Artículo

Universidad Rafael Landívar
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Química
Sistemas de Vapor
Ing. José Ángel Ruano
IMPORTANCIA DE LA CORRECTA SELECCIÓN, DISEÑO,
MONTAJE Y OPERACIÓN DE SISTEMAS DE VAPOR COMO
INGENIERO QUÍMICO
Javier Alejandro Figueroa Soria
1195219
Guatemala, 14 de octubre del 20222
I.
RESUMEN
La ingeniería química es la profesión en la que el conocimiento de las matemáticas, la
química y otras ciencias naturales adquirido por el estudio, la experiencia y la práctica, se
aplica con adecuado criterio para desarrollar métodos económicos para el aprovechamiento
de materiales y energía. Esta profesión, conoce sobre propiedades básicas, fisicoquímicas,
termodinámicas y bioquímicas del agua; haciendo un margen completo de la capacidad que
este material posee para la generación de energía es su fase liquida o gaseosa.
Primordialmente, conocer el comportamiento que el vapor de agua posee y los beneficios
que este puede otorgar si es utilizado de manera correcta, es una de las áreas de mayor
aplicación para aun ingeniero químico.
No solo el conocimiento de las propiedades es lo que hace a un ingeniero químico el perfecto
candidato para el manejo de un sistema de vapor; sino también el hecho de que gracias a
ese conocimiento es capaz de diseñar, seleccionar, operar y darle mantenimiento continuo
a un sistema de vapor. Este consta de 4 fases generales, el tratamiento del agua, la selección
de la caldera, la generación de vapor y el circuito o retorno de condensado. Un correcto
manejo de cada fase permitirá que el sistema de vapor funcione de manera eficaz, con
calidad y ahorrativa tanto enérgicamente como económicamente.
Palabras Clave: Ingeniero Químico, Caldera, Vapor, Condensado, Mantenimiento, Diseño y
Selección.
II.
ABSTRACT
Chemical engineering is the profession in which the knowledge of mathematics, chemistry
and other natural sciences acquired by study, experience and practice, is applied with
adequate criteria to develop economic methods for the use of materials and energy. This
profession knows about basic, physicochemical, thermodynamic and biochemical properties
of water; Making a complete margin of the capacity that this material possesses for the
generation of energy is its liquid or gaseous phase. Primarily, knowing the behavior that
water vapor has and the benefits that it can provide if used correctly, is one of the areas of
greatest application for a chemical engineer.
Not only the knowledge of the properties is what makes a chemical engineer the perfect
candidate for the management of a steam system; but also the fact that thanks to that
knowledge he is able to design, select, operate and give continuous maintenance to a steam
system. This consists of 4 general phases, water treatment, boiler selection, steam
generation and the condensate circuit or return. A correct management of each phase will
allow the steam system to work efficiently, with quality and saving both energetically and
economically.
Keywords: Chemical Engineer, Boiler, Steam, Condensate, Maintenance, Design and
Selection.
III. INTRODUCCIÓN
Un Ingeniero Químico es aquel que utiliza las principales ciencias básicas en
aplicaciones industriales, con el fin de transformar materias primas diversas en
productos y/o servicios útiles y de valor comercial para la sociedad. Los Ingenieros
Químicos de hoy enfrentan retos similares a los que se enfrentan otras profesiones,
y les hacen frente aplicando los conocimientos y el entrenamiento propios de la
ingeniería química, utilizando habilidades de comunicación y trabajo en equipo, así
como el uso de las tecnologías y técnicas más avanzadas disponibles, además de
mucho esfuerzo, trabajo y dedicación.
Uno de los retos más importantes que enfrentan los químicos, pero que a su vez
saben manejar a la perfección, es el uso del vapor como fuente de energía primaria
para diversos procesos industriales; sin embargo, el manejo del vapor posee altos
cuidados y especificaciones en el diseño y selección de equipos y sistemas que
generan, controlan y suministran el vapor.
El vapor es uno de los medios más efectivos para transferir calor. El agua se
encuentra en cualquier parte y requiere relativamente pequeñas modificaciones de
su estado natural para utilizarla en equipos y realizar algún proceso. El vapor es fácil
de transportar y no se necesitan enormes cantidades de él para mover grandes
cantidades de calor. Como conductor de energía térmica se aplica en procesos donde
se requiere calentamiento de productos específicos, esto se logra haciendo pasar
una cantidad determinada de vapor a las condiciones deseadas a través de
intercambiadores de calor, el vapor transfiere entonces parte de su energía térmica
al fluido que pasa del otro lado de las paredes del intercambiador de calor, el cual
dependerá del proceso y del producto que se esté manejando. Una vez que el vapor
ha cedido su energía en este proceso, parte de él se condensara, volviendo al estado
líquido. (Gemsla, 2020)
Este es considerado como la fuente primordial de energía ya que posee
características como disponibilidad alta y bajo costo en su obtención, capacidad de
adaptarse a sistemas varios de distribución, reducción de otros costos como bombeo
del fluido debido a un diferencial de presiones; y la capacidad que este tiene para
almacenar energía y trasferencia de calor en estados de saturación y
sobrecalentamiento. (Gemsla, 2020)
Los primeros sistemas de vapor en la industria fueron sobre dimensionados, sin
embargo, su costo de energía necesaria para llevar a cabo la elaboración del vapor
se encuentra aumentando continuamente siendo necesario mejorar la eficiencia de
los sistemas de vapor para reducir al máximo el mismo. Debido al aumento de los
costos, el ingeniero mecánico se ha visto en la necesidad de buscar alternativas para
obtener un ahorro de energía en los sistemas y evitar al máximo las pérdidas de
vapor vivo. (Varela, 2019)
IV.
MARCO TEÓRICO
1. Conceptos Básicos
1.1.Vapor
El vapor se genera cuando se le añade energía al agua. Se necesita añadir
suficiente energía para que se eleve la temperatura del agua hasta su punto
de ebullición. Después de ello, cualquier energía adicional transforma el agua
en vapor, sin un incremento en la temperatura. El vapor puede presentarse
en diversas formas, como el vapor saturado el cual se define como el vapor
que se encuentra en equilibrio con la fase líquida; el vapor sobrecalentado es
el que se encuentra a una temperatura mayor de la de saturación, pero a una
presión determinada, el vapor flash que se forma cuando se tiene condensado
caliente o agua hirviendo, presurizados, y se libera a una presión más baja,
parte de esos líquidos se vuelven a evaporar. (Perry, 2001)
1.2.Calderas
Una caldera es una máquina cuya función principal es generar grandes
cantidades de vapor de agua. Una caldera es un intercambiador de calor que
aprovecha el calor que se produce al quemar un combustible, ya se sólido,
líquido e incluso gaseoso, donde el calor procedente de cualquier fuente de
energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de
transporte en fase líquida o vapor de un fluido (principalmente agua), esto se
logra mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del
ambiente y presión mayor que la atmosférica. A través de un quemador, se
alimenta el carburante al hogar de la caldera, en donde se produce la
combustión del carburante, con la participación de un comburente
(generalmente es aire). Aquí se da la transferencia del calor cedido por el
carburante, a través de una superficie de intercambio, al agua líquida, hasta
vaporizarla o llevarlo a las condiciones requeridas. (Fenercom, 2019)
1.3.Tipos de Calderas
El sistema de trasferencia de calor de las calderas de combustión está
compuesto por una red de tubos, los cuales actúan como fronteras, así como
medio de transferencia de calor entre los gases de combustión y el agua. Por
lo que, dependiendo de la configuración de este sistema, las calderas se
dividen en dos grandes grupos (Fenercom, 2019).
Calderas acuo-tubulares: Las calderas acuo-tubulares consisten en un
paquete de tubos por los que circula el agua y/o el vapor, estos tubos son
generalmente de acero. Mientras que por su parte exterior están en contacto
directo con el fuego y los gases de combustión a alta temperatura. Debido a
esto, el agua o vapor es calentado en los tubos con el fin de trabajar con
mayores presiones y potencias que con las calderas piro-tubulares. Por lo
que, este tipo de calderas de combustión se usa casi exclusivamente cuando
se desea generar vapor de agua. Por lo tanto, las calderas acuo-tubulares son
sensibles a las fluctuaciones de carga y de presión, pero son capaces de
vaporizar el agua en un tiempo corto. (Anthony Kohan, 2017).
Calderas Piro-Tubulares: En este tipo de calderas, los tubos de acero se
encuentran sumergidos en un tanque cilíndrico que actúa como cámara de
agua y de vapor, mientras que, por el interior, los gases de combustión
circulan a alta temperatura. Por lo que, este tipo de calderas se utilizan hasta
presiones entre 25-30 bar y temperaturas máximas de aproximadamente
300°C con la incorporación de sobre calentadores de vapor. Debido a esto,
tienen como ventaja la estabilidad en la producción de vapor, puesto que
incorporan en el mismo cuerpo a presión la cámara de vapor lo que permite
asumir fácilmente picos en la demanda de vapor. (Anthony Kohan, 2017).
2. Selección de Equipo
Para la selección del sistema de vapor, se deben de tomar en cuenta 4 áreas
muy importantes: El tratamiento de agua, La caldera, El sistema de
distribución; y La recirculación de condensado. En todas estas etapas se
deberá de seleccionar equipos especializados y con especificaciones para las
condiciones a las que se trabaja.
-
Tratamiento de agua: Llevar a cabo un tratamiento de agua para
calderas es una tarea fundamental para asegurar la vida útil de la
maquinaria. Sin problemas operacionales, necesidad de reparaciones
inesperadas o probabilidades de accidentes. Para asegurar esta calidad,
también es prioritario cumplir con la normativa vigente que fija los límites
recomendados para los parámetros involucrados en el tratamiento del
agua en función del tipo de caldera y la presión de trabajo. Un descuido
en el tratamiento de aguas para calderas puede ocasionar costosas
reparaciones, labores de mantenimiento continuas o un importante gasto
en combustible. Además de un desgaste completo en los equipos.
(Fonseca, 2011)
-
Distribución del Vapor: El sistema de distribución de vapor es un
enlace importante entre la fuente generadora del vapor y la aplicación.
La fuente generadora del vapor puede ser una caldera, esta debe
proporcionar vapor de buena calidad en las condiciones de caudal y
presión requerida para las aplicaciones, y debe realizarlo con las mínimas
perdidas y atenciones de mantenimiento. Una red de distribución de
vapor, en principio está compuesta, al igual que cualquier red de
distribución de un fluido, por tuberías y accesorios de tubería. Sin
embargo, los cambios de fase en los que se basa el empleo de este tipo
de redes, hacen necesario el empleo de determinados elementos en la
red que son muy específicos de este tipo de sistemas.
Debido a la variabilidad de las condiciones del vapor, los elementos
constitutivos de la red tendrán que presentar unas características
específicas en relación con el comportamiento frente a la temperatura y
la presión que han de soportar. Además, deben presentar determinadas
características frente a la abrasión debido, a las altas velocidades que se
manejan en este tipo de redes. (Fonseca, 2011)
-
Sistema de Condensados: El condensado es el vapor de agua llevado
a un punto en que pasa a su fase líquida, pues la presión es disminuida
al igual que la temperatura. Este condensado es inevitable dentro de la
distribución y los sistemas de vapor, pues las condiciendo generalmente
no llegan a ser iguales en todo el recorrido; incluso dentro de la
maquinaria. Es por ello que se debe de recuperar este condensado.
Recuperar el condensado puede llevar a considerables ahorros de
energía y agua en cualquier planta industrial que utiliza vapor, además
de mejorar las condiciones de trabajo de los procesos. (Fonseca, 2011)
Un sistema efectivo de retorno de condensados es necesario para
transportar el condensado desde los equipos que utilizan el vapor hasta
la caldera. El condesado inicia su recuperación con equipos como las
trampas de vapor, que son instaladas regularmente en las tuberías de
salida de las máquinas. Estas tienen el objetivo de la evacuación óptima
del condensado de cambiadores de calor con alimentación por vapor. El
condesado que se recupera con las trampas es transportado luego a una
línea principal de condensado, aprovechando la presión del vapor flash
que es generado debido al brusco cambio de presiones. (Estrucplan,
2011)
La línea principal, gracias a un cierto declive, transporta el condensado
a un tanque de captación, donde posteriormente el condensado en
rebombeado a la caldera; esto con el fin de ahorrar mucha más energía
ya que el condesado está a una temperatura más elevada, por lo cual no
se debe de utilizar la misma energía que para agua fría. (Fonseca, 2011)
3. Operación del equipo
La operación de un sistema de vapor combina el trabajo automatizado con
el trabajo manual. Esto con el fin de poder lograr una eficiencia máxima
tanto en el ahorro y buena utilización de los recursos, como en el control y
monitoreo del sistema. Todo sistema de vapor debe iniciar con un
tratamiento de agua ya sea interno o externo, pues la calidad del agua debe
ser optima y para ello es necesario un tratamiento adecuado con un
monitoreo constante de los principales parámetros que influyen
directamente en la eficiencia de los generadores de vapor; así también para
sostener un buen rendimiento sobre los equipos que participan en el
tratamiento del agua como suavizadores, inhibidores y tratadores,
estableciendo condiciones seguras para el cuidado del medio ambiente.
(Anthony Kohan, 2017).
Posteriormente, empieza la sección de la generación del vapor dentro de la
caldera. Para ello, es de vital importancia el equipo que genera el calor, es
decir, el quemador. El quemador tiene la función principal de mezclar el
comburente y combustible en las proporciones adecuadas, para que se
genere la llama que inicia la combustión. Permite la regulación de la cantidad
de aire de gas, mantiene la estabilidad de la llama. Proporciona las
dimensiones correspondientes para la llama y otorga un poder de radiación
suficiente a la llama según la cantidad de calor o carga térmica. Para lograr
una llama efectiva, se debe de considerar que la mezcla de aire y
combustible debe de ser equilibrada y adecuada para las temperaturas a als
que se desea llegar. La llama debe de ser de un color adecuado, de un largo
adecuado y no se debe de separar de la boquilla del quemador; esto
proporcionará el calor necesario para poder elevar la temperatura del agua
de manera rápida. (Anthony Kohan, 2017).
Dentro de este paso se deben de controlar varias variables como la presión
dentro de la caldera para regular el quemador, temperaturas máximas y
mínimas, composiciones de gases en la chimenea, caudal y presión de
salida, etc. Si estos parámetros no son vigilados o controlados, la caldera
puede llegar a estar en peligro por un mal manejo de la misma; poniendo
en peligro no solo la producción si no los trabajadores relacionados.
Finalmente, es la parte de la distribución del vapor donde se debe de
dimensionar de maera correcta todo el recorrido del vapor, para evitar fugas,
roturas, paros inesperados y demás. Sin embargo, el dimensionamiento de
las tuberías no debe de excederse ni debe de faltarle; pues ambas opciones
traen consigo consecuencia en la producción a nivel operativo y a nivel
económico. (Fonseca, 2011)
V.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Como ingeniero químico, tener los conceptos básicos claros de manera teórica
permitirá que se apliquen de manera correcta ya en la práctica. Y el conocimiento
de todos estos conceptos de generación y distribución de vapor no solo deben de
utilizarse la selección y el diseño de la maquinaria, sino también para su control y
mantenimiento; pues como ingenieros químicos se tiene la capacidad de poder no
solo mantener bajo control un sistema de vapor si no también mantenerlo en una
mejora continua.
El mantenimiento proactivo de la caldera de vapor es crucial. Si incluso una pequeña
pieza desgastada empieza a fallar, puede causar un efecto en cascada que puede
pasar desapercibido hasta que el propio sistema falle. Muchos de estos sistemas
sufren averías con regularidad, lo que se traduce en elevados costes de
mantenimiento y muchas horas de tiempo de inactividad no productiva. Uno de los
aspectos más importantes de contar con un sistema de monitoreo y control, es que
nos permitirá controlar, valga la redundancia, la calidad del agua en un sistema de
calderas de vapor y aumentar su eficacia. Ayuda a evitar la sobredosificación
innecesaria de productos químicos al cambiar la producción de vapor, lo que no sólo
ahorra productos químicos, sino también agua y energía. También, mantener los
parámetros controlados de combustión permiten un menor consumo de combustible
con menos emisiones de CO2. Esto reduce significativamente la energía y los costes
de funcionamiento de la caldera. (Estrucplan, 2011)
Descuidar la conservación de la caldera puede generar problemas que deriven en
averías que aumenten aún más nuestra factura. En este artículo expondremos los
defectos de seguridad más frecuentes por la falta de mantenimiento de estos
sistemas, como por ejemplo, la falta de mantenimiento en las calderas de tiro natural
puede generar suciedad en las toberas de quemadores, provocando un efecto de
mala combustión que implica un peligro de intoxicación por el exceso de partículas
en la cámara y en el ambiente. O inclusive los insectos son uno de los problemas
que pueden aparecer en las unidades exteriores de las calderas, provocando fallas
sistémicas en los circuitos, u obstrucciones en tuberías. (Estrucplan, 2011)
Sin embargo, existen factores o dispositivos vitales para un correcto funcionamiento
de un sistema de vapor y uno de ellos es la válvula de control. Todas las válvulas de
control de vapor deben tener una vida operativa relativamente alta debido a la
tecnología disponible y a los estándares actuales de los materiales, y una instalación
adecuada prolongará en gran medida la vida de la válvula. Por ende, saber el estado
en que se encuentra este dispositivo es clave para evitar daños o poder anticiparse
y realizar un mantenimiento preventivo. Sin embargo, un ingeniero químico no solo
reparará o controlará dispositivos vitales como las válvulas, si no también presentará
nuevas alternativas y mejoras al sistema de vapor para que constantemente la
eficacia y la calidad estén aumentando. (Gemsla, 2020)
Otro factor importante, es la diseño o dimensionamiento de la red de distribución
del vapor. Para poder dimensionar las tuberías se deben de tomar en cuenta 3
principales condiciones del vapor: temperatura, presión, caudal o velocidad. Con
estas condiciones es posible determinar el tipo de tubería a utilizar y la longitud del
diámetro interno necesario para poder soportar el vapor. Sin embargo, el
dimensionamiento de las tuberías corre el riesgo de ser sub dimensionadas o sobre
dimensionadas. Si las tuberías son sobre dimensionadas, no solo se estaría gastando
más dinero en su elaboración si no también existirán mayores pérdidas de calor
generando mayor volumen de condensado. Además, es probable que la calidad del
vapor no se la adecuada y no suministre la cantidad de calor que debería de
suministrar. Y en general los costos por sobre dimensionar se elevarían
considerablemente. Y si se sub dimensiona la tubería, la velocidad del vapor al igual
que la caída de presión aumentarían, llegada pobre de presión para su utilización,
insuficiente volumen de vapor, por lo que se deberá de generar más gastando en
más energía; y existirán una cantidad mayor de riesgos y posibles golpes de ariete,
erosiones, ruidos fuertes e incluso rotura y fugas. (Estrucplan, 2011)
Para evitar todo esto, el ingeniero químico logrará tomar en cuenta todas estas
causas y consecuencias de lo que sería un mal diseño y selección de las tuberías; y
decidirá acerca de la mejor y más eficaz opción gracias a su capacidad de análisis y
conocimientos. Además, el ingeniero químico es capaz de analizar y realizar balances
tanto térmicos como másicos, y de esta forma calcular o estimar de manera más
concreta la eficacia de un equipo de sistema de vapor; y determinar que diseño o
que equipo es el más adecuado para realizar el trabajo. (Perry, 2001) (Fonseca,
2011).
Finalmente, un ingeniero químico es de vital importancia en el sistema de vapor
pues el tratamiento interno que se le da al agua de alimentación de la caldera es
con químicos especializados para poder eliminar las impurezas que no se lograron
eliminar en un previo tratamiento externo del agua. El saber qué químicos utilizar,
en que cantidad y cuál es la compatibilidad química con el material de la caldera;
solo un ingeniero químico lograría determinar ese análisis gracias al conocimiento
del comportamiento molecular y químico de ciertas sustancias.
Es así, como al combinar conocimiento del comportamiento del agua, el
conocimiento de propiedades básicas como la temperatura, la presión y la velocidad
de un fluido y como estas se relacionan entre sí; el cómo se comportan ciertas
sustancias químicas con otras sustancias, la variabilidad existente en todo proceso;
y la constante noción de leyes como la conservación de la energía y materia hacen
del ingeniero químico el perfecto individuo para el diseño, selección, monitoreo y
operación de un sistema de vapor.
VI.
CONCLUSIONES
1. Gracias a la capacidad de relacionar y aplicar parámetros de temperatura,
presión y velocidad a fluidos en movimiento, el ingeniero químico es capaz de
seleccionar y diseñar o dimensionar correctamente una red de distribución de
vapor.
2. El ingeniero químico se convierte en un especialista del vapor al conocer las
propiedades termodinámicas, fisicoquímicas, bioquímicas y básicas del agua
en sus distintos estados de agregación.
3. Las reacciones químicas, al ser estudiadas y aplicadas por ingenieros
químicos, la reacción de combustión de carburantes para la generación de
vapor es ideal para que un ingeniero químico monitoree y mantenga
condiciones que permitan una combustión eficiente.
4. La utilización de químicos para el tratamiento interno y externo del agua de
alimentación corresponderá a un ingeniero químico, ya que conoce las
sustancias químicas a utilizar, su compatibilidad con el material y su función
dentro del tratamiento.
5. El análisis de la eficiencia de una caldera engloba una eficiencia tanto
energética como de operación, pues el ingeniero químico logra relacionar la
energía utilizada para el calentamiento del agua con la energía que es
entregada a la maquinaria.
VII. REFERENCIAS

Estrucplan. (Octubre de 2011). Guía De Mantenimiento Básico De Un
Generador De Vapor. Obtenido de https://estrucplan.com.ar/guia-demantenimiento-basico-de-un-generador-devapor/#:~:text=Comprobar%20que%20no%20hay%20fugas,agua%20al%
20tanque%20de%20condensados.

Fonseca, P. (2011). DISEÑO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR PARA
UNA. Guatemala: USAC.

Gemsla. (2020). Gemlsa. Obtenido de Los sistemas de vapor, una alternativa
económica y eficiente para las industrias: https://www.gemlsa.com/lossistemas-de-vapor-una-alternativa-economica-y-eficiente-para-las-industrias

Perry, R. (2001). Manual del Ingeniero Químico. Madrid: McGraw-Hill.

Varela, J. (Agosto de 2019). Departamento de Ingeniería Química. Obtenido
de Introducción a la Ingeniería Química.

Fenercom.
(2019).
Tipología
de
calderas.
Obtenido
de
https://www.fenercom.com/wp-content/uploads/2019/10/2017-06-21Tipologia-de-calderas-VIESSMANN-fenercom.pdf
Anthony
Kohan.
(2017).
Manual
de
calderas.
Obtenido
de
http://recursosbiblio.url.edu.gt/publicjlg/biblio_sin_paredes/fac_ing/Manu_c
ald/I/cap/03.pdf
Bonilla, J. Et al. (2009). Termodinámica de equipos industriales: Eficiencia
energética
de
una
caldera.
Obtenido
de
https://www.yumpu.com/es/document/read/14257774/termodinamica-deequipos-industriales-universidad-rafael-landivar

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