1. Eficiencia energética en industrias de proceso

Las preocupaciones ambientales son cada vez más urgentes, ya que las manifestaciones del calentamiento global están causando diversos daños en todo el mundo. Muchas empresas han aceptado asumir su responsabilidad e incluido la protección ambiental, a menudo mediante el ahorro energético, en sus políticas corporativas. Mientras que en algunos sectores los principales consumidores de energía están bien identificados, las empresas que operan en el campo del manejo de sólidos a granel a veces tienen dificultades para encontrar formas evidentes de mejorar su huella ambiental, evaluar el impacto de los cambios o elaborar propuestas de inversión viables orientadas al ahorro energético.

Este artículo tiene como objetivo revisar los diferentes potenciales de ahorro energético que las empresas que operan o diseñan procesos de manejo de polvos pueden desbloquear. Se centra en operaciones unitarias comunes presentes, en mayor o menor medida, en todos los procesos de sólidos a granel (transporte neumático, mezcla, filtros de chorro pulsante, etc.). Otras fuentes de ahorro pueden encontrarse, pero pueden ser más específicas de las industrias donde se opera el proceso y no se detallan en el artículo (secado por aspersión, manejo de aire en alimentos o farmacéutica, etc.).

En el artículo se proporcionan ejemplos de cálculos de ahorro. Su objetivo es ayudar al lector a evaluar el orden de magnitud de la ganancia que puede esperarse y guiarlo en la construcción de un caso para presentar a la dirección de la planta con el fin de implementar los cambios requeridos.

2. ¿Cómo reducir el consumo energético de los procesos de sólidos a granel?

2.1 Transporte neumático: Fase Diluida

El transporte neumático constituye un pilar fundamental en el procesamiento de sólidos a granel, ofreciendo soluciones versátiles para el transporte de materiales. El transporte en fase diluida, caracterizado por sólidos en suspensión en el aire de transporte, representa un método prevalente debido a su simplicidad y adaptabilidad. Sin embargo, la optimización de los sistemas de transporte en fase diluida es primordial para reducir el consumo energético. Modificaciones a considerar: Prácticas Operativas Mejoradas: Colabore con expertos en transporte neumático para ajustar los parámetros de transporte, optimizando la velocidad del soplante y la relación de carga de sólidos para mejorar la eficiencia energética. Integración de Automatización: Implemente temporizadores y variadores de frecuencia para regular la operación del soplante, reduciendo el desperdicio de energía durante los períodos de inactividad.

En las industrias de procesamiento de sólidos a granel, el transporte neumático es una de las soluciones preferidas para transportar materiales entre operaciones unitarias. Puede adaptarse a todo tipo de distribuciones y ofrece un buen confinamiento de los materiales. El transporte neumático en fase diluida, en el que los sólidos transportados están en suspensión en el aire de transporte, es uno de los procesos más comunes y extendidos, ya que es bastante simple de diseñar y operar.

El dispositivo de movimiento de aire suele ser un soplante Roots que puede ubicarse al inicio de la línea (fase diluida a presión) o al final de la línea (fase diluida al vacío).

La experiencia muestra que la operación de la línea de transporte no siempre está bien dominada por los operadores de la planta. Lo que es importante en primera instancia para los operadores es que la línea no se obstruya y alcance un rendimiento definido; por lo tanto, tienden a operar el soplante a alta velocidad, lo que les parece más seguro (lo que en realidad no es del todo cierto). Estos soplantes tienen motores de varios kW.

El ingeniero que busca ahorros energéticos puede entonces aplicar una verificación rápida calculando la velocidad del aire en la tubería de transporte y la relación de carga de sólidos. De hecho, las líneas de transporte en fase diluida tienen velocidades típicas de 20 a 30 m/s al final de la línea y relaciones de carga de sólidos de alrededor de 5 a 10. Si los valores calculados para la línea son significativamente diferentes, con una velocidad de transporte más alta y una relación de carga de sólidos más baja, entonces puede haber posibilidad de reducir la velocidad del soplante y ahorrar energía. Se puede organizar una prueba (siempre realizando un análisis de riesgo) con la ayuda de un experto en transporte neumático para encontrar los parámetros óptimos de transporte.

Ejemplo

Un soplante se utiliza para transportar un producto a 4.5 t/h en una fábrica, mientras que la fábrica se queja de una alta rotura del producto.

Condiciones actuales

• Soplante al 100%
• La hoja de datos de rendimiento del soplante indica, bajo 520 mbar g de presión de descarga, un flujo de 1066 Nm³/h y una potencia en el eje de 20.6 kW.
• La velocidad del aire en la recogida del producto es entonces de 29.8 m/s en las condiciones de descarga del soplante.
• La relación aire-sólidos es 4.5/1.3 = 3.46

En la mayoría de los casos, la velocidad de recogida requerida ronda los 16 a 20 m/s (puede determinarse por experiencia o estimarse mediante correlaciones que calculan la velocidad de saltación). La relación de carga de sólidos para un transporte en fase diluida puede estar entre 5 y 10. El ingeniero sugiere una prueba para operar el soplante más lento, apuntando a 20 m/s al inicio de la línea.

Nuevas condiciones

• Soplante al 66% descargando alrededor de 700 Nm³/h de aire
• La prueba muestra una caída de presión de 400 mbar g. Los datos de rendimiento del soplante se utilizan para calcular la potencia en el eje para esta velocidad y presión: 11 kW.
• La relación de carga de sólidos es 4.5/0.858 = 5.2
• La presión es estable y el ingeniero decide continuar operando en esas condiciones.

Los ahorros pueden calcularse de la siguiente manera:

• La línea opera 8000 h/año
• Ahorro total (20.6-11)*8000 = 76800 kWh
• Precio del kWh en el país = 10 céntimos
• Ahorros = 7680 USD/año

Es interesante señalar que optimizar la velocidad del aire también tiene como ventaja reducir la atrición del material durante el transporte y disminuir el desgaste de las tuberías, aportando beneficios en términos de calidad y mantenimiento.

Otro aspecto interesante del transporte en fase diluida es que, en muchos casos, la línea funciona... ¡sin transportar producto! Para simplificar la automatización y evitar riesgos relacionados con el arranque y parada frecuente del soplante, los operadores de la planta pueden verse tentados a dejar el soplante en funcionamiento entre dos transferencias de producto. Este desperdicio de energía puede abordarse fácilmente implementando un temporizador para detener automáticamente el sistema después de cierto tiempo y, para soplantes con variador de frecuencia, reducir la velocidad del soplante durante los tiempos de espera. Esto puede generar ahorros interesantes para la planta sin costo alguno.

2.2 Transporte en fase densa a presión

Estrategias de Optimización: Evaluación del Régimen de Transporte: Evalúe la velocidad del aire y la relación de carga de sólidos para asegurar la operación en modo de fase densa, minimizando el consumo de aire comprimido. Ajuste de Parámetros: Ajuste los temporizadores y configuraciones de válvulas para lograr un transporte eficiente de materiales, minimizando el gasto energético. Eliminación de Operaciones de Lavado: Evite operaciones innecesarias de lavado de la línea después de la transferencia para reducir aún más el consumo energético.

El transporte en fase densa a presión también puede ser una fuente importante de desperdicio de energía si el proceso no está bien dominado o mantenido. Los sólidos se transportan gracias al aire comprimido que presuriza los tanques de soplado y la línea de transporte. Dado que el aire comprimido es costoso de producir, cualquier sobreconsumo generará rápidamente costos sustanciales.

Verificar los parámetros de transporte y, especialmente, calcular el flujo másico de aire que se utiliza realmente para transportar el producto es un buen reflejo. El transporte en fase densa a presión debe diseñarse para operar a baja velocidad, típicamente 3-8 m/s, y con altas relaciones de carga de sólidos, típicamente > 30. Si el ingeniero llega a la conclusión de que la velocidad del aire es significativamente mayor y la relación de carga de sólidos significativamente menor que estos valores, es probable que haya margen de mejora. Alcanzar el régimen de transporte correcto reducirá el consumo de aire y generará ahorros.

Ejemplo

Una fábrica transporta una materia prima en fase densa. Cuando el ingeniero estudia las tendencias del proceso, se da cuenta de que la presión es bastante baja, lo que le lleva a calcular la relación de carga de sólidos. La línea transporta 4.5 t/h de producto y utiliza alrededor de 350 Nm³/h.

Condiciones actuales

• Relación aire-sólidos = 4500 / (350*1.2) = 10.7

10.7 es una relación de carga de sólidos baja; probablemente el transporte NO es en fase densa. El ingeniero consulta el informe de pruebas de la planta piloto y obtiene la información de que este producto puede transportarse con una relación de 30.

Nuevas condiciones

• El flujo de aire de transporte puede calcularse para una relación de 30: 4500/(30*1.2) = 125 Nm³/h.
• Se organiza una prueba. El ingeniero ajusta los temporizadores para la apertura de las diferentes válvulas de aire en el sistema y obtiene una presión estable. La presión de transporte es mayor, ya que hay más material en la línea, pero el transporte se realiza en fase densa.

Ahorros

• La línea consume 225 Nm³/h menos de aire comprimido.
• Costo de 1 Nm³ de aire comprimido en la fábrica = 1 céntimo.

La línea opera alrededor de 4000 h al año (transporte por lotes).

• Ahorros = 225*4000*0.01 = 9000 USD.

Los sistemas de transporte en fase densa deben diseñarse para evitar fuertes lavados de la línea al final de una transferencia (aunque esto pueda ser requerido debido a especificidades del producto). Eliminar esta operación de la secuencia de transporte también puede generar ahorros.

2.3 Filtros

Eficiencia Operativa: Optimización del Intervalos de Pulsos: Determine los intervalos de pulso óptimos basados en la carga de polvo y el tamaño del filtro para minimizar el consumo de aire comprimido. Monitoreo de Caída de Presión: Implemente el monitoreo de la caída de presión para ajustar los intervalos de pulso y asegurar una limpieza efectiva del filtro sin gasto energético innecesario. Utilización de Automatización: Emplee sistemas de automatización para regular los intervalos de pulso y sincronizar la limpieza del filtro con los requisitos operativos para una mayor eficiencia energética.

Muchos filtros están equipados con un sistema de chorro pulsante de aire comprimido para desobstruirlos. Esto es particularmente cierto en el caso de los filtros ubicados en los receptores de las líneas de transporte, que suelen ser bastante grandes (varios m²). El sistema de chorro pulsante suele estar gobernado por un temporizador con intervalos muy frecuentes. Al visitar una fábrica, es fácil escuchar un filtro cuyo sistema de chorro pulsante no está correctamente ajustado y, por lo tanto, desperdicia aire comprimido.

Para tales filtros, un pulso cada 30 s a 1 min suele ser un buen punto de partida, que puede refinarse monitoreando la caída de presión a través del filtro y ajustando en consecuencia. Además, no es necesario mantener el retro-lavado del filtro durante mucho tiempo después de que haya finalizado el transporte. Los ahorros potenciales suelen ser más significativos de lo esperado por los propietarios de las plantas cuando se consideran todos los filtros presentes en un proceso.

Ejemplo

Un filtro de pequeño tamaño de 6 m² tiene un sistema de chorro pulsante equipado con un tanque de aire de 10 litros comprimido a 4 bar g para la limpieza del filtro. El filtro se limpia cada 15 s, pero la carga de polvo es baja, lo que lleva al ingeniero a intentar modificar el pulso a 1 min.

Condiciones actuales

• Consumo de aire / h = 3600/15*4*10 = 9600 l/h = 9.6 Nm³/h

Nuevas condiciones

• Consumo de aire / h = 3600/60*4*10 = 2400 l/h = 2.4 Nm³/h

Ahorros

• Operación de la línea = 8000 h/año
• Ahorros = (9.6-2.4)*8000 = 57600 Nm³/año
• Con un costo de 1 Nm³ de 1 céntimo, el ahorro es de 576 USD/año
• Dado que hay muchos filtros de este tipo en una instalación, los ahorros pueden ascender de cientos a miles de dólares al año. Los ahorros serán más o menos importantes dependiendo del tamaño del filtro, ya que los filtros grandes pueden tener colectores de aire comprimido de hasta 30 l.

2.4 Mezcla (por lote)

Los mezcladores suelen estar equipados con motores de varios kW. Optimizar el proceso aquí no siempre genera ahorros muy grandes, pero ayuda a establecer una mentalidad que, aplicada a toda la línea de procesamiento de polvos, contribuirá positivamente al ahorro de costos y al cuidado del medio ambiente.

La acción en este caso consiste en optimizar el tiempo de mezcla para que el motor del mezclador se active solo cuando sea necesario. Las observaciones industriales demuestran que los mezcladores por lotes suelen operarse lejos de su punto óptimo. Realizar una validación adecuada de la mezcla ayudará a definir el tiempo mínimo necesario para alcanzar el objetivo de homogeneidad del fabricante. Ahorrar entre 1 y 5 minutos por lote puede ser significativo cuando el mezclador se utiliza con frecuencia. A continuación, se explica cómo calcular los ahorros potenciales; sin embargo, cabe destacar que optimizar el tiempo de ciclo del mezclador tendrá como consecuencia principal el aumento de la capacidad de producción, la reducción de los costos operativos, evitar inversiones en nuevos equipos y, por lo tanto, generar ahorros sustanciales.

Ejemplo

Una planta opera un mezclador de paletas de doble eje equipado con un motor de 15 kW

Situación actual

• Tiempo total de mezcla = 4 min

El ingeniero considera que los mezcladores de paletas de doble eje están diseñados para tiempos de mezcla cortos, del orden de 1-2 min. Dado que existe un potencial de optimización, se realiza una nueva validación de la homogeneidad. Esta muestra que la mezcla alcanza el objetivo de homogeneidad después de 2 minutos de mezcla.

Nueva situación

• Tiempo total de mezcla = 2 min

Ahorros

• 10 lotes / h, 5000 h/año (considerando tiempos muertos por cambios de producción, etc.)
• 10 * 5000 = 50000 lotes / año
• Ahorro = 50000 * 2 / 60 * 15 = 25000 kWh
• Costo asumido 10 céntimos / kWh, ahorro = 2500 USD / año

2.5 Diseño

Principios de diseño para el ahorro de energía: Simplificación del diseño: Optar por configuraciones de diseño directas para minimizar la caída de presión y el consumo energético. Optimización de equipos: Asegurar que el dimensionamiento de los equipos sea adecuado para evitar un gasto energético innecesario. Integración de automatización: Diseñar sistemas de automatización para optimizar la operación de los equipos y minimizar el desperdicio de energía durante períodos de inactividad. Maximización del flujo por gravedad: Priorizar el flujo de materiales por gravedad para reducir la dependencia de transportadores mecánicos o neumáticos, conservando energía.

Si bien muchos ahorros energéticos pueden lograrse optimizando instalaciones existentes, los resultados ambientales y económicos serán aún mejores si estos principios se integran desde el diseño. Los siguientes consejos deben seguirse para diseñar una instalación competitiva de manejo de sólidos a granel:

• Diseño simple de líneas de transporte neumático: longitudes adicionales y codos generan caída de presión adicional y, por lo tanto, mayor consumo energético
• Determinar experimentalmente la velocidad mínima de transporte del material a transportar. Como se muestra, una velocidad mayor a la requerida generará un sobreconsumo energético significativo
• Controlar los márgenes considerados por el fabricante: los sopladores a veces están sobredimensionados
• Un posenfriador suele colocarse después de un soplador en sistemas de transporte en fase diluida a presión; sin embargo, esto no siempre es necesario. Instálelo solo si se demuestra que el sistema o el producto no pueden soportar el aumento de temperatura debido a la compresión del soplador.
• Para fase densa, realizar ensayos experimentales para diseñar la línea capaz de transportar la mayor relación de carga posible
• Diseñar el sistema de automatización para evitar que una línea funcione sin producto. Incorporar un temporizador para apagar la línea si no hay solicitud durante un tiempo determinado.
• Preferir el flujo de polvos por gravedad, lo que permite reducir el uso de líneas de transporte, ya sean mecánicas o neumáticas
• Asegurarse de que el aire tratado no se pierda, sino que se recicle

2.6 Mantenimiento

Mantenimiento de la eficiencia: Inspecciones periódicas: Realizar inspecciones regulares de los sistemas de aire comprimido para detectar y corregir ineficiencias, garantizando un funcionamiento óptimo. Detección de fugas: Utilizar mecanismos de detección de fugas para identificar y reparar rápidamente fugas de aire comprimido, evitando el desperdicio de energía. Capacitación de operadores: Brindar capacitación integral a los operadores sobre el mantenimiento y optimización de sistemas de aire comprimido, fomentando una cultura de conciencia y eficiencia energética.

Asegurar que el proceso sea energéticamente eficiente por diseño es un primer paso necesario; sin embargo, a largo plazo, los ahorros se materializarán mediante un estricto mantenimiento de los equipos del proceso. Esto es particularmente cierto para el consumo de aire comprimido, ya que los reguladores de presión pueden ajustarse incorrectamente o las válvulas solenoides fallar con el tiempo, lo que lleva a un mayor consumo de aire comprimido.

Todas las configuraciones de aire comprimido deben mapearse y controlarse periódicamente, al menos semanalmente, por los operadores. Estas inspecciones regulares también son una oportunidad para identificar fugas de aire comprimido que ocurren ocasionalmente en las conexiones y que pueden resultar muy costosas si no se abordan de inmediato.

3. Conclusiones

Es posible identificar múltiples fuentes de ahorro energético en un proceso de manejo de sólidos a granel; este artículo se centra solo en algunas de ellas. Los ahorros no siempre son individualmente muy elevados, pero un enfoque sistemático permitirá sumar fuentes individuales de ahorro, lo que puede mejorar significativamente la competitividad de un proceso. Una instrumentación adecuada y el mantenimiento de la instalación garantizarán que esta opere cerca de su óptimo energético y ayudarán a desarrollar una conciencia ambiental dentro de la empresa.

En resumen:

Tabla 1 : Consejos para el ahorro de energía en industrias de procesamiento de polvos

Área	Diseño	Ahorros en	Operación
Transporte neumático en fase diluida	Electricidad	# No sobredimensionar en exceso la instalación # Trabajar en el diseño de la tubería para hacerlo lo más simple posible, esto reducirá la caída de presión y el consumo energético # Utilizar herramientas de cálculo de diseño validadas para optimizar el diseño	# Prever temporizadores para detener el soplador si no hay transporte durante cierto tiempo # Ajustar la velocidad del soplador para optimizar la velocidad de transporte. Transportar con una velocidad excesiva consumirá mucha electricidad y podría dañar el material # Monitorear la presión para asegurarse de que no haya obstrucciones que puedan generar mayores tasas de compresión y consumo energético
Transporte neumático en fase densa	Aire comprimido (Electricidad)	# Realizar pruebas en planta piloto para optimizar la relación de carga de sólidos; menos aire por kg de producto transportado reducirá la carga en los compresores y generará ahorros	# Evitar purgas al final del transporte cuando no sean necesarias, esto consume gran cantidad de aire comprimido # Verificar el regulador de presión para evitar sobreconsumo de aire comprimido. Recalcular periódicamente la relación de carga de sólidos para confirmar que la línea funcione correctamente
Mezcla	Electricidad	# Optimizar el diseño para que el equipo se utilice al máximo	# Optimizar el tiempo de mezcla para evitar que el motor de varios kW del mezclador funcione demasiado tiempo sin mejorar la homogeneidad
Acondicionamiento de aire	Electricidad, vapor, agua enfriada	# Reducir las fugas de aire en el edificio # Recircule aire de proceso limpio siempre que sea posible, esto reducirá la necesidad de tratamiento del aire externo. La UTA (Unidad de Tratamiento de Aire) debe estar diseñada para este fin	# Realice seguimiento de la temperatura del aire en la instalación y la humedad relativa, asegúrese de que se mantengan dentro de las especificaciones
Mantenimiento general	Aire comprimido (Electricidad)		# Elabore una lista de verificación para inspección de todos los reguladores de presión en las líneas de proceso, especialmente el soplado de aire en sellos de rodamientos, filtros de sistemas de limpieza por pulsos de aire ("pulse jet") o sistemas de fluidización en tolvas