles de slidos disueltos los mismos que se indican en la siguiente tabla.

Tabla 2.2 Valores recomendados de STD

Presin de Trabajo de la Caldera (psig)

Slidos Totales Disueltos (ppm)

0-50 2500

51-300 3500

301-450 300

451-600 2500

601-750 1000

751-900 750

901-1000 625

Fuente: ABMA, Boiler Blowdown, Fact Data Sheet


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Equipos comunes de pre-tratamiento de agua son los ablandadores, estos dispositivos cumplen la funcin de cambiar los iones de magnesio y calcio que producen precipitados por iones de sodio en el agua puesto que este ltimo no forma aquellos sedimentos. Los iones de sodio provienen del cloruro de sodio con el que se forma una solucin con agua llamada salmuera.

Otro mecanismo para tratar el agua es el uso de tanques calentadores y deareadores que cumplen la funcin de calentar, almacenar y remover el oxgeno corrosivo del agua que ser proporcionada al generador. (Palacios, 2010) 2.2.6.1. Parmetros Tratamiento de Agua

Los principales parmetros involucrados en el tratamiento del agua de una caldera, son los siguientes:

pH. - El pH representa las caractersticas cidas o alcalinas del agua, por lo que su control es esencial para prevenir problemas de corrosin (bajo pH) y depsitos (alto pH). Dureza.- La dureza del agua cuantifica principalmente la cantidad de iones de calcio y magnesio presentes en el agua, los que favorecen la formacin de depsitos e incrustaciones difciles de remover sobre las superficies de transferencia de calor de una caldera.

Oxgeno.- El oxgeno presente en el agua favorece la corrosin de los componentes metlicos de una caldera. La presin y temperatura aumentan la velocidad con que se produce la corrosin.

Hierro y cobre.- El hierro y el cobre forman depsitos que deterioran la transferencia de calor. Se pueden utilizar filtros para remover estas sustancias.

Dixido de carbono.- El dixido de carbono, al igual que el oxgeno, favorecen la corrosin. Este tipo de corrosin se manifiesta en forma de ranuras y no de tubrculos como los resultantes de la corrosin por oxgeno.

Fosfato.- El fosfato se utiliza para controlar el pH y dar proteccin contra la dureza.

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Slidos disueltos.- Los slidos disueltos la cantidad de slidos (impurezas) disueltas en al agua.

Slidos en suspensin. Los slidos en suspensin representan la cantidad de slidos (impurezas) presentes en suspensin (no disueltas) en el agua.

Secuestrantes de oxgeno. Los secuestrantes de oxgeno corresponden a productos qumicos (sulfitos, hidrazina, hidroquinona, etc.) utilizados para remover el oxgeno residual del agua.

Slice. La slice presente en el agua de alimentacin puede formar incrustaciones duras (silicatos) o de muy baja conductividad trmica (silicatos de calcio y magnesio).

Alcalinidad. Representa la cantidad de carbonatos, bicarbonatos, hidrxidos y silicatos o fosfatos en el agua. La alcalinidad del agua de alimentacin es importante, ya que, representa una fuente potencial de depsitos.

Conductividad. La conductividad del agua permite controlar la cantidad de sales (iones) disueltas en el agua.

(Oelker, 1997)

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2.4. SISTEMA DE DISTRIBUCIN DE VAPOR Los sistemas de distribucin de vapor conectan a las calderas con el equipo

que en realidad utiliza vapor. Estos sistemas de distribucin transportan el

vapor hasta cualquier sitio en la planta donde se necesita energa calorfica.

Se suele utilizar una estacin reductora de presin para los equipos que

necesiten vapor a una presin inferior a la disponible.

Los tres componentes principales de un sistema de distribucin de vapor son:

Los cabezales (Distribuidores de vapor).

Las tuberas principales.

Los ramales de tuberas vapor.

Cada componente cumple con ciertas funciones especficas en un sistema de

vapor y junto con los separadores y las trampas de vapor contribuyen al uso eficiente del vapor.

2.4.1. Cabezales de Vapor

Un cabezal de vapor es una clase especial de tubera de distribucin porque

puede recibir vapor de una o varias calderas al mismo tiempo. Lo ms comn

es que sea una tubera horizontal a la que se le alimenta el vapor por la parte

superior, y al mismo tiempo se alimentan las tuberas principales de

distribucin, como se ve en la figura 2.6 .Es importante trampear el cabezal de

forma correcta para asegurarse que cualquier substancia indeseable (agua de la caldera y/o partculas) ser removida del vapor antes de que sea distribuido. Figura 2.7.

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Fig.2.6 Cabezal o Distribuidor de vapor de Calderas

Fuente: (Gua para la Conservacin de Vapor en el Drenado de Condensado, Armstrong International, Inc. Catlogo N 101S, 1998)

Fig.2.7 Cabezal de vapor

Fuente: (Refinera Estatal de Esmeraldas, calle 4, edicin Jos A. Sosa Daza)

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2.4.2. Tuberas Principales

Las tuberas principales tienen como fin, transportar el vapor desde el cabezal, hasta una seccin o sitio de la planta en donde se divide en tuberas secundarias que abastecen a equipos consumidores. Cuando la vlvula de alimentacin de vapor es abierta, el vapor inmediatamente pasa de la caldera a las diferentes tuberas principales, estas tuberas se deben de mantener libres de aire y de condensado para poder garantizar que el equipo que utiliza el vapor estar trabajando en forma eficiente. Las tuberas inicialmente estn fras y existe el gradiente de temperatura mximo entre el vapor y la tubera, el vapor empezar a condensar inmediatamente, a este rgimen de condensado se lo conoce como carga inicial, una vez que las tuberas se han calentado la diferencia de temperatura es mnima, sin embargo la tubera seguir transfiriendo calor a su alrededor generando condensado pero en menor cantidad y se conoce como carga en rgimen.

Algunas caractersticas tpicas de las tuberas principales de distribucin de vapor son:

La velocidad recomendada para trabajar con vapor saturado, para las lneas principales de vapor el rango va de (25 m/s-60 m/s). La cantidad de condensado generado en ellas es bastante pequea, sus horas de operacin son bastante largas y generalmente se encuentran en instalaciones exteriores.

Por lo tanto, las trampas de vapor usadas en estas tuberas solo deben tener prdidas de vapor en cantidades muy pequeas, durante los ciclos de descarga de condensado, y las trampas deben ofrecer confiabilidad y operacin estable en periodos largos.

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2.4.3. Ramales de Tubera (Tuberas Secundarias) Los ramales son las tuberas que salen de las tuberas principales de vapor y llevan al vapor hacia el equipo que lo utiliza. El sistema completo debe de ser diseando y conectado de forma que se evite la acumulacin de condensado en cualquier punto del sistema, los rangos recomendados de la velocidad para las lneas secundarias de vapor segn los fabricantes son (10 m/s 25 m/s).

(Armstrong International Inc.1998)

Fig.2.8 Modo Correcto de Ejecutar una Derivacin (Tubera Secundaria) de una Tubera principal

Fuente: Manual Tcnico de Diseo y Clculos de Redes de Vapor .Edicin Junta de Castilla y Len 2010

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2.4.4. Lneas Adicionales en un Sistema de Vapor

2.4.4.1. Venas de Calentamiento (Lneas Tracer o Steam Tracer) Es una vena de vapor o lnea de vapor que se coloca en el exterior de lneas de proceso ya sea paralela o en forma de serpentn para transmitirles calor y mantener el fluido a temperaturas constantes, por lo general estas venas son de cobre y deben instalarse con un recubrimiento trmico

En muchas aplicaciones las lneas tracer son econmicas y eficientes. La temperatura debe mantenerse no slo en la tubera primaria, sino tambin a travs de las bombas, vlvulas y uniones, en resumen, donde sea que el fluido primario este expuesto a las condiciones climticas.

El vapor es el medio ms comn para mantener la temperatura de una lnea de proceso. Si se requiere mantener la temperatura del fluido primario, lo ms cercano posible a la temperatura del vapor disponible, una tubera enchaquetada se vuelve indispensable.

En refineras e instalaciones qumicas es necesario mantener la temperatura de

los fluidos durante su paso por las tuberas de proceso por tres razones

fundamentales:

Lquidos de alta viscosidad donde es difcil y costoso bombearlos a

temperatura ambiente; Fuel oil, asfaltos, residuos pesados.

Evitar separaciones o cambios de estado en el producto, incluyendo

reacciones fsicas o qumicas.

Proteccin de instrumentos de control y registros susceptibles a daos

cuando se incrementa la viscosidad.

Por estos motivos es que requerimos del uso de venas de calentamiento como

medio de calefaccin en equipos y tuberas de proceso. (Villao, 1984)

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2.5. RECUPERACIN DE CONDENSADOS

2.5.1. Formacin de Condensados

El condensado es el subproducto de la transferencia de calor en un sistema de vapor. Este se forma en los sistemas de distribucin por causas de prdidas energticas por radiacin y conduccin, tambin en sistemas de calentamiento y equipos de proceso como resultado de la transferencia de calor desde el vapor a la sustancia o material que se va a calentar; como por ejemplo se forma condensado a partir del vapor utilizado en turbinas, deshollinadores, precalentadores de aire e intercambiadores de calor que va cediendo parte de su energa.

El condensado que se forma en los sistemas de vapor debe ser removido inmediatamente y usado en la alimentacin de las calderas ya que este conserva el 25% de la energa que proporciona la caldera en la produccin de vapor y es un subproducto de alto valor al tratarse de agua pura.

(Spirax-Sarco, 2000)

2.5.2. Efectos del Condensado en los Sistemas de Vapor

La presencia de condensado en un sistema de vapor trae consecuencias desfavorables. En el caso de las lneas de distribucin, el condensado se acumula en el fondo de ellas y puede ser causante de golpes de ariete. En la figura 2.9, el vapor a altas velocidades, transporta el condensado a lo largo de la tubera formando una peligrosa onda que va creciendo hasta bloquear el flujo de vapor A.

El condensado en el rea B causa un diferencial de presin que permite que el vapor empuje esta masa de condensado a lo largo de la tubera como un ariete, cualquier cambio de direccin del flujo como reducciones, vlvulas, ts, codos o ciegos pueden ser afectados gravemente al recibir el impacto de este volumen de agua, al mismo tiempo la circulacin de lquido a alta velocidad genera problemas de erosin en las tuberas.

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Figura 2.9. Formacin de ondas de condensado por causa del flujo de vapor. Fuente: (Gua para la Conservacin de Vapor en el Drenado de Condensado, Armstrong

International, Inc. Catlogo N 101S, 1998)

Cuando el vapor entra en contacto con el condensado que se encuentra por debajo de la temperatura del vapor, puede producir otro tipo de golpe de ariete denominado choque trmico, como el vapor ocupa un mayor volumen que el condensado, las burbujas de vapor generan implosiones dentro de la fase lquida, produciendo peligrosas ondas de choque que pueden producir severos daos al sistema de tubera y accesorios.

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Otros efectos negativos del condensado en sistemas de vapor son la corrosin que se produce por la presencia de gases no condensables, como el CO2 que cuando se combina con condensado que se encuentra a una temperatura ms baja que el vapor forma cido carbnico, que corroe las tuberas y unidades de transferencia de calor (figura 2.10 A) y O2, que acelera la oxidacin del sistema, causando picaduras en las tuberas (Figura 2.10 B). (Armstrong International Inc.1998)

Fig. 2.10 Dao en Tuberas por la presencia de gases no condensables

Fuente: (Gua para la Conservacin de Vapor en el Drenado de Condensado, Armstrong International, Inc. Catlogo N 101S, 1998)

Precisamente para remover el condensado formado de la circulacin de vapor saturado; especialmente en los cambios de seccin y curvaturas de la tubera, una de las soluciones necesarias es instalar piernas colectoras (Fig. 2.11).

Fig.2.11 Pierna Colectora

Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, Design of Fluid Systems, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown

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2.5.3. Importancia Energtica del Retorno de Condensado

La recuperacin de condensados implica un ahorro de combustible en la caldera y menores costos de generacin de vapor por las siguientes razones:

El condensado normalmente retorna a una temperatura de 70 a 90 C, lo cual significa que contiene una cantidad de calor que si no es aprovechada, tienen que ser aportada por el combustible para calentar el agua de alimentacin hasta la misma temperatura.

Si el condensado (que es esencialmente agua pura) se pierde; el agua de alimentacin tiene que ser tratada, lo cual implica mayores gastos operativos por el tratamiento y el costo del agua misma.

El agua de alimentacin que reemplaza a un condensado no aprovechado contiene impurezas que incrementan el rgimen de purga y las prdidas de calor asociados a dicha purga .Un factor adicional que favorece la recuperacin de condensados es la proteccin del ambiente, ya que la descarga de fluidos calientes tiene un impacto negativo en los cuerpos receptores (ros, lagos, etc.).

En el Grfico No. 2.12 se muestra cmo son los ahorros de combustible por la recuperacin de condensado.

Fuente: (Uso Racional de Energa: Manual para consultores y expertos, CDG PAE/MEM, Per, 1999, Cap. 2)

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2.5.4. Sistemas de Recuperacin de Condensados

2.5.4.1. Sistema Abierto

El sistema abierto posee un sistema de tuberas de conduccin las que llevan el condensado desde las trampas de vapor hacia el tanque flash y/o desague, el tanque descarga el vapor flash a la atmsfera que ocasiona una prdida de energa.Se emplea en sistemas en el que el condensado es fro (71.11C - 82.22C).

2.5.4.2. Sistema Cerrado

Se diferencia del anterior en que posee un tanque flash cerrado; de esta manera no existe prdida de energa por venteo . Este sistema es mucho ms eficiente que el abierto y es empleado en aquellos equipos que posean un flujo de condensado de gran presin (alta temperatura 100C). En estos sistemas se obtiene vapor flash de expansin que puede ser utlizado en sistemas que empleen vapor de baja presin. (Navas,2005)

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2.5.5. Trampas de Vapor

Una trampa para vapor es un dispositivo que permite eliminar: condensado, aire y otros gases no condensables, adems de prevenir prdidas de vapor.

Eliminacin de condensado: El condensado debe pasar siempre, rpido y completamente a travs de la trampa para vapor para obtener un mejor aprovechamiento de la energa trmica del vapor.

Eliminacin de aire y otros gases no condensables: El aire y los gases disminuyen el coeficiente de transferencia de calor. Adems, se debe tener presente que el O2 y el CO2 causa corrosin.

Prevencin de prdidas de vapor: No deben permitir el paso de vapor sino hasta que ste ceda la mayor parte de energa que contiene, tambin las prdidas de vapor deben ser mnimas mientras la trampa libera vapor condensado, aire y gases no condensables.

2.5.5.1. Tipos de Trampas de Vapor

Las trampas de vapor se clasifican en tres grandes grupos:

Mecnicas

Termostticas

Termodinmicas

Trampas Mecnicas:

Las trampas de vapor del tipo mecnico funcionan bajo el principio de la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado. Estas trampas trabajan mediante un flotador, el cual hace de vlvula, en la que, cuando se acumula condensado sta se abre descargndolo (fig.2.12). Cuando est cerrada, comienza nuevamente el ciclo llenndose de vapor para luego comenzar nuevamente. Las trampas mecnicas son las que se emplean cuando se requiere una rpida evacuacin del condensado.

El purgador de boya o mecnico es un tipo de purgador de descarga continua, eliminando el condensado en el momento en que se forma.

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Entre las trampas de este tipo tenemos:

Trampa de flotador libre. Fig. 2.13

Trampa de flotador y palanca.

Trampas de balde.

Fig.2.13 Funcionamiento Trampa de Vapor Mecnica Tipo Flotador

Fuente:(www.tlv.com/global/LA/steam-theory/history-of-steam-traps-pt1.html)

Fig. 2.14 Trampa de vapor mecnica Flotador Libre

Fuente: (www.tlv.com/global/LA/products/080100.html)

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Trampas Termostticas:

Operan bajo el principio de diferencia de temperatura el cul es monitoreado por un termostato que est constantemente comparando la temperatura del condensado con el fin de aprovechar al mximo la temperatura del mismo dentro de los equipos .Inicialmente el condensado permanece a igual temperatura que el vapor pero con el tiempo tiende a disminuir su temperatura, entonces se abre la vlvula de la trampa para efectuar el desalojo del condensado presenta aguas arriba de la trampa. Fig.2.14

Fig.2.15 Trampa de vapor termosttica Fuente: (Seditesa Servicios y Distribuciones Tcnicas S.A)

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Trampas Termodinmicas:

Estas trampas trabajan por la diferencia de velocidad entre el vapor y el condensado. La vlvula consiste en un disco que cierra con la alta velocidad del revaporizado (vapor producido espontneamente al descargar el condensado de un nivel de presin a otro menor) y abre con la baja velocidad del condensado. Se puede ver una trampa termodinmica en la figura 2.15.Normalmente estas trampas son utilizadas para evacuar el posible condensado producido en los sistemas de vapor. El funcionamiento de estos purgadores est basado en la utilizacin de un disco para controlar la salida del condensado y retener el vapor. (Neil, 2000)

Fig.2.16 Trampa de vapor termodinmica Fuente: (Seditesa Servicios y Distribuciones Tcnicas S.A)

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CAPTULO III

METODOLOGA

El siguiente diagrama de bloques muestra el proceso planteado para el desarrollo del presente trabajo:

Fig.3 Diagrama de Bloques de Actividades Desarrolladas

Fuente: Jos A. Sosa Daza

Anlisis del Funcionamiento del Sistema Actual de Vapor y Recuperacin de Condensados.

Actividades para la Toma de Decisiones.

Planteamiento del Sistema de Recuperacin de Condensados.

Evaluacin del Sistema Diseado y Reduccin de Costos .

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3.1. SITUACIN ACTUAL DEL SISTEMA DE GENERACIN DE VAPOR Y RECUPERACIN DE CONDENSADOS EN SETIL

3.1.1. Proceso Generacin de Vapor en SETIL

El agua utilizada para la generacin de vapor y procesos de refinacin es captada desde el Ro Esmeraldas, en el sitio denominado Toma de Agua, en donde se dispone de un sistema de bombeo hacia la Refinera con una capacidad de bombeo de 630 m3/hora.

El agua cruda es almacenada en dos piscinas (piscinas de retencin), con una capacidad de almacenamiento de 54 000 m3 de agua, en las cuales los slidos son decantados, a continuacin se somete a un proceso de clarificacin en tres clarificadores (Y-ME3001A/B; Y-ME3008) en donde por accin de sulfato de aluminio y polielectrolitos, se remueven los slidos que arrastra y posteriormente es clorada para evitar la formacin de materia orgnica.

Luego es bombeada hacia los filtros de arena Y-ME7008 VA-VF en los cuales se eliminan los residuos de los slidos suspendidos. El agua filtrada es almacenada en el tanque de agua filtrada Y-T 7003 y luego se enva hacia los filtros de carbn activado Y-ME7009 VA-VC en los cuales se elimina el cloro residual.

El agua filtrada es luego introducida en las desmineralizadoresY-ME-7007 VIA-VIB y Y-ME-7007 V3A-V3B, cuyo objetivo es remover los slidos disueltos en el agua de tal manera que la conductancia especfica, slice residual y dureza total alcancen los parmetros adecuados para ser suministrados a los calderos como agua tratada.

Del proceso de desmineralizacin, el agua ingresa a los desgasificadores Y-ME7007 V2A-V2B cuya misin es eliminar los componentes gaseosos (aire, oxigeno, anhdrido carbnico y otros gases) que pueden formar parte de la corriente de agua de alimentacin.

El agua tratada proveniente de los desgasificadores es almacenada en los tanques Y-T 7001/7002 de donde es llevada mediante las bombas Y-P 7001 A/B al deareador Y-ME7002 que finalmente mediante el sistema de bombas Y-P7003 A/B/C/D es trasladada hacia los calderos YB -7002/ 3/ 4/ 5, los cuales son de tipo acuatubular; en los calderos la energa qumica contenida en el combustible (gas y fuel oil) suministrado por los quemadores instalados en el interior de las calderas se convierte en energa trmica mediante su combustin.

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El calor resultante ser transferido a un fluido agua-vapor contenido en los tubos del caldero, de tal forma que al calentarse el agua, esta cambia de estado transformndose en vapor saturado, el mismo que es sometido a un proceso de sobrecalentamiento con la finalidad de transmitirle ms energa.

El vapor generado para diferentes usos es de 600 PSIG (vapor de alta), y se reduce a 150 PSIG (vapor de media), y 50 PSIG (vapor de baja) de presin, el mismo que es enviado a las diferentes Unidades de Procesos por medio de cabezales de distribucin. Otra parte es utilizada directamente para mover los turbogeneradores en la generacin elctrica.

De esta manera REE logra generar aproximadamente 400 ton/h de vapor y una parte de este se utiliza en los turbo generadores para producir 22 Mwh de energa con lo que abastece casi en su totalidad la demanda de energa de la planta.

Condicin Actual:

Actualmente se genera vapor a un 70% de su capacidad nominal; debido a que con este porcentaje se cubre satisfactoriamente la demanda para toda la refinera.

FIG. 3.1PROCESO GENERACIN DE VAPOR REFINERA ESMERALDAS Fuente: Archivo Tcnico REE

Elaborado por: Jos Andrs Sosa

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3.1.2. Parmetros de diseo de los generadores de vapor

Tabla 3.1Condiciones de Diseo de los Generadores de Vapor

Fuente: Archivo Tcnico REE


3.1.2.1. Smbolos y condiciones de servicios del Sistema de Generacin de Vapor y Condensado

Tabla 3.2 Smbolos de servicios del Sistema de Generacin de Vapor y Condensados de SETIL

Smbolos Descripcin HS Vapor de alta presin (600Psig) MS Vapor de presin media (150 Psig) LS Vapor de baja presin (50 Psig) FG Gas combustible FO Fuel oil SC Condensado de vapor

CWR Retorno de agua de enfriamiento CWS Suministro de agua de enfriamiento BFW Agua de alimentacin a caldera TW Agua Tratada Z Solucin qumica

PA Aire para planta PI Aire para instrumentos



Parmetros Caldera Y-B7002 Caldera Y-B7003 Caldera Y-B7004 Caldera Y-B7005

Capacidad mxima (Kg/h) 90 000 90 000 114 000 100 000

Presin de vapor a la salida del atemperador (kg/cm2g) 42,2 42,2 42,2 42,2

Presin de diseo (kg/cm2g) 49 49 49 49

Temperatura del vapor en la salida del atemperador (C) 390 390 390 390

Temperatura del agua de alimentacin en la entrada (C) 147 147 147 147

Temperatura ambiental (C) 26,7 26,7 26,7 26,7

Humedad relativa (%) 100 100 100 100

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Tabla 3.3 Condiciones de servicios del Sistema de Generacin de Vapor y Condensados de SETIL

Presin de Diseo Temperatura de

Diseo Smbolos Kg/cm2g C Mximo Normal Mximo Normal

HS 49 42 399 385 MS 12.7 10.5 204 203 LS 5.7 3.5 350 230 FG 6 3.5 35 26.7 FO 25 20 300 220

CWS 5.3 3 121 30 CWR 5.3 3 121 45 BFW 77 61.2-71.7 165 147 TW 12.7 10 38 30 PA 8 7.7 52 26.7 IA 8 7 52 26.7



3.1.2.2. Condiciones de agua desmineralizada (BFW) Tabla 3.4 Parmetros de agua desmineralizada (BFW)

Parmetros Valores Conductividad < 20MHo/cm Slice (SiO2 ) < 1 ppm Turbidez < 0.5 ppm SiO2 PH(a 25C) 8 9 Dureza(CaCO3) 0 ppm Aceite y Grasa 0 ppm Oxgeno Disuelto(O2) < 0.03 ppm Hierro (Fe++) < 0.1 ppm Cobre(Cu+) < 0.05 ppm



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3.1.2. Anlisis del Sistema de Recuperacin de Condensados Generados en SETIL

El rea de Servicios Auxiliares de la Refinera Estatal de Esmeraldas (SETIL) cuenta con recuperacin de condensados procedentes de los cuatro precalentadores de aire con vapor de las cuatro calderas:

Tabla 3.5 Precalentadores de aire con vapor de las 4 calderas

CALDERAS PRECALENTADOR DE

AIRE

Y-B7002 YB-E7002

Y-B7003 YB-E7003

Y-B7004 Y-ME7403

Y-B7005 YB-E7005



Este condensado es recolectado por la lnea de 4SCH-Y7004-AA7-H40 que llega al Deareador Y-ME7002; aunque existe un by pass de esta lnea que enva el condensado al Y-V7003 (Condensate Flash Drum).

As mismo se produce condensado de los turbogeneradores (Y-G7001/7002/7003/7004) que utilizan vapor de 600 Psig; este condensado ingresa al Deareador por la lnea de 4-SC-Y7032-A1A1; tambin existe un by pass de esta lnea que llega hacia el tanque de agua tratada Y-T 7001.

Condicin Actual:

Actualmente todo el condensado generado de los precalentadores de aire y turbogeneradores est siendo retornado al deareador.

En esta unidad existen tres drenajes que descargan vapor flash y condensado hacia una canaleta ubicada en la calle dos; surgiendo la imperiosa necesidad de disear un sistema para recuperar estos condensados.

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FIG. 3.2 RECUPERACIN DE CONDENSADOS GENERADOS EN SETIL Fuente: Setil


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3.1.2. Anlisis del Sistema de Recuperacin de Condensados Principal de la REE ubicado en el rea de SETIL

El sistema principal de retorno de condesados de las principales reas de Refinera Esmeraldas se encuentra localizado en el rea de Servicios Auxiliares

Este sistema se encuentra conformado por un recipiente colector de condensado y vapor flash procedente de las distintas reas de la Refinera Esmeraldas denominado Y-V7003 (Condensate flash drum), un detector de hidrocarburos en condensados (AT-7088) adems de un recipiente de almacenamiento de condensados contaminados Y-V7004 (Condensate Blowdown Drum); posee un sistema de bombas (Y-P7010 A/B) para enviar el condensado recuperado al deareador (Y-ME7002).

Las principales lneas que llegan al Y-V7003 son:

4SCH-50001-MS11-H50 esta es la lnea que recoge los condensados del rea de SETRA.

6SCH-70001-MS11-H50 esta es la lnea que colecta los condensados principales del rea de Crudo 1 y FCC (PROCESOS).

4SC-74101-MS11-H esta lnea recoge los condensados procedentes de los precalentadores de aire de las 4 calderas (Y-B7002/7003/7004/7005) que existen en esta planta y se une a la lnea de condensados de Procesos.

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Lneas que llegan al Y-V7004:

Aparte de los condensados que regresan mediante un By-Pass a la salida de las bombas Y-P7010 A/B a este equipo.

Ingresan dos lneas al Y-V7004:

3SC-70200-MS11-H que proviene de la Planta de Tratamiento de Gases U1, especficamente del U1-V08 que es un tambor de condensado y vapor flash.

3SC-23003-MS11-P25 procedente de la Planta de Tratamiento de Gases U; del recipiente U-V08.

Actualmente este sistema se encuentra deshabilitado por falta de mantenimiento y sin preservacin:

FIG.3.3 SISTEMA DE RECUPERACIN DE CONDENSADOS DE REE UBICADO EN SETIL

Fuente: Administracin D.C.S - REE

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3.2 ACTIVIDADES PARA LA TOMA DE DECISIONES

Esta etapa incluy una serie de actividades que se realizaron para obtener la mayor cantidad de datos necesarios para la generacin de alternativas en el planteamiento del sistema propuesto; cabe recalcar que se efectu el levantamiento de informacin en campo; recoleccin de informacin con registros histricos e informacin proporcionada por el personal operativo de la planta. Las actividades que se efectuaron se encuentran detalladas a continuacin.

3.2.1 Evaluacin de los puntos donde se genera condensado en SETIL

Se llev acabo la evaluacin de las zonas dentro del rea de SETIL donde se genera la mayor cantidad de prdidas de condensado y vapor.

Se encontr que en la calle 4 existen prdidas menores de vapor y condensado en los manifolds que derivan de los cabezales secundarios de vapor y drenes de equipos cercanos al rea.

FIG.3.4 Prdidas de Condensado y Vapor adyacente a la calle 4

Fuente: Jos A. Sosa Daza (06/05/2013)

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Se identific que existen tres drenajes que descargan vapor flash y condensado en una gran cantidad hacia una canaleta ubicada en la calle dos; procedente de los manifolds; sistema de trampeo de las cuatro calderas, tambin del condensado generado por el soplado de holln; as mismo del sistema de calentamiento de fuel ol (traceadores) que se utiliza como combustible para las calderas; y de los cabezales de vapor; siendo este un gran desperdicio de condensado y energa.

FIG.3.5 Prdidas de Condensado y Vapor principales adyacente a la calle 2

Fuente: Jos A. Sosa Daza (06/05/2013).

Nota: Se tom la temperatura del condensado in situ.

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En toda la planta de UTILIDADES se hallaron diferentes tipos de fugas en bridas, sellos de vlvulas y trampas de vapor como se muestran en las siguientes fotos:

FIG.3.6 Fuga de vapor en sello de Trampa de Vapor


FIG.3.7 Fuga de vapor vivo en tubera de entrada Trampa de Vapor


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FIG.3.8 Fuga de vapor en Brida de Vlvula


FIG.3.9 Fuga de vapor flash y condensado en lnea de condensado del Precalentador de Aire YB-E7005


Fuga de vapor flash y

condensado

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3.2.2. Registro e identificacin de Trampas de Vapor Se ejecut el inventario de todas las trampas de vapor del rea de generacin de vapor y energa principalmente las trampas que descargan el condensado hacia el sistema de drenaje principal de los cabezales de vapor, venas de calentamiento y condensados provenientes de las cuatro calderas de vapor adyacente a la calle 2.

Este inventario incluye la cantidad; el estado actual de estas trampas, las dimensiones, ubicacin, servicio, marca y modelo segn la marca.

Las trampas de vapor se identificaron mediante el uso de placas plsticas numeradas de acuerdo al inventario realizado.

FIG.3.10 Etiquetado de Trampas de vapor


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3.2.2.1. Diagnstico de Trampas de Vapor

Una etapa fundamental en el anlisis del sistema de recuperacin de condensado es medir el estado de trampas de vapor en el rea de vapor y energa, para estimar las descargas tpicas de condensado.

Para determinar el porcentaje de trampas de vapor en falla se realiz una inspeccin visual adems con la ayuda de la empresa SERVIMEC se utiliz un equipo ultrasnico Dr. Trap PM 330 que permite percibir el funcionamiento del mecanismo interno de la trampa , los resultados se pueden ver en el siguiente captulo.

3.2.3. Caracterizacin Fsico-Qumica de muestras de Condensados

Se efectu una caracterizacin de los condensados principales que llegan al deareador (procedentes de las plantas de FCC, Proceso, Azufre y del Y-G7002) para conocer las propiedades y compararlas con la del condensado generado en el rea se utiliz mtodos analticos estndares en la refinera, los procedimientos se describen a continuacin.

Tabla 3.6 Tabla de Referencia de Valores permitidos en las Propiedades de Condensados

Propiedades Unidad Rango

Adecuado pH 8 - 9 Slice ppm < 0.5 Hierro ppm < 0.1 Dureza Total ppm 0 - 0.1 Conductividad Umhos/cm No especifica

Fuente: Laboratorios NALCO-SIBA


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Muestra: Condensado

ANLISIS PARA DETERMINAR SLICE

Se tomaron 25 ml de muestra en un tubo para esta capacidad.

Mediante el uso de un colormetro (Colormetro HACH DR/890), se utiliz el programa 90 para el reconocimiento de SiO2 .

Se agreg 0.5 ml de Molibdato 3 a la muestra y se esper cuatro minutos.

Luego se adicion 0.5 ml de cido ctrico esperando un minuto; se encera el colormetro.

Despus se le agrega un sobre de reactivo para detectar slice (Silica Amino Acid F) y se espera un minuto.

Finalmente se coloca la muestra en el colormetro y se lee el resultado en ppm.

Nota: La coloracin azul denota la presencia de slice en la muestra.

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ANLISIS PARA DETERMINAR HIERRO


Se utiliz el programa 33 en el colormetro para el reconocimiento de Fe++.

Se encera el colormetro con una muestra blanco patrn (agua destilada).

Se le adicion un sobre de reactivo a la muestra para la deteccin de hierro (Iron Anthroline) y se espera tres minutos.

Finalmente se coloca la muestra en el colormetro y se lee el resultado en ppm.

ANLISIS PARA DETERMINAR DUREZA TOTAL


Se le adiciona 10 gotas de Buffer de dureza ms dos gotas de Indicador de calcio y magnesio.

Se utiliz el programa 122 en el colormetro para el reconocimiento de Dureza Total (CO3Ca).

Enceramos con la misma muestra en el colormetro.

Luego de agregamos una gota de EDTA 1M y esperamos treinta segundos.

Finalmente se coloca la muestra en el colormetro y se lee el resultado dado en ppm.

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ANLISIS PARA DETERMINAR PH:

Para este anlisis se utiliz un medidor de pH mecnico con pantalla grfica (780 pH Meter) de marca Metrohm.

La muestra de condensado fra se la coloc en un vaso plstico llenndolo a la mitad de su capacidad luego se le introduca el sensor y despus de unos minutos nos proporcionaba el resultado automticamente.

ANLISIS PARA DETERMINAR CONDUCTIVIDAD:

Para este anlisis se utiliz un equipo para medir la conductancia especfica (Ultrameter de marca Myron L. Company).

La muestra de condensado se la coloc, en el orificio del equipo y automticamente nos da el resultado en Umhos/cm.

3.2.4. Cuantificacin de prdidas de Condensado y Vapor en el rea

La cantidad de condensado procedente de las reas de vapor y energa se determinaron mediante balances de materia y energa utilizando como estimativo parmetros de diseo; descarga tpica de condensado de las trampas de vapor definidas por cada fabricante adems de la comprobacin en campo de estas descargas.

Equipos y lneas aportantes de condensado como turbinas, deshollinadores, lneas principales de vapor, sistema de calentamiento de combustleo no poseen instrumentos de medicin de vapor que permita predecir las cantidades de condensado. El clculo del condensado descargado a travs de las trampas de vapor se realiz mediante el inventario realizado de las trampas de vapor donde se conocen las descargas tpicas de condensado; los resultados se pueden observar en las tablas.

61

3.3. Planteamiento para el Diseo del Sistema de Recuperacin de Condensado procedente de los Drenajes de Cabezales de Vapor y Venas de Calentamiento.

3.3.1. Sistema de Tubera

Se plante el diseo de una tubera para recuperar el condensado descargado por los tres drenajes principales que se encuentran dirigidos a la calle dos, este sistema de tubera est compuesto por un cabezal principal que colecta el condensado de las lneas secundarias provenientes de las trampas de vapor.

Se determin el diseo de acuerdo a las condiciones del fluido (condensado); ya que el problema ms importante es la necesidad de lidiar con vapor flash o secundario por la descarga de condensado caliente. Una tubera de retorno debe de ser capaz de llevar condensado y vapor flash a una velocidad razonable; as mismo una cada de presin aceptable, ya que el volumen del vapor flash es varias veces mayor que el volumen de condensado.

Parmetros necesarios para dimensionar tuberas de Retorno de Condensado:

Los parmetros necesarios para el dimensionamiento de esta clase de tuberas son las siguientes:

Caudal de condensado

Presin de vapor

Presin en la tubera de retomo

Velocidad permisible en la tubera de retorno (para este caso 15 m/seg)

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3.3.2. Seleccin del Tambor de Recuperacin de Condensado y Vapor Flash

Se realiz la seleccin de un tambor de recuperacin de condensado y vapor flash con la finalidad de colectar, separar, as mismo distribuir el condensado; conforme las condiciones del fluido y de la lnea de retorno.

Parmetros necesarios para seleccionar un tanque colector de condensado y vapor flash:

Presin en las trampas de vapor

Presin del vapor flash existente

Caudal de condensado

3.3.3. Seleccin del sistema de bombeo Se efectu la seleccin de una bomba centrfuga para enviar el condensado al deareador tomando en cuenta las condiciones requeridas:

Parmetros necesarios para seleccionar una bomba para el retorno de condensado al deareador:

NPSH

Eficiencia

Caudal

Temperatura

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3.4. Anlisis Econmico del Sistema Actual y del Sistema Diseado de Recuperacin de Condensados

Se realiz el anlisis econmico de la situacin actual del sistema; se calcul los costos de la generacin de vapor; comparndolos con los estimados por la empresa.

Se calcul el costo del condensado y adicionalmente se obtuvo el costo del metro cbico de agua tratada.

Se determin las prdidas por no retornar una cantidad ptima de condensado al deareador; asimismo las prdidas de vapor en el rea.

Se estim los costos del sistema propuesto costos por estudios necesarios e interventora, compra de tubera, accesorios, instalacin, adquisicin de equipos.

En base a los resultados obtenidos se estableci el ahorro econmico y retorno de inversin del proyecto.

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4. RESULTADOS Y ANLISIS

4.1 Anlisis Sistema Actual de Recuperacin de Condensado

Para realizar el anlisis energtico del sistema actual de recuperacin de condensado se tuvo en cuenta los siguientes parmetros:

Tabla 4. Anlisis Energtico del Sistema Actual de Recuperacin de Condensados

PARMETROS VALORES UNIDADES

Capacidad de Generacin de Vapor Actual 270 Ton/hr

Presin de Operacin de las Calderas 600 Psig

Eficiencia de las Calderas 85 %

Porcentaje Estimado de Retorno de Condensados 75 %

Cantidad de Agua de Reposicin (Make-up): 25 %

Temperatura de Agua de Reposicin 26 C

Fuente: DCS


La Refinera Estatal de Esmeraldas produce actualmente un flujo estimado de 270 Ton/hr de vapor a una presin de 600 Psig para satisfacer la demanda que exige los diferentes procesos. El porcentaje estimado de retorno de condensado es del 75%; y del agua tratada (make up) es de 25% los clculos obtenidos para determinar estos porcentajes se los detallar ms adelante.

Eficiencia en calderas:

Para realizar la estimacin de la eficiencia en las calderas se tom los flujos de ingreso y salida de calor al sistema; la cantidad de vapor generado y la cantidad de combustible consumido.

Los datos mencionados fueron proporcionados en el DCS (Sistema de Control Distribuido Master): en el panel de control del rea de Servicios Auxiliares; adems se verific en sitio mediante los instrumentos como indicadores de presin, temperatura y medidores de flujo. (VER ANEXOS)

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A partir de estos datos y de las temperaturas del vapor y del agua de alimentacin a la caldera se calcula la eficiencia como:

Q til (hv - ha) n = *(100) = V *(100)

Q suministrado (Cc)*(PCB)

Donde:

n: rendimiento del caldero expresado en %

V: Cantidad de vapor en Kg/h

hv: Entalpa del vapor en KJ/kg

ha: Entalpa del agua de alimentacin en KJ/kg

Cc: Cantidad de combustible en Kg/h

PCB: Poder calorfico bajo del combustible en KJ/kg

Clculo:

Datos:

V = 270 000 Kg/h

hv = 3198. 6 KJ/kg (Steam Tables a 42 Kg/cm2)

ha = 1213. 4 KJ/kg (Steam Tables a 147C)

Cc = 15008 Kg/h

P.C.I = 41800 KJ/kg Del Fuel oil N6

n= 270 000 kg/hr*(3198. 6 KJ/kg - 1213. 4 KJ/kg) / (15008 Kg/h*41800 KJ/kg)*100

n= 85.4 % de Eficiencia en las Calderas

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4.2. Registro, Identificacin y Diagnstico de Trampas de Vapor

La siguiente tabla muestra los resultados del registro de las trampas de vapor que descargan el condensado hacia el canal de drenaje principal de los cabezales de vapor, venas de calentamiento y condensados provenientes de las cuatro calderas de vapor adyacente a la calle 2.

Para el siguiente registro se usarn los siguientes tems:

Tabla 4.1 Aplicacin de trampa de vapor

APLICACIN DE LA TRAMPA DEFINICIN

Drip Pozo de Goteo

Tracer Lnea de traceo

Fuente: UNFCCC


Tabla 4.2 Definiciones para identificar las trampas de vapor fallidas TRMINOS DESCRIPCIN DEFINICIN

GOOD

Trampa Buena

Trampa en normal funcionamiento

BLOWING

Trampa Abierta Trampa ha fallado en un modo abierto con la prdida mxima de vapor. Trampa debe ser reparada o reemplazada

LEAK

Trampa con Fuga Trampa ha fallado en un modo parcialmente abierto con una prdida de vapor de aproximadamente el 25% de su capacidad. Trampa debe ser reparada o reemplazada.

BLOCKED Trampa Atascada Ha fallado en una posicin cerrada. Trampa debe ser reparada o reemplazada.

LOW TEMP. Trampa Inundada Es insuficiente e incapaz de manejar la carga de condensado. Trampa debe ser sustituido por uno de tamao apropiado

NO SERVICE Trampa Fuera de Servicio Fuera de servicio de la lnea de suministro de vapor est cerrada y la trampa no est en servicio.

Fuente: UNFCCC


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Tabla 4.3 REGISTRO DE TRAMPAS DE VAPOR

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RESULTADOS DEL INVENTARIO REALIZADO EN EL REA DETERMINADA:

Tabla 4.3 MARCAS DE TRAMPAS DE VAPOR

FABRICANTE CANTIDAD

TLV 196

SPIRAX SARCO 86

ARMSTRONG 17

VELAN VALVES 90

NICHOLSON 7

BESTOBELLS 36

YARWAY 16

OTRAS 42

TOTAL 490


Fig.4 Grfico de los Fabricantes de las Trampas de vapor


Esta grfica nos manifiesta que la poblacin de trampas de vapor es muy variada; siendo esto negativo para el sistema de vapor y condensado ya que la falta de repuestos en stock limita su mantenimiento.

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Tabla 4.4 ESTADO DE TRAMPAS DE VAPOR

RESUMEN TEST DE TRAMPAS DE VAPOR

ESTADO DE TRAMPAS DE VAPOR CANTIDAD

Trampas Inundadas 103

Trampas Atascadas 59

Trampas Abiertas 78

Trampas con Fugas 29

Trampas en Buen Estado 155

Trampas Fuera de Servicio 66

Total de Trampas Testeadas 490


Fig.4.1 Grfico del Estado de las Trampas de Vapor Testeadas


Estos resultados nos indican que el 68% de las trampas de vapor inventariadas se encuentran en estado de falla, producto de la carencia de una poltica de revisin y mantenimiento, tambin se trata de equipos de una vida til de aproximadamente 8 aos por lo tanto luego de su uso prolongado, es factible que estas tiendan a fallar.

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4.3. Resultados de la Caracterizacin Fsico-Qumica de muestras de Condensados

Las siguientes tablas muestran los resultados de la caracterizacin fsico-qumica de las muestras de condensados analizadas, los parmetros indicados se realizaron con los ensayos estandarizados del Laboratorio de la Refinera Esmeraldas; los valores obtenidos se encuentran dentro de los parmetros de la normativa.

Tabla.4.5 Resultados de Caracterizacin de muestra de FCC

Condensado Proveniente de FCC Fecha

pH Slice (SiO2 ppm)

Hierro (Fe++ ppm)

Dureza Total (CaCO3 ppm)

Conductividad (Umhos/c

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