GASES IDUSTRIALES MÁS UTILIZADOS EN LAS PLANTAS INDUSTRIALES

Gases industriales

Los gases industriales son un grupo de gases manufacturados que se comercializan con usos en

diversas aplicaciones. Principalmente son empleados en procesos industriales, tales como la

fabricación de acero, aplicaciones médicas, fertilizantes, semiconductores, etc. Pueden ser a la

vez orgánicos e inorgánicos y se obtienen del aire mediante un proceso de separación o

producidos por síntesis química. Pueden tomar distintas formas como comprimidos, en

estado líquido, o sólido.

DIOXIDO DE CARBONO (CO2)

Se utiliza como agente extintor eliminando el oxígeno para el fuego.

En la industria alimentaria, se utiliza en bebidas carbonatadas para darles efervescencia.

También se puede utilizar como ácido inocuo o poco contaminante. La acidez puede

ayudar a cuajar lácteos de una forma más rápida y por tanto barata, sin añadir ningún

sabor, y en la industria se puede utilizar para neutralizar residuos alcalinos sin añadir otro

ácido más contaminante como el sulfúrico.

En agricultura, se puede utilizar como abonado. Aunque las plantas no pueden absorberlo

por las raíces, se puede añadir para bajar el pH, evitar los depósitos de cal y hacer más

disponibles algunos nutrientes del suelo.

También en refrigeración se utiliza como una clase de líquido refrigerante en máquinas

frigoríficas o congelado como hielo seco.

CO2 EN EL PROCESO DE PRODUCCION DE BEBIDAS GASIFICADAS

Proceso de carbonatación y refrigeración. Antes de entrar el producto en el proceso de

carbonatación, se mezcla el jarabe terminado con agua tratada, hasta obtener los grados

BRIX deseados para la bebida. La definición de los grados BRIX dependen del sabor de

gaseosa a elaborar, sin embargo, en las diferentes plantas elaboradoras de gaseosas se

tienen rangos que oscilan entre los 10 y los 12 grados BRIX para todos los sabores de las

bebidas elaboradas.

Carbonatación. Una vez que el jarabe terminado cumple con los requerimientos

exigidos, esto es, presenta los grados °Brix necesarios, este y el agua tratada, se

pasan a un Carbocooler, en donde el agua sufre un proceso de enfriamiento y

carbonatación, ya que se sabe que la capacidad para absorber gas depende en

los líquidos de la temperatura a la cual se encuentre.

El contenido de gas carbónico en la bebida terminada, o grado de carbonatación, es uno

de los factores que más afectan el sabor de la gaseosa, ya que acentúa el sabor de las

esencias. La carbonatación consiste y aroma en colocar al líquido de interés en

controlada de CO2. La una atmósfera cantidad de gas que pueda transferirse al líquido

instancia depende en primera de dos factores; la temperatura del líquido y presión del

gas. Para considerar el efecto de la temperatura y la presión es necesario conocer el

termino saturación; la saturación se define como la condición para la cual el líquido ha

absorbido tal cantidad de gas que se encuentra en equilibrio con el gas del medio, esta

cantidad es la mayor posible que puede absorber a una temperatura del líquido y presión

del gas dadas. Como se sabe, un líquido frío absorbe mayor CO2 que uno caliente. Un

líquido frío además se satura a menos presión, es más estable y evita por tanto fugas de

gas y formación de espuma en el llenado. La carbonatación obtenida depende

principalmente de los siguientes factores:

Tiempo de residencia o contacto.

Temperatura del líquido a carbonatar.

Presión en el carbonatador.

Composición del líquido.

Cantidad de aire, ya sea en el CO2, en el equipo mismo o en líquido introducido.

La absorción de CO2 es ante todo un sistema de transferencia de masa entre dos fases; la

fuerza impulsora de la absorción es el desequilibrio o diferencia de concentración

existente entre la masa global de la fase y la interface. Se supone que no hay reacción

química y el sistema se encuentra a presión constante e isotérmico. Cada equipo

carbonatador se diseña para un determinado tiempo de contacto de acuerdo con la

producción de la planta; un mayor tiempo favorece la carbonatación bajo unas mismas

condiciones de temperatura y presión; sin embargo el tiempo en el cual se realiza la

operación de embotellamiento es generalmente constante. Para carbonatar una bebida,

además de una excelente refrigeración, se requiere la adecuada presión, la cual depende

de los siguientes factores:

La capacidad del carbonatador.

El sistema de refrigeración.

El tipo de bebida; algunas bebidas requieren mayor volumen de gas que otras.

El tamaño de la botella; debido a la diferencia en el espacio libre de líquido y

ocupado por el CO2 y el aire.

Existen algunas irregularidades que causan mala carbonatación:

Aire en el carbonatador . El aire presente en el carbonatador resulta de fallas en el

desairado o de purgas inadecuadas al carbonatador. La presencia de aire se

determina por la formación de espuma en la llenadora y de un sabor rancio o

pasado en la bebida en poco tiempo.

Materias extrañas . Aceite que ha podido arrastrar el CO2. Igualmente materia

orgánica; un alto contenido de sólidos disueltos en el agua, los cuales causaran

también espuma.

Mantenimiento deficiente . Válvulas de retención de líquidos o gases defectuosas,

control de nivel incorrecto y/o empaques de bombas que permiten la entrada de

aire.

Poca capacidad del carbonatador . Si se maneja un flujo mayor al de diseño, no

habrá suficiente tiempo de contacto, a no ser que se aumente la presión del gas.

Tuberías de gas pequeñas y obstruidas . Esto impide la alimentación suficiente de

CO2, provocando su sobrecalentamiento.

Las cantidades de gas disuelto o contenido en solución por cada gaseosa se denomina

volumen de CO2 .Un volumen de CO2 se define como los ml de CO2 cedidos a cada ml de

bebida, medidos estos a condiciones normales (0 oC y 1 atm.).

Suministros y almacenamiento de CO2. El CO2 llega a la plantas en estado

líquido, en cilindros a temperaturas entre 21 y 27 oC y a una presión que oscila

entre 850 y 970 psi. Los cilindros son llenados hasta un 70% de su capacidad (en

agua), para dejar un campo suficiente y evitar una sobrepresión que podría hacer

saltar el sello de seguridad, el cual está diseñado para dispararse a una presión

alrededor de 2200 Psi. El CO2 se expande en cilindros con capacidades de 18, 20,

22 y 25 Kg de peso. Durante su utilización se extrae el gas que se encuentra en la

zona libre del cilindro y el cual va siendo reemplazado por líquido que se va

evaporando; debido a esto existe una rata de flujo determinada para la descarga

del cilindro.

Refrigeración de CO2. La refrigeración constituye un auxiliar fundamental en el

proceso de carbonatación, esta etapa es de vital importancia para la eficacia de

dicho proceso. Para llevar a cabo la refrigeración, existen dos métodos

comúnmente utilizados, los sistemas de pre mezcla y los sistemas de postmezcla.

En sistemas de pre mezcla, se refrigera la mezcla agua-jarabe, e inmediatamente

se envía a carbonatación. En sistemas de postmezcla, se enfría y carbonata el

agua y el jarabe se enfría por aparte para efectuar posteriormente la mezcla. El

sistema que se escoja en la planta, depende de aspectos tales como capacidad,

equipos y tipos de productos a elaborar; no podría definirse contundentemente

cual de los dos sistemas es mejor para la elaboración de gaseosas.

EQUIPOS USADOS

Tanques de mezcla. Son tanques de acero inoxidable con tapa, provistos de un

agitador y de un tubo lateral, cuya función es indicar por medio de la altura el

volumen del tanque. Las dimensiones y el número de tanques que se utilicen,

dependen de la producción de la planta y del tamaño de sus instalaciones.

Filtro de malla. Generalmente, antes de que el jarabe simple se lleve al filtro

prensa, se hace pasar por un filtro de mallas, el cual tiene como finalidad retirar los

sólidos de gran tamaño que vengan de la mezcla denominada jarabe simple. El

filtro de mallas consiste básicamente en una malla metálica (20 mesh) en la cual

se separan los sólidos.

Filtro prensa. El filtro prensa, utilizado en la elaboración de bebidas puede ser de

placas horizontales o verticales, la capa filtrante generalmente es tela o papel filtro

(interlon). El filtro, trae consigo, dos manómetros que evalúan la caída de presión

que se genera debido a la formación de precapas o tortas las cuales generan

taponamiento y disminuyendo con esto la velocidad con que se mueve la mezcla y

por ende aumentando su caída de presión. En algunas fabricas, se tiene como

norma cambiar la capa filtrante cada dos preparaciones de jarabe simple.

Carbonatador. Cuando se desea definir los equipos carbonatadores, es necesario

tener en cuenta todos los factores que afectan el proceso. En todos los tipos

carbonatadores, es necesario emplear presiones más altas que la requerida para

el volumen de gas necesario en cada bebida, debido esto a la eficiencia de los

equipos y a las pérdidas mecánicas durante la operación. Existen en el mercado

equipos que sólo cumplen la función de carbonatación, a estos equipos se les

debe suministrar agua enfriada suficientemente. También se encuentran equipos

que combinan las dos operaciones. Si por diseño de producción la cantidad de

CO2 que se requiere es mayor que la dada por un sólo cilindro, se puede utilizar un

sistema múltiple; básicamente este sistema consiste en una serie de cilindros

conectados a un cabezal "manifold" y dividido en dos grupos de trabajo

independientes a cada lado. En el sistema de baja presión, el CO2 se almacena en

forma líquida a -18 oC y 300 Psi en tanques acondicionados con aislamiento

(Poliuretano, lana de vidrio) y refrigeración. La capacidad de los tanques de

almacenamiento varía según necesidad de 6 a 12 toneladas. En general este

sistema consta de las siguientes partes :

Tanque. Construido de acero especial, y provisto del correspondiente "manhall" en uno de

sus extremos, para efectos de limpieza interna.

Aislamiento. Capa de Poliuretano de 15 cm de espesor, recubierto por una lámina de

aluminio.

Refrigerador. Este sistema consta de unidad compresora, serpentín de condensación de

CO2, tubería, válvula de expansión y secador.

Vaporizador. Consiste en un intercambiador de calor, usualmente de tipo eléctrico, por

medio de una resistencia, o por medio de vapor a través de un haz de tubos.

Instrumentación de control y medición. La instrumentación de medición y control consta

de un medidor de CO2, un manómetro, control eléctrico, válvulas de alivio y seguridad.

Carbonatador Mojonnier.- El carbo-enfriador Mojonnier es un equipo que consta de un

preenfriador de agua, desaireador y carbonatador. El agua entra inicialmente al

preenfriador, es distribuida a placas verticales donde se enfría y pierde la mayor parte del

aire disuelto. De aquí pasa al proporcionador en donde se mezcla con el jarabe; a

continuación esta mezcla se envía al carbo-enfriador en donde se enfría a la temperatura

requerida (alrededor de 36 oF ó 2.2oC ) y se carbonata.

Durante la carbonatación, el agua entra al tanque carbonatador aislado (2) a través de la

línea (10) y es distribuida uniformemente sobre las placas enfriadoras de acero inoxidable

(4), por el canal de distribución (3). Una vez termina el proceso, la bebida carbonatada se

envía al colector (5), donde fluye nuevamente a la base del tanque para posteriormente

pasar a la envasadora. El CO2 pasa a través del sistema de control hasta el tanque de

carbonatación por la línea (6). El nivel del producto se controla automáticamente en el

tubo de control de nivel (7). La refrigeración se realiza como sigue:

El refrigerante líquido a alta presión sale del depósito del condensador (33) a través de la

válvula (8) y pasa a través del filtro y solenoide (9)al inyector (10) ; una vez que pasa al

inyector entra al "lado bajo " del sistema de refrigeración (etapa de expansión). Del

depósito (11), es tomado el refrigerante y llevado por serpentines a través de las placas

de enfriamiento (4) ; mientras enfría a la sustancia que fluye sobre la parte superior de las

placas, parte del refrigerante es evaporado y así, una mezcla de líquido y vapor entra al

depósito del refrigerante a través de la línea (12).

Por medio de un deflector, el líquido es separado del vapor cayendo a la base del

depósito para ser recirculado. El vapor entra en la línea de succión (13), pasa a través de

la válvula reguladora de contrapresión (14), la cual controla la temperatura del refrigerante

y en consecuencia la temperatura del producto. El vapor fluye al compresor pasando a

través de la válvula (15), es comprimido y sale del compresor a través de la línea de

descarga (16), hacia la trampa de aceite (17), donde el aceite contenido en el refrigerante

es retirado y regresado al compresor. El vapor pasa al serpentín de sobrecalentador (19),

donde es inicialmente enfriado. Pasa a serpentines de condensación donde el calor

adicional es removido, provocando un cambio de fase en el refrigerante.

El refrigerante líquido va al depósito (33) para su recirculación. El calor del refrigerante es

removido con agua (20) y el aire (21) que entran al condensador. El agua pasa a un

deposito situado en la parte baja del sistema y es utilizada nuevamente. Para ello se

utiliza la bomba vertical (31). El aire cumple dos funciones importantes, enfriar el agua de

condensación evitando así incrementos fuertes de temperatura y pre enfriar el vapor

sobrecalentado que viene del compresor.

AMONIACO (NH3)

El desarrollo de la refrigeración mecánica data de los primeros años de la revolución

industrial. Al día de hoy, el amoniaco permanece como el refrigerante más utilizado en

sistemas de refrigeración industrial para procesar y conservar la mayoría de los alimentos

y bebidas. El amoniaco ha estado en el liderazgo de los avances de tecnología en

refrigeración, siendo parte del procesamiento, almacenamiento y logística de distribución

de los alimentos.

La refrigeración con amoniaco es el método más económico y más eficiente

energéticamente para el proceso y almacenaje de alimentos congelados y refrigerados.

Es usado para el enfriamiento de post-cosecha de frutas vegetales, el enfriamiento de

carne, pollo, pescado, refrigeración para las industrias de bebidas, incluidas cerveza,

vinos y refrescos, refrigeración para la leche y queso, y para la congelación del helado.

Prácticamente todos nuestros alimentos pasan en algún momento por una planta o

almacén que usa refrigeración con amoniaco antes de llegar a nuestra mesa.

Ciclo del amoniaco.

El compresor succiona el gas caliente (vapor de amoniaco), que pasa al separador de

aceite y posteriormente al condensador, donde se enfría y pasa a estado líquido. Luego,

mediante una válvula de expansión y a través de la línea de líquido (tubería), el amoniaco

pasa al sugedrun, que no es más que un tanque depósito. Desde aquí, con una bomba de

amoniaco, es bombeado hacia el banco de agua helada y la cámara, simultáneamente si la

bomba está en buenas condiciones, o hacia el banco primero y luego a la cámara,

regulado por válvulas de presión.

Características de los equipos que intervienen en el ciclo.

Compresor: Es la fuerza externa que permite cerrar el ciclo. Aumenta presión y

temperatura hasta la presión de condensación. Es un compresor alternativo de 8 pistones,

dispuestos en V. Es de tipo abierto porque el motor está acoplado fuera de la carcasa y es,

además, de una sola etapa. Este equipo tiene nacionalidad china del tipo JS2-400M4-

10TH, pesa 3500 kg y funciona según los siguientes parámetros: 142 KW, 720 rpm, Psuc=

2.5 kgf/cm2 y Pdesc= 12.5 kgf/cm2.

Separador de aceite: Es un depósito o tanque colocado de forma vertical al lado del

compresor, donde se separa todo el aceite que sale del compresor, del refrigerante.

Condensador: Elimina el calor absorbido en el evaporador y el adquirido durante la

compresión. Es un condensador horizontal de tubos y coraza, enfriado por agua. El agua

va por dentro de los tubos y el amoniaco por fuera, porque es más fácil de limpiar las

incrustaciones.

Válvula de expansión termostática: Regula el caudal de líquido refrigerante en función de la

evaporación por unidad de tiempo en el evaporador. El control se hace por el grado de

recalentamiento del gas de admisión que sale del evaporador.

Sugedrun: Es un depósito horizontal donde se almacena la sustancia refrigerante que

posteriormente es bombeada hacia los evaporadores. La temperatura del amoniaco es de -

15 ºC.

Bomba de amoniaco: Es la encargada de bombear la sustancia refrigerante desde el

sugedrun hasta el banco de agua helada y la cámara. Bombea un caudal de 4000 l/h, 1000

para el banco y 3000 para la cámara. Trabaja según los siguientes parámetros: 220 V; 60

Hz; 1715 rpm; 1.8 kW; cos φ = 0.81.

Banco de agua helada: Intercambiador de calor que absorbe el calor del agua. Es un

evaporador inundado porque el líquido refrigerante cubre todas las superficies de

transmisión del calor. El amoniaco va por dentro del serpentín. Se utiliza para enfriar el

agua que se emplea en la pasteurizadora. Sus dimensiones son de 10 x 16 x 3 m. La

temperatura del agua es de 4 ºC y la del amoniaco de -15 ºC.

Cámara: Es un evaporador de circulación natural porque el fluido circula naturalmente

debido a las diferencias de densidad entre el fluido caliente y el frío. Tiene un difusor con

tres motores de 0.4 kW cada uno. Sus dimensiones son de 15 x 30 x 6 m. La temperatura

del aire es de 6 ºC y la del amoniaco de -5 ºC.

Representación del sistema de refrigeración y diagrama de presión contra entalpía.

SISTEMAS DE REFRIGERACION POR AMONIACO EN LA INDUSTRIA CERVECERA

CARACTERISTICAS DEL AMONIACO (NH3)

• El amoniaco anhidro grado refrigeración se define como aquel que tiene:

– Contenido mínimo de NH3 99.95%

– Residuo máximo 0.05%

• 500 ppm de agua máximo

• 5 ppm de aceite

FUENTES DE CONTAMINACION DEL AMONIACO

• Cuando ocurren cambios en el sistema de refrigeración sin previo aviso, dando como resultado disminución en el rendimiento de los equipos, son síntomas de la contaminación del amoníaco.

1) FUENTES DE CONTAMINACION CON AGUA

En las plantas de refrigeración industrial con amoniaco, las fuentes de contaminación con agua pueden estar divididas en dos grupos:

– Contaminación en la construcción y fase de arranque inicial.

– Contaminación después que la planta ha sido puesta en operación normal.

- CONTAMINACION EN LA CONSTRUCCION Y ARRANQUE INICIAL

• Agua remanente en recipientes de presión.

• El agua puede entrar por tuberías y juntas soldadas.

• Inadecuado procedimiento de evacuación de la humedad del aire usado en la prueba de presión final.

• El uso de amoniaco impuro cuando cargan el sistema.

- FUENTES DE CONTAMINACION EN OPERACION NORMAL

• La contaminación con agua puede ser muy difícil de evitar y muy a menudo esto pasa sin que sea detectado.

• El amoniaco y el agua tienen una gran afinidad el uno por el otro

- FUENTES DE CONTAMINACION EN OPERACION

• Ruptura de tubos en enfriadores de agua.

• Fugas en válvulas, empaques y juntas, en plantas que operan por debajo de la presión atmosférica o en paradas cuando se hace vacío.

• Procedimientos inapropiados de drenaje.

• Reacciones químicas complejas entre el amoniaco, oxigeno, aceite y lodos que pueden dejar libre agua en el sistema.

• Falta de una purga de aire adecuada.

EFECTOS DE LA DILUCION DE AGUA EN NH3

• La relación Presión-Temperatura para una solución de agua- amoniaco es diferente a la de amoniaco anhidro.

• Pérdida de Capacidad

• Aumento del consumo de energía (Disminución del C.O.P.)

2) FUENTES DE CONTAMINACION CON AIRE

• Sistemas que operan por debajo de la presión atmosférica.

• Inapropiado cargue de amoniaco y aceite.

• Drenaje de aceite

• Reparaciones de equipos.

• Descomposición de aceite en gases de hidrocarburo y otros, sales, ácidos y lodos.

OTROS EFECTOS DE CONTAMINANTES

• AIRE

– Incremento en la presión de condensación.

– El coeficiente de transferencia de calor se reduce (Alta).

• ACEITE

– El aceite ocupa el espacio del refrigerante

– Pérdida de Capacidad de evaporadores (Baja)

¿DONDE ESTAN LOS CONTAMINANTES?

• El aceite se deposita en los componentes en los que el refrigerante tiene baja velocidad, tales como tanques.

• El agua permanece en solución, en el tanque de baja y evaporadores.

• El aire presente, evoluciona eventualmente hasta el condensador en el cual permanece atrapado por el líquido.

REMOCION DE NO CONDENSABLES

• Los puntos de purga deben estar localizados donde el refrigerante esté en estado de vapor y su velocidad sea baja.

• La necesidad de purgar el condensador puede establecerse midiendo la temperatura del líquido, si la presión es más alta que la correspondiente a la temperatura de saturación, debe entonces purgarse.

• Los tres conceptos principales de purga de aire son:

– Purga directa de la mezcla Refrigerante-Aire.

– Compresión de la mezcla, condensación del refrigerante y venteo de la mezcla.

– Condensación del refrigerante en la mezcla con alto contenido de aire utilizando un evaporador y venteo posterior.

CONCLUSIONES:

NH3:

En cuanto a la energía podemos decir que la instalación para el enfriamiento de la leche

es ineficiente debido a las pérdidas que se producen durante todo el proceso, perdidas

que influyen directamente en los portadores energéticos, elevando el consumo de energía

eléctrica o trabajo técnico a ceder a la instalación frigorífica.

Todos los valores obtenidos demuestran que se está trabajando según los parámetros

establecidos pues el amoniaco trabaja entre una temperatura de evaporación de -15 ºC y

una temperatura de condensación de 30 ºC.

CO2:

EL gas agregado al las bebidas es gas carbónico CO2, que se agrega al liquido en

grandes contenedores, a baja temperatura y a una gran presión, el gas es inyectado por

unos tubos transversales que tiene el contenedor los cuales tienen unos orificios

milímetros por los cuales sale el gas, este proceso es utilizado por la industria cervecera,

que es una de las mayores productoras de CO2, distribuyéndolo de varios formas como el

hielo seco, para sus propias bebidas y para la indusria de las gaseosas.