Ingenieria de Vacio en Fabricas de Papel

R.P.I., S. C. – Ing. Andres J. Ostos

INGENIER A Í A D DE V V A CÍO EN M M A QUIN A S D DE P P A PEL

Rep r es en t ac i o n es yy P Pr o c es o s IIn d u s t r i al es , S S. C C.

nash _ elmo, lllc.

México, D D. F F.

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CONTENIDO 1.- INTRODUCCIÓN 1.1 EL CONCEPTO DE VACÍO 1.2 TERMODINÁMICA BÁSICA 1.3 REQUERIMIENTOS DE VACÍO 1.4 LÍNEA DE SUCCIÓN 1.5 FUGAS 2.- PUNTOS DE SUCCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE PAPEL 2.1 FOILS HIDRÁULICOS 2.2 FOILS DE VACÍO 2.3 CAJAS PLANAS DE SUCCIÓN 2.4 CILINDRO DE SUCCIÓN 2.5 CILINDRO PICK-UP 2.6 PRENSAS DE SUCCIÓN 2.7 ACONDICIONAMIENTO DE FIELTROS 2.8 OTROS PUNTOS DE SUCCIÓN 2.8.1 CAJAS ANTIGLOBO 2.8.2 CHAROLAS RECOLECTORAS DE AGUA 2.8.3 CILINDROS DE PECHO (HELPERS) 2.8.4 CAJAS DE ASPIRACIÓN DE FIELTRO Y HOJA 2.8.5 SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE NO CONDENSABLES 3.- EFECTO E LA TEMPERATURA Y CALIDAD DEL AGUA DE SELLO EN BOMBAS DE VACÍO DE ANILLO LÍQUIDO 4.- PRUEBAS DE EFICIENCIA EN EL CAMPO PARA BOMBAS DE VACÍO DE ANILLO LÍQUIDO 5.-

COMBINACIONES DE PUNTOS DE SUCCIÓN

6.-

CONCLUSIONES

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1.- INTRODUCCIÓN

comprime aire desde la presión reducida hasta la presión atmosférica.

1.1 El Concepto de “Vacío”

Tabla No. 1

En el Argot del Papel, el término “Nivel de Vacío” se utiliza para indicar que tenemos una presión inferior a la atmosférica. En realidad deberíamos llamarlo “Diferencial de Presión” ya que estamos definiendo precisamente la diferencia de presión que existe entre la presión atmosférica y la existente en el interior de un equipo. Por lo tanto, si vamos a hablar de presión debemos de hacerlo en unidades absolutas y no manométricas, de esta forma podremos definir las necesidades de un proceso en forma universal y comparar entre requerimientos de máquinas similares que operen a diferentes altitudes sobre el nivel del mar. Por ejemplo, TAPPI y NASH nos indican los vacíos (diferencias de presión) que debemos de utilizar para cada servicio, en pulgadas de mercurio manométricas y al nivel del mar (29.92 “Hg abs) por lo que debemos substraer la diferencial de presión (vacío al barómetro para conocer la presión absoluta: Pabs

= Bar – DP

Pabs Bar DP

= Presión Absoluta (“Hg. abs) = Barómetro (“Hg abs) = Diferencial de Presión (Vacío) (“Hg)

(1)

El ejemplo No. 1 de la siguiente tabla lo muestra de esa forma. Para poder extrapolar y comparar con servicios a presiones barométricas diferentes de la del nivel del mar es necesario realizar el siguiente cálculo: PREF

= P NM * Bar REF / Bar NM

PREF P NM Bar REF Bar NM

= Presión absoluta a la altitud (“Hg abs) = Presión absoluta al nivel mar (“Hg abs) = Barómetro a la altitud (“Hg abs) = Barómetro al nivel mar (“Hg abs)

(2)

De la ecuación No. (1) obtenemos la presión absoluta y con la ecuación No. (2) encontramos la presión absoluta de referencia a otra altitud sobre el nivel del mar. Nótese que, aunque la diferencial de presión (vacío requerida aparentemente disminuye al disminuir la presión barométrica /aumentar la altitud), la presión absoluta que el equipo de vacío tienen que desarrollar es mucho más baja (o sea que el vacío aumenta). En conclusión, podemos decir que dos procesos similares localizados a diferentes altitudes sobre el nivel del mar no trabajaran a las mismas condiciones de presión. Por otro lado, al equipo que se encarga de crear y mantener la diferencial de presión se le denomina incorrectamente “Bomba de Vacío”, realmente se trata de un compresor de aire con la succión restringida que

(1) (2) (3)

Presión Barométrica Local (“Hg abs) 29.92 28.50 22.67

Presión Diferencial en el Couch (“Hg) 18.00 a 22.00 17.14 a 20.96 13.64 a 16.67

Presión Absoluta Local (“Hg abs) 11.92 a 7.92 11.36 a 7.54 9.03 a 6.00

Aunque le sigamos llamando Bomba de Vacío, es muy importante tener presente este hecho, especialmente al dimensionar redes de distribución de vacío y de descarga de aire ya que, las mismas reglas que aplican para los compresores, lo hacen para las Bombas de Vacío.

1.2 TERMODINÁMICA BÁSICA En la máquina de papel, el vacío es utilizado para bajar el contenido de humedad de la hoja de papel en formación, para acondicionar los fieltros, reducir la presión en cajas de entrada, de airear la pasta antes de pasara a la caja de entrada y para extraer los no condensables del sistema de vapor de los secadores. En todos los casos estamos hablando de extraer aire saturado con vapor de agua a una presión inferior a la barométrica. Este es un punto muy importante ya que la presión parcial del vapor de agua (función de la temperatura y presión absoluta del sistema) va a ocupar un porcentaje relativamente alto del volumen total a ser evacuado. O sea que, no todo el volumen que estamos manejando representa aire que forzamos a pasar por la hoja de papel o fieltro. Los factores de TAPPI y NASH son factores empíricos tomados de estadísticas de numerosas máquinas de papel y de las recomendaciones de los fabricantes de las máquinas y se refieren a la cantidad de aire que debe de pasar por el punto de succión, está referido al nivel del mar y a ciertas condiciones de temperatura. Para el caso particular de una aplicación habrá que considerar las condiciones particulares de operación, expandir el flujo de aire a la condiciones de saturación al vacío actual de operación, temperatura del aire y altitud de operación, por lo que el volumen de aire a ser succionado y el vacío recomendado podrán ser mucho mayores. Conviene solicitar a personal calificado un estudio de vacío específico para las condiciones particulares de operación antes de realizar una selección de equipo. Debido a que el aire a ser succionado está saturado con vapor de agua y contiene una gran cantidad de agua en

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suspensión y agua líquida del proceso, es que las bombas de vacío de anillo líquido son tan populares en la aplicación de máquinas de papel. Estos equipos tienen la particularidad de poder enfriar el aire succionado condensando gran parte del vapor de agua y tolerando los arrastres de humedad y agua, lo cual incrementa notablemente su eficiencia y capacidad. En los siguientes capítulos ahondaremos en este tema.

Por la expansión del aire en la caída de presión se perdió el 31% de la capacidad de vacío instalada con la consecuente pérdida de eficiencia específica en términos de ft3/min / Hp, ya que la potencia instalada es la misma. Si la máquina de papel requería de 4,000 ft3/min y solo succionamos 2,761.61 ft3/min seguramente tendremos una hoja o fieltro más húmedo, se incrementarán las roturas de la hoy se consumirá más vapor en secadores.

Por el contrario, los equipos de vacío que no tengan la capacidad de condensar el vapor de agua, o peor aun, que calienten el aire succionado, tendrán necesariamente que ser de mucho mayor capacidad y consumo de fuerza para poder lograr el mismo efecto.

Lo anterior también es cierto para “combinaciones” de vacíos, una bomba dando servicio a más de un punto de succión con diferentes niveles de vacío de operación. Antes de proseguir es indispensable mencionar que es imperativo que en los casos en que se da servicio a diferentes puntos de succión se cuente con una válvula de control de presión que reparta el vacío como nosotros lo deseamos y no como el sistema se equilibre (el vacío seguirá el punto de menor resistencia y el flujo de aire vendrá del punto que presente la menor resistencia al paso de aire) dejando con un exceso e flujo al punto de menor vacío y prácticamente sin flujo al de mayor nivel de vacío deseado, cuando en realidad se busca normalmente lo contrario. Veamos un ejemplo:

La aplicación del vacío en máquinas de papel combina dos procesos ínter relacionados entre si, uno es el secado por evaporación del agua al saturar al aire seco que pasa a través de la hoja o fieltro, y el segundo, el dislocamiento del agua líquida del substrato (hoja de papel fieltro, etc.) al ser empujada por el aire que pasa a través de el. En teoría, al pasar el aire de la presión atmosférica a la presión reducida debería de ocurrir un enfriamiento importante, sin embargo, debido a la presencia de gran cantidad de agua de capacidad calorífica muy superior a la del aire, el proceso se comporta básicamente en forma isotérmica, lo cual simplifica notablemente los cálculos. V2 = P1 * V1 / P2 P1 V1 P2 V2

(3)

= Presión a condiciones 1 (“Hg abs) = Volumen a condiciones 1 (ft3/min) = Presión a condiciones 2 (“Hg abs) = Volumen a condiciones 2 (ft3/min)

Otro punto importante a considerar durante la especificación de las necesidades de succión son las caídas de presión (válvulas, conexiones, restricciones de tubería, etc.) entre la fuente de vacío y el punto de succión, veamos un ejemplo:

Ejemplo No. 1 Supongamos que tenemos un equipo capaz de desarrollar 4,000 ft3/min a un vacío de 21 “Hg y 100 ºF y al nivel del mar, ya que en la línea existiera una caída de presión excesiva, digamos 4 ”Hg, entonces el volumen en el punto de succión sería mucho menor, veamos: Aplicando la fórmula No. (1) a la No. 3 tenemos que: P1 = 29.92 – 21 = 8.92 “Hg abs V1 = 4,000 ft3/min P2 = 29.92 – 21 + 4 + 12.92 “Hg abs V2 = 4,000 * 8.92 / 12.92 = 2,761.61 ft3/min

Ejemplo No. 2 Tenemos dos servicios de vacío, cada uno requiere de 2,000 ft3/min, el primero a un vacío de 10 “Hg y el segundo a 20 “Hg. Si deseamos una misma fuente de vacío necesitaremos que el equipo logre el vacío más fuerte, o sea 20 “Hg. La derivación de bajo vacío deberá de contar con una válvula reductora de presión que disminuya el vacío de 20 “Hg a 10 “Hg (caída de presión de 10 “Hg) De la ecuación No. (1) y (3) tenemos que: P2 = 29.92 – 10 = 19.92 “Hg abs V2 = 2,000 ft3/min P1 = 29.92 – 20 = 9.92 “Hg abs V1 = 2,000 * 19.92 / 9.92 = 4,016.13 ft3/min La derivación de alto vacío no presenta cambios, por lo tanto requerimos de un equipo que pueda succionar 2,000 + 4,016.13 ft3/min = 6,016.13 ft3/min en vez de dos equipos cada uno succionando 2,000 ft3/min, en total requerimos un equipo 50% más grande y por lo tanto de mayor consumo de energía y costo, con la consecuente disminución en la eficiencia específica (ft3/min / Hp). Conclusión, no es muy recomendable combinar puntos de succión, a menos de que se trate de los mismo niveles de vacío y que sean constantes, y aun así debemos de realizar un estudio a conciencia antes de tomar cualquier determinación.

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Antes de seguir adelante definamos la ecuación general de los gases para el caso de una mezcla de aire y agua: Wa = {Vt * PMa * P pa * Tr } / {379 * P r * Ta}

(4)

P pa = Pt – Pv

(5)

Wa = Masa de aire succionado (Lb/min) Vt = Volumen total del aire saturado (ft3/min) PMa = Peso molecular del aire Pt = Presión absoluta (“Hg abs) P pa = Presión Parcial del aire (“Hg abs) Pv = Presión de vapor del agua (“Hg abs) Tr = Temperatura de Referencia = 520 ºR Ta = Temperatura del aire (ºR) (ºF + 460) Anteriormente mencionamos que las bombas de vacío de anillo líquido tienen la capacidad de condensar parte del volumen que es succionado, veamos como podemos sacar provecho de esta peculiaridad:

Ejemplo No. 3 Supongamos una máquina de Papel operando al nivel de la Ciudad de México: Presión Barométrica Local = 22.7 “Hg abs Temperatura de la Pasta = 38 ºC (100 ºF) Temperatura del agua de sello = 20 ºC ( 68 ºF) Temperatura en el interior de la bomba de vacío (nota # 1) = 25 ºC ( 77 ºF) Punto de succión = Cilindro Couch Nivel de vacío requerido = 20 “Hg Requerimiento de aire = 6,000 ft3/min Si instaláramos una bomba de vacío de anillo líquido con capacidad nominal de 6,000 ft3/min obtendríamos lo siguiente: En el interior de la bomba de las ecuaciones Nos. (1), (4) y (5): Wa

= { 6,000 * 29 * (22.7 – 15.1 – 0.934)* 520} / { 379 * 29.92 * 537 } = 99 Lb/min de aire

Nota # 1: La temperatura interna de la bomba de vacío de anillo líquido es proporcional a la potencia aplicada, al vapor de agua condensado en su interior y al flujo de agua de sello. Para motivos de este ejemplo utilizaremos un incremento de 5 ºC. El equipo está manejando 99 Lb/min de aire más 13.8 Lb/min de vapor de agua (saturación). Sin embargo las condiciones externas de la bomba son diferentes, la temperatura es superior (38 ºC), veamos que volumen ocupan estas mismas 99 Lb/min de aire a la condiciones externas de succión: De las ecuaciones Nos. (1), (5) y (6) : Va = { 99 * 379 * 29.92 * 560 } / { 29 * (22.7 – 15.1

- 1.852 ) * 520} = 7,253 ft3/min O sea que la bomba de vacío está manejando en su interior 6,000 ft3/min y en su exterior 7,253 ft3/min, 21 % más capacidad con el mismo consumo de fuerza. En realidad lo que ocurre es lo siguiente: Condiciones Externas Vacío (“Hg) Temperatura (ºF) Volumen (ft3/min) Aire (Lb/min) Vapor Agua (Lb/min) Condensado (Lb/min)

Condiciones Internas

15.1 38 7,253 99 31.3 ---

15.1 25 6,000 99 13.8 17.5

La diferencia de volumen corresponde al vapor condensado, Por lo tanto, si requerimos de una bomba que succión 6,000 ft3/min deberemos de seleccionar en realidad una bomba que desplace nominalmente aproximadamente 5,000 ft3/min, el 21 % restante lo logrará mediante la condensación del vapor de agua, siempre y cuando no existan caídas de presión innecesarias o excesivas en el sistema. La habilidad de estos equipos de condensar el vapor de agua conlleva a un ahorro significativo de potencia y de uso de agua. No todas las bombas de vacío de anillo líquido tienen la misma capacidad de condensar el vapor de agua, y aunque esto es difícil de comprobar en forma teórica, en la práctica una simple prueba de placas de orificio en la que se registre el volumen desplazado vs. La potencia consumida nos dirá el dato de potencia específica (ft3/min / Hp). Existen numerosas copias de equipos originales en el mercado, algunas de muy bajo costo, para las cuales se ha logrado comprobar hasta un 30 % de mayor consumo de potencia para un juego de condiciones específicas.

1.3 REQUERIMIENTOS DE VACÍO Hemos mencionado que TAPPI y NASH recomiendan los niveles de vacío y flujos de aire que se requieren para cada aplicación. Desafortunadamente, estos factores son empíricos y por lo tanto deben de servirnos únicamente como guía, ya que se basan en promedios observados en máquinas de muy diversas especificaciones. Cada máquina tiene su propio juego de condiciones, únicas y particulares, Por ejemplo, la permeabilidad de la pasta al paso del aire es un factor determinante en el nivel de vacío y flujo de aire requerido y la permeabilidad es función directa de la composición de la materia prima (contenido de fibra reciclada, distribución de finos, cargas, etc.), esto, aunado a los niveles de pH y temperatura, en conjunto con las variaciones de gramajes 5


fabricados, no solo convierten a cada máquina den un ente muy particular, sino que provocan que la optimización de estas variables sea imposible de determinar. De ahí que existan instalaciones de vacío muy complejas que utilicen combinaciones de bombas y puntos de succión con válvulas de control o sistemas que utilicen bombas de vacío de relevo que operen únicamente para ciertos gramajes o formulaciones. Lo anterior es cierto para todos los puntos de succión con excepción de las caja de los acondicionadores de fieltros en donde el sistema de vacío de diseña para dar servicio a fieltros de determinada permeabilidad y peso base. Si en el futuro los fieltros son cambiados habrá necesariamente que revisar el sistema de vacío correspondiente. El caso del acondicionamiento de los fieltros es muy particular ya que se trata del único punto de succión de la máquina de papel en la cual la permeabilidad el flujo de aire es variable para un gramaje dado. La permeabilidad del fieltro nuevo se ve reducida drásticamente durante las primeras horas de operación. Por ejemplo, un fieltro de permeabilidad 90 pasa a 40 en un día aproximadamente y en los siguientes 30 o 40 días se reduce a 5 o 10 antes de que finalmente sea reemplazado. Independientemente de esta drástica reducción al paso del aire, a lo largo de toda su vida útil, el fieltro deberá de ser acondicionado correctamente, especialmente hacia el final de su vida que es cuando más difícil limpiarlo. El sistema de vacío deberá de tener la particularidad de poder forzar el paso de aire por el fieltro para poder secarlo al máximo y dislocar el material extraño que se haya acumulado y, aunque el flujo de aire que debe de pasar es básicamente el mismo, la diferencial de presión (vacío) necesaria para lograrlo irá cada vez más en aumento. Es muy común observar que el vacío en una caja acondicionadora comience a niveles de 4 “Hg y al final de su vida sea de 12 “Hg o superior. El equipo de vacío ideal para lograr este efecto será aquel que opere a bajo vacío con el flujo de aire requerido cuando el fieltro este nuevo y de alta permeabilidad y a alto vacío con el mismo flujo de aire cuando la permeabilidad se haya reducido. De esta forma el fieltro estará todo el tiempo acondicionado adecuadamente y podremos asegurar su operación y maximizar su sequedad y la de la hoja de papel, como beneficio obtendremos un extensión substancial de su vida útil. Las bombas de vacío de anillo líquido tienen la particularidad de operar con un flujo de aire constante dentro del rango de vacío que demanda el fieltro a lo largo de su vida (4 a 15 “Hg) y de hecho su potencia disminuye al aumentar el vacío por lo que el 90% del tiempo opera con baja demanda de potencia.

1.4 LÍNEAS DE SUCCIÓN El correcto dimensionamiento y trazado de las líneas de succión es tal vez el punto más delicado de un sistema de vacío. La falta de entendimiento de lo que ocurre en un sistema a dos fases (aire – agua) conduce a un diseño erróneo y a una pobre eficiencia. Veamos cuales son los puntos de consideración: (1) La baja presión absoluta (alto vacío que produce el equipo de vacío permite levantar una columna de agua 0.345 m por cada pulgada de vacío, o sea que, si tenemos un vacío de 20 “Hg podremos levantar una columna de 6.9 m. Esto nos puede hacer pensar que estamos en posibilidad de llevar una tubería de succión, en la que tengamos aire y agua, por un camino errático subiendo y bajando, esquivando obstáculos, siempre y cuando no excedamos el límite dado por esta altura. Nada puede estar más alejado de la realidad. En primer lugar, no es nuestro interés principal el conducir la fase líquida. En segundo lugar, no vamos a dimensionar la tubería para un flujo de agua determinado (que en principio no conocemos con exactitud), sino aire y agua, por lo tanto la tubería va a estar muy sobre dimensionada para que efectivamente se forme una columna de agua, más bien se formara un “tapón” de líquido, que al fluir por la tubería lo hará en forma intermitente al costo e una alta caída de presión y obstruyendo el paso de aire y perdiendo la succión él sistema. Cuando este problema ocurre notaremos que en la formación de la hoja existen zonas secas y zonas húmedas, las zonas húmedas pueden, y de hecho lo hacen, provocar una rotura de la hoja. Es entonces imperativo que todas las líneas de succión que manejen dos fases se dimensionen de tal forma que la fase líquida no reste área a la fase gaseosa y por lo tanto se incrementó su velocidad y caída de presión. Deberemos de evitar velocidades superiores a los 3,500 ft/min y asegurarnos que la tubería tenga una pendiente negativa (que siempre vaya hacia abajo). Si físicamente es imposible mantener la pendiente negativa, entonces habrá necesariamente que colocar un tanque pre separador de agua, lo más cercano posible al punto de succión. De esta forma el sistema de vacío succionará únicamente la fase gaseosa y podremos dirigir la tubería como nos con venta y a mayor velocidad (menor diámetro), se recomienda no exceder 5,500 ft/min. El hecho de separar un líquido dentro de un recipiente nos exige la evacuación continua del mismo en contra del vacío existente en su interior. Esto se puede lograr de dos formas:

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(a) Mediante una pierna barométrica por la parte inferior del recipiente y cuya longitud deberá de ser de al menos 0.345 m por “Hg (sobre el vacío máximo esperado). Su diámetro deberá de calcularse para el flujo de agua esperado y para una velocidad que no exceda los 650 ft/min. Su diámetro no se deberá de ser inferior a 4” para evitar que se incruste y obstruya.

Figura No. 2 – Separador con Bomba de bajo NPSH

Es importante señalar que el tanque pre separador es un equipo muy importante y su diseño debe asegurar la perfecta separación del aire y agua, de otra forma será inútil el esfuerzo y gasto de esfuerzo y gasto de implementar el sistema si se va a permitir el paso parcial de agua. Se recomienda que el tanque se diseñe para una velocidad que no exceda los 400 ft/min y que su interior impida el acarreo de en forma de brisa. Figura No. 1 – Separador con Pierna Barométrica

En el extremo inferior de la pierna deberá de existir un pozo de agua de sello con suficiente volumen para llenar la pierna y aun mantener el sello, se recomienda un mínimo de cinco veces el volumen de la pierna, una penetración en el espejo de agua de al menos 35 cm y un claro en el fondo del pozo de 10 cm como mínimo. Es muy importante que la pierna sea completamente recta, no se permiten codos ni corridas horizontales. Como máximo se recomienda una inclinación de 30º. (b) Si no se cuenta con la altura suficiente para colocar una pierna barométrica, entonces será necesario utilizar una bomba centrífuga con el suficientemente bajo MPS para lograr vencer la presión reducida del interior del recipiente y poder bombear el líquido a un punto remoto. Una bomba centrífuga convencional únicamente cavitará y lejos de extraer el agua provocara un flujo reverso de aire que romperá el vacío del sistema. Ya que la cantidad de agua no es conocida con certeza, la bomba deberá de estar sobre dimensionada y mantener al recipiente “seco” en todo momento. La selección de este equipo es muy delicada.

(2) Ya que es de gran interés el evitar caídas de presión entre el punto de succión y el equipo de vacío, deberemos evitar al máximo el uso de válvulas, reducciones, codos, etc. Y cuando sea inevitable, deberemos de seleccionar las que tengan la menor caída de presión posible. Cuando las válvulas requeridas no sean de control y su posición fija, entonces deberán de utilizarse válvulas de “anteojo”.

1.5 FUGAS Algo muy difícil de predecir, localizar y cuantificar son las fugas. Existen cinco focos principales de generación de fugas de aire: (a) Sellos de cajas de succión de rodillos aspirantes. Son prácticamente imposibles de observar y normalmente ocurren cuando la caja de succión está mal instalada o cuando el sello se rompe. Su efecto en el sistema de vacío es drástico, es una fuga importante y normalmente es imposible levantar vacío en el sistema. Es por lo tanto e suma importancia que los sellos se encuentren en buenas condiciones y colocados correctamente. (b) Bridas y conexiones. Son fácilmente detectables ya que producen un silbido agudo. Sin embargo, es conveniente probarlas con humo, en caso de fuga se observa fácilmente como es succionado. Un

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empaque blando no es necesariamente la mejor selección ya que envejece rápidamente perdiendo sus propiedades elásticas y resecándose. (c) Piernas barométricas. Para que la pierna barométrica no sea foco de fugas importante deberán de cuidarse los siguientes puntos: Deberán de estar correctamente sellada por su parte inferior y cumplir con los lineamientos señalados anteriormente y no deberá de presentar incrustación ni corrosión. La fuga no solamente permite el paso de aire, sino que la expansión violenta del aire provoca el acarreo masivo de agua hacia el sistema de vacío. (d) Bombas de extracción de agua. Es importante que las bombas de bajo PS se mantengan cebadas todo el tiempo (libre de aire en su interior), normalmente se instala una línea de succión que va desde el “ojo” de la bomba hacia el mismo tanque separador. Es también importante colocar una válvula de retención (check) a la descarga de líquido para evitar el flujo inverso de aire hacia el sistema. (e) Estoperos de Bombas de Vacío. Es importante mantener los estoperos lubricados y en buenas condiciones cambiando la empaquetadura de prensa estopa regularmente y permitiendo un goteo continuo de agua para evitar que se queme y permita el paso de aire.

de la caja plana. Se trata de unidades de bajo vacío (25 a 60 “de agua) que se utilizan para crear un desgote de transición entre el bajo vacío de los foils hidráulicos y el relativamente alto vacío de las cajas planas que le siguen. Finalmente, lo que se busca es crear un perfil de vacío gentil y controlado a todo lo largo de la mesa de formación que nos permita una buena formación. Los foils utilizan piernas barométricas cortas que pueden sellarse en pozos externos o en la tina inferior de la máquina, si la altura lo permite. Normalmente se utilizan sopladores axiales de bajo vacío para esta aplicación y es indispensable el uso de un pre separador para evitar enviar acarreos de agua al equipo ya que no tiene capacidad de tolerarlos.

Figura No. 3 – Arreglo de Separadores en Foils de Gravedad

2.- PUNTOS DE SUCCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE PAPEL. A continuación trataremos de identificar los diferentes puntos de succión existentes en los diversos tipos de máquinas de papel:

2.1 FOILS HIDRÁULICOS Los foils hidráulicos son ya un estándar en las máquinas de papel, la función de estos elementos es la de provocar un muy ligera caída de presión (menos de 25 a 40” de agua) que permita un desgote gentil y controlado de la hoja en formación. Se localizan en la parte inicial de la mesa de formación. No requieren de ningún equipo de vacío y cuentan normalmente con una pierna de evacuación de agua muy corta (30 a 40 cm).

Figura No. 4 – Arreglo de Separadores en Foils de Vacío

Por lo general se diseñan para operar entre 1.5 a 3.5 ft3/min por el elemento y por pulgada de ancho de mesa, y en caso de instalarse más de una unidad es indispensable establecer un sistema de control de perfil de vacío que permita al primer elemento operar a menor vacío y al último a mayor vacío.

2.3 CAJAS PLANAS DE SUCCIÓN 2.2 FOILS DE BAJO VACÍO Los foils de bajo vacío son cada día más comunes den las máquinas de papel. Estos elementos se localizan inmediatamente después de los foils hidráulicos y antes

Hacia el final de la mesa de formación la consistencia de la hoja de papel es aun muy baja como para que la tome el cilindro de succión (aproximadamente 3 a 5 %). El papel de las cajas planas es el de asegurar una

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consistencia del orden del 10 % antes del cilindro de succión o la hoja se marcaría con el ato vacío del cilindro. Debido a que la cantidad de agua presente es aun muy alta y la hoja de papel muy delicada, la acción de succión que debemos de realizar deberá de ser muy gentil, drenando la máxima cantidad de agua sin marcar ni debilitar la hoja. Normalmente esto no es posible realizarlo con una sola caja y casi siempre se requieren 5 o 6 de ellas, con excepción de los papeles muy ligeros en donde 2 o 3 son suficientes. El uso de varias cajas nos permite establecer un perfil de vacío a través de ellas, la primera caja será la que maneje mayor cantidad de agua y menos aire y la última caja pasará prácticamente puro aire y casi nada de agua. Es importante diseñar las tuberías, el sistema de control de vacío y de separación de agua para cumplir con lo anterior. Cada formulación y cada gramaje tendrán su perfil de vacío ideal, por ello es muy conveniente que el sistema de control sea automático, confiable y de fácil ajuste. Es importante que el cabezal de succión cuente con una válvula de alivio que permite el vacío máximo que la bomba de vacío puede desarrollar o el sistema de control no operará satisfactoriamente.

cabo correctamente, la consistencia de la hoja deberá de ser de al menos 18 a 20 % e idealmente de 22%. En algunas máquinas el cilindro de succión cuenta con una doble caja de succión, una bajo vacío (10 a 12 “Hg) que precede a la de alto vacío (20 a 24 “Hg), nuevamente se trata de establecer una transición entre el bajo y alto vacío para realizar un desgote lo más gentil posible. Normalmente se requiere de dos fuentes de vacío independientes y de diferentes niveles de vacío. Algunas cajas cuentan con un pasaje interno que se encarga de expandir el flujo de bajo vacío con el consecuente costo de un flujo de succión mucho más elevado. La cantidad de aire a evacuar dependerá del espesor de la cubierta del rodillo, sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones se utiliza un factor en el rango de 3 a 4 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de la caja de succión de bajo vacío y de 3 a 9 ft3/min en las cajas de alto vacío.

Dado que las primeras cajas operarán a un vacío menor al de las últimas implica que deberán de contar con su propia válvula de alivio.

Figura No. 6 – Arreglo de Separador en Cilindro de Succión

Figura No. 5 – Arreglo de Separadores en Cajas de Succión de Mesa de Formación

El rango de vacío al que operan estas cajas es de 6 a 12 “Hg y los flujos de aire son muy variados, función directa de la consistencia y del gramaje y permeabilidad de la hoja de papel, entre 3 y 50 ft3/min por pulgada de ancho de tela.

2.4 CILINDRO DE SUCCIÓN El cilindro de succión remata la mesa de formación en la mayoría de las máquinas de papel y es el punto en donde la hoja de papel debe de brincar para ser tomada por la sección de prensas. Para que esta transición se lleve a

Cualquier deficiencia en el dimensionamiento del sistema de vacío en este punto producirá irremediablemente interrupciones en la producción de papel por roturas de la hoja.

2.5 CILINDRO PICK-UP El Pick-Up como cilindro independiente ha caído en desuso, son raras las máquinas que incorporan este tipo de rodillo. Su función no es realmente la de remover agua sino la de ayudar al salto de la hoja de papel desde el cilindro de succión hasta la zona de prensas y por lo mismo no es necesario operarlo todo el tiempo, únicamente cuando se desea pasar la hoja. Las prensas modernas normalmente incorporan una zona de Pick-Up antes de la zona de prensado.

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El vacío al que operan estos rodillos es de 18 a 20 “Hg y requieren de un flujo de succión de 5 a 6 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de la caja de succión del rodillo.

2.6 PRENSAS DE SUCCIÓN Existen una gran variedad de tipos diferentes de prensas de succión, las más recientes incorporan varias zonas de succión; una zona de Pick-Up, una de Transferencia y finalmente una de prensado propiamente dicho. Algunas ocupan un solo fieltro y otras hasta tres de ellos. Por lo tanto, en el dimensionamiento del sistema de vacío habrá que tomar muy en cuenta las recomendaciones del fabricante de la prensa.

Figura No. 7 – Arreglo de Separadores en Prensa Combinada

El vacío de operación de las secciones de prensado y Pick-Up es normalmente de 18 a 22 “Hg y en las de transferencia de 10 a 12 “Hg. El aire succionado en las zonas de alto vacío varia entre 3 y 6 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de la caja de succión del rodillo, dependiente del número de fieltros, del gramaje de la hoja y de la presión del NIP. Al igual que en el rodillo de succión de doble caja de vacío, existen diversos diseños que incorporan o no una sola toma de vacío, La eficiencia del vacío en este punto va a determinar la sequedad de la hoja de papel a la entrada de la zona de secadores, de ahí su gran importancia.

2.7 ACONDICIONADORES DE FIELTROS La cantidad de agua que la sección de prensas puede remover no es tan grande, pero no por ello deja de ser importante, un punto más de sequedad en la hoja normalmente se traduce en ahorros significativos de vapor y combustóleo en la sección de secadores.

La función de los fieltros no solamente se la de servir como soporte y conducir a la hoja de papel sino la de actuar como “esponja”. La presión de la prensa exprime el agua de la hoja y la expansión del fieltro al salir del NIP absorbe el agua que la prensa extrajo y la mantiene en su interior. De ahí la importancia de que el fieltro retorne a la prensa lo más seco posible y con su estructura interna acondicionada, limpia y lista para absorber nuevamente agua, Si, por el contrario, retorna mojado entonces el efecto de la prensa será el contrario, la hoja se mojará y saldrá con la misma humedad que entró o inclusive más húmeda. Los múltiples pasos del fieltro por la sección de prensas y su desgaste natural provocarán su compactación paulatina y la consecuente pérdida en su habilidad de absorber agua. Esto es inevitable, sin embargo, mientras esto ocurre habrá que asegurar que retorna a la zona de prensado libre de agua, finos y cargas, para ello habrá que utilizar regaderas de alta presión que logren dislocar eficientemente a los contaminantes atrapados en la trama y una caja de succión se encargará de extraer el exceso de agua de su interior. Mientras mejor limpiemos y sequemos el fieltro, más tiempo nos durará en buenas condiciones y menor será la sequedad de la hoja de papel a la salida de las prensas. Existen numerosos tipos de cajas de succión, su diseño y área abierta son función del peso base y Permeabilidad nominal del fieltro y de la velocidad de la máquina de papel. Entre los diseños más comunes tenemos los siguientes: (a) Zapata de translación (Vickery): Consiste en un sistema de succión a base de pequeñas cajas de succión que se trasladan a lo largo del fieltro mediante un mecanismo oscilante, la caja incorpora a su propia regadera de lubricación. Estas cajas son muy antiguas y hoy en día ya no satisfacen las necesidades de limpieza y drenado de los fieltros actuales. Se solían diseñar para 100 a 150 ft3/min por pulgada zapata a 12 “Hg. (b) Rodillo exprimidor (Wringer): Consiste en un pequeño rodillo equipado con una caja interna de succión a manera de una pequeña prensa de baja presión. También han caído en desuso debido a su pobre operación y al daño extra de compactación que le produce al fieltro. Se solían seleccionar para 5 o 6 ft3/min. Por pulgada cuadrada de área abierta de la caja de succión del rodillo a 15 “Hg. (c) Cajas Hule: Las cajas con ranuras diagonales del tipo “arenque” han perdido popularidad entre los fabricantes de máquinas de papel ya que no producen una sequedad uniforme en el fieltro, aunado a esto, sus requerimiento de vacío era excesivo (áreas abiertas superiores al 25 %).

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Normalmente se especificaban para 15 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de succión y 15 “Hg. (d) Cajas ranuradas: Se han convertido en el estándar de la industria papelera, tanto por la simplicidad de su diseño como por su habilidad de entregar un fieltro más seco. Dependiendo de la velocidad de la máquina pueden contar con una o dos ranuras (ancho de 1/8” hasta 3/4”) a todo lo largo del fieltro y algunas cuentan con mecanismos que pueden ajustar su apertura. (e) Dependiendo de su posición en la máquina, recorrido, velocidad de la máquina, peso base y permeabilidad es que se diseña el sistema de vacío. Normalmente se especifican para un flujo de aire que varia entre 15 y 25 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de la ranura y para un vacío de 15 “Hg. (f) Dependiente de su localización den la corrida del fieltro podrán o no contar con un separador de pierna barométrica, normalmente los fieltros inferior requieren de un separador con bomba de extracción de bajo NPSH.

entonces deberá de contar con su propia sistema de vacío independiente o, si se desea mezclar, contar con válvulas automáticas de control de vacío, lo cual requerirá de un equipo de vacío de mayor tamaño. Es importante que el equipo de vacío sea capaz de cambiar su vacío en función de la permeabilidad del fieltro y hacerlo sin variar el flujo de aire requerido. Las bombas de vacío de anillo líquido encuentran aquí su aplicación ideal. Hoy en día, la sección de vacío más importante de la máquina de papel es la correspondiente al acondicionamiento de los fieltros, más de la mitad del flujo de aire requerido por la máquina está dedicado a ello, y está muy claro que, si el fieltro no retorna a la prensa lo suficientemente seco, el mejor sistema de vacío y la mejor prensa estarán desperdiciadas. Podemos aseverar que, si tenemos un buen acondicionamiento, la hoja de papel entrará con mayor sequedad a la zona de secadores ahorrando vapor substancialmente, tendremos menores roturas y el fieltro se mantendrá operativo por más tiempo o inclusive podremos utilizar uno de mayor peso. En suma, ahorraremos lo suficiente como para poder justificar y amortizar el equipo de vacío en pocos meses.

2.8 OTROS PUNTOS DE SUCCIÓN 2.8.1 CAJAS ANTIGLOBO Se refieren a pequeños labios de succión que se colocan antes de la zona del NIP de la prensa con el objeto de remover el agua que se exprime en el NIP. Son utilizados como ayuda para remover el exceso de agua que se exprime del fieltro que entra a la prensa. No es una aplicación convencional ya que normalmente s utilizan cuando el sistema de vacío de los fieltros es insuficiente, es mucho más recomendable re diseñar el sistema de los fieltros que instalar este tipo de cajas. Figura No. 8 – Arreglo de Separadores en Acondicionadores de Fieltros

Uno de los errores más comunes en la industria es el de utilizar una misma fuente de vacío para dar servicio a más de un fieltro. Dado que los fieltros envejecen en forma independiente, los vacíos requeridos para su acondicionamiento son muy diferentes y si colocamos una bomba para dar servicio a un fieltro nuevo y otro de medio uso, el flujo de aire seguirá el camino de menor resistencia y tenderá a dejar sin suficiente aire al fieltro más compacto que es el que requiere de mejor acondicionamiento y el fieltro nuevo tendrá un exceso de aire que incrementará su desgaste. Cada fieltro

Cuando se utilizan se dimensionan con una apertura de 1/8” a lo largo del fieltro para una extracción de entre 2 y 5 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de la ranura y para un vacío de 10 a 12 “Hg.

2.8.2 CHAROLAS RECOLECTORAS DE AGUA Se utilizan en máquinas de alta velocidad en las que se espera que gran cantidad del agua extraída por un rodillo sea centrifugada y expulsada en forma de salpicaduras. Para evitar que el agua caiga sobre la hoja en formación y la marque se utiliza una mampara que recolecta el agua y la conduce hacia una pequeña pierna barométrica. En algunas ocasiones se recomienda el uso de equipos de bajo vacío para inducir y extraer el agua. Los vacíos son 11


normalmente muy bajos, entre 2 y 4 “Hg y el flujo de aire es muy variable y dependiente de cada aplicación en particular.

2.8.3

CILINDROS DE PECHO (HELPERS)

Son utilizados por máquinas de papel antiguas y por las máquinas de formadores y asemejan a un cilindro de succión convencional, puede o no contar con un NIP y se dimensionan para un flujo de entre 1 y 2 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de la caja y para un vacío de 10 “Hg.

2.8.4 CAJAS DE ASPIRACIÓN DE FIELTRO Y HOJA Algunas máquinas de formadores utilizan cajas ranuradas para drenar la hoja y el fieltro en forma simultánea y son similares a las cajas acondicionadoras de fieltros. Se dimensionan para un flujo de 3 ft3/min por pulgada cuadrada de área abierta de la caja y para un vacío de 10 “Hg.

2.8.5.

SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE NO CONDENSABLES

El sistema de vapor de la máquina de vapor es una especialidad en si mismo y no es el objeto de este documento al entrar en detalles sobre su dimensionamiento. Únicamente deseamos señalar que la última etapa de extracción envía el vapor de baja a un condensador de cola, es necesario mantener la presión del condensador a un vacío de 26 a 27 “Hg para lograr obtener el máximo beneficio de la diferencia de entalpías entre el vapor de alta y el de baja. El sistema de vacío se diseña para evacuar los no condensables proveniente del vapor y de las fugas de aire en el sistema. Calcular las fugas de un sistema no es tarea fácil y debe dejarse a expertos en la materia ya que existen factores empíricos que nos indican el tamaño del equipo de vacío proporcionales al número de secadores, presión de vapor, etc., por lo regular se trata de pequeñas bombas de entre 100 y 400 ft3/min. Cabe mencionar que si el condensador falla, o no cuenta con la suficiente agua de enfriamiento, o la temperatura del agua es elevada, el condensador dejará de condensar eficientemente y el requerimiento de vacío se puede incrementar en un 1,000 % o más desde luego, el nivel de vacío disminuirá drásticamente.

3.- EFECTO DE LA TEMPERATURA Y CALIDAD DEL AGUA DE SELLO EN BOMBAS DE VACÍO DE ANILLO LÍQUIDO. Ya que la mayoría de los equipos de vacío existentes en la industria del papel son las bombas de vacío e anillo líquido, hablemos un poco acerca de la influencia que tiene la temperatura del agua de compresión, o de sello como comúnmente se le denomina. Hemos mencionado que este tipo de bombas tiene la capacidad de condensar parte de la fracción de vapor de agua que satura al aire succionado. Esto es cierto únicamente si la temperatura del agua de sello es igual o inferior a la del aire succionado, y en la mayoría de los casos así lo es, en el ejemplo No. 1 vimos un caso típico. En el ejemplo teníamos aire saturado a 38 º C y agua de sello a 25 ºC y la bomba era capaz de extraer del sistema 99 Lb/min de aire con una eficiencia en capacidad del 121 %. Veamos que ocurre si utilizáramos agua de sello a una temperatura superior a la del aire saturado, digamos 40 ºC (45 ºC en el interior de la bomba debido al incremento de temperatura por el efecto de la energía aplicada por el motor a la bomba de vacío):

Ejemplo No. 4 Supongamos una máquina de Papel operando al nivel de la Ciudad de México: Presión Barométrica local = 22.7 “Hg abs Temperatura de la Pasta = 38 ºC (100 ºF) Temperatura del agua de sello = 40 ºC (104 ºF) Temperatura en el interior de la bomba de vacío (nota # 1) = 45 ºC (113 ºF) Punto de Succión = Cilindro Couch Nivel de vacío requerido = 20 “Hg Requerimiento de aire = 6,000 ft3/min Si instaláramos una bomba de vacío de anillo líquido con capacidad nominal de 6,000 ft3/min obtendríamos lo siguiente: En el interior de la bomba de las ecuaciones Nos. (1), (4) y (5): Wa = {6,000 * 29 * (22.7 – 15.1 – 2.828) * 520} / {379 * 29.92 * 573} = 66.5 Lb/min de aire Nota # 1: La temperatura interna de la bomba de vacío de anillo líquido es proporcional a la potencia aplicada, al vapor de agua condensada en su interior y al flujo de agua de sello. Para motivos de este ejemplo utilizaremos un incremento de 5 ºC. El equipo está manejando 66.5 Lb/min de aire más 39.4 Lb/min de vapor de agua (saturación). Sin embargo, las condiciones externas de la bomba son

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diferentes, la temperatura es inferior (38 ºC). Veamos que volumen ocupan estas mismas 66.5 Lb/min de aire a las condiciones externas de succión. De las ecuaciones Nos. (1), (4) y (5) : Va = { 66.5 * 379 * 29.92 * 56 } / {29 * (22.7 – 15.1 – 1.852) * 520} = 4,868 ft3/min O sea que la bomba está manejando en su interior 6,000 ft3/min y en su exterior únicamente 4,868 ft3/min, 19 % menos capacidad con el mismo consumo de fuerza. En realidad lo que ocurre es lo siguiente: Condiciones Externas Vacío (“Hg) Temperatura (ºF) Volumen (ft3/min) Aire (Lb/min) Vapor de Agua (Lb/min) Evaporación (Lb/min)

15.1 38 4,868 66.5 21.4 ---

Condiciones Internas 15.1 45 6,000 66.5 39.4 18

La diferencia del volumen corresponde al vapor de agua evaporado, Por lo tanto, si requerimos de una bomba que succione 6,000 ft3/min en realidad tendríamos que instalar una bomba que nominalmente succión 7, 140 ft3/min, el 19 % restante lo tomaría de la evaporación del agua de sello. Estaríamos desperdiciando el 19 % de la capacidad, potencia, etc., lo que ocurre aún más frecuentemente es que no solamente el agua de sello está muy caliente sino que la bomba está de origen limitada de capacidad y su eficiencia es muy baja por su estado mecánico (10 o más años de operación), entonces no estaremos 19 % cortos en capacidad sino más probablemente 50 % o más. El ejemplo anterior es sumamente claro y debe de abrirnos los ojos para prestar más atención a la temperatura del agua de sello de las bombas de vacío. Cabe mencionar que, para que el potencial de condensación de las bombas de anillo líquido pueda aprovecharse en forma óptima, es indispensable que el sistema de alimentación de agua contemple el esperado de una parte del agua de sello en la succión e la bomba. La eficiencia de este accesorio es prácticamente la de un condensador de contacto directo y en el interior de la bomba continuará la condensación. Otro punto importante es la calidad del agua de sello, aunque la bomba de vacío puede operar con cualquier tipo de agua, no es recomendable abusar de este hecho. Debemos de procurar utilizar agua de la menor dureza posible. Debemos de recordar que el fenómeno de incrustación aumenta exponencialmente con la

temperatura y que los anti incrustantes y tiempos muertos por mantenimiento correctivo son muy costosos. Los sólidos en suspensión también son importantes, mientras menor cantidad tengamos menor será la abrasión y mayor la vida y eficiencia de los equipos de vacío. El pH del agua es sumamente importante, amenos de que contemos con bombas en construcción de acero inoxidables 316L (lo cual no es fácil de justificar debido a su alto costo), debemos de tratar de mantener un pH neutro o ligeramente alcalino para evitar que la corrosión de las partes internas baje la eficiencia del equipo y acorte significativamente su vida útil. Las bombas de vació de buena marca y eficientes son un equipo caro, pero el concepto total del sistema de vacío lo es más aun. Sin embargo, la diferencia de costo entre un sistema de vacío bien implementado y un pobremente diseñado no lo es tanto. Los beneficios que podemos lograr al dimensionar e implementar un sistema de vacío correctamente, como lo más adelante, justifican ampliamente la inversión. El alto costo actual del agua, las limitaciones en cuanto a su disponibilidad y el estricto control ambiental sobre los efluentes justifican la integración de un sistema de agua de sello recirculado utilizando una torre de enfriamiento o enfriador evaporativo. Un sistema así únicamente consumiría entre 10 y el 15 % de la demanda total de agua, un 5 a 10 % se purgaría hacia el tanque de agua blanca o clarificador y el resto sería lo que se pierde por brisado y evaporación. Desde luego, un sistema recirculado implica la total pre separación del agua proveniente de la máquina de papel mediante equipos eficientes, en suma: un buen equipo y una buena ingeniería. Otra forma de recircular el agua de sello utiliza el concepto de cascada. Las bombas de alto vacío son más susceptibles de perder eficiencia si la temperatura del agua es elevada (debido a la alta presión de vapor de agua), no así las bombas de bajo vacío. El concepto de cascada saca provecho de este hecho y alimenta el agua más fría a las bombas de alto vacío, la descarga de agua tibia es re alimentada a las bombas de bajo vacío. El agua caliente descargada por las bombas de bajo vacío es enviada a enfriamiento y re utilización. Existen también sistemas con reposición de agua fresca en forma automática mediante un sensor de temperatura que controla la válvula de admisión de agua y mezcla con el agua caliente recirculada. Existen numerosas combinaciones en función de las características particulares de cada localidad e instalación.

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Un punto que merece especial consideración es el sistema de separación del aire y agua descargados por las bombas de vacío. Debemos de recordar que las bombas de vacío son compresores de aire invertidos, por lo tanto, si restringimos o presurizamos la descarga necesariamente disminuimos el vacío de succión, sin embargo el punto más importante ha considerar es que el consumo de fuerza se incrementa substancialmente, 2 0 3 psig de contra presión pueden incrementar la demanda de energía en un 20 %. Por otro lado, también es deseable eficientar la recolección del agua para su envío al proceso o a enfriamiento. Por lo tanto debemos de mantener una velocidad baja en el cabezal de descarga de aire (500 a 700 ft/min) y en los cárcamos. Es muy importante en el diseño tener en consideración el flujo de aire máximo de descarga que se presenta cuando las bombas están operando a máquina parada (roturas) o sea correrá el riesgo de sobrecargar los motores cuando existan roturas las bombas bajen su vacío.

4.0

PRUEBAS DE EFICIENCIA EN EL CAMPO PARA BOMBAS DE VACÍO DE ANILLO LÍQUIDO

El 80 % de las bombas de vacío de anillo líquido que se encuentra operando actualmente lo vienen haciendo desde hace más de 15 años. Es muy improbable que su eficiencia sea la misma de cuando eran nuevos. Es también poco probable que las condiciones de operación y requerimientos de vacío no hayan cambiado en ese tiempo, por lo regular se han incrementado. De ahí que sea tan importante revisar cuidadosamente el sistema de vacío y realizar un estudio de ingeniería a fondo. El primer paso es determinar los requerimientos actuales de vacío de la máquina, el segundo paso es seleccionar un sistema de vacío moderno e ideal en forma teórica, el tercer paso consiste en averiguar el estado y la eficiencia de las bombas de vacío actuales y del sistema en su totalidad. Con estos datos podemos realizar un estudio comparativo y calificar el estado de nuestro sistema de vacío actual en términos de consumo de energía y agua, eficiencia específica (ft3/min / bHp) (que nos indica el consumo de fuerza vs. La disponibilidad de aire succionado) y la eficiencia global del sistema. Un estudio de costo beneficio redondearía el estudio mostrándonos una recuperación de la inversión en re acondicionar el sistema de vacío. Para poder conocer la eficiencia real de los equipos de vacío existentes es indispensable averiguar su eficiencia mecánica y para ello es necesario realizar pruebas de capacidad. En realidad no deseamos realizar pruebas de

capacidad. En realidad no deseamos realizar pruebas de capacidad muy precisas, pero si lo suficientemente confiables. La forma más fácil de realizarlas es mediante el uso de placas de orificio calibradas y medición de la caída de presión en condiciones controladas. Comparando los resultados de esta prueba contra las curvas originales del equipo, previa estandarización de los valores a las condiciones de referencia, podemos encontrar el dato de eficiencia mecánica. La observación de las temperaturas de operación, nivel de vacío y consumos de energía reales nos indicarán la eficiencia térmica de los equipos. Con estos dos datos podemos llegar a los valores de energía específica (ft3/min / bHp) reales de nuestra instalación y compararlos contra datos de un simulador de equipo moderno nuevo. Por ejemplo, no es difícil que con los nuevos equipos que existen en el mercado se puedan obtener eficiencias superiores a los 35 ft3/min / bHp, cuando con los modelos anteriores (1960 a 1980) se obtenían valores del orden de 25 ft3/min / bHp y de 20 ft3/min / bHp con los modelos más viejos (1930 a 1960). Supongamos que tenemos un sistema de vacío que data de hace más de 20 años y medimos su eficiencia en 15 ft3/min / bHp o menos. Resulta muy poco probable que podamos incrementar este valor a más de 20 ft3/min / bHp y posiblemente a un muy alto costo de refaccionamiento y de inversión en el sistema de vacío. Si consideramos un sistema de vacío totalmente nuevo que nos provea con 25 ft3/min / bHp automáticamente estaremos ahorrando la mitad del consumo de energía y como bono extra la mitad del consumo de agua. Un rápido análisis económico mostrará una recuperación de la inversión en 1 año o menos, sobretodo si involucramos valores de ahorro de vapor, incremento de producción por disminución de roturas de aloja y menor consumo de fieltros. Las pruebas de eficiencia tienen la ventaja de poder realizarse en campo sin la necesidad de mover el equipo a un bando de pruebas. Únicamente se requiere de desconectar la succión de la bomba y colocar una placa con la cantidad y tamaño de orificios adecuados para el caudal de succión esperado. Bloqueando uno a uno los orificios se logra construir una curva de operación real. La prueba toma solo unos cuantos minutos y puede programarse fácilmente durante un paro de máquina. Un pequeño programa permite corregir los valores de vacío leídos a las condiciones estándar de referencia para poder compararlos con las características originales del equipo. Este tipo de pruebas puede realizarse en forma rutinaria antes y después de un ejercicio de mantenimiento para evaluar su impacto y costo.

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5.- COMBINACIONES DE PUNTOS DE SUCCIÓN

Requerimientos

Con anterioridad hemos visto que el combinar dos o más puntos de succión en una sola fuente de vacío es una práctica poco recomendable que conduce necesariamente el uso de equipos de vacío de mayor tamaño, mayor costo, mayor consumo de fuerza y de agua. Sin embargo, no siempre es posible asignar equipos independientes de vacío a cada punto de succión del sistema. Veamos que combinaciones son factibles y cuales son las reglas a seguir:

Cajas Planas Couch / Alto Couch / Bajo Pick-Up Transferencia Prensa Fieltro No. 1 Fieltro No. 2 Fieltro No. 3

(a) Cilindro de Succión y Prensa: Se trata de puntos de succión que operan al mismo nivel de vacío por lo que no existen las pérdidas por expansión y en teoría no se requieren válvulas de control. Sin embargo, al arrancar la máquina (por ejemplo después de una rotura), el cilindro de succión tendrá hoja pero no así la prensa que estará abierta a la atmósfera y por lo tanto el cilindro de succión no tendrá tampoco vacío. Bajo estas condiciones será muy difícil lograr pasarla hoja de papel. En estos casos se requiere un sistema automático de válvulas de control que cierren la succión de la prensa y controlen el exceso de vacío en el cilindro de succión mediante una válvula de alivio actuando en combinación con la válvula de cierre. Es un sistema de control e muy alto costo ya que hablamos de válvulas de gran diámetro.

Si instalamos bombas independientes para cada punto de succión para un total de 24,480 ft3/min con una eficiencia global de 30 ft3/min / Hp tendríamos un consumo de 816 bHp y 1,000 Hp instalados.

(b) Dos o más fieltros: Debido a los cambios de permeabilidad y de vacío que sufren los fieltros en forma independiente será necesario colocar válvulas de control para cada caja de fieltro que mantengan la diferencial de presión deseada en todo momento. Normalmente esta práctica conduce a equipos de 30 a 40 % mayor capacidad y a un costo agregado por concepto del sistema de control. Nunca deben de combinarse con otros puntos de succión de vacío fijo. (c) Cajas de bajo vacío y otro punto de Succión: Es una combinación muy costosa debido a la gran diferencia entre los niveles de vacío que se manejan. Se requeriría de una válvula reguladora de presión para la línea de bajo vacío y la demanda de este punto prácticamente se duplicaría. Normalmente solo se recomienda en combinación con el cilindro de succión, nunca con la prensa o los acondicionadores de fieltros. Veamos un ejemplo para tipificar lo anterior:

Ejemplo No. 5 Tipo de máquina Ancho Velocidad Papel producido

Fourdrinier 4m 600 m/min Bond de 80 gr/m2

160” 640 in2 480 in2 480 in2 3,200 in2 480 in2 120 in2 120 in2 120 in2

1,100 ft3/min @ 8 “Hg 3,840 ft3/min @ 22 “Hg 1,920 ft3/min @ 10 “Hg 2,400 ft3/min @ 18 “Hg 3,200 ft3/min @ 10 “Hg 2,400 ft3/min @ 20 “Hg 1,800 ft3/min @ 12 “Hg 1,800 ft3/min @ 12 “Hg 2,160 ft3/min @ 12 “Hg

Analizando el caso ilógico de utilizar una sola fuente de vacío expandiendo todos los puntos de succión al nivel de máximo vacío (22 “Hg) y utilizando válvulas de control y reductoras de presión tendríamos lo siguiente:

Ejemplo No. 6 Tipo de máquina Ancho Velocidad Papel producido

Fourdrinier 4m 600 m/min Bond de 80 gr/m2

Requerimientos Cajas Planas 160” Couch / Alto 640 in2 Couch / Bajo 480 in2 Pick-Up 480 in2 Transferencia 3,200 in2 Prensa 480 in2 Fieltro No. 1 120 in2 Fieltro No. 2 120 in2 Fieltro No. 3 120 in2

3,025 ft3/min @ 22 “Hg 3,840 ft3/min @ 22 “Hg 4,800 ft3/min @ 22 “Hg 3,600 ft3/min @ 22 “Hg 8,000 ft3/min @ 22 “Hg 3,000 ft3/min @ 22 “Hg 4,050 ft3/min @ 22 “Hg 4,050 ft3/min @ 22 “Hg 4,860 ft3/min @ 22 “Hg

Necesitaríamos un equipo que desplazara 39,225 ft3/min a un vacío de 22 “Hg, 90 % más grande con 1,307 bHp y 1,600 Hp instalados si pensamos en la misma energía específica. Estamos desperdiciando más de la mitad de la capacidad instalada y a un costo superior si consideramos los costos de las válvulas de control y controladores. Otro caso, y no poco común por ilógico que parezca, sería el tener el equipo correctamente seleccionado como en el ejemplo No. 5, pero con todas las succiones combinadas entre si utilizando únicamente válvulas manuales para repartir el vacío. El fenómeno de

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expansión es el mismo así que perderemos el 90% de la capacidad en las válvulas y sólo dispondremos de 12,885 ft3/min pero con el mismo consumo de fuerza, o sea con una eficiencia de 15.8 ft3/min / bHp. Este es un valor tan bajo que cualquier bomba que tenga 15 años de operación seguramente lo puede lograr. Si aunado a lo anterior suponemos que el equipo no es nuevo y tienen una eficiencia mecánica del 70 % y una eficiencia térmica del 90 %, nos quedan únicamente 8, 200 ft3/min a una eficiencia específica de menos de 10 ft3/min / Hp. Como corolario podemos señalar que, si bien se puede permitir combinar ciertos puntos de succión, esto tendrá un costo y deberá de realizarse un estudio termodinámico minucioso para justificarlo.

6.- CONCLUSIONES Pocas fábricas de papel en el mundo se detienen a analizar sus sistemas de vacío. No únicamente las bombas de vacío pero el sistema completo, tuberías pre separadores, válvulas de control, sistema de descarga de agua y su recirculación, etc. Algunas no lo hacen por desconocimiento de la ingeniería involucrada, otras por que no tienen presupuestos autorizados para pagar la ingeniería involucrada y otras por no contar con presupuestos de inversión en este renglón. La realidad es que el dinero invertido en la ingeniería conducida a implementar un sistema de vacío óptimo se recupera en pocos meses, desafortunadamente es muy difícil cuantificar esta recuperación de la inversión. A este respecto recomendamos referirse al estándar de TAPPI No. TIS0404-22 “Evaluación Económica de la Sección de Prensas” en donde se establece la forma de realizar un estudio económico semejante y que extrapolable a todas las secciones de la máquina que involucran vacío.

(f) Menor consumo de vapor en secadores o uso de vapor de menor presión debido a la mayor sequedad de la hoja a la salida de prensas. (g) Mayor cantidad de flujo de aire disponible debido al correcto dimensionamiento de las líneas de succión. (h) Mejor aprovechamiento de la capacidad instalada de vacío debido a un sistema racional de combinación de succiones, localización de válvulas y dimensionamiento de líneas. (i) Ahorro de agua por el establecimiento de un sistema de control de alimentación de agua de sello. (j) Ahorro de agua por el uso de bombas de vacío de anillo líquido modernas de menor consumo de agua de sello (k) Ahorro de agua por el establecimiento de un sistema recirculado de agua de sello (l) Ahorro de energía por el uso de un sistema racional de distribución del vacío. (m) Mayor vida útil de las bombas de vacío por el uso de pre separadores de succión un sistema de agua recirculado. (n) Vacíos y flujos de aire constantes debido al uso de pre separadores de succión en las bombas de vacío. (o) Mejor mantenimiento de las bombas por la posibilidad de su localización externa, fuera de los sótanos de las máquinas al usar pre separadores de succión. (p) Mayor control sobre la eficiencia de las bombas de vacío por la implementación de un programa de pruebas de capacidad en el campo.

A continuación listamos los puntos principales que entran en juego para la justificación de la optimización del sistema de vacío: (a) Menos roturas mayor producción por continuidad de operación. (b) Mayor vida útil de los fieltros por su buen acondicionamiento. (c) Mayor eficiencia de las bombas de vacío por una instalación y operación correcta. (d) Mejor formación de la hoja de papel por un correcto drenado. (e) Mayor sequedad a la salida de prensas por el correcto acondicionamiento de los fieltros.

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R.P.I., S. C. – Ing. Andres J. Ostos Figura No. 9 – Sistema Típico de Control de alimentación de Agua de Sello a Bombas de Vacío Nash

Figura No. 10 – Arreglo Provisional para Pruebas de Eficiencia en Cambo

Figura No. 10

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Ingenieria de Vacio en Fabricas de Papel

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