TRATAMIENTO DEL AGUA DE CALDERAS
El tratamiento de agua para generación de vapor es una de las ramas más elaboradas
de la química
fundamentales
del agua. La comprensión
de la química
del agua para caldera
de los principios
es esencial para el
ingeniero en energía, el cual se esfuerza continuamente
por aumentar la
eficiencia de las calderas y del equipo que use vapor dentro de su planta. La presión y el diseño de una caldera determina la calidad del agua que requiere para la generación del vapor. El agua municipal o de alguna planta que sea de buena calidad para uso doméstico rara vez es lo bastante buena como agua de alimentación de caldera . estas fuentes de reemplazo se tratan casi siempre para reducir los contaminantes hasta niveles aceptables; además, se añaden productos químicos correctivos al agua tratada para contrarrestar cualquier efecto adverso de los contaminantes que aún queden en estado de trazas. La secuencia de tratamiento depende del tipo y concentración de los contaminantes
hallados en el abastecimiento
de agua y de la calidad
deseada del agua terminada con el fin de evitar los tres mayores problemas en los sistemas de calderas: depósito, corrosión y arrastres. Los depósitos, en particular cualquier superficie
las incrustaciones, se pueden formar sobre
de un equipo lavado con agua especialmente en los
casos de las calderas en cuanto las condiciones de equilibrio en el agua en contacto con estas superficies sean perturbadas por una fuerza extraña como el calor. Cada contaminante tiene una solubilidad definida en agua y se
precipita cuando aquella sea excedida. Si el agua está en contacto con una superficie caliente y la solubilidad de los contaminantes es menor a mayores temperaturas, el precipitado se formará sobre la superficie , causando una incrustación. Los componentes más comunes de los depósitos de calderas son fosfato de calcio, carbonato de calcio (en las calderas de naja presión), hidróxido de magnesio, silicato de magnesio, varias formas de óxido de hierro, sílice adsorbida en los precipitados antes mencionados, y alumina. Si se usan sales de fosfato en el calcio precipitará preferentemente como fosfato antes de precipitar como carbonato, y el fosfato de calcio se convierte en la característica más importante del depósito. A las elevadas temperaturas que se encuentran en una caldera, los depósitos constituyen un serio problema y causan una mala transmisión del calor y un potencial para la ruptura de los tubos de la caldera. Los depósitos puede incrustaciones sobre una superficie calentada o sustancias precipitadas previamente con frecuencia en forma de lodos. En la operación de la mayor parte de las calderas industriales, pocas veces es posible evitar la formación de algún tipo de precipitado en cierto momento. El segundo problema importante relacionado con el agua en las calderas es la corrosión; el ejemplo más común de estas es el ataque del acero por el oxígeno. Esto sucede en los sistemas de abastecimiento de agua, en los sistemas
prehervidores, en las calderas, en las líneas de retorno de
condensados, y virtualmente en cualquier porción del sistema de servicios e donde hay oxígeno presente.
Algunos productos químicos para el tratamiento del agua de alimentación, como los quelantes
si no se aplican correctamente, pueden corroer las
tuberías de alimentación del agua, las válvulas de control y aun las partes internas de la caldera. Aunque la eliminación del oxígeno del agua de alimentación de la caldera es el paso más importante de controlar la corrosión de la cadera, dicha corrosión puede ocurrir de todos modos. El tercer problema relacionado con las operaciones de las calderas son los arrastres desde la caldera hacia el sistema del vapor. Esto puede ser un efecto mecánico, como cuando el agua de la caldera se rocía alrededor de una mampara rota. Los arrastres son con mucha frecuencia un problema mecánico y las sustancias químicas que se encuentran en el vapor son las que originalmente están presentes en el agua de la caldera. Existen tres medios básicos para mantener estos importantes problemas bajo control: 1. Tratamiento externo del agua – reemplazo externo o ambos – antes de que entre a la caldera, para reducir o eliminar sustancias químicas como dureza o élice), gases o sólidos. 2. Tratamiento interno del agua de alimentación
de la caldera, agua
de
caldera, o condensado, con productos químicos correctivos. 3. Purgado –control de la concentración de productos químicos en el agua de la caldera por el sangrado de una porción del agua en la caldera.
TRATAMIENTOI EXTERNO El programa de tratamiento de la caldera apunta al control, de siete clasificaciones
amplias
de impurezas: sólidos suspendidos, dureza,
alcalinidad, sílice, sólidos disueltos totales, materia orgánica y gases. El agua que se va a procesar por intercambio iónico deberá contener menos de 10mg/l de sólidos suspendidos para evitar el ensuciamiento del intercambiador, así como los problemas de operación. TRATAMIENTO INTERNO La formación de incrustaciones dentro de una caldera se controla por alguno de los cuatro programas
químicos: coagulación (carbonato), residuos
de
fosfato, quelatación, o fosfato coordinado. Programa de Coagulación En este proceso se añaden carbonato de sodio o hidróxido de sodio, o ambos el agua de caldera para completar
la alcalinidad
reemplazo, el que no se ablanda. El carbonato
proporcionada por el causa la precipitación
deliberada del carbonato del calcio bajo condiciones favorables, controladas, previniendo su disposición en algún punto posterior como incrustación. Bajo condiciones alcalinas, el magnesio y la sílice hidróxido de magnesio y silicato
se precipitan también como
de magnesio. Por lo general, hay una
concentración bastante alta y sólidos suspendidos en el agua de caldera y la precipitación tiene lugar sobre estos sólidos. Este método de tratamiento se usa solamente
con calderas
que emplean
dureza y que operan bajo de 250psi.
agua de alimentación de alta
Programa de Fosfato Cuando
la presión
de la caldera es superior
a 250psi, las altas
concentraciones de todos lodos son indeseables. Un compuesto de fosfato de sodio
que alimenta ya sea al agua de
alimentación de la caldera o al tambor de la caldera, dependiendo del análisis del agua y de los
auxiliares del prehervidor, para formar
un precipitado
insoluble. Programa de Quelantes Un quelantes es una molécula m semejante a un intercambiador iónico; es de bajo peso molecular
y soluble en agua. Estos quelantes (forman iones
complejos con) calcio y el magnesio. También reduce el potencial de corrosión al reducir la dosificación del quelantes por debajo de los requerimientos
teóricos, por lo que no hay
residuos de quelantes en el agua de caldera. Programa de fosfato coordinado En las calderas de alta presión , con altas tasas de transferencia de calor, el programa de tratamiento interno debe contribuir con pocos o con cero sólidos. El potencial para el ataque caústico del metal de la caldera aumenta cuando se eleva la presión por lo que la alcalinidad caústica debe hacerse mímica. Para estas condiciones se escoge el programa de fosfato coordinado. Para controlar con éxito
un programa de fosfato coordinado, el agua de
alimentación debe ser extremadamente pura y de una calidad sin variaciones.
Los lodos en el agua de caldera pueden sedimentarse y formar depósitos los que representan un problema tan serio como la incrustación. PURGADO Existe un limite para la concentración
de cada componente del agua de
caldera. Para evitar que se rebasen estros límites de concentración , se saca agua de la caldera como purga y se descarga hacia el desecho. Existen dos puntos separados para el purgado, en cada sistema de caldera. En uno se encuentra el flujo de purgado que se controla para regular los sólidos disueltos en el agua de caldera. El otro es un purgado intermitente o de masa, que en general proviene del tambor de lodos o de los cabezales de la pared de agua. El purgado puede ser intermitente o continuo. Si es intermitente se permite que haya una concentración hasta un nivel aceptable , en el purgado continuo la válvula de purga se mantienen abierta en una posición fija para remover agua a una velocidad estable y mantener una concentración del agua de la caldera relativamente constante, el nivel promedio de concentración en una caldera purgada en forma intermitente es bastante menor que el que se mantiene por un purgado continuo, el purgado intermitente es menor eficiente -más costos- que el continuo. AGUA BLANDA, es el agua que se somete a tratamiento adecuado para separar las sales innecesarias en la cuantía que se requiera. Preparación: se realiza por precipitación provocada mediante una neutralización, por quelacion o cambio iónico.
El agua blanda químicamente presenta reacción alcalina por hidrólisis de exceso del agente químico, el grado de alcalinidad depende de la dureza original. AGUA DESTILADA.- Se trata el agua potable que se purifica generalmente por purificación (vaporización y luego condensación del vapor) o bien por desmineralización mediante sustancias absorbentes (resinas sintéticas, que fijan aniones y cationes), con el agua destilada purificada, disuelve sales, incluida la de los alcaloides , azúcares, gomas, glucósidos, taninos , ácidos y bases. La preparación del agua destilada de elevada pureza, exige condiciones que se eviten condensaciones completas del vapor, pues se considera que el vapor arrastra los gases ya disueltos. AGUA PARA INYECTABLES USP (agua destilada, esterilizada; FNA: agua para preparados inyectables FP). Es la utilizada para soluciones parenterales y esta desprovista de pirógenos. Sus caracteres deben ser: Liq., límpido, incoloro e insípido, solo para uso parenteral. La USP reconoce dos clases de agua para uso parenteral:
- agua para inyección, que se le considera como el solvente para soluciones parenterales, que van a ser esterilizadas después de su preparación.
- Agua estéril para inyección, esta puede llevar adicionado un agente bacteriostático cuando el recipiente tiene una capacidad de 30ml o inferior. Esto tiene por objeto un control del microorganismo que puedan introducirse accidentalmente, durante el proceso del envasado.
AGUA REGIA, es una mezcla amarillenta de 1 volumen de ácido clorhídrico y 3 volúmenes de ácido nítrico concentrado, usado generalmente para disolver el oro. AGUA POTABLE.- Agua Para beber , donde se ha eliminado todo material insoluble, mediante métodos apropiados de coagulación, sedimentación, y filtrado. La destrucción de microorganismos patógenos por aireación , cloración y otros métodos y el mejoramiento del sabor a través de la aireación y filtración del carbón. El carbón activado también elimina algunas trazas de impurezas nocivas como: La triholometanos no removidos o destruidos en las operaciones anteriores Se utiliza el cloruro elemental gaseoso, siendo suficiente la concentración de 0.5 ppm. En las regiones donde el agua es excesivamente dura se ablanda por eliminación parcial de las sales disueltas por precipitación como carbonatos (Ca 2+ y Mg 2+) e hidroxido de Fe III al agregar cal o amoniaco. Su preparación dependerá de la naturaleza perjudiciales presentes
y cantidad de sustancias
en el agua natural disponible. Su tratamiento: se
emplean 1 0 mas operaciones unitarias que son : coagulación, sedimentación, filtración, cloración y mejora de sabor y olor. AGUAS NATURALES.- Son los que contiene minerales disueltos propios de la región o aguas minerales, aguas de litio, aguas de azufre .
Suelen ser soluciones muy diluidas (ppm) iones de Ca, Mg, Fe III, Na, K, Cl, CO2Na y Sulfatos. Los carbonatos constituyen la dureza temporaria, mientras que los sulfatos y cloruros constituyen la dureza permanente. AGUA PESADA.- Los isótopos de Hidrógeno se han denominado deuterio (2 neutrones) y tritio (3 neutrones). Como consecuencia de la presencia de 3 neutrones en tritio el núcleo es inestable. Sin embargo al igual que el Hidrógeno, el Deuterio es estable y da origen al óxido de Deuterio D2O. Este compuesto se encuentra en el agua común es escasas ppm. Debido a su mayor peso molecular, las propiedades físicas del D2O difieren de las del agua como: Punto de ebullición 101.4º, peso específico 1.10. AGUA AROMATICA.- Forma farmacéutica liquida constituida por agua destilada (vehículo), saturada de aceites esenciales. AGUA DURA.- Es el agua que contiene sales de Ca ó Mg en exceso y resiste la acción del jabón, de manera que no forma espuma con facilidad. Los depósitos, incrustaciones o sarro que se forman en las tuberías de agua caliente, ollas, etc., se deben al agua dura. La causa de la dureza del agua se debe a los iones metálicos polivalentes disueltos. AGUA PURIFICADA.- Se prepara por destilación, por intercambio iónico, desmineralizado, osmosis inversa u otros métodos El objetivo es eliminar los sólidos disueltos.
-
El intercambio iónico y la osmosis inversa son particularmente efectivos para eliminar electrolitos, más la destilación no es efectiva en la eliminación de electrolitos y no electrolitos débiles ; si son volátiles.
-
Mediante destilación repetida el agua purificada se esteriliza y queda libre de pirógenos.
-
El agua es un solvente, tiene inercia fisiológica.
VALORES DE ALGUNOS TIPOS DE AGUA: TIPOS Agua Potable
Ph aproxim. 5–8
Limite
Pureza
Pirogenos
Sílices 1000 ppm
OK
Bacter. USP – USP Prueba OK USP Prueba OK
Agua Purific.
5–7
10 ppm
req. OK –
Agua Inyect.
5–7
10 ppm
req. OK –
USP Prueba OK
req. 40 ppm, 30ml OK –
USP Prueba OK
Agua Esteril.... 5 - 7
req.
OPERACIONES UNITARIAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN. Los procesos de coagulación y de floculación se emplean para extraer del agua los sólidos que en ella se encuentran suspendidos siempre que su rapidez natural de asentamiento sea demasiado baja para proporcionar clarificación efectiva. La clasificación del agua, el ablandamiento con cal, el espesamiento de Yodo y el desecamiento, dependen de una correcta aplicación de las teorías de la coagulación y la floculación para que puedan efectuarse con éxito. Tomando como un ejemplo la clarificación de agua superficial, al agua cruda turbia contiene material suspendido, tanto sólidos que pueden asentarse como partículas lo bastante grandes que se asienten en reposo 10 sólidos dispersados que no se asentaran con facilidad – una parte considerables de estos sólidos que no se asientan pueden ser coloides. Cada partícula se encuentra estabilizada por cargas eléctricas negativas sobre su superficie, haciendo que repela las partículas vecinas, como se repelen mutuamente dos polos magnéticos, ya que esto impide el choque de las partículas y que forman así masas mayores, llamados flóculos, las partículas no se asientan la coagulación desestabiliza estos coloides al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados. Esto se logra, por lo general añadiendo coagulantes químicos y aplicando energía de mezclado. Los términos coagulación y floculación son con frecuencia intercambiados; sin embargo, cuando se le considera como dos mecanismos distintos pueden conducir a un mejor entendimiento de la clarificación y la desecación.
COAGULACIÓN Las especies coloidales
halladas en agua cruda y en agua de desecho
incluyen arcillas, sílice, hierro y otros metales pesados, color y sólidos orgánicos como los residuos de organismos muertos. Los coloides también pueden producirse en los procesos de precipitación, como el ablandamiento con cal. El aceite en agua de desecho es con frecuencia coloidal. Entre la gran variedad de materiales coloidales en el agua, existe una distribución grande en el tamaño de las partículas. Los coloides siempre necesitan coagularse para alcanzar un tamaño efectivo y una rapidez de asentamiento; pero aún partículas mayores, que no son realmente coloidales y que se asentarían si se les diera un tiempo suficiente, requieren de la coagulación para formar un flóculo mayor que se asiente con más rapidez. Cuando en una planta de tratamiento no se dispone de tiempo suficiente para extraer los sólidos suspendidos, la coagulación y la floculación pueden provocar su crecimiento y asentarse con la suficiente rapidez para superar las limitaciones del diseño de la planta. La importancia en el tratamiento del agua es que los coloides hidrofílicos pueden reaccionar químicamente con el coagulante usado en el proceso de tratamiento. Así, los coloides hidrofílicos requieren mayor cantidad de coagulante que los hidrofóbicos, que no reaccionan químicamente con el coagulante. Por ejemplo, para eliminar el colon de una agua que tiene un color APHA de 50 se requieren
dosis mayores de coagulante que las necesarias para eliminar una turbidez de 50 UTS. FLOCULACIÓN Puede ser a que el flóculo formado por al aglomeración de varios coloides no sea lo gestante grande como para asentarse o desecarse con la rapidez deseada. Un floculante reúne partículas floculadas en una red, formando puentes de una superficie a otra y enlazado las partículas individuales en aglomerados. La floculación es estimulada por un mezclado lento que junta poco a poco los flóculos; un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a formar en su tamaño y fuerza óptimos. La floculación no solo incrementa el tamaño de las partículas del flóculo, sino que también afecta su naturaleza física. APLICACIONES DE LA COAGULACIÓN Y DE LA FLOCULACIÓN Una muestra de agua turbia colocada en un cilindro graduado se separa en 2 capas, la de los sólidos asentables y la de los sólidos coloidales. En la clarificación del agua cruda casi siempre se usa un coagulante. Ya que debe eliminarse la neblina coloides para producir la baja turbidez requerida por al mayoría de los procesos que emplean agua. En la clarificación de las aguas de desecho solo se necesita un coagulante. Cuando los sólidos suspendidos crean un problema para satisfacer los lineamientos respecto a los efluentes; aquí es necesario un floculante para acelerar la velocidad del asentamiento.
Se emplean 2 tipos de pruebas de laboratorio para seleccionar el mejor producto químico y aproximarse a la dosis requerida para la clarificación. 1.-
La prueba de Jarra.
2.-
La prueba del cilindro.
Se emplea la prueba de la jarra cuando el contenido de solidez suspendidos en la corriente que deberá clarificarse es menor que 5000 mg// aprox. La clarificación del agua cruda, el asentamiento de sólidos biológicos y la mayor parte de las corrientes primarias de desecho se encuentran en esta categoría. Se emplea la prueba del cilindro en corrientes de 1000 pesado donde los sólidos suspendidos exceden los 5000 mg//. Los desechos provenientes del tratamiento del carbón y de los minerales, y el Yodo resultante de una clarificación primaria, son ejemplo de lechados pesados. DISEÑO DE LA PLANTA El diagrama de flujo de una planta clarificadora de H10 muestra como se aplican los principios de coagulación y floculación en el diseño de una planta real. Generalmente cuanto menor sea la cantidad de sólidos suspendidos en la corriente en procesamiento, o cuanto mayor sea la claridad que se desee obtener en el flujo de salida, tanto más crítico será el mezclado para obtener los resultados finales. La cantidad de sólidos suspendidos en el agua superficial es relativamente baja y se requiere eliminarlos para reducir su concentración o por esta razón muchos plantas de agua se diseñan con mezclado instantáneo de floculación. Se duplica a nivel de planta el protocolo de la prueba de la jarra de mezclado
instantáneo y mezclado lento que sea más efectivo en la clarificación del agua cruda. El
Mezclado
para
floculación
se
hace
en
compartimientos
agitados
suavemente. Dos diseños comunes de floculadotes son el de carrete horizontal y el mezclador de turbina.
