Optimización de velocidad del aire y del consumo de potencia en transporte neumático

El transporte de gránulos poliméricos es una operación común en las plantas de polimerización y en las plantas de procesamiento de plásticos. En las plantas de polimerización, esta operación consiste en el transporte de los gránulos desde el clasificador de gránulos hasta los silos que alimentan el cargador a granel o la ensacadora. En las plantas de procesamiento de plásticos, esta operación consiste típicamente en el transporte desde los silos de descargue a granel hasta las tolvas de los equipos de procesamiento.

La técnica por excelencia utilizada en este tipo de operaciones es el transporte neumático, donde el aire proveniente de un soplador (o succionado por compresor de vacío) impulsa los gránulos a través de un sistema de tuberías. Dependiendo de la relación flujo másico de sólidos/aire y de la velocidad del aire, se pueden establecer tres regímenes de flujo: flujo diluido, flujo denso y flujo pulsado. Una descripción detallada de dichos regímenes de flujo puede encontrarse en la literatura^1,2. Este artículo está centrado en el régimen de flujo diluido, donde los gránulos van suspendidos en el aire ya que se utiliza una baja relación flujo másico de sólidos/aire y una baja velocidad del aire bajas con relación a los otros regímenes (velocidades menores de 8,000 fpm y relaciones de flujo menores de 13:1³). En este régimen se debe optimizar las condiciones de operación para evitar ciertos problemas asociados al transporte neumático, como la generación de finos, cabellos de ángel (“angel hair”) y hebras de gran tamaño (“streamers”).

Las condiciones de operación y el diseño de los sistemas de transporte neumático, deben evitar que por rozamiento excesivo con los sistemas de tuberías se generen los finos y cabellos de ángel. De idéntica manera cuando se conjugan una tubería muy lisa con una alta temperatura y alta velocidad del aire de transporte, los gránulos se ablandan y depositan una pequeña piel sobre las paredes, que posteriormente se desprende en hebras (“streamers”). Es conveniente indicar que los problemas generados en el transporte neumático, tanto en las plantas de polimerización como en la planta de procesamiento, se traducen en contaminación ambiental, taponamiento de filtros y sistemas de dosificación, taponamiento de las mallas de las extrusoras y defectos en el producto terminado (geles, puntos negros y otros defectos).

Para la optimización de las condiciones y el diseño de los sistemas de transporte neumático, se deben considerar las siguientes variables: velocidad y temperatura del aire; temperatura de los gránulos; relación de flujo másico de sólidos y de aire; rugosidad interior, el trazado, diámetro y longitud de la tubería; diseño de los codos y la presencia y diseño de eliminadores de finos, cabellos de ángel y hebras. Aunque el proceso de optimización y diseño de sistemas de transporte neumático es complejo, se han recopilado una serie de recomendaciones en lo que se conoce como las BPMs (buenas prácticas de manufactura) para el transporte neumático (ver Tabla 1). Nótese que se han incluido algunas recomendaciones para el proceso de granulación que impactan también en la generación de problemas en el transporte neumático.

Optimización de la velocidad del aire y el consumo de potencia

En este artículo se ilustra cómo se puede optimizar la velocidad del aire y el consumo de potencia en un sistema de transporte neumático existente. Inicialmente se presentarán la metodología y los cálculos teóricos, y en la sección siguiente se ilustrarán con un caso práctico la metodología y los cálculos teóricos.

Presentación de la metodología y los cálculos teóricos

La metodología de optimización incluye las siguientes etapas: elaboración del diagrama isométrico, descripción de los tramos que componen el sistema de transporte neumático, modelamiento de la líneas de operación del soplador, cálculos iterativos de la velocidad y caída de presión en cada tramo, análisis de resultados y optimización de flujos y del consumo de potencia.

En primer lugar ilustraremos los cálculos básicos con los sopladores rotativos de lóbulos gemelos, como base para las predicciones de flujo, cálculos de potencia y escalamiento de las diferentes condiciones de operación. Este tipo de compresores se utiliza en transporte neumático, gracias a que pueden operar con un flujo constante para condiciones variables de presión a la descarga⁸. En la Tabla 2 se ilustra cómo se puede calcular el flujo volumétrico (a las condiciones de entrada) y el consumo de potencia del compresor.

En segundo lugar y basados en la aplicación de un balance de cantidad de movimiento (ecuación de Bernoulli) en cada tramo de la línea de transporte neumático, se presentarán los cálculos de velocidad del aire y de la caída de presión (ver Tabla 3). La caída de presión por aceleración de los sólidos sólo se aplica en la entrada del sólido al sistema de transporte neumático (“Pick-up”), ya que esta contribución se refiere exclusivamente a la transición de un sólido prácticamente estacionario a un sólido que viaja a una velocidad de 0,8 veces la velocidad del aire de transporte neumático. Además de las ecuaciones presentadas, se debe disponer de una correlación para la dependencia de la viscosidad con la temperatura y de la densidad con la presión y la temperatura.

Los valores de las constantes VRev, Slip, Pend y FHP se obtienen por regresión estadística de los datos de catálogo del compresor o de las líneas de operación del soplador.

Caso de estudio

Para ilustrar la metodología de optimización de la velocidad del aire y del consumo de potencia de un sistema de transporte neumático, se presenta a continuación un caso de estudio donde se analiza el isométrico presentado en la Figura 1. En dicha figura se ilustra la descripción de cada sección y los datos de entrada del aire y los sólidos. Nótese como para el caso de los codos se utilizó una longitud equivalente para el cálculo de caída de presión de 10 ft. La curva de operación del compresor obtenida con los datos del catálogo se presenta en la Figura 2. Por regresión estadística de los datos del catálogo y los modelos presentados en la Tabla 2, se obtuvieron las ecuaciones que permiten predecir el flujo de aire y el consumo de potencia del soplador en función de la velocidad de rotación y la caída de presión.

En la Tabla 4 se presentan los cálculos de velocidad y caída de presión para la situación actual del sistema de transporte neumático. Conviene indicar que el flujo volumétrico a la salida de cada tramo, se calcula corrigiendo el flujo a la entrada por el cambio de densidad. La densidad a la salida se calcula iterativamente con la presión y la temperatura a la salida. Se debe también iterar con el valor de presión a la entrada del primer tramo de tubería, hasta obtener una presión final igual a la presión atmosférica. Debido al poco tiempo de residencia del aire y los gránulos dentro del sistema de tuberías de transporte neumático, se suele considerar que la temperatura del aire es constante y no se alcanza la temperatura de equilibrio entre gránulos y aire. Los autores efectuaron un cálculo estimativo del calor intercambiado con el medio ambiente por convección natural y concluyeron que es como máximo 12% del calor intercambiado entre los gránulos y el aire, por lo que puede despreciarse.

Los cálculos indican que la caída de presión estimada es de 5,34 psi y la velocidad inicial (“pick-up”) y final son más altas que las recomendadas en las BPMs de transporte neumático, lo que sumado a la alta temperatura del aire y una tubería lisa, conduce a la formación de finos, cabellos de ángel y hebras. Se hace necesario reducir la temperatura del aire, mejorando la transferencia de calor en el intercambiador de calor a la descarga del soplador y de otro lado reducir la velocidad del aire de transporte. La disminución de la velocidad del aire de transporte puede realizarse, bien disminuyendo la velocidad de rotación del soplador o generando una derivación de aire a la atmósfera. En ambas situaciones con una reducción del flujo total del 25% se logran velocidades del aire acordes con las BPMs de transporte neumático (ver Tabla 5).

En Tabla 6 se muestra la reducción en consumo de potencia y el ahorro anual para las dos posibles soluciones (disminuyendo la velocidad de rotación del soplador o generando una derivación de aire a la atmósfera). Puede verse que energéticamente la disminución de velocidad de rotación del soplador es la más atractiva, sin embargo debe tenerse la precaución de no disminuir la velocidad de rotación más allá de la velocidad mínima recomendada por el fabricante (ya que se refiere a un flujo mínimo para auto refrigerar el soplador). Igualmente, se debe revisar que la combinación de diámetros de las poleas del motor y del soplador no exceda los esfuerzos admisibles en los respectivos ejes.

Conclusiones

De acuerdo con las BPMs de transporte neumático para evitar los problemas de finos, cabellos de ángel y hebras, se debe optimizar la velocidad del aire de transporte neumático a valores entre 4.500 y 6.000 ft/min. Esto se hace optimizando el flujo del aire de transporte neumático, lo que también redunda normalmente en ahorros de potencia en el soplador. La metodología y los cálculos teóricos ilustrados en el presente artículo han demostrado ser una herramienta de utilidad para la optimización de sistemas de transporte neumático de gránulos poliméricos. Otras acciones encaminadas a evitar los problemas de finos, cabellos de ángel y hebras, incluyen la utilización de temperaturas de aire menores a 100°F, así como el uso de codos optimizados, tuberías con un interior granallado y equipos de limpieza adecuados.

Autores

Q. Judith Rocío Santa: Coordinadora de proyectos en el Instituto Colombiano de Petróleos ICP de Ecopetrol (Colombia).

Dr. C. Q. Juan Diego Sierra: Trabaja en la empresa TIP Ltda. (Colombia) y es consultor del Instituto Colombiano de Petróleos ICP de Ecopetrol en el área de petroquímica.

I. Q. July Carolina Vivas: Funcionaria del área de petroquímica en el Instituto Colombiano de Petróleos ICP de Ecopetrol (Colombia).

I. Q. Omar Alberto Ávila: Trabaja en la empresa TIP Ltda. (Colombia) y es consultor del Instituto Colombiano de Petróleos ICP de Ecopetrol en el área de petroquímica.