Ejemplo de Vaporización

La Vaporización consiste en la obtención del vapor de una sustancia a partir de su estado líquido, por calentamiento. Aunque muy frecuentemente se emplea como sinónimo de Evaporación, para fines prácticos es indispensable hacer una clara distinción entre ambos términos.

Diferencia entre Evaporación y Vaporización

Hablando estrictamente del medio industrial, la Evaporación se encarga de separar una cantidad del Disolvente de una Solución, para que termine enriquecida en Soluto. Esto se logra sometiendo la Solución a calentamiento para que el Disolvente, que es el componente más volátil, se separe en forma de partículas de su vapor.

Para más información de este primer fenómeno, visita el artículo Evaporación.

Por otro lado, la Vaporización es la operación que tiene la específica intención de generar vapor. Se trata casi exclusivamente de Vapor de Agua. Este producto se utiliza como un servicio auxiliar, es decir, en una planta está disponible para apoyar y complementar los procesos.

El Vapor como servicio auxiliar

El Vapor tiene la finalidad de participar como agente calefactor para muchos equipos que se encargan de transformar la materia prima mediante calor. Hay algunos que operan con resistencias eléctricas para este fin, pero resulta más costoso recurrir a ellos.

La planta que utiliza el Vapor como un servicio auxiliar debe contar con una red de Distribución bien diseñada y señalizada, con alcance para todas las etapas del proceso que lo requieran. Esta Red se representa ya sea en un Plano, o en un Isométrico, que es un esquema basado en seis direcciones (Cuatro puntos cardinales, más arriba y abajo), en el que se plasma la realidad de las tuberías implicadas.

Ejemplo de Vapor como servicio auxiliar: Evaporador de Calandria

El vapor calefactor circulará desde la entrada lateral, abarcando todo el arreglo vertical de la calandria, para ir aportando calor al Evaporador para su propósito. Finalmente saldrá, ya como condensado, por el otro costado.

¿Por qué se emplea el Agua para producir Vapor?

 El agua es la sustancia que aporta el mayor calor en el momento de cambiar de fase, de vapor a agua. Tiene una magnitud de 2257 KJ/KG o 539.4 cal/g en condiciones de Presión Normales, a 100°C. Y variará si la Temperatura y la Presión se manipulan.

Para darnos una idea del impacto de este valor, compararemos con los de otras sustancias.

Equipos de generación de vapor

Al ser el Vapor un fluido que se maneja a muy altas temperaturas y también a presiones considerables, hay equipos dedicados exclusivamente a su producción y control, con dispositivos para medir temperatura (termómetros), presión (manómetros), y válvulas para regular el flujo hacia la planta. Estos equipos se llaman Calderas.

Calderas

Las calderas tienen un diseño cilíndrico horizontal, cuyas dimensiones dependen de las necesidades de la planta. Éstas influyen en la producción de vapor cada unidad de tiempo. Constan de un hogar, donde los combustibles se queman, y un arreglo de tubos que cumplirán la función de transferencia de calor. De acuerdo con el propósito de los tubos, las calderas se clasifican en dos tipos: Pirotubulares y Acuotubulares.

 Calderas Pirotubulares

En este tipo de caldera, los gases generados en el uso del combustible pasan a través del arreglo de tubos, para quedar envueltos en el agua cargada. El agua se transformará en Vapor Saturado que irá llenando el espacio vacío del Cilindro, encima del agua líquida. A este espacio se le llama Cámara de Vaporización. Este vapor es el que generará la presión legible en el manómetro. Ya estará disponible para su conducción a través de la Red de Distribución de la Planta.

Se enlistan a continuación sus componentes, de acuerdo con los números de la imagen:

1.- Cuerpo de la Caldera
2.- Tubo del hogar
3.- Haz tubular 2o Paso
4.- Haz tubular 3er Paso
5.- Cámara trasera del hogar refrigerada

6.- Caja Delantera
7.- Caja Trasera
8.- Bancada
9.- Aislamiento
10.- Equipo de combustión

11.- Válvula de salida de vapor
12.- Válvulas de seguridad
13.- Boca de inspección lateral
14.- Válvula de vaciado

Calderas Acuotubulares

La cámara de combustión, que es donde se quema el combustible, está debajo del arreglo de tubos, que esta vez estarán llenos con el agua a vaporizar. Resultan más caras por requerir mayor tratamiento para el agua de alimentación, y la transferencia de calor no es tan efectiva como en las pirotubulares.

Trampas de Vapor

Las trampas de vapor son dispositivos tipo válvula que permiten purgar los condensados de un vapor previamente utilizado para calefacción, y otros gases invasores que no sean capaces de condensarse. Los condensados son lo que queda del vapor después de que éste transfiriera su calor latente.

La utilidad de las trampas de vapor se sustenta en que si los condensados permanecen en la Red de Distribución del Vapor, la transferencia de calor se verá mermada. Además, los condensados pueden influir para que una fracción del vapor que viaja por ahí se vaya convirtiendo también en líquido.

Hay tres tipos principales de trampas de vapor: Termostáticas, enfocadas en el cambio de temperatura de los condensados, Mecánicas, que operan por diferencia de densidades entre vapor y líquido, y Termodinámicas, basadas en el cambio de estado de la sustancia contenida.

Factores que influyen en la generación de vapor

 Siempre se espera que la cantidad de agua alimentada se convierta en su totalidad en una  cantidad idéntica de vapor, pero nunca es así. La vaporización óptima se ve mermada por los siguientes factores:

Combustibles

La calidad del combustible influye en la producción del Vapor. Si se trata de una especie con alto poder calorífico y rápida reacción, como los hidrocarburos, se va a requerir una cantidad relativamente menor que si se estuviera utilizando otro combustible en mayor cantidad. La economía de la generación de Vapor depende en gran medida de este elemento.

Por eso en las centrales termoeléctricas se emplea Combustóleo (o Fueloil en inglés), constituido por hidrocarburos de cadena larga y algunos compuestos cíclicos, que proporcionan una combustión duradera y poderosa.

Para más información acerca de combustibles, puedes visitar el artículo de Energías No Renovables.

Presión

Si no se permite que el vapor saturado comience a circular, se acumulará y se llegará al punto en que la presión que este ejerza frene la vaporización del agua líquida. Por eso es indispensable contar con manómetros para monitorear esta magnitud, y que las válvulas de la Caldera se encuentren en buen estado.

Impurezas en el Agua

En el agua de uso común usualmente hay presencia de sales, como el Carbonato de Calcio CaCO₃, que si llega a entrar en una caldera, comenzará a formar cristales (en su caso, llamados Sarro) en los tubos. Esta formación, llamada Incrustación, mermará la transferencia de calor hacia el agua, y alejará a la caldera de la operación óptima. Es por eso que el agua de alimentación recibe un tratamiento previo.

Generalmente, se trata de la acción de Resinas de Intercambio Iónico, que retiran todos los iones posibles del Agua, dejándola prácticamente en estado puro, sumamente útil para convertirla en vapor.