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Aprovechamiento Energético del Vapor Residual de la Esterilización
Juan Carlos Urueta, I.M. GRADESA S.A
INTRODUCCIÓN
Históricamente, en el sector agroindustrial de la palma de aceite, el
vapor residual de la esterilización ha sido expulsado a la atmósfera,
desaprovechándose la energía contenida en él. Teniendo en cuenta la
necesidad de preservar el medio ambiente y de adoptar modelos de
mayor eficiencia, las estrategias de GRADESA se han orientado hacia
la utilización y el uso adecuado de los recursos disponibles, en aras de
optimizar la rentabilidad y de aumentar la competitividad en el
mercado. Por ello, desde hace más de cuatro (4) años se implementó
un sistema para recuperar la mayor parte de esa energía y emplearla
para favorecer las condiciones de operación de las calderas.
Los resultados obtenidos son: disminución en el consumo de
combustibles fósiles, ahorro de agua en el proceso de extracción
y mayor aprovechamiento de la capacidad instalada. Con base en esta
experiencia, se desarrolló un modelo de simulación que permite
evaluar el impacto positivo de la aplicación de esta tecnología en
empresas afines.
El complejo industrial de Gradesa, conformado por 7
plantas, demanda aproximadamente 20.000 kg vapor/hr.
La extractora, trabaja en promedio 420 hr/mes a una
capacidad de 20 Ton/hr, mientras las 2 refinerías y
solventes, operan de forma continua. Lo cual obliga a
utilizar combustibles fósiles de manera parcial en el
tiempo fabril de la extractora y de forma total cuando ésta
se encuentra en fuera de servicio, incurriendo en altos
costos operacionales.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿Qué estrategia se puede
implementar para bajar estos
costos?
Diseñar e implementar un sistema que permita aprovechar la energía térmica del vapor de desfogue de los esterilizadores, para calentar el agua de alimentación a Calderas.
Disminuir el consumo de combustibles fósiles (carbón, gas natural).
Racionalizar el consumo de agua (Decreto 3102 de 1997).
OBJETIVOS
Se hizo una caracterización del proceso de esterilización aforando los tiempos de desfogue de los 4 esterilizadores disponibles.
Se efectuó un balance energético y se calculó la cantidad de calor a ceder al agua de calderas a través de un intercambiador de pasos múltiples que había disponible.
Se diseñó el sistema de bombeo para incrementar 35-40°C más en el agua de alimentación de calderas.
Se evaluó el resultado obtenido en 4 años: 1 sustituyendo Carbón y 3 sustituyendo Gas natural.
METODOLOGÍA
El consumo de vapor en la esterilización es 280 Kg por cada tonelada de fruta procesada, 150 Kg se condensan y 130 Kg son expulsados a la atmósfera.
Las pérdidas de calor en tanques y líneas de conducción representan un 10% de la energía contenida en el vapor residual de la esterilización.
La calidad del vapor en el desfogue es del 80%.
El caudal de agua que pasa por el intercambiador de calor es constante.
ANÁLISIS TÉCNICO Y ECONÓMICO
Esterilización (Autoclaves)
Vapor
Intercambio de calor
Agua
Depósito de Agua
Bomba
Vapor
Vapor + Líquido
Agua
Separación primaria (ciclón
principal)
Condensado
Separación secundaria (ciclón
secundario)
Condensado
Vapor
Bomba
Florentinos
Atmósfera
FLUJOGRAMA DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE VAPOR RESIDUAL DE LA ESTERILIZACIÓN
¿Cumple con la
dilución estándar?
Extracción
SI NO
Extracción Depósito de Agua
SISTEMA DE
DESFOGUE DE VAPOR
SISTEMA DE
DISTRIBUCIÓN Y
RECEPCIÓN DE AGUA
Del texto PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE
CALOR – DONALD Q. KERN (apéndice, tabla 7,
página 921) se obtiene:
Con una calidad del 80% la entalpía de la mezcla
es:
PRESIÓN hf Hfg hg
40 psi 131.14
Kcal/Kg
518,76
Kcal/Kg
649,89
Kcal/Kg
kg
KcalhXhh fgf 15,54676,5188,014,131
El calor cedido por la corriente de vapor es:
El calor cedido a la corriente de agua es:
HrKcal Q
CCRFF Kg
Kcal 1
Hr
RFF kgTCpmQ
/000.930
311
000.30
Hr 026.079.1
vaporKg
Kcal14,13115,546
RFF ton 1
vaporKg 130
RFFton 20
KcalQ
HrHmQ
Datos de referencia:
Se consideró prioritaria la sustitución de
combustible fósil, teniendo en cuenta los
beneficios económicos y ambientales.
Se calculó el ahorro por desplazamiento de la
biomasa, de manera referencial.
Poder Calorífico Valor Origen
Cascarilla de palma 3.800 Kcal/Kg Noel Wambeck
Carbón 6.000 Kcal/Kg
Análisis Fisicoquímicos
Gradesa
Gas 12.840 Kcal/kg Gases del Caribe
Considerando los aforos realizados en el
agua que circula a través del
intercambiador, se puede lograr una
economía nominal de:
Hr
Kg72,42
Kcal/Kg 12.840
Kcal/Hr 930.000GasNatural
Hr
Kg244,7
Kcal/Kg 3.800
Kcal/Hr 930.000Cascarilla
Hr
Kg155
Kcal/Kg 6.000
Kcal/Kg 930.000Carbón
RESULTADOS
El tiempo fabril promedio mes es:
CARBÓN:
mes
Hr7,416
año
RFFTon 20
meses 12
año 1
año
RFFTon 000.100
t
160.344.10$7,416155 carbón 1Kg
$160
mes
Hr
Hr
carbón KgCO
%51,63
000.000.83$120.007.83$
TIR
MC
$6.917.260$3.426.9000$10.344.16MC
CP-CO MC
año
mes
mes
900.426.3$
000.55$2
000.400$250$7,41628
CP
Journalmes
Journal
meskwmes
Hr
Hr
kwCP
MOCIF CP
:COSTOS DE ANÁLISIS
RESULTADOS
94,2% TIR
MC
$9.731.856$3.426.9006$13.158.75 MC
CP-CO MC
año
mes
mes
000.800.116$272.782.116$
756.158.13$C.O
GN m1
300$
mes
Hr7,416
Hr
GN m26,105C.O
3
3
GAS NATURAL:
900.426.3$
000.55$2
000.400$250$7,41628
CP
Journalmes
Journal
meskwmes
Hr
Hr
kwCP
MOCIF CP
:COSTOS DE ANÁLISIS
RESULTADOS
DETALLE VALOR ($)
Reparación condensador 40.000.000
Estructuras y plataformas 15.000.000
Obras civiles 8.000.000
Tubería y accesorios 20.000.000
Bomba centrífuga 10.000.000
Chimenea auxiliar 12.000.000
Honorarios 8.000.000
Montaje 6.500.000
Total 119.500.000
2011 2012 2013 2014
Ahorro por año $71.683.054, $131.961.967 $127.893.466 $105.325.482
$-
$20.000.000,00
$40.000.000,00
$60.000.000,00
$80.000.000,00
$100.000.000,00
$120.000.000,00
$140.000.000,00
RESULTADOS
El Ahorro total por sustitución de combustible desde Marzo de
2011 hasta Agosto de 2014 es de $436.864.000.
Referencialmente, si el combustible desplazado fuera la cascarilla
de palma, el ahorro total sería $96.145.000.
Ahorro de Combustible
Marzo del 2011-Agosto del 2014
Aprovechamiento de subproductos de procesos industriales.
Ahorro de agua (12 lt/ton RFF,
$780.000/año).
Reducción de costos. Disminución del impacto ambiental.
SIMULACIÓN Y MODELACIÓN DEL PROYECTO
Histograma para Fruta procesada
4400 5400 6400 7400 8400 9400 10400
Fruta procesada
0
2
4
6
8
10
12
frecuencia
Distribución
Normal
Pruebas de Normalidad para Fruta procesada (Ton/mes)
Debido a que el valor-P más pequeño de las pruebas realizadas (Shapiro-
Wilk y Kolmogorov-Smirnov) es mayor ó igual a 0,05, no se puede rechazar
la idea de que Fruta procesada proviene de una distribución normal con
95% de confianza.
Media = 7114,71
Desviación estándar =
1263,17
Prueba Estadístico Valor-P
Estadístico W de Shapiro-
Wilk 0,960632 0,228046
Kolmogorov-
Smirnov Normal
DMAS 0,0680333
DMENOS 0,0562752
DN 0,0680333
Valor-P 0,990032
PRUEBA DE BONDAD DE AJUSTE
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
Este modelo es aplicable en complejos
industriales o unidades de negocios cuya
demanda de vapor exceda la capacidad
propia de generación.
Este tipo de proyectos permite obtener
incentivos tributarios (devoluciones de IVA y
deducciones de renta líquida), por reducir el
consumo RNNR y mitigar la contaminación
ambiental.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El alcance de este proyecto podría contemplar el uso inmediato del condensado de vapor como agua de dilución, generando menor consumo de agua y aprovechamiento de energía térmica. También podría tenerse en cuenta el incremento en la capacidad de generación, si se logra disminuir el vapor directo en los tanques de agua para prensado y clarificación.
La simulación de procesos es una herramienta ágil y confiable que permite predecir el beneficio a obtener en un proyecto que contiene gran cantidad de variables aleatorias.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En futuras aplicaciones, se recomienda
diseñar la chimenea de vapor primario con el
fin de separar la mayor cantidad posible de
gotas y evitar el arrastre de condensados en
el vapor que pasa a través del
intercambiador. Eso permitirá alargar la vida
útil del equipo, mayor transferencia de calor
y disminución del contenido de aceites y
grasas en la chimenea de vapor secundario
(3-4 gr de aceite por litro de efluente).
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
¡GRACIAS!
