2005 - Eyectores de chorro de vapor para las industrias de procesos - Capítulo 2

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Capítulo

Un eyector es un dispositivo en el que un chorro de fluido a alta velocidad se mezcla con una segunda corriente de fluido. La mezcla se descarga en una región a una presión más alta que la fuente del segundo fluido. El eyector bombea el segundo fluido de un lugar a otro. Debido a que el eyector no tiene partes móviles, es difícil entender cómo funciona. Por lo tanto, es oportuno considerar algunas experiencias relacionadas que son comunes a muchas personas.

2.1 Comportamiento de un chorro de agua con manguera El chorro de agua de alta velocidad que sale de la boquilla de una manguera tiene el poder de barrer el agua, el barro, la arena y los objetos pequeños junto con él. La mezcla puede tener suficiente velocidad para fluir hacia arriba y sobre un pequeño bordillo o pared en el borde de un camino de entrada, calle o losa de concreto. Si el chorro se dirige a un balde parcialmente lleno de agua, penetrará en el agua, transportando aire con él y mezclando el contenido vigorosamente. Si la boquilla de la manguera se ajusta para esparcir el chorro, puede llevar más aire al cubo. De hecho, muchas personas que han hecho esto se han sorprendido al ver que la mezcla de aire y agua rociada del balde sale del recipiente sobre sus caras y ropa. El espacio confinado dentro del cubo concentra y dirige la energía del chorro.

2.2 Agregar un tubo de mezcla Mejorando el principio de concentrar y dirigir la energía de un chorro, podemos rociar el agua a través de un dispositivo cilíndrico como una sección de 4 pulgadas de diámetro de un tubo de estufa de 2 pies de largo. Puede ser necesario ajustar la boquilla para esparcir el aerosol para "llenar" el tubo de la estufa y obtener el máximo efecto de bombeo de aire. La mezcla de aire y agua emergerá como un rocío dirigido a alta velocidad. Si colocamos el tubo de la estufa a través de un agujero en la pared de una habitación, tendremos una bomba de aire de escape tosca, pero en funcionamiento, como se muestra en la figura 2.1a. Como variación, podemos rociar el agua a través de una tubería de 1 pulgada de diámetro de 2 pies de largo, ajustando la boquilla para un patrón de rociado más estrecho. Si sumergimos la boquilla de la manguera y el extremo inferior de la tubería en una tina con agua y colocamos la boquilla cerca del extremo de la tubería, de modo que el chorro rocíe dentro de la tubería, como se muestra en la Fig. 2.1b, veremos un flujo constante de agua sale del extremo superior del tubo y observa que el nivel del agua desciende en la bañera. Hemos creado un eyector de agua a chorro de agua en bruto. Experimentando con el ajuste y la posición de la boquilla, podemos maximizar la tasa de bombeo.

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Figura 2. 1 (a) Bomba de aire de escape crudo, eyector de aire por chorro de agua;(b) bomba de agua bruta, eyector de agua a chorro de agua.

2.3 Mejora del tubo de mezcla Se pueden hacer dos mejoras en la forma del tubo utilizado para confinar y dirigir la acción del chorro: la entrada se puede estrechar para proporcionar un camino más suave para que el fluido de carga entre y se mezcle con el fluido del chorro, y la salida se puede estrechar para reducir la velocidad de la mezcla de una manera que convierta la energía de velocidad en energía de presión. Este tubo de mezcla mejorado se muestra en la Fig. 2.2a. Ahora tiene la forma que es la característica dominante de un eyector. Comúnmente se le llama difusor porque extiende (difunde) la corriente de una manera que aumenta la presión. Este es el nombre utilizado en los Estándares del Instituto de Intercambio de Calor para Eyectores de Chorro de Vapor o HEI [1] y es el que utilizaré. El difusor a veces se llama venturi porque se parece al conocido dispositivo de medición de flujo con ese nombre. A veces se le puede llamar la cola o el tramo final de la etapa.

2.4 Etapa de expulsión básica Se agregan algunas características básicas más al hardware de la etapa para llegar a la etapa de expulsión básica típica que se muestra en la figura 2.2b. La cámara de succión se ha agregado para mantener la boquilla correctamente posicionada con respecto al difusor y para dirigir el flujo del fluido de carga (succión). Para que se mezcle eficazmente con el chorro de fluido motor. El término succión se usa comúnmente para describir el fluido de carga y la conexión, incluso si la presión está por encima de la presión atmosférica. La boquilla se refina en este dibujo a una forma convergente/divergente (de Laval) requerida para que los gases se expandan a velocidades mayores Página | 2

que la velocidad del sonido (supersónico). Finalmente, se toman las medidas necesarias para las conexiones a la tubería externa porque, por lo general, los fluidos motrices y de succión (carga) se llevan al eyector en la tubería del proceso y la mezcla se descarga en la tubería del proceso.

Figura 2. 2 (a) Difusor mejorado; (b) etapa de expulsión básica.

Una variación de la configuración básica es la configuración en línea que se muestra en la Fig. 2.2c. Aquí se cambian las conexiones externas para los fluidos motrices y de succión, aunque la salida de la boquilla todavía está posicionada para descargar a lo largo de la línea central del difusor. Otra variante es introducir el fluido motor a través de una boquilla anular, como se muestra en la figura 2.2d. Otras variaciones que se verán más adelante incluyen múltiples boquillas para una mezcla más eficiente y etapas más cortas, cámaras de succión que son parte integral de un recipiente de proceso, succión de estructura abierta para bombas de lodo, cámaras de succión de tolva para transportar sólidos, conexiones sanitarias para una fácil limpieza al manipular alimentos o productos farmacéuticos, y conexiones atornilladas, soldadas o pegadas.

2.5 Etapa típica de eyector de aire a chorro de vapor En la figura 2.3 se muestra una etapa típica de eyector de aire a chorro de vapor con sus componentes etiquetados. El difusor en esta etapa es una pieza fundida con una conexión bridada a la cámara de succión. Son comunes los difusores de dos piezas, unidos en la garganta del difusor. Se pueden mecanizar tamaños más pequeños de materiales resistentes a la corrosión a partir de una pieza de material completa o única. Los tamaños más grandes se fabrican normalmente mediante placas laminadas y soldadas. Las características visibles desde el exterior que suelen estar presentes son las camisas de vapor en los difusores y las tomas de presión de prueba en las cámaras de succión y la Página | 3

cámara de vapor. Las características internas que pueden variar son el tipo de juntas utilizadas para la boquilla de vapor y la extensión, el revestimiento de algunas boquillas de vapor, el método de montaje y extracción de las boquillas de vapor y los filtros de vapor integrados en la cámara de vapor.

Figura 2. 3 Conjunto típico de etapa de eyector de chorro de vapor. (Cortesía del Heat Exchange Institute)

2.6 Variación de velocidad y presión en una etapa La figura 2.4 muestra cómo varían la velocidad y la presión para los materiales motrices y de succión a través de una etapa de expulsión. Ambas corrientes fluyen hacia el punto de menor presión en la etapa y se mezclan allí de manera violenta y rápida. Luego, la mezcla se ralentiza y la presión aumenta antes de que la mezcla emerja a baja velocidad en la descarga. La presión de descarga suele estar en algún lugar entre las presiones motriz y de succión.

2.7 Algunos "primos" de la familia Eyector Los eyectores son extremadamente versátiles desde dos puntos de vista: pueden estar hechos de casi cualquier material sólido y pueden usar una amplia variedad de gases o líquidos presurizados Página | 4

Figura 2. 4 Perfiles de velocidad y presión en una etapa de eyector

para bombear gases, líquidos e incluso sólidos granulares. Los fabricantes de eyectores describen sus líneas de productos de diferentes maneras: organizadas por función de aplicación (lo que se bombea), por fluido motor (qué está haciendo el bombeo) y por sus líneas de hardware (donde se realiza el trabajo). Los nombres que asignan a los sistemas y componentes de hardware también varían: pueden usar variaciones en el nombre de una línea de producto de marca comercial, usar nombres funcionales para cada aplicación o, a veces, simplemente usar números de modelo de línea de producto. La Tabla 2.1 es mi descripción general de la familia de eyectores. Organiza eyectores por fluido motor y material de carga (succión). Esta es simplemente una pantalla genérica de aplicaciones seleccionadas, que puede encontrar enumeradas por los fabricantes de otras maneras utilizando otras descripciones más específicas de las aplicaciones y nombres de hardware [2, 3]. Aquí describiré brevemente algunas de las que considero las combinaciones más importantes de motivos específicos y materiales de carga, luego agruparé algunas de las otras en conjuntos de aplicaciones similares. En los capítulos 11 y 12 se encontrarán descripciones más detalladas de estas aplicaciones. El vapor y el aire se manejan por separado debido a su condición de fluidos de uso común. El vapor de agua se mezcla con vapor para mayor comodidad. Aquí se piensa sólo como la ocurrencia de la presión subatmosférica de la fase de vapor del agua. Los gases y vapores también se agrupan porque Página | 5

su uso como fluidos motores es menos común y requiere una atención especial en el diseño. Los gases se consideran comúnmente como materiales que no son condensables en condiciones normales de funcionamiento, y los vapores se consideran potencialmente condensables en algunas condiciones normales.

Familia de eyectores de chorro de vapor Esta categoría incluye eyectores de aire, la aplicación de bomba de vacío de la que trata la mayor parte de este libro. El vapor tiene propiedades especiales, incluida su capacidad de calentamiento, y a menudo está disponible a uno o más niveles de presión en toda la planta de procesamiento. Por lo tanto, el vapor es el más versátil de los fluidos motores y se utiliza para bombear todo tipo de gases, líquidos y sólidos granulares.

Refrigeración al vacío. La refrigeración al vacío es la aplicación comercial de una demostración científica común. En la demostración, se coloca un recipiente con agua debajo de una campana de vidrio y una bomba de vacío reduce la presión dentro de la campana hasta que el agua hierve a temperatura ambiente. De manera similar, a medida que se rocía agua tibia en un tanque de vacío, parte del agua se evaporará, enfriando el líquido restante. Grandes etapas de eyector (Fig. 2.5) enfrían un chorro de agua al vacío eliminando el vapor de agua del chorro y comprimiendo el vapor a una presión más alta para que se pueda condensar junto con el vapor motor en un condensador. El condensador puede ser un dispositivo de contacto directo en el que los vapores se condensan en una corriente de agua de refrigeración, o puede ser un condensador de superficie refrigerado por agua o aire. Las ventajas son la simplicidad, el bajo costo inicial, pequeños requisitos inmobiliarios y la confiabilidad.

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Figura 2. 5 Refrigeración al vacío. (Cortesía de Croll Reynolds Co.)

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Stripping o despojado al vacío, secado. Son similares a la refrigeración, excepto que el vapor de agua se extrae de un líquido, una suspensión o una mezcla de sólidos que contiene un material que no es agua. Estas etapas de expulsión se denominan comúnmente "impulsores"; elevan el vapor de agua a una presión a la que puede condensarse. Una aplicación de refuerzo de este tipo se muestra en la Fig. 2.6 con la etapa de refuerzo seguida de un condensador grande y dos etapas pequeñas de manejo de aire.

Figura 2. 6 Etapa de refuerzo, eyector de tres etapas. (Cortesía de KETEMA, División Schutte & Koerting)

Compresor de vapor (termocompresor). Este dispositivo a menudo funciona a presiones superiores a la atmosférica. Utiliza vapor de alta presión para recoger vapor de baja presión y entregarlo a una presión lo suficientemente alta como para que se condense y produzca calor útil para algún proceso. El dispositivo recupera el calor que de otro modo podría perderse, reduciendo así la cantidad de vapor de alta presión caro consumido. La figura 2.7 muestra un compresor de chorro típico con una boquilla de husillo que permite ajustes manuales para cambiar las características de funcionamiento.

Eyector de aire a chorro de vapor. El aire que se filtra en todos los sistemas de proceso comerciales que operan a presión subatmosférica debe eliminarse continuamente para mantener un funcionamiento adecuado. Si la presión del proceso está muy por debajo de la presión atmosférica, es posible que se requieran dos o más etapas de expulsión en serie, como se muestra en la Figura 2. 7 Compresor de chorro. Fig. 2.6. Normalmente, los condensadores se utilizan entre etapas (Cortesía de KETEMA, División para reducir el consumo de vapor. En las industrias de procesos, Schutte & Koerting) esta es una aplicación exigente debido a la variedad de productos químicos que se encuentran y las complejas consideraciones de

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seguridad, corrosión, contaminación de los productos y el medio ambiente, economía, automatización, confiabilidad, operación y mantenimiento.

Compresor de aire a chorro de vapor. Se puede usar vapor de alta presión para comprimir el aire de la atmósfera a una presión moderada, suministrando aire de instrumentos de 20 psig, por ejemplo [11], o respaldando un compresor de aire de instrumentos impulsado por motor. Una vez desarrollé el diseño de una unidad de dos etapas que entregaría aire a 40 psig, usando un equipo motriz de alta presión y refrigeradores-condensadores enfriados por agua.

Eyector de líquido a chorro de vapor, inyector. Cuando el vapor bombea un líquido, normalmente se condensa y calienta el líquido. Dependiendo del efecto que se desee, puede describirse como bomba (aspirador de chorro de vapor, sifón de chorro, escurridor de cárter, bomba de chorro) o como calentador (calentador de chorro de vapor, calentador en línea). El inyector es una aplicación inusual que a primera vista parece desafiar algunas leyes de la naturaleza. Normalmente se utiliza para bombear agua de alimentación a una caldera, utilizando vapor de la caldera. Por ejemplo, el vapor de 100 psig puede levantar agua a una temperatura de 74 °F hasta 20 pies de una fuente de suministro, mezclarse con él y condensarse en él, y proporcionar suficiente energía para bombear la mezcla de regreso a la caldera contra la presión de la caldera sin partes móviles. Las figuras 2.8 a y b muestran la apariencia externa e interna de este dispositivo.

Figura 2. 8 Inyector: (a) apariencia externa; (b) piezas de trabajo. (Cortesía de la División Penberthy de Stanwich Industries, Inc.)

Eyectores de chorro de aire, gas y líquido El aire comprimido, como el vapor, a menudo está disponible en todas las plantas y se puede utilizar para una variedad de aplicaciones de eyectores. Debido a que tiene menos energía que el vapor y no se condensa a líquido en condiciones normales, el aire suele ser más costoso que el vapor para operaciones continuas. Otros gases presurizados suelen estar disponibles y son adecuados para algunas aplicaciones de eyectores. También se utilizan agua a presión y líquidos de proceso para hacer funcionar los eyectores. Estas son algunas de esas aplicaciones.

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Bomba de vacío de chorro de aire. Por lo general, se usa aire cuando la carga es pequeña y se puede lograr en una etapa, o cuando la conveniencia de no tener condensadores justifica el costo del aire usado. Bomba de vacío de chorro de vapor de proceso/fluido orgánico. En los últimos años, muchas personas han adoptado la práctica de utilizar vapores presurizados distintos del vapor para impulsar sus sistemas eyectores de vacío. Los fabricantes han acumulado experiencia en el desarrollo y diseño de tales sistemas, que generalmente incluyen bombas de alimentación, vaporizadores y controles en un paquete fabricado. Los beneficios son: separación completa del agua del producto, eliminación de la contaminación del agua, más libertad para elegir los materiales de construcción y, a veces, una reducción en el uso total de energía. Eyectores de gas caliente para simulaciones espaciales. El programa espacial ha desarrollado aplicaciones para algunos de los eyectores más grandes jamás construidos. Visualice un eyector de dos etapas con etapas individuales de 100 pies de largo, con una conexión de succión de 10 pies de diámetro y que utiliza más de un millón de libras por hora de gas caliente a alta presión para impulsarlo. ¡Entonces imagina el terrible ruido que haría al operar! Compresores de chorro de gas. Idénticos en apariencia a los termocompresores, estos difieren solo en que el trabajo de bombeo no involucra principalmente beneficios térmicos. Pueden usar el exceso de presión en una corriente de gas de alimentación para hacer circular gases o para arrastrar un segundo gas y elevar la presión de la mezcla. Una aplicación interesante es el "controlador BTU" que se muestra en la Fig. 2.9. Una batería de eyectores de tamaño apropiado utiliza gas propano a alta presión para arrastrar el aire atmosférico y entregar una mezcla de BTU controlada a una presión utilizable. Tenga en cuenta que los ajustes aquí se realizan encendiendo y apagando unidades individuales en lugar de usar boquillas de husillo.

Figura 2. 9 Controlador BTU, eyector de chorro de gas. (Cortesía de KETEMA, División Schutte & Koerting)

Eyectores de utilidad. Algunos fabricantes de eyectores mantienen en stock muchos eyectores pequeños de diseño estándar. El bajo costo, la simplicidad, la disponibilidad y la conveniencia son sus Página | 10

virtudes. Son versiones simplificadas de sus primos especiales. Normalmente, el difusor y la cámara de succión se funden como una sola pieza y se combinan con una boquilla roscada que proporciona ajustes modestos para la presión del fluido motor alta y baja y, para líquidos o gases como fluido motor. Algunas generalizaciones sobre estos pueden resultar útiles. El vapor bombea todo bien, el gas bombea gas y el líquido bombea líquido. El gas es ineficaz para bombear líquido si no se produce condensación, y el líquido no bombea bien el gas si no se produce condensación. Cuando la eficiencia y la velocidad no son muy importantes, cualquier combinación puede funcionar bien. La seguridad y la comodidad suelen ser las principales consideraciones. Las figuras 2.10 a, b y c muestran la construcción de una de esas unidades y dos aplicaciones típicas. Las figuras 2.11 a, b y c muestran otra variación en el diseño de las unidades pequeñas, además de la adición de una pieza de cuello difusor extraíble en las unidades más grandes. La combinación de boquillas y boquillas extraíbles permite una mayor capacidad de ajuste para obtener el mejor rendimiento para una aplicación determinada. La figura 2.12 muestra un eyector de servicios públicos que se utiliza para cebar una bomba que tiene una altura de succión. Se han utilizado unidades muy pequeñas impulsadas por aire para extraer muestras continuas de un canal de agua efluente. Los pequeños chorros de agua se utilizan habitualmente para crear pequeños vacíos en los laboratorios. Las unidades de tamaño adecuado utilizan el exceso de presión en una corriente líquida para asegurar una mezcla rápida con una segunda corriente.

Figura 2. 10 Eyector utilitario, dos piezas, accesorios macho: (a) construcción; (b) producir un vacío; (c) aireación o agitación. (Cortesía de la División Penberthy de Stanwick Industries, Inc.)

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Figura 2. 11 Expulsores utilitarios: (a, b) accesorios hembra de dos piezas; (c) accesorios bridados de cuatro piezas. (Cortesía de KETEMA, División Schutte & Koerting)

Transportador de sólidos tipo jet. Los eyectores de líquido o gas se utilizan para transportar sólidos granulares. Se utiliza una tolva para entregar los sólidos a la succión del eyector, como se muestra en la Fig. 2.13. En esta aplicación impulsada por líquido, parte del líquido se desvía para lavar los sólidos y sellar parcialmente la succión. Las variaciones de este diseño han utilizado gas nitrógeno seco para elevar el catalizador seco al interior de un reactor en un modo de operación por lotes. La tolva se equipó con una tapa y se purgó con nitrógeno para eliminar el aire antes de que comenzara la transferencia. Se han utilizado variaciones de esto para bombear cenizas, arena y otros sólidos granulares.

Figura 2. 12 Eyector de servicios públicos que ceba una bomba centrífuga. (Cortesía de la División Penberthy de Stanwich Industries, Inc.)

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Figura 2. 13 Transportador de sólidos de entrada de tolva: (a) unidad grande con boquillas de lavado. (Cortesía de KETEMA, División Schutte & Koerting)

Bomba de basura tipo jet. Una aplicación difícil es la manipulación de corrientes de líquido que contienen desechos que tenderían a tapar la cámara de succión del eyector de entrada normal en ángulo recto. Para esta aplicación, la disposición en línea elimina la esquina problemática. La disposición de varios chorros en una configuración anular deja el centro abierto y barre las paredes vigorosamente en la entrada del difusor, como se muestra en la Fig. 2.14. A esto se le llama acelerador de basura. (¡Amo ese nombre!)

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Figura 2. 14 Bomba de basura. La disposición periférica de los chorros ayuda a minimizar las obstrucciones. (Cortesía de Derbyshire Machine & Tool, Inc.)

Bomba de lodos tipo jet. Una adaptación para bombear materiales sólidos líquidos realmente sucios es el eyector de chorro de líquido con una geometría de succión de estructura abierta para permitir que la mezcla de carga fluya fácilmente hacia el chorro de alta velocidad. Parte del líquido motriz se vuelve a rociar en el área de succión para ayudar a disolver y licuar grumos secos o duros en el lodo o lodo. El eyector se encuentra al final de un par de mangueras (corrientes de impulsión y descarga) y se lleva al lugar de trabajo manualmente o mediante una grúa o brazo. ¡Suena como una mejor manera de hacerlo!

Lavador eyector-venturi. El bombeo y la mezcla íntima en los eyectores se utilizan con ventaja en el lavador venturi para limpiar los gases contaminados en un rociado de líquido energético, como se muestra en la Fig. 2.15.

Condensador de vacío tipo jet. En un condensador de contacto directo, el agua fluye hacia abajo, condensando vapor y otros vapores, luego sale de la conexión de drenaje, llevando consigo algunos de los gases no condensables. En el diseño del condensador de chorro que se muestra en la figura 2.16, el agua se dirige hacia abajo en forma de varios chorros de alta energía dirigidos cuidadosamente a la conexión de drenaje, que funciona como un difusor. Los chorros arrastran y eliminan una cantidad tan grande de gas no condensable que a veces es práctico omitir una bomba de vacío, que generalmente se requiere para eliminar el aire. Este beneficio se obtiene a expensas de un uso de agua superior al normal.

2.8 Eyectores frente a otros dispositivos de bombeo Como tiende a indicar la revisión anterior de eyectores, pueden realizar muchos trabajos de bombeo, ¿por qué considerar otros dispositivos de bombeo? La respuesta es que, aunque los eyectores tienen algunas aplicaciones "naturales" que manejan mejor que cualquier otro dispositivo de bombeo, hay otras aplicaciones en las que claramente son la elección equivocada, y muchas áreas "difusas" donde se hace una comparación cuidadosa de las distintas los dispositivos de bombeo no favorecen claramente a ninguno de ellos. La geometría simple y la ausencia de partes móviles hacen que el eyector sea resistente. Puede manejar flujo de dos fases y no se daña por golpes; puede manejar sólidos; se encamisa o se aísla fácilmente para servicio a temperaturas extremas; y puede diseñarse para altas presiones o servicios peligrosos.

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Figura 2. 15 Depurador venturi. (Cortesía de KETEMA, División Schutte & Koerting)

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Figura 2. 16 Condensador de chorro. (Cortesía de KETEMA, División Schutte & Koerting)

En resumen, las principales ventajas del eyector son el bajo costo inicial, la simplicidad, la confiabilidad y la disponibilidad en casi cualquier material de construcción. Su principal desventaja, la baja eficiencia, resulta directamente de su característica única: no tiene partes móviles. Considere uno de los dispositivos de bombeo alternativos, una bomba centrífuga. El impulsor de la bomba puede acoplar suavemente el fluido bombeado y acelerarlo a alta velocidad para que la velocidad se pueda convertir en presión. A falta de tal pieza, el eyector debe mezclar el dispositivo de alta energía (el chorro) directamente con el fluido de carga para acelerarlo a alta velocidad. Esta mezcla es la fuente principal de la baja eficiencia de la mayoría de los eyectores. La baja eficiencia del eyector a menudo ha sido sobrecargada y distorsionada por personas que promueven una variedad de dispositivos de bombeo de vacío. Creo que un enfoque realista y práctico para cualquier comparación de alternativas para cualquier aplicación de bombeo debería ir mucho más allá de simplemente observar aquellos factores a los que se pueden asignar fácilmente valores de costo. A menudo es fácil estimar los costos de instalación y los costos operativos, luego desarrollar una conjetura informada sobre los costos de mantenimiento para cada alternativa. Los diseñadores de plantas realmente comienzan a ganar su salario cuando se embarcan en la tarea más difícil de desarrollar medidas precisas de los muchos factores cualitativos muy importantes. Entre ellos se encuentran la confiabilidad, la vida útil del equipo, la seguridad, los requisitos de habilidades de operación y mantenimiento, el almacenamiento de repuestos, la logística de reparación de equipos, la contaminación del producto y el medio ambiente, y los requisitos para el soporte técnico y de gestión de la instalación. En este libro compartiré con ustedes lo que sé sobre Página | 16

eyectores y comentaré sobre algunos otros dispositivos de vacío con los que estoy menos familiarizado.

2.9 Escalas de presión y medición Si desea obtener el mejor rendimiento de los sistemas eyectores de vacío, debe poder medir las presiones subatmosféricas con la precisión adecuada. Casi todo el mundo ha tenido ocasión de leer algún tipo de dispositivo de medición de presión, ya sea un barómetro, un manómetro de aceite de automóvil (hace años), un manómetro de vapor o aire, un manómetro o un instrumento diseñado específicamente para medidas de vacío. Lo que nos lleva a la pregunta: "¿Qué es un vacío?" Estrictamente hablando, un vacío es la ausencia de cualquier cosa, nada. Comúnmente, se usa para describir una presión que es más baja que la presión atmosférica, o un sistema a tal presión. Si hace un agujero en la pared del sistema, el aire entra en el sistema. Un método común para medir la presión en el vacío es conectar un dispositivo como un manómetro o un medidor de presión entre el interior del sistema y la atmósfera. La medida obtenida es la diferencia entre las presiones dentro y fuera del sistema. Luego, esa medida se resta de la presión atmosférica para obtener la presión absoluta. Debido a que la presión atmosférica se mide con un barómetro, a menudo se le llama presión barométrica. El procedimiento anterior suele ser suficientemente preciso cuando se miden presiones diferenciales pequeñas, pero se vuelve incómodo al medir las bajas presiones encontradas al trabajar con eyectores de aire a chorro de vapor. Por ejemplo, un manómetro de mercurio podría medir un vacío de 29,9 pulgadas de Hg por debajo de una presión barométrica estándar de 30,0 pulgadas de Hg. Tenga en cuenta que la presión barométrica de referencia debe estar dada o implícita para dar el significado completo de la medición. Una forma más sencilla de describir la misma presión es llamarla 0,1 pulgadas de Hg absolutos. La presión absoluta es más útil que la presión manométrica para gran parte de la teoría y los cálculos que involucran eyectores. La presión absoluta es la presión medida en relación con la presión que existe dentro de un vacío perfecto: cero. Aunque esa condición de referencia perfecta nunca se puede crear, se puede abordar lo suficientemente de cerca para muchos propósitos prácticos. Los métodos específicos para crear esa condición de referencia se describirán en el Cap. 8. En este capítulo terminaré este tema describiendo las relaciones entre la presión absoluta, la presión barométrica y las presiones de vacío y manométricas. La figura 2.17 muestra las relaciones gráficamente y en forma de ecuación. En este libro usaré torr, después de Torricelli, como unidad de medida de presión para sistemas de vacío. Este es un estándar aceptado internacionalmente. Un torr es igual a 1.0 mm de Hg absoluto. La presión atmosférica estándar al nivel del mar es de 760 torr. En otras unidades, es de aproximadamente 30 pulgadas de Hg, 14,7 psia o 34 pies de agua. Otro estándar común es el bar, igual a 750 torr, 100.000 pascales y 1000 mbar.

Vacío bruto Cuando se habla de presiones extremadamente bajas, resulta conveniente utilizar la notación científica. Por tanto, una centésima de torr se convierte en 1.0E-02 torr. Los tecnólogos del vacío han

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Figura 2. 17 Comparación de presiones: absoluta, atmosférica, vacío y manométrica.

encontrado útil referirse a cuatro rangos separados de presiones subatmosféricas [4]. Tenga en cuenta que esta convención se refiere a bajas presiones absolutas como altos vacíos. Vacío basto de 760 a 1 torr Medio vacío 1 a 1 E-3 torr Alto vacío 1 E-3 a 1 E-7 torr Vacío ultra alto de 1 E-7 torr y menos Se producen comportamientos de fluidos nuevos y exóticos a presiones muy bajas. El flujo molecular, la adsorción de gases en superficies sólidas y la difusión hacia afuera y a través de las paredes metálicas se vuelven importantes. Afortunadamente para nosotros, la mayoría de las principales operaciones de procesamiento en vacío se realizan en el rango de 0,1 a 760 torr [5].

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2.10 Escalas de temperatura La medición de la temperatura también es importante para una persona que trabaja con eyectores y, afortunadamente, la temperatura es relativamente fácil de medir con la precisión adecuada. Se encuentran dos complicaciones menores que deben manejarse con cuidado. Las escalas comunes que se utilizan para medir la temperatura son Fahrenheit (°F) y Celsius (°C). Para facilitar la calibración, estas escalas tienen ceros a temperaturas que son fáciles de crear en laboratorios. Sin embargo, los métodos teóricos y de cálculo hacen que sea más conveniente utilizar temperaturas absolutas. Al igual que la presión absoluta, la temperatura absoluta se mide en relación con una condición cero ideal: sin movimiento molecular. Las escalas de temperatura absoluta, Rankine (R) y Kelvin (K), tienen ceros en el cero absoluto. Cero en la escala de Rankine corresponde a -460 ° F, y un cambio de 1 °R equivale exactamente a un cambio de 1 °F. De manera similar, 0 K equivale a -273 °C, etc.

2.11 Termodinámica El tema de la termodinámica trata de las propiedades de los materiales y cómo se ven afectados por los procesos que funcionan o calientan y hacen que el material cambie de un estado sólido, líquido o vapor a otro. Por ejemplo, las leyes de los gases describen las relaciones entre la presión y la temperatura y el volumen ocupado por una cantidad de gas. También describen cómo un gas se enfría y alcanza una alta velocidad a medida que se expande a través de una boquilla, cómo se mezcla con una corriente de gas de succión y cómo la mezcla se ralentiza y se calienta a medida que aumenta la presión en el difusor. Para los condensadores, usamos la termodinámica para describir la cantidad de calor liberado a medida que el vapor y los vapores se condensan, y cuánto vapor acompaña a los gases que emergen del respiradero de un condensador y entran en la siguiente etapa de eyector o salen a la atmósfera. Estoy introduciendo estos conceptos de termodinámica aquí para presentar a los lectores que no son ingenieros algunos conceptos básicos y términos técnicos que pronto encontrarán, aunque la teoría y las ecuaciones más detalladas solo aparecerán en capítulos posteriores. Términos como entalpía, calor específico y entropía se utilizan para definir la naturaleza de ciertos procesos, como el flujo a través de una boquilla. Las leyes ideales son ecuaciones simples que describen aproximadamente cómo se comportan los materiales en un rango limitado de condiciones. Las leyes ideales suelen ser lo suficientemente precisas para el diseño de ingeniería o estimaciones aproximadas. A veces, se deben hacer correcciones para el comportamiento no ideal de gases o mezclas líquidas para obtener la precisión necesaria. Algunos términos importantes se encuentran al principio de un estudio de eyectores de chorro de gas. La relación de expansión es la relación entre la presión absoluta del gas motor y la presión absoluta de succión. Si la presión motriz se mantiene constante y la presión de succión se reduce gradualmente (la relación de expansión aumenta), el flujo másico seguirá aumentando hasta que la relación de expansión alcance aproximadamente 2. En esa condición, se alcanza el flujo máximo a través de la boquilla y el gas saldrá de la boquilla a la velocidad del sonido de ese gas. Si la relación de expansión es mayor que aproximadamente 2, el gas que sale de la boquilla tendrá una velocidad mayor que la velocidad del sonido para ese gas. Esa condición se llama flujo crítico. Una mayor reducción de la presión de succión no cambiará el flujo motor. Por lo tanto, las boquillas de flujo Página | 19

crítico son dispositivos de flujo constante cuando las condiciones aguas arriba permanecen constantes. La relación de compresión es la presión de descarga absoluta dividida por la presión de succión absoluta. Por lo tanto, una etapa de eyector que acepta aire a 10 torr y lo entrega a 80 torr tiene una relación de compresión de 8. Al igual que con la boquilla, la operación general del eyector se define como crítica si la relación de compresión de diseño es mayor que 2. Si la etapa fue diseñada para tener un rango estable completo, el efecto resultante es que la reducción de la presión de descarga no afectará las condiciones de succión.

2.12 Estática y dinámica de fluidos Otra área de estudio de ingeniería que es bastante útil para trabajar con eyectores es la estática y dinámica de fluidos. La estática se ocupa de la forma en que la presión actúa sobre los fluidos y la forma en que la presión aumenta con la profundidad en un líquido o gas, y la propiedad del fluido de mayor interés aquí es la densidad. La dinámica se ocupa del comportamiento de los fluidos a medida que se mueven. Se usan comúnmente términos como viscosidad, velocidad, momento, eficiencias, coeficientes de flujo y energía cinética. Estos temas se discutirán en detalle en capítulos posteriores.

2.13 Condensadores La función de un condensador es reducir la carga total que va a una etapa de eyector o a la atmósfera enfriando y condensando la mayor parte del vapor de agua y el vapor de proceso condensable. El condensador más simple es el tipo de contacto, en el que el agua de condensación se rocía hacia abajo y enfría una corriente de gas/vapor ascendente. Parte del gas no condensable se lavará con el agua, pero normalmente la mayoría pasará por la conexión de ventilación en la parte superior. El gas de ventilación enfriado pasa luego a la siguiente etapa o a la atmósfera. Por lo general, es deseable evitar la contaminación del agua de enfriamiento, por lo que un condensador de superficie transfiere calor entre las dos corrientes. El capítulo 5 trata este tema en profundidad.

2.14 Convenciones de numeración y denominación de etapas y configuraciones Debido a que muchos sistemas de eyectores tienen más de una etapa y pueden tener uno o más condensadores, es importante tener un método para referirse a ellos de una manera que identifique claramente de qué estamos hablando. Existe una autoridad clara para este tema, pero hay muchas excepciones en la práctica actual y pasada. Los revisaré aquí y le recomendaré que permanezca alerta a posibles errores de interpretación a medida que lea y analice los eyectores. HEI1 es el estándar dominante en los Estados Unidos. La etapa 1 es la primera etapa a la que fluye el vapor del proceso, y los números de las etapas posteriores siguen la secuencia de flujo del proceso. HEI recomienda nombrar las etapas alfabéticamente, de modo que la última etapa sea Z, la etapa anterior sea Y, etc. A los precondensadores (condensadores antes de la primera etapa) se les asigna la letra P, a los condensadores posteriores (condensadores después de la última etapa) se les asigna la letra A, y a

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Estándares para sistemas de vacío por chorro de vapor, 4a ed, Heat Exchange Institute, Cleveland, OH: 1988

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los intercondensadores se les asigna una etiqueta de dos letras que identifica las etapas anterior y siguiente. Un dibujo anotado de esta manera es fácil de consultar. Las referencias escritas son más complicadas. Un eyector de una etapa con un condensador posterior se llamaría ZA. Los sistemas de varias etapas son más fáciles de visualizar si hay un guion entre cada dos componentes. Por tanto, un sistema de tres etapas con dos intercondensadores se denominaría X-XY-YYZ-Z. Si hubiera un precondensador y un poscondensador, se convertiría en P-X-XY-Y-YZ-Z-A. Un sistema de seis etapas con dos intercondensadores y un poscondensador sería U-V-W-X-XY-Y-YZZ-A. Algunos fabricantes utilizan otras convenciones de nomenclatura, que pueden haber cambiado a lo largo de los años. Graham comenzó usando A, B y C para sistemas de tres etapas. A medida que la tecnología se extendió a presiones absolutas más bajas, agregaron etapas AA, luego AAA, etc. Schutte & Koerting eligió otra convención lógica, pero diferente. A los eyectores de una etapa se les dio el nombre de S. La primera etapa de un sistema de dos etapas fue T, y la primera de un sistema de tres etapas fue Th. Esto se extendió a presiones más bajas como F, Fv, etc. Otros fabricantes simplemente enumeran las etapas 1, 2, 3 en el orden del flujo del proceso. Una breve descripción de la configuración suele ser útil, incluso si puede resultar ambigua. Un ejemplo es 42c o 4-2c, que indica cuatro etapas y dos condensadores. Por lo general, se supondría que los condensadores siguen las etapas 2 y 3. Sin embargo, también podría interpretarse como un intercondensador después de la etapa 2 y un condensador posterior. Otra incertidumbre es que los tipos de condensadores aún no están identificados y pueden ser tanto de superficie como de contacto directo en un sistema. Recomiendo la práctica de Hicks Hargreaves de usar J (jet = chorro) para condensadores de contacto y V (vertical) o H (horizontal) para condensadores de superficie. Esta es una convención de nomenclatura inequívoca que evita conflictos con los sistemas anteriores y con palabras como Contacto/Condensador (Contact/Condenser) y Superficie/Pulverización (Surface/Spray). Luego, puede usar cualquiera de las convenciones de nomenclatura de etapas y dejar que los condensadores previos y posteriores se identifiquen funcionalmente por su posición en el sistema. Por lo tanto, un sistema residencial con un precondensador de superficie vertical y un primer intercondensador horizontal con un intercondensador final de contacto y un poscondensador podría describirse como V-X-H-Y-J-Z-J, V-A-H-B-J-C-J, V-1-H-2-J-3-J, o V-Th-H-T-J-S-J. Sigue habiendo una pequeña ambigüedad entre la etapa V y el condensador vertical, pero eso no debería ser un problema. Mi elección personal de convenciones depende de las circunstancias. En el campo, tiendo a usar la convención 1, 2, 3 para nombrar escenarios, a menos que las personas con las que estoy trabajando muestren otra preferencia. Solo en las comunicaciones escritas es probable que la ambigüedad sea una preocupación. Divertido, ¿eh?

2.15 Evacuación/carga constante, un solo punto frente a curva extendida Aunque los eyectores a menudo se especifican y diseñan para manejar una combinación específica de carga y presión de succión, esa es solo una representación simplificada de la función general que deben realizar. Primero, el eyector normalmente tiene que arrancar con el sistema de proceso a Página | 21

presión atmosférica. Extrae gases y vapores del sistema de proceso y después de un tiempo alcanza la presión deseada del sistema, asumiendo que no hay ningún problema. Normalmente, la carga que sale del sistema de proceso es menor que la carga de diseño y tiene una composición y temperatura diferentes. A menudo, el operador desea operar el sistema a una presión superior a la presión de diseño. Durante cualquier prueba de rendimiento de campo, un técnico de prueba desea medir las presiones de succión de la etapa cuando el eyector está manejando carga cero. Por todas las razones anteriores, el rendimiento del eyector implica más que la carga de diseño y la presión de succión. Aquí nuevamente, estoy simplemente presentando algunas ideas para condicionar su pensamiento a los detalles que vendrán en capítulos posteriores.

2.16 Preguntas y respuestas habituales sobre eyectores P. ¿No son los eyectores básicamente dispositivos de flujo másico constante, mientras que las bombas mecánicas son básicamente dispositivos de flujo volumétrico constante? R. Sí. P. ¿No son difíciles de ejecutar las pruebas de carga cero porque los eyectores son contraproducentes con carga cero? R. Las etapas de expulsión pueden especificarse y diseñarse para que sean estables a carga cero utilizando un poco más de vapor. Entonces, una etapa contraproducente indica un problema. P ¿Existe un arte en "ajustar" un sistema eyector para que funcione mejor? R. Un sistema de expulsión correctamente diseñado e instalado en general se puede encender y apagar sin ajustes sofisticados. La instrumentación adecuada y los procedimientos operativos claros permitirán que cualquier operador competente ejecute uno. Un eyector "enfermo" debe diagnosticarse y curarse. La "puesta a punto" de un sistema eyector en un clima frío para ahorrar vapor y/ agua de enfriamiento puede crear problemas en un clima cálido o si aumenta la fuga de aire. Ver cap. 8. P. ¿Debe descargarse la última etapa directamente al aire porque los eyectores no funcionan contra mucha contrapresión? R. Los eyectores pueden diseñarse fácilmente para trabajar contra cualquier presión de descarga razonable, o modificarse posteriormente para hacerlo. A menos que se le solicite lo contrario, el fabricante diseñará la última etapa para descargar contra 0,5 o 1,0 psig. Si un diseño predeterminado de este tipo está conectado a una línea de descarga larga, sumergido profundamente en un pozo caliente o conectado a una chimenea de antorcha o depuradora remota, es posible que no funcione en absoluto. P. ¿Puedo usar la penúltima etapa de un sistema de expulsión como reemplazo de la penúltima etapa en otro sistema? R. Rara vez funcionará bien. La mayoría de los sistemas eyectores de proceso están diseñados a medida para la aplicación específica, y la combinación de carga, presión de vapor motriz y presiones de succión y descarga rara vez resultan bien. A menudo, se puede sustituir una última etapa si las

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presiones de vapor de diseño coinciden, pero el resultado suele ser una última etapa sobredimensionada o un sistema de capacidad reducida.

2.17 Fases importantes en la vida de un eyector Se puede hacer que los sistemas eyectores funcionen eficazmente durante toda su vida si las personas que trabajan en ellos tienen el cuidado adecuado. También pueden ser derrotados por un tratamiento desinformado de muchas maneras. Estas son algunas de las actividades que considero importantes, descritas como un estado existente de excelencia. En la fase de diseño del proceso, se realizan estimaciones realistas de costos, desempeño y factibilidad. Durante la fase de adquisición, las especificaciones escritas son completas y precisas, las ofertas se evalúan de manera realista y se toman decisiones constructivas sobre las pruebas en el taller y su presencia. En la fase de diseño detallado, la instalación permite que el sistema de expulsión funcione según lo previsto, con comodidad, seguridad y facilidad de mantenimiento para las personas que trabajarán con el expulsor. Cualquier sistema de control de la presión de vacío está integrado con el diseño del eyector y se anticipan todas las condiciones de funcionamiento razonables. Los procedimientos de construcción, inspección y puesta en marcha garantizan que el sistema instalado funcione según lo previsto. El personal de operación, prueba y mantenimiento está coordinado e informado de modo que se logre la confiabilidad a largo plazo, sin fallas graves que puedan anticiparse mediante un monitoreo e inspección modestos. La resolución de problemas es realizada por personas capacitadas en áreas de trabajo accesibles, utilizando instrumentos de calidad e informados por buenos registros. Las modificaciones y reparaciones se realizan de manera informada para preservar el rendimiento y la capacidad del sistema eyector. Los registros están lo suficientemente completos como para que la operación de la planta mejore con el tiempo.

2.18 Referencias generales a sistemas eyectores Los fabricantes de eyectores ofrecen descripciones concisas de eyectores de chorro de vapor [3, 6, 7, 8, 9]. Cada uno aborda el tema de una manera diferente, por lo que puede encontrar que algunos se adaptan mejor a sus necesidades individuales que otros. Si planea pasar mucho tiempo con eyectores, es posible que desee leer varios de ellos. En algunas de las referencias anteriores y en la literatura de otros fabricantes se encuentran pautas para la instalación, funcionamiento, resolución de problemas y mantenimiento de los eyectores. He tomado prestadas ideas de todos ellos para este libro. Encontré un pequeño folleto especialmente rico en sugerencias para solucionar problemas de un sistema de expulsión existente [10].

2.19 Referencias 1. Standards for Steam Jet Vacuum Systems, 4th ed, Heat Exchange Institute, Cleveland, OH: 1988. 2. Penberthy Bulletin 1100, Section 1000, Penberthy Div. of Stanwich Industries, Inc., May 1987. 3 "Ejectors and Their Applications," AMETEK, Schutte & Koerting Division, 1981. 4 "Vacuum Technology, Its Foundations, Formulae and Tables," PN 99.800.004, Leybold-Heraeus Vacuum Products, Inc., p. 34. 5 J. L. Ryans and Daniel L. Roper, Process Vacuum System Design & Operation, McGraw-Hill, New York, 1986.

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6 "Jet Ejectors," Bulletin 70-B, Graham Manufacturing Co. 7 "Steam Jet Ejectors," Bulletin 5E-H, AMETEK, Schutte & Koerting Division. 8 "Vacuum Systems," Bulletin E68A, Croll-Reynolds Co., Inc. 9 "Vacuum / Pressure Producing Machines and Associated Equipment," Hick Hargreaves & Co. Ltd, England. 10 Victor V. Fondrk, "How to Keep Your Ejectors Up to Snuff," distributed by Unique Systems, Inc. 11 F. Duncan Berkeley, "Ejectors Have a Wide Range of Uses," Petroleum Refiner, 37: 95-100, December 1958.

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