Charla de Abladadores y Calderas

DYSCHEM E.I.R.L. DISTRIBUCIONES Y SERVICIOS CHEM E.I.R.L.

TRATAMIENTO DE DE AGUAS TRATAMIENTO DE DE LA DUREZA DUREZA EXTERNA DEL AGUA (ABLANDAMIENTO)

Ing. Alvaro Valencia Quiroz

Productos Químicos para la Industria en gral. Aditivos para tratamiento de aguas y combustibles. Solventes, detergentes Industriales e Institucionales. Productos Agrícolas y Veterinarios. Servicios de Mantenimiento. Análisis, Limpieza Química, Sacos y Telas de Polipropileno. Av. Parra 401 – Arequipa

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TRATAMIENTO EXTERNO DE LA DUREZA

ABLANDAMIENTO DEL AGUA Tradicionalmente, se denominó DUREZA a la capacidad del agua de formar precipitados sólidos insolubles cuando se mezcla con jabón. Esto sucede debido a que el jabón se combina con las sales que posee el agua, principalmente a las sales de calcio y magnesio. Cuando las condiciones son favorables, estas sales forman la llamada INCRUSTACION (comúnmente conocido como Caliche o Sarro). En los equipos y tuberías, aunque al principio, pequeños depósitos pueden ser favorables para la protección contra la acción corrosiva del agua, cuando la incrustación va aumentando, estos ocasionan problemas tanto en las tuberías, disminuyendo su diámetro y llegando a obstruirlo y arruinarlo, y en los equipos de enfriamiento o calentamiento, disminuyendo la eficiencia de transferencia de calor. Es por ello que la dureza debe ser controlada. Eventualmente, deberá de pagar un poco más por el tratamiento del agua, pero esto se reflejará en el beneficio económico; por que resultará más barato tratar el agua que realizar cambios y reparaciones en las tuberías y los equipos por depósitos y atascamientos, aumento del consumo de combustible para calentamiento, etc. Se denomina ABLANDAMIENTO, a la eliminación o reducción de la dureza del agua. Esto se consigue eliminando los iones Calcio y Magnesio. Una práctica muy común es la de utilizar equipos con este fin. A estos equipos se denominan ABLANDADORES. Los ablandadores son equipos de intercambio ionico, es decir, cambiar los iones que causan la dureza (calcio y magnesio) por otros que no ocasionan este problema. El intercambio ionico se realiza mediante materiales sintéticos denominados RESINAS, que son sustancias sólidas insolubles distribuidas en granos esféricos muy pequeños de apariencia plástica. La vida útil de estas resinas varia de 5 a 10 años con un tamaño promedio de malla 20 a 40 (0.8 a 0.4 mm). Debido al desgaste sufrido por el uso, se recomienda un remplazo anual del 10% del volumen total utilizado de la resina. El tipo de resina comúnmente utilizada para el ablandamiento son las resinas catiónicas fuerte ciclo Sodio (XNa), siendo la reacción de intercambio: Ca2+ + 2XNa

X2Ca + 2Na+

Al agua obtenida libre de iones calcio y magnesio, se denomina AGUA BLANDA.



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La Dureza se expresa siempre en términos de Carbonato de Calcio (CaCO3) como partes por millón (ppm) o miligramos por litro (mg/l). Otra unidad común son los grados alemanes (°A). 1°A equivale 17.9 ppm. 1 ppm equivale a 1 mg/l. La dureza se mide como DUREZA CALCICA, cuando se calcula solo los iones calcio contenidos en el agua, o como DUREZA TOTAL , cuando se calcula la cantidad de los iones calcio y magnesio. La cantidad de iones magnesio entonces se halla como la diferencia de la Dureza Total menos la Dureza Cálcica.

FUGA DE RESINA El término “Fuga”, implica el deslizamiento de algunos iones del influente en el efluente. De hecho, los iones indeseables llegan al efluente por dos procesos diferentes: 1. Al comienzo de la corrida de ablandamiento, existe una cantidad apreciable de calcio depositado en el fondo del lecho. El agua que entra por la parte superior queda completamente blanda, siendo el sodio los únicos cationes. Esta agua ablandada, de hecho una salmuera muy diluida, regenera el calcio del fondo del lecho; de modo que al principio de la corrida, la dureza del efluente es debida al residuo de calcio sobre el intercambiador dejado por la corrida anterior (ver figura a). 2. Cuando se va agotando el lecho, disminuye la contaminación de calcio en el fondo del lecho, y la calidad mejora continuamente, hasta que la verdadera fuga comienza a aparecer -deslizamiento de los iones Ca 2+ entrantes a través del lecho y su aparición en el efluente -. El efecto neto es la curva de fuga mostrada en la figura b.

REGENERACION DE UNA RESINA DE INTERCAMBIO IONICO (ABLANDADOR) a) RETROLAVADO: Se hace pasar agua en sentido contrario al flujo de servicio. Esta acción sirve para ensanchar la resina, retirar ensuciamiento depositados en la parte superior (sólidos en suspención, tierra, etc.), retirar la resina rota y que ha perdido su capacidad de ablandamiento, y remover la resina en su conjunto para homogeneizarla.

b) REGENERACION: Proceso por el cual se recupera la capacidad de ablandamiento de la resina. Se utiliza una sustancia que elimine por iones calcio y magnesio capturados por la resina y que a su vez recupere su ion extraído por el ablandamiento. En general se utiliza el Cloruro de Sodio (NaCl) denominada SAL. Se disuelve una cierta cantidad de sal en agua en un recipiente llamado Tanque de Salmuera, y se hace pasar a través del ablandador en el mismo sentido que el Productos Químicos para la Industria en gral. Aditivos para tratamiento de aguas y combustibles. Solventes, detergentes Industriales e Institucionales. Productos Agrícolas y Veterinarios. Servicios de Mantenimiento. Análisis, Limpieza Química, Sacos y Telas de Polipropileno. Av. Parra 401 – Arequipa


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flujo de servicio. La cantidad utilizada es de 15 libras (6.82 Kg) de sal por pie3 de resina.

c) ENJUAGUE: Se hace pasar agua en sentido del flujo de servicio, para eliminar los restos de sal ubicado dentro del ablandador. Luego de eliminar la sal, se mide la dureza del agua de salida. Si la dureza es menor a 10 ppm, se considera que el proceso de enjuague a terminado, y se pone en servicio el ablandador, hasta la siguiente regeneración.

d) SERVICIO: Cuando se esta produciendo el intercambio ionico o ablandamiento, obteniéndose el agua blanda. El sentido del flujo del agua que pasa por el equipo es de arriba hacia abajo. En esta operación se controla la dureza del agua. Cuando el valor de dureza es superior a los 10 ppm o 1°Alemán, se considera que la resina se a agotado, es decir, que la resina a llegado a su limite máximo de intercambio, por lo tanto debe recuperarse esta capacidad para continuar produciendo agua blanda.

El ciclo de regeneración de un ablandador depende de la demanda de agua blanda requerida y del volumen de agua blanda producida por el ablandador.

CUIDADO Y MANTENIMIENTO DE LA RESINA a) Como se ha indicado, la vida útil de una resina varia de 5 a 10 años, por lo que es aconsejable reponer un 10% del volumen total de la resina anualmente, para compensar las perdidas por ruptura y fallas en el retrolavado. b) La presencia de hierro en el sistema, debido a corrosión en el tanque de ablandamiento o por otra fuente, hace que la capacidad de intercambio de la resina disminuya, por que el fierro se adhiere a ella, disminuyendo los puntos activos para el ablandamiento. Esto se nota por el color rojizo que adquiere la resina, que dependiendo de su proveedor, varia de un amarillo oro brillante a oro viejo. Para retirar la resina se utilizan limpiadores químicos que actúen por inmersión, o en línea durante el proceso de regeneración de la resina. Se aconseja una inspección cada 100 regeneraciones y una limpieza cada 200 regeneraciones. c) La mayor parte de los materiales de intercambio ionico empleados en el tratamiento del agua, tienen dimensiones efectivas que fluctúan entre un numero de malla 20 a 50, o sea alrededor de 0,5 mm. Esto hace que el intercambiador funcione también como un filtro, pero la capacidad de filtrado produce atascamientos y disminución de la capacidad de intercambio. Esta disminución en la capacidad del intercambiador ionico se debe a que la acumulación de materia ensuciante cubre la superficie de intercambio. El retiro de este ensuciamiento se Productos Químicos para la Industria en gral. Aditivos para tratamiento de aguas y combustibles. Solventes, detergentes Industriales e Institucionales. Productos Agrícolas y Veterinarios. Servicios de Mantenimiento. Análisis, Limpieza Química, Sacos y Telas de Polipropileno. Av. Parra 401 – Arequipa


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logra con un buen retrolavado. Si la impureza se ha fijado en el material, se recomienda una limpieza con un agente químico. d) Controle el proceso de regeneración. Aunque no existe regla general, un tiempo estimado para el proceso de regeneración son las siguientes:

- Retrolavado: 10 a 15 minutos, o hasta que el agua salga clara. - Regeneración: de 30 a 40 minutos, o hasta que la salmuera se agote. - Enjuague: de 30 a 40 minutos, o hasta que no se sienta el agua salada y la dureza sea menor a 10 ppm (o menor a 1°Alemán). e) Verifique la cantidad de agua blanda obtenida por el equipo ablandador y compárelo con los valores históricos. Si el volumen de agua blanda producido por el equipo disminuye, debe verificar si existe una mayor demanda de agua blanda, si su procedimiento de regeneración es adecuado, si existen pérdidas de resina, o la resina se encuentra sucia. f) Un cálculo rápido para verificar la capacidad de ablandamiento de agua por regeneración, si es que se registra valores históricos, es utilizando la siguiente relación:

VAB = (CI x VR )/Dt Donde:

- VR

: Volumen de resina (en pie3)

- CI : Capacidad de intercambio de la resina (en gramos/pie3) - Dt : Dureza Total (en granos/galón) - V AB : Volumen de agua blanda (en galones)



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TRATAMIENTO INTERNO DE AGUAS PARA CALDERAS

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CARACTERÍSTICAS, PROBLEMAS Y SOLUCIONES



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TRATAMIENTO INTERNO DE AGUAS PARA CALDERAS El tratamiento de aguas para generación de vapor es una de las ramas más elaboradas de la química del agua. La comprensión de los principios fundamentales de la química del agua de caldera es importante para aumentar la eficiencia de la misma, y de los equipos que usan vapor dentro de su planta. La secuencia del tratamiento, depende del tipo y de la concentración de los contaminantes hallados en el abastecimiento del agua y de la cantidad deseada del agua terminada, con el fin de evitar los tres mayores problemas en el sistema de calderas: - Incrustaciones y Depósitos - Corrosión - Arrastre

Las incrustaciones se forman en los tubos de la caldera, en cuanto las condiciones de equilibrio del agua en contacto con la superficie de la caldera sean perturbadas por el calor. A las elevadas temperaturas a las que se encuentra una caldera, los depósitos constituyen un serio problema, y causan una mala conducción de calor y un potencial para la ruptura de los tubos de la caldera. Si el depósito no es lo bastante grueso como para causar ruptura, puede causar una importante perdida en la eficiencia. El segundo problema importante relacionado con el agua de las calderas, es la corrosión producida por el oxígeno presente. Este ataque de oxígeno se acelera con la temperatura. Otro problema importante relacionada con la operación de la caldera, son los arrastres desde la caldera al sistema de vapor. Esto puede deberse a la volatilidad de ciertas sales del agua de la caldera, como la sílice y los compuestos de sodio; o pueden ser causados por la espuma producida por la cantidad de sólidos disueltos.

TRATAMIENTO DEL AGUA Uno de los medios básicos para mantener estas variables importantes bajo control, es el tratamiento interno para el agua de la caldera, el vapor o condensado; con productos químicos adecuados.

TRATAMIENTO INTERNO El tratamiento de agua dentro de la caldera, resulta un complemento importante y fundamental del tratamiento externo, pues aún el ablandamiento más óptimo, retiene Productos Químicos para la Industria en gral. Aditivos para tratamiento de aguas y combustibles. Solventes, detergentes Industriales e Institucionales. Productos Agrícolas y Veterinarios. Servicios de Mantenimiento. Análisis, Limpieza Química, Sacos y Telas de Polipropileno. Av. Parra 401 – Arequipa


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el 98% ó 99% de dureza contenidas e incrementa la cantidad de Sólidos Disueltos Totales (TDS); y las pequeñas impurezas disueltas y suspendidas en el agua (hierro, oxígeno, sílice, etc.), causan problemas en la caldera. En casos de altos retornos de condensados, para calderas de baja presión, un tratamiento interno resulta muy efectivo. Específicamente, el tratamiento interno de agua prevé: a)

Eliminación de la dureza residual (sales de calcio y magnesio), mediante químicos que reaccionan con estas sales y previenen la formación de incrustaciones que ocasionan: pérdidas de eficiencia, mayor gasto de combustible, recalentamiento en los tubos, corrosión acentuada bajo las incrustaciones.

b)

Acondicionamiento de lodos sintéticos o naturales, para prevenir que los sólidos suspendidos se depositen en el metal.

c)

Reducción del arrastre, que se produce por alta salinidad. Es el fenómeno por el cual, el vapor producido en la caldera, lleva consigo partículas o gotitas de agua líquida, que por no ser portadoras de calor latente de calórico, sino que resta eficiencia a los elementos de trasferencia y contribuye a la falla de otros elementos en los circuitos de vapor y condensado, como trampas, válvulas o tuberías de vapor. Las altas concentraciones de sólidos dentro del agua interna de la caldera, forman burbujas, en la superficie del agua libre, es decir, en la interfase vapor / líquido. Las causas de arrastre son: -

Contenido excesivo de sólidos disueltos. Sólidos en suspensión. Alta alcalinidad. Contaminación de aceite saponificable.

Los factores químicos causan problemas cuando los valores sobrepasan los límites establecidos como máximo dentro del agua de la caldera. Con el constante funcionamiento el agua se evapora, pero los sólidos no, y se van concentrando cada vez más. Las consecuencias del arrastre son: -

Pérdida de eficiencia en los equipos. Incrustaciones y obstrucciones en válvulas, trampas, tuberías. Operación no económica del caldero.



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d)

Reactivos para la eliminación de oxígeno y prevenir la corrosión: En las partes metálicas del interior de la caldera y en las líneas de vapor.

e)

Químicos para mantener una cierta alcalinidad en el agua: Cuando el agua es poco alcalina, el CO2 disuelto forma H2 CO3, que causa corrosión ácida. Si la alcalinidad es demasiado alta, causa Fragilidad Cáustica, llamada también Ruptura Intercristalina atacando a los tubos o placas metálicas, originando fisuras o grietas con la consecuente explosión de la caldera.

RETORNO DE CONDENSADOS Una reacción que suele ocurrir en las líneas de vapor y condensados es el ataque directo al acero por el vapor o agua pura, las cuales son agentes corrosivos muy intensos en las tuberías y equipos por donde fluyan: 4H2O +

3Fe

Fe3O4

+

4H2

Los diferentes óxidos de fierro formados son sedimentables y son los causantes de incrustaciones y taponamientos de las tuberías de vapor y condensado. El fierro disuelto al retornar a la caldera, causará corrosión. Otra fuente de contaminación de las líneas de vapor y condensados la tenemos en el bicarbonato de calcio de la dureza del agua, que con el calor interno del caldero, se descompone en CaCO3 y CO2. También el bicarbonato de Sodio formado por los equipos ablandadores de agua, por acción del calor se descompone en CaCO 3 y CO2. SELECCIÓN DEL PROGRAMA QUIMICO

El programa químico a seleccionar para el tratamiento del agua interna de la caldera, deberá proveer un control eficaz para:

a)

CONTROL DE LA CORROSION POR OXIGENO: El oxígeno disuelto es el responsable de la corrosión de la caldera y del sistema de condensado. La cantidad de oxígeno disuelto, depende de la temperatura y la presión. Para el control de la corrosión, han sido desarrollados diversos tipos de sistemas: SULFITO DE SODIO El sulfito de sodio es el agente químico reductor más usado, debido a su efectividad. La reacción con el oxígeno se desarrolla según: 2Na2 SO3 + O2 2Na2 SO4 El sulfito se transforma en sulfato, que es una sustancia inerte.



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Adicionalmente, por ser agente reductor, convierte a los óxidos de hierro en formas inertes: Na2 SO3 + 3Fe2 O3

2 Fe3 O4 + Na2 SO4

Formando magnetita (Fe3 O4), que actúa como film protector de la corrosión. Sin embargo, una desventaja del sulfito es la de incrementar la carga de sólidos totales disueltos (TDS) resultando ser inconveniente.

SISTEMA ORGANICO Se han desarrollado secuestradores de oxígeno, hecho a base de taninos. Este tipo de producto, por ser un compuesto orgánico, tiene ventajas comparativas respecto al sulfito: -

Se requiere menos cantidad de tanino que de sulfito, por los que los costos disminuyen. Además, el uso del sulfito incrementa la carga de TDS en la caldera, causando la necesidad de más purgas para mantener los TDS en los niveles máximos permitidos. El tanino, por ser compuesto orgánico, no causa este efecto.

-

Los taninos forman con el hierro (Fe) un tanato de hierro, que funge como film protector de los metales ferrosos, de tal forma que si ocurriera una interrupción accidental en la alimentación del químico usado, o ingresara hierro floculado o soluble por la línea de retorno de condensado, la caldera estaría protegida; lo que no sucede en el caso de un programa de sulfitos.

-

La absorción del oxígeno por los taninos en condiciones alcalinas, es comparable con el sulfito, tal que 10 ppm de tanino pueden reaccionar con 1 ppm de oxígeno.

SISTEMA “TODO VOLÁTIL” A base de aminas que secuestran al oxígeno, tal como la hid racina, que generalmente se utiliza para calderas del tipo acuotubulares. Se denomina así, por que además de dar una protección al agua interna de la caldera, además parte de ella se desprende con el vapor, protegiendo la línea de vapor y retorno de condensados. En los últimos años, la hidracina ha sido reemplazada por el desarrollo de nuevos secuestradores de oxígeno, entre ellos la N, N-Dietil Hidroxil Amina (DEHA). En comparación con la hidracina, relativamente, no es tóxico. Otra ventaja de la DEHA con respecto a la hidracina, es su mayor volatilidad relativa, lo que permite un mejor control de la corrosión en la línea de condensados, Productos Químicos para la Industria en gral. Aditivos para tratamiento de aguas y combustibles. Solventes, detergentes Industriales e Institucionales. Productos Agrícolas y Veterinarios. Servicios de Mantenimiento. Análisis, Limpieza Química, Sacos y Telas de Polipropileno. Av. Parra 401 – Arequipa


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impidiendo la corrosión del hierro en la misma. La presencia del DEHA en el condensado provee además de una protección contra la incorporación de oxígeno al sistema, a través de la tubería de retorno de condensado, por lo que se provee de un control adicional de oxígeno en la línea de condensados; impidiendo la corrosión de hierro y su incorporación al agua de alimentación a la caldera vía la línea de retorno de condensados. Pruebas realizadas con cupones de corrosión de acero y cobre después de la bomba de retorno de condensados, usando hidracina y DEHA. Se nota en cupones de acero que la corrosión es mucho más lenta usando tratamiento con DEHA que usando tratamiento con hidracina. Esto se debe a la mayor volatilidad del DEHA, lo que proporciona una mayor protección al sistema de condensados. La actividad (velocidad de reacción) de la hidracina frente al DEHA a diferentes pH y temperaturas, muestra que a pH 8,5 el sulfito de sodio es mucho más reactivos que la hidracina. El DEHA remueve el 100% de oxígeno en 2 minutos, mientras que la

hidracina remueve únicamente el 75% en seis horas. b)

CONTROL DE LAS INCRUSTACIONES: Los fosfatos son usados en las calderas, preferentemente para precipitar el calcio y producir un precipitado (lodo) no incrustante. Este lodo producido es llamado Fosfato Cálcico (Hidroxiapatita). La formación de este compuesto es un método efectivo para el control de la dureza dentro de una caldera. Es necesario mantener una alcalinidad que permita la producción de Hidroxiapatita, forma dispersable de las sales de calcio, por lo que hay que mantener un fosfato residual, y una alcalinidad adecuada es primordial para un control de incrustaciones por fosfatos.

c)

ACONDICIONAMIENTO DE LODOS: Las sales dispersables (lodos) que se forman en las calderas de baja presión, debido a la pobre calidad del agua de alimentación, altos ciclos de concentración, y en algunas veces, insuficiente atención a la unidad; requiere de un programa químico de alta calidad, y uso de dispersante de alta calidad y tecnología. Los polímeros dispersantes, son polímeros que ayudan a controlar los depósitos en la caldera, manteniéndolos en suspensión y eliminarlos por la purga. Frente a esta necesidad, se ha desarrollado nuevos tipos de dispersantes sintéticos, de naturaleza orgánica, para el acondicionamiento de lodos. Los polímeros dispersantes, en realidad, son mezclas de polímeros, y cada una cumplen una función específica. Unos dispersan el hierro, otros controlan los



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precipitados fosfatados de calcio, y algunos son dispersantes genéricos, y modifican la estructura de los cristales, haciéndolos no incrustantes.

d) CONTROL DE ARRASTRE Y ESPUMA: Dada a la salinidad del agua, es necesario utilizar un buen antiespumante que evite el arrastre de sólidos, agua y contaminante en el vapor. El uso de estos productos, es recomendable para reducir el riesgo del arrastre de la espuma que se forma por la cantidad de sólidos disueltos en la caldera.

TRATAMIENTO DE CONDENSADOS La corrosión en las líneas de condensados, resulta por dos causas: A) Ataque por oxígeno disuelto. B) Ataque por ácido carbónico.Reparar las líneas de condensados resulta muy costoso. Además, hay pérdidas de vapor a través de las picaduras producida por la corrosión, y esta implica pérdidas de energía e incrementos de los costos de producción. Menos obvio, pero quizás más significativo e importante, es que los productos de la corrosión de las líneas de condensado, forman depósitos venenosos cuando retornan a la caldera. El dióxido de carbono producido en la caldera cuando se disuelve en el condensado, produce ácido carbónico, el cual reduce el pH y causa corrosión ácida. El tratamiento usado para proteger las líneas de vapor y retorno de condensados de la corrosión, es a base de compuestos orgánicos llamados Aminas. Dos tipos de compuestos a base de aminas son utilizados: La Aminas tipo film, las que forman una película en la superficie del metal para prevenir el contacto del condensado corrosivo; y las aminas neutralizantes, las que tienen la necesaria basicidad para neutralizar el ácido carbónico, e incrementar el pH del condensado.



Charla de Abladadores y Calderas

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