Loe raamatut: «Preparar y acondicionar los equipos principales e instalaciones auxiliares de la planta química. QUIE0108»

Capítulo 1
Operaciones con equipos de planta
1. Introducción

Las industrias químicas se componen de una gran variedad de equipos, que pueden ser específicos de cada proceso productivo o bien ser genéricos y estar presentes en gran número de instalaciones, sean plantas químicas o no.

Para el operador, por tanto, es fundamental conocer los principios de funcionamiento de cada uno de ellos y relacionar su operación con las variables de proceso de mayor relevancia para cada equipo.

Cumplir estos objetivos permitirá al operador desarrollar las labores de planta con seguridad, basando sus actuaciones en el conocimiento objetivo de lo que ocurre en cada etapa del proceso.

2. Principios de operación general

A pesar de la posible similitud que, a primera vista, pueden presentar algunos equipos, el operador debe ser exhaustivo en el estudio de la operación que en cada uno de ellos tiene lugar, y no guiarse por la apariencia física de los aparatos. Este es el motivo por el que se desarrolla el presente apartado, en el que se presentan, de forma escueta, las operaciones básicas más comunes y los equipos asociados a ellas.

2.1. Hornos

Reciben este nombre los equipos destinados a calentar, secar o cocinar productos. Todos los hornos cuentan, fundamentalmente, con un habitáculo en el cual se introduce el material a tratar, generalmente un sólido, y una corriente gaseosa caliente, que será la encargada de calentar, secar o cocinar al sólido. La energía necesaria para producir el calentamiento de esta corriente gaseosa proviene de un elemento eléctrico o de una combustión. Adicionalmente cuentan con:

1 Un sistema de alimentación y circulación interior del material a tratar.

2 Una impulsión de aire caliente.

3 Un retorno de aire húmedo.

4 Una renovación de aire saturado.

5 Un sistema de filtrado de gases.

El uso más extendido de este equipo es como horno de secado industrial, que utiliza aire caliente producido por la combustión de un derivado del petróleo o de gas natural para la reducción del contenido de humedad de una materia prima.

Sabía que...

El uso de hornos en aplicaciones industriales es muy diverso, pudiendo usarse en funciones de cocción, tratamiento térmico, secado, etc.

Las variables de operación más importantes en estos equipos son:

1 Presión de cámara.

2 Temperatura de entrada y salida de cámara.

3 Volumen de cámara.

Dependiendo de los materiales de construcción, los procesos sobre los que se aplica y el elemento calefactor, puede determinarse la tipología del horno y pueden encontrarse desde hornos de cocción de cerámica, con llama directa en la cámara, hasta hornos de secado de material agrícola, con temperaturas moderadas.

Algunos problemas típicos de la operativa con hornos son:

1 Formación de hollín.

2 Regulación de la mezcla de aire y combustible.

3 Emisión de contaminantes, especialmente partículas y CO.

2.2. Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor son los equipos encargados de realizar la transferencia térmica entre dos fluidos, con objeto de calentar (o refrigerar) líquidos y gases.

A pesar de que el diseño es diferente en cada caso, todos se basan en el mismo principio de funcionamiento, que consiste en realizar el intercambio de temperatura entre dos corrientes de fluido, una de ellas fría y otra caliente, de forma que el flujo caliente reduce su temperatura y el flujo frío la incrementa, poniendo en contacto, mediante un material conductor, dichas corrientes sin que exista mezcla entre ellas.

Las variables de operación fundamentales de estos equipos son presión, temperatura de entrada y salida de cada corriente, caudales y área de transferencia.

Recuerde

En el funcionamiento de los intercambiadores, uno de los fluidos siempre sale a mayor temperatura que a la que entra y el otro a menor temperatura que la de su entrada.

En función del diseño, los intercambiadores pueden clasificarse en cuatro tipos fundamentalmente:

1 Intercambiadores de tubos concéntricos.

2 Intercambiadores de tubos aleteados.

3 Intercambiadores de carcasa y tubo.

4 Intercambiadores de placas.

Intercambiadores de tubos concéntricos

De los modelos de intercambiadores de calor, es el más simple que puede encontrarse y tradicionalmente era el más utilizado. Consta de dos tubos concéntricos de diferente diámetro, uno interior y otro exterior.

El fluido encargado de calentar (o enfriar) circulará por el espacio que se encuentra entre los dos tubos, entre la pared exterior del tubo de menor diámetro y la pared interior del tubo de mayor diámetro, mientras que el fluido calentado (o enfriado) circula por el interior del tubo central.

Intercambiador de tubos concéntricos

Intercambiadores de tubos aleteados

Son utilizados indistintamente para calentar (o enfriar) el aire que circula por la superficie de las aletas, o para enfriar (o calentar), con ayuda de un flujo de aire, el fluido circulante por los tubos, de la misma forma que lo hace el radiador de una motocicleta.

El objetivo de las aletas es el de aumentar la superficie de transferencia térmica que entra en contacto con el aire, de forma que se facilite el intercambio.

Suelen estar construidos de materiales metálicos, generalmente de cobre, aluminio o acero inoxidable.

Intercambiadores de carcasa y tubos

Tienen una gran presencia en la industria para el intercambio térmico entre dos líquidos.

Están compuestos por una carcasa exterior que contiene un haz de tubos. Uno de los fluidos circulará por el interior de los tubos y el otro por el espacio libre entre los tubos y la carcasa exterior, de tal forma que la cesión de energía térmica se realiza a través de la pared de los tubos interiores.

Intercambiadores de placas

Compuestos por una serie de placas unidas entre sí y montadas sobre una estructura de soporte, estos intercambiadores se diseñan para que los fluidos realicen el intercambio térmico a través de toda la superficie de la chapa que los separa. Con estos intercambiadores se obtienen altas superficies de intercambio aunque también provocan altas pérdidas de carga.

Estos equipos pueden ser ampliados sin dificultad, añadiendo placas adicionales, ya que estas son independientes entre sí.

Recuerde

Existen cuatro tipos de intercambiadores: de tubos concéntricos, de tubos aleteados, de carcasa y tubo y de placas.

Aplicación práctica

En la industria en la que trabaja han detectado un problema de atascos continuos en el intercambiador de placas que precalienta la corriente de alimentación al proceso.

Tras un exhaustivo análisis se ha detectado que el problema de atascos era debido al alto contenido en sólidos de la corriente que se calentaba, y se decide cambiar este modelo de intercambiador por otro acorde a las necesidades del proceso.

Si sabe que el aumento de temperatura que necesita la alimentación es pequeño, ¿qué intercambiador instalaría usted? ¿Por qué?

SOLUCIÓN

El intercambiador de tubos concéntricos sería el más adecuado, ya que el fluido a calentar puede circular por el tubo interior como si fuera un tramo más de tubería, por lo que no se producirían deposiciones de sólidos. Este cambio es factible, dado que el aumento de temperatura del fluido es pequeño. Si no fuese así, habría que seleccionar otro modelo de intercambiador, el de carcasa y tubos concretamente.

2.3. Reactores

Un reactor químico puede ser cualquier equipo en el que tenga lugar una reacción química, desde un recipiente abierto hasta una tubería en la que la reacción se produce a medida que el flujo la atraviesa, aunque las exigencias para los reactores químicos industriales son mayores que el simple hecho de contener una reacción química, ya que estos estarán diseñados para:

1 Asegurar un tiempo de contacto entre los reactantes que permita alcanzar la conversión a productos para la que fue diseñado.

2 Proporcionar un tipo de contacto o flujo adecuado en el interior del equipo para conseguir la mezcla homogénea de los reactantes.

3 Soportar condiciones de temperatura, presión y composición de reactivos y productos, de forma que se maximice la producción y se minimicen los riesgos para la seguridad.

4 Ser adecuados para los estados de agregación de reactantes y productos de reacción.

Los principales tipos de reactores son:

1 Reactores de tanque agitado.

2 Reactores flujo pistón.

Las principales diferencias entre ambos están en la forma en la que se mezclan los reactantes y en cómo se obtiene el producto.

En el caso del tanque agitado, la composición de cada porción de volumen es la misma, mientras que en el flujo pistón la concentración de reactantes será más pobre y la producción más rica cuanto más alejado esté el punto de muestreo de la entrada de reactantes.

La reacción química provoca que la composición de la salida de un reactor sea diferente a la alimentación, pudiendo ocurrir que el estado de agregación de la corriente de productos sea diferente que el de la corriente de alimentación. Es decir, los gases pueden ser reactantes para producir líquidos y estos pueden ser reactantes para producir sólidos suspendidos en líquidos, etc.

A pesar de que ambos tipos de reactores operan de forma estacionaria o continua, pueden encontrarse reactores de funcionamiento no estacionario, entre los que se encuentran los reactores semi-continuos o de trabajo por lotes, e incluso reactores para producción en discontinuo. Dependiendo del producto a obtener y del tipo de reacción, se incluirá en el proceso un modelo diferente de reactor, existiendo una gran variedad de estos.

Recuerde

La reacción química provoca que la composición de la salida de un reactor sea diferente a la alimentación.

2.4. Columnas de destilación o separación

Las columnas de destilación son, probablemente, los equipos de separación más importantes de la industria química. Gracias a ellos es posible el fraccionamiento de crudos y, por tanto, la producción de combustibles derivados del petróleo.

El funcionamiento de las columnas de destilación se basa en el principio físico-químico de que, al calentar un fluido que contiene varios componentes, estos se separan físicamente en distintas fracciones de destilación directa, clasificándose por orden decreciente de volatilidad, es decir, los más volátiles serán los que evaporen a menor temperatura y ocuparán una de las salidas superiores en la columna, y los menos volátiles evaporarán a mayor temperatura (incluso pueden permanecer en estado líquido) y su salida se encontrará en unos de los puntos inferiores de la columna. O lo que es lo mismo, los componentes con temperatura de ebullición superior condensarán primero, desplazándose por el interior de la columna hasta llegar a las zonas bajas, mientras que las fracciones con temperatura de ebullición más baja alcanzarán mayor altura en la torre antes de condensarse.

Por el interior de columna, los líquidos descendentes y los vapores ascendentes se cruzan de forma continua. En cada tramo del equipo se encuentran unos separadores especiales, denominados platos, que extraen una fracción del líquido que se condensa en cada nivel.

Sabía que...

Una columna de destilación instalada en una refinería se alimenta con crudo y genera simultáneamente propano, butano, gasolinas, carburantes de aviación, aceites combustibles, fuelóleo y asfaltos, entre otras corrientes.

En función de la presión a la que se realiza la operación, puede tratarse de:

1 Destilación atmosférica.

2 Destilación a vacío (presión interior de la columna menor a 1 atm.).

Las columnas de destilación a vacío proporcionan una presión reducida en el interior de la columna, mientras las de destilación atmosférica lo hacen a la presión de 1 atmósfera. La aplicación de una presión reducida a la destilación persigue el objetivo de reducir las temperaturas de evaporación de las diferentes fracciones, de forma que se evite la desnaturalización o el craqueo (en el caso del petróleo) de alguna de ellas.

Columna de destilación para fraccionamiento de petróleo

Definición

Atmósfera Unidad de presión o tensión equivalente a la ejercida por la atmósfera al nivel del mar, y que es igual a la presión de una columna de mercurio de 760 mm de alto.

2.5. Filtros

El uso de filtros se destina a operaciones de separación de partículas sólidas contenidas en un fluido, pasándolo a través de un medio filtrante. El fluido puede ser un líquido o un gas. A pesar de que existen múltiples modelos de filtros, en cuanto a funcionamiento, diseño y características, todos ellos utilizan un elemento filtrante, como puede ser una malla, para realizar la separación física de los sólidos. De esta forma se obtienen dos flujos a la salida de un filtro: uno, concentrado en sólidos y, otro, clarificado.

Los componentes fundamentales de un filtro son:

1 El elemento filtrante.

2 La carcasa o contenedor.

3 Sistema de control de colmatación.

4 Válvulas: de derivación, purgado y antirretorno.

5 Sistema de toma de muestras.

Las principales variables que afectan al proceso de filtración son:

1 La concentración de sólidos.

2 El tamaño de partícula.

3 La temperatura.

4 El pH.

5 La viscosidad y densidad del flujo.

2.6. Ciclones

Un ciclón es un recipiente cilíndrico vertical, en el que una corriente gaseosa cargada de polvo en suspensión se introduce por una entrada situada tangencialmente en lo alto del aparato. La parte más baja del ciclón tiene forma cónica para favorecer la salida del sólido por un orificio central situado en el fondo. El gas libre de polvo saldrá de forma opuesta a los sólidos, por una salida central situada en la parte más alta del equipo.

Debido a la inercia, las partículas sólidas (polvo) se desplazan hacia la pared del ciclón, resbalando hasta llegar a una zona donde son recogidas. El ciclón es, en esencia, una cámara de sedimentación en la que la fuerza centrífuga sustituye a la fuerza de la gravedad. En condiciones de operación habituales, la fuerza de separación se puede multiplicar por 5 veces para ciclones de gran diámetro y por 2.500 veces para ciclones de pequeño diámetro y alta resistencia mecánica, a la fuerza de la gravedad.

El extendido uso de los ciclones está relacionado con su bajo coste de inversión y operación y alta fiabilidad, sobre todo si se compara con otros métodos de separación gas-sólido.

El punto débil de estos equipos se encuentra en las operaciones de separación gas-sólido de partículas de muy pequeño diámetro.

2.7. Bombas

Las bombas son máquinas capaces de impulsar un fluido mediante la conversión de la energía mecánica, proporcionada por un motor, en un aumento de la presión y la velocidad de dicho fluido.

Según sea el funcionamiento de estas, las bombas pueden clasificarse en dos tipos:

1 Bombas volumétricas.

2 Bombas centrífugas.

Generalmente, las bombas volumétricas son utilizadas cuando son necesarias elevadas presiones de trabajo y caudales reducidos, mientras que las bombas centrífugas son habituales en un amplio rango de operación.

Bombas volumétricas

Las bombas volumétricas, o de desplazamiento positivo, realizan un ciclo en el cual el fluido pasa a una cámara en la que un pistón aumenta su presión antes de ser descargado, de forma que el fluido, una vez ha desalojado la cámara, cuenta con un valor de presión mayor.

Bombas centrífugas

En el caso de las bombas centrífugas, es el movimiento de rotación de un rodete a alta velocidad es el que genera un aumento en la energía de presión del fluido.

Nota

Los factores económicos, mecánicos y de funcionamiento, como son la adaptabilidad a la variación en las condiciones de operación y el fácil mantenimiento, contribuyen a que el uso de las bombas centrífugas este más extendido.

2.8. Turbinas de vapor

Las turbinas son impulsadas por vapor de agua generalmente, y su movimiento es el encargado de accionar alternadores, bombas, compresores, soplantes u otros equipos rotatorios presentes en la industria química.

La entrada de vapor en estos equipos tiene lugar a altas temperaturas y presiones, y a medida que avanza por el interior de la turbina se expande al ser forzada a pasar entre los álabes, transformando parte de su energía térmica en energía mecánica, forzando el movimiento de rotación de la turbina, a la salida de la misma, por lo que el vapor, a la salida de la turbina, tendrá una presión y una temperatura menor.

En función del criterio seguido, las turbinas de vapor pueden clasificarse de diversas formas, entre las que cabe destacar la división que se realiza en función de las etapas o escalonamientos, encontrando para este caso:

1 Turbinas multietapa: empleadas para altos rendimientos y grandes demandas de potencia.

2 Turbinas monoetapa: usadas para pequeñas y medianas potencias.

Turbina de vapor

Sabía que...

El uso de la turbina de vapor está tan generalizado que se estima que más del 70% de la energía eléctrica producida en el mundo se obtiene del acoplamiento de una turbina a un alternador.

En cuanto a los elementos constructivos o partes principales que componen una turbina de vapor, se encuentran:

1 Rotor: pieza móvil de la turbina que es acoplada a otro mecanismo para el aprovechamiento del movimiento de giro.

2 Estator: elemento fijo, a modo de carcasa exterior, que aloja el rotor. El estator es siempre la parte fija de una máquina rotativa.

3 Álabes móviles: elementos de la turbina encargados de producir la expansión del vapor.

4 Álabes fijos: elementos unidos al estator, entre los que circula el vapor, destinados a orientar el flujo de vapor, de forma que el empuje sobre los álabes móviles sea el adecuado.

5 Diafragmas: discos perpendiculares al rotor, y atravesados por él, sobre los que se montan los álabes móviles, concretamente en su zona periférica.

6 Cojinetes: elementos que soportan el peso del eje de la turbina y absorben los esfuerzos generados.

7 Sistemas de estanqueidad: sistemas de cierre que evitan las fugas de vapor.

Las variables de operación fundamentales para las turbinas de vapor son:

1 Presión.

2 Temperatura.

3 Caudal de vapor de entrada y salida (de todas las entradas y salidas de vapor).

4 Velocidad de giro del rotor.

5 Potencia generada.

La velocidad de giro y la potencia generada son dos parámetros estrechamente ligados, ya que cuando uno aumenta, el otro también lo hace, por lo que es necesario disponer de un sistema que permita regular la velocidad y, así, la potencia entregada al sistema al que esté acoplado, ya sea un alternador, una soplante, etc., para que sea lo más constante posible.

El caudal de vapor alimentado a la turbina y la potencia generada también son parámetros directamente dependientes. Un aumento o disminución del caudal que pasa a través de la turbina supone su equivalente aumento en la potencia generada.

Las turbinas de vapor son uno de los dispositivos más utilizados para la producción de energía eléctrica, por lo que requieren múltiples dispositivos de seguridad que las protejan de perturbaciones en el proceso, de anomalías del propio equipo o de los que se encuentran acoplados a él. Por ejemplo:

1 Disparo por baja presión de aceite de lubricación.

2 Disparo por velocidad elevada.

3 Disparo manual de emergencia.

4 Disparo por desplazamiento axial.

2.9. Compresores

La función de los compresores es aumentar la presión de los fluidos compresibles (gases y vapores) con los que trabajan, ayudándolos a circular hasta los puntos del sistema donde son demandados. La energía necesaria para efectuar este aumento de la presión en el fluido es proporcionada por un motor eléctrico o una turbina de vapor.

La principal diferencia entre los compresores y otros sistemas de impulsión de fluidos compresibles, como son los soplantes y ventiladores, es la capacidad que tienen los primeros de aumentar sensiblemente la presión del fluido, mientras los segundos realizan una función equivalente a la de las bombas con los fluidos incompresibles.

El uso de aire comprimido en las industrias puede destinarse al funcionamiento de sistemas neumáticos o bien, participar del proceso en diversas tareas como:

1 Reactante.

2 Regenerador de catalizadores.

3 Oxidante.

4 Desmercaptanizador de gasolinas.

5 Otras aplicaciones.

Sin embargo, el uso más extendido del aire comprimido es el de accionar los sistemas de instrumentación, actuando sobre controles neumáticos, motores neumáticos, conexiones de purga, etc.

Las tipologías de compresores más comunes son:

1 Compresores alternativos.

2 Compresores centrífugos.

2.10. Motores eléctricos, extrusoras, centrífugas, separadores, etc.

A continuación, se detallan los motores eléctricos, extrusoras, centrígugas, separadores, decantadores y calderas.

Motores eléctricos

Las industrias disponen de un gran número de equipos alimentados por diversas energías. No obstante, la energía eléctrica prevalece sobre el resto, ya que por razones históricas, técnicas y económicas se han llegado a desarrollar los sistemas necesarios para ponerla a disposición de cualquier industria. Por lo que, la mayoría de los dispositivos mecánicos que se encuentran en la industria son accionados mediante motores eléctricos.

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias con la capacidad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica. Otros motivos que han colaborado en la implantación de estos equipos son:

1 Fiabilidad.

2 Rendimiento.

3 Precio.

4 Seguridad.

5 Limpieza.

6 Comodidad.

El rango de trabajo para estos equipos es muy amplio, yendo desde potencias de décimas de kilovatio hasta miles de kilovatios.

Sabía que...

El ferrocarril moderno utiliza motores eléctricos alimentados a través de los cables que se encuentran tendidos sobre el vagón, los cuales están conectados a las plantas de generación de energía eléctrica.

Los dos elementos que componen todo motor eléctrico son el rotor y el estator. El rotor es la pieza que puede girar, un electroimán móvil. El estator, que rodea al rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante.

Generalmente, los motores eléctricos se clasifican en monofásicos y polifásicos, en función del número de bobinas que llevan en el estator, y en motores de corriente continua o corriente alterna.

Los más relevantes a nivel industrial son los motores de corriente alterna, que se pueden dividir a su vez en motores sincrónicos y motores asincrónicos.

Extrusoras

La extrusora es un equipo asociado en la mayoría de los casos al conformado de plásticos, aunque no es el único material que puede ser procesado por esta. El objetivo del equipo es el de producir, en continuo, un material de una forma determinada. Esto lo hace de la misma forma en la que la pasta dentífrica sale del tubo, por lo que son especialmente interesantes para la producción de tuberías o perfiles.