Generación y distribución de vapor limpio para instalaciones de climatización en la industria farmacéutica

Desde hace ya algún tiempo, la expresión vapor limpio llama la atención de los técnicos que han utilizado el vapor con diferentes fines en la industria farmacéutica. Bien sea como fluido portador de calor o como fuente de aportación de humedad específica a los flujos de aire seco de los sistemas de climatización de las instalaciones farmacéuticas. El objeto de este artículo es relacionar la importancia de la calidad del vapor para las instalaciones de climatización, la normativa existente y los sistemas de generación que actualmente representan lo más avanzado en equipos de control de humedad del aire.

Vapor de caldera

La tecnología de la climatización deriva en muchos casos de la tecnología aplicada a los procesos industriales. El aporte de vapor de agua, mediante el uso de los humectadores de aire para lograr un ambiente de humedad relativa controlado en el ambiente ocupado por las personas, comenzó a tener auge a principios de los años setenta. Este control de la humedad fue tomando cada vez mayor importancia hasta que la normativa española, a través de su RITE de 1997, obligó a tener la humedad relativa controlada para todos los edificios públicos.  Durante los primeros años de control de la humedad del aire, la primera configuración de humectador era la mostrada en la figura 1.  Los sistemas de aporte de vapor de agua al aire seco, se diseñaron en primer lugar como un complemento a las redes de vapor de caldera centralizadas diseñadas para calefacción o para procesos industriales mediante humidificadores que trataban parte de ese vapor presurizado para poder inyectarlo a los conductos de aire primario seco en invierno. Durante más de cuarenta años se han venido utilizando este tipo de equipos con muy buena precisión, muy buena durabilidad y un mantenimiento casi nulo.

Fig. 1: Esquema operativo de un humidificador de aire por inyección de vapor de caldera
Fig. 1: Esquema operativo de un humidificador de aire por inyección de vapor de caldera

Estos sistemas cuyo esquema operativo se muestra en la figura 1 consisten en una válvula reductora para mover el vapor de caldera a una presión controlable en los sistemas de climatización (1 o 1,5 bar) un pequeño filtro en Y para filtrar el vapor de la red (1), una(s) lanza(s) de vapor con una camisa calefactora (1) por donde circula el vapor presurizado para evitar las condensaciones del vapor que impulsamos, un separador de vapor (2) que provoca la separación del líquido respecto del vapor seco (3) por la fuerza centrífuga que produce el giro del vapor por medio de un bafle, una toma de vapor del centro del separador, una válvula de control (4) que modula la inyección de vapor en función de la demanda y deja el vapor casi a presión atmosférica. Por último, nos encontramos con la lanza o lanzas (en función de la carga de vapor al climatizador y de la distancia de absorción deseada/calculada) que inyectan el vapor al aire seco a través de boquillas termoplásticas (5) calibradas para evitar las condensaciones y el ruido. El vapor se separa del condensado (6) mediante un purgador.

 Vapor de calidad sanitaria / Vapor limpio

Entre finales del siglo pasado y principios del actual diferentes estudios higiénicos descubrieron que los compuestos orgánicos volátiles que se  añadían a las redes de tubería de hierro de vapor de caldera para evitar su corrosión eran perjudiciales para la salud humana. Estos estudios determinaron que las aminas usadas para proteger las redes tenían un efecto tóxico sobre la salud de los usuarios de los edificios que respiraban el aire humidificado de los centros donde había este tipo de humidificadores.

Fig.2. Esquema de la instalación en redes de vapor de caldera abiertas.
Fig.2. Esquema de la instalación en redes de vapor de caldera abiertas.

Desde que se descubrió el problema, la legislación ha cambiado. Todas las redes de vapor de caldera que se utilicen para humidificación del aire deben usar vapor de calidad sanitaria (RITE 2007 IT  1.1.4.3.3), es decir vapor procedente de agua de calidad sanitaria cuya regulación viene claramente definida por el RD 140/2003 por el que se aprueban los criterios sanitarios de la calidad de agua de consumo humano. Por supuesto, se excluyen los compuestos tóxicos que protegen las redes de la corrosión y para evitar la contaminación de la red por el óxido además de para prolongar medianamente la vida de la instalación, se pueden optar por dos sistemas para producir y distribuir el vapor de calidad sanitaria:

a) Generador de vapor limpio presurizado:

El vapor limpio sin compuestos químicos se utiliza en la industria farmacéutica para evitar que el contacto de este vapor o de su condensado produzca cualquier contaminación. La generación de vapor limpio presurizado implica el uso de generadores específicos con todos los componentes de la red de vapor y condensado (válvulas de corte, regulación, reductoras, filtros, purgadores, etc.) en acero inoxidable de la más alta calidad. El vapor limpio de esta calidad, cuando está presurizado, puede causar corrosión fácilmente a redes que no se realicen de la más alta calidad y así mismo el vapor puede contaminarse fácilmente si no se utilizan materiales resistentes. Cuando el vapor además se utiliza para la humidificación del aire todos los componentes del humectador deben ser de acero inoxidable de alta calidad. En estos sistemas se suele partir de una red de vapor de caldera y luego se introduce en la zona requerida una caldera secundaria que realiza el intercambio con agua sin aditivos para producir vapor limpio presurizado y distribuirlo a través de las zonas requeridas  inyectándolo en los conductos o climatizadores de la forma que se describió anteriormente para los humidificadores por inyección de vapor de caldera pero cuidando que todos los componentes sean de acero inoxidable de la mejor calidad. En función del uso que le demos al vapor (si es sólo para uso dentro de las instalaciones de climatización o si se utiliza también para procesos productivos, esterilizaciones u otras aplicaciones dentro de la planta farmacéutica) el vapor de calidad sanitaria puede llevar una alimentación de agua con un tratamiento adicional  de desmineralización por ósmosis inversa para, según las necesidades, tener un agua más o menos limpia. Como vemos, a mayor calidad del agua, mayores costes de generación, distribución e inyección. En la figura observamos la caldera secundaria y la red de vapor limpio presurizado.

Fig. 3 Red de vapor de calidad sanitaria con caldera secundaria e inyectores
Fig. 3 Red de vapor de calidad sanitaria con caldera secundaria e inyectores

b) Generación de vapor limpio seco saturado y distribución sin condensados:

Si lo realmente importante es la climatización del aire de la planta farmacéutica otra opción cada vez más llevada a cabo por los diferentes laboratorios y hospitales de gran tamaño, dados los costes que supone el anterior sistema, es la incorporación de humidificadores que intercambian vapor de caldera (sucio, con aditivos, en red de circuito cerrado económico) con agua de red de calidad sanitaria o desmineralizada si así lo requiere el recinto o la precisión del sistema. Estos equipos producen vapor seco saturado a presión superior a la del conducto pero muy cercana a la atmosférica y posteriormente es conducido a los conductos o climatizadores mediante sistemas de distribución de vapor sin apenas condensaciones. Estos sistemas producen vapor a partir del calentamiento del agua y son capaces de gestionar todo lo relacionado con el tratamiento del agua en su depósito, controlar el uso del vapor de caldera en función de la demanda de humectación y además, producir el vapor adecuado al flujo de aire seco para adecuarlo a una buena dispersión del vapor en el sistema.

Diseñar una buena conducción de vapor desde el humidificador es esencial para no tener grandes pérdidas debido a las condensaciones. Se debe estudiar la ubicación del equipo para que esta conducción sea lo más reducida posible. De no ser posible diseñarla para menos de 3 metros, conviene aislar la conducción de vapor seco saturado y para ello utilizar tubería metálica de cobre o acero inoxidable. Cuando es menor de tres metros, se puede utilizar tubería de goma reforzada para altas temperaturas y resistente a la flexión.

Fig. 4. Generación de vapor de calidad sanitaria a través de humidificadores autónomos. En la figura se representa el aporte de agua potable (1), la toma de vapor de red (2), el retorno de los condensados (3) y la conducción / distribución de vapor limpio al conducto de aire seco (4).
Fig. 4. Generación de vapor de calidad sanitaria a través de humidificadores autónomos. En la figura se representa el aporte de agua potable (1), la toma de vapor de red (2), el retorno de los condensados (3) y la conducción / distribución de vapor limpio al conducto de aire seco (4).
Fig. 5: Componentes del sistema de intercambio de calor de caldera para producir vapor limpio en instalaciones de climatización
Fig. 5: Componentes del sistema de intercambio de calor de caldera para producir vapor limpio en instalaciones de climatización

Además de la conducción del vapor hasta el climatizador o conducto de aire, es imprescindible que se estudie la dispersión del vapor limpio en el aire seco. Si no se realiza este estudio se pueden tener condensaciones en el interior de la red de conductos de aire. Estas condensaciones pueden ser focos de contaminación muy importantes. Los depósitos de agua en lugares no diseñados para ello son una fuente de problemas sanitarios no deseables para las instalaciones de climatización de aire. Por otro lado, tomando cada día más importancia, nos encontramos con que estas condensaciones resultan pérdidas energéticas importantes en la producción del vapor y en la planta de tratamiento de agua. Generar vapor requiere 2326 kJ/kg de vapor que necesitamos y tratar el agua para que sea óptima para la humidificación también consume bastante energía. Si no minimizamos estas condensaciones se puede disparar el gasto energético de la instalación.

Para estudiar la distancia de absorción del vapor en el aire, debemos conocer varios parámetros del sistema: caudal y condiciones termo-higrométricas del aire antes de la aportación de vapor, cantidad de vapor aportada y dimensiones de la sección de humectación del climatizador o conducto. En función de todos estos parámetros y del sistema de dispersión elegido, tendremos una distancia de absorción que puede variar desde 15 cm a más de 2 metros. Existen varios sistemas de dispersión de vapor en función de las necesidades que tengamos tal y como se muestra en la siguiente imagen.

Fig. 5. Distintos sistemas de dispersión del vapor y sus distancias de absorción típicas (Datos orientativos)
Fig. 5. Distintos sistemas de dispersión del vapor y sus distancias de absorción típicas (Datos orientativos)

El controlador que incorpora este tipo de equipos gestiona que la producción del vapor se adapte con excelente precisión a la demanda de la sala o proceso. También gestiona el agua almacenada en el tanque para conservarla en perfecto estado tanto de calidad como de contenido de minerales disueltos. Por último, gestiona perfectamente la absorción del vapor en el caudal de aire seco evitando condensaciones causantes de grandes consumos energéticos y fuentes de problemas sanitarios no estudiados por la producción de vapor limpio del anterior sistema.

Conclusiones:

La producción de vapor limpio es cada vez más demandada en multitud de industrias farmacéuticas para diferentes aplicaciones. En el caso de necesitar este vapor para procesos de producción (en contacto con producto) cuya agua requiera una calidad extraordinaria, es posible que se requiera sistemas de producción y conducción de vapor en materiales de altísima calidad y de alto coste.

Para el caso de los procesos donde el vapor se utilice para fines de climatización y como fluido caloportador de otros procesos,  está demostrado por la práctica ya aplicada en la industria que la solución global puede demandar el intercambio de vapor de caldera con agua de calidad sanitaria. Estos sistemas usados conjuntamente con los sistemas de dispersión de vapor adecuados  ofrecen una garantía de calidad de vapor suficiente y, a diferencia del otro sistema, una seguridad en las posibles condensaciones de los conductos de aire.

Bibliografía:

  • HARRIMAN, Lew; BRUNDRETT, Geoff; KITTLER, Reinhold: “Humidity control design guide”. Atlanta, EEUU. 2006. Editorial ASHRAE.
  • LATHAM, Tim: “Clean steam in the pharmaceutical industry”. PDH Course K109. PDH Online center. EEUU. 2004.
  • RITE y normas UNE de aplicación. 2002. Barcelona. Editorial CEYSA.
  • Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el reglamento de instalaciones térmicas en los edificios.
  • MORTON, B. W: “Humidification Handbook”. 1998. Ed. DriSteem.
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