Preparar y acondicionar los equipos principales e instalaciones auxiliares de la planta química. QUIE0108

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.

Mediante la extrusora se procesa, probablemente, el mayor volumen de plásticos.

Ejemplo de un modelo simple de extrusora de pistón

En la práctica, las materias primas son vertidas a la extrusora desde una tolva de recepción, donde se mezclan. Desde ahí, caen a una abertura, desde donde son obligadas a circular, a través de un conducto, mediante la aplicación de presión, obtenida de un sistema neumático o de un tornillo sin fin. A la salida del cilindro, se obliga a la masa de materia prima caliente a pasar a través de una boquilla con la forma deseada para nuestro producto.

En función del tipo de extrusión que se realice, pueden aparecer en el proceso diferentes tipos de extrusoras, entre ellas:

1 Extrusora de pistón (inyectora).

2 Extrusora de fricción.

3 Extrusora de cilindros.

4 Extrusora de rosca.

Decantadores

La separación de diferentes líquidos inmiscibles realizada en estos equipos tiene lugar gracias a la diferencia de densidades existente entre ellos. En esta operación se deja a la gravedad ejercer su influencia sobre la corriente a tratar, de modo que el líquido de menor densidad (más ligero) ocupará el espacio situado sobre el líquido de mayor densidad (más pesado).

Definición

Inmiscible Se refiere a la propiedad de algunos líquidos para no mezclarse en cualquier proporción, no pudiendo formar nunca una mezcla homogénea.

Los objetivos básicos del decantador son:

1 Reducir la turbulencia en su interior, para que no exista mezcla mecánica entre los líquidos, de forma que porciones de un fluido separado no queden suspendidas en el seno del otro fluido.

2 Retener el flujo total en el separador el tiempo suficiente para que los diferentes líquidos puedan separarse totalmente.

Este último objetivo es el que determina el gran tamaño de estos equipos, que en ocasiones se ve reducido debido a que la operación se lleva a cabo paralelamente entre varios decantadores de menor tamaño.

Centrífugas

La centrifugación es una decantación selectiva de los componentes inmiscibles, de una mezcla heterogénea, bajo condiciones de gravedad artificial.

De la misma forma que, por el efecto de la gravedad, se separan el agua y el aceite tras haberlos mezclado, cualquier mezcla inmiscible se separará, pero a mayor velocidad, si se le aplica una aceleración angular. Esto se consigue haciendo moverse al fluido dentro de una cámara que está en continua rotación, de forma que los materiales más densos ocuparán las zonas más alejadas del eje de giro del equipo. La separación será más rápida y eficiente cuanto mayor sea el número de revoluciones por minuto, ya que la fuerza centrífuga será mayor.

La separación centrífuga es una operación unitaria de gran relevancia en industrias químicas para procesos de:

1 Tratamiento de efluentes.

2 Purificación de aceites combustibles y lubricantes.

3 Suspensiones en general.

Actualmente, existe gran variedad de centrífugas, las cuales pueden ser clasificadas de muy diversas formas. Un criterio puede ser la cantidad de sólidos que admite la centrífuga a la entrada. Así se puede distinguir lo siguiente:

1 Una descarga manual de 0-5% de sólidos: se trata de una centrífuga de tambor macizo, en la que los sólidos se eliminan manualmente, parando la máquina y abriendo el equipo.

2 Una descarga automática intermitente de 0-30% de sólidos: se trata de una centrífuga autodeslodantes. Los sólidos son expulsados automática e intermitentemente a través de los orificios de descarga.

3 Una descarga continua de 0-40% de sólidos: se trata de una centrífuga conocida como tobera. Los sólidos se expulsan de forma continua a través de toberas.

4 Definición: Tobera: es una abertura tubular, primitivamente de forma cónica, por donde se introduce el aire en un horno o una forja, fragua o crisol. También se pueden encontrar toberas en ciertos motores marinos, de aviación, etc.

5 Centrífuga de tornillo transportador de 0-65% de sólidos: es el caso de una centrífuga también conocida como decantador. Su diseño es completamente diferente al resto de centrífugas, ya que dispone de un tornillo transportador que les permite descargar en forma continua los sólidos.

Recuerde

La cualidad que permite el uso de la centrifuga para la separación de los diferentes componentes inmiscibles de una corriente es la diferencia de densidades que existe entre ellos.

Separadores

Por separadores, se conoce, genéricamente, cualquier equipo en el que se realiza una operación de separación. En función del tipo de fases que componen los separadores, se distinguen:

1 Separadores sólido-sólido.

2 Separadores sólido-líquido.

3 Separadores sólido-gas.

4 Separadores líquido-líquido.

5 Separadores líquido-gas.

6 Separadores gas-gas.

Para realizar estas operaciones, los equipos aprovechan la diferencia en las propiedades de los materiales a separar, como son:

1 Volatilidad.

2 Solubilidad.

3 Densidad.

4 Difusividad.

Calderas

Una caldera industrial es un recipiente a presión cerrado en el que se calienta un fluido para uso externo del mismo, por aplicación directa del calor resultante de la quema de un combustible (sólido, líquido o gaseoso) o por la utilización de la energía nuclear o eléctrica.

Las instalaciones que cuentan con calderas industriales pueden ser:

1 Sistemas de calefacción a vapor.

2 Sistemas de calefacción por agua caliente.

3 Sistemas de proceso de vapor de alta presión.

4 Sistemas de generación eléctrica a vapor, usando combustibles fósiles.

5 Sistemas de generación eléctrica a vapor, usando combustible nuclear.

6 Sistemas que utilizan un fluido de trabajo diferente al del agua.

Aplicación práctica

En una planta depuradora de aguas residuales en la que está trabajando, se decide sustituir un filtro por una centrífuga para tratar una corriente, que contiene sólidos en una concentración, que suele estar en el rango del 40% al 65%.

Según su criterio, ¿cuál será la centrífuga más adecuada para realizar esta operación?

SOLUCIÓN

La única centrífuga capaz de realizar esta operación será la centrífuga de tornillo transportador (o centrífuga decantadora), ya que su rango de trabajo está entre el 0 y el 65% de concentración en sólidos. Cualquier otra centrífuga tendría que trabajar forzada, ya que le entraría una concentración de sólidos superior a la que puede tratar.

3. Principales variables de operación y su mutua dependencia

Cada operación básica, y su equipo asociado, cuenta con unos parámetros (variables de operación) que pueden ser manipulados para controlar el funcionamiento de la etapa. El efecto de la modificación de estas variables influye, tanto en la operación como en el global del proceso productivo, ya que todas las etapas del proceso están concatenadas. Por ejemplo, si se disminuye la velocidad de giro de una centrífuga, la calidad de las corrientes de salida de la centrífuga será peor y los equipos que reciban estas corrientes deberán actuar, en consecuencia, modificando sus variables de operación para adaptarse a las nuevas condiciones.

Los sistemas que miden y regulan las variables de operación en una industria son los denominados sistemas de control y se encargan de recibir, cada pocas milésimas de segundo, el valor de las variables de procesos fundamentales y devolver señales para corregir las desviaciones que se produzcan. Los instrumentos de control son los equipos encargados de recibir estas señales y actuar, en consecuencia, sobre las instalaciones para corregir su funcionamiento.

Como síntesis del funcionamiento de los sistemas de control, se puede decir que “siempre se actúa sobre una variable de proceso para modificar la que quiere controlarse”.

Ejemplo

Para reducir el caudal de líquido que circula por una tubería, se disminuirá la velocidad de giro del rotor de la bomba que impulsa a ese fluido.

A pesar de estos sofisticados sistemas y de la robustez generalizada de los equipos de planta química, ha de conocerse la relación que se establece entre las variables de proceso en cada operación y tener en cuenta unas normas básicas para estas, a fin de prolongar la vida de los equipos y minimizar los problemas de futuras operaciones. Entre otras, pueden destacarse:

1 Utilizar flujos de alimentación en los equipos de características físicoquímicas apropiadas.

2 Respetar las instrucciones de operación en arranque, funcionamiento y parada del equipo.

3 Realizar los mantenimientos programados en los plazos marcados.

4 Respetar los rangos de funcionamiento establecidos por el fabricante para el equipo. Si aparecen síntomas de mal funcionamiento (vibraciones, bajo rendimiento, parámetros injustificablemente alejados de consigna, falta de potencia, etc.), el equipo debe pararse y ser revisado para evitar sobrepasar los límites críticos de determinados parámetros que podrían dañarlo gravemente o llegar a inutilizarlo.

Aunque son normas aparentemente sencillas, muchos de los problemas que surgen en los equipos industriales se deben a no respetar una o varias de estas normas.

3.1. Paradas de emergencia. Fallo de energía (electricidad, vapor, aire de instrumentación, agua de refrigeración, etc.)

El sistema de parada de emergencia se activa por una gestión planificada dentro de las actividades de la planta, como puede ser la comprobación del correcto funcionamiento del mismo, o por un accidente como:

1 Fallo en el suministro de energía (ya sea eléctrica, térmica o mecánica).

2 Fallo de vapor.

3 Fallo de aire de instrumentación.

4 Fuego.

5 Fallo por fuga de gas.

6 Disparo de una alarma de bajo flujo.

7 Fallo de las bombas de circulación.

Sea cual sea el origen de su activación, es un tipo de parada que en ningún caso puede ser prolongada.

Justo antes de realizarse la parada, todo el sistema funciona estable y automáticamente, pero una vez que la parada se inicia (manualmente o por un accidente), los equipos ralentizan su funcionamiento hasta alcanzar un estado en el que se garantiza la seguridad de las personas, de la planta y de los propios equipos. Para que esto sea posible, el sistema de control gestiona las variables de proceso, evitando que se generen riesgos tales como:

1 Sobrepresiones.

2 Generación de gases tóxicos o atmósferas asfixiantes.

3 Purgas incontroladas, etc.

Un ejemplo de la secuenciación que tiene lugar tras la activación de la parada de emergencia, puede ser el caso de un reactor, refrigerado por un serpentín interior de agua, que trabaja con gases a presión y cuyo producto de reacción es tóxico. En este caso se darían los siguientes pasos:

1 Se corta el suministro de gases reactantes para evitar la generación de sobrepresión en el reactor.

2 Se abren o cierran las válvulas de salida de productos, evitando sobrepresiones y desalojando los gases tóxicos y evitando, a toda costa, que estos entren en contacto con la atmósfera. Las válvulas se instalan en puntos estratégicos para aislar equipos presurizados o que contienen sustancias tóxicas o contaminantes de líneas o equipos.

3 Se regula el caudal de agua de refrigeración para mantener la temperatura estable o bien disminuirla en caso de que la presión interior aumente.

Consejo

Sea cual sea el origen de su activación, la parada de emergencia no puede ser prolongada en ningún caso.

Junto a estas actuaciones, ocurriría una parada en cascada (o una regulación cuando sea posible) de todos los equipos interconectados al reactor. Calderas, torres de evaporación, bombas, centrífugas, etc., quedarán en un estado de espera hasta que se solucione la contingencia que ocasionó la parada de emergencia. Entonces, el sistema pasará a modo manual y se efectuará un arranque o puesta en marcha, que seguirá su propio procedimiento de operación.

El procedimiento de arranque para el caso expuesto será el siguiente:

1 Abrir las válvulas necesarias para purgar el sistema.

2 Descargar las líneas de cualquier reactante o producto, realizando una purga con nitrógeno (también conocido como inertización).

3 Puesta en funcionamiento gradual de las torres de refrigeración, productoras del agua fría de refrigeración del reactor y funcionamiento simultáneo de las bombas de impulsión de este agua.

4 Iniciar la alimentación de reactantes, aumentándola gradualmente y ajustando las proporciones de los reactivos, hasta conseguir la relación apropiada.

5 A medida que este procedimiento avance, el sistema de control se hará cargo de la gestión automatizada de los equipos que se encuentren funcionando de forma estable.

Aunque cada día es menos común, en industria (como en las instalaciones domésticas) puede fallar el suministro de energía, que hará que tenga lugar una parada de emergencia imprevista.

Los motivos que pueden originar un fallo de energía pueden ser:

1 Pérdida del suministro eléctrico.

2 Pérdida del suministro de vapor.

3 Pérdida del suministro de aire comprimido.

4 Pérdida del suministro de agua de refrigeración.

5 Pérdida del suministro combustible de la caldera.

En estos casos, el sistema se pondrá en marcha de forma similar a como se haría tras una parada de emergencia manual, con la salvedad de que las revisiones previas a la puesta en marcha deberán ser más exhaustivas, ya que los daños originados a los equipos pueden ser mayores.