El sistema de vapor de los ingenios azucareros, es un sistema cíclico el cual consta del vapor generado en las calderas, del sistema de generación de energía eléctrica en los turbogeneradores, el vapor consumido en fábrica y el agua de condenso que, se regresa al domo de la caldera.
El presente capítulo, describe cada uno de los elementos mencionados anteriormente del sistema de vapor de los ingenios azucareros.
3.1. Generación de vapor
El equipo que permite la generación de vapor en las plantas industriales recibe el nombre de calderas. Las calderas utilizan el calor de combustión, generado por la quema de un combustible líquido, sólido o gaseoso para llevar a cabo la vaporización del agua. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
En general, existen varios tipos de combustibles que pueden ser usados, para la generación del vapor en las calderas tales como: aceites, gas natural, desperdicios entre otros. La selección del tipo de combustible, a utilizar, dependerá del análisis técnico, económico y ambiental que se realice para la operación de las calderas. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
Para la generación de vapor existen dos tipos de caldera: las calderas de concha y las calderas acuotubulares.
Las calderas de concha, son aquellas en las cuales la superficie de transferencia de calor, entre el combustible y el agua a evaporar, está contenida dentro de una concha de acero. A este tipo de calderas también se les puede llamar pirotubulares ya que, los gases de combustión fluyen por tuberías las cuales, transfieren el calor al agua circundante de la caldera. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
En las calderas acuotubulares, la disposición de los gases de combustión y el agua, a evaporar, es la inversa que la de las calderas de concha, es decir el agua fluye por los tubos mientras que, los gases de combustión los rodean. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
Independientemente del tipo de caldera, existen dos regiones fácilmente identificables de los generadores de vapor, estas son: el hogar de la caldera, donde ocurre la quema del combustible, y la cámara a presión donde se genera el vapor. Esta última es conocida como domo de vapor. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
Para el caso de calderas acuotubulares, existen dos domos en la configuración del sistema generador de vapor: el domo inferior y el domo superior. Al domo inferior, se alimenta el agua que por convección, pasará al domo superior para llevar a cabo el proceso de vaporización. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
En el caso de los ingenios azucareros, el tipo de calderas a utilizar son las acuotubulares ya que, estas producen vapor a una mayor tasa y, a presiones y temperaturas elevadas. Además, el ingenio azucarero no necesita preocuparse por el tipo de combustible a usar ya que, uno de los subproductos de la fabricación de azúcar es el bagazo, el cual resulta ser el combustible para la generación de vapor. [Hugot, Manual para Ingenieros Azucareros]
3.2. Cogeneración de energía eléctrica
El vapor producido en las calderas posee una elevada energía, debido a su alta presión y temperatura, lo cual es aprovechado para la cogeneración de energía eléctrica en los turbogeneradores.
Básicamente los turbogeneradores, están compuestos por tres elementos: la turbina, el generador de energía eléctrica y la excitatriz. En la turbina se da el cambio de energía química, en forma de entalpía, a energía mecánica mediante una serie de alabes montados en un eje fijo. De aquí, se obtiene un vapor con menor presión y temperatura conocido como, vapor de escape. Es este vapor el que se usa en las distintas etapas del proceso de fabricación de azúcar. . [Hugot, Manual para Ingenieros Azucareros]
En el proceso de fabricación del azúcar, el vapor es utilizado primordial y mayoritariamente en operaciones de calentamiento de jugo, meladura y masas cocidas. Debido a esto, es que se requiere de vapor saturado ya que, las tasas de transferencia de calor son mayores que la del vapor sobrecalentado. [Bolaños L.E., Turcios R.E., Valiente J.F. Programación con Interfase Grafico para La Simulacion de La Demanda de Vapor en un Ingenio Azucarero]
El vapor de escape producido en los turbogeneradores, se utiliza en los calentadores de jugo, en el sistema de evaporadores y para el cocimiento de la meladura, o el licor si se tiene la refinería de azúcar. Además del vapor de escape, se usan otros “tipos” de vapor. Se suele usar vapor a 125 psig en las operaciones de secado. Cuando la molienda de caña lo requiere, se usan los molinos a vapor con una presión de 250 psig. También, en la operación de los tachos, se usa el vapor vegetal proveniente de los primeros efectos. [Bolaños L.E., Turcios R.E., Valiente J.F. Programación con Interfase Grafico para La Simulacion de La Demanda de Vapor en un Ingenio Azucarero]
Las distintas disposiciones y usos del vapor, cambian de acuerdo a la manera de operación de cada ingenio. Un ejemplo de esto, es la distribución del vapor vegetal producido en los evaporadores. Parte del vapor vegetal de los primeros efectos, se suele usar en la operación de cocimiento en los tachos de fábrica. El de los segundos y terceros efectos (si es así el caso), se ocupa en los calentadores de jugo. [Hugot, Manual para Ingenieros Azucareros]
Aunque hay opciones que se van descartando, a medida que se comprende el fenómeno físico de transformación del azúcar, por ejemplo anteriormente se solía usar vapor vivo en los tachos de fábrica y refinería pero; esta opción daba paso al efecto de caramelización de las masas, dificultando la fluidez de las mismas. [Hugot, Manual para Ingenieros Azucareros]
3.4. Retorno de condensados
Como ya se ha indicado, en los ingenios azucareros la generación de vapor en la casa de calderas se utiliza para dos propósitos: para la cogeneración de energía eléctrica, en los turbogeneradores, y para las operaciones de calentamiento, en la fábrica de azúcar.
En las operaciones de calentamiento de fábrica, cuando un kilogramo de vapor se condensa completamente, se genera un kilogramo de condensado a la misma presión y temperatura. Los sistemas de vapor que funcionan eficientemente, recirculan el condensado hacia la casa de calderas. Esto es así ya que, la disposición de no recircular el condensado, o en su caso no
utilizarlo en otras operaciones de la fábrica; no tiene ningún sentido técnico, económico ni ambiental. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
El condensado que se genera a partir de vapor saturado, es prácticamente agua destilada ya que, en el calentamiento, el vapor cede su calor latente de condensación pasando al estado de líquido saturado. Este líquido todavía tiene una porción del calor total del vapor, en forma de calor sensible. Debido a esta propiedad es que, el condensado resulta ser un tipo de agua ideal para ser retornado a la caldera. Solo en casos, en que exista un peligro de contaminación del agua condensada, esta tendrá que ser tratada, enviada al deareador o utilizarla en otra etapa del proceso de fabricación. [Spirax/Sarco, The Steam and Condensate Loop]
En los ingenios azucareros, el vapor que se regresa, en forma de condensado, al domo de la caldera lo conforman mayoritariamente el vapor de escape y el vapor vegetal de los primeros y segundos efectos de los evaporadores. Esto tiene su lógica ya que, el vapor de escape es el originado en los turbogeneradores y el vapor vegetal de los primeros y segundos efectos, conforma un gran porcentaje del agua que posee la caña por naturaleza. [Chen, Manual del Azúcar de Caña]
Como ya se ha indicado, el vapor vegetal de los terceros efectos puede ocuparse en algunas operaciones de calentamiento pero; no se recircula a la caldera ya que, el arrastre de azúcar del condensado ya es significativo y puede dañar los equipos generadores de vapor. Lo mismo pasa con el vapor vegetal del cuarto efecto (o del último, si se tiene más de cuatro efectos), recuperado en el condensador barométrico. Por lo general este condensado se usa como agua de imbibición en los molinos, o para otros usos. [Hugot, Manual para Ingenieros Azucareros].
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