Separadores

El vapor ‘húmedo’ es una preocupación principal en un sistema de vapor ya que puede causar problemas de proceso y mantenimiento, incluyendo menor productividad, erosión y corrosión. Los separadores están diseñados para eliminar eficientemente la humedad del flujo de vapor. Aquí se consideran la aplicación y selección de los diferentes tipos.

El vapor húmedo es vapor que contiene cierto grado de agua, y es una de las principales preocupaciones en cualquier sistema de vapor. Puede reducir la productividad de la planta y la calidad del producto, y puede causar daños a la mayoría de los elementos de planta y equipo. Mientras que un drenaje y purga cuidadosos pueden eliminar la mayor parte del agua, no tratará las gotas de agua suspendidas en el vapor. Para eliminar estas gotas de agua suspendidas, se instalan separadores en las tuberías de vapor.

El vapor producido en una caldera diseñada para generar vapor saturado es inherentemente húmedo. Aunque la fracción de sequedad variará según el tipo de caldera, la mayoría de las calderas de vapor de tipo carcasa producirán vapor con una fracción de sequedad entre el 95 y el 98%. El contenido de agua del vapor producido por la caldera se incrementa aún más si ocurren priming y arrastre. Siempre hay cierto grado de pérdida de calor desde la tubería de distribución, lo que causa que el vapor se condense. Las moléculas de agua condensada eventualmente se desplazarán hacia el fondo de la tubería formando una película de agua. El vapor que fluye sobre esta agua puede levantar ondulaciones que pueden acumularse hasta formar olas. Las puntas de las olas tienden a romperse, lanzando gotas de condensado al flujo de vapor. La presencia de agua en el vapor puede causar varios problemas:

• Como el agua es una barrera extremadamente efectiva para la transferencia de calor, su presencia puede reducir la productividad de la planta y la calidad del producto. Esto se puede ver en la Figura 12.5.1, que muestra el perfil de temperatura a través de una superficie típica de intercambio de calor.

• Las gotas de agua que viajan a altas velocidades de vapor erosionarán los asientos de válvulas y accesorios, una condición conocida como wiredrawing. Las gotas de agua también aumentarán la cantidad de corrosión.
• Mayor incrustación de tuberías y superficies de calentamiento por las impurezas transportadas en las gotas de agua.
• Funcionamiento errático de válvulas de control y caudalímetros.
• Falla de válvulas y caudalímetros debido al desgaste rápido o al golpe de ariete. Aunque hay varios diseños diferentes de separadores, todos intentan eliminar la humedad que permanece suspendida en el flujo de vapor, que no puede ser eliminada por drenaje y purga de vapor. Hay tres tipos de separadores de uso común en sistemas de vapor:

Tipo deflector -

Un separador de tipo deflector o paleta consiste en varias placas deflectoras, que hacen que el flujo cambie de dirección varias veces al pasar por el cuerpo del separador. Las gotas de agua suspendidas tienen una mayor masa y una mayor inercia que el vapor; así, cuando hay un cambio en la dirección del flujo, el vapor seco fluye alrededor de los deflectores y las gotas de agua se recogen en los deflectores. Además, como el separador tiene una gran área transversal, hay una reducción resultante en la velocidad del fluido. Esto reduce la energía cinética de las gotas de agua, y la mayoría de ellas caerán fuera de la suspensión. El condensado se acumula en la parte inferior del separador, donde se drena a través de una purga de vapor.

Tipo ciclónico -

El separador de tipo ciclónico o centrífugo usa una serie de aletas para generar un flujo ciclónico de alta velocidad. La velocidad del vapor hace que gire alrededor del cuerpo del separador, lanzando el agua suspendida más pesada hacia la pared, donde se drena hacia una purga de vapor instalada debajo de la unidad.

Tipo coalescencia -

Los separadores de tipo coalescencia proporcionan una obstrucción en el camino del vapor. La obstrucción es típicamente un almohadilla de malla metálica (a veces referida como almohadilla desnebulizadora), sobre la cual las moléculas de agua quedan atrapadas. Estas moléculas de agua tienden a coalescer, produciendo gotas que son demasiado grandes para ser transportadas más lejos por el sistema de gas. A medida que el tamaño de las gotas aumenta, se vuelven demasiado pesadas y finalmente caen al fondo del separador. Es común encontrar separadores que combinan operaciones de tipo coalescencia y ciclónico. Al combinar los dos métodos, se mejora la eficiencia general del separador.

La eficiencia del separador es una medida del peso del agua separada en proporción al peso total del agua transportada por el vapor. Fuera del laboratorio, es difícil establecer la eficiencia exacta de un separador, ya que depende de la fracción de sequedad de entrada, la velocidad del fluido y el patrón de flujo. Sin embargo, la erosión de codos de tubería, wiredrawing y golpe de ariete son indicaciones de la presencia de vapor húmedo en las tuberías de vapor.

Una de las principales diferencias en rendimiento entre el separador tipo deflector y los tipos ciclónico y coalescencia es que el tipo deflector es capaz de mantener un alto nivel de eficiencia sobre un rango más amplio de velocidades de tubería. Los separadores ciclónicos y de coalescencia típicamente exhiben eficiencias del 98% a velocidades de hasta 13 m/s, pero esto cae bruscamente, y a 25 m/s, la eficiencia es típicamente alrededor del 50%, según investigación universitaria en el Reino Unido. Esta investigación también ha demostrado que, para un separador tipo deflector, la eficiencia se mantiene cercana al 100% en un rango de 10 m/s a 30 m/s. La conclusión es que el separador tipo deflector es más adecuado para aplicaciones de vapor, donde generalmente hay cierto grado de fluctuación de velocidad. Además, se encontrará que el vapor húmedo circula a velocidades de más de 30 m/s si la tubería está subdimensionada. Un método para superar este problema es usar un separador de mayor tamaño y aumentar el diámetro de la tubería inmediatamente aguas arriba del separador. Esto tendrá el efecto de reducir la velocidad del vapor antes de que entre en el separador.

Ejemplo 12.5.1

Si se instala un separador con una eficiencia del 90% en una tubería principal de vapor que contiene vapor con una fracción de sequedad de 0,95, ¿cuál sería la fracción de sequedad aguas abajo? Si la fracción de sequedad inicial es 0,95, cada kilogramo (1000 g) de vapor contiene:

Aunque es una mejora respecto a la sequedad original de 0,95, el vapor todavía contendrá una cantidad significativa de agua.

La caída de presión a través de un separador tipo deflector es muy baja debido a la reducción en la velocidad del vapor, que se crea por el gran aumento en el área transversal proporcionado por el cuerpo del separador. La caída de presión es típicamente menor que la longitud equivalente de una tubería del mismo diámetro nominal. En comparación, la caída de presión a través de un separador de tipo ciclónico es algo mayor, ya que la velocidad del fluido debe mantenerse para generar el efecto ciclónico. En aplicaciones no críticas, los separadores tipo deflector se dimensionan típicamente según el tamaño de la tubería; sin embargo, es necesario verificar que el tamaño elegido asegure la máxima eficiencia de separación y que la caída de presión esté dentro de límites aceptables. En aplicaciones críticas, es más común seleccionar el separador basándose en la presión operativa y el caudal, para proporcionar una eficiencia y caída de presión adecuadas. Dimensionar un separador de tipo ciclónico es más complicado, ya que es importante asegurar que la velocidad a través del separador sea adecuada para mantener un alto nivel de eficiencia y que la caída de presión a través del separador sea aceptable. El Ejemplo 12.5.2 describe la selección de un separador tipo deflector a partir de una carta de especificaciones típica del fabricante.

Ejemplo 12.5.2

Usando la carta de dimensionamiento en la Figura 12.5.5, seleccione un separador de tamaño adecuado para una estación reductora de presión, con una presión aguas arriba de 12 bar g y que pasa 500 kg/h de vapor a través de una tubería de 32 mm. Si el caudal se duplicara a 1000 kg/h, ¿qué tamaño debería tener el separador?

1. Trace el punto A donde la presión de vapor y el caudal se cruzan y dibuje una línea horizontal desde este punto. Cualquier curva de separador que sea bisectada por esta línea dentro del área sombreada operará cerca del 100% de eficiencia.
2. Seleccione el separador del tamaño de la línea, es decir, 32 mm en el punto B.
3. La velocidad de línea para cualquier tamaño puede determinarse trazando una línea vertical desde esta intersección. Desde el punto B, esta línea cruza el eje de velocidad a 18 m/s.
4. Para determinar la caída de presión a través del separador, donde la línea vertical, extendida desde el punto B, cruza la línea C-C, trace una línea horizontal. Luego trace una línea vertical desde el punto A. El punto de intersección D, es la caída de presión a través del separador.
5. Repitiendo este procedimiento para un caudal de 1000 kg/h, se generan los puntos X, Y y Z. Se puede ver que el punto Y cae fuera de la región sombreada y el separador no operará a máxima eficiencia. Aquí, sería aconsejable usar un separador de mayor tamaño; se seleccionaría un separador DN40, como se representa por el punto Z, junto con una caída de presión de aproximadamente 0,07 bar en el punto W.

La Tabla 12.5.1 resume las diferencias importantes en el rendimiento de los separadores tipo deflector y ciclónico.

Tabla 12.5.1 Comparación de separadores tipo deflector y centrífugo

Debe instalarse una purga de vapor adecuada en la salida de condensado del separador para asegurar la eliminación eficiente del condensado, sin la pérdida de vapor activo. El tipo más adecuado de purga de vapor es el tipo flotador de bola, que asegura la eliminación inmediata del condensado. Algunos separadores incluyen el mecanismo de purga dentro del cuerpo del separador.

La mayoría de los separadores verticales tienen una conexión en la parte superior del cuerpo. Esta puede usarse para una ventila de aire, facilitando la eliminación del aire del espacio de vapor durante el arranque.

Aislamiento

Si un separador se deja sin aislar, puede inducir la formación de gotas de agua en lugar de eliminarlas, debido a la gran superficie expuesta al medio ambiente. Además, se pueden perder cantidades significativas de energía térmica de la superficie del separador. Por ejemplo, aislar un separador que contiene vapor a 150°C y expuesto a temperaturas ambientales de 15°C, producirá un ahorro anual de energía de 8600 MJ (basado en la pérdida de calor por radiación solamente, asumiendo condiciones de aire en reposo y 8.760 horas de operación por año). Al instalar una chaqueta de aislamiento, esta pérdida de calor puede reducirse drásticamente y los ahorros de energía justifican el costo inicial del aislamiento en un tiempo extremadamente corto. Deben usarse chaquetas de aislamiento diseñadas para ajustarse sobre un separador particular, ya que la forma del separador, particularmente si tiene bridas, dificulta el aislamiento. Las cubiertas de brida estándar dejan el cuerpo expuesto y por lo tanto tienen un efecto limitado en la reducción de la pérdida de calor. Incluso con el mejor aislamiento, no es posible eliminar toda la pérdida de calor de un producto. La eficiencia del aislamiento del separador es típicamente superior al 90%. Es importante usar una chaqueta diseñada para un separador particular; de lo contrario, la eficiencia de aislamiento disminuirá. Los separadores correctamente aislados también reducen el riesgo de lesiones personales por quemaduras.