OXIDACIÓN TÉRMICA REGENERATIVA VS. OXIDACIÓN TÉRMICA

OXIDACIÓN TÉRMICA REGENERATIVA
VS.
OXIDACIÓN TÉRMICA RECUPERATIVA
COMPARANDO LA ELECCIÓN APROPIADA CON LA APLICACIÓN APROPIADA
Kevin Stevens | Pollution Systems
INVERSIÓN
La oxidación térmica de gases contaminados es
una técnica de control muy común para destruir
malos olores y compuestos orgánicos volátiles
(VOCs) en muchos procesos industriales.
Estos equipos comúnmente se incluyen como
(OTs) oxidadores térmicos regenerativos,
recuperativos, a fuego-directo de flama, de
flama cerrada y oxidadores catalíticos. Cada
una de estas tecnologías tiene sus fortalezas
y debilidades, dependiendo de la aplicación en
particular y las condiciones de proceso. Este
artículo analiza el rendimiento de la oxidación
térmica regenerativa comparada con los
sistemas de oxidación térmica recuperativa y
evalúa las aplicaciones que favorecen a cada
tecnología.
Generalmente, la inversión inicial en un OT
Regenerativo es similar para un OT Recuperativo
del mismo tamaño. Muchos de los componentes
son los mismos en ambos sistemas, con
excepción que el OT Regenerativo que tiene dos
o más cámaras medias y una válvula o sistema de
direccionamiento para alternar el flujo, mientras el
oxidador recuperativo tiene una carcasa-y-tubos
intercambiadores de calor. De manera que, ambos
equipos tienen una cámara de combustión, un
soplador para el proceso, tren de gas / quemador,
sistema de control, interlocks de seguridad, ductos
de la chimenea, e interconexión de los ductos del
proceso. El escenario puede ser más sustancial
para OT Regenerativo debido a la cantidad de
cerámica en las cámaras medias, y la puesta en
uando se lleva a cabo la evaluación de marcha puede tardar un poco más debido a la
las necesidades de un equipo para la complejidad de la unidad.
contaminación del aire, además del costo de
capital inicial, hay que considerar principalmente Costos de Operación – Utilidades
los costos de operación, incluyendo los gastos En la mayoría de los casos, la mayor utilidad de
de servicios y mantenimiento, vida útil del los costos de operación está asociada con la
equipo y confiabilidad. En los equipos de control oxidación donde la energía térmica es necesaria
de contaminación del aire, la confiabilidad es para operar el sistema. La destrucción de los
normalmente una consideración primordial debido compuestos orgánicos volátiles (VOC´s) se lleva
a que el tiempo de inactividad del equipo puede a cabo mediante el aumento de temperatura
llevar a paros de producción, y por consecuencia en la corriente del proceso a la entrada que
a infracciones ante las autoridades por generalmente esta entre 1,250°- 1,650°F- con
incumplimiento. La facilidad del mantenimiento excepción de los sistemas catalíticos, que operan
y operación son importantes, además el objetivo a temperaturas mucho más bajas, muchos
principal de la fabricación es la producción, procesos operan a temperaturas mucho más bajas
respecto al control del equipo de aire contaminado que las requeridas para la oxidación, así que el
es secundario y el costo no se modifica en la consumo de energía necesario para la destrucción
de los VOC seria significativo sin la capacidad de
negociación.
recuperar de alguna forma la energía dentro del
oxidador.
C
1
Un OT regenerativo usa cerámica en las cámaras
medias para capturar y almacenar la energía
térmica de la cámara del reactor, en el oxidador
entonces se re-utiliza la energía para precalentar
los gases del proceso en el momento de entrar en
la cámara. La eficiencia térmica es generalmente
del 95 por ciento.
Un OT Recuperativo logra esta recuperación de
energía mediante el uso de un intercambiador
de calor, típicamente diseñado con carcasa y
tubos, para transferir parte del calor existente en
el reactor y precalentar previamente el gas de
proceso que entra al oxidador térmico por estos
tubos. Este intercambiador de calor primario es
por lo general económico, operando entre el 50 –
80 por ciento de eficiencia térmica. El total del uso
de energía dependerá de la contribución de (btu)
de los VOCs, contenidos en los combustibles que
vienen en la corriente del proceso, y de la eficiencia
de la energía recuperada- esto sucede en ambos
oxidadores, en la cámara media de cerámica del
regenerativo o en el intercambiador de calor del
recuperativo.
Esto se expresa de la manera siguiente:
La energía necesaria para incrementar el punto
de ajuste de los gases del proceso al oxidador:
Q1=Mpg * Cpm * (Tsp – Tpg)
La energía transferida de la descarga del oxidador
para precalentar los gases del proceso:
Q2=Mpg * Cpm *(Tsp – Tpg) * nth
La energía de la combustión de los productos es
la suma del calor de reacción para la masa:
Q3= ∑∆HC
La energía térmica suplementaria que se suma a
la cámara de combustión del oxidador: Q4
En un estado estable, sin tomar en cuenta las
perdidas por radiación y térmicas :
Q1= Q2 + Q3 + Q4
Con una simple evaluación de balance de calor
en el sistema ayuda a definir las necesidades
de energía térmica. El gas de proceso a la
entrada, define la energía calorífica que entra
al oxidador en base a su masa, composición y
temperatura. Otras fuentes a incluir en la entrada
son el combustible suplementario y el aire de
combustión. La energía calorífica se pierde en el
sistema a través de la chimenea y las perdidas
por radiación en los ductos y paredes del sistema.
El suplemento de energía térmica requerida para
los gases de proceso calientes es la diferencia
entre la energía calorífica existente, menos la
energía calorífica a la entrada, y la aportación de
la combustión del gas de proceso. Sin ninguna
contribución de los VOCs, la más alta eficiencia
térmica del sistema, requiere menos aportación de
energía para mantener la temperatura apropiada
en la cámara. Con la aportación de energía de
los VOCs y de otros combustibles esta aumenta,
perdiendo la eficiencia térmica requerida para
equilibrar el sistema. Cuando la energía aportada
por los VOCs es igual a la energía requerida para
mantener la temperatura adecuada en la cámara,
esto se considera auto equilibrio térmico, y la
energía suplementaria es innecesaria.
Donde Tsp es el punto de ajuste de la temperatura
en la cámara del oxidador, Tpg es la temperatura
del gas de proceso, Cpm es el promedio de la
capacidad calorífica sobre el rango de temperatura,
y Mpg es la velocidad del flujo másico del gas de
proceso.ηth es la eficiencia térmica.
Cuando un sistema es auto térmico Q1=Q2 +
Q3. Por lo que se ha mencionado de la formula,
el sistema está en balance cuando Mpg * Cpm
* (Tsp – Tpg) * (1 – ηth) es igual a la energía de
los productos de la combustión. Como la energía
se incrementa por arriba de lo requerido, la
eficiencia del sistema necesita ser reducida para
permanecer en equilibrio.
2
Confiabilidad – Eficiencia de Destrucción.
La eficiencia de destrucción, a través de la
utilización de oxidadores térmicos, se ha tenido que
demostrar empíricamente que tiene una eficiencia
de destrucción de hasta el 90 por ciento. Esto se
logra manteniendo en la corriente la sustancia
contaminante a una temperatura determinada
arriba de la temperatura de ignición por un tiempo
específico (tiempo de residencia) con la presencia
de oxígeno en los niveles adecuados. Los
Oxidadores Térmicos Recuperativos son capaces
de mantener sus condiciones de operación de
manera constante, en procesos continuos por
periodos indefinidos. Con pocas partes móviles
y condiciones de operación estables de presión,
temperatura y un diseño adecuado los OT
Recuperativos logran fácilmente una eficiencia de
destrucción de un poco más del 99 por ciento.
Cuando el consumo de energía es la principal
consideración y el proceso contiene una alta
energía resultado del calor de la combustión de
los productos que se encuentran en los gases
del proceso, estos procesos son especialmente
tratados con tecnologías que manejan una baja
eficiencia térmica, tal como son los quemadores
de flama, de flama cerrada, y oxidadores de fuego
directo. Los procesos con muy baja aportación de
energía resultado de la combustión del proceso
son idealmente tratados con un OT regenerativo
o un OT recuperativo debido a la alta eficiencia
del intercambiador de calor y como secundario el
potencial para recuperar calor. Los procesos con
niveles de bajos a moderados en la aportación
de energía deben ser cuidadosamente evaluados
con el fin de optimizar la eficiencia del equipo Para los OT Regenerativos, dependiendo del
frente a los requerimientos globales de energía. diseño está asociado el costo capital, nuestra
La carta 1 gráficamente representa esta relación: experiencia nos dice que hay mayor dificultad
para alcanzar la misma eficiencia de destrucción
CARTA 1
que en el uso de un OT Recuperativo. Un OT
Contenido energético
regenerativo de dos cámaras el cambio continuo
Vs.
de la válvula de entrada y la cerámica que se usa
Tecnología de oxidación
revierte la dirección del flujo en el sistema. La
cámara-media almacena calor y actúa como una
fuente de recuperación de calor. Los continuos
cambios de dirección del flujo permiten que parte
del gas contaminado reaccione en el momento de
direccionar la válvula a la cámara la otra parte se
desvía evitando así el tratamiento por completo,
por lo que hay que prevenir como tratar esa parte
que se desvió y que no entro al reactor. Además,
la presión constante y el continuo cambio de flujo
no únicamente impacta en los sellos y empaques
(para lo cual requiere de mantenimiento), si
no que potencialmente puede causar fugas,
también puede ser una molestia en los procesos
de producción que pueden ser sensibles a los
cambios continuos de presión y flujo. Un sistema
de tres cámaras ayuda en la eliminación de
desvíos por el uso constante de válvulas y un
sistema de purga pero sigue expuesto a fugas en
los sellos y un mal funcionamiento de la válvula.
3
APLICACIONES
La aplicación más apropiada para un OT
regenerativo está en los procesos donde la
cantidad de VOC es relativamente baja en
proporción a un alto flujo que se desfoga y que no
contiene una cantidad significante de partículas
o materia condensable. Además, la flexibilidad
en la calidad del aire permite sacar el equipo de
operación para dar mantenimiento, servicio a las
válvulas, empaques y a la cerámica de la cámara.
Como se ha indicado previamente, la energía
suplementaria es necesaria para calentar la
cámara del reactor a la temperatura de oxidación
requerida, típicamente entre 1200° - 1500 °C.
Como la concentración de VOC es baja en la
corriente, no contribuye en mucho para elevar
la energía calorífica en la cámara del reactor a
la temperatura requerida, una mayor eficiencia
energética beneficia, minimizando la necesidad
de suministrar gas de consumo suplementario.
Algunas de las más comunes aplicaciones
industriales para el OT Regenerativo, se encuentra
operaciones de pintura y terminado, producción
de Etanol y operaciones de recubrimiento.
Confiabilidad – Tiempo de operación
Cuando se diseña para la industria, ambos tipos
de oxidadores térmicos tienen buenos tiempos
de operación y son capaces de operar 24/7 por
prolongados periodos. Ante las consideraciones
adversas del proceso donde se puede incluir
la presencia de compuestos condensables,
siloxanos, y partículas, todas esto puede hacer
fallar el equipo e impactar de forma negativa su
desempeño. Cuando estas alteraciones suceden,
el equipo se va a paro y una reparación puede ser
necesaria. Para un OT recuperativo, generalmente
el intercambiador de calor y la cámara del reactor
necesitan abrirse para permitir eliminar las
incrustaciones y dar limpieza a los tubos y cámara.
Cuando un OT regenerativo falla, una cámara de
espera puede resolver el problema, sin embargo,
cuando el daño es severo se requiere del retiro
de la cámara, la eliminación de los materiales
cerámicos y en algunos casos la sustitución de la
cámara por una nueva.
Alternativamente, los OT´s Regenerativos con
alta eficiencia energética no son de gran beneficio
debido a que las corrientes aportan cantidades
significativas de su propia energía. Para los
OT´s regenerativos se puede aplicar en estas
situaciones la modificación del equipo y ver la
Además, un OT regenerativo es más complejo que forma de que opere normalmente.
un OT recuperativo. Cuenta con más partes móviles.
Ambos sistemas tienen sopladores operando “Las Soluciones Alternas” incluye la adición de
continuamente, pero un OT regenerativo tiene cantidades significativas de aire de dilución para
válvulas de desvió, que cambian frecuentemente crear un efecto de enfriamiento, reducir de forma
la dirección del flujo alterando el sistema. Estos permanente la eficiencia térmica del sistema
cambios de dirección y válvulas crean continuas mediante la instalación de menos cerámica en la
fluctuaciones de presión y temperatura y los cámara media, o instalar una derivación para el
equipos están sujetos a un desgaste significativo. gas caliente en el sistema que periódicamente y
temporalmente reduzca la eficiencia térmica en
la unidad. Además el exceso del aire de dilución
requiere de un sistema más grande lo que sería de
otro modo necesario, mientras que la instalación
de una derivación de gas caliente da lugar a
problemas de mantenimiento en la cámara de
temperatura y en la eficiencia de destrucción.
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Estudio de Caso 1– Instalaciones para el
Procesamiento de Gas.
En las instalaciones de una procesadora de gas
natural, operada por una compañía que suministra
una mezcla de gas natural y gas natural líquido
(NGL), necesita tratar una corriente de gas
residual de una planta de procesamiento. El
proveedor suministra un oxidador térmico portátil
como una solución temporal para el tratamiento de
los gases de escape del proceso hasta tener una
solución permanente que tiene que ser evaluada
e implementada.
Un proveedor fue seleccionado para suministrar
un OT recuperativo para la aplicación. Trabajando
en estrecha colaboración con el grupo técnico y
operativo del cliente, el proveedor proporciona al
cliente un diseño más detallado, incluyendo el DTI,
y las especificaciones del equipo para su revisión
y aprobación. La revisión se incorporó dentro del
proceso de diseño antes de iniciar la fabricación
de los equipos. El equipo se instaló a finales del
2011 y ha superado las expectativas del cliente.
Instalación en la planta de gas natural
Algunos de los principales fabricantes de equipo
entregaron propuestas. Las dos principales
tecnologías a evaluar fueron los OT´s regenerativos
y los OT´s recuperativos. Las corrientes a tratar
fueron relativamente pequeñas, más o menos
de 900 scfm, pero carecía de oxígeno. Su
composición fue de metano, etano, propano,
benceno, y diversos compuestos orgánicos
con un valor térmico calorífico significativo. Los
principales objetivos de desempeño fueron de
acuerdo con lo siguiente:
• Eficiencia de destrucción de VOC del 99 por
ciento
• Automatización y operación continua con los
mínimos requerimientos para una interface
• Costo-efectivo, consideraciones de alta
confiabilidad en el diseño
Construcción
Como no había oxígeno, se hizo necesario
suministrar algunos niveles más de oxigeno (aire)
para que el proceso alcanzara la oxidación. En
el OT regenerativo, el exceso de aire también
es necesario para controlar la temperatura.
Como se ha mencionado anteriormente la alta
eficiencia térmica no es necesaria, así que para
un OT regenerativo se propuso incorporar un
sistema más grande con una mayor cantidad de
aire de dilución. El diseño del sistema también
requiere de una derivación de gas caliente para
proporcionar opciones si las concentraciones de
los compuestos orgánicos fluctúan. Aunque el
sistema requirió de una alta eficiencia térmica, la
energía que fue ocupada para calentar una gran
cantidad de aire de dilución fue innecesaria. El OT
regenerativo cumple fácilmente por encima de los
objetivos de rendimiento, sin incluir el exceso de
aire, de ese modo permitiendo un sistema mucho
más pequeño.
Instalación
5
El tamaño del OT regenerativo recomendado
en otras propuestas fue significativamente más
grande debido a los requerimientos del aire de
dilución, y la unidad no ofreció flexibilidad para
manejar posibles perturbaciones en el proceso.
La eficiencia térmica no es significativa cuando
es mayor la cantidad de aire de dilución agregado
como un disipador de calor.
Estudio de caso No.2 – Instalaciones para la
Producción de Químicos.
Una planta que fabrica químicos estuvo
investigando la manera más eficiente- en cuanto
al combustible y la vía más efectiva para tratar los
VOC que estaban presentes en la corriente de
gas contaminado. En ese momento, la compañía
contaba con dos quemadores para manejar la
reducción de VOC. Sin embargo, ellos consumían
mucho combustible que por consecuencia los
llevaba a altos costos de operación. El gas
contaminado producto de una serie de reactores
era colectado en un tanque ecualizador antes de
llevar a cabo la reducción de VOC. La compañía
se interesó en comprar un TO regenerativo para
reducir los costos de operación.
Consideraciones Adicionales
Un OT recuperativo de operación estable y de diseño
flexible donde el control permita que se convierta
en parte integral del proceso de producción y donde
hay la oportunidad de precalentar el aire entrante.
Un intercambiador secundario puede ocuparse
para precalentar aire del proceso, cumpliendo con
los requerimientos como para precalentar aire
para su empleo en hornos o secadores. Usando
controles automatizados en la aportación del aire
se puede mantener constante la temperatura en
el horno. Aunque hay una opción secundaria en el
OT recuperativo para recuperar calor, existe poco
control en la temperatura de salida, y los gases de
escape están en un constante ciclo a través de un
rango de presión y temperatura.
La corriente de gas contaminado del proceso
contiene tolueno, heptano, acetona, alcohol
isopropilico, hexano, xileno y una serie de
monómeros. Después de revisar cuidadosamente
las condiciones de proceso del cliente- incluyendo
las posibles condiciones adversas- la empresa
llego a la conclusión que la mejor selección de
equipo a suministrar por la alta concentración
de VOC era un OT recuperativo. El tamaño del
equipo estuvo en función de manejar de manera
eficiente picos de carga máximos por medio de
un modificador de frecuencia (VFD) controlando
la cantidad de aire de dilución. La versión del OT
recuperativo para altas concentraciones de VOC
fue diseñada para que manejar arriba del 50
por ciento de LEL (Limite Bajo de Explosividad)
y reducir significativamente la cantidad de aire de
dilución suministrada a la corriente del proceso.
La (NFPA) National Fire Protection Association
manifiesta que una corriente que entra en la
cámara del oxidador debe de ser por debajo
del 25 LEL, pero hasta el 50 por ciento usando
un monitor de LEL. Puede usar la corriente del
proceso como combustible para el quemador, sin
embargo no es un requisito. Los gases de escape
del proceso pueden ocuparse como combustible
por su alta concentración de VOC a oxidar.
Instalación en la planta química
Aunque el cliente estaba predispuesto a utilizar un
OT regenerativo, seleccionaron el OT recuperativo
para una alta concentración de VOC después de
comparar con otras propuestas.
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Estudio de caso No.3 – Planta de Producción
de Alimento para Animales.
Los funcionarios de una empresa productora de
minerales para alimento de animales decidieron
incrementar la producción implementando una
nueva línea y requieren de un equipo que controle
la polución para disminuir el olor del proceso.
La compañía seleccionada a suministrar el
equipo entrego un OT recuperativo para reducir
eficazmente los olores de 40,000 SCFM de VOCcargados generados en el aire de producción del
suplemento alimenticio para animales. Además,
la confiabilidad a largo plazo y los costos de
operación que conlleva – particularmente el
consumo de energía – que fue una consideración
importante en la selección y diseño del equipo.
El sistema del OT recuperativo suministro una alta
eficiencia, además de obtener el 75 por ciento de
manera secundaria en el intercambiador de calor
que como consecuencia se dio una reducción
substancial en los costos de operación. La
energía recuperada se utilizó para precalentar
el aire del proceso de secado en la planta. Un
OT regenerativo no era una buena opción para
esta aplicación debido al potencial de partículas
contenidas en el aire de la corriente, sin embargo
por otra parte había que mantener la temperatura
constante en los hornos del proceso. Además de
las características de ahorro- de energía, donde
se incluye la proporción de aire en la cantidad de
combustible a suministrar mediante las válvulas en
el tren de gas de alimentación, y la alta eficiencia
Sumario
de los sopladores operados con el variador de
frecuencia, incorporados en el sistema.
La percepción general en los U.S. es que los OT
regenerativos son la cura - total para la reducción
Instalación en la planta de alimentos
de VOC. Sin embargo, todas las tecnologías de
para animales
oxidadores tienen su particularidad, diseñados
para satisfacer esos productos también. Los
quemadores y los oxidantes a fuego directo
funcionan bien en aplicaciones con cargas de
alta energía, Los OT regenerativos son también
adecuados para manejar flujos más grandes
con una baja aportación de energía, y los
OT recuperativos se desempeñan bien en el
tratamiento de corrientes de gases contaminados
con una contribución moderada de energía. La
composición de la corriente de gas, requiere de
una eficiente destrucción, y el tiempo requerido
para que entre la corriente también es una
importante consideración a evaluar antes de
tomar una decisión sobre la tecnología apropiada.
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