Comment la récupération des vapeurs peut-elle réduire les coûts et les émissions ?

En el mundo industrial actual, la eficiencia energética y la reducción de costos son esenciales. El vapor flash, generado cuando el condensado presurizado reduce su presión de manera súbita, puede ser una valiosa fuente de energía reutilizable. Este proceso no solo disminuye la necesidad de generar nuevo vapor, reduciendo costos operativos, sino que también ayuda a disminuir las emisiones de carbono, promoviendo operaciones más sostenibles. Implementar sistemas de recuperación de vapor flash y termocompresión puede transformar significativamente la eficiencia energética de tu planta. ¡Descubre en este artículo cómo puedes optimizar tu proceso y contribuir a un futuro más limpio y eficiente!

¿Qué es el Vapor Flash?

El «vapor flash» es simplemente vapor. El prefijo «flash» se usa para informar que este vapor se ha generado a partir de condensado/agua caliente presurizada que ha reducido su presión de manera súbita.

El vapor flash se genera cuando el condensado a alta presión se libera a una presión más baja. El agua hierve a 100°C a presión atmosférica. El vapor generalmente se utiliza a una presión superior a la presión atmosférica dentro de las tuberías de vapor. A medida que el vapor pierde su calor al transportarlo para las operaciones del proceso o por pérdidas de radiación, resulta en condensado. El condensado formado tiene la misma presión y temperatura que el vapor.

El condensado presurizado se introduce a la presión atmosférica con más energía de la que podría contener a presión atmosférica. La energía excedente se utiliza para convertir el condensado. Esta ocurrencia se conoce como «flashing» y el vapor generado se conoce como vapor flash.

Debido al vapor flash, las tuberías de acero y cobre conectadas a la salida o purgadores de vapor están más expuestas a la corrosión interna. La obstrucción del purgador de vapor conduce a altas tensiones en el sistema de tuberías internas. Esto elimina el recubrimiento de resistencia a la corrosión interna, lo que resulta en el adelgazamiento de la superficie metálica interna. El vapor transporta las impurezas y daña aún más la tubería.

La fórmula para calcular el vapor flash generado es la siguiente:

Flash % = (Hf1-Hf2)/Hfg2

• Hf1 = Calor sensible en el condensado a mayor presión
• Hf2 = Calor sensible en el condensado a menor presión
• Hfg2 = Calor latente del vapor formado a menor presión

Volumen de Vapor Flash Generado

El vapor es más denso en comparación con el agua, lo que resulta en un pequeño aumento en el porcentaje de vapor flash generado que aparece como un gran aumento en el volumen de vapor generado. Para entenderlo en profundidad, el volumen de condensado a 100°C es 0.00104 m³/kg, y el volumen de vapor atmosférico es 1.67 m³/kg. A medida que el condensado a alta temperatura a 1.0 MPaG se libera a una presión más baja como la atmosférica, el 16.1% en masa de ese condensado se convierte en vapor.

Entendamos en profundidad ¿Cómo se forma el vapor flash?

Vamos a desglosar esto de manera sencilla. El vapor a una determinada presión tiene dos tipos de energía: energía sensible y energía latente. La energía latente está disponible mientras el vapor está en su forma gaseosa, pero cuando se condensa, esta energía se libera y lo que queda en el condensado es la energía sensible.

Para entenderlo mejor, veamos el vapor en dos presiones diferentes, usando algunos datos de una tabla de vapor:

• A 9 barg (una presión alta), el vapor tiene 2,014 kJ/kg de energía latente y 763 kJ/kg de energía sensible.
• A 0 barg (presión atmosférica), el vapor tiene 2,256 kJ/kg de energía latente y 419 kJ/kg de energía sensible.

La diferencia en energía sensible entre estos dos puntos es de 344 kJ/kg. Esta energía extra es la que hace que una pequeña cantidad de condensado se convierta en vapor instantáneamente si el condensado a 9 barg baja su presión a 0 barg. Este fenómeno solo ocurre con condensado caliente, ya que el condensado frío ya ha liberado su exceso de energía.

Para visualizar esto, consideremos un ejemplo. Si tienes 5,000 kg de condensado a 9 barg y reduces su presión a 0 barg, este es el cálculo para saber cuánto vapor flash se produciría.

Así, de los 5,000 kg de condensado inicial, se perderían 762 kg como vapor flash.

Este tipo de cálculos te ayuda a determinar cuánta energía podrías estar perdiendo en tu proceso, y a partir de ahí, puedes buscar formas de recuperar parte de esta energía para mejorar la eficiencia de tu sistema.

Utilización del Vapor Flash

La nube de vapor se forma por el vapor flash como resultado de la descarga de condensado. Dado que la calidad del vapor flash y el vapor vivo es la misma, muchas unidades de proceso utilizan una cantidad considerable de vapor flash siempre que sea posible.

Reutilizar el vapor flash en un sistema de menor presión generado por el sistema de alta presión lleva a ahorros significativos de energía, además de reducir las nubes de vapor. El sistema de gestión de calor residual evalúa el sistema de recuperación de condensado y el sistema de recuperación de vapor flash como pares.

Ejemplos Prácticos de la Industria para la Utilización del Vapor Flash

1. Industria Alimentaria / Pasteurización y Esterilización: En las plantas de procesamiento de alimentos, el vapor flash se reutiliza en sistemas de menor presión para procesos de pasteurización y esterilización. Por ejemplo, una planta de productos lácteos puede utilizar el vapor flash para calentar agua utilizada en la limpieza y esterilización de equipos, reduciendo así el consumo de energía y optimizando el uso del vapor generado.
2. Industria Textil / Máquinas de Tintes y Secadores: En la industria textil, el vapor flash se aprovecha para alimentar máquinas de tintes y secadores. Las altas temperaturas necesarias para estos procesos se logran eficientemente mediante el uso del vapor flash, lo que reduce la necesidad de generar vapor adicional y disminuye el gasto energético.
3. Refinerías de Petróleo / Recuperación de Energía en Columnas de Destilación: En las refinerías de petróleo, el vapor flash se utiliza en las columnas de destilación para mejorar la eficiencia energética. El vapor flash generado en los intercambiadores de calor se redirige para proporcionar calor adicional a las columnas de destilación a menor presión, mejorando así el rendimiento del proceso y disminuyendo las emisiones de vapor a la atmósfera.
4. Plantas de Papel y Celulosa / Calentamiento de Cilindros Secadores: En las plantas de papel y celulosa, el vapor flash se emplea para calentar los cilindros secadores que se utilizan en el proceso de secado del papel. El uso de vapor flash para esta aplicación permite un control más preciso de la temperatura y humedad del papel, mejorando la calidad del producto final y reduciendo el consumo de energía.
5. Fábricas de Productos Químicos / Sistemas de Reactores y Evaporadores: Las fábricas de productos químicos utilizan vapor flash en sistemas de reactores y evaporadores. El vapor flash generado en los procesos de condensación se redirige para proporcionar calor a los reactores químicos y evaporadores, permitiendo una operación más eficiente y sostenible.
6. Plantas de Energía / Precalentamiento de Agua de Alimentación: En las plantas de energía, el vapor flash se utiliza para el precalentamiento del agua de alimentación de las calderas. Este uso del vapor flash no solo mejora la eficiencia térmica del sistema de generación de energía, sino que también contribuye a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Beneficios de la recuperación de vapor flash

• Mejora del proceso al recuperar energía térmica valiosa del condensado, mejorando la eficiencia energética general y la rentabilidad de la línea.
• Aumento de la capacidad de la caldera al reducir el vapor perdido como vapor flash, quedando disponible para otros usuarios, lo cual es beneficioso en sitios donde la capacidad de generación de vapor es una preocupación operativa.
• Reducción de emisiones de carbono (CO2).

Procesos y sistemas para la recuperación de Vapor Flash

Un sistema de recuperación de vapor flash libera vapor flash en un recipiente en lugar de la atmósfera. Se reintroduce en el sistema de calderas de vapor o para alimentar aplicaciones de baja presión. El condensado que se vaporiza al salir de los purgadores de vapor entra en el recipiente de vapor flash. Llega a la mitad del recipiente con el vapor y el condensado separándose en la parte superior e inferior del recipiente, respectivamente.

Un sistema eficaz de recuperación de vapor flash requiere varios factores:

• Necesita un condensado de alta presión adecuado para liberar suficiente vapor flash para una recuperación rentable.
• Una aplicación adecuada de baja presión para el vapor flash recuperado. Es necesario asegurar que la demanda del vapor flash esté de acuerdo con su disponibilidad.
• La aplicación para el vapor flash debe estar aproximadamente cerca de la fuente de condensado de alta presión.
• La trampa de vapor y el equipo deben funcionar correctamente contra la contrapresión aplicada por el sistema de vapor flash.
• La presión del vapor que llega por debajo de la presión determinada del vapor flash reduce la cantidad total de vapor flash formado.

Los beneficios de usar un tanque de flash incluyen:

• Separación del condensado y el vapor flash.
• Entrega del vapor flash a bajas velocidades en el sistema de vapor de baja presión para asegurar que no se recupere el condensado.
• Suficiente espacio para almacenar una cantidad calculada de condensado y vapor flash.

Nota: La liberación de energía o vapor flash ocurre en una línea de condensado que está correctamente dimensionada para las tasas de flujo.

Los tanques de flash pueden montarse vertical u horizontalmente, pero el arreglo vertical es el método preferido porque proporciona una mejor separación del vapor y el condensado, resultando en la mayor calidad posible del vapor flash.

La dimensión más importante en el diseño de tanques de flash verticales es el diámetro interno, que debe ser lo suficientemente grande como para asegurar una baja velocidad de descarga de vapor a través de la boquilla de salida del flash, eliminando cualquier posibilidad de arrastre de condensado. Las velocidades de salida del tanque de flash no deben exceder los 3,000 pies por minuto.

La línea de retorno del condensado debe estar correctamente dimensionada para asegurar que el vapor flash se libere en la línea de condensado antes de entrar al tanque de flash; por lo tanto, el tanque de flash se convierte en un tanque de separación (vapor flash y condensado). Desafortunadamente, un alto porcentaje de las líneas de condensado en las operaciones de plantas industriales no están correctamente dimensionadas, por lo que todo el vapor flash no ocurre en la línea de condensado. En estos casos, el tanque de flash debe tener un área adicional para la liberación del vapor flash.

Los tanques de flash se consideran recipientes a presión y deben construirse de acuerdo con las normas ASME y los códigos locales.

Termocompresión: Transformando Vapor Flash en Ahorros Energéticos y Reducción de Emisiones

Un gran porcentaje de plantas no necesita vapor de baja presión; por lo tanto, no se puede implementar un sistema de vapor en cascada. Sin embargo, aún es posible aprovechar el vapor flash para reducir costos y emisiones mediante la incorporación de un sistema de termocompresión.

Recuperación del Vapor Flash mediante Termocompresión

La termocompresión toma el vapor de baja presión, que normalmente no puede ser reutilizado, y lo transforma en una presión de vapor más alta y utilizable. Este proceso es particularmente beneficioso para plantas que no tienen una aplicación directa para el vapor de baja presión, ya que permite aprovechar la energía del vapor flash en otras partes del sistema de vapor.

El termocompresor es un dispositivo simple pero eficiente que ha existido durante muchos años. Su funcionamiento se basa en principios físicos bien establecidos. El dispositivo cuenta con una boquilla donde el vapor de alta presión, proveniente de una fuente de la planta, se acelera hasta convertirse en un fluido de alta velocidad. Esta alta velocidad del vapor crea una fuerza de arrastre que incorpora el vapor de baja presión del tanque de flash mediante transferencia de momento. Luego, el vapor combinado se recomprime en un venturi divergente, resultando en una presión de vapor intermedia y utilizable.

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Beneficios Económicos y Ambientales

• Reducción de Costos: Al recuperar y reutilizar el vapor flash, las plantas pueden reducir significativamente la necesidad de generar nuevo vapor a partir de sus calderas. Esto conlleva a una disminución en el consumo de combustible, lo que a su vez reduce los costos operativos asociados con la compra de combustibles y el mantenimiento de las calderas. Además, al reducir la demanda de vapor de alta presión, se puede extender la vida útil de los equipos, disminuyendo así los gastos en reparaciones y reemplazos.
• Reducción de Emisiones: La termocompresión contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Al maximizar la utilización del vapor flash, se reduce la cantidad de combustible necesario para generar vapor adicional. Esto resulta en una menor combustión de combustibles fósiles y, por lo tanto, en una disminución de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) y otros contaminantes. Esta práctica no solo ayuda a cumplir con las regulaciones ambientales más estrictas, sino que también mejora la sostenibilidad general de las operaciones de la planta.
• Eficiencia Energética: La implementación de sistemas de termocompresión mejora la eficiencia energética de las plantas. Al reutilizar el vapor flash de manera efectiva, se optimiza el uso de energía en todo el proceso industrial. Esta eficiencia energética se traduce en una operación más sostenible y rentable, permitiendo a las plantas maximizar el retorno de la inversión en sus sistemas de vapor.
• Versatilidad Operativa: La presión de vapor intermedia generada por el termocompresor es útil para diversas aplicaciones dentro de la planta. Esto proporciona una mayor flexibilidad operativa, permitiendo a las plantas ajustar sus procesos según sea necesario para optimizar la producción y el consumo de energía.