optimización del uso del vapor para el calentamiento de...

UNIVERSIDAD DEL BíO- BíO

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

"Optimización del uso del vapor para el calentamiento de agua

industrial en la planta de blanqueo CMPC CARTULINAS, Planta

Maule"

Informe de Seminario de Título presentado en

conformidad a los requisitos para optar al Título de

Ingeniero de Ejecución en Mecánica.

Profesor Guía:

Sr. Luis Cerda Miskulini.

JULIO CESAR VALENZUELA RIQUELME.

CONCEPCION-CHILE

2015

Universidad del Bío-Bío. Sistema de Bibliotecas - Chile

Dedicatoria

Dedico este trabajo por sobre todo a Dios, que me regalo la vida, a mi madre que me trajo al

mundo y a la hermosa familia que tengo.

A mi esposa Mariela, por su paciencia y apoyo a toda prueba, por estar en los buenos y

malos momentos conmigo, además de confiar siempre en mí.

A mis hijas, Francia y Camila, por comprender mi ausencia durante este periodo.

Y por último gracias a todas las personas que ayudaron directa e indirectamente en la

realización de este proyecto

Agradecimientos

Emprender esta tarea, pendiente para mí desde hace muchos años, sin duda ha sido uno de

los desafíos más grandes de mi vida.

La lista es larga pero quiero resumir los agradecimientos a las siguientes personas:

Sr. Edin Paredes Cárcamo, Subgerente de proyectos, Cartulinas CMPC

Sr Juan Jara Díaz Ingeniero de Procesos Cartulinas CMPC

Un especial agradecimiento al profesor Luis Cerda Miskulini, del Departamento de Ingeniería

Mecánica, por toda su ayuda y apoyo desde el principio, un gran profesor.

A todos ellos, Gracias.


Contenido

Capítulo I “Antecedentes generales” ............................................................................................................... 1

1.1 Introducción .................................................................................................................................................. 1

1.2 Origen del tema ............................................................................................................................................ 2

1.3 Objetivos ................................................................................................................................................. 3

1.3.1 Objetivo general................................................................................................................... 3

1.3.2 Objetivos específicos ........................................................................................................... 3

Capítulo II “Antecedentes de la empresa” ...................................................................................................... 4

2.1 Breve Reseña histórica Empresas CMPC S.A........................................................................................ 4

2.1.1 Holding CMPC S.A. ............................................................................................................. 5

Holding CMPC .................................................................................................................................................... 5

2.1.2 CMPC Forestal .................................................................................................................... 6

2.1.3 CMPC Celulosa ................................................................................................................... 7

2.1.4 CMPC Papeles .................................................................................................................... 8

2.1.5 CMPC Tissue..................................................................................................................... 10

2.1.6.1 CMPC Cartulinas ................................................................................................................................. 11

2.1.6.2 Planta Valdivia ..................................................................................................................................... 12

2.1.6.3 Planta Maule ........................................................................................................................................ 13

2.1.6.3.1 Ubicación de la planta ..................................................................................................................... 14

Capítulo III “Productos desarrollados por la planta” .................................................................................... 16

3.1 Descripción de productos ......................................................................................................................... 16

Capítulo IV “Descripción del proceso productivo de cartulinas CMPC Planta Maule” ........................ 19

4.1 Descripción del proceso productivo global ............................................................................................ 19

4.2 Descripción proceso productivo detallado ............................................................................ 20

4.2.1 Sección preparación madera ....................................................................................... 20

4.2.2 Sección pulpa termo mecánica blanqueada (BTMP)................................................... 20

4.2.3 Sección pulpa química ................................................................................................. 21

4.2.4 Sección recuperación fibra ........................................................................................... 21

4.2.5 Sección salsa de estuco .............................................................................................. 21

4.2.6 Sección desaguamiento ............................................................................................... 22

4.2.7 Sección mesa de formación ......................................................................................... 22

4.2.8 Sección prensas. .......................................................................................................... 22


4.2.9 Sección secado ............................................................................................................ 22

4.3.0 Sección estucado de la cartulina ................................................................................. 23

4.3.1 Sección planta de recuperación de fibras del proceso. ............................................... 23

4.3.2 Sección conversión. ..................................................................................................... 23

4.3.3 Almacenamiento y bodegaje. ....................................................................................... 24

4.3.4 Resumen procesos de máquina papelera .................................................................. 24

Capítulo V “Descripción general y detallado del proceso de la planta de pulpa termo mecánica blanqueada (BTMP)" ........................................................................................................................................ 25

5.1 Descripción proceso actual Planta BTMP .............................................................................................. 25

5.2 Descripción generación de vapor Planta Maule .................................................................................... 35

5.3 Descripción de proceso actual de calentamiento de agua líquida industrial .................................... 37

5.4 Descripción técnica de los equipos en estudio (Condición Actual) .................................................... 40

5.4.1 Estanque de agua Tibia (TAG 140-51-3038) .................................................................... 40

5.4.2 Bomba centrifuga (TAG 140-21-3040) .............................................................................. 41

5.4.3 Línea de alimentación de agua industrial 140-WE-3086-10" ............................................ 41

5.4.4 Línea de alimentación vapor a 16 bar (g) 140-SD1-3153-3" ............................................. 41

5.4.5 Difusor de vapor (Interior del Estanque) ........................................................................... 41

5.5 Descripción de modificación propuesta para el calentamiento de agua líquida con vapor de 2 bar (g) ........................................................................................................................................................................ 42

5.6 Descripción general de los cambios propuestos .................................................................................. 44

5.7 Calculo de componentes nuevo sistema propuesto (Figura 5.16) ..................................................... 46

5.7.1 Cálculo de dimensiones requeridas para el manifold propuesto. ................................................... 47

5.7.1.1 Método del área equivalente: ............................................................................................................ 47

5.7.1.2 Método tamaño óptimo del recipiente (Diámetro y Longitud): ...................................................... 48

5.7.2 Selección de válvula de control de flujo de vapor. ............................................................................ 53

5.7.2.1 Cálculo simplificado del coeficiente de flujo (Kv y Kvs) para la válvula reguladora de flujo de vapor ................................................................................................................................................................... 53

5.7.2.2 Cálculo ampliado del coeficiente de flujo (Cv) para la válvula reguladora de flujo de vapor ... 55

5.7.2.3 Cálculo simplificado del diámetro de la válvula reguladora de flujo de vapor ............................ 57

5.7.3 Selección de sistema de calentamiento con vapor. .......................................................................... 59

5.7.4 Registro fotográfico de los trabajos ejecutados. ................................................................................ 65

Capítulo VI “Recolección datos de consumo de vapor pre-proyecto” ...................................................... 68

Capítulo VII “Estudio de factibilidad del proyecto” ....................................................................................... 71

Capítulo VIII “Evaluación técnico económica” .............................................................................................. 73

Conclusiones ..................................................................................................................................................... 76

Capitulo X Bibliografía (Física y Digital) ........................................................................................................ 78


Capitulo XI ANEXOS ....................................................................................................................................... 79


Glosario Adtph: (Air dry ton per hour) Producción de cartulina en base seca

Drenabilidad.: (freeness) Es la velocidad puede ser drenada una suspensión de pulpa (fibras

más agua).

Grados Schopper (ºSR): Representa el volumen de agua retenida en la pulpa

Canadian Standard Freeness (C.S.F.): Representa el volumen de agua drenada.

Papel OCC, Old (Corrugated Containers): Papel corrugado de utilizado como contenedor

Celulosa: fibra constitutivo de la madera, polímero natural formado por unidades de glucosa.

Celulosa de fibra larga: Celulosa proveniente básicamente de pino radiata

Celulosa de fibra Corta: Celulosa proveniente básicamente del eucaliptus

Celulosa Bluff: Celulosa de gran absorción utilizada en productos como pañales desechables

y toallas femeninas

Pino Radiata: Conocido como pino insigne o pino de California, de rápido y gran crecimiento

utilizada como materia prima para elaboración de papel y mueblería principalmente.

Bulk: Volumen de la pulpa asociado o referido al espesor

SGW: (Stone GroundWood) Obtención de pulpa a partir de la trituración de madera contra

una piedra por peso propio, o cadenas alimentadoras.

PGW: (Preassure GroundWood) Obtención de pulpa a partir de la trituración de madera

contra una piedra por presión neumática o hidráulica.

RMP: (Refined Mechanical Pulp) Obtención de pulpa a partir de la desfibración de astillas de

madera dentro de un refinador de discos metálicos.

TMP: (Thermo Mechanical Pulp) Obtención de pulpa a partir de desfibración de astillas de

madera dentro de un refinador de discos metálicos con inyección de vapor.

Internal Bond: Mide la resistencia a separar las fibras de un papel hecho con 1 sola capa

(Internal Bond), o la resistencia a separar las capas de papel cuando es multicapas

(Plybond). Esta determinación se relaciona con problemas de deslaminación.


Resumen

El presente estudio aborda el cambio en el sistema de calentamiento de agua industrial para

el proceso de drenado y lavado de fibras en las prensas tornillos del área 140 Pulpa

mecánica en CMPC planta Maule. Lo anterior reemplazando el tipo de vapor utilizado en

este proceso, considerando la cantidad y disponibilidad del mismo.

El objetivo principal cambiar el tipo de vapor que actualmente se utiliza para calentar el agua

industrial de 16 bar (g) a 2 bar (g).

Los tópicos considerados para generar este cambio involucran:

Cambio de líneas de alimentación de vapor al estanque de agua tibia, incluyendo un

acumulador de paso (manifold), nueva disposición de circuitos y cambio de diámetros

Cambio de válvula de control de alimentación de vapor, cálculo y cambio de diámetro.

Cambio en el sistema de calentamiento de agua, selección de inyectores y cálculo

de cantidad de estos elementos.

La evaluación técnico económica arroja un resultado positivo en términos de equilibrio entre

costo y tiempo de rentabilidad de la inversión, ajustada a los requerimiento de CMPC por lo

que este proyecto fue aprobado.

La estrategia de estas modificaciones considera trabajar en la fabricación y montaje en forma

paralela a los sistemas existentes, para poner en servicio durante la parada de planta del

mes de marzo del presente año.

Lo anterior finalmente ocurrió, actualmente el sistema superó el periodo de pruebas (3

meses) y se encuentra operando sin mayores novedades.

Como dato final, CMPC está evaluando la posibilidad de implementar cambios similares en

otros dos estanques también del área 140 pulpa mecánica


1

Capítulo I “Antecedentes generales”

1.1 Introducción

Sin duda la optimización del recurso energético es uno de los objetivos relevantes dentro del

marco de metas fijadas por cualquier organización.

CMPC Planta Maule no es la excepción ya que dentro de las políticas de desarrollo de la

compañía en términos de productividad, la implementación de nuevas tecnologías enfocadas

a aumentar la producción, la variable de consumo energético y el aprovechamiento del

mismo en sin duda fundamental.

En el caso de la planta Maule, sucesivas mejoras en tecnología, tanto en máquina papelera

como en planta de pulpa han permitido una serie de beneficios, uno de los cuales y que en

definitiva es el origen del presente estudio, corresponde a la mayor disponibilidad de vapor

en menor presión por ende de menor energía (entalpía) pero que se puede utilizar en otras

partes del proceso productivo implementando los cambios necesarios y puntuales a estos

subsistemas.

Antes de la implementación del proyecto de mejoramiento del año 2012 efectuado a la planta

del área 140 pulpa mecánica, el suministro de vapor para ciertos consumos era con vapor

de 16 bar (g), con esta reforma que más adelante se detalla, la planta quedo con la capacidad

potenciada de producir vapor de 2 bar (g) el cual desde el punto de vista productivo y

económico es más conveniente. Este proyecto incorporó equipos de última tecnología que

permiten recuperar y separar la fibra del vapor que es consecuencia del proceso de

refinación de alta consistencia. Considerando lo anterior es que surge la idea de cambiar el

sistema de calentamiento de agua líquida fresca, manteniendo tiempo de residencia en

actual estanque, la temperatura de proceso que requiere el fluido, pero si redimensionando

el sistema de inyección de vapor para las nuevas condiciones de presión.

Considerando lo planteado anteriormente, el presente trabajo expone los pasos a seguir para

lograr el mismo objetivo, como es el calentamiento de agua industrial para proceso

reemplazando el actual sistema de alimentación de vapor de 16 bar(g) a un nuevo sistema

de alimentación de vapor de 2 bar(g) que incluye el dimensionamiento general y específico

de equipos, evaluación técnico- económica del proyecto además de mostrar el escenario pre


2

y post proyecto desde el punto de vista de los consumos de vapor y costo por producir el

mismo.

1.2 Origen del tema

La necesidad de disponer de agua líquida acondicionada térmicamente utilizada

básicamente en el proceso de blanqueo de pulpa, requiere del uso de vapor para aumentar

su temperatura.

Lo anterior, junto a la posibilidad real de utilizar vapor disponible producto de las mejoras

implementadas en la planta de pulpa según lo señalado en la introducción, considerando

costo y disponibilidad del mismo, obliga a la compañía a evaluar esta condición, generar el

estudio pertinente y su respectiva evaluación técnico-económica.

Finalmente y como ultima variable a incorporar a la evaluación global del sistema, que

sumado a los anteriores da origen al tema, está la mejora de la condición de operación y

mantenimiento, bajando frecuencia de mantención y costos de operación.


3

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo general

Utilizar el vapor generado del proceso Pulpa termo mecánica (Thermo Mechanical

Pulp ;TMP) 2 bar (g ) para el calentamiento de agua industrial hasta 60 °C en el

proceso de blanqueo, reemplazando la alimentación de vapor existente de 16 bar(g)

generado por calderas de petróleo y biomasa.

1.3.2 Objetivos específicos

Desarrollar balance térmico de procesos para reutilización vapor.

Dimensionar equipos generales y específicos.

Evaluar técnico-económicamente el proyecto.


4

Capítulo II “Antecedentes de la empresa”

2.1 Breve Reseña histórica Empresas CMPC S.A.

Cartulinas CMPC S.A., es una filial de Empresas CMPC S.A., que se dedica desde el año

1951 a la fabricación y comercialización de cartulinas, contando con una vasta experiencia

en el rubro y con avanzada tecnología. Debido a la calidad de las materias primas que utiliza,

es que le ha permitido entregar productos que se ubican dentro de las mejores calidades y

compiten con los más prestigiosos proveedores del mundo.

Esta filial cuenta con dos plantas productoras, una en la ciudad de Valdivia y otra en la región

del Maule, produciendo en total alrededor de 430.000 toneladas al año, convirtiéndose en un

socio comercial de largo plazo. Actualmente, Cartulinas CMPC S.A. comercializa sus

productos con más de 40 países de todos los continentes.

Planta Maule es una fábrica diseñada para producir cartulina y papeles para la elaboración

de cartones corrugados, de acuerdo a los requerimientos de calidad y de producción,

exigidos tanto por mercados nacionales como extranjeros.

Para fabricar estos productos se utilizan como principal materia prima:

Madera de pino y eucaliptus (para producir pulpa mecánica refinada).

Celulosa blanca (fibra corta y larga).

Celulosa café (fibra larga).

Papel reciclado (OCC).

Aditivos especiales (cargas minerales).

La Compañía Manufacturera de Papeles y Cartones - CMPC, fundada en 1920, ha sido

pionera en Chile en la fabricación de celulosa y papel. Noventa y cinco años de experiencia

en el rubro avalan sus operaciones en negocios forestales, celulosa, papeles, cartulinas,

productos Tissue, papel periódico, bolsas industriales, productos escolares y de oficina,

desarrollados en plantas industriales en Chile, Argentina, Perú, Brasil y Uruguay,

participando en más de 50 países en los cinco continentes.


5

2.1.1 Holding CMPC S.A.

Actualmente, CMPC se ha convertido en un holding denominado Empresas CMPC S.A.,

constituido por una empresa forestal integrada que realiza su trabajo industrial a través de

cinco filiales de negocios: CMPC Forestal, CMPC Celulosa, CMPC Papeles, CMPC Tissue

y Productos de papel.

Cada una de ellas ha desarrollado productos que se han consolidado tanto en el mercado

nacional como en el mercado internacional.

Holding CMPC

CMPC

CMPCFORESTAL

CMPC CELULOSA

CMPCPAPELES

CMPC TISSUE


6

A continuación, se procede a describir las principales características de cada uno de los

cinco negocios en que opera Empresas CMPC S.A., mediante sus empresas filiales:

2.1.2 CMPC Forestal

Esta área de empresas CMPC S.A. desarrolla sus negocios a través de las filiales Forestal

Mininco, Crecex y Sefore, empresas que tienen por misión formar y administrar un

patrimonio forestal que respalde el desarrollo industrial de la compañía, y CMPC Maderas,

que opera tres aserraderos y una planta de manufactura.

La madera que la empresa produce a partir de bosques propios cultivados y manejados,

se utiliza principalmente para el abastecimiento de las plantas de celulosa, papeles y cartulinas

y para la industrialización en sus aserraderos y planta de manufactura. Asimismo,

comercializa la madera en sus diferentes formas en el mercado nacional e internacional.

En Aysén, extremo sur de Chile, Empresas CMPC S.A. desarrolla un proyecto para forestar

20 mil hectáreas con pino ponderoso y Oregón suelos que se encuentran en un grave proceso

de erosión.

En la provincia de Corrientes, Argentina, la empresa Bosques del Plata, filial de CMPC

Forestal, posee 54 mil 700 hectáreas plantadas con las especies Taeda y Elliotti. Anualmente,

se están plantando 6 mil hectáreas, con el objeto de lograr un total de 80 mil.

Los aserraderos están ubicados en la VIII Región: Bucalemu, Mulchén y Nacimiento, y

producen madera aserrada de pino radiata y la planta de manufactura en Los Ángeles,

fabrica productos elaborados a partir de madera aserrada seca (tableros finger Joint,

molduras, productos laminados y tableros sólidos).


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2.1.3 CMPC Celulosa

CMPC Celulosa es un importante productor internacional de celulosa de fibra larga y fibra

corta. En sus fábricas de Laja, Pacífico y Santa Fe, produce más de un millón de toneladas

al año, cuyo destino es tanto el mercado interno como Sudamérica, Europa y Asia.

Para optimizar su participación en dichos mercados, CMPC Celulosa tiene oficinas

comerciales en Londres y una red de representantes que cubren los principales países del

mundo.

En Planta Laja y Pacífico se producen celulosa fibra larga, en base a madera de pino

radiata. La mayor parte de celulosa blanqueada, aunque también se produce celulosa sin

blanquear (cruda) y celulosa Bluff en rollos, la cual se utiliza en la fabricación de productos

absorbentes, tales como pañales desechables y toallas femeninas.

Laja es una planta integrada, ya que parte de su producción de celulosa se convierte en

papel de impresión y escritura y papel para sacos multipliego.

En Nacimiento, Planta Santa Fe produce celulosa blanca de fibra corta en base a madera de

eucalipto. Esta celulosa tiene excelentes cualidades para la fabricación de papeles de

impresión y tissue de alta calidad


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2.1.4 CMPC Papeles

Esta área de CMPC posee una estructura de negocios con cinco filiales, a través de las cuales

participa en la producción y comercialización de cartulinas, papel para periódicos, papeles

para corrugar, de impresión y escritura, además de papel para envolver.

Cartulinas CMPC opera dos plantas: Maule (VII Región) y Valdivia (XIV Región). Además,

comercializa sus productos en más de 60 países de Latinoamérica, Europa, Asia y Estados

Unidos.

Papeles Cordillera posee una moderna fábrica en Puente Alto, destinada fundamentalmente

a la producción de papeles para cajas de cartón corrugado, utilizando fibras recicladas como

materia prima principal.

SOREPA (Sociedad Recuperadora de Papeles) es la empresa responsable de recolectar

diferentes categorías de papeles usados y cajas de cartón, denominados papel viejo o

recortes, destinados a ser reciclados en las fábricas de papeles de Empresas CMPC. Cuenta

con instalaciones en las principales ciudades del país.

Además, CMPC Papeles posee la empresa EDIPAC, distribuidora y comercializadora de

papeles, cartulinas y productos de papel.

En diciembre de 2013 se produce reorganización de las áreas de negocio y Papeles

absorbe Productos de Papel.

CMPC productos de Papel opera a través de las filiales Envases Impresos, Envases Roble

Alto, Productos Austral, Propa y Chimolsa en Chile. Fabi bolsas industriales en Argentina y

Forsac en Perú.

En el negocio de cartón corrugado, CMPC Productos de Papel posee dos filiales: Envases

Impresos, que fabrica cajas para el sector frutícola y la industria del salmón y desarrolla su

trabajo a través de una planta ubicada en Buin; y Envases Roble Alto, que fabrica cajas para

el sector industrial y vitivinícola en sus plantas ubicadas en las comunas de Til til y Quilicura.


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Productos Austral desarrolla artículos escolares y de oficina y con gran éxito ha

consolidado sus marcas Austral y Mistral. En productos de oficina destaca su marca

Equalit en papeles para fotocopia. Además produce saquitos de papel y papeles laminados

para embalaje.

El negocio de sacos multipliego es operado por filiales en Chile, Argentina y Perú, desde

las cuales se atiende a los respectivos mercados locales, principalmente la industria del

cemento, y se realizan exportaciones a diversos países de la región.

Chimolsa, cuya planta industrial está localizada en Puente Alto, fabrica bandejas de pulpa

modelada destinadas a la exportación de manzanas y paltas, así como bandeja y

estuches para embalaje de huevos.

Una vez descritos los cinco negocios en que opera Empresas CMPC S.A., puede señalarse

que el contexto del presente estudio, realizado en la Planta Maule de CMPC Cartulinas,

centra el análisis en CMPC Papeles, por cuanto esta área de negocio alberga a la ya

mencionada CMPC Cartulinas como una de sus cinco empresas filiales.


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2.1.5 CMPC Tissue

Con modernas fábricas en Chile, Argentina, Perú y Uruguay, CMPC Tissue fabrica y

comercializa productos Tissue en las categorías de papeles higiénicos (Elite, Confort, Noble,

Orquídea y Preferido), pañuelos desechables Elite, servilletas (Elite, Nova y Sussex) y toallas

de papel (Elite, Nova y Sussex).

En Chile, CMPC Tissue cuenta con instalaciones en Puente Alto, Quilicura y Talagante. En

Argentina, posee una planta en Zárate, cuya operación industrial es la más importante de

tissue en Sudamérica, y una planta en Naschel, provincia de San Luis. En Perú y Uruguay, las

filiales Protisa e Ipusa, respectivamente, desarrollaron productos tissue en las diversas

categorías.

CMPC Tissue también desarrolla el negocio de pañales a través de sus productos Babysec

en Chile, Argentina, Perú y Uruguay.

En estos países, además, CMPC Tissue atiende a empresas e instituciones con productos

especializados para el consumo fuera del hogar y con una estructura comercial y productiva

específicamente dirigida a los clientes de este segmento del mercado.

En los mercados de tissue en Chile, Argentina y Uruguay, CMPC Tissue se ubica como la

empresa líder, mientras que en Perú ha crecido sostenidamente situándose en el segundo

lugar en participación de mercado. En los mercados de pañales, la empresa ha alcanzado

una posición relevante en los segmentos de productos económicos, en los cuales participa.

Las claves para el éxito en este negocio son el alto grado de conocimiento de las

necesidades de los consumidores, las buenas relaciones y el buen nivel de servicio otorgado a

los clientes, y la alta eficiencia en costos de producción.


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2.1.6.1 CMPC Cartulinas

CMPC Cartulinas, es una empresa que se dedica desde 1951 a la fabricación y

comercialización de cartulinas. La larga experiencia de Cartulinas CMPC en el rubro y su

avanzada tecnología junto a la materia primas que utiliza, le permite entregar productos que

se ubican dentro de las mejores calidades y compiten con los prestigiosos proveedores del

mundo.

Cartulinas CMPC cuenta con las dos plantas productoras mencionadas anteriormente,

Valdivia y Maule, con una capacidad de total de 430.000 (ton/año). Esto le permite

convertirse en un socio comercial de largo plazo, capaz de disponer de grandes volúmenes

tanto para el mercado local como para la exportación.

El objetivo de CMPC Cartulinas es orientarse a la excelencia del producto y del servicio.

Debido a esto, la empresa no sólo desarrolla productos de primera calidad, utilizando para su

fabricación las mejores materias primas, y obteniendo así cartulinas con alta rigidez,

blancura y tersura, sino que además ha adquirido un real compromiso de servicio con cada

uno de sus clientes tanto internos como externos.

Por otro lado, CMPC Cartulinas busca ofrecer productos especializados que sirvan a

cada cliente de acuerdo a sus necesidades particulares de rigidez, gramajes, tersura y

blancura; por esta razón, cuenta con una gama de cartulinas de diferentes gramajes y

especificaciones técnicas, que brindan distintas alternativas ante cada necesidad especifica.


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2.1.6.2 Planta Valdivia

Planta Valdivia, ubicada en la región de los Ríos XIV región, opera desde el año 1951. Tuvo una

producción inicial de 5.000 ton/año, cifra que en la actualidad alcanza las 70.000 ton/año

gracias a una completa renovación de su máquina papelera en el año 1991; 2006; 2013 y

a constantes mejoras efectuadas hasta la fecha incluyendo una sala de conversión,

compuesta por una cortadora Pasaban que alcanza una producción mensual de 2.200

ton/mes.

Figura 2.1 Vista aérea de Cartulinas CMPC Planta Valdivia Fuente: Departamento de administración Cmpc Planta Valdivia


13

2.1.6.3 Planta Maule

Planta Maule comenzó a operar en el año 1998, marcando el punto de part ida

en la internacionalización de CMPC. Se encuentra ubicada en el kilómetro 1,5 de la ruta L-

25 que une la localidad de Puente Pando con Yerbas Buenas, comuna de Yerbas Buenas,

Provincia de Linares, VII Región del Maule. Está circunscrita a una superficie de

aproximadamente 100 hectáreas y sus instalaciones están constituidas por edificios

industriales, de administración y servicios, y bodegas.

Planta Maule fue montada con una capacidad de diseño inicial de 130.000 ton/año de

cartulina, sin embargo, produjo 150.000 Toneladas el primer año de operaciones sin realizar

modificaciones. Luego de varias mejoras en la eficiencia se consiguió una producción de

180.000 ton/año. En el año 2004 se puso en marcha un proyecto que permitió pasar de una

planta de pulpa mecánica refinada a una termomecánica blanqueada, esto generó un

incremento de un 30% en la capacidad de corte, llegando a una producción de

aproximadamente 200.000 ton/año. En el año 2005 se concretaron las mejoras realizadas a

la máquina papelera, estas mejoras consistieron en el alargamiento de las mesas de entrada

de pulpa, cambios en las prensas, nuevos cilindros secadores, cambios en la prensa

encoladora, la incorporación de un nuevo equipo (Optidwell) y el cambio de la bobinadora,

dando como resultado la actual capacidad de producción, de 350.000 ton/año que está

autorizada por la COREMA de la Región del Maule.

Chile es capaz de absorber sólo el 20% de la producción total de la máquina papelera. El 80%

restante es exportado a más de 40 países de Latinoamérica y Europa. En Latinoamérica a países

como: Brasil, Argentina, México, Colombia, Venezuela; y en Europa, es distribuida en

Inglaterra, Francia, Alemania, entre otros. Muchos de estos mercados son exigentes en lo

que se refiere a calidad de los productos. Por esta razón, el Sistema de Gestión de Calidad

de Cartulinas CMPC S.A. se encuentra certificado en la norma ISO 9001 desde el año 2000.

Además, cuenta con certificación de su Sistema de Gestión Ambiental desde noviembre de

2002, según la norma ISO 14001 en sus dos plantas industriales.


14

2.1.6.3.1 Ubicación de la planta

La dirección comercial de cartulinas CPMC Planta Maule es Ruta L25 N° 2800 comuna de

Yerbas Buenas, Provincia de Linares, VII Región del Maule.

En la figura 2.2 y 2.3 se muestran la localización específica y las actividades en los predios

colindantes. La planta se encuentra emplazada en un predio de propiedad de la empresa, en

una zona eminentemente rural que cuenta con cambio de uso de suelo para actividades

industriales.

Figura 2.2 Vista aérea de Cartulinas CMPC Planta Maule Fuente: Departamento PCO de administración Cmpc Planta Maule


15

Figura 2.3 Ubicación CMPC Cartulinas Planta Maule Fuente: Google Maps


16

Capítulo III “Productos desarrollados por la planta”

3.1 Descripción de productos

Planta Maule es capaz de entregar una cartulina de mucha rigidez. Este producto es de

cara lisa, calidad uniforme y gran impacto visual que permite a las máquinas impresoras

planas, correr a más de 15 mil pliegos por hora y a máquinas rotativas, a más de 450 metros

por minuto.

Existen al menos 50 productos diferentes de cartulinas y papeles para corrugar que se

elaboran en planta Maule. Se agrupa en 3 clasificaciones las cuales se detallan en la tabla

3.1

Tabla 3.1 Clasificación productos fabricados en la empresa

Fuente: Charla de inducción

Nombre Usos

Cartulina RC

Reverso Café dirigida al mercado de estuches de mayor

resistencia y gran volumen (Ej. Detergentes).

Cartulinas GC1

Reverso Blanco Estucado dirigido al mercado de estuches de

alta calidad que se imprimen tanto en el lado Cara como en

Reverso (Ej. Envases de perfumes finos).

Cartulinas GC2

Reverso Manila dirigida al mercado de licores, donde se el

estuche es coloreado y/o impreso en su parte interior o reverso

(Ej. Envases de Pisco)


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La cartulina producida en Planta Maule, contiene 4 capas principales más pre-estuco y estuco

que son capas no estructurales (ver detalle 4.2.5), tal como se muestra en el siguiente esquema:

Figura 3.1 Composición típica de cartulina producida en planta Maule Fuente: Charla de inducción

Entre los múltiples usos que se pueden obtener con la cartulina producida en planta Maule

se tiene:

Artículos de lujo,

Packaging,

Tapas de libros y cuadernos,

Estuches para alimentos congelados,

Envases troquelados,

Productos farmacéuticos

Planta Maule produce cartulinas para embalajes con distintos gramajes. Se producen según

las dimensiones especificadas por el cliente, ya sea en rollos o en pilas de pliegos.

Cara

Protección

Tripa

Reverso

Pre estuco

Estuco


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En la figura 3.2 se muestran imágenes de los productos terminados que utilizan cartulinas

fabricadas por CMPC planta Maule

Figura 3.2 Productos terminados que utilizan cartulinas de CMPC Planta Maule Fuente: Elaboración propia


19

Capítulo IV “Descripción del proceso productivo de cartulinas CMPC Planta

Maule”

4.1 Descripción del proceso productivo global

El proceso global de planta Maule, (considerando solo la línea principal), mostrado en la

figura 4.1, se resume de la siguiente forma:

Figura 4.1 Descripción del proceso productivo global en planta Maule Fuente: Charla de inducción

Preparación

Fibras

Máquina

Papelera

Dimensionamiento

de Cartulina

Troncos de

Madera

Fardos de Celulosa y

Papel Reciclado

Producto

Terminado


20

4.2 Descripción proceso productivo detallado

4.2.1 Sección preparación madera

Las materias primas principales utilizadas en la fabricación de cartulinas son la madera de

pino radiata y eucaliptos, que se procesan en la línea de pulpa termo mecánica blanqueada,

los fardos de celulosa que se procesan en la línea de pulpa química, los insumos para la

salsa de estas líneas paralelas de preparación y acondicionamiento de la materia prima.

4.2.2 Sección pulpa termo mecánica blanqueada (BTMP)

En esta línea el proceso se inicia con el descortezado y astillado de la madera de pino radiata

como de la madera de eucaliptos. Luego los chips pasan por un sistema de lavado donde

son removidas las impurezas. A continuación las astillas son sometidas a la refinación, que

consiste en la desfibrilación mecánica entre dos discos metálicos, con barras sobre sus

superficies que giran a altas revoluciones, con distancias del orden de medio milímetro entre

ellos. Durante el proceso de refinación se inyecta vapor saturado a 7 bar (g) lo que ayuda en

la disgregación de las fibras de la madera en formato de chip que se están refinando. Esto

constituye el proceso denominado pulpa termo mecánica y produce una mezcla de fibra con

agua. Este proceso es de un alto consumo de energía eléctrica.

Las fibras obtenidas de los refinadores son sometidas a un proceso de clasificación de

tamaño a través de unos coladores. Las más grandes son rechazadas y vuelven al proceso

de refinación y las aceptadas pasan a un proceso de espesamiento de dos etapas, donde se

reduce la contracción de fibras en la mezcla con agua. Esto es necesario para mejorar la

eficiencia del proceso que sigue, que es el blanqueo con peróxido de hidrógeno en medio

alcalino. Finalmente se procede a lavar la fibra para eliminar el exceso de químicos y se deja

lista la pulpa termo mecánica blanqueada (BTMP) para ser mezclada con otras fibras para

formar una de las caras de la cartulina.


21

4.2.3 Sección pulpa química

La celulosa en fardos también es parte esencial como materia prima del proceso y es traída

desde las plantas que la empresa posee en la octava y novena regiones. El proceso de la

pulpa química es un proceso simple, en el cual se disgregan los fardos de celulosa en agua,

para posteriormente tratar mecánicamente las fibras en refinadores de baja consistencia.

Luego se procesan en depuradores centrífugos para eliminar posibles contaminaciones con

arena o partículas pesadas producto de su manipulación, para finalmente producir la mezcla

que pasará a formar alguna de las caras de la cartulina.

4.2.4 Sección recuperación fibra

Otro componente importante en la fabricación de las cartulinas es la fibra recuperada. El

sistema posee líneas de reciclado y recuperación de fibras que permiten aprovechar la

materia prima no utilizada o rechazada por la máquina papelera. Este reciclado se utiliza, en

distintas concentraciones, en algunas de las capas de la cartulina.

4.2.5 Sección salsa de estuco

La salsa de estuco consiste de un látex con cargas minerales inertes como caolín y carbonato

de calcio, que se aplica a la cartulina para darle una mejor terminación. Para la preparación,

que ocurre en la cocina, se cuenta con dispersores, en los cuales se mezcla el caolín con

agua y el carbonato de calcio con agua. Estas dispersiones se mezclan con látex, en

proporciones predeterminadas, para obtener la salsa de estuco.

Todo el sector de aplicación de estuco en la máquina y en la planta de preparación de la

salsa de estuco tiene las canaletas del piso orientadas hacia un pozo, desde el cual se alimenta

una planta de ultra filtración, con el objetivo de recuperar las cargas minerales y el látex, los

cuales salen con una concentración de un 30%, por otra parte, se obtiene el agua que es

nuevamente utilizada en el proceso. En resumen, todo el sector en que se mueve la salsa de

estuco no tiene efluente, siendo completamente reutilizada, haciendo el proceso cerrado muy

eficiente.


22

4.2.6 Sección desaguamiento

Con las fibras colocadas sobre cada una de las telas de los cajones de entrada, comienza

un proceso de desaguamiento, en forma controlada, mediante elementos desmotadores y

bombas de vacío, llegando a formar una hoja sobre cada una de las telas.

4.2.7 Sección mesa de formación

Luego se pasa a las mesas de formación, las que tienen una configuración tal que permiten

que las distintas capas se adhieran. Esta unión entre las hojas se consigue a una humedad

determinada y con una cierta cantidad de almidón, lo que permiten que se establezcan

enlaces entre las fibras de ambas hojas, logrando tener así una hoja de cartulina bien

cohesionada. La hoja de cartulina sale de las mesas de formación con una humedad

aproximada del 80%.

4.2.8 Sección prensas.

Enseguida, ingresa a la sección prensas, en donde la hoja pasa a través de rodillos de gran

diámetro, que están sometidos a una presión mecánica tal que retira toda el agua posible

por estos medios, sin deteriorar la cartulina. De esta sección, la cartulina sale con una

humedad del 55% aproximadamente.

4.2.9 Sección secado

A continuación, la hoja pasa a la sección de secado, provista de cilindros secadores

calentados con vapor, siendo aprisionada contra la superficie del cilindro por un fieltro,

asegurando, de esta forma la máxima transferencia de calor. El secado de la cartulina se hace

siguiendo una curva de secado preestablecida, llegando a la entrada del cilindro mono lúcido

con una humedad tal que permite obtener el máximo de tersura y brillo de la cara, continúa

secándose en cilindros secadores y hasta un contenido de humedad de un 8%.


23

4.3.0 Sección estucado de la cartulina

La cartulina continua avanzando, encontrándose la cara con un rodillo aplicador de salsa de

estuco y una cuchilla, que permite distribuir y enrazar homogéneamente a lo ancho de la

hoja. Enseguida, la cara es sometida a unas baterías de secado mediante energía infrarroja,

con el fin de fijar la capa de estuco a la cartulina, y continúa secándose con aire caliente

generado por capotas a gas licuado.

Posteriormente, la cara se encuentra con otro rodillo aplicador de salsa de estuco y otra

cuchilla, para distribuir y dosificar homogéneamente sobre la primera aplicación, con un buen

acabado superficial. Enseguida viene el proceso de secado ya descrito anteriormente con

luz infrarroja y capotas de aire caliente. Así se obtiene, al final de la máquina (de 230 metros

de largo y 5 metros de ancho) una cartulina estucada con un 8% de humedad, apta para ser

despachada en rollos.

4.3.1 Sección planta de recuperación de fibras del proceso.

Es importante notar que por el alto costo de las materias primas fibrosas, es necesario

recuperar al máximo las fibras que se escapan del proceso principal. Para ello, Planta Maule

posee un equipo que actúa por el principio de flotación, mediante la introducción de micro

burbujas de aire, las cuales hacen que las fibras floten y al mismo tiempo, se obtiene agua

clarificada que se reutiliza en el proceso. Las fibras retiradas de la superficie son reutilizadas

como fibras recuperadas.

4.3.2 Sección conversión.

Por último, una cantidad del producto que es vendido en pliegos debe pasar un proceso de

conversión de rollos a pliegos mediante máquinas cortadoras de alta tecnología. Este es un

proceso separado de la Máquina papelera ubicada en un recinto especialmente

acondicionado denominado Sala de Conversión.


24

4.3.3 Almacenamiento y bodegaje.

Finalmente el producto, más el que es vendido directamente como rollo, es enviado a las

bodegas de almacenamiento y despacho.

4.3.4 Resumen procesos de máquina papelera

A continuación un resumen animado de los principales sectores del proceso de la máquina

papelera en empresas Cmpc Planta Maule.

Formación Prensado Secado Lisa dura Estucado Pope


25

Capítulo V “Descripción general y detallado del proceso de la planta de pulpa

termo mecánica blanqueada (BTMP)"

5.1 Descripción proceso actual Planta BTMP

En referencia al proceso de la planta BTMP cabe destacar los diferentes procesos que

existen en el ámbito de papelería:

a) Pulpa de piedra (SGW): Esta pulpa es altamente refinada, obteniendo entre 250 a

300°CSF, menos bulk (densidad), mayor internal bonding y un alto consumo de

energía eléctrica.

b) Pulpa mecánica (RMP): esta fibra es más resistente (mayor tensile), más voluminosa

(Bulk) y más obscura (°ISO) que la pulpa SGW. A demás tienen un bajo contenido

de finos y como no es un proceso presurizado, dificulta el refino al mantener el

contenido de lignina.

c) Pulpa termomecánica (TMP): Consume menos energía que la RMP, se trabaja con

una presión interna entre 2 y 5 bar (g) en el refinador, produce fibras más largas que

la RMP, esta fibra tiene mayor resistencia, pero menor bulk que una RMP.

d) Pulpa termo mecánica blanqueada (BTMP): Adicionalmente al pre tratamiento de la

astilla, la pulpa es blanqueada en procesos posteriores que en el caso de Cartulinas

CMPC se realiza con peróxido de hidrógeno. El objetivo del blanqueo en ambos

casos es mejorar la calidad óptica de la fibra a fin de mejorar el proceso de impresión.

En lo que respecta a Cartulinas CMPC S.A. Planta Maule, el proceso de pulpa

mecánica blanqueada (BTMP) es el siguiente: La pulpa termo mecánica blanqueada

es una pulpa de alto rendimiento generada a partir del Pinus Radiata que se utiliza

para entregar valores de resistencia a la cartulina. Su composición de celulosa,

hemicelulosa, lignina y extraíbles, en su justo equilibrio, ofrecen ventajas


26

comparativas respecto de otras maderas tanto a nivel local como extranjeras. Con un

sistema de blanqueo oxidativo (peróxido) o reductivo (hidrosulfito), se logra mejorar

la calidad final de blancura de las cartulinas.

En detalle la planta está sub dividida de los procesos de Thermomechanical Pulp

TMP (Pulpa termomecánica) y Bleached Thermomechanical Pulp BTMP (Pulpa

termo mecánica blanqueada):

1. Lavado de astillas: Para los procesos de fabricación de pulpa mecánica la

astilla debe estar libre de contaminantes físicos. El proceso de lavado elimina

los contaminantes de la superficie y pesados como arena, metal, piedras y

aserrín. Esto se realiza por medio de diferentes equipos encargados de

eliminar las impurezas de la astilla como estanques sedimentadores (basados

en el principio de hidrociclón). Cabe destacar que el agua, además ser


27

utilizada para lavar la astilla, es utilizada para poder transportar por medio de

cañerías las astillas hasta los equipos presentes en la etapa de refinación.

Figura 5.1: Configuración lavado de astillas

Figura 5.2: Hydrasieve: sistema limpieza que elimina partículas finas en el agua


28

Figura5.3: Estanque sedimentador: sistema que elimina las partículas pesadas en el agua

2. Refinación: La etapa de refinación conceptualmente significa refinar a alta

consistencia (triturar la fibra) y aplicar una gran cantidad de energía para

lograr el enlace adecuado entre astillas. CMPC Planta Maule cuenta con dos

líneas de refinación primaria cada una de 18 MW y con capacidad de

producción de 22 adtph. Cada refinador, fig. 5.4, además de tener la

capacidad de refinar la fibra es capaz de generar vapor en baja presión debido

a la alta energía utilizada en el interior del equipo. Este vapor está en la


29

categoría de vapor sucio debido a su alto contenido de fibra que es

transportada.

Figura 5.4: Esquema explicativo de un refinador

El vapor sucio generado es reutilizado en diferentes procesos de la planta,

logrando de esta forma disminuir los costos asociados a la generación de

vapor con petróleo o en su defecto biomasa. Una de sus aplicaciones será la

base fundamental del presente proyecto, es decir utilizar este vapor de baja

presión y bajo costo en reemplazo del vapor utilizado actualmente en 16 bar

(g) de alto costo de producción.

El sistema de refinación es tan importante para el proceso de fabricación de

cartulinas que una mala refinación puede provocar una mala formación de la

hoja en términos de internal bond, bulk, CSF, °SR y esto provocar pérdidas

económicas de gran importancia para la compañía.

3. Clasificación: Una vez pasada la etapa de refinación la fibra es clasificada por medio

de coladores, fig. 5.5, que se encargan de separar la fibra gruesa de la fina. La fibra


30

rechazada es enviada a refinarse por medio de un grupo de 4 refinadores en baja

consistencia instalados en serie – paralelo. Estos refinadores tienen la función de

desfibrilar la fibra y lograr un enlace adecuado a lo solicitado por el proceso.

Figura 5.5: Esquema explicativo de colador de fibra

4. Espesamiento: Esta etapa se encarga de aumentar la consistencia que sale desde la

etapa de clasificación, aproximadamente de un 3%Cs a un 10% Cs. Para lograr

realizar este salto de consistencia y ser capaz de pasar el total de producción (44

adtph) es necesario utilizar (3) equipos de espesamiento. Estos equipos son los

siguientes:(2) Filtros de discos, fig. 5.6, Capaces de producir 27 adtph y 12 adtph a

una consistencia de salida de 10%. Estos equipos trabajan en base a piernas de


31

vacío quienes le dan la consistencia a la pulpa entregada al final del proceso.

Figura 5.6: Esquema explicativo de un filtro de disco

Figura 5.7: Corte de un filtro de disco


32

a. Prensa doble tela: Equipo de espesamiento capaz de producir 12 adtph,

funciona a través de rodillos y una tela que logra drenar la cantidad de agua

necesaria para lograr los 10%Cs que se necesitan para continuar con el

proceso.

Figura 5.8: Imagen de prensa doble tela

5. Blanqueo: Este subsistema, fig. 5.9, se encarga por medio de prensas aumentar la

consistencia de un 10%Cs a un 23-26 %Cs, con el objetivo de poder introducir los

químicos necesarios para poder blanquear la fibra. (peróxido). Para esto se utilizan 2

prensas y un equipo mezclador a alta consistencia. Posterior a la etapa de blanqueo


33

la fibra es lavada a través de prensas, para ser almacenadas en torres pasta.

Figura 5.9: Imagen de prensa tornillo

Figura 5.10: Imagen de mezclador en alta consistencia


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Julio Valenzuela R

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Area en Estudio

Julio Valenzuela R

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Figura 5.11 Diagrama resumen proceso BTMP

Julio Valenzuela R

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34

35

5.2 Descripción generación de vapor Planta Maule

CMPC Planta Maule posee 3 fuentes generadoras de vapor las cuales son:

1. (2) Calderas de petróleo: Actualmente operadas por personal de CMPC, con

capacidad nominal de 55 ton/h de vapor cada una a una presión de 16 bar (g).

2. Vapor recuperado de TMP: 2 bar (g) Vapor generado por dos refinadores de alta

consistencia que son capaces de generar teóricamente 0.8 toneladas por cada mega

watt consumido en el refinador. Lo que se traduce en alrededor de 14 Ton/h de vapor

sucio que una vez procesado en el Re boiler es inyectado al sistema.

3. (4) Calderas de biomasa: Actualmente operadas por personal externo a planta. Estas

calderas tienen una capacidad nominal de 80 ton/h a una presión nominal de 18 bar

(g).

Los vapores generados por estas (3) fuentes son utilizados en diferentes procesos

para la generación de cartulinas. Planta Maule tiene consumos de 16 bar (g), 7 bar

(g), 5 bar (g) y 2 bar (g).

Las unidades generadoras de vapor se ilustran en diagrama de bloques de la fig.

5.12, como así mismo de distribución y alimentación de vapor a los diferentes

equipos y sistemas.


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Julio Valenzuela R

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Figura 5.12 Matriz de generacion de vapor Planta Maule

Julio Valenzuela R

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Julio Valenzuela R

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Area en estudio

Julio Valenzuela R

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36

37

5.3 Descripción de proceso actual de calentamiento de agua líquida industrial

Para lograr el calentamiento de agua líquida necesaria en el proceso del tratamiento de la

pulpa mecánica TMP (Thermo Mechanical Pulp) se tienen dos fuentes disponibles:

1.- Agua caliente proveniente del proceso de recuperación de aguas desde la máquina

papelera y que es almacenada en la torre de efluentes TAG 140-51-3034 (Figura 5.13), la

cual es bombeada en contra corriente a través de los intercambiadores de calor TAG 140-

62-3036 y 3037, entregando su energía al agua industrial, que será utilizada en el

mejoramiento de la “drenabilidad” de la pulpa mecánica en las prensas tornillo del área 140

(Figura 5.14)

2.- Vapor saturado de 16 bar (g) proveniente del distribuidor principal de vapor, que es

alimentado desde las calderas de biomasa y las de petróleo, según sea la condición de

operación, que es inyectado por un difusor de vapor mediante un sistema de calentamiento

directo de vapor-agua líquida. (Figura 5.14 parte inferior)

El uso de la opción 2 está supeditado a la disponibilidad de agua de efluentes que se

almacena en la torre mencionada en la opción 1, vale decir cuando la torre no tiene nivel, el

control automático inicia el proceso de calentamiento del agua industrial utilizando el vapor

de 16 bar (g) provenientes de las fuentes antes descritas.


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Torre almacenamiento de agua de efluentes (agua caliente)

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linea de agua caliente a intercambiadores de calor helicoidales

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Intercambiadores de calor helicoidales utilizados cuando se dispone de agua caliente de efluentes

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Estanque de agua tibia

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Entrada agua industrial (18°C) (make-up)

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Línea 3" entrada de vapor 16 bar(g) utilizado cuando no se dispone de agua caliente de efluentes

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Agua termicamente acondicionada (60°C )mediante intercambiadores de calor

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Entrada de agua caliente desde torre de efluentes (80°C)

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Linea descarga de agua termicamente acodicionada por intercambiadores de calor o por inyeccion directa de vapor de 16 bar (g) impulsada por bomba hacia puntos de consumo (prensas area 140 pulpa mecánica)

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Agua industrial (18°C) condicion dada cuando no se dispone de agua de efluentes

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Julio Valenzuela R

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Difusor de vapor 6" con 144 perforaciones para mezcla directa de vapor-agua

40

5.4 Descripción técnica de los equipos en estudio (Condición Actual)

Los equipos involucrados en el estudio son principalmente el estanque, encargado del

almacenamiento de agua líquida térmicamente acondicionada esto es agua a 55-60°

aproximadamente, la bomba que se encargada de distribuir esta agua líquida, líneas de

alimentación de agua industrial o make up, y línea de vapor de 16 bar(g) con su

correspondiente difusor, que es el que genera el calentamiento del agua líquida mediante el

sistema de mezcla directa incrementando la temperatura de esta dentro del estanque para

el uso respectivo. Ver figura 5.15

5.4.1 Estanque de agua Tibia (TAG 140-51-3038)

Material : Acero Inox Dúplex 2001

Capacidad: 95 m3

Dimensiones (H x Ø): 4500 x 5500

Conexionado: ANSI 16.1; #150 lb

Fabricante: TERSAINOX

Figura 5.15 Estanque de agua Tibia Tag 150-51-3038 Fuente: Elaboración Propia


41

5.4.2 Bomba centrifuga (TAG 140-21-3040)

Marca : SULZER

Tipo: Centrifuga rodete semi abierto

n: 1480 RPM

H: 60 m

Q: 208,3 l/s

5.4.3 Línea de alimentación de agua industrial 140-WE-3086-10"

Material : Acero Inox 316L


Fabricante: CMPC

5.4.4 Línea de alimentación vapor a 16 bar (g) 140-SD1-3153-3"

Material : Acero Carbono A-106 Gr B


Fabricante: CMPC

5.4.5 Difusor de vapor (Interior del Estanque)

Material : Cañería 6” sch10 Acero Inox 316L


Dimensiones: 3000 x 6” (3 perforaciones de Ø5 mm dispuestas a 45°,90° y 135° por

48 filas; total 144 perforaciones)

Fabricante: CMPC


42

5.5 Descripción de modificación propuesta para el calentamiento de agua

líquida con vapor de 2 bar (g)

Para contextualizar, se debe recordar que la condición actual del calentamiento de agua

líquida industrial se realiza mediante 2 formas.

1. Una es utilizar el agua de efluentes, producto del proceso de producción en la

máquina papelera (agua de proceso con 80°C aproximadamente) mediante el

intercambio de calor a través de equipos dispuestos para este objetivo

(Intercambiadores de calor tipo helicoidales mostrados en la figuras 5.13 y 5.14.

2. La segunda es generar este calentamiento utilizando vapor de 16 bar (g) proveniente

de nuestras calderas de biomasa o de petróleo, mediante la inyección directa de

vapor mediante un difusor instalado en el estanque 140-51-3038 mostrado en la

figura 5.14, esta segunda se utiliza cuando el agua de efluentes, debido a alguna

condición de producción no está disponible en los volúmenes necesarios.

En base a lo planteado en el punto 1.2 la disponibilidad que existe hoy en planta Maule de

vapor de 2 bares (g), producto de la incorporación de nueva tecnología en el proceso

mecánica, de producción de pulpa termo mecánica, motiva a utilizar este fluido con estas

condiciones para generar el calentamiento de agua industrial tal cual fue explicado

previamente.

El Diagrama de proceso mostrado en la página siguiente (figura 5.16) muestra la situación

propuesta en este estudio para lograr este objetivo.

La lista de los equipos que son afectados por esta propuesta corresponde principalmente a:

1. Manifold de alimentación de vapor

2. Línea de alimentación de vapor a estanque de agua tibia (cambio de diámetro)

3. Válvula de control de flujo de vapor (cambio de diámetro por condiciones de proceso)

4. Difusor de vapor (ubicado en el interior del estanque)

5. Sistema de entrega de vapor al interior del estanque (inyectores de vapor para mezcla

directa)


Fig

ura

5.16

P&

C P

lano

de

Pro

ceso

(E

stud

io)

Inte

rcam

bio

de c

alor

Are

a 14

0

Fue

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men

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geni

eria

CM

PC

Pla

nta

Mau

le


Julio Valenzuela R

Callout

Nuevo manifold distribuidor de vapor

Julio Valenzuela R

Callout

Nueva línea de alimentacion de vapor de 2 bar (g)

Julio Valenzuela R

Callout

Nueva válvula de alimentación de vapor

Julio Valenzuela R

Textbox

43

Julio Valenzuela R

Callout

Nuevo difusor de vapor con sus respectivos inyectores de mezcla directa

44

5.6 Descripción general de los cambios propuestos

En el sistema se introducirá aumento del diámetro de la línea de distribución y alimentación

de 3” a 8”. Es necesario recordar que el vapor de menor presión tiene un volumen especifico

mayor comparado a uno de mayor presión (cambio de 16 a 2 bar g) ver figura 5.17.

La línea de entrada de vapor que se ve precedida por la instalación de un manifold de vapor

de 14” (140-64-3400-14”) el cual garantiza una correcta distribución del vapor y un correcto

drenaje inicial del condensado. Este manifold hace las veces de “Buffer” o de acumulador de

paso, pensando que el vapor disponible en la línea 140-SD3-3011-8” alimenta en forma

alternada a 2 estanques adicionales que también necesitan calentar agua industrial mediante

el mismo principio, pero solo durante los periodos de paradas programadas de las líneas

productivas de pulpa mecánica, vale decir una vez por mes.

Se muestra además la válvula de control que es la encargada de regular el flujo de vapor

que ingresa al estanque de agua y que es necesario cambiar debido al cambio de diámetro

de la línea y de la nueva presión con la que trabajará.

Por último el distribuidor mostrado al interior del estanque que es el que en definitiva produce

el efecto de calentamiento desde 18° a 60°C del agua en fase líquida mediante los 9

inyectores de vapor detallados en el punto 5.7.3, pág. 58.


CM

PC

1

5

0

0

3500

1

5

0

0

3000

2

3

3

0

1500

1

0

0

0

1000

X

X

X

X

X

X

X

X

Fig

ura

5.17

Pla

no Is

omet

rico

mos

tran

do la

pro

pues

ta d

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stal

acio

nF

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labo

raci

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ropi

a


Julio Valenzuela R

Callout

Nuevo manifold 14" de distribución de vapor

Julio Valenzuela R

Arrow

Julio Valenzuela R

Arrow

Julio Valenzuela R

Arrow

Julio Valenzuela R

Callout

Salida de vapor de 2 bar (g) a otros consumos

Julio Valenzuela R

Callout

Línea 8"entrada de vapor de 2 bar(g) desde refinacion planta pulpa BTMP

Julio Valenzuela R

Callout

Línea 8" vapor de 2 bar (g) hacia estanque de agua tibia

Julio Valenzuela R

Callout

Válvula de control de flujo de vapor 6" a difusor interior estanque de agua tíbia

Julio Valenzuela R

Callout

Valvula de retención para contener el flujo de agua hacia la línea de alimentacion de vapor, cuando la línea no esta operativa

Julio Valenzuela R

Textbox

45

46

5.7 Calculo de componentes nuevo sistema propuesto (Figura 5.16)

Este manifold (Distribuidor de vapor) debe construirse a la altura del operador y bajo

procedimientos de soldadura consistentes, con pruebas de calidad adecuados a recipientes

sometidos a presión y temperatura, debiendo ser soportados correctamente para atenuar los

esfuerzos causados por la dilatación. Todas las características propias para el diseño de los

recipientes a presión son obtenidas de fuentes alternativas previamente estudiadas, como

son manuales de materiales. Todas las propiedades están sustentadas en base a la norma

del Código ASME sección VIII, división I.

Figura 5.18 Esquema en elevación con propuesta de manifold y líneas asociadas Fuente: Elaboración propia


47

5.7.1 Cálculo de dimensiones requeridas para el manifold propuesto.

Los Datos de entrada para el cálculo simplificado de este equipo son:

Po : Presión de operación (Psi) (g)

P : Presión de diseño (Psi)

T° : Temperatura del fluido (Vapor saturado) °C

Sy: Esfuerzo último del material (Psi)

E: Eficiencia de soldadura (Cuerpo 100%, tapas o caps 85%)

C: Tasa de corrosión (Pulg)

V: Volumen estimado del recipiente (m3)

Para lograr este cálculo se dispone de 2 métodos, los cuales se detallan a continuación:

5.7.1.1 Método del área equivalente:

Este método es práctico y se basa principalmente en igualar las áreas de las líneas que

alimentan y que se descargan de este “acumulador de paso”. Considera la velocidad

experimentada por el fluido en la cañería como constante alrededor de 18 m/s (Medición

instrumental)

Si se considera el manifold como un recipiente de presión, aunque en rigor es solo un

distribuidor de vapor de paso vale decir un tramo de cañería con “caps” en los extremos, La

fórmula simplificada para el cálculo del diámetro de este equipo es:

Øm = n√𝑥

Øm : Diámetro del manifold (Pulg)

n : Diámetro de la línea que entrega vapor al equipo (Pulg)

x : Cantidad de boquillas del manifold,. Para el estudio se considera 3 boquillas, una de

alimentación y dos de descarga (ver figura 5.16 y 5.17)

Para el caso en estudio:

Øm = n√𝑥

Øm = 8√3

Øm = 13,85” ≈ 14”


48

5.7.1.2 Método tamaño óptimo del recipiente (Diámetro y Longitud):

El cálculo y la fabricación del recipiente están basada en el código ASME (AMERICAN

SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS) Sección VIII, División 1. Esta norma, cubre el

diseño, la selección de materiales, la fabricación, la Inspección, las pruebas, los criterios de

aprobación y la documentación resultante de las distintas etapas a cumplir.

Para construir un recipiente con el mínimo de material, debe determinarse la relación correcta

de la longitud al diámetro.

A continuación se realizará el cálculo de un recipiente horizontal, basado en el criterio de la

relación óptima de la longitud al diámetro mediante el uso de la siguiente ecuación:

[1]

𝐹 =𝑃

𝐶𝑆𝐸

(𝐄𝐜. 𝟎𝟏)

Dónde:

F : Curva de relación Volumen-diámetro (ver gráfico de la figura 5.20)

P : Presión de diseño (lb/pulg2) (g)

C : Margen de corrosión, aplicado al espesor del material (pulg)

S : Esfuerzo permitido a la tensión del material (lb/pulg2)

E : Eficiencia de la soldadura. (%)

Una vez obtenido el valor de F, el largo del distribuidor de paso se determinará mediante la

siguiente expresión:


49

[1]

𝐿 =4𝑉

𝜋𝐷2

(𝐄𝐜. 𝟎𝟐)

Dónde:

L : Longitud del manifold (pie)

V: Volumen del recipiente. (pie3)

D: Diámetro interior del recipiente. (pie)

Datos de Entrada:

Para determinar la presión de diseño se utiliza la siguiente metodología

Po: Presión de operación

P : Presión de diseño

[1]

Po>300 Psi Po≤300 Psi

P=Po+1.1 P=Po+30 Psi

Para este caso la presión de operación es de 2 bar (g) pero se aplica un factor de corrección

de 50% por lo que se tiene una presión de trabajo que es de 3 bar (g) o 43,51 Psi vale decir:

P= 43.51 + 30

P= 74 Psi

La condición de temperatura del vapor saturado de 3 bar (g) es de 143,7 °C (Valor obtenido

de las tablas de vapor saturado)

Se considera

C: Tasa de corrosión, equivalente según equivalente 5 milésimas de pulgada por año,

pensando en 12 años de vida útil es equivalente a 0.0625 pulg o 1,58 mm.

S: Esfuerzo último del material, considerando la temperatura del vapor saturado y el tipo de

material seleccionado, 15.000 (lb/pulg2) (ver figura 5.19)


50

Figura 5.19 Propiedades de acero Carbono, valores de esfuerzos máximos en función de la temperatura

Fuente: Manual de recipientes a presión-Eugene F. Megyesy


51

E: Eficiencia de soldadura se puede considerar entre un 80 o 85%, para el presente caso se

considerará un 80%

V: El volumen considerado para este estudio es de 9 pie3 o 0,25 m3 (Considerando los

espacios físicos disponibles junto al estanque de agua tibia)

Reemplazando en ecuación N° 01:

𝐹 =74

0,0625 ∗ 15.000 ∗ 0,8

𝐹 = 0,098 ≈ 0,1

Con el valor de F y utilizando la gráfica de apoyo figura 5.20, con la cual se puede

determinar, teniendo el volumen previamente establecido como dato de entrada, el diámetro

teórico del manifold.

Es importante señalar que la escala representada en la gráfica en el eje de la X, comienza

en 10 pies3 (0.28 m3) como valor mínimo para el cálculo del manifold de vapor. En el presente

caso el volumen propuesto es de 9 pies3 (0.25 m3), vale decir un valor menor a lo mínimo

indicado en la gráfica por esto, y viendo lo lineal del comportamiento del gráfico en su parte

inferior se procede a una extrapolación simple para obtener un valor teórico del diámetro del

acumulador de paso cuyo resultado es de 1,5 pies (18”) correspondiente a un diámetro

comercial de 18” o 457, 2 mm.

El valor obtenido mediante este método es levemente mayor al método explicado en punto

5.7.1.1 “Método del área equivalente” 14” o 355,6 mm, alrededor de 100 mm diametrales o

50 mm radiales.


52

Figura 5.20 Grafico de tamaño óptimo de recipiente de presión

Fuente: Manual de recipientes a presión-Eugene F. Megyesy


53

Aplicando este diámetro teórico a la fórmula expuesta más arriba se obtiene el largo teórico

del acumulador de paso:


𝐿 =4 ∗ 9

𝜋(1,5)2

𝑳 = 𝟓, 𝟏 𝒑𝒊𝒆𝒔 ó 𝟏. 𝟗𝟏𝟕 𝒎𝒎 ≈ 𝟏, 𝟔 𝒎

Pare efectos prácticos constructivos y de distribución de las boquillas de entrada y

salida de vapor en el acumulador de paso se consideró un largo de 2 m

5.7.2 Selección de válvula de control de flujo de vapor.

En esta etapa en particular y considerando que la válvula de control “disponible” para esta

aplicación es del tipo bola de paso completo de 6” de diámetro, tiene un coeficiente de caudal

(Cv= 1260 gpm o Kv=1089 m3/h). Se realizará un cálculo básico para determinar el Kv que

debería tener esta válvula considerando las condiciones de diseño por proceso, es decir

nueva presión y caudal.

5.7.2.1 Cálculo simplificado del coeficiente de flujo (Kv y Kvs) para la válvula

reguladora de flujo de vapor

El método presentado aquí permite elegir la válvula adecuada para un determinado caso de

aplicación con gastos relativamente pequeños. Los modos de cálculo basados en el llamado

método del valor Kv están muy simplificados en comparación con otros cálculos que

consideran más variables. Sin embargo, conducen a resultados suficientemente válidos para

los fines propuestos.

Para el caso en estudio se considera el vapor de agua como un gas ideal y no calculamos

con el volumen específico, de lo anterior puede obtener una desviación de máximo 5 %, lo

cual es tolerable.


54

En el caso de un gradiente de presión sub-crítico, o sea, si [2]

∆𝑃 <𝑃1

2 : Kv =

𝐺

461√

𝑇1+273

∆𝑃∗𝑃2

(𝐄𝐜. 𝟎𝟑)

y en el caso de un gradiente de presión supercrítico, o sea, si [2]

∆𝑃 >𝑃1

2 : Kv =

𝐺

230∗𝑃1√𝑇1 + 273

(𝐄𝐜. 𝟎𝟒)

Dónde:

Kv : Coeficiente de flujo (m3/h)

G : Caudal másico (kg/h)

Q1 : Caudal volumétrico delante de la válvula (m3/h)

Q2 : Caudal volumétrico detrás de la válvula (m3/h)

Ap : Diferencia de presión (p1 - p2) bar

p1 : Presión de entrada (abs.) bar

p2: Presión de salida (abs.) bar

t1: Temperatura de entrada °C

t2: Temperatura de salida °C

w1: Velocidad en la tubería delante de la válvula (m/s)

w2: Velocidad en la tubería detrás de la válvula (m/s)

d1: Diámetro de la tubería delante de la válvula (mm)

d2: Diámetro de la tubería detrás de la válvula (mm)

Datos de entrada: p1: 2 bar (g) o 3 bar abs.

p2: 1,9 bar (g) o 2,9 bar abs.; Este valor se obtiene de:

La columna de agua equivalente a 4.5 m de altura, vale decir 0,45 bar (g) altura del

estanque de agua tibia en el nivel máximo

Perdida de carga generada por los inyectores de vapor de 1 bar (g) aproximado (este

sistema será explicado en detalle más adelante)


55

Perdida de carga que produce la válvula de retención de 6”, accesorio incluido en

instalación equivalente a 0,4 bar (g); por lo tanto (0,45 + 1+ 4,4 = 1,85) ósea

alrededor de 1,9 bar (g) ò 2,9 bar abs.

G: 4.500 kg/h

t1:133,70 °C

[2]

Kv =𝐺

461√

𝑇1+273

∆𝑃∗𝑃2


Kv =4500

461√

133,705+273

0,1∗2,9

Kv = 365,55 (m3/h) a este valor obtenido se incorpora un 30% para llegar a un valor Kvs que

la válvula debería tener como mínimo ∴

Kvs = Kv*1,3

Kvs= 475,21 (m3/h) si se compara ésta magnitud con la de la válvula que se tiene disponible

KV= 1089 (m3/h) y se aplica la recomendación general en términos de que ésta trabaje entre

un 10 y 70% de su valor Kvs, vale decir 475,21/1089 * 100 = 43,63%, es decir está dentro

del rango recomendado para trabajar y tiene la capacidad para absorber el flujo calculado.

5.7.2.2 Cálculo ampliado del coeficiente de flujo (Cv) para la válvula reguladora

de flujo de vapor

A continuación se muestra un método ampliado para el cálculo del coeficiente de flujo

considerando otras variables como son la densidad del vapor a esta presión y relación de

los calores específicos.


56

Las siguientes expresiones se utilizan para determinar este coeficiente

[3] 𝑷𝟏−𝑷𝟐

𝑷𝟏< 𝐹𝑦 ∗ 𝑋𝑡 → 𝑪𝒗 =

𝑴𝒔

(𝟐,𝟕𝟑∗(𝟏−

𝑷𝟏−𝑷𝟐𝑷𝟏

(𝟑𝑭𝒚∗𝑿𝒕) )∗√𝑷𝟏−𝑷𝟐∗𝝆)

(𝐄𝐜. 𝟎𝟓)

[3] 𝑃1−𝑃2

𝑃1 ≥ 𝐹𝑦 ∗ 𝑋𝑡 → 𝐶𝑣 =

𝑀𝑠

(0,66∗2,73∗√𝐹𝑦∗𝑋𝑡∗𝑃1∗𝜌)

(𝐄𝐜. 𝟎𝟔)

Donde

p1 : Presión primaria (kPa abs)

p2 : Presión secundaria (kPa abs)

Ms : Rango de flujo del vapor (kg/h)

Cv : Valor de Cv de la válvula (Cv)

ρ : Densidad del vapor (kg/m³)

Fγ : Relación de calores específicos

Xt : Relación de presiones diferenciales (=0.72)

Kv : 0,865 * Cv

Para determinar la densidad del vapor a la presión de entrada 3 bar (abs), se recurre a una

tabla de vapor saturado. Para este caso el valor encontrado corresponde a 1,65 (kg/m3).

Para determinar la relación de calores específicos se utilizan los valores tabulados

correspondientes a las presiones absolutas antes de la válvula y después de ésta, es decir

3 y 2.9 bar (abs) respectivamente.

Esto es:

3 bar (abs): Cv = 1,61643 (KJ / kg*K); Cp = 2,19511 (KJ / (kg*K))

2,9 bar (abs): Cv = 1,61275 (KJ / kg*K); Cp = 2,18868 (KJ / (kg*K))


57

Fy = 1,61275

1,61643 = 0,997 Relación de calor específico a volumen constante

Fy = 2,18868

2,19511 = 0,997 Relación de calor específico a presión constante

Teniendo en cuenta que la resultante de la expresión 𝑃1−𝑃2

𝑃1 es menor a 𝐹𝑦 ∗ Xt es decir

0,033 < 0,71784, se utiliza la ecuación n°7, por lo tanto:


𝐶𝑣 =4.500

(2,73 ∗ (1 −

3 − 2,93

(3 ∗ 0,997 ∗ 0,72) ) ∗ √3 − 2,9 ∗ 1,65)

𝐶𝑣 = 412,08

𝐾𝑣 = 0,865 𝑥 𝐶𝑣

𝑲𝒗 = 𝟑𝟓𝟔, 𝟒𝟓 M3/h

En resumen:

Si se compara el valor Kv, obtenido mediante el Sistema simplificado detallado en el punto

5.7.2.1, que es igual a 365,55 (m3/h), con el valor obtenido mediante el método recientemente

descrito que es igual a 356,45 (m3/h), la diferencia de 9,1(m3/h) es alrededor del 1% lo cual

cae dentro del 5%, considerado como aceptable según lo descrito es el punto 5.7.2.1

5.7.2.3 Cálculo simplificado del diámetro de la válvula reguladora de flujo de

vapor

Para el cálculo simplificado se considera la velocidad como una variable de entrada de una

magnitud de 25 m/s

[2]

Q=𝐺∗(𝑡+273)

𝑝∗219

(𝐄𝐜. 𝟎𝟕)


58

[2]

𝐷 = 18,8√𝑄

𝑤

(𝐄𝐜. 𝟎𝟖)

Donde:

G : Caudal másico (kg/h)

Q1 : Caudal volumétrico antes de la válvula (m3/h)

Q2 : Caudal volumétrico después de la válvula (m3/h)

p1 : Presión antes de la válvula (abs.) bar

p2: Presión después de la válvula (abs.) bar

t1: Temperatura de entrada °C

W: Velocidad del fluido (m/seg)

Reemplazando en ecuación Ec.07

Q1=4500∗(133,705+273)

3∗219

Q1= 2.785,65 (m3/h)

Reemplazando en ecuación Ec.08

D1= 18,8√2.785,65

25

D1=198,45 mm ≈ 8” Reemplazando en ecuación Ec.07

Q2=4500∗(133,705+273)

2,9∗219

Q2 = 2.881,71 (m3/h) Reemplazando en ecuación Ec.08


59

D2= 18,8√2.881,71

25

D2=201,84 mm ≈ 8”

Si se toma en cuenta que la válvula disponible, tal cual fue explicado en el punto 5.7.2 es

de 6” se realiza el cálculo considerando el aumento de velocidad a 35 m/s, que sigue estando

dentro de los límites recomendados para esta presión y caudal [2]

D1= 18,8√2.785,65

35

D1=167,72 mm ≈ 6”

D2= 18,8√2.881,71

35

D2=170,59 mm ≈ 6” Por lo tanto la válvula de 6” disponible en planta será adecuada para la aplicación

5.7.3 Selección de sistema de calentamiento con vapor.

El actual sistema de calentamiento con que cuenta el estanque de agua tibia 140-51-3038

que es del tipo directo (ver descripción en el punto 5.4.5), será reemplazado por un sistema

de inyectores de vapor. (Ver figuras 5.21 y 5.22)

Estos elementos succionan agua fría de su entorno y de esta manera la mezcla entre vapor

y agua fría ocurre en el interior del inyector, provocando el calentamiento del agua que los

rodea.

Las ventajas de utilizar este tipo de accesorios son principalmente:

1. Calentamiento más homogéneo del agua

2. Diminución de ruidos indeseados durante el proceso de inyección de vapor

3. Reducción o eliminación de vibraciones en el sistema

4. Elementos sin partes móviles, por lo tanto bajo mantenimiento.

El método para seleccionar estos accesorios pasa por determinar el flujo de vapor necesario

para calentar la masa de agua, considerar las condiciones de entalpía del vapor que será

inyectado, las condiciones termodinámicas del agua en estado líquido a calentar, la


60

temperatura de proceso que se debe asegurar y el tiempo que debe tomar este

calentamiento.

Ingreso de Vapor Ingreso de agua Mezcla

Figura 5.21 Sección típica de un inyector de vapor marca ADCA Fuente: Valsteam Manual selección inyectores de vapor ADCA

Balance de energía: (Considerando este sistema como una mezcla de vapor más agua ósea

un sistema abierto, sin recuperación de condensado, esto es inyección de vapor en forma

directa a la masa de agua para generar el calentamiento deseado)

𝑸𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 = 𝑸 𝒂𝒈𝒖𝒂

(𝐄𝐜. 𝟎𝟗)

𝒎𝒗(𝒉𝒈 − 𝒉𝒇) = 𝒎 ∗ 𝑪𝒑 ∗ ∆T

𝒕

𝒎𝒗 =𝒎 ∗ 𝑪𝒑 ∗ ∆T

𝒉𝒇𝒈 ∗ 𝒕


61

Donde:

mv : Flujo de vapor requerido para el calentamiento del agua (kg/h)

m : Masa de agua a calentar (kg)

Cp : Capacidad calorífica del agua (kcal/kg)

∆T : Diferencia de temperatura inicial y final de la masa de agua (°C)

t : Tiempo de calentamiento de la masa de agua (hr)

hg : Entalpía específica del vapor disponible (kcal/kg)

hf : Entalpía especifica del agua a calentar (kcal/kg)

Datos de entrada: m : 95.000 (kg) según el punto 5.4.1

Cp : 1 (kcal/kg)

∆T : 60 – 18 = 42 (°C)

t : 2 (h)

hg : 650 (kcal/kg)

hf : 18 (kcal/kg)

Reemplazando en ecuación N° 09

𝑚𝑣 =95.000 ∗ 1 ∗ 42

(650 − 18) ∗ 2

𝒎𝒗 = 𝟑. 𝟏𝟓𝟔, 𝟔𝟒 𝒌𝒈/𝒉 Si se recuerda la cantidad de vapor mencionado en los datos de entrada del punto 5.7.2.1

correspondiente al caudal másico de vapor disponible de 4.500 kg/h, y se compara con la

cantidad mv, recién calculada, se aprecia que se tiene el vapor suficiente para generar este

calentamiento en el tiempo previamente impuesto (2 horas).

Por lo tanto y considerando el caudal disponible, se realiza la selección del inyector

utilizando la tabla del proveedor que muestra las capacidades experimentales de estos

elementos


62

Figura 5.22 Dimensiones de inyectores de Fuente: Valsteam Manual selección inyectores de vapor ADCA

Figura 5.23 Rangos de capacidades de flujo vapor por tipo de inyector Fuente: Valsteam Manual selección inyectores de vapor ADCA

Para lograr la selección adecuada se necesitan, como datos de entrada, el diferencial que

se da entre la presión máxima disponible y la caída de presión correspondiente a la columna

de agua en el estanque.

p1: Presión máxima disponible 2,1 bar (g)

p2: Presión de la columna de agua 0,45 bar (g), correspondiente a 4,5 mca

∆p: Diferencial de presión 1,65 bar (g)

Obtenido el diferencial, y teniendo como detalle constructivo la robustez del sistema, se

selecciona el inyector modelo SI-140 de1 ½” de diámetro

Ahora bien considerando los datos mostrados en la figura 5.21 correspondientes al inyector

seleccionado además del diferencial de presión previamente establecido, se procede al

cálculo de la cantidad de inyectores que es necesario instalar en el estanque, considerando

la capacidad teórica del inyector seleccionado pero considerando la caída de presión es

decir:


63

Inyector modelo SI-140, 1 ½”condición para 1 bar (G) = 395 kg/h (ver figura 5.21)

Condición para 1,65 bar (G) = 508,75 kg/h (valor interpolado)

Condición para 2 bar (G) = 570 kg/h (ver figura 5.21)

Si bien es cierto la cantidad de vapor necesario para lograr el calentamiento del total del

volumen de agua en el tiempo solicitado es de 3.156,64 kg/h, como fue calculado

previamente, para efectos prácticos y de seguridad, se utilizará el total teórico de vapor

disponible, esto es 4.500 kg/h

Por lo tanto la cantidad de inyectores está dado por:

[4]

N° de inyectores =𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 (

𝑘𝑔ℎ

)

𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 (𝑘𝑔ℎ

)

(𝐄𝐜. 𝟏𝟎)

N° de inyectores =4.500 (

𝑘𝑔ℎ

)

508,75 (𝑘𝑔ℎ

)

𝑵° = 𝟖, 𝟖𝟓 ≈ 𝟗 𝒊𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓𝒆𝒔

En el esquema siguiente se muestra el difusor de vapor fabricado en acero inoxidable de 8”

de diámetro SCH 40, en concordancia con los cálculos descritos en el punto 5.7.2.3. La

instalación vista en planta, muestra además detalle de la soportación y de la posición de

cada uno de los inyectores en el cuerpo del difusor. Para determinar el largo de este

elemento se considera la distancia mínima recomendada por el proveedor entre elementos

además de la distancia entre este dispositivo y la boquilla de succión de la bomba conectada

a este estanque. Mantener una distancia de la succión de la bomba impedirá que durante la

operación del difusor de vapor este pueda aportar turbulencia y flujo mixto directo a la succión

de bomba pudiendo provocar cavitación.


64

Figura 5.24 Esquema de planta y elevación mostrando distribuidor de vapor e inyectores

Fuente: Elaboración propia


65

5.7.4 Registro fotográfico de los trabajos ejecutados.

Conjunto nuevo sistema de alimentación de vapor


66

Nuevo manifold distribuidor de vapor

Nuevo sistema de control de flujo de vapor


67

Nuevo difusor de vapor (Interior estanque de agua tibia)

Nuevo sistemas de inyectores de vapor (Interior estanque de agua tibia)


68

Capítulo VI “Recolección datos de consumo de vapor pre-proyecto”

CMPC cuenta con el programa PI Processbook, un software creado para obtener

información avanzada de datos del proceso, permitiendo una gestión avanzada de la misma.

Entrega de Información en despliegues interactivos, pudiendo almacenar una enorme

cantidad de datos. Esta herramienta informática de última generación permite tener

información on line del proceso productivo, además de llevar un control estadístico de las

diferentes variables que la planta maneja.

Respecto de los datos plasmados en la tabla 6.1 se debe señalar para mayor claridad, que

el valores mostrados en las columnas % abertura de válvula de control y % flujo, responden

al lazo de control de temperatura mostrado en figura 5.14, bloque “TIC-3301” (Temperature

Indicator Control) esto es controlar la modulación de la válvula de control encargada de

alimentar el flujo de vapor hacia el sistema de inyección en función de las fluctuaciones de

temperatura del agua en el interior del estanque, producto de la demanda de agua caliente

del sistema de prensado y blanqueo de pulpa.

Con este software se logró rescatar los datos del pasado reciente, respecto a los consumos

de vapor, en 16 bar (g) en el estanque de agua tibia, los que a continuación se detallan.

Tabla 6.1 Tabla de datos recolectados del consumo de vapor mediante el programa PI Fuente: Depto. producción CMPC Planta Maule

Ítem Fecha % Abertura Válvula de

control Flujo [kg/h]

1 03/08/2013 0:00 24,13 749,68

2 03/08/2013 4:00 46,98 662,66

3 03/08/2013 8:00 48,19 737,62

4 03/08/2013 10:00 53,45 1.062,48

5 03/08/2013 20:00 51,65 951,71

6 03/08/2013 22:00 53,28 1.052,29

7 04/08/2013 0:00 51,73 956,44

8 04/08/2013 2:00 54,40 1.121,18

9 04/08/2013 4:00 60,96 1.526,78

10 04/08/2013 6:00 90,53 3.354,47


69

11 04/08/2013 8:00 86,80 3.123,89

12 04/08/2013 12:00 19,95 1.008,22

13 04/08/2013 14:00 19,25 1.050,94

14 04/08/2013 16:00 20,24 989,79

15 04/08/2013 18:00 23,26 803,20

16 05/08/2013 2:00 99,20 3.890,78

17 05/08/2013 4:00 98,12 3.823,99

18 05/08/2013 6:00 49,50 818,72

19 05/08/2013 8:00 58,27 1.360,90

20 05/08/2013 10:00 99,18 3.889,61

21 05/08/2013 16:00 1,28 2.161,92

22 05/08/2013 18:00 2,14 2.108,83

23 05/08/2013 22:00 0,97 2.181,37

24 06/08/2013 0:00 2,26 2.101,31

25 06/08/2013 2:00 0,79 2.192,11

26 06/08/2013 4:00 2,10 2.111,39

27 06/08/2013 8:00 18,94 1.070,44

28 06/08/2013 10:00 25,47 666,99

29 06/08/2013 18:00 84,14 2.959,90

30 06/08/2013 20:00 53,65 1.075,35

31 06/08/2013 22:00 62,74 1.636,72

32 07/08/2013 0:00 47,14 672,67

33 07/08/2013 4:00 56,68 1.262,70

34 07/08/2013 6:00 56,35 1.241,78

35 07/08/2013 8:00 55,17 1.169,38

36 07/08/2013 10:00 53,25 1.050,10

37 08/08/2013 10:00 53,03 1.037,02

38 08/08/2013 12:00 62,37 1.613,83

39 08/08/2013 14:00 98,59 3.853,17

40 08/08/2013 16:00 97,46 3.782,82

41 08/08/2013 18:00 57,02 1.283,51

42 08/08/2013 20:00 51,53 944,17

43 08/08/2013 22:00 52,80 1.022,78

44 09/08/2013 0:00 54,70 1.140,25

45 09/08/2013 12:00 63,75 1.699,58

46 09/08/2013 14:00 58,44 1.371,10

47 10/08/2013 2:00 49,27 804,52

48 10/08/2013 6:00 49,96 846,75

49 10/08/2013 8:00 54,06 1.100,61

50 10/08/2013 12:00 49,76 834,64

51 10/08/2013 14:00 55,53 1.191,08


70

52 10/08/2013 20:00 2,71 2.073,40

53 10/08/2013 22:00 16,02 1.251,15

54 11/08/2013 0:00 16,95 1.193,22

55 11/08/2013 8:00 46,98 662,71

56 11/08/2013 18:00 20,48 974,98

57 11/08/2013 20:00 24,46 729,21

58 11/08/2013 22:00 15,88 1.259,49

59 12/08/2013 0:00 17,06 1.186,52

60 12/08/2013 8:00 54,55 1.130,91

61 12/08/2013 10:00 10,95 1.564,49

62 12/08/2013 22:00 0,80 2.191,69

63 13/08/2013 0:00 7,39 1.784,59

64 13/08/2013 22:00 1,00 2.179,54

65 15/08/2013 6:00 47,54 697,72

66 15/08/2013 10:00 47,63 703,15

67 15/08/2013 18:00 19,50 1.035,63

68 15/08/2013 20:00 19,67 1.025,45

69 15/08/2013 22:00 21,76 896,00

70 16/08/2013 0:00 1,31 2.160,17

71 16/08/2013 2:00 2,18 2.106,32

72 16/08/2013 6:00 23,25 803,74

73 16/08/2013 8:00 24,35 735,87

74 16/08/2013 10:00 16,05 1.249,22

75 16/08/2013 16:00 18,71 1.084,56

76 17/08/2013 22:00 0,94 2.183,23

77 18/08/2013 0:00 0,94 2.183,23

78 18/08/2013 2:00 0,94 2.183,23

79 18/08/2013 4:00 0,94 2.183,23

80 18/08/2013 6:00 59,56 1.440,24

81 18/08/2013 10:00 51,44 938,36

82 18/08/2013 12:00 50,35 870,98

83 18/08/2013 20:00 22,10 874,76

84 18/08/2013 22:00 21,73 898,20

85 19/08/2013 2:00 24,60 720,51

86 19/08/2013 6:00 49,73 833,12

87 19/08/2013 8:00 50,48 879,39

88 19/08/2013 10:00 51,02 912,46

89 19/08/2013 12:00 49,42 813,38

90 19/08/2013 14:00 51,03 913,29

91 19/08/2013 16:00 51,72 955,84

92 19/08/2013 18:00 52,51 1.004,35


71

93 19/08/2013 22:00 1,17 2.169,04

94 20/08/2013 0:00 2,02 2.116,36

95 20/08/2013 2:00 14,29 1.357,92

96 20/08/2013 4:00 16,16 1.242,30

97 20/08/2013 6:00 96,77 3.740,46

98 20/08/2013 8:00 77,41 2.544,07

99 20/08/2013 10:00 76,82 2.507,09

100 20/08/2013 12:00 82,32 2.847,17

Capítulo VII “Estudio de factibilidad del proyecto”

Para realizar el estudio de factibilidad se tomaron como muestra 1.000 datos rescatados

desde el programa “PI” cuyas características fueron detalladas en el capítulo anterior.

Para tener una muestra representativa se analizaron 3 meses con intervalos de tiempo de 2

horas a contar del 03.08.2013 hasta el 25.10.2013.

Considerando lo anterior y viendo la tendencia de los datos, estos fueron resumidos en 100

valores rescatados desde el 03.08.2013 al 20.08.2013 para usos prácticos. (Tabla 6.1)

El resumen de los datos recolectados se muestra a continuación y además se analiza la

factibilidad del proyecto.

Tabla 7.1 Tabla resumen de datos de consumos de vapor en estanque de agua tibia. Fuente: Elaboración propia

Mínimo 663 [kg/h]

Promedio 1.511 [kg/h]

Máximo 3.891 [kg/h]

Desviación estándar 850 [kg/h]

Teniendo en cuenta los datos indicados en la tabla anterior, a continuación se muestran los

valores promedios en dólares para producir una tonelada de vapor:


72

Tabla 7.2 Tabla de valores de vapor por tonelada expresada en dólares Fuente: Área Servicios CMPC Planta Maule

COSTOS

Costo de vapor en 16 bar (g) 22 USD/ton Petróleo

Costo de vapor en 16 bar (g) 12 USD/ton Biomasa

Costo de vapor en 2 bar (g) 4 USD/ton Recuperación

Posterior a estos análisis se realizan los cálculos para determinar el valor mínimo, promedio

y máximo con los flujos entregados anteriormente:

Tabla 7.3 Tabla de costos asociados al consumo de vapor en 16 bares (g) (petróleo)


Ítem Flujo [Ton/h] Valor [USD] Total [USD/ton]

Mínimo 0,663 22 14,586

Promedio 1,511 22 33,242

Máximo 3,891 22 85,602

Tabla 7.4 Tabla de costos asociados al consumo de vapor en 2 bar (g) (recuperado del proceso de la BTMP) Fuente: Elaboración propia

Ítem Flujo [Ton/h] Valor [USD] Total [USD/Ton]

Mínimo 0,663 4 2,652

Promedio 1,511 4 6,044

Máximo 3,891 4 15,564


73

El análisis efectuado entrega como resultado, que utilizar el vapor de 16 bar (g) en el proceso

de calentamiento de agua en la BTMP tiene un costo promedio mayor de $27,198 USD/Ton

de vapor, que si se utiliza vapor de 2 bar (g) recuperado del proceso de refinación. Esto es

$33,242 - $6,044 =$27,198 USD/ton

Efectuando todo el análisis anterior, se decide por criterios económicos y técnicos, realizar

el proyecto y continuar con los procesos de ingeniería de detalle y posterior compra e

instalación de los equipos asociados.

Capítulo VIII “Evaluación técnico económica”

Para el análisis se toma como base las siguientes tablas:

Tabla 8.1 Tabla resumen de datos de consumos de vapor en estanque de agua tibia. Fuente: Elaboración propia

Mínimo 663 [kg/h]

Promedio 1.511 [kg/h]

Máximo 3.891 [kg/h]

Desviación estándar 850 [kg/h]

Tabla 8.2 Tabla de valores por tonelada de vapor expresada en dólares. Fuente: Elaboración propia

COSTOS

Costo de vapor en 16 bar (g) 22 USD/ton Petróleo

Costo de vapor en 16 bar (g) 12 USD/ton Biomasa

Costo de vapor en 2 bar (g) 4 USD/ton Recuperación

Tabla 8.3 Tabla de gastos asociados al consumo de vapor en 16 bares (g) (petróleo)

Fuente: Área Servicios CMPC Planta Maule

Ítem Flujo [ton/h] Valor [USD] Total [USD/ton]

Mínimo 0,663 22 14,586

Promedio 1,511 22 33,242

Máximo 3,891 22 85,602


74

Tabla 8.4 Tabla de costos asociados al consumo de vapor en 2 bar (g) (recuperado del

proceso de la BTMP) Fuente: Elaboración propia

Ítem Flujo [Ton/h] Valor [USD] Total [USD/Ton]

Mínimo 0,663 4 2,652

Promedio 1,511 4 6,044

Máximo 3,891 4 15,564

Tabla 8.5 Tabla de gastos asociados por mes al consumo de vapor


USD/mes en 16 bag

USD/mes en 2 bag

Ahorro mensual

Mínimo 10.501 1.909 8.592

Promedio 23.934 4.352 19.582

Máximo 61.633 11.206 50.427

Para realizar el análisis de PRC (periodo de recuperación de capital) se tomaron todos los

gastos asociados al proyecto como inversión inicial.

Tabla 8.6 Tabla de costos de implementación del proyecto Fuente: Elaboración propia

Descripción Mano de obra

Costo directo Total

Suministro de equipos $ 4.509.127 $ 4.509.127

Suministro de Válvulas $ 1.079.600 $ 1.079.600

Suministros Piping (Fitting) $ 2.255.634 $ 2.255.634

Fabricación y Montaje etapa 1 $11.003.007 $11.003.007

Fabricación y Montaje etapa 2 $3.275.000 $3.275.000

Total $ 22.122.368


75

Inversión inicial: USD 36.871

Valor del dólar: USD 600

Tabla 8.7 Tabla de retorno de utilidad


Ítem Inversión Inicial / Ahorro mensual

Unidad

Mínimo 4,3 Meses

Promedio 1,8 Meses

Máximo 0,7 Meses

De acuerdo a los cálculos efectuados el proyecto estaría rentabilizando un periodo

promedio de 1,8 meses, alrededor de 54 días de funcionamiento en régimen 24/7, lo cual

es totalmente rentable para la empresa.


76

Conclusiones

El nuevo sistema diseñado, entró en servicio en marzo del año 2015, manteniéndose hasta

la actualidad en operaciones, con un desempeño dentro de lo esperable.

La instalación presenta un diseño robusto, con un tiempo de respuesta, esto es

calentamiento de agua industrial, en el rango calculado, es decir menos de 2 horas. En

realidad los tiempos de respuesta son menores a los esperados, lo cual favorece el proceso

de partida del sistema.

La válvula de control disponible e implementada ha funcionado bien sin vibraciones ni ruidos

indeseados fruto de la modulación a la cual es sometida producto del control automático de

temperatura.

La incorporación del distribuidor interno fabricado de acero inoxidable de 8” SCH 40,

mejorando el espesor del antiguo difusor de 6” sch10, otorga mayor durabilidad y resistencia

durante las partidas “en Frío”, instancia donde el vapor debe vencer o desplazar el agua

contenida en el difusor.

Los inyectores de vapor que mezclan en el interior del mismo, produciendo la inyección del

fluido sin ruidos vibraciones y reduciendo al mínimo solturas mecánicas de los elementos,

se han inspeccionado en las paradas de planta programadas durante los meses de abril y

mayo sin encontrarse en ellos defectos o detalles.

El consumo de vapor de 2 bar (g) está siendo monitoreado por los sistemas automáticos de

control, manteniéndose en el rango esperado, alrededor de 3500 kg/h, durante el tiempo que

se encuentra operando.

El costo total de la inversión ascendió a $36.871 USD( $22.122.368 pesos), con un ahorro

promedio mensual de $19.582 USD , la rentabilización del proyecto se estima en alrededor

de 54 días de funcionamiento continuo (24/7)

Finalmente el consumo acotado sumado al costo y al aprovechamiento del vapor de baja

presión producido en el proceso de refinación del área de la pulpa explicado anteriormente,

y debidamente validado en el capítulo VIII, le ha dado a este subsistema confiabilidad, y bajo


77

costo de operación, lo cual ha justificado plenamente la inversión la cual retornara en el plazo

calculado y expuesto previamente.

Para concluir, CMPC estudiará la factibilidad de implementar un sistema similar pero

simplificado para la línea N°1 y 2 de la planta del pulpa área 140 que actualmente cuentan

con alimentación de 2 bar(g), incorporando el sistema de difusor e inyector de vapor en los

estanques de calentamiento de agua de “transporte” de astillas.


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Capitulo X Bibliografía (Física y Digital)

[1] MEGYESY, Eugene F., Manual de recipientes a presión, diseño y cálculo. Editorial Limusa, Grupo Noriega Editores 1992

[2] MANKENBERG Manual de dimensionado de válvulas reguladoras de presión

http://www.mankenberg.de/es/77/UPLOAD/pdf/s33_5.pdf

[3] MANUAL TLV, Calculador para Ingeniería , Valores Cv & Kv de Válvulas y Orificios para Vapor http://www.tlv.com/global/LA/calculator/steam-valve-orifice-cv-kvs.html

[4] VALSTEAM ADCA, Manual de selección de inyectores de vapor http://www.valsteam.com/pic/documentos/5_32_E_SI-125_-SI-140_Steam_injector_DN25-

40_51ed59ba89bba.pdf

DICCIONARIO TECNICO PLANTA MAULE, Progrest, Centro de Capacitación,

Los Andes Ltda. 2002


http://www.mankenberg.de/es/77/UPLOAD/pdf/s33_5.pdf

http://www.tlv.com/global/LA/calculator/

http://www.tlv.com/global/LA/calculator/steam-valve-orifice-cv-kvs.html

http://www.valsteam.com/pic/documentos/5_32_E_SI-125_-SI-140_Steam_injector_DN25-40_51ed59ba89bba.pdf

http://www.valsteam.com/pic/documentos/5_32_E_SI-125_-SI-140_Steam_injector_DN25-40_51ed59ba89bba.pdf

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Capitulo XI ANEXOS


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optimización del uso del vapor para el calentamiento de...

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