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i

Trabajo Fin de Grado.

Grado en ingeniería de las Tecnologías Industriales.

Separadores de vapor en instalaciones térmicas

industriales

Autor: Joaquín Chacón Romero

Tutor: José Julio Guerra Macho

Departamento de Ingeniería Energética

Grupo de Máquinas y Motores Térmicos

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015

iii

Trabajo Fin de Grado

Grado en ingeniería de las Tecnologías Industriales

Separadores de vapor en instalaciones

térmicas industriales

Autor:

Joaquín Chacón Romero

Tutor:

José Julio Guerra Macho

Catedrático de Universidad

Departamento de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015

v

Trabajo Fin de Grado: Separadores de vapor en instalaciones térmicas industriales

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes

miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2015

El Secretario del Tribunal

Autor: Joaquín Chacón Romero

Tutor: José Julio Guerra Macho

vi

A mi familia

A mis maestros

viii

Agradecimientos

Agradecer a mi familia y amigos, por todo su apoyo a lo largo de mi carrera, así como a

todos aquellos profesores y docentes que hicieron posible mi formación universitaria. Es un

honor para mí haber formado parte de esta gran escuela.

x

Resumen

En las instalaciones térmicas industriales y en las centrales térmicas está muy generalizado el

uso del vapor como fluido caloportador. En general, la eficiencia del vapor aumenta al

disminuir el título del vapor, por lo que es imprescindible generar vapor seco. Como es muy

difícil conseguir vapor seco en el generador de vapor, hay que incorporar elementos en su

interior que eliminen las gotas que arrastra el vapor. De la misma manera, hay que incorporar

elementos en la red de transporte que garanticen vapor seco en los puntos de consumo. Estos

elementos se denominan separadores de vapor y constituyen el objeto de este Trabajo Fin de

Grado. En concreto se estudiarán los principios físicos de funcionamiento, sus diferentes

tipologías, se analizarán los modelos y características de los principales fabricantes así como

sus parámetros fundamentales de diseño.

xii

Índice

Agradecimientos viiix

Resumen xi

Índice xiii

Índice de Tablas xv

Índice de Figuras xvii

Notación xix

1 Introducción: Instalaciones de vapor y objetivo de los separadores. 1 1.1. Introducción 1 1.2. El vapor de agua 1 1.3. Esquema de una instalación térmica 3 1.4. Objetivo de los separadores 5 1.5. Estructura y contenido 6

2 Principios físicos de la separación de vapor 7 2.1. Introducción 7 2.2. Movimiento de partículas a través de un fluido 7

2.2.1 Mecánica del movimiento de partículas 7 2.2.2 Movimiento unidimensional de una partícula a través de un fluido 8 2.2.3 Velocidad límite 10 2.2.4 Coeficiente de rozamiento 11 2.2.5 Movimiento de partículas esféricas 13 2.2.6 Criterios para el régimen de sedimentación 15

2.3. Separaciones mecánicas 15 2.3.1 Separación de gotas contenidas en gases; ciclones 17 2.3.2 Fundamentos de la sedimentación centrífuga 18

3 Separadores de vapor 22 3.1. Introducción 22 3.2. Clasificación y funcionamiento 22

3.2.1. Según su forma 22 3.2.2. Según los elementos internos de separación 25

3.3. Elementos de un separador 27 3.4. Consideraciones prácticas para la selección de un separador 29 3.5. Caso práctico de selección 30 3.6. Instalación, operación y mantenimiento 34 3.7. Normativa aplicable 37

4 Estudio de fabricantes ¡Error! Marcador no definido.9 4.1. Introducción ¡Error! Marcador no definido.9

xiii

4.2. Spirax-Sarco 39 4.3. Armstrong 53 4.4. Comeval 54 4.5. Ecotherm 55 4.6. Sotermic (Saidi) 56 4.7. TLV 59 4.8. Parámetros característicos 63 4.9. Análisis de los parámetros característicos 63

5 Resumen y conclusiones 69

Referencias 72

Anexo 74

xiv

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1.Características principales 30

Tabla 3.2. Modelos del fabricante 31

Tabla 4.1. Materiales S1 39

Tabla 4.2. Condiciones de diseño S1 40















Tabla 4.17. Dimensiones y pesos DS 53

Tabla 4.18. Especificaciones y materiales DS 54

Tabla 4.19. Dimensiones y pesos Datro 55

Tabla 4.20. Condiciones de diseño Datro 55

Tabla 4.21. Características técnicas EES 56

Tabla 4.22. Características técnicas S16S 57



Tabla 4.25. Dimensiones y pesos DC7 60

Tabla 4.26. Rango de operación DC7 61

Tabla 4.27. Dimensiones y pesos SF1 62

Tabla 4.28. Rango de operación SF1 62

Tabla 5.1. Rangos de parámetros característicos 71

xv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Esquema instalación térmica 4

Figura 2.1. Coeficiente de rozamiento vs Nº de Reynolds 12

Figura 2.2. Zona de la curva CD vs. NRe 13

Figura 2.3. Ciclón 17

Figura 2.4. Sección de un ciclón 19

Figura 3.1. Separador esférico 23

Figura 3.2. Separador esférico 2 23

Figura 3.3. Separador vertical 24

Figura 3.4. Separador horizontal 25

Figura 3.5. Separador deflector 26

Figura 3.6. Separador ciclónico 27

Figura 3.7. Separador coalescente 28

Figura 3.8. Gráfica P-T de operación 32



Figura 3.11. Gráfica de selección 33

Figura 3.12. Instalación típica 1 36



Figura 4.1. Separador S1 40

Figura 4.2. Rango de operación S1 40















Figura 4.17. Separadores serie DS 53

Figura 4.18. Separadores serie Datro 54

Figura 4.19. Separadores serie EES 56

Figura 4.20. Separador S16S 57



Figura 4.23. Separador DC7 60

xvi

Figura 4.24. Separador SF1 61

Figura 4.25. Diagrama de fases del agua 64

Figura 4.26. Gráfica PMA-TMA 64

Figura 4.27. Gráfica PMO-TMO 65

Figura 4.28. Gráfica Caudal medio-Peso 65

Figura 4.29. Gráfica Caudal medio-Diámetro drenaje 66

Figura 4.30. Gráfica Caudal medio-PMO 67

Figura 4.31. Gráfica Caudal medio-PMO. Armstrong 67

Figura 4.32. Gráfica Peso-PMO 68

xvii

Notación

A: Área (m2).

Ap: Área proyectada de la partícula (m2).

ae: Aceleración de la partícula a partir de una fuerza externa (m/s2).

CD: Coeficiente de rozamiento, 2FDgC/u02ρAp, adimensional.

D: Diámetro (m).

Dp: Diámetro de la partícula esférica o de una esfera que tiene el mismo volumen que la

partícula (m).

F: Fuerza (N).

FD: fuerza de rozamiento total (N).

Fb: Fuerza de flotación (N).

Fe: Fuerza externa (N).

gc: Factor de proporcionalidad de la ley de Newton, 9,80665 kgmm/s2kgf.

K: Criterio para sedimentación, definido por la Ecuación (22), adimensional.

m: Masa (kg).

NRe: Número de Reynolds, adimensional.

NRe, p: Número de Reynolds de la partícula, DpG0/μ adimensional.

r: Radio del camino de la partícula (m).

u: Velocidad del fluido o de la partícula (m/s).

ut: velocidad límite de una partícula (m/s).

u0: velocidad de la corriente que se acerca (m/s).

μ: Viscosidad absoluta (Pa.s).

μs: Viscosidad efectiva de la suspensión (Pa.s).

ρ: Densidad(kg/m3).

ρp: Densidad de la partícula (kg/m3).

b: Anchura de la cesta de la centrífuga (m).

Dp: Tamaño de partícula (m).

Dpc: diámetro de corte (m).

Fc: Fuerza centrífuga (N).

Fg: Fuerza gravitatoria (N).

g: Aceleración de la gravedad (N).

q: Velocidad volumétrica de flujo (m3/s).

qc: Velocidad volumétrica en la separación de partículas del diámetro de corte (m3/s).

r: Radio (m).

r1: Radio interior del material en la centrífuga (m).

r2: Radio exterior del material en la centrífuga (m).

s: Espesor de la capa liquida en la centrifuga (m).

t: Tiempo (s).

tT: tiempo de residencia en la centrífuga (s).

xviii

u: Velocidad lineal (m/s).

ut: Velocidad terminal de sedimentación (m/s).

utan: Velocidad tangencial del gas en un ciclón (m/s).

V: volumen pie3, m

3 o l.

Introducción: Instalaciones de Vapor y Objetivo de los Separadores

1

1 INTRODUCCIÓN: INSTALACIONES DE

VAPOR Y OBJETIVO DE LOS

SEPARADORES

1.1. Introducción

En la industria el fluido caloportador más empleado es el vapor de agua. Su uso

tanto en la industria de procesos como de generación de energía eléctrica tiene

características diferentes aunque un gran número de equipos y elementos

accesorios son comunes en ambos tipos de aplicaciones.

En muchos sectores industriales, el calor necesario en el proceso se aporta a través

de una red de vapor, aprovechando su calor latente que se transfiere en los puntos

de consumo. En algunas industrias la generación de vapor para el proceso se

combina con la generación de vapor para generación de energía eléctrica en la

propia industria. En este caso, se suele producir vapor a una presión superior a la

que necesita el proceso, que se lamina en una turbina de contrapresión para

generar electricidad. El vapor a la salida de la turbina se lleva al proceso o procesos

directamente o a través de un proceso en cascada si el consumo tiene lugar a

diferentes presiones.

1.2. El vapor de agua

La instalación térmica industrial de vapor se define como el conjunto de equipos,

tuberías y elementos encargados de la conducción del vapor de agua entre el

generador de vapor y el punto de uso y el condensado entre el punto de consumo y

el generador de vapor-.

El vapor es uno de los fluidos más comúnmente utilizados para calentar equipos o

instalaciones en cualquier tipo de industria: química, petroquímica, alimentación,

farmacéutica, en procesos de como el de producción de papel, lavandería,

humidificación, generación y en todos aquellos procesos en los que se requiera

transportar calor a cortas distancias.


2

Las razones por las que se usa vapor como fluido caloportador son las siguientes:

- Se produce de forma eficiente y económica a partir de agua, que es un fluido

abundante y barato. No es peligroso para la salud ni para el medio ambiente. El

vapor es seguro y constituye una forma eficaz de transportar energía. Es capaz

de transportar 5 o 6 veces más energía que la misma masa de agua líquida.

- Se transporta de manera fácil y económica al punto de consumo. Circula debido

a la diferencia de presión del vapor a través de la red de transporte. El diámetro

de la red es menor que en otros fluidos debido al menor caudal vehiculado

(elevado calor latente del vapor).

- Es fácil de controlar: La cantidad de energía transferida al proceso se controla

fácilmente a través de la presión de vapor. Los elementos de control actuales

responden muy rápido a los cambio en el proceso. El uso de válvulas de 2 vías,

en lugar de 3 vías normalmente necesarias en la red de transporte de líquidos,

simplifica el control y la instalación, reduciendo el coste.

- La energía se transfiere de manera fácil al proceso: La condensación del vapor

en el proceso proporciona elevados valores del coeficiente de película. El vapor

puede ser inyectado directamente en el proceso. Puede llenar el espacio

disponible a una temperatura uniforme, transfiriendo calor a temperatura

constante, eliminando gradientes de temperatura. Requiere menor superficie

de transferencia que otros fluidos, utilizando plantas más compactas, más

fáciles de instalar y ocupando menos espacio en la industria.

- La instalación de vapor es fácil de operar: Los elementos de control de una red

de vapor son fácilmente integrables en los sistemas de control centralizados,

reduciendo los costes de operación. Con un mantenimiento adecuado la

instalación de vapor tiene una duración de muchos años.

- La instalación de mantenimiento y monitorización (por ejemplo de fugas en

purgadores) es más económica que en otras instalaciones (ej. detección de

fugas de gases). Una parte de la instalación que necesite mantenimiento, se

aísla muy fácilmente del resto y las operaciones de mantenimiento requieren

poco tiempo.

- El vapor es flexible: El vapor no es contaminante, utilizándose en un gran

número de industrias de alimentación, farmacéuticas, hospitales y procesos de

esterilización. El vapor se utiliza en grandes industrias como petroquímicas y en

pequeñas industrias como lavanderías. En muchas industrias se utiliza el vapor

como único fluido caloportador para el calentamiento y para la instalación de

calefacción de las naves y oficinas.


3

1.3. Esquema de una instalación térmica

De manera general, se pueden encontrar los siguientes elementos en una

instalación térmica (Figura 1.1):

- Depósito de alimentación: El depósito de alimentación es uno de los equipos más importantes de una instalación de vapor. Almacena el condensado recuperado de la instalación y el agua nueva de reposición. Elimina gases disueltos en el agua y permite un tratamiento final del agua de alimentación. El depósito de alimentación debe dimensionarse correctamente para permitir fluctuaciones en la demanda y posibles paradas de la instalación.

- Desgasificador: El objetivo del desgasificador en una planta térmica es la eliminación del oxígeno y el CO2 disueltos en el agua de alimentación de la caldera, para prevenir problemas de corrosión y “pitting”. El principio de funcionamiento se basa en que cuando el agua se encuentra cerca de su temperatura de ebullición disminuye la solubilidad de los gases disueltos en ella, por lo que resulta más sencillo su eliminación.

- Sistema de tratamiento de aguas: Consta de tres etapas; ablandamiento, se reduce la dureza del agua (concentración de calcio y magnesio) para evitar depósitos e incrustaciones; filtrado, eliminación de las partículas que se encuentran en suspensión en el agua; ósmosis inversa, filtrado especial para eliminar productos químicos e inorgánicos así como microrganismos.

- Caldera o generador de vapor: es el responsable de generar el vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de energía a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase a vapor saturado. . Pueden ser acuotubulares o pirotubulares.

- Depósito flash: El depósito flash o tanque de revaporizado es un depósito vertical donde tiene lugar la separación del condensado y del revaporizado. El vapor sale por la parte superior del depósito mientras que el condensado cae por gravedad al fondo del depósito, siendo drenado a través de un purgador. Suelen instalarse en instalaciones con más de una presión para recuperar la energía del condensado o para recuperar la energía de las purgas del generador.

- Red de vapor: Conjunto de tuberías y dispositivos auxiliares (purgadores, válvulas, filtros,…) por los que circula el vapor desde el generador hasta el punto de consumo.

- Red de condensado: Conjunto de tuberías y dispositivos auxiliares por los que circula el condensado, como consecuencia de las pérdidas de carga, hasta el desgasificador para el aprovechamiento de su calor sensible.

- Separadores: Es el objeto de estudio de este trabajo. De manera sencilla, podemos decir que son los responsables de mantener el vapor seco ante de alimentar el punto de consumo, con unas condiciones óptimas de calidad.

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido

http://es.wikipedia.org/wiki/Estados_de_la_materia


4

Figura 1.1. Esquema instalación térmica


5

1.4. Objetivo de los separadores

Aquellos procesos que utilizan vapor para realizar trabajo están familiarizados con

los términos ‘vapor seco’ y ‘vapor húmedo’. Aún en tuberías que están

continuamente en uso es muy frecuente encontrar vapor húmedo. La humedad

contenida en nuestro vapor es uno de los aspectos más determinantes en la calidad

y eficiencia del fluido de trabajo

En general la caldera o generador de vapor, genera vapor húmedo, es decir, vapor

con masa de agua (partículas de condensado) contenida en su interior. El

condensado será siempre perjudicial para nuestra red de vapor por distintos

motivos: interfiere de manera negativa en la transferencia de calor reduciendo de

manera notable la eficacia térmica del proceso; puede provocar erosiones y averías

en nuestra red, así como golpes de arietes en zonas críticas y sensibles que dañarían

nuestras tuberías y accesorios; aumenta el consumo de los equipos de bombeo y

reduce considerablemente su vida útil.

Debido a estos problemas derivados, se considera necesaria e imprescindible la

instalación de equipos capaces de separar la humedad del vapor vivo para generar

vapor seco. Siendo un elemento sencillo de gran utilidad, se plantea fundamental la

elección de su situación dentro de la instalación para obtener el mayor rendimiento

de la red además de protección y seguridad de los equipos presentes en ella.

El separador de vapor en la instalación se considera de vital importancia pues

asegura la buena calidad del vapor (título de vapor) en términos de humedad que

directamente se refleja en la vida útil de todos los equipos presentes.

La correcta elección del separador y su situación en la instalación nos ayudará a

mejorar la eficiencia de nuestro sistema:

- Menor consumo en los equipos de bombeo: si el vapor se presenta con excesiva

humedad aumentará el consumo de los compresores además de reducirse su

vida útil.

- Mayor eficiencia térmica: aumentando la calidad del vapor mejoraremos la

eficiencia en la transferencia de energía térmica.

- Mayor ahorro energético: los separadores pueden ir acompañados de un

sistema de recuperación del condensado que nos permitirían un ahorro en

términos de energía y de agua. Normalmente este condensado se realimenta al

depósito de alimentación evitando su desecho y aumentando la temperatura

del agua de aporte.


6

1.5. Estructura y contenido

El Trabajo Fin de Grado se ha estructurado en cinco capítulos. En el primero se

realiza una introducción a las instalaciones térmicas industriales que utilizan vapor

como fluido caloportador. Se describe una instalación tipo y los elementos

característicos de la misma. En el segundo capítulo se resumen los principios físicos

que regulan el funcionamiento de los diferentes tipos de separadores de vapor. Este

capítulo sirve como introducción al capítulo tercero, donde se describen los tipos

más frecuentes de separadores utilizados en las instalaciones de vapor. Se

describen los elementos de los separadores, los parámetros básicos de selección,

las condiciones de instalación y mantenimiento. Se resume igualmente la normativa

que afecta a los separadores. En el cuarto capítulo, se analizan los principales

fabricantes, identificando los parámetros característicos de cada modelo para

finalmente obtener ratios representativos. En el último capítulo se resume el

trabajo desarrollado y las principales conclusiones.

Principios Físicos de la Separación de Vapor

7

2 PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA

SEPARACIÓN DE VAPOR

2.

2.1. Introducción

En este capítulo se resumen los principios físicos con los que se lleva a cabo la

separación de las partículas de condensado del vapor. En un primer apartado se

analiza el movimiento y las fuerzas que actúan en una partícula que se mueve a

través de un fluido o gas como puede ser el vapor. Posteriormente se particularizan

dichas fuerzas y movimientos para el caso de los separadores mecánicos, y por

último se analiza la separación de tipo centrífuga. Este capítulo es una introducción

al capítulo siguiente donde se analizan los separadores de vapor más utilizados.

2.2. Movimiento de partículas a través de un fluido

Para entender el principio físico de los separadores de vapor, empezaremos

hablando del movimiento de partículas a través de un fluido.

En muchas etapas de los procesos de ingeniería, especialmente en separaciones

mecánicas, interviene el movimiento de gotas líquidas a través de un fluido. El

fluido puede ser un gas o un líquido, y puede estar en movimiento o en reposo.

2.2.1. Mecánica del movimiento de partículas

El movimiento de una partícula a través de un fluido requiere una fuerza externa

que actúe sobre la partícula. Esta fuerza puede provenir de la diferencia de

densidad entre la partícula y el fluido, o puede ser el resultado de campos eléctricos

o magnéticos. En esta sección solamente se considerarán fuerzas gravitacionales o

centrífugas derivadas de diferencias de densidad.

Sobre una partícula que se mueve en el seno de un fluido actúan tres fuerzas; (1) la

fuerza externa, gravitacional o centrífuga; (2) la fuerza de flotación, que es paralela

a la fuerza externa pero de sentido contrario, y (3) la fuerza de rozamiento que


8

aparece siempre que hay movimiento relativo entre la partícula y el fluido. La fuerza

de rozamiento actúa en la dirección del movimiento pero en sentido contrario.

En el caso general, la dirección del movimiento de la partícula con relación al fluido

puede no ser paralela a la dirección de las fuerzas externa y de flotación, y la fuerza

de rozamiento puede formar un ángulo con las otras dos. En este caso, que recibe el

nombre de movimiento bidimensional, es preciso descomponer el rozamiento en

sus componentes, lo cual complica el tratamiento de la mecánica de la partícula. Se

dispone de ecuaciones para el movimiento bidimensional, pero en este libro

solamente se considerará el movimiento unidimensional en el que las líneas de

acción de todas las fuerzas que actúa sobre la partícula son colineales.

2.2.2. Movimiento unidimensional de una partícula a través de un fluido

Consideremos una partícula de masa m que se mueve a través de un fluido bajo la

acción de una fuerza externa Fe. Sea u la velocidad de la partícula con relación al

fluido, Fb la fuerza de flotación sobre la partícula y FD el rozamiento.

Por tanto, la fuerza resultante que actúa sobre la partícula es Fe — Fb — FD, la

aceleración de la partícula es du/dt, y según la Ecuación (1) puesto que m es

constante,

𝐹 =𝑑(𝑚𝑢)/𝑑𝑡

𝑔𝑐 (1)

𝑚

𝑔𝑐 𝑑𝑢

𝑑𝑡= 𝐹𝑒 − 𝐹𝑏 − 𝐹𝐷 (2)

La fuerza externa puede expresarse como el producto de la masa por la aceleración

ae de la partícula debida a esta fuerza, y

𝐹𝑒 =𝑚𝑎𝑒

𝑔𝑐 (3)

Según el principio de Arquímedes, la fuerza de flotación es igual al producto de la

masa de fluido desplazada por la aceleración debida a la fuerza externa. El volumen

de la partícula es m/ρp, siendo ρp la densidad de la partícula, y las partículas


9

desplazan este mismo volumen de fluido. La masa de fluido desplazado es (m/ ρp) ρ,

siendo ρ la densidad del fluido. Por tanto, la fuerza de flotación es

𝐹𝑏 =𝑚𝜌𝑎𝑒

𝜌𝑝𝑔𝑐 (4)

Según la ecuación 𝐶𝐷 =𝐹𝐷/𝐴𝑝

𝜌𝑢𝑜2/2𝑔𝑐

, la fuerza de rozamiento es

𝐹𝐷 =𝐶𝐷𝑢0

2𝜌𝐴𝑝

2𝑔𝑐 (5)

donde CD es el coeficiente de rozamiento, adimensional y Ap el área proyectada de la partícula, medida en un plano perpendicular a la dirección de movimiento de la partícula

uo = u

Sustituyendo las fuerzas de las Ecuaciones (3) a (5) en la Ecuación (2), se obtiene

𝑑𝑢

𝑑𝑡= 𝑎𝑒 −

𝜌𝑎𝑒

𝜌𝑝−

𝐶𝐷𝑢2𝜌𝐴𝑝

2𝑚= 𝑎𝑒

𝜌𝑝−𝜌

𝜌𝑝−


2𝑚 (6)

Movimiento debido a la fuerza gravitacional. Si la fuerza externa es la de la

gravedad, ae es g, la aceleración de la gravedad, y la Ecuación (6) se transforma en

𝑑𝑢

𝑑𝑡= 𝑔

𝜌𝑝−𝜌

𝜌𝑝−


2𝑚 (7)


10

Movimiento en un campo centrífugo. Siempre que se varía la dirección del

movimiento de una partícula, se origina una fuerza centrífuga. Según la física

elemental, la aceleración producida por una fuerza centrífuga en el movimiento

circular es igual a

𝑎𝑒 = 𝑟𝜔2 (8)

Siendo r el radio de giro de la partícula y ω la velocidad angular, rad/s

Sustituyendo en la Ecuación (6) se obtiene

𝑑𝑢

𝑑𝑡= 𝑟𝜔2 𝜌𝑝−𝜌

𝜌𝑝−


2𝑚 (9)

En esta ecuación u es la velocidad de la partícula con relación al fluido y está

dirigida hacia fuera, a lo largo del radio.

2.2.3. Velocidad límite.

En la sedimentación por gravedad, g es constante. Por otra parte el frotamiento

aumenta siempre con la velocidad. La Ecuación (7) indica que la aceleración

disminuye con el tiempo y tiende a cero. La partícula alcanza rápidamente, por

tanto, una velocidad constante, que es la máxima alcanzable en estas condiciones y

que se denomina velocidad límite. Para la sedimentación por gravedad, se halla la

ecuación de la velocidad límite u, haciendo du/dt = 0. Se tiene entonces, de la

Ecuación (7)

𝑢𝑡 = √2𝑔(𝜌𝑝−𝜌)𝑚

𝐴𝑝𝜌𝑝𝐶𝐷𝜌 (10)

En el movimiento debido a una fuerza centrífuga, la velocidad depende del radio y

la aceleración no es constante, si la partícula se mueve con respecto al fluido. Sin

embargo, en muchos casos prácticos en los que se emplea la fuerza centrífuga,

du/dt es pequeño en comparación con los otros términos de la Ecuación (9) y si


11

du/dt se desprecia, puede definirse, para un radio determinado, una «velocidad

límite» mediante la ecuación

𝑢𝑡 = √2𝑟𝑚(𝜌𝑝−𝜌)𝑚

𝐴𝑝𝜌𝑝𝐶𝐷𝜌 (11)

2.2.4. Coeficiente de rozamiento.

Para el uso cuantitativo de las Ecuaciones (6) a (11) es necesario disponer de

valores numéricos del coeficiente de rozamiento CD. La Figura 2.1, que muestra el

coeficiente de rozamiento como una función del número de Reynolds, corresponde

a esta relación. En la Figura 2.2 se reproduce una parte de la curva de CD vs. NRe

para esferas. Sin embargo, la curva de la Figura 2.2 solamente es aplicable en

condiciones restringidas. La partícula ha de ser una esfera sólida, estar lejos de otras

partículas y de las paredes del recipiente, de forma que no se distorsione el modelo

de flujo alrededor de la partícula, y además la partícula ha de moverse con su

velocidad límite con respecto al fluido. Los coeficientes de rozamiento para

partículas que aceleran son considerablemente mayores que los que se muestran

en la Figura 2.2, de tal forma que una partícula que se deja caer en un fluido tarda

más en alcanzar la velocidad límite que lo que predicen los valores de CD para

estado estacionario. Por otra parte, cuando se inyectan partículas en una corriente

que se mueve rápidamente, las partículas aceleran menos de lo que cabría esperar,

y los coeficientes de rozamiento son, en este caso, menores que los normales. Sin

embargo, para la mayor parte de los procesos en los que intervienen pequeñas

partículas o gotas, el tiempo de aceleración hasta la velocidad límite es muy

pequeño y con frecuencia se ignora en el análisis del proceso.

Las variaciones en la forma de la partícula pueden tenerse en cuenta obteniendo

curvas de CD vs. NRe p para cada forma, tal como se muestra en la Figura 2.1 para

cilindros y discos. Sin embargo, tal como se ha indicado anteriormente, las curvas

para cilindros y discos solamente son aplicables para una orientación especificada

de la partícula. En el movimiento libre de partículas no esféricas a través de un

fluido la orientación está cambiando constantemente. Este cambio consume

energía, dando lugar a un aumento del rozamiento efectivo sobre la partícula, y CD

es mayor que para el movimiento del fluido sobre una partícula estacionaria. Como

consecuencia, la velocidad límite, especialmente con discos y partículas de forma

parecida, es menor que la que se predeciría a partir de las curvas para una

orientación determinada.


12

Figura 2.1. Coeficiente de rozamiento vs Nº de Reynolds

En el tratamiento que sigue se supondrá que las partículas son esféricas, si bien una

vez que se conocen los coeficientes de rozamiento para el movimiento libre de las

partículas son aplicables los mismos principios a cualquier otra forma.

Cuando la partícula está a suficiente distancia de los límites del recipiente y de otras

partículas, de forma que no afectan a su caída, el proceso recibe el nombre de

sedimentación libre. Si el movimiento de las partículas está impedido por otras

partículas, lo que ocurrirá cuando las partículas estén próximas entre sí aun cuando

no lleguen a tocarse, el proceso recibe el nombre de sedimentación impedida. El

coeficiente de rozamiento en la sedimentación impedida es mayor que en la

sedimentación libre.

Si las partículas son muy pequeñas aparece el movimiento browniano, que es un

movimiento al azar debido a las colisiones de la partícula con las moléculas de fluido

que la rodean. Este efecto se hace apreciable para tamaños de partícula del orden

de 2 a 3 μm y predomina sobre la fuerza de gravedad para tamaño de la partícula

de 0,1 μm o inferior. El movimiento al azar de la partícula tiende a suprimir el

efecto de la fuerza de la gravedad de forma que no se produce la sedimentación. La

aplicación de una fuerza centrífuga reduce el efecto relativo del movimiento

browniano.


13

Figura 2.2. Zona de la curva CD vs. NRe

2.2.5. Movimiento de partículas esféricas.

Si las partículas son esferas de diámetro Dp,

𝑚 =𝜋𝐷𝑝

2𝜌𝑝

6 (12)

𝐴𝑝 =𝜋𝐷𝑝

2

4 (13)

Sustituyendo m y Ap de las Ecuaciones (12) y (13) en la Ecuación (10) se obtiene la

ecuación para la sedimentación por gravedad de esferas

𝑢𝑡 = √4𝑔(𝜌𝑝−𝜌)𝐷𝑝

3𝐶𝐷𝜌 (14)


14

En el caso general, la velocidad límite se puede obtener por tanteo estimando NRe, p

para obtener un valor estimativo inicial de CD. Para los casos límites de números de

Reynolds muy elevados se pueden utilizar ecuaciones para obtener directamente ut.

Para bajos números de Reynolds, el coeficiente de rozamiento varía de forma

inversamente proporcional con NRe, p y las ecuaciones para CD; FD y ut son

𝐶𝐷 =24

𝑁𝑅𝑒,𝑝 (15)

𝐹𝐷 =3𝜋𝜇𝑢𝑡𝐷𝑝

𝑔𝑐 (16)

𝑢𝑡 =𝑔𝐷𝑝

2(𝜌𝑝−𝜌)

18𝜇 (17)

La Ecuación (17) se conoce como ley de Stokes y es aplicable para números de

Reynolds de la partícula inferiores a 1,0. Para NRe, p = 1,0, CD = 26,5 en vez de 24,0

según la Ecuación (15) y, puesto que la velocidad límite depende de la raíz cuadrada

del coeficiente de rozamiento, la ley de Stokes comete un error del 5 por 100 en

este punto. La Ecuación (17) puede modificarse para predecir la velocidad de una

pequeña esfera en un campo centrífugo sustituyendo g por reo2.

Para 1000 < NRe, p < 200000 el coeficiente de rozamiento es aproximadamente

constante y las ecuaciones son

𝐶𝐷 = 0,44 (18)

𝐹𝐷 =0,055𝜋𝐷𝑝

2𝑢𝑡2𝜌

𝑔𝑐 (19)

𝑢𝑡 = 1,75√𝑔𝐷𝑝(𝜌𝑝−𝜌)

𝜌 (20)

La Ecuación (20) es la ley de Newton y se aplica solamente para partículas

relativamente grandes que caen en gases o fluidos de baja viscosidad.


15

2.2.6. Criterios para el régimen de sedimentación.

Para identificar el intervalo en el que está comprendido el movimiento de la

partícula, se elimina el término de velocidad del número de Reynolds sustituyendo

ut de la Ecuación (17) para obtener, en el intervalo de la ley de Stokes

𝑁𝑅𝑒,𝑝 =𝐷𝑝𝑢𝑡𝜌

𝜇=

𝐷𝑝3𝑔𝜌(𝜌𝑝−𝜌)

18𝜇2 (21)

Para aplicar la ley de Stokes, NRe,p ha de ser menor que 1,0. Con el fin de obtener un

criterio conveniente K,

𝐾 = 𝐷𝑝 [𝑔𝜌(𝜌𝑝−𝜌)

𝜇2]

1/3

(22)

Por tanto, a partir de la Ecuación (21), NRe, p = K3/18. Tomando NRe, p igual a 1,0 y

resolviendo se obtiene K = 181/3 = 2,6. Si se conoce el tamaño de la partícula se

puede calcular K a partir de la Ecuación (22). Si el valor así calculado de K es menor

que 2,6 es aplicable la ley de Stokes.

La sustitución de ut de la Ecuación (20) indica que para el intervalo de la ley de

Newton NRe p = 1,75K1, 5. Tomando esto igual a 1000 y despejando se obtiene K =

68,9. Por tanto, si K es mayor que 68,9 pero menor que 2360 se aplica la ley de

Newton. Cuando K es mayor que 2360 el coeficiente de rozamiento puede cambiar

bruscamente para pequeñas variaciones de la velocidad de flujo. Para estas

condiciones, así como en el intervalo comprendido entre la ley de Stokes y la ley de

Newton (2,6 < K < 68,9), la velocidad límite se calcula a partir de la Ecuación (14)

utilizando un valor de CD obtenido por tanteo en la Figura 2.2.

2.3. Separaciones mecánicas

El separador de vapor objeto de nuestro estudio se basa en las separaciones de tipo

mecánicas.


16

Las separaciones mecánicas son aplicables a mezclas heterogéneas y no a

disoluciones homogéneas. Las técnicas están basadas en las diferencias físicas entre

las partículas, tales como tamaño, forma o densidad. Son aplicables a la separación

de sólidos y gotas líquidas de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. Dos

métodos generales son la utilización de un tamiz, tabique o membrana, como una

criba o un filtro, que retienen uno de los componentes y dejan pasar el otro; y la

utilización de la diferencia en las velocidades de sedimentación de partículas o

gotas cuando se desplazan en el seno de un líquido o un gas.

Para nuestro caso estudiaremos las separaciones basadas en el movimiento de

partículas a través de fluidos.

Muchos métodos de separación mecánica se basan en el movimiento de gotas de

líquido a través de un fluido. El fluido puede ser un gas o un líquido, y puede estar

en movimiento o en reposo. En algunos casos, el objetivo del proceso es separar las

partículas de una corriente de fluido con el fin de eliminar contaminantes del fluido

o bien recuperar las partículas.

Si una partícula comienza en reposo con respecto al fluido en el que está inmerso y

después se mueve a través del fluido por la acción de una fuerza externa, su

movimiento puede dividirse en dos etapas. La primera de ellas es un corto período

de aceleración durante el cual la velocidad aumenta desde cero hasta la velocidad

terminal. La segunda etapa es el período de velocidad terminal.

Puesto que el período de aceleración inicial es corto, por lo general del orden de las

décimas de segundo o menos, los efectos de la aceleración inicial son de pequeña

duración. Por otra parte, las velocidades terminales pueden mantenerse durante el

tiempo que la partícula está bajo tratamiento en el equipo. Las ecuaciones tales

como la (7) y la (9) son aplicables durante el período de aceleración, mientras que

las Ecuaciones (17) y (20) lo son durante el período de velocidad terminal. Algunos

métodos de separación, tales como el cribado hidráulico y las mesas de sacudidas,

dependen de la diferencia de comportamiento de las partículas durante el período

de aceleración. Sin embargo, los métodos más frecuentes, incluyendo todos los

descritos aquí, solamente utilizan el período de la velocidad terminal.

Una partícula determinada sedimenta por acción de la gravedad en un fluido dado

con una determinada velocidad máxima. Para aumentar la velocidad de

sedimentación, la fuerza de la gravedad que actúa sobre la partícula puede

sustituirse por una fuerza centrífuga mucho más intensa. Los separadores

centrífugos han sustituido en buena parte a los separadores por gravedad en las

operaciones de producción debido a su mayor eficacia con gotas finas y partículas,

así como su tamaño mucho menor para una determinada capacidad.


17

2.3.1. Separación de gotas contenidas en gases; ciclones.

La mayor parte de los separadores centrífugos para retirar partículas de corriente

gaseosas no contienen partes móviles. El dispositivo típico es el separador de ciclón

que se representa en la Figura 2.3. Consiste en un cilindro vertical con un fondo

cónico, una entrada tangencial cerca de la parte superior y una salida para las gotas

situada en el fondo del cono. La entrada generalmente es rectangular. La

conducción de salida se prolonga dentro del cilindro para evitar que se forme un

cortocircuito de aire desde la entrada hasta la salida.

Figura 2.3. Ciclón

El vapor entra cargado de condensado y recorre un camino en espiral alrededor y

hacia abajo del cuerpo cilíndrico del ciclón. La fuerza centrífuga desarrollada en el

vértice tiende a desplazar radialmente las partículas hacia la pared, de forma que

aquellas que alcanzan la pared deslizan hacia abajo dentro del cono y se recogen. El

ciclón es esencialmente un dispositivo de sedimentación en el que una intensa

fuerza centrífuga, que actúa radialmente, es la que se utiliza en vez de una fuerza

gravitacional relativamente débil dirigida verticalmente.

La fuerza centrífuga Fc correspondiente al radio r es igual a 𝑚𝑢𝑡𝑎𝑛2 /𝑟𝑔𝑐 donde mes

la masa de la partícula y 𝑢𝑡𝑎𝑛 es su velocidad tangencial. La relación entre la fuerza

centrífuga y la fuerza de gravedad es


18

𝐹𝑐

𝐹𝑔=

𝑚𝑢𝑡𝑎𝑛2 /𝑟𝑔𝑐

𝑚𝑔/𝑔𝑐 =

𝑢𝑡𝑎𝑛2

𝑟𝑔 (23)

Para un ciclón de 1 pie de diámetro con una velocidad tangencial de 50 pies/s cerca

de la pared, la relación Fc/Fg, que recibe el nombre de factor de separación, es

2500/(0,5 x 32,2) = 155. Un ciclón de gran diámetro tiene un factor de separación

mucho menor para la misma velocidad, y velocidades superiores a 50-70 pies/s (15

a 20 m/s) no se pueden utilizar normalmente en la práctica debido a la elevada

caída de presión y al aumento de la abrasión. Los ciclones de pequeño diámetro

pueden tener factores de separación muy elevados.

La menor eficacia de los ciclones más grandes es consecuencia principalmente de la disminución de la fuerza centrífuga. Para una determinada velocidad de flujo de aire y de velocidad de entrada, moderados incrementos en el diámetro del ciclón mejoran la eficacia de separación, debido a que el aumento de superficie compensa sobradamente la disminución de la fuerza centrífuga, y cabe esperar eficacias más altas o más bajas con unidades mayores o menores para la misma velocidad de flujo y la misma velocidad de entrada.

La eficacia depende mucho de la velocidad de flujo debido al término de la Ecuación

(23). El ciclón es uno de los pocos dispositivos de separación que opera mejor a

toda carga que con carga parcial. A veces se utilizan dos ciclones idénticos en serie

para obtener una separación más completa, pero la eficacia de la segunda unidad es

menor que la de la primera debido a que la alimentación de la segunda unidad tiene

un tamaño de partículas mucho menor.

2.3.2. Fundamentos de la sedimentación centrífuga.

En la sedimentación centrífuga una partícula de un determinado tamaño se separa

del vapor si dispone de suficiente tiempo para que la partícula alcance la pared del

recipiente separador. Si se admite que en todo momento la partícula se está

moviendo radialmente con su velocidad terminal, se puede calcular el diámetro de

la partícula más pequeña que se puede separar.

Considérese el volumen de vapor en la centrífuga representado en la Figura 2.4. El

punto de alimentación está en la parte inferior y el punto de descarga en la

superior. Si todo el vapor se mueve hacia arriba a través del recipiente con una

velocidad constante y arrastrando consigo partículas. Tal como se muestra en la

figura, una determinada partícula comienza a sedimentar en el fondo del recipiente

para una cierta posición en el líquido (distancia rA desde el eje de rotación).


19

Figura 2.4. Sección de un ciclón.

Su tiempo de sedimentación está limitado por el tiempo de resistencia del líquido

en el recipiente. Al final de este tiempo supóngase que la partícula está a una

distancia rB del eje de rotación, si 𝑟𝐵 < 𝑟2 la partícula abandona el recipiente con el

líquido; si 𝑟𝐵 = 𝑟2 se deposita en la pared del recipiente y se separa del líquido. Si la

partícula sedimenta en el intervalo de la ley de Stokes, la velocidad terminal para el

radio r, de acuerdo con la Ecuación (17), es

𝑢𝑡 =𝐷𝑝

2(𝜌𝑝−𝜌)𝜔2𝑟

18𝜇 (24)

como 𝑢𝑡 =𝑑𝑟

𝑑𝑡 , se obtiene

𝑑𝑡 =18𝜇

𝜔2(𝜌𝑃−𝜌)𝐷𝑝2

𝑑𝑟

𝑟 (25)

Integrando la Ecuación (25) entre r = rA para t = 0 y r = rB para t = tr se obtiene


20

𝑡𝑇 =18𝜇

𝜔2(𝜌𝑃−𝜌)𝐷𝑝2 𝑙𝑛

𝑟𝐵

𝑟𝐴 (26)

El tiempo de residencia 𝑡𝑇 es igual al volumen de líquido V en el recipiente dividido

por la velocidad volumétrica de flujo q. El volumen V es igual a 𝜋𝑏(𝑟22 − 𝑟1

2).

Sustituyendo en la Ecuación (26) y reordenando resulta

𝑞 =𝜋𝑏𝜔2(𝜌𝑃−𝜌)𝐷𝑝

2

18𝜇 𝑟2

2−𝑟12

ln (𝑟𝐵𝑟𝐴

) (27)

Se puede definir el punto de corte como el diámetro de la partícula que justamente

alcanza la mitad de la distancia entre r1 y r2. Si Dpc es el diámetro de corte, una

partícula de este diámetro se desplaza una distancia 𝑦 = (𝑟2 − 𝑟1)/2 durante el

tiempo de sedimentación disponible. Si se ha de separar una partícula de diámetro

D , es preciso que alcance en el tiempo disponible la pared del recipiente. Por tanto

𝑟𝐵 = 𝑟2 𝑦 𝑟𝐴 = (𝑟2 + 𝑟1)/2 y la Ecuación (27) se transforma entonces en

𝑞 =𝜋𝑏𝜔2(𝜌𝑃−𝜌)𝐷𝑝𝑐

2

18𝜇

𝑟22−𝑟1

2

ln [2𝑟2/(𝑟1+𝑟2)] (28)

donde qc es la velocidad volumétrica de flujo correspondiente al diámetro de corte.

Para esta velocidad de flujo, la mayoría de las partículas con diámetros mayores que

Dpc serán eliminadas por la centrífuga y la mayoría de las partículas con diámetros

inferiores permanecerán en el líquido. Si el espesor de la capa de líquido es

pequeño en comparación con el radio del recipiente 𝑟1~𝑟2 , y la Ecuación (28) se

hace indeterminada. Sin embargo, en estas condiciones la velocidad de

sedimentación puede considerarse constante y dada por la ecuación

𝑢𝑡 =𝐷𝑝

2(𝜌𝑝−𝜌)𝜔2𝑟2

18𝜇 (29)


21

Sea s el espesor de la capa líquida y s/2 la distancia de sedimentación para las

partículas del diámetro de corte Dpc. Por tanto,

𝑢𝑡 =𝑠

2𝑡𝑇 (30)

donde tT es el tiempo de residencia, que viene dado por

𝑡𝑇 =𝑉

𝑞𝑐 (31)

Combinando las Ecuaciones (27) a (29) y despejando qc se obtiene

𝑞𝑐 =2𝑉𝑢𝑡

𝑠=

2𝑉𝐷𝑝2(𝜌𝑝−𝜌)𝜔2𝑟2

18𝜇𝑠 (32)

Separadores de vapor

22

3 SEPARADORES DE VAPOR

3.

3.1. Introducción.

En este capítulo se empezará estudiando los diferentes tipos de separadores,

describiendo los elementos que lo componen. A continuación, se resumirán los

parámetros característicos que se utilizan para seleccionar correctamente un

separador de vapor, particularizando el procedimiento en un caso práctico.

Posteriormente, se analizará la instalación, operación y mantenimiento de los

separadores, resumiendo finalmente la normativa aplicable a separadores de vapor.

3.2. Clasificación y funcionamiento.

Podemos clasificar los separadores según los siguientes criterios:

3.2.1. Según su forma

a) Separadores esféricos

Estos separadores son de forma esférica, y se utilizan en servicios en los que se

tienen vapor a altas presiones, en los que se requieren tamaños compactos y

cuando los volúmenes de líquidos que se tienen son pequeños. Se utilizan sobre

todo en el calderín en donde se integra un sistema de deflectores y filtros para

realizar una primera separación. Por las características del calderín es necesario un

diseño esférico que resista elevadas presiones y que sea lo más compacto posible

(Figuras 3.1 y 3.2)

b) Separadores cilíndrico-vertical:

Su uso es más frecuente cuando se tienen altas relaciones vapor- líquido, es decir,

servicios en los que hay mayor cantidad de vapor que de líquido, se tiene poco

espacio horizontal (ejemplo: tecnología costa afuera), se manejan mezclas que

contienen sólidos o arenas, debido a la facilidad que ofrecen para su remoción, se

esperan grandes variaciones en el flujo de vapor, se necesita una mayor facilidad

para controlar el nivel de líquido y se requiere una mayor facilidad para la

instalación física de la instrumentación de control, alarmas e interruptores.


23

Figura 3.1. Separador esférico

Figura 3.2. Separador esférico 2

En este tipo de separadores, la separación en la zona de asentamiento es más difícil,

debido a que las partículas líquidas caen en contracorriente al flujo de vapor. El uso

de eliminadores de neblina puede reducir significativamente la altura de la unidad.


24

c) Separadores cilíndrico-horizontal:

Su uso es más frecuente cuando: Se tienen bajas relaciones vapor-líquido, es decir,

cuando se tienen servicios en los que hay mayor cantidad de líquido que de vapor.

Se tiene poco espacio vertical. Se requiere tener una mayor facilidad para realizar el

mantenimiento y supervisión del equipo.

Para una cantidad dada de vapor, requieren menor diámetro que un separador

vertical. En este tipo de separadores, la separación en la zona de asentamiento es

más fácil, ya que las partículas líquidas caen perpendicularmente al flujo de vapor.

Figura 3.3. Separador vertical

En los separadores cilíndricos (verticales y horizontales) el fluido entra y choca con

el deflector interno causando la separación, a esto se le conoce como separación

inicial del condensado y el vapor, la fuerza de la gravedad causa que el líquido se

vaya hacia el fondo. La recolección del líquido se realiza a través de la trampa y

mediante un purgador de condensado, ambos pueden venir integrado en un diseño

compacto del mismo, esta recolección comprende un tiempo de retención que

ayude a que vapor y líquido encuentren un equilibrio a una presión. Cuando se

diseñan separadores en posición horizontal que tienen grandes longitudes, suele


25

darse el flujo de avance u oleaje en la sección de recolección del líquido. Para evitar

la propagación de olas o cambios en la dirección longitudinal debido a la entrada de

slugs en los separadores, se colocan placas en sentido perpendicular al flujo, en

posición transversal a la unidad, las cuales son beneficiosas en el control de nivel.

Figura 3.4. Separador horizontal

3.2.2. Según los elementos internos de separación:

a) Tipo Deflector:

Un separador deflector consiste en una serie de placas deflectoras, que hacen que

el flujo cambie de dirección varias veces a medida que pasa a través del cuerpo

separador. Las gotitas de agua suspendidas tienen una mayor masa y una inercia

mayor que el vapor, por lo tanto, cuando hay un cambio en la dirección de flujo, el

vapor seco fluye alrededor de los deflectores y las gotas de agua se acumulan en los

deflectores. Además, como el separador tiene una gran área de sección transversal,

hay una reducción resultante en la velocidad del fluido. Esto reduce la energía

cinética de las gotas de agua, y la mayoría de ellos se caerá de la suspensión. El

condensado se acumula en el fondo del separador, donde se drena a través de un

purgador de vapor.

η = 98% , con v = (10,30)𝑚

𝑠. 𝑆𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 η =

masa de agua separada

masa de agua total del flujo

𝑦 𝑣: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟.


26

Figura 3.5. Separador deflector

b) Tipo ciclónico:

El separador tipo ciclónico utiliza 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 a la pared, donde se drena en una trampa

de vapor instalada debajo de la unidad. La caída de presión del vapor a través de

este tipo de separador tiende a ser mayor que en los otros tipos porque la velocidad

requerida para la operación es mayor.

c) Tipo de coalescencia:

Los separadores de tipo de coalescencia proporcionan una obstrucción en la

trayectoria de vapor. La obstrucción es típicamente una almohadilla de malla de

alambre (a veces referido como una almohadilla de separador de partículas), sobre

la cual las gotas de agua quedan atrapadas. Estas moléculas de agua tienden a

coalescer, produciendo gotitas que son demasiado grandes para ser llevado aún

más por el sistema de gas. A medida que el tamaño de las gotitas aumenta, llegan a

ser demasiado pesada y en última instancia, caen en la parte inferior del separador.

La caída de presión en este tipo de separadores es típicamente menor que la del

separador de tipo ciclónico.


27

Tanto el tipo ciclónico como el tipo coalescente tienen: η = 98% , con v < 13𝑚

𝑠.

Figura 3.6. Separador ciclónico

Para velocidades mayores, el rendimiento cae bruscamente ( η = 50%). En algunos

casos se suele aumentar el diámetro de la tubería a la entrada del separador para

así reducir la velocidad a la entrada del separador.

3.3. Elementos de un separador.

Un separador es un equipo muy simple que consta principalmente de los siguientes

elementos:

- Placas deflectoras: Estos elementos de choque, comúnmente denominados por

su nombre en inglés como baffles, se colocan después del orificio de entrada

para que se produzca el encuentro del fluido que alimenta a la unidad con una

superficie, y ocurra el cambio de dirección de la mezcla, produciéndose así la

variación de la cantidad de movimiento de las fases. Hay diversas geometrías

para la construcción de las placas deflectoras, pueden ser de forma cónica, en

codo de 90º, como media esfera, placas planas o placa con ángulo; de tal

manera que se produzca el cambio violento en la dirección y la velocidad de los

fluidos, y se produzca la separación inicial entre el vapor y el líquido.


28

Figura 3.7. Separador coalescente

- Distribuidores de flujo: En esta categoría se pueden incluir varios dispositivos,

tales como: la tubería partida (es una tubería a la que se le han hecho abierto

unos orificios o ranuras laterales para producir el esparcimiento de las fases), los

difusores en forma de Y o T con los cuales se desea conseguir desviar el flujo

hacia las paredes del recipiente, y los distribuidores patentados, los cuales

distribuyen las fases, generando patrones organizados dentro del separador.

- Ciclones de entrada: Los deflectores de entrada de tipo ciclónico, utilizan la

fuerza centrífuga para separar la mezcla líquido vapor. En la mayoría de estos

elementos, la alimentación se introduce tangencialmente y posee un conducto

ciclónico o varias chimeneas (como en el caso de los tubos vórtices), que obliga

al fluido a correr rápidamente por las paredes del dispositivo. Aunque los

ciclones de entrada producen una gran caída de presión ofrecen las siguientes

ventajas: Contribuyen en la prevención de formación de espumas. Reducen el

tamaño y el peso de equipos nuevos. Se pueden tener menores tiempos de

residencia con igual eficiencia. Son de fácil instalación.

- Eliminadores de neblina o membranas: Los eliminadores de neblina o

extractores de niebla, son accesorios utilizados para hacer coalescer las

partículas líquidas de tamaño pequeño, que no son separadas por la acción de la

gravedad. Todos los eliminadores de neblina funcionan, de manera tal que

intervienen en el balance natural de las fuerzas sobre la partícula; al reducir la

velocidad del vapor, introduciendo fuerzas adicionales (como por ejemplo la

fuerza centrífuga) o aumentar el efecto de la fuerza gravitacional

incrementando el peso de la partícula al hacer crecer su diámetro.


29

- Rompe vórtices: Un vórtice es un remolino, en el cual los fluidos adquieren un

movimiento rotacional creando un embudo en el fondo del recipiente, por el

cual puede escapar el vapor cuando se abre la válvula de control del líquido. Por

esta razón, en los separadores líquido-vapor, suelen instalarse dispositivos que

evitan la formación de vórtices y sus indeseables consecuencias. Pueden

presentarse en forma de placas o rejillas. Todos los elementos nombrados

constituyen los internos más comunes usados para los separadores de gota,

aunque dependiendo del fabricante y para condiciones muy concretas de

operación podría existir algún elemento más no nombrado, que sin duda

formaría casos muy particulares. Es importante así mismo señalar, que estos

equipos incluyen en el propio conjunto un purgador de condensado que

recupera el líquido sin dejar escapar el vapor tal y como se muestra en la

imagen. En caso de venir integrado en el equipo será necesario instalar una

trampa de vapor que recoja el condensado.

3.4. Consideraciones prácticas para la selección de un separador.

Según sea el uso o las necesidades de la instalación donde vayamos a incorporar los

separadores de vapor, nos situaremos en un caudal y una presión de trabajo que

harán de datos de entrada para nuestra selección del separador. A dichas

condiciones de trabajo aún le faltaría un dato para realizar la óptima selección del

equipo: la sección de paso de la tubería. Con ella conoceremos la velocidad del

vapor que resultará importante en la elección del tipo de separador, cuyo principio

de funcionamiento estará limitado por el rango de velocidades en los que mantiene

una eficiencia adecuada. Una de las principales diferencias de rendimiento entre el

deflector tipo y los tipos de separadores ciclónicos y coalescencentes (membrana)

es que el tipo deflector es capaz de mantener un alto nivel de eficiencia en un

amplio rango de velocidades, tal y como vimos en el apartado anterior. Es común

encontrar separadores que combinan la coalescencia y operaciones de tipo

ciclónico pues combinando los dos métodos, se mejora la eficiencia general del

separador. En la Tabla 3.1 se ponen de manifiesto otros criterios para la selección

del tipo de separador.

En primer lugar, la caída de presión a través de un separador de tipo deflector es

muy baja debido a la reducción de la velocidad del vapor, que es creado por el gran

aumento de sección transversal proporcionado por el cuerpo del separador. En

comparación, la caída de presión a través de un separador tipo ciclónico es algo

mayor debido a que la velocidad del fluido tiene que mantenerse para generar el


30

efecto de ciclón. En segundo lugar, ajustar el tamaño de un separador tipo ciclónica

es más complicado, ya que es vital poder asegurar que la velocidad a través del

separador es adecuada para mantener un alto nivel de eficiencia y que la caída de

presión en el separador resulte aceptable. Y por último, si nos encontramos

problemas originados por las velocidades del vapor se podría utilizar un separador

de gran tamaño y también aumentar el diámetro de las tuberías inmediatamente

arriba del equipo para reducir la velocidad.

Deflector Ciclónico

Eficiencia

Alta en un rango amplio de

velocidades

Alta en un rango menor de

velocidades

Caída de presión Baja Alta

Arrastre de agua Pequeño Alto cerca de la velocidad

critica

Tamaño Dimensionado según diámetro

de la tubería

Dimensionado para asegurar la

máxima eficiencia según

velocidades

Tabla 3.1. Características principales

Resumiendo, el separador tipo deflector será la mejor elección ante mayores

fluctuaciones de velocidades y frente a aplicaciones más sencillas o comunes. En

aplicaciones más críticas en referencia a presiones y caudales de trabajo

seleccionaremos en base a dichas condiciones de funcionamiento a fin de conseguir

una eficiencia y caída de presión adecuada a las exigentes condiciones.

Finalmente dimensionaremos el separador teniendo en cuenta que debe

seleccionarse en base al mejor compromiso entre tamaño de línea, velocidad y

caída de presión para cada aplicación.

3.5. Caso práctico de selección.

A continuación, vamos a resolver un caso en el que debemos elegir un separador de

vapor de tipo deflector para nuestra instalación. Nos hemos basado en los catálogos

del fabricante Spirax-Sarco dada su amplia gama de selección y el sencillo método

de selección que proponen.


31

Sea una instalación de vapor cuya caldera de vapor suministra un vapor de 12 bar

de presión y un caudal de 500 kg/h. Se considera también que la sección de paso de

la tubería es de 32 mm, este dato se toma para poder hacer una selección más

exacta de nuestro separador. La sección de paso deberá calcular previamente para

las condiciones de la red de vapor. Este cálculo es ajeno al objetivo del estudio.

La Tabla 3.2 muestra los distintos modelos del fabricante, así como los tamaños de

la sección de paso. Al conocer el diámetro de la red de vapor, podemos hacer una

primera selección; siendo los modelos S2, S12, S5 y S6 los modelos elegidos.

En nuestro ejemplo de selección, hemos supuesto una instalación de vapor común

donde el agua es tratada debidamente en el depósito de alimentación. Por lo que

podemos asegurar que disponemos de un vapor con muy bajo contenido en

oxígeno, gases disueltos y sólidos en suspensión. Entonces podemos considerar el

riesgo de corrosión bajo y descartamos la elección del separador S6 de acero

inoxidable austenítico. Además las condiciones externas se consideran normales.

Tabla 3.2. Modelos del fabricante

A continuación observamos los rangos operativos por presión recomendados por el

fabricante. El separador S12 cumple el requisito de presión de nuestra instalación

de 12 bar. Se elimina de la selección a S2 pues su presión máxima de trabajo para

uso con vapor (PMO en la gráfica) no cumple la presión de trabajo de 12 bar. El

equipo S5 admite nuestras condiciones de presión.


32

Figura 3.8. Gráfica P-T de operación.



Después del análisis por rango operativo de presiones nos han resultado dos

separadores que cumplen perfectamente nuestras exigencias: S12 y S5.


33

En la Figura 3.12 se representa el gráfico de selección que proporciona el fabricante.

Los datos de entrada de presión y caudal de trabajo determinarán la pérdida de

carga según nuestro tamaño.

Figura 3.11. Gráfica de selección

La selección del separador se realiza siguiendo los siguientes pasos:

1. Trazar un punto donde la presión de vapor (12 bar) y el caudal (500 kg/h) se

cruzan y trace una línea horizontal a través de este punto A. Cualquier curva de


34

separador que es atravesada por esta línea dentro de la zona sombreada

operará cerca del 100% de eficiencia.

2. Seleccione el separador de tamaño de la línea, es decir, 32 mm en el punto B.

3. La velocidad de línea de cualquier tamaño puede determinarse por la caída de

una línea vertical desde esta intersección. Desde el punto B, esta línea cruza el

eje de velocidad en 18 m/s.

4. Para determinar la caída de presión en el separador, donde la línea vertical,

desde el punto B, cruza la línea C-C, trazar una línea horizontal. Luego colocar

una línea vertical desde el punto A. El punto de intersección, D, es la caída de

presión en el separador.

Técnicamente, podríamos seleccionar para nuestro caso tanto el separador S12

como el S5, es ya una cuestión de coste y de diferencia de pérdida de carga lo que

nos hará decantarnos por uno u otro.

3.6. Instalación operación y mantenimiento

Previamente, durante su selección, se debe haber comprobado que el separador es

capaz de soportar la presión y temperatura del vapor. Se debe proveer de una

válvula de seguridad debidamente dimensionada que prevenga de sobrepresiones.

La presencia de condensados es inherente al propio proceso de uso del vapor y se

produce cuando el vapor entra en contacto con puntos fríos del sistema, tanto a

nivel de tuberías de distribución como en el propio proceso de intercambio de calor

en los puntos de utilización.

El condensado se produce especialmente en los momentos de arranque y paro de la instalación. Cuando se arranca la instalación y se da paso de vapor hacia la red, ésta está fría y el vapor en contacto con las tuberías condensa en tanto en cuanto no se calientan dichas tuberías y se alcanzan las temperaturas de régimen de equilibrio. Una vez estabilizado el régimen térmico en la instalación, sigue produciéndose condensación debido a pérdidas térmicas en zonas no aisladas o con mal aislamiento e incluso, aunque en mucha menor medida, en las zonas aisladas, dado que los aislamientos no son absolutamente perfectos.

Dicho condensado debe de estar restringido en la red de condensados y es indeseable en la red de vapor. La razón es obvia, el condensado en el circuito de vapor, debido a su naturaleza liquida, tiende a ocupar las partes bajas de las tuberías. Las altas velocidades alcanzadas por el vapor arrastran el condensado


35

produciendo ruido, abrasión, golpes de ariete, etc. Estas razones hacen que sea necesario evitar el condensado en esta zona de la red de distribución.

Por todo lo expuesto anteriormente será recomendable instalar separadores de

gotas a la salida del generador, pues el golpe de ariete en líneas de distribución

ocurre usualmente cuando se suministra el vapor por primera vez, también es

recomendable la instalación en todos los lugares de la red de distribución de vapor

que sean susceptibles de formación de condensado por pérdida de carga, calor etc.,

tales como líneas de tramos ascendentes, codo, etc. Así mismo es recomendable la

instalación de separadores de gota a la entrada de todos los equipos de intercambio

que utilizan contacto directo con el vapor, para evitar el golpe de ariete y para que

la transferencia sea mucho más eficiente.

Por último hay que señalar que es importante seguir las recomendaciones del

fabricante tanto para la instalación como para el mantenimiento del equipo. Así

mismo es importante incorporar los elementos externos oportunos para estos

equipos tales como: válvulas a la entrada y salida, tubos de entrada y salida del

diámetro oportuno (igual a los orificios de entrada y salida del separador),

purgadores de vapor en la conexión de drenaje y purgadores de aire en la parte

superior del separador, en caso de que estos no vengan integrados en el propio

separador de vapor. Algunos fabricantes recomiendan aislar el separador de vapor

para minimizar las pérdidas térmicas, así como dejar espacio alrededor del

separador para su manipulación y mantenimiento.

A continuación se muestran algunas imágenes con ejemplos de instalación de

separadores de vapor.

Sobre el mantenimiento de un separador podemos decir que para llevarlo a cabo

siempre habrá que esperar a que el equipo esté despresurizado y frío antes de

iniciar cualquier operación de mantenimiento en planta, así como drenar el sistema

en caso de fluidos tóxicos, corrosivos, inflamables o cáusticos.

Las conexiones cerradas deben examinarse periódicamente para comprobar que no

existen fugas. Comprobar el sistema de aislamiento, si existe. Como recipiente a

presión el equipo debe someterse a inspecciones programadas por personal

debidamente cualificado para examinar posibles reducciones de espesor por

corrosión o abrasión, responsable de fijar los intervalos de inspección en función de

la aplicación. Es una buena práctica realizar una inspección al menos visual una vez

al año o en cada parada.

Seguir las instrucciones de mantenimiento de los accesorios asociados al equipo

(purgadores, válvulas de interrupción, válvulas de seguridad, etc.).


36

Figura 3.12. Instalación típica 1.

No existen piezas de repuesto para los separadores. Las reparaciones por el usuario

no se recomiendan ya que es necesario procedimientos y operaciones de soldadura,

así como inspecciones de comprobación que precisan de muy elevada

especialización.


Separador de vapor

Purgador de

condensado


37


3.7. Normativa aplicable

Todos los separadores de vapor deben cumplir la normativa de aplicación en los

“equipos a presión”, dicha normativa viene recogida en los siguientes documentos:

- Real Decreto 2060/2008 que aprueba el Reglamento de Equipos a presión y sus

instrucciones técnicas complementarias.

- Por el Reglamento de Aparatos a Presión, aprobado por el Real Decreto

1244/1979, de 4 de abril, se regularon los aspectos a tener en cuenta en

relación con el diseño, fabricación, reparación, modificación e inspecciones

periódicas de los aparatos sometidos a presión.

- La Comunidad Económica Europea y posteriormente la Unión Europea marcaron

directivas de aplicación sobre determinados equipos o aparatos a presión que

han modificado el Reglamento de Aparatos a Presión aprobado en 1979.

- Real Decreto 473/1988, de 30 de marzo, sobre aparatos a presión.

- La Comunicación de la Comisión de la aplicación de la Directiva 97/23/CE, con la

lista de normas armonizadas y normas auxiliares armonizadas.

- La Directiva 2009/105/CE de Recipientes a presión simple.


38

- El Real Decreto 1495/1991, por el que se dictan las disposiciones de aplicación

de la Directiva 87/404/CEE sobre recipientes a presión simples, su corrección de

erratas.

- El Real Decreto 2486/1994, por el que se modifica el Real Decreto 1495/1991,

sobre recipientes a presión simples.

- RD 769/1999 por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva

del Parlamento Europeo y del Consejo 97/23/CE, relativa a los equipos a

presión; estableciendo nuevos criterios para el diseño, fabricación y evaluación

de la conformidad.

- Norma UNE-EN 13445.Recipientes a Presión.

- CERAP, Código Español de Recipientes y Aparatos a Presión ordena, recoge,

actualiza y desarrolla los registros aplicables al cálculo, diseño, control,

inspección y construcción de recipientes o depósitos y aparatos a presión, y

cuyo alcance, fundamentalmente, va dirigido a todos los fabricantes de equipos,

entidades de inspección y control y usuario.

Estudio de Fabricantes

39

4 ESTUDIO DE FABRICANTES

4.

4.1. Introducción

La importancia de competir por mejores eficiencias en las redes de transporte de

los procesos industriales ha llevado a los fabricantes a innovar y mejorar los

separadores de vapor. Es por ello que hay una amplia gama de separadores de todo

tipo y con infinidad de posibilidades para adecuarse lo mejor posible a las

necesidades de cada instalación.

En este capítulo se analizan los modelos de los fabricantes más representativos:

Spirax-Sarco, Armstrong, Comeval, Ecotherm, Sotermic (Saidi), TLV. Para cada

fabricante se describen las características más importantes de los diferentes

modelos así como sus parámetros de diseño. A partir de esta información se

analizan los parámetros característicos y ratios con objeto de caracterizar el rango

de funcionamiento, tamaño y peso de estos equipos.

4.2. Spirax-Sarco

A continuación se describen los nueve modelos de Spirax-Sarco

a) Separador modelo S1 (Tabla 4.1, Tabla 4.2, Figura 4.1, Figura 4.2)

Separador vertical del tipo de deflector de fundición nodular, utilizado para eliminar

los líquidos arrastrados en sistemas de vapor, aire comprimido o gas. La instalación

de camisas de aislamiento incrementa el rendimiento del separador.

Tabla 4.1. Materiales S1


40

Figura 4.1. Separador S1.

Figura 4.2. Rango de operación S1.

Tabla 4.2. Condiciones de diseño S1


41

b) Separador modelo S2 (Tabla 4.3, Tabla 4.4, Figura 4.3, Figura 4.4)

Los S2 son separadores horizontales del tipo deflector de hierro fundido, utilizados

para la eliminación de líquidos arrastrados en sistemas de vapor, aire comprimido o

gas. La instalación de camisas de aislamiento incrementa el rendimiento del

separador.




42

Figura 4.4. Rango de operación S2


c) Separador modelo S3 (Tabla 4.5, Tabla 4.6, Figura 4.5, Figura 4.6)




separador. Se diferencian del modelo S2, en que el S3 tiene conexión bridada y el S2

roscada.


43





44


d) Separador modelo S5 (Tabla 4.7, Tabla 4.8, Figura 4.7, Figura 4.8)

Los S5 son separadores verticales del tipo deflector de acero al carbono, utilizados


gas. Dispone de una conexión bridada.

Figura 4.7. Separador S5


45





46

e) Separador modelo S6 (Tabla 4.9, Tabla 4.10, Figura 4.9, Figura 4.10)

Los S6 son separadores verticales del tipo deflector de acero inoxidable austenítico,

utilizados para la eliminación de líquidos arrastrados en sistemas de vapor, aire

comprimido o gas. Dispone de dos versiones una de conexión bridada y otra de

conexión roscada.




47



f) Separador modelo S7 (Tabla 4.11, Figura 4.11)

Los S7 son separadores verticales del tipo deflector de acero al carbono, utilizados


gas. Dispone de una de conexión bridada.


48



g) Separador modelo S8 (Tabla 4.12, Figura 4.12)

Los S8 son separadores verticales del tipo deflector de acero inoxidable, utilizados


gas. Dispone de una de conexión bridada.


49



h) Separador modelo S12 (Tabla 4.13, Tabla 4.14, Figura 4.13, Figura 4.14)

Los S12 son separadores horizontales del tipo deflector de fundición nodular,

utilizados para la eliminación de líquidos arrastrados en sistemas de vapor, aire

comprimido o gas. La instalación de camisas de aislamiento incrementa el

rendimiento del separador. Se trata de un modelo con conexiones roscadas.


50





51


i) Separador modelo S13 (Tabla 4.15, Tabla 4.16, Figura 4.15, Figura 4.16)




separador. Se diferencian del modelo S12, en que el S13 tiene conexión bridada y el

S12 roscada.



52





53

4.3. Armstrong

Son separadores verticales de tipo ciclónico. El fabricante dispone de 4 modelos de

este tipo de la serie DS: DS1, DS2, DS3 y DS4 (Tabla 4.17, Tabla 4.18, Figura 4.17)

Figura 4.17. Separadores serie DS

Tabla 4.17. Dimensiones y pesos DS


54

Tabla 4.18. Especificaciones y materiales DS

4.4. Comeval

Separadores de la serie Datro. Son separadores verticales de tipo ciclónico. El

fabricante dispone de varios modelos, tanto bridado como roscado, y de acero al

carbono. (Tabla 4.19, Tabla 4.20, Figura 4.18)

Figura 4.18. Separadores serie Datro.


55

Tabla 4.19. Dimensiones y pesos Datro

Tabla 4.20. Condiciones de diseño Datro

4.5. Ecotherm

Separadores verticales de tipo deflector de la serie ESS. La serie dispone de varios

modelos con conexión bridada. Son separadores verticales de tipo deflector. (Tabla

4.21, Figura 4.19)


56

Figura 4.19. Separadores serie EES

Tabla 4.21. Características técnicas EES

4.6. Sotermic (Saidi)

Son separadores verticales de tipo ciclónico. Dispone de varios modelos con

conexión bridada.

a) Separador modelo S16S, fabricado en hierro fundido (Figura 4.20, Tabla 4.21)

b) Separador modelo S25S, fabricado en acero al carbono (Figura 4.22, Tabla 4.22)

c) Separador modelo S10S, fabricado en acero inoxidable (Figura 4.22, Tabla 4.23)


57

Figura 4.20. Separador S16S.

Tabla 4.22. Características técnicas. Separador S16S


58




59



4.7. TLV

Dispone de varios modelos de separadores verticales de tipo ciclónico, con

conexiones tanto bridadas como soldadas.

a) Separador modelo DC7 (Figura 4.23, Tabla 4.25, Tabla 4.26)

Fabricado en acero inoxidable. Algunos separadores del fabricante TLV llevan

incorporados el purgador de vapor, aunque estos no serán objeto de estudio.

b) Separador modelo SF1 (Figura 4.24, Tabla 4.27, Tabla 4.28)

Dicho modelo está fabricado en acero inoxidable, lleva incorporado un filtro.


60

Figura 4.23. Separador DC7

Tabla 4.25. Dimensiones y pesos DC7


61

Tabla 4.26. Rango de operación DC7

Figura 4.24. Separador SF1


62

Tabla 4.27. Dimensiones y pesos SF1

*Nota: Screwed/Socket=Roscado/Soldado; Flanged=Bridado.

Tabla 4.28. Rango de operación SF1


63

4.8. Parámetros característicos.

Para visualizar los distintos parámetros, se ha creado una tabla Excel donde hemos

organizado los separadores según fabricante y modelo. Y en vista a ello hemos

decidido analizar algunos parámetros característicos mediante distintas gráficas.

Una vez separados por fabricante, analizamos de cada modelo según su:

- Tipo: Si se trata de un separador ciclónico, deflector o coalescencia. Los

fabricantes estudiados se centran en los tipos deflector y ciclónico.

- Presión máxima admisible y temperatura máxima admisible (PMA y TMA):

Rango capaz de soportar el material de los separadores sin sufrir desperfectos ni

ver dañado su correcto funcionamiento.

- Presión máxima de operación y temperatura máxima de operación (PMO y

TMO): Son las condiciones de diseño del separador. Se debe operar siempre

dentro de estos límites.

- Caudal de vapor medio [kg/h]: Caudal medio de vapor que el separador es capaz

de mover.

- Peso: Masa del separador.

- Volumen: Volumen de agua que es capaz de mover el separador.

- Diámetro del orificio de entrada: entrada del vapor al separador.

- Diámetro del orificio de drenaje: salida del condensado, normalmente se drena

en la zona baja del separador.

- Tipo de conexión: roscada o bridada a las tuberías de la red.

Algo a tener en cuenta a la hora de obtener los datos de los fabricantes es que la

presión varía mucho cuando se trata de una conexión bridada o roscada, si se trata

de una conexión bridada la presión de trabajo será mucho menor. Además existen

diversos modelos de bridas, así pues nosotros hemos optado por elegir las bridas de

mayor resistencia (PN40/ASME300) o en su defecto la brida usada por el fabricante

para el cálculo de sus condiciones de diseño.

4.9. Análisis de los parámetros característicos.

En este apartado vamos a estudiar algunos de los parámetros característicos

expuestos en el anterior apartado, tales como, la PMA vs la TMA; la PMO vs la TMO;

el caudal medio vs el peso; el caudal medio vs el diámetro de drenaje; el caudal

medio vs la PMO y por último el peso vs la PMO. En la Figura 4.25 se representa


64

PMA frente a la TMA. Claramente se observa cómo al aumentar la presión aumenta

la temperatura, esto se debe a que nuestro fluido de trabajo es el vapor. En la

siguiente gráfica se observa el diagrama de fases del agua donde podemos ver

como en la zona de vapor al variar la temperatura, varia directamente la presión.

Figura 4.25. Diagrama de fases del agua

Figura 4.26. Gráfica PMA-TMA


65

En la Figura 4.27 se representa PMO frente a la TMO. Se observa, como en el caso

anterior, que al aumentar la presión aumenta la temperatura del vapor. Se aplica la

misma explicación que en la gráfica anterior.

En la Figura 4.28 se representa el caudal medio frente al peso, observándose que a

un mayor peso del separador consigue mover mayor caudal, esto es casi inmediato

dado que para un separador de mayor tamaño (peso y volumen) se consigue mover

mayor caudal.

Figura 4.27. Gráfica PMO-TMO

Figura 4.28. Gráfica Caudal medio-Peso


66

Continuamos con la representación del caudal medio frente al diámetro de drenaje.

Se observa claramente que a mayor caudal de vapor, mayor será la cantidad de

gotas de agua en suspensión que contendrá el flujo de vapor, por tanto, se formará

mayor condensado con lo que tendremos que drenar mayor cantidad, lo que se

consigue con un mayor diámetro de drenaje.

Figura 4.29. Gráfica Caudal medio-Diámetro drenaje

En la Figura 4.30 se representa el caudal medio frente a la presión máxima de

operación, limitando los diámetros de entrada hasta 100 mm. No se observa un

comportamiento claro del caudal frente a la presión máxima. Si se representa solo

un fabricante (Armstrong) para un mismo separador con dos bridas que soportan

presiones distintas, se observa (Figura 4.31) como al aumentar la presión aumenta

el caudal, debido fundamentalmente a que al aumentar la presión disminuye el

volumen específico del vapor y por tanto aumenta la cantidad de vapor que se

mueve por unidad de masa para un diámetro de entrada dado.

Por último, se analiza el peso frente a la presión máxima de operación, eligiendo

únicamente los separadores de acero con conexiones roscadas para que no haya

diferencia de materiales y para que la conexión bridada no añada un peso extra al

separador. En la Figura 4.32 se observa cómo al aumentar la presión, aumenta el

peso del separador al ser necesario un mayor espesor en las paredes del separador.


67

Figura 4.30. Gráfica Caudal medio-PMO

Figura 4.31. Gráfica Caudal medio-PMO. Armstrong


68

Figura 4.32. Gráfica Peso-PMO.

Resumen y Conclusiones

69

5 RESUMEN Y CONCLUSIONES

Resumiendo nuestro trabajo, hemos visto que el separador de vapor es un

elemento muy importante en las instalaciones de vapor ya que su objetivo principal

es aumentar la calidad del vapor, es decir, reducir su contenido en humedad

(condensado). Esto es necesario puesto que la caldera de vapor no produce vapor

seco sino vapor húmedo. El producir vapor lo más seco posible nos reporta los

siguientes beneficios:

- Aumenta la eficacia térmica del sistema, puesto que el vapor se encuentra más

seco.

- Disminuye la erosión que provocan las partículas de agua que viajan en el vapor.

- Se reduce la posibilidad de que haya un golpe de ariete, puesto que se retira el

condensado previamente.

- Reduce el consumo de las bombas y aumenta su vida útil. Esto se debe a que el

condensado es más complicado de transportar dada su viscosidad con respecto

a la del vapor.

- Mayor aprovechamiento energético puesto que el condensado que se separa es

recogido en los purgadores de vapor para recuperar su energía en un tanque

flash o en un desgasificador.

Posteriormente, se han estudiado los diferentes tipos de separadores, definiendo el

principio físico de funcionamiento y las ecuaciones básicas que regulan su

comportamiento. Hemos estudiado las causas por las que se lleva a cabo la

separación de las partículas de condensado del vapor, para ello hemos hablado del

movimiento y de las fuerzas que actúan en una partícula que se mueve a través de

un fluido o gas como puede ser el vapor, posteriormente se particularizó dichas

fuerzas y movimientos para el caso de los separadores mecánicos, y por último se

concretó todo ello para la separación del tipo centrífuga.

Seguidamente, hemos clasificado los distintos tipos de separadores según su forma

y sus componentes de separación; hemos hablado de los elementos que lo

componen. También hemos visto que necesitamos el caudal y la presión del vapor

para poder seleccionar el tamaño de nuestro separador, sin olvidar que

dependiendo de nuestras necesidades necesitaremos un tipo de separador u otro.


70

No hay que olvidar que nuestro separador soporte las condiciones de temperatura y

presión de trabajo. Debido a las consecuencias negativas de la presencia de

condensado en la red de vapor (ruido, erosión, golpes de ariete,…) es importante

ubicar los separadores en la mejor situación, tal como, a la salida del generador,

líneas de tramos ascendentes, codos, entrada a equipos de intercambio directo con

el vapor, etc… Para acabar este capítulo hay que señalar que es importante seguir

las recomendaciones del fabricante tanto para la instalación como para el

mantenimiento del equipo. Así mismo es importante incorporar los elementos

externos oportunos para estos equipos tales como: válvulas a la entrada y salida,

tubos de entrada y salida del diámetro oportuno (igual a los orificios de entrada y

salida del separador), purgadores de vapor en la conexión de drenaje y purgadores

de aire en la parte superior del separador, en caso de que estos no vengan

integrados en el propio separador de vapor.

Por último para acabar nuestro trabajo, hemos analizado los parámetros

característicos (PMA, TMA, Peso, Caudal,…). Centrándonos en 6 fabricantes con un

total de 20 modelos, identificando las variables más representativas y estudiando su

rango de variación.

Para concluir este último apartado, se resume en la Tabla 5.1 el rango de valores

típico de los parámetros característicos de los separadores de vapor así como su

promedio. Se observa, tal y como se vio en el apartado 3.4, que el rango de

temperaturas y presiones (PMA/TMA; PMO/TMO) es mayor en el tipo deflector que

en el ciclónico. También podemos concluir que el caudal del vapor máximo que es

capaz de mover un separador de tipo ciclónico es mayor que el del tipo deflector

(49.157 kg/h frente a 32.000 kg/h). Se puede ver que el peso del tipo deflector es

mayor que el del tipo ciclónico (para el mismo material: acero al carbono, por

ejemplo), esto se debe a la complejidad de elementos internos del tipo deflector es

mayor que la del tipo ciclónico (mayor peso debido al peso del baffle).

Podemos decir que de los separadores estudiados un 55,5% son del tipo ciclónico y

un 44,5% del tipo deflector; sólo un 23,6% de los separadores estudiados eran con

conexión roscada frente al 76,4% con conexión bridada; el 71,2% de los fabricantes

estudiados ofrecían separadores de acero al carbono y de fundición de hierro, salvo

algunos fabricantes como es el caso de Spirax-Sarco, TLV y Sotermic que ofrecían

separadores de acero inoxidable.


71

Deflector Ciclónico

Tº máxima admisible (ºC) RANGO 184 - 425 185 - 343

PROMEDIO 346,41 255,72

Presión máxima admisible (bar) RANGO 16 - 50 10 – 40

PROMEDIO 34,67 22,91

Tº máxima de operación (ºC) RANGO 184 - 425 185 - 300

PROMEDIO 290,42 258,77

Presión máxima de operación (bar)

RANGO 10 – 41,4 10 – 40


Caudal de vapor medio (kg/h)

RANGO 80 - 32000 55 – 49157,5

PROMEDIO 3354,17 3751,20

Peso (kg) RANGO 2,7 - 971 1,7 - 685

PROMEDIO 110,91 61,27

Volumen (l) RANGO 0,53 - 660 2 - 400


Diámetro de entrada (mm) RANGO 15 – 350 15 – 300


Diámetro drenaje (“) RANGO ½ - 2 ½ - 2-1/2

PROMEDIO 1 8/9

Tabla 5.1. Rangos de parámetros característicos.

Referencias

72

REFERENCIAS

Spirax-Sarco. ”Module 12.5 - Separators”. En: The Steam and Condensate Loop. p.

12.5.2; p. 12.5.3 – 12.5.4; p. 12.5.6

Warren L.McCabe -Julian C.Smith-Peter Harriot. Operaciones básicas de ingeniería

química. McGraw-Hill Interamericana, 2011. p. 161 – 166; p.987 – 1050

Boletín técnico “La llave”. Separadores de vapor. Disponible en: http://www.leer-

mas.com/lallave/news3/info2.php.

Vaportec. Instalación de separadores de vapor. Disponible en:

http://www.vaportec.com.ve/productos/separador-de-humedad/instalacion-tipica-

separador-de-humedad

TLV. Productos. Separadores ciclónicos(sin trampa). [Consulta: 5/02/2015].

Disponible en: http://www.tlv.com/global_pdf/tii/e-dc700-hp.pdf

http://www.tlv.com/global_pdf/manpm/65333-egf.pdf

Comeval . Separadores centrífugos. [Consulta: 5/02/2015]. Disponible en:

http://www.comeval.es/pdf/cat_tec/separadores/comeval_separadores.pdf

Spirax-Sarco. Productos. Separadores y camisas aislantes. [Consulta: 5/02/2015].

Disponible en:

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S1_fund

ici%C3%B3n_Nodular-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_hierro

_fundido_S2_(Roscado)-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_hierro

_fundido_S3_(Bridas)-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_acero_

al_carbono_S5-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_acero_

inoxidable_austen%C3%ADtico_S6-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.e-libro.net/libros/?ideditorial=250284

http://www.leer-mas.com/lallave/news3/info2.php

http://www.leer-mas.com/lallave/news3/info2.php

http://www.vaportec.com.ve/productos/separador-de-humedad/instalacion-tipica-separador-de-humedad

http://www.vaportec.com.ve/productos/separador-de-humedad/instalacion-tipica-separador-de-humedad

http://www.tlv.com/global_pdf/tii/e-dc700-hp.pdf

http://www.tlv.com/global_pdf/manpm/65333-egf.pdf


http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S1_fundici%C3%B3n_Nodular-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S1_fundici%C3%B3n_Nodular-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_hierro_fundido_S2_(Roscado)-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_hierro_fundido_S2_(Roscado)-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_hierro_fundido_S3_(Bridas)-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_hierro_fundido_S3_(Bridas)-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_acero_al_carbono_S5-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_acero_al_carbono_S5-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_acero_inoxidable_austen%C3%ADtico_S6-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_acero_inoxidable_austen%C3%ADtico_S6-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

Referencias

73

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S7_DN6

5_a_DN150-acero-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_acero_

inoxidable_S8_DN65_a_DN350-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_fundici

%C3%B3n_nodular_S12_conexiones_roscadas-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_fundici

%C3%B3n_nodular_S13_conexiones_con_bridas-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S1_S2_S

3_S5_S6_S7_S8_S12_S13_y_Tipo_1808-

Instrucciones_de_Instalaci%C3%B3n_y_Mantenimiento.pdf

Sotermic . Productos industriales. Accesorios para vapor y condensado. Separadores

de gotas . [Consulta: 5/02/2015]. Disponible en:

http://www.sotermic.cl/wp-content/uploads/PDF/separador-de-gota.pdf

Ecotherm. Productos. Sistemas de vapor. Sistemas de llave en mano. Separadores de

vapor. [Consulta: 5/02/2015]. Disponible en:

http://www.ecotherm.com/es/Products/Steam-Solutions/Individual-Turnkey-

Solutions/137-Separadores-de-Vapor

Comeval . Separadores centrífugos. [Consulta: 5/02/2015]. Disponible en:


http://www.comeval.es/pdf/mep/esp/datro_2006.pdf

W. H. Severns- H. E. Degler- J. C. Miles. Energía mediante vapor aire o gas. Ed

Reverté S.A 1974.

María Clara Omaña Pérez. Estado del Arte de las tecnologías utilizadas para

minimizar el arrastre de líquidos en separadores líquido-vapor en un proceso de

acondicionamiento de gas. Caracas, 2005. Escuela metropolitana, Escuela de

Ingeniería Química. Disponible en:

http://repositorios.unimet.edu.ve/docs/31/ATTP155O53P4.pdf

Armstrong. Products & System. In-line separators. [Consulta: 5/02/2015].

Disponible en:

https://www.armstronginternational.com/es/in-line-separators-ds-series

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S7_DN65_a_DN150-acero-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S7_DN65_a_DN150-acero-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_acero_inoxidable_S8_DN65_a_DN350-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_acero_inoxidable_S8_DN65_a_DN350-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_fundici%C3%B3n_nodular_S12_conexiones_roscadas-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_de_fundici%C3%B3n_nodular_S12_conexiones_roscadas-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_fundici%C3%B3n_nodular_S13_conexiones_con_bridas-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separador_en_fundici%C3%B3n_nodular_S13_conexiones_con_bridas-Hoja_T%C3%A9cnica.pdf

http://www.spiraxsarco.com/global/es/Products/Documents/Separadores_S1_S2_S3_S5_S6_S7_S8_S12_S13_y_Tipo_1808-Instrucciones_de_Instalaci%C3%B3n_y_Mantenimiento.pdf



http://www.sotermic.cl/wp-content/uploads/PDF/separador-de-gota.pdf

http://www.ecotherm.com/es/Products/Steam-Solutions/Individual-Turnkey-Solutions/137-Separadores-de-Vapor

http://www.ecotherm.com/es/Products/Steam-Solutions/Individual-Turnkey-Solutions/137-Separadores-de-Vapor


http://www.comeval.es/pdf/mep/esp/datro_2006.pdf

http://repositorios.unimet.edu.ve/docs/31/ATTP155O53P4.pdf

https://www.armstronginternational.com/es/in-line-separators-ds-series

ANEXO

74

ANEXO

FABRICANTE MODELO TIPO PMA(bar) TMA(ºC) PMO(bar) TMO(ºC) CAUDAL MEDIO(kg/h) PESO(kg) VOLUMEN(l) D_entrada(mm) D_drenaje(")

Spirax-Sarco S1 Deflector 16 300 13,8 200 2,7 0,53 15 1/2



Spirax-Sarco S2 Deflector 16 184 10 184 9,6 1,5 32 1/2


Spirax-Sarco S2 Deflector 16 184 10 184 19 3,2 50 1/2

Spirax-Sarco S3 Deflector 16 184 10 184 14 1,6 40 1/2



Spirax-Sarco S3 Deflector 16 184 10 184 44,9 6,5 80 1




Spirax-Sarco S3 Deflector 16 184 10 184 254 68 200 1 1/2

Spirax-Sarco S5 Deflector 50 425 41,4 425 125 5,8 0,71 15 1




ANEXO

75


Spirax-Sarco S5 Deflector 50 425 41,4 425 750 22 6,93 40 1






Spirax-Sarco S5 Deflector 50 425 41,4 425 750 25,5 7 40 1






Spirax-Sarco S6 Deflector 50 425 34,1 425 750 22 6,93 40 1






Spirax-Sarco S6 Deflector 50 425 27,9 425 750 25,5 7 40 1


Spirax-Sarco S7 Deflector 25 225 1500 47 18 65 1





ANEXO

76


Spirax-Sarco S7 Deflector 25 225 315 185 200 2













Spirax-Sarco S12 Deflector 25 350 21,3 350 9 1,5 32 1/2






Spirax-Sarco S13 Deflector 25 350 21,3 350 36 6,5 80 1




Spirax-Sarco S13 Deflector 25 350 21,3 350 190 68 200 1 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 130 3,4 15 1/2

ANEXO

77


TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 210 3,4 20 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 315 5,3 25 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 1045 6,5 40 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 1325 15 50 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 130 5 15 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 210 5,6 20 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 315 8,1 25 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 1045 11 40 1/2

TLV DC7 Ciclónico 25 300 25 300 1325 22 50 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 55 4,5 15 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 110 4,5 20 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 165 6 25 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 445 11 40 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 675 22 50 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 55 5,6 15 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 110 5,9 20 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 165 8 25 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 445 15 40 1/2

TLV SF1 Ciclónico 10 185 10 185 675 28 50 1/2

Armstrong DS-1 Ciclónico 20 221 20 132,5 7,3 15 3/4



Armstrong DS-1 Ciclónico 20 221 20 650,5 12,7 32 1



ANEXO

78


Armstrong DS-2 (150)

Ciclónico 13 221 1458,5 20,5 65 1


Ciclónico 13 221 2252,5 35 80 1 1/4


Ciclónico 13 221 3878,5 45 100 1 1/4


Ciclónico 20 221 2081 35 65 1


Ciclónico 20 221 3213,5 45 80 1 1/4


Ciclónico 20 221 5533 65 100 1 1/4

Armstrong DS-3 Ciclónico 20 343 132,5 12,7 15 1







Ciclónico 10 232 73 13,6 15 1


Ciclónico 10 232 127,5 13,6 20 1


Ciclónico 10 232 207 15 25 1


Ciclónico 10 232 358,5 15,9 32 1


Ciclónico 10 232 488 22,7 40 1

ANEXO

79



Ciclónico 10 232 804,5 24,9 50 1


Ciclónico 10 232 1147,5 45,4 65 1


Ciclónico 10 232 1772 63,5 80 1


Ciclónico 10 232 3051 88,4 100 1 1/2


Ciclónico 10 232 6924,5 159 150 1 1/2


Ciclónico 10 232 11990,5 215 200 2


Ciclónico 10 232 18899,5 354 250 2


Ciclónico 10 232 27107,5 426 300 2 1/2


Ciclónico 34 343 132,5 14,5 15 1


Ciclónico 34 343 231,5 14,5 20 1


Ciclónico 34 343 375,5 15,9 25 1


Ciclónico 34 343 650,5 16,8 32 1


Ciclónico 34 343 884,5 25,4 40 1


Ciclónico 34 343 1458,5 26,8 50 1

ANEXO

80



Ciclónico 34 343 2081 49,9 65 1


Ciclónico 34 343 3213,5 68 80 1


Ciclónico 34 343 5533 99,8 100 1 1/2


Ciclónico 34 343 12557,5 172 150 1 1/2


Ciclónico 34 343 21744 278 200 2


Ciclónico 34 343 34273,5 535 250 2


Ciclónico 34 343 49157,5 685 300 2 1/2

Comeval Datro Ciclónico 40 200 40 200 6 2,1 15 1/2


Comeval Datro Ciclónico 40 200 40 200 9 3 25 1/2







Comeval Datro Ciclónico 40 200 40 200 87 55 125 1

Comeval Datro Ciclónico 40 200 40 200 158 74 150 1

Comeval Datro Ciclónico 40 200 40 200 183 109,3 200 1

Ecotherm ESS-1 Deflector 10 200 80 15 1/2

ANEXO

81







Ecotherm ESS-7 Deflector 10 200 1400 65 1








Sotermic S16S Ciclónico 32 300 5 2 15 1/2

Sotermic S16S Ciclónico 32 300 6 2,5 20 1/2



Sotermic S16S Ciclónico 32 300 13,8 5,7 40 1/2








ANEXO

82





Sotermic S25S Ciclónico 32 300 81,5 50 125 1

Sotermic S25S Ciclónico 32 300 153 75 150 1

Sotermic S25S Ciclónico 32 300 195 140 200 1

Sotermic S25S Ciclónico 32 300 321 280 250 1 1/2

Sotermic S25S Ciclónico 32 300 465 400 300 1 1/2

Sotermic S10S Ciclónico 32 300 1,7 2,39 15 1



