2. Sistemas Modernos Drenaje Condensado
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Dryer Drainage System Design
Sistema Moderno de Drenaje
• Requerimientos– Controlar presiones en secadores sobre un amplio rango operativo– Alta transferencia de calor– Perfil de humedad uniforme– Sin secadores inundados– Controlar calidad de hoja en zona húmeda (picking, cockle,
sticking, etc)• Graduación de secadores de acuerdo a calidad de grados de papel
– Asegurar alta eficiencia de energía• Pérdidas menores a 2%• Evaporación de 1,2 kgs de vapor por kg de agua
– Rápido ajuste a quiebras de hoja, cambio de gramajes, etc– Operación simple
• Sistemas complejos requieren lógica de control para asistir a operadores
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Dryer Drainage System Design
Diseño y Selección de Sifón
• Una función primaria del SV&C es manejar y usar el vapor de arrastre
• Seleccionar el tipo y tamaño de sifón es el paso másimportante para diseñar un SV&C– La selección del sifón debe considerar un bajo flujo de vapor
de arrastre• Sifones estacionarios – con orificios con tamaño correcto (placas
de orificio)• Sifones rotatorios – correctamente dimensionados
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Definiciones
Condensado y vapor de arrastre
Entrada de vapor
Presión Diferencial ( P)• Diferencia de presión entre la presión de vapor de entrada y la presión del condensado a la salida.• La presión diferencial crea flujo
Vapor de arrastre• Vapor no condensado en el secador.• El vapor de arrastre acarrea al condensado fuera del secador.
% Vapor de arrastre (VA)•Masa de vapor de arrastre como porcentaje del vapor condensadodentro del secador (Kgs VA / Kgs Condensado x 100)
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Tipos de sifones
• Sifón Estacionario– Sifón no se mueve– Secador rota alrededor del sifón
• Sifón Rotatorio– Fijado a la pared del secador– Sifón rota con el secador
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Cálculo de Sifón Estacionario• Cálculo menos crítico que el rotatorio• Diseño típico
– P 2 to 4 psi (.15 to .3 bar)– Vapor arrastre 8 to 10% de carga de condensado
• Puede ser tan bajo como 5% o tan alto como 20%• Vapor arrastre puede ser ajustado a la curva de secado con
orificios externos (placas de orificio)
• P generada fácilmente• Vapor de arrastre es fácilmente manejado• Eficiente remoción de condensado
– No hay inundación aunque hayan secadores operando fuera del punto óptimo.
Curva de Sifón Estacionario
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15 20 25 30
Estacionario Kadant Johnson – 635 kg / hr – 3.45 bar
Sin placa de orificio en la línea de condensado
Curva de diseño
Placa de orificio de 23 mm en la línea de
condensado
Pres
ión
Dife
renc
ial(
bar)
Vapor de arrastre, % carga de condensado
.27
.35
.41
.48
.55
.20
.07
.14
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Sifones Estacionarios
• Ventajas– Menor inundación en secadores– Menor ΔP y vapor de arrastre– Buenos en altas velocidades– Buenos para operación en bajas
presiones– Ideal para secadores accionados por
paño– Menores tamaños de cañerías– Necesita menor vapor motriz
• Desventajas– Requiere montaje rígido para las
juntas rotatorias– Largo soporte para sostener el tubo– Requiere de barras para uniformar
transferencia de calor sobre 350 mpm
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Sifón Rotatorio
Condensado y vapor de arrastre
Entrada de Vapor
Vapor de arrastreacarrea y remueve el condensado
Curva de Sifón Rotatorio
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Sifón rotatorio HDRS - 790 mpm x 727 kg/hr x 3.45 bar
Sifón 23 mm
Sifón 19 mm
22% VA a 0.62 bar DP
Vapor arrastre (VA), % de Carga condensado
Pres
ión
dife
renc
ial(
bar)
Punto de recuperación de
inundación
.14
1.0
.69
.83
.55
.41
.27
ΔP Sifón Rotatorio
0
.14
.27
.41
.55
.69
.83
60 180 305 425 550 670 790 915Velocidad Máquina
(mpm)
Pres
ión
Dife
renc
ial(
bar)
ΔP de recuperación de inundación
(Sin orificio aspirador)
Diferencial objetivo(Sifón aspirado)
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Sifones Rotatorios
• Ventajas– Alta confiabilidad mecánica– Permite menor luz– Alta eficiencia de transferencia
de calor
• Desventajas– Alta ΔP y alto vapor de arrastre
• DP es función de la velocidad– Mayor velocidad = mayor dp
• Vapor de arrastre puede estar entre 20% to 50%– Tamaño de sifón es crítico
– Propensos a inundaciones a altas velocidades– Difícil control a bajas presiones
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• ¿Termocompresor?• ¿Cascada?• ¿Combinado?• ¿Control de flujo por vapor de arrastre?• ¿Control por presión diferencial?• ¿Cuánta humedad en graduación del secador?• ¿Condensador de vacío?• ¿Control DCS?• ¿Sistema de Manejo de Secado DMS?
Cual es el mejor diseño de sistema?
No hay un “mejor” sistema. Cada sistema debeser diseñado para las condiciones de operación
de la máquina y la estructura de planta.
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Factores a considerarRequerimientos de gramajes y calidad.Requerimientos de capacidad de secado y producciónRango de presión de operaciónRequerimiento de caida de presión en zona húmedaGraduación de presiónPresión de vapor disponible (motriz y recuperación)Costo de vapor motriz y recuperadoTipo de sifonesVelocidad de máquinaEquipos y piping existente que sea reutilizableOperación de fácil usoJustificación de proyecto y costo del sistema
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Modernos Diseños de Sistemas
• Máquina dividida en “Tres Zonas”– Zona de calidad
• Secadores de zona húmeda capaces de operar a bajas presiones• Control of picking, cockle, & runnability• Drenaje consistente
– Zona de transición• Grupos de presión más pequeños para mejorar graduación de
presiones• Puede permitir altas presiones si la calidad de hoja y runability lo
permiten• Debe ser capaz de reducir presión para maximizar el retorno del
sistema– Zona de producción
• Maximas presiones para maximizar producción• Capaz de bajar a bajas presiones cuando sea necesario• Grupos de presión más grandes• Grupos de presión deben coincidir con los de accionamiento
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Sistema de Cascada Simple
Grupo Principal
(60% de Secadores)
Vapor
Vàlvulas de Venteo
Abren sólo en quiebras de Hoja
Grupo Inter-medio (25%
de Secadores)
Zona Húm(15% de
Secadores)
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Típico SistemaModerno de Cascada
Válvulas adicionales que proveencontrol de presión a grupos líderes
Vapor flash utilizadoen secadores de bajapresión en zonahúmeda
Zona de Calidad Zona de Transición Zona de Producción
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Sistema de CascadaLWC
Zona de Calidad Zona Transición Zona Producción
-0.7 bar
0.7 to 5 bar rango
de operación
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Sistema de CascadaModificado para Máquina
de Papel Fotocopia
Sifones Estacionarios y Sistema de Manejo Necesarios
Zona de CalidadZona de Producción
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Sistemas de Cascada• Ventajas
– No requiere vapor motriz, costo de operación puede ser menor sicosto de vapor motriz es más alto
– Buena eficiencia de energía– Se adapta mejor a sifones estacionarios cuando las dP son bajas– Se puede eliminar bombas de condensado en muchas secciones
y el condensado trasladado en cascada a través del sistema– Costo de instalación puede ser menor
• Piping más simple• No hay termocompresores, valvula de alivio, menos bombas, etc• Línea de vapor motriz
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Sistemas de Cascada
• Desventajas– Más difícil de operar
• Seteo crítico de presión y presión diferencial• Dificultades pueden minimizarse con lógica de control
– Más difícil de controlar• Fuerte interacción entre control de grupos• Larga recuperación ante quiebras de hoja
– Sistema de caida de presiones es limitado por el diseno de la cascada
• Se adapta mejor a sifones estacionarios cuando las dP son bajas– Presiones del sistema no pueden ser maximizadas
• Capacidad reducida en máquinas de cartulinas
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Componentes del Termocompresor
Entrada de Succión de
Vapor
EntradaVapor Motriz Descarga de
Vapor Motriz
Expansiónpara
descargar a presión del
secador
Aceleración de mezcla a alta
velocidad
Actuador
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¿Cómo trabaja?
• La presión del vapor motriz es reducida mientras la boquilla abre– Velocidad aumenta mientras presión es reducida
• Momento de intercambio mientras el vapor motriz a altavelocidad se mezcla con el vapor succionado
• Mezcla adquiere alta velocidad en la garganta• La velocidad de la mezcla es lentamente reducida en el difusor
– Energía de la velocidad es convertida en presion• Presión de descarga es más alta que la de succión inicial.• No hay perdida de energía calórica en el proceso
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Tipica Sección con Termocompresor
Steam Group
Separador
Retorno Condensado
VálvulaVenteo
50-100%A/O
0-50%A/O
50-100%A/O
Vapor deRelleno
Vapor Motrizde AltaSelector de señal
de baja
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Típico Sistema con Termocompresores
Zona de Calidad
Zona de Transición Zone de Producción
Opción de Bombas depende de preferencias de Planta
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Sistema de Máquina de Cartulina
Opción de Bombas dependiendo de preferencia de Planta
Zona de Produccion Todos los Secadores
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Sistema con Termocompresores• Ventajas
– Operación muy flexible, todas las secciones independientes• Presiones & presiones diferenciales varían independientemente
– Sistema más fácil de usar y entender– Amplio rango de operación posible
• Posible diseñar para operar con todos los grupos principales a presiones entre 5 psig y 100 psig sin venteo
– Maxima presión a secadores en todas las secciones• Gran ventaja en máquinas de cartulinas para maximizar producción
– Buena eficiencia de energía– Buen control de humedad– Grupos de presión coinciden con grupos de accionamiento– Mínimo venteo en quiebras de hoja con control de flujo de vapor de
arrastre
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Sistema con Termocompresores
• Desventajas– Necesita fuente de alta presión de vapor motriz
• Vapor motriz es más caro• Vapor motriz debe tener alta presión• Más caro transportar vapor de alta desde caldera a la máquina
– El “choking” del termocompresor puede ser una consideracion sioperado fuera del rango de presion de la PM
• Problema minimizado con la correcta especificacion del termocompressor y control del vapor de arrastre
– Normalmente más caro de instalar (vapor motriz paratermocompresores, válvulas de alivio, etc).
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¿Qué Tipo de Control es Mejor?• Control de Presión Diferencial• Control de Flujo de Vapor de Arrastre• Control de Presión Diferencial Manejado
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Dryer Drainage System Design
• Velocidad de máquina, carga de condensación y Cv de sifón, usadas paracalcular correctas presiones diferenciales y vapor arrastre en línea
• Condiciones de máquina ajustadas a curvas de sifón• P está siempre sobre punto de inundación para sifones rotatatorios• P variada para sifones estacionarios
Bajas P a bajas presiones ayuda a recuperación de sistemaAltas P a altas presiones aseguran drenaje
• Reducidas P en quiebras de hoja reducen el flujo de vapor de arrastre y previenen el venteo
• Minima presión diferencial para prevenir secadores inundados en quiebras de hojas
• Mantiene el sistema estable
Presiones Diferenciales Manejadas
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Dryer Drainage System Design
Control de Presión Diferencial Manejado
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Blowthrough Flow (% Condensing Load)
Diff
eren
tial P
ress
ure
(psi
) Operating Differential PressureOn Light Weight Grades
Flood Recovery PointOn Light Weight Grades
Rotary Syphon Controlled Using Managed Differential
Pressure Control
75 psig - 2,935 pph1,500 fpm
20 psig - 2,050 pph2,350 fpm
Operating Differential PressureOn Heavy Weight Grade
La correcta dp paratodas las condiciones
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Dryer Drainage System Design
Beneficios del MDPC • Elimina inundación de secadores por malas dP o flujo de vapor de
arrastre• Minimiza consumo de energía y pérdidas de vapor
– No hay venteo = importantes ahorros en algunas máquinas• Menores pérdidas de vapor en quiebras de hoja y parada de máquina
– Normalmente justifica la inversión por si solo• Minimiza uso de vapor motriz caro en termocompresores
– Puede ser significativo si el costo de vapor es alto• Elimina necesidad de ajuste por operador• Fácil de usar y entender para operadores• El vacío del condensador es mantenido durante quiebras de hoja• Reducción de erosion en piping y equipos• Puede ser implementado con equipos y control existentes• No necesita instalar instrumentación adicional o hacer cambios al
sistema.• Puede ser implementado para los secadores de sección húmeda
donde el control de vapor de arrastre no puede ser aplicado
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Dryer Drainage System Design
Diseño de Sistemas Modernos• “Amplio” rango de operación
– Nunca cerrar secadores• Sifones estacionarios permiten las menores presiones• Mayores niveles de vacíos• Baja presión en zona húmeda (-0,5 Bar)• Control/Manejo de presión
– Bajas presiones en zona húmeda en gramajes sensibles a calidad• -0,5 bar requerido en algunos gramajes• Mantener control de condensador en quiebras de hoja para evitar
inundaciones.– Maximiza capacidad de producción
• Mayor “zona productiva”• Minimiza vapor de arrastre para permitir una mayor zona productiva• Secadores de zona de transición aceptan alta presión si calidad lo
admiten
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Dryer Drainage System Design
Diseño de Sistemas Modernos
• Control/Manejo de presión del sistema– Presiones “supervisadas” por la lógica de control– Necesesario para ejecutar el más amplio rango de operación
• Ajustado control de presión necesario para operar a las presiones másbajas posibles
• Máximas presiones y producciones aseguradas– Operadores no “correm seguros”
– Mantiene el sistema balanceado para alta eficiencia de energía– Permite eliminar bombas de muchos separadores– Manejo de presiones durante quiebras de hojas y cambio de
gramajes reduce las pérdidas de papel– Permite operación de fácil uso
• Operadores no necesitan setear presiones
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Dryer Drainage System Design Todas las Secciones con Vacío
Diseño de Termocompresores/Cascada
con Control DMS
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Diseño de Sistemas Modernos
• Minimiza vapor de arrastre para mantener sistema en balance– Menos flujos de vapor de arrastre dan una mejor operación
• Sifones estacionarios altamente preferidos• Placas de orificio restringen vapor de arrastre para mantener curva de
secado– Tasa de vapor de arrastre de 8 a 12% en toda la máquina
• Control de Presión Diferencial Dirigido– Presión diferencial optimizada a la operacion de la máquina
– Minimiza pérdidas en cañerías• Tamaños de cañerías reducidos• Erosión en cañerías reducidos
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Diseño de Sistemas Modernos• Nivel Alto y Consistente de Vacío
– Pérdidas en condensador minimizadas– Baja de diferencial en quiebras de hoja para mantener el vacío– Juntas de vapor de zona húmeda capaces de manejar alto vacío si
no hay fugas de aire.– Cañerías ajustadas sin pérdida de aire– Vortec vacuum generator for “deep vacuum” service
• Condensador “Dirigido”– Minimiza consumo de agua– Control de temperatura de agua para estabilizar el sistema de
agua caliente– Nivel de vacio controlado con purga de aire a la bomba de vacio– Nivel de vacio varía dependiendo de la diferencial necesaria en los
secadores de zona húmeda• Grandes vacios usados sólo con presiones bajas en zona húmeda
– Monitoreo de pérdidas de energía• Usado para controlar & manejar la energía de secado total usada
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Dryer Drainage System Design
Diseño de Sistemas Modernos
• Alta eficiencia de energía– Utilizar todo el calor del condensado en alta temperatura
• Retornar el condensado a la caldera a baja temperatura• Cascada de condensado en el sistema para usar vapor flash en
secado• Usar calor en el sistema PV si es necesario
– Minimizar pérdidas hasta el condensador• Pérdida al condensador de 1,5% a 3% como meta• Minimizar el vapor de arrastre para mantener el sistema ajustado• Controlar el sistema para eliminar venteos• Minimizar los secadores descargando directo al condensador• Minimizar pérdidas de vapor de arrastre en secadores de zona
húmeda– Sifones estacionarios– Placas de orificios en líneas de condensado– Válvulas de control de presión diferencial– Control de presión diferencial dirigido
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Energía37%
Manode
Obra32%
Fibra24%
Químicos
Temanex TN-04-419 July 2004 for 2003
Costos de Producción
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Referencias de uso de vapor en secado
kg vapor / kg agua
evaporada
kg vapor / kgpapel
(sin size press)
kg vapor / kg papel
(con size press)
Vapor usado en drenajede secadores
1,13 to 1,20 1,2 to 1,7 2,0 to 2,4
Vapor usado para calentaraire para capota
0,18 to 0,20 0,18 to 0,30 0,3 to 0,4
% pérdida de energíaal condensador o
atmosfera
< 2% < 2% < 2%
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Consumo de Energía en Secador
35060Trampeo de no-condensables
1.2000Venteo al Condensador
4.9503.020TOTAL
800420Calentamiento de Aire
2.3002.300Evaporación
300240Calentamiento de Hoja
BajoRendimiento
BuenRendimiento
Consumidor de Energía
kJ / kg Agua Evaporada
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5 Reglas para Eficiencia de Energía en Secado
1) Mantener el sistema ajustado
2) Utilizar eficientemente el vapor flash del condensado a alta temperatura
3) Maximizar el uso de vapores de baja presión
4) Minimizar el calor para calentar aire paracapota
5) Controlar el sistema
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Mantener el Sistema Ajustado
• Mantener el sistema “ajustado”!!!!– No ventear al condensador o a la atmósfera.
• Válvulas de control diferencial cerradas.• Controlar purga de no-condensables.
– Mantener bajo el flujo vapor de arrastre.• Sifón estacionario o sifones rotatorios bien dimensionados.• Sifones rotatorios sobredimensionados son un problema.
– Presiones diferenciales apropiadas• Presiones diferenciales excesivas son comunes• “Más es mejor” no es la mejor manera de operar
– Correctos tamaños de cañerías & diseño de equipos• Una de las razones frecuentes por las que se usan altos diferenciales
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Usos de Vapor Flash
InaceptableDescarga a la atmósfera (maquina o caldera)
Generalmente pobreMachine silo
Generalmente pobreDuchas de agua caliente en máquina
BuenoDuchas de vapor de zona húmeda o de formación
BuenoPrecalentado de aire para bolsillos de ventilación
MejorEn secadores de baja presión
RankingUso de Vapor Flash
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Ejemplo de Sistema de Máquina de Papel Fino
(After Section Not Shown For Clarity)
Vapor Flash Usado en Secadores de ZonaHúmeda
65 Psig Matriz
165 Psig Matriz
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Dryer Drainage System Design
T
AlternativelySteam Can BeFlashed Into ALow Pressure Header
1
Make-up SteamFrom Low PressureHeader
High Temperature CondensateFrom Individual Separator Stations
Atmos.
PT
PT FTTT
To Wet End SteamShower
MoistureEliminator
LTLT
Vapor Flash en Duchas de Vapor en Zona Húmeda
Utilización de Vapores Flash
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Dryer Drainage System Design
Maximización de Bajas Presiones
• Minimizar uso de vapor de alta presión.(Plantas con turbinas de generación)– Uso de vapor motriz de baja en termocompresores
• Sifones estacionarios con baja necesidad de vapor de arrastre y dP• Operación con adecuadas presiones diferenciales• Evitar bloqueo del termocompresor• Mantener el termocompresor en bueno condición de operación
– Operar fuera del colector de baja presión cuando sea posible• Secadores de zona húmeda en colectro de baja presión• Vapor de recuperación desconectado para permitir el uso de baja o
alta presión de acuerdo a demanda.• Termocompresores tipo booster
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Manejo de los Sistemas de Secado
• Manejo de presiones– Mantiene el sistema balanceado
• Manejo de presiones diferenciales– Evita un sistema con pérdidas
• Menores presiones diferenciales en quiebras de hoja– Minimiza venteo de vapor
• Manejo de termocompresores– Evita “bloqueo” & venteo
• Manejo del condensador– Minimiza flujo de agua & estabiliza el agua caliente
• Manejo del sistema de la capota