TRATAMIENTO DEL AGUA PARA LAS CALDERAS Ing.
Enrique Vanegas Casadiego
INTRODUCCION INTRODUCCION Los requerimientos de agua para los sistemas de generación eléctrica basados en plantas termoeléctricas aumentan al incrementar la potencia instalada de las plantas, ya sea que se traten de sistemas basados en el ciclo Rankine regenerativo y/o con recalentamiento o que se trate de sistemas con ciclo combinado. Adicionalmente debemos considerar que la calidad del agua usada en estos sistemas de generación eléctrica es más y más exigentes en la medida en que las unidades de generación alcanzan valores más altos ya que involucran mayores presiones y temperaturas.
INTRODUCCION INTRODUCCION Por otra parte las normas para el uso industrial de las fuentes de agua y la disposición final de las aguas usadas en procesos industriales son cada vez más exigentes. Lo anterior no lleva a hacer un uso óptimo de las fuentes de agua empleadas en los procesos de generación eléctrica con el fin de minimizar el impacto ambiental y de no disminuir las fuentes de agua disponibles para consumo humano. Con esta introducción en mente estudiaremos la química, los procesos y los componentes que hacen el estado del arte del tratamiento del agua en los sistemas de generación eléctrica.
INTRODUCCION El agua de lluvia al caer puede absorber oxigeno, C0², nitrógeno, polvo y otras impurezas contenidas en el aire, y también disolver substancias minerales de la tierra. Esta contaminación puede acrecentarse además con ácidos procedentes de la descomposición de materias orgánicas, residuos industriales y aguas sépticas descargadas en lagos y ríos.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS • • • • •
Materia inorgánica Materia orgánica Gases disueltos Materia suspendida Organismos microbiológicos.
materia como: • Hojas de árboles y su compuestos, productos de la • • • •
descomposición Sedimentos insolubles Arena Material inorgánico Agentes contaminantes provenientes del sector industrial
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS La Materia Insoluble, conocida como turbidez, constituye la forma de impureza más fácilmente reconocible; involucra partículas gruesas de sedimentos que rápidamente se sedimentan. Los rangos de turbidez pueden ir desde cero partes por millón (ppm), en aguas muy claras, hasta 60 000 ppm en aguas muy turbias de ríos. La turbidez constituye uno de los problemas más comunes para la mayoría de los usos del agua, así que podemos encontrar límites de 5ppm, en la producción de pulpa y papel de alto grado de pureza, o de 10 ppm para el agua potable.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS El Calcio y el Magnesio le dan al agua la característica de la "dureza". Las formas más comunes en la que se presentan (de la más común a la menos común) son: Bicarbonatos, sulfatos, cloratos o nitratos. Los efectos de estos compuestos se pueden observar al evaporar el agua en un recipiente, dejan depósitos, estos mismos depósitos pueden atascar los sistemas de fluidos o inhibir la transferencia de calor a través de los equipos o tuberías. Las unidades de dureza se expresan como ppm equivalentes de carbonato de calcio (una parte por millón o ppm es igual a tener un miligramo (mg) de una sustancia contenida en un litro (l) de solución).
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS El hierro, el manganeso y la sílice, al igual que la dureza, producen depósitos en los sistemas de agua. En las aguas naturales el rango de sílice puede variar entre 1 y 100 ppm o más. En las calderas y en los sistemas de agua de enfriamiento forman escamas (incrustaciones), con los consecuentes problemas mecánicos y de transferencia de calor, o son arrastrados por el vapor hasta los álabes de las turbinas donde forman depósitos vítreos que causan el desbalance de las partes rotativas y por ende vibraciones mecánicas, además de obstruir los conductos por donde pasa el vapor.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS El hierro se presenta en concentraciones de hasta 15 ppm y los problemas asociados pueden ser más amplios que los de la sílice. La forma más común es la del bicarbonato ferroso, este se deposita al exponerse al aire y forma un sedimento rojo o café oscuro. Para la industria del papel, por ejemplo, se consideran problema cantidades tan pequeñas como 15 ppm . El más raro de los tres es el manganeso, este forma depósitos y manchas oscuras y está asociado con problemas en los reservorios de agua potable subterránea. En cantidades tan pequeñas como 0.2 ppm ya forma depósitos en la tuberías.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS Los Gases Solubles, compuestos principalmente por O2, nitrógeno, dióxido de carbón (CO2) y sulfuro de hidrógeno (HS). Si bien el nitrógeno es inerte, el oxígeno corroe el hierro, el zinc, el latón y otros metales. El CO2 libre se encuentra en la mayoría de las fuentes de agua y generalmente las aguas superficiales contienen menos dióxido de carbono que las aguas de pozos, sin embargo se pueden encontrar hasta 50 ppm de CO2 en algunos casos. Las aguas de pozos pueden contener entre 2 y 50 ppm de CO2, dependiendo de su localización, época del año, etc. Por su naturaleza corrosiva estos gases solubles pueden acelerar la corrosión con ayuda del O2; el sulfuro de hidrogeno es muy conocido por su característico olor a huevos podridos. Su presencia en el agua la hace desagradable y corrosiva para la mayoría de los metales.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS Las sales de Sodio y Potasio producen corrosión en calderas de alta presión y son arrastradas por el vapor hasta las secciones posteriores de la caldera donde forman incrustaciones. Son extremadamente solubles y solo se precipitan cuando alcanzan altas concentraciones. Estas sales no se pueden tolerar en aguas de alta pureza. Normalmente el agua contiene una variedad de compuestos disueltos. Cada compuesto se disocia en sus respectivos iones cuando se disuelve. Aunque se puede medir la cantidad de cada catión (ión con carga positiva) y de cada anión (ión con carga negativa) en la solución, no es posible analizar la cantidad de cada compuesto. Solo podemos asumir que los los iones se recombinan.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS La concentración de un ión dado puede darse en términos de su concentración equivalente de carbonato de calcio, esto quiere decir que se comparan los pesos equivalentes de los dos iones. Ahora bien el término peso equivalente se refiere a la cantidad de un elemento que se combina con el peso unitario del hidrógeno, o dicho de otra forma es el peso atómico del elemento o compuesto, dividido por su valencia.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
Los productos más perjudiciales, cuando se trata de agua para alimentar calderas de vapor, son las sales de cal y de magnesio. GRUPOS:
BICARBONATOS, se descomponen fácilmente y originan la “dureza temporal ”. SALES MÁS ESTABLES (sulfatos, cloruros, nitratos), originan “dureza permanente”.
Efectos producidos por las impurezas en el agua Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes efectos perjudiciales para la caldera y el funcionamiento de una central térmica: 1. Reducción de la cantidad de calor transmitido debida a la formación de incrustaciones sobre las superficies de caldeo. ‐
2.. Averías en los tubos y planchas, producidas por la disminución de la cantidad de calor transmitido a través de ellos. ‐
Efectos producidos por las impurezas en el agua 3. Corrosión y fragilidad del acero en la caldera. ‐
4. Mal funcionamiento, formación de espumas y arrastres de agua en cantidad por el vapor. ‐
6. Perdidas caloríficas debidas a frecuentes purgados. ‐
7. Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor, a causa de que este sea sucio. ‐
Efectos producidos por las impurezas en el agua
Efectos producidos por las impurezas en el agua
Enfoque del tema Incrustación: Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies internas de una caldera, compuesta de substancias minerales, suciedad o ambas cosas. Su efecto consiste en hacer disminuir la transmisión de calor a través de las superficies de caldeo, reduciendo como consecuencia la capacidad y rendimiento de la instalación, y, posiblemente, recalentando los tubos y planchas de la caldera. Corrosión: es un desgaste anormal de la caldera (superficies metálicas) con una disminución de su resistencia mecánica. Las causas pueden ser: acción electrolítica, acidez o alcalinidad del agua, o la presencia de oxigeno.
Objetivo del acondicionamiento del agua Los fines principales perseguidos con el tratamiento del agua de alimentación son los siguientes: 1. Quitar las materias solubles y en suspensión. ‐
2. Eliminación de los gases. ‐
Todo esto es necesario, entre otras cosas para: 1. Evitar la formación de incrustaciones sobre las superficies de calentamiento del agua. ‐
2. Proteger contra la corrosión los metales de las calderas, recuperadores y tuberías. ‐
Objetivo del acondicionamiento del agua Identificación de la incrustación. Costras de diferentes consistencias pueden aparecer en una caldera y requieren análisis químicos posteriores para su identificación. Las incrustaciones aquí descritas muestran las características de los diferentes tipos que pueden hallarse en calderas: Sulfato cálcico: origina una costra muy dura que se adhiere tenazmente a las superficies calefactoras. Esta incrustación se considera la peor a causa de su dureza extrema, la dificultad en su eliminación y su baja conductividad tér‐mica. Carbonato cálcico: es una incrustación blanda, de tipo cenagoso, normal‐mente de apariencia blanquecina y se quita fácilmente por lavado con agua.
Objetivo del acondicionamiento del agua Carbonato de magnesio: forma una costra blanda de tipo similar a
la de carbonato cálcico. Sílice: no forma incrustación en solitario, sino que conmparte una estructura vítrea a los depósitos de sulfato cálcico, lo que produce una costra muy dura, frágil y prácticamente insoluble en los ácidos. La sílice en las calderas de alta presión se volatiliza y viaja con el vapor al turbogenerador para depositarse como incrustación dura, parecien‐do porcelana sobre las piezas internas de la turbina. Silicato de calcio y magnesio : ambos tienden a producir costras de estructu‐ra densa y cristalina, muy adherente a las superficies de transferencia térmi‐ca y con bajas transferencia de calor. Hidróxido de calcio y magnesio : producen depósitos blandos que pueden adherirse o cementar con otras sustancias.
Objetivo del acondicionamiento del agua Carbonato de hierro: se encuentra con frecuencia en otras
incrustaciones y es una sustancia indeseable porque añade una naturaleza corrosiva a la cos‐tra que aparece. Fosfato de calcio y magnesio: son subproductos de los tratamientos de agua por fosfato y aparecen como un lodo blando que se elimina fácilmente por purga. Sulfato de magnesio: no es demasiado común en la incrustación pero, donde aparece solo, la costra es comparativamente blanda. Sin embargo, en combi‐nación con el carbonato cálcico o el sulfato cálcico, puede resultar una in‐crustación vítrea muy dura.
Distintos procedimientos para el tratamiento del agua
Podemos decir que no existe ningún procedimiento simplista ni producto químico apropiado para el tratamiento de todas las clases de aguas. Cada caso se debe considerar individualmente.
Tratamiento de Agua El proceso consiste en dos grandes partes: Tratamiento externo, y Tratamiento interno El primero se subdivide en: •Clarificación •Filtración •Tratamiento (filtrado) con carbón activado granular •Desmineralización El siguiente diagrama ilustra el funcionamiento de una planta de tratamiento de agua para calderas
Tratamiento de Agua :
Pretratamiento CLARIFICACION Proceso por el cual al agua se le quita el color turbio, producto de los sedimentos. Las plantas de generación requieren por lo general de equipos especialmente diseñados para el uso de coagulantes químicos que aceleran el asentamiento de partículas. Los tanques de sedimentación y los clarificadores sirven para este propósito. El tanque horizontal se constituye en el primer tipo de clarificador. El agua al entrar es mezclada rápidamente con coagulantes, luego lentamente con la ayuda de precipitadores estratégicamente ubicados se incentiva el crecimiento de partículas en forma de grumos (FLOCS) con el fin de mejorar el asentamiento en pequeños diques donde se alojan las partículas. El agua ya clarificada sale a través de un canal colector, mientras que los sólidos asentados son barridos desde el interior del tanque hasta la tolva de descarga. (Ver Figura).
Pretratamiento CLARIFICACION. Funcionamiento de un clarificador …
Pretratamiento CLARIFICACION
La mezcla y coagulación se combinan en una sola unidad tal como se muestra. La adición de polímeros al agua que se agita con un rápido movimiento en el centro produce una floculación inicial; la velocidad del agua es menor hacia las paredes del clarificador debido al crecimiento adicional de grumos, esto optimiza la remoción de la turbidez del agua. (Ver Figura) Se pueden agregar platos inclinados para crear una unidad que reduzca la distancia y el tiempo de asentamiento.
Pretratamiento CLARIFICACION
Los coagulantes trabajan reuniendo o agrupando los sólidos coloidales o sólidos finamente divididos, de tal manera que se forman grumos de masas más grandes que pueden ser sedimentados o removidos por filtración. Estos sólidos suspendidos se encuentran en el agua natural en tamaños que van desde 0.1 hasta 10 micrones y se resisten a la aglomeración debido a los grupos iónicos de igual carga (negativa) que se repelen mutuamente.
Pretratamiento CLARIFICACION Para alcanzar la coagulación estas cargas deben ser neutralizadas, al menos parcialmente. Los coagulantes químicos son el instrumento que permite la neutralización de las cargas. También se usan polímeros de cadenas largas, los cuales se unen para mejorar el crecimiento de grumos (flocs) mediante puentes químicos. COMPUESTOS DE ALUMINIO Empleados especialmente como coagulantes. La carga superficial entre partículas suspendidas crea fuerzas de repulsión, limitando la formación de partículas más grandes mediante la aglomeración. El coagulante químico neutraliza la carga, reduce la barrera de potencial y facilitando la fusión en forma de grumos. El alumbre tiene la particularidad de que neutraliza la carga natural de las partículas suspendidas (usualmente negativas) permitiendo que puedan aglomerarse varios grumos entre sí.
Pretratamiento FILTRACION Aún con clarificadores operando a niveles óptimos, bajo ciertas condiciones, se requiere el pretratamiento adicional (filtración) para remover sólidos suspendidos y coloidales así como precipitadores químicos que no se sedimentan, y así prevenir las impurezas en membranas y resinas empleadas en los siguientes pasos del programa de tratamiento. (Ver Figura)
Pretratamiento FILTRACION La eficiencia en el funcionamiento de un filtro depende del tamaño del medio filtrante y de la porosidad del mismo. Usualmente se emplean medios granulares como elementos de filtración. En al figura anterior se observan dos lechos filtrantes: una capa de arena fina y un sustrato de grava, de esta manera se logran retener los sólidos que llegan con el flujo de agua. La frecuencia de limpieza varia de acuerdo a la pedida de presión permitida a través del filtro (1992 a 2490 Pa). Las ratas de flujo para lavado del lecho filtrante para filtros convencionales de gravedad varían entre 10 y 20 gpm. Los filtros de gravedad sin válvulas ofrecen la ventaja de una autolimpieza automática por medio de un sistema de retrolavado incorporado. Ver figura.
Pretratamiento FILTRACION ..
Pretratamiento FILTRACION Los filtros de presión contienen el medio filtrante en un recipiente cerrado hecho en acero, pueden ser verticales u horizontales, permitiendo el manejo de flujos mayores y ocupando menor espacio. El medio filtrante está constituido por lechos de diferente naturaleza y granulometría, normalmente el medio filtrante de una granulometría menor se coloca antes del lecho de grano grueso, en dirección del flujo de agua. La limpieza se puede optimizar inyectando agua (o aire) a presión para romper la capa (torta) de material retenido, También tenemos el filtro de flujo ascendente que emplea un mismo medio filtrante (arena) pero de diferente granulometría en capas de igual altura. La capa filtrante con grano de mayor tamaño se ubica antes del medio filtrante con grano de menor tamaño. En la figura vemos estos dos últimos tipos de filtros.
Pretratamiento FILTRACION …
Pretratamiento FILTRACION Cuando se requiere una filtración muy estricta se recurre a los filtros tipo cartucho (desechables) fabricados con fibras de polipropileno, algodón o fibra de papel, los cuales son utilizados en los casos en que se requiera una filtración muy fina ya que pueden retener partículas tan pequeñas como de 0.5 micrones. La siguiente tabla ilustra la capacidad de retención de acuerdo al proceso aplicado para la remoción de los diferentes tipos de partículas contaminantes:
Pretratamiento FILTRACION CON CARBON ACTIVO La adsorción es un proceso de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido adsorbente. FILOSOFIA Las aplicaciones de la adsorción es recuperar material disuelto en el componente que se adsorbe (adsorbato), este puede ser liquido, sólido o gaseoso. CARACTERISTICA. Se realiza en la mayoría de los casos con sistemas sólidos‐líquidos y sólido‐gas. La transferencia de materia se produce a través de una interfase fija en el espacio o el sólido originando un gradiente de velocidad de fluido.
ADSORCION
A B S O R B E N T E S C O N V E N C IO N A L E S , V S . A B S O R B E N T E S ID E A L E S CONCEPTO
A R C IL L A
ARENA
A S E R R IN
TRAPO
P O L V O L ite Dri
TAPETE
B iod eg ra d a b le
NO
NO
SI
SI
SI
SI
In cin era bl e
NO
NO
SI
SI
SI
SI
R etie n e los líq uid o s
NO
NO
SI
SI
SI
SI
NO
NO
NO
NO
SI
SI
NO
NO
NO
NO
NO
SI
A bso rción S e l e c t i v a (* )
NO
NO
NO
NO
NO
SI
A u to c o n ten id o
NO
NO
NO
NO
NO
SI
A bra siv o
SI
SI
NO
NO
NO
NO
D es g a st e d e m a q u in ar ia s
SI
SI
NO
NO
NO
NO
F a b r ic a d o es p e cí fic a m e n te p ara a bso rbe r líq uid o s P er m ite fá ci l r ec u p er a ci ón d el líq ui d o
A BSO R B E o ADSORBE
ADSORBE
ABSORBE
Pretratamiento FILTRACION CON CARBON ACTIVO Durante los procesos de tratamiento, generalmente es necesaria una esterilización del agua. Esto es debido al contenido más o menos importante de materias orgánicas, nocivas para las resinas de intercambio iónico, que se utilizarán posteriormente en la desmineralización. Estas materias orgánicas también pueden dar lugar a la formación de lodos. Para la eliminación de la materia orgánica, el cloro es el reactivo más utilizado. Posee un poder oxidante muy elevado, que favorece la destrucción de la materia orgánica. Es muy eficaz aún en concentraciones muy pequeñas. También suele emplearse hipoclorito sódico. El cloro residual procedente del proceso de esterilización es perjudicial para las resinas de intercambio iónico, por ello debe eliminarse o reducir su concentración a valores tolerables para las mismas. Para eliminar este cloro residual suele emplearse frecuentemente filtros de carbón activo en cabeza de las cadenas de desmineralización.
Pretratamiento FILTRACION CON CARBON ACTIVO El carbón activado es el mejor adsorbente de uso general para remoción/reducción de muchos compuestos orgánicos-y aún algunos inorgánicos-del agua. El carbón activado se fabrica a partir de cualquier material carbónico como la madera, el carbón mineral, la cáscara de coco, etc., es clasificado según el tamaño, carbonizado y activado para crear la enorme área de superficie y la estructura interna del poro que define al carbón activado. Son las altas temperaturas (1,8002,000oF = 982-1,093oC), la atmósfera especial del horno y la inyección de vapor del proceso de fabricación del carbón activado lo que "activa" y crea la porosidad, dejando mayormente una "esponja" de esqueleto de carbón. Los poros varían en tamaño desde "microporos" de <20 Å y "mesoporos" de 20-100 Å, hasta "macroporos" de >100 Å en un rango de hasta más de 100,000 Å.
Pretratamiento FILTRACION CON CARBON ACTIVO Los filtros de carbón activo funcionan como los filtros a presión de arena o grava solo que el cuerpo filtrante es carbón activo. Cuando el carbón se satura se recupera la capacidad de adsorción retrolavando el filtro con agua desmineralizada
Tratamiento Por Intercambio Iónico CATIONES Y ANIONES Los cationes y aniones constituyen los compuestos ( bloques) químicos fundamentales encontrados en el análisis químico del agua, estos bloques muestran los elementos o radicales determinados fundamentalmente por su valencia e indicados por signos (+) o (‐), uno para el hidrógeno (H), dos para el carbonato de calcio (CO3) y así sucesivamente. (ver Figura)
Tratamiento Por Intercambio Iónico CATIONES Y ANIONES
Tratamiento Por Intercambio Iónico CATIONES Y ANIONES
Tratamiento Por Intercambio Iónico REACCIONES QUIMICAS Para formar los compuestos es de gran ayuda explicar el papel que realizan los cationes y los aniones en las reacciones químicas. El catión de hidrógeno reacciona con el anión hidróxido (OH ¯ ) para formar HOH, que simbólicamente se puede representar como H2O o agua. En este estudio vamos a asumir que la altura de los bloques corresponden con la valencia del elemento o del ión. El hidrógeno forma ácidos al combinarse con radicales ácidos; reacciona con un átomo de cloro de igual valencia, por ejemplo, para formar una molécula de ácido clorhídrico (HCL). Sin embargo existen casos en los cuales no se pueden formar las combinaciones o acoples, por ejemplo, un hidrógeno no se combinaría con un sulfato, puesto que se necesita que los bloques tengan igual altura; entonces dos átomos de hidrógeno serán necesarios para formar con el sulfato (SO4) una molécula de ácido sulfúrico. Lo mismo ocurre en el ácido fosfórico.
Tratamiento Por Intercambio Iónico REACCIONES QUIMICAS
Combinaciones de Aniones y Cationes
Tratamiento Por Intercambio Iónico La desmineralización por el método de intercambio iónico es la práctica mas común en plantas de generación a vapor. Empleada al final del tratamiento externo, el intercambio iónico remueve las sustancias ionizadas remanentes en el flujo de agua de alimentación a la caldera. Estas incluyen cationes como: calcio, sodio y otros, también remueve aniones incluyendo cloruro y sulfato que aun se encuentran en flujo de agua. La figura ilustra gráficamente como trabaja el proceso de intercambio iónico mediante resina en ciclo sodio:
Tratamiento Por Intercambio Iónico
En el proceso normal la resina captura el catión ( Ca ++) y suelta los iones sodio que forman ácido carbónico. Para restablecer la capacidad de intercambio iónico de la resina se realiza una regeneración con ácido sulfúrico o ácido clorhídrico.
Tratamiento Por Intercambio Iónico Las resinas de intercambio iónico son sólidos insolubles dispuestos en forma de pequeñas esferas que puede presentar una estructura de gel o de forma macroporosa, con diámetro entre 0,2 y 1,0 mm. La resina se dispone en un arreglo de lecho o capa filtrante colocada en columnas o tanques por donde fluye el agua que va a ser tratada. Los cationes (por ejemplo, Na+, Ca++, Mg++, etc.) contenidos en el agua pasan a través del lecho de resina catiónica, la cual absorberá estos cationes por intercambio iónico y a su vez liberará el catión (usualmente H+) cargado en la resina. catiónica
aniónica
Tratamiento Por Intercambio Iónico De manera similar una resina aniónica cargada con un anión, OH ˉ por ejemplo, realizará intercambio con aniones el tipo Cl ˉ , SO4ˉ ˉ , CO3ˉˉ , etc., que están contenidos en el agua a tratar. Las resinas aniónicas se regeneran con soda cáustica, normalmente. En un sistema de intercambio de dos lechos, se tienen dos tanques o columnas y el agua a tratar se hace pasar sucesivamente por ellos. El primer tanque de la secuencia contiene la resina catiónica mientras que el segundo contiene la resina aniónica. Operando en el ciclo de hidrógeno la resina catiónica convierte las sales ionizables en una solución de sus respectivos ácidos, tales como HCl, H2SO4,etc. En la siguiente columna o tanque la resina aniónica remplaza el radical OHˉ por el radical negativo de los ácidos, eliminando el anión y liberando solamente agua como efluente. Esta es la operación básica de proceso de desmineralización y se ilustra en la siguiente figura.
Tratamiento Por Intercambio Iónico
Tratamiento Por Intercambio Iónico En sistemas prácticos la remoción del CO2 y de la sílica requieren el uso de una resina aniónica fuertemente básica (bastante alcalina), la adición de un desgasificador puede ayudar a bajar la carga de CO2 para la resina aniónica, con tal dispositivo el contenido de CO2 puede reducirse a un rango entre 2 y 5 ppm de bióxido de carbono. La figura muestra los elementos básicos usados en un sistema desmineralizador con dos lechos de resina.
Desaireadores. Se conocen como desaireadores (desgasificadores) aquellos dispositivos mecánicos empleados para liberar los gases contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno, anhídrido carbónico y otros gases).
Desaireadores.
Desaireadores.
Desaireadores.
Desaireadores. Su funcionamiento consiste en dividir el agua de alimentación en finas góticas, calentándolas a continuación para transformarlas en vapor dentro del desaireador, y separar el aire, anhídrido carbónico y otros gases del vapor a medida que este se va condensando.
Tratamiento Por Intercambio Iónico …
Tratamiento Por Intercambio Iónico La columna de desmineralización se diseña para que el agua que entra se distribuya uniformemente sobre la superficie del lecho de resina, de tal manera que el agua pasa de forma homogénea a través de todo el cuerpo del lecho de resina. Esto asegura que la forma del lecho no se romperá y permanecerá geométricamente uniforme evitando el paso de impurezas y aumentando la capacidad de operación del lecho. Las columnas trabajan en dirección de flujo descendente como se ilustra en los diagrama. Cuando la capacidad de intercambio se agota se procede a la regeneración de la resina. Este es un proceso que se realiza en tres etapas: Retrolavado, regeneración química y enjuague. Si bien la función principal del lecho es la de realizar un intercambio iónico, eventualmente el lecho de resina retiene partículas de materia en suspensión porque también funciona como un filtro. Como esta materia debe removerse antes de iniciar la regeneración, se inyecta agua en contraflujo durante 10 o 20 minutos a una rata tal que permita la expansión del volumen del lecho entre un 50 y un 100%.
Tratamiento Por Intercambio Iónico La concentración del regenerante típicamente varía entre el 4 y el 6% pero se puede variar sin problemas entre un 0.5 a un 12 %. Esta inyección debe hacerse de una forma suave para permitir la difusión del ácido en la resina y lograr que los contaminantes de impurezas más grandes sean liberados de la resina. La eficiencia de la regeneración puede ser mejorada si se calienta la solución de soda, por ejemplo, hasta una temperatura de 120 ° F, para eliminar la sílica polimerizada de la resina aniónica de base fuerte. El enjuague se hace para sacar el exceso de regenerante y se realiza en dos etapas: La primera es un enjuague lento, con rata igual a la usada para inyectar el regenerante, con esto se asegura que todo el regenerante se utiliza. La segunda es un enjuague rápido usando una rata de flujo igual a la rata de flujo usada durante el servicio normal, con esto se barre el regenerante no utilizado dentro de la columna en un mínimo de tiempo. En la siguiente figura se muestra en forma esquemática la localización y detalle de los elementos usados en este proceso.
Tratamiento Por Intercambio Iónico ..
Tratamiento Por Intercambio Iónico Con el objeto de lograr un efluente de agua aún más pura, algunos diseños de sistemas de tratamientos de agua consideran los lechos mixtos que consisten en columnas o tanques en los que se disponen los dos tipos de resina en el mismo recipiente. Con esto se consigue un mayor refinamiento en la calidad del efluente de salida. También se pueden usar diferentes tipos de resinas, combinando las resinas fuertemente acidas con las débilmente ácidas o las fuertemente básicas con las débilmente básicas. A partir del sistema básico estudiado hasta esta parte se pueden crear variaciones que suplan las necesidades particulares de cada planta. Como se mencionó anteriormente estos sistemas también pueden combinarse con los sistemas de desmineralización por membranas para obtener efluentes de agua con mayor grado de pureza, tal como los requeridos en las plantas termonucleares.
Tratamiento Por Intercambio Iónico ‐‐
Purificación del Agua por Osmosis Inversa Osmosis Para entender el proceso de la ósmosis inversa, empecemos por recordar la ósmosis natural, mecanismo de transferencia de nutrientes en las células de los seres vivos a través de las membranas que la recubren. En tal sentido, cuando se ponen en contacto dos soluciones de diferentes concentraciones de un determinado soluto (por ejemplo sales), se genera un flujo de solvente (por ejemplo agua) desde la solución más diluida a la más concentrada, hasta igualar las concentraciones de ambas. (Ver Figura 2). Es decir: si ponemos en contacto, a través de una membrana, agua salada y agua destilada obtendremos un equilibrio entre ambas y quedarán moderadamente saladas. El agua que atraviesa la membrana es "empujada" por la presión osmótica de la solución más salada y el equilibrio del proceso se alcanza cuando la columna hidrostática iguala dicha presión osmótica.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Es decir: si ponemos en contacto, a través de una membrana, agua salada y agua destilada obtendremos un equilibrio entre ambas y quedarán moderadamente saladas. El agua que atraviesa la membrana es "empujada" por la presión osmótica de la solución más salada y el equilibrio del proceso se alcanza cuando la columna hidrostática iguala dicha presión osmótica.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa Osmosis Inversa
De aquí se deduce que si nuestro interés en el tratamiento es obtener una corriente de agua lo más diluida posible deberemos invertir el fenómeno. Para ello hay que vencer la presión osmótica natural mediante la aplicación en sentido contrario de una presión mayor. (Ver Figura 3). Cuando se logra invertir el fenómeno estamos en presencia de ósmosis inversa o invertida. En resumen: si a una corriente de agua salada se le aplica una fuerte presión, lograremos obtener un equilibrio distinto del anteriormente descripto en el cual se generan simultáneamente dos corrientes:
Purificación del Agua por Osmosis Inversa Una que es la que atraviesa la membrana, queda libre de sólidos disueltos (minerales, materia orgánica, etc. ) y de microorganismos (virus, bacterias, etc.): producto o permeado. La otra se va concentrando en esos mismos productos sin que lleguen a depositarse en la membrana, porque la taparían y se eliminarían en forma continua, constituyendo el concentrado. La relación entre producto y concentrado constituye la recuperación, expresada en porcentaje los rechazos para: Sulfatos (98 %), Arsénico (99 %), Fluoruros (97 %), Nitratos (91 %), Bacterias, Virus y hongos más del 98 %.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa Membrana de la Osmosis Inversa Es una membrana que tiene una área "microporosa" que rechaza las impurezas y que no impide al agua de pasar. La membrana rechaza las bacterias, pirógenos, y 85%95% de sólidos inorgánicos. Iones "polivalentes" son rechazados más fácilmente que los iones "monovalentes". Los sólidos orgánicos con un peso molecular superior a 300 son rechazados por la membrana, pero los gases pasan a través. La ósmosis inversa es una tecnología de rechazo en porcentaje. La pureza del agua producida depende de la pureza del agua en el asa (la “u”). La pureza del agua producida por la ósmosis inversa es más grande que en el agua de alimentación (Ver Figura 4).
Purificación del Agua por Osmosis Inversa Membrana de la Osmosis Inversa: Es una membrana que tiene una área "microporosa" que rechaza las impurezas y que no impide al agua de pasar. La membrana rechaza las bacterias, pirógenos, y 85%‐ 95% de sólidos inorgánicos. Los iones "polivalentes" son rechazados más fácilmente que los iones "monovalentes". Los sólidos orgánicos con un peso molecular superior a 300 son rechazados por la membrana, pero los gases pasan a través. La ósmosis inversa es una tecnología de rechazo en porcentaje. La pureza del agua producida depende de la pureza del agua en el asa (la “u”). La pureza del agua producida por la ósmosis inversa es más grande que en el agua de alimentación (Ver Figura 4).
Purificación del Agua por Osmosis Inversa Agua Rechazada. Un gran porcentaje (50‐90%) del agua de alimentación no pasa por la membrana pero corre del otro lado, limpiando el agua continuamente y trayendo los sólidos inorgánicos y orgánicos para drenarlos. Esa agua se llama agua "rechazada".
Factores del agua de Alimentación Los factores del agua de alimentación que afectan la membrana:
Presión
La presión del agua de alimentación afecta la cantidad y la pureza del agua producida por la ósmosis inversa. Baja presión del agua de alimentación causa baja corriente y baja pureza.
pH
Determinar la variedad del pH en agua de alimentación es muy importante. Es recomendable de usar una variedad más amplia de membranas cuando el agua de alimentación es básica, ácida o instable.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Índice de Saturación de Langlier (ISL)
El ISL indica el principio de la formación de una incrustación sobre el área de la membrana. El ISL necesita examen de la temperatura, del total de sólidos inorgánicos, de la dureza alcalina, y pH del agua de alimentación. Si él índice ISL es positivo, se recomienda instalar un suavizador de agua antes del sistema de ósmosis inversa.
Cloro Libre (TFC) y Bacterias
Las membranas de acetato de celulosa necesitan una limpieza constante de TFC para impedir la propagación de bacterias y que se dañe la membrana. En contrastó, la poliamida y las membranas finas, como cintas, son dañadas por el TCF. El carbón activado es usado para remover el TCF cuando la poliamida y las membranas finas lo necesitan.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Temperatura
La duración de la membrana se basa sobre la temperatura del agua de alimentación que debe ser de 25°C. Por cada 1°C bajo 25°C, la cantidad de la producción del agua es reducida por 3%. Cuando el agua de alimentación se tiende a quedarse regularmente bajo 25ºC, es recomendado que el agua caliente y fría se mezclen para que la temperatura suba a 25°C. El agua de alimentación que tiene una temperatura superior a 35°C dañara la mayoridad de las membranas.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Índice de Densidad Silt
El IDS es una medida que sirve a medir las partículas de submicrones que tienen tendencia a bloquear las membranas. La corriente del agua a una presión especifica es filtrada a través una membrana en forma de disco y que es recuperada durante un periodo de tiempo fijo. La rapidez de la corriente del agua y el volumen total recogido determina el índice.
Turbidez
La turbidez es la medida que sirve para detectar las partículas suspendida de submicron que oscurecen los rayos de luz.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Tratamiento Interno del Agua de Calderas La selección de productos químicos para evitar incrustaciones con tratamiento interno está dirigida al control de las impurezas minerales que se deslizan pasando el programa de pretratamiento. Esto se aplica especialmente a medida que la presión de caldera aumenta, como en la generación termoeléctrica.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Control coordinado de fosfato/pH. Este sistema de tratamiento de agua fue de‐sarrollado para las calderas de alta presión para evitar la corrosión cáustica. Re‐quiere el mantenimiento de una relación fija entre el pH del agua de caldera y la concentración de fosfatos. La Figura a y b, muestra una curva para una caldera que representa la relación del fosfato trisódico, Na3PO4, con el pH. El fosfato trisódico tiene una relación de sodio a fosfato de 3. Si la concentración de fosfatos o el pH cambian, esta relación de sodio a fosfato cambia también. El progra‐ma se basó en el principio de que un aumento de la concentración de hidróxido libre se evitaría por un desplazamiento del equilibrio iónico en la dirección que favorece la formación del Na3PO4.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Control coordinado de fosfato/pH.
Figura: (a) El control coordinado de fosfato y pH mantiene una relación fija entre el pH del agua de la caldera y la concentración de fosfato. La relación Na a PO4 se mantiene en 3. (b) El control congruente de fosfato y pH, la relación de Na a PO 4 se mantiene entre 2,6 y 2,8.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Control coordinado de fosfato/pH. De acuerdo con la información de la Figura a, los OPERADORES de calderas con domo (tambor) deberían ser instruidos para mantener el pH y la concentración de PO4 por debajo de o a la derecha de la curva, ya que se considera exenta de hidróxido libre. La zona rayada muestra el rango normal de operación para esta planta. La curva representa una relación de Na a PO4 de 3. El especialista en el tratamiento de agua recomendó un rango de pH de 9,6 a 10,0 y un rango simultáneo de fosfato de 5 a 10 ppm, pero en todo caso y tiempo quedándose por debajo de la curva mostrada en la Figura a. Ambos, pH y fosfato, requieren comprobaciones diarias para la concentración en orden a mantener el nivel de hidróxido bajo.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Control de fosfato /pH congruente y oculto. El oculto está causado
por la precipi‐tación de sales de fosfato de sodio, normalmente producido por una operación a largo plazo en calderas con tambor tipo central. El oculto produce una acumulación de fosfato en zonas «muertas» de circulación de agua y, consiguientemente, reduce la concentración de fosfatos en las otras zonas del bucle o circuito de agua. Esto aumenta el nivel de pH y alcalinidad del agua de caldera. El hidróxido sódico puede producirse como resultado del ocultamiento a partir de soluciones de ortofosfato trisódico por encima de una relación de sodio a fosfatos de 2,8. Entonces se aplicó el término control congruente, para referirse a la composición congruente en la que, las fases sólida y líquida son iguales. Se establecieron líneas maestras para mantener una relación de sodio a fosfato por encima de 2,6 pero por debajo de 2,8, con concentraciones de PO4 entre 1 y 6 ppm. Véase la Figura b. Calderas típicas que usan este tratamiento trabaja a presiones > de los 1200 psi.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Control de fosfato /pH congruente y oculto. El oculto está causado
por la precipi‐tación de sales de fosfato de sodio, normalmente producido por una operación a largo plazo en calderas con tambor tipo central. El oculto produce una acumulación de fosfato en zonas «muertas» de circulación de agua y, consiguientemente, reduce la concentración de fosfatos en las otras zonas del bucle o circuito de agua. Esto aumenta el nivel de pH y alcalinidad del agua de caldera. El hidróxido sódico puede producirse como resultado del ocultamiento a partir de soluciones de ortofosfato trisódico por encima de una relación de sodio a fosfatos de 2,8. Entonces se aplicó el término control congruente, para referirse a la composición congruente en la que, las fases sólida y líquida son iguales. Se establecieron líneas maestras para mantener una relación de sodio a fosfato por encima de 2,6 pero por debajo de 2,8, con concentraciones de PO4 entre 1 y 6 ppm. Véase la Figura b. Calderas típicas que usan este tratamiento trabaja a presiones > de los 1200 psi.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Control con quelantes. Los quelantes son productos químicos
que se combinan con las sales de dureza antes de que formen lodos de caldera, y esto es otro método para evitar la incrustación. Sin embargo, la alimentación de agua debe tener poca dureza, menos de 2 ppm, para que este tratamiento sea económico. Esto hace su utilización limitada al ablan‐damiento del agua de aportación desmineralizada. Los dos agentes quelantes nor‐malmente utilizados son el ácido etilendiamintetracético (EDTA) y el ácido nitrilo acético (NTA). Ambos agentes forman sales estables con el calcio y el magnesio.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Control con quelantes…
Sin embargo, se requieren diez ppm de EDTA y 5 ppm de NTA para controlar 1 ppm de dureza. Esto hace que sea caro este tratamiento, y por eso se aplica básicamente para bajar dureza de agua de alimentación pretratada. Otro problema es que el EDTA comienza a disgregarse a 300 psi (21 kg/cm2) y a cerca de 1.500 psi (105 kg/cm2) pierde su capacidad quelante. El NTA pierde su capacidad quelante a 900 psi (63 kg/cm2). La degradación térmica no lo hace práctico para monitorizar residuos que‐lantes en el agua de caldera, lo que hace difícil el control de dosificación. Los mis‐mos agentes quelantes pueden causar corrosión en la caldera si se sobrealimenta con quelantes durante un largo período de tiempo.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Polímeros o acondicionamiento de lodos. En calderas industriales, el ciclo de control de incrustación implica la precipitación intencionada de las sales de dureza cálcica, como carbonato cálcico, con adición de un polímero para provocar lodos. Los polímeros amónicos son muy utilizados en calderas industriales donde las molé‐culas de polímero se acumulan alrededor de los lodos en suspensión de la caldera. Esto introduce en los lodos un grado de dispersión o fluidez que permite la elimina‐ción de los mismos más fácilmente por purga inferior de caldera.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas Polímeros o acondicionamiento de lodos… Hay varios polímeros en el mercado. Por ejemplo la Nalco Chemical Co. utiliza el nombre de Transport plus para sus polímeros. Se aplica a calderas de hasta 1.560 psi (105 kg/cm2) y el término Transport se usa para indicar que puede transportar virtualmente el 100 por 100 de las impurezas del agua de alimentación, incluyendo dureza, sílice e impurezas de hierro a través del sistema de caldera, ya que el polímero fluidifica el lodo para un eventual control por purga. ‐
