Universidad Centroamericana José Simeón Cañas Operaciones Unitarias II Ciclo 01-2012
Tema:
Presentan: Isela Menjivar Wilson Espinal Diego Robles Milton Ramirez
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Tratamiento de Aguas de Calderas
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I. Tratamiento de agua de Calderas El tratamiento de agua de caldera consiste principalmente en el uso de tratamientos químicos o equipos que aseguran la calidad del agua a utilizar en las calderas con el objetivo de prevenir problemas operacionales, reparaciones, accidentes y asegurar la vida útil de los sistemas. II. Agua de Alimentación a la Caldera El agua alimentada a las calderas proviene de fuentes naturales de agua (como los ríos o lagos), lo cual significa que posee grandes cantidades de impurezas como sólidos en suspensión, líquidos inmiscibles con el agua, colorantes, bacterias, gases disueltos y sales minerales disueltas. Los tipos de tratamientos para reducción de los contaminantes dependerán del tipo de contaminantes encontrados en mayor cantidad en el agua, el tipo de caldera, la presión de operación y el tipo de ciclo del agua-vapor en el proceso. III. Calidad del agua en una Caldera Los parámetros a considerar en el tratamiento de agua de caldera, junto con los problemas que estos producen si no se tratan adecuadamente se presentan en la tabla 1.
PARAMETRO DEFINICION Dureza: representa una medida de la cantidad de iones de calcio y magnesio presentes en el agua. PH: medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. Indica la concentración de iones Hidrogeno presentes en las sustancias. Alcalinidad: es una medida de la concentración de iones carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos, silicatos y fosfatos que se encuentran en el agua. Gases disueltos: Concentraciones de Oxigeno y dióxido de carbono disueltos en el agua.
Sólidos disueltos y en suspensión: constituyen impurezas disueltas y no disueltas contenidas en el agua; entre estos se pueden mencionar contaminantes propios del proceso y materia orgánica. Metales no disueltos como Fe, Cu y Ca. aceites Líquidos inmiscibles: contaminantes provenientes del proceso o aceites contenidos en el agua de alimentación. Sílices: concentraciones de silicatos de calcio y magnesio.
PROBLEMAS Incrustaciones: depósitos formados en las superficies internas de la caldera debido a la facilidad de precipitación y adherencia de las sales a altas temperaturas. Estas incrustaciones de baja conductividad térmica disminuyen la eficiencia del proceso. Corrosión: formación de óxidos debido a un PH bajo (acidez del agua) Corrosión cáustica: Debidos a un PH alto (alta alcalinidad).
Fragilización cáustica: Perdida de elasticidad del metal debida a la alta concentración de carbonatos, lo cual lleva a la fragilidad del material. Lodos: Sólidos que no se precipitan directamente sobre los tubos, sino que se mantienen en el agua como materiales en suspensión. Corrosión por oxígeno: Formación de óxidos en las paredes internas de la caldera, lo cual deriva en la aparición de tubérculos color negro (óxidos insolubles). Corrosión por CO 2: El CO2 disuelto en agua (proveniente de la descomposición de bicarbonatos a altas temperaturas) produce acido carbónico, el cual forma ranuras o canales bajo el nivel del agua. Este problema ocurre principalmente en el retorno del condensado (que es aprovechado por su gran cantidad de calor). Arrastre: Ocurre cuando el vapor q ue sale de la caldera lleva partículas en suspensión, este fenómeno está asociado a la formación de espumas en el agua dentro de la caldera. En el caso de los ingenios azucareros, restos de jugo condensado dentro del agua de alimentación a la caldera produce cristales de azúcar dentro de las tuberías.
Formación de espuma dentro de la caldera, lo que conlleva un arrastre de aceites en el vapor.
Incrustaciones: De dos tipos: Incrustaciones duras (silicatos). Incrustaciones de baja conductividad térmica(silicatos de calcio y magnesio específicamente)
Tabla1. Parámetros del tratamiento de agua de caldera. IV. Análisis del agua de alimentación La implementación de correctivos o preventivos destinados a mejorar la calidad de agua de trabajo en caldera depende del tipo de contaminante contenido contenido en el agua de fuente natural. La determinación determinación de las concentraciones de sustancias perjudiciales perjudiciales debe realizarse periódicamente con el objeto aplicar correctivos o programar procedimientos de limpieza de la manera más adecuada posible. Entre los análisis más comunes que se realizan al agua de caldera se encuentran los siguientes.
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1. Análisis de PH: En la determinación práctica del pH se pueden emplear papeles impregnados con colorantes especiales que indican su valor al adquirir determinados colores y comparar este color en una referencia. Se puede hacer uso asimismo de Ph-ímetros de laboratorio, en los cuales es necesario hacer una curva de calibración previa con tres tipos de soluciones de PH conocido antes de determinar el PH de la muestra. Con este método se determina el carácter alcalino o acido de la solución. 2. Análisis de dureza: Este método está basado en la cuantificación (por método volumétrico) de los iones calcio y magnesio por titulación con el EDTA (quelante) y su posterior conversión a Dureza Total expresada como CaCO3. La dureza se expresa en partes por millón, o granos por galón (medida conveniente para determinación de la cantidad de resina a usar). Los reactivos utilizados: Buffer de PH 10, indicador eriocromo negro T(ENT), titulador EDTA (sal disódica). Figura 1. Reacciones del análisis de dureza. 3. Análisis de Oxigeno disuelto (Método Winkler) Winkler): Se realiza en una serie de reacciones: en la primera el oxigeno disuelto reacciona con un exceso de Mn(OH) (II), transformándose rápidamente en Mn(OH) (III); (III); el Mn(OH) (III) acidificado reduce los iones yoduro (del KI por ejemplo) a yodo; El yodo producido (el cual es equivalente al oxigeno en la muestra) es valorado con una solución de tiosulfato sódico. Debido a que un mol de oxígeno equivale a dos moles de yodo, se requerirán cuatro moles de tiosulfato por cada mol de oxígeno disuelto 4. Análisis de solidos disueltos : Para la determinación de sólidos totales en una caldera se evapora una porción de muestra de agua y se dejan secar aproximadamente aproximadamente a 105°C, el sobrante residual corresponde a la suma de sólidos sólidos disueltos y suspendidos. Para su medición en agua es comúnmente empleado un densímetro o un medidor de conductancia conductancia eléctrica. Las muestras deben analizarse durante un máximo de 24 h. preferiblemente “in situ”, o conservarse en frascos de polietileno, en nevera (2 -4 ºC) y obscuridad durante V.
Parámetros de calidad
Todos los parámetros mencionados anteriormente deben ser controlados para asegurar una buena calidad del agua de la caldera. Existen algunas normas internacionales como la a Norma Británica BS – 2486 y la ABMA (American Boiler Manufacturing Association), que establecen límites de concentración de estos parámetros como requerimiento para la calidad del agua de caldera. Estos valores son específicos para calderas que operan a presiones bajas (menores a 10 bar). Tabla 2. Requerimientos agua alimentación calderas vapor según BS 2486.
VI. Procedimientos en el tratamiento de agua de caldera. Los tratamientos para el agua de caldera pueden ser clasificados en dos grandes grupos que en la mayoría de casos se encuentran relacionados; estos grupos son los tratamientos químicos y físicos. 1. Tratamientos Químicos Consiste en suministrar al agua de alimentación sustancias químicas que reaccionan con las impurezas del agua, precipitando sólidos insolubles o en suspensión (formación de lodos), eliminables mediante purgas (tratamiento físico). 1.1 Tratamientos a la Dureza La presencia de incrustación en la caldera es equivalente a extender una pequeña capa de aislamiento a lo largo y en toda el área de calentamiento que retarda o impide la transferencia del calor, causando pérdidas de eficiencia en la caldera, por lo tanto incrementa el consumo de energía. Otra de las consecuencias de la incrustación es la generación de rompimiento de tubos o armazón debido al sobrecalentamiento (con el peligro del trabajo a altas presiones de la caldera).
Como acciones preventivas de incrustación se realiza un proceso de ablandamiento del agua con el uso de resinas o de intercambio iónico dentro de equipos de tratamiento global del agua llamados suavizadores; En estos equipos es común el uso de zeolitas (aluminosilicatos) que intercambian iones de Ca y Mg por sus propios iones de Na (sustancias solubles). Dentro del agua de alimentación de la caldera se utilizan compuestos complementarios orientados a precipitar los iones de Ca y Mg, por medio de la formación de compuestos insolubles. Las sustancias más utilizadas para este fin son los hidróxidos de sodio (que precipita sales de Mg pero aumenta alcalinidad), carbonato de sodio (que precipita sales de Ca y aumenta acidez), hidróxido de calcio (precipita
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sales de Ca y Mg) y fosfatos de sodio (precipita sales de Ca). Donde su principio de acción son simples reacciones de sustitución o doble sustitución para formar productos insolubles. Otros de los compuestos más utilizados como resinas de intercambio son a base del poliestireno sulfonato de sodio, trimetilamonio, acido acrílico y poliacrilatos. Como acciones correctivas se utilizan aditivos especiales que remueven incrustaciones calcáreas de baja conductividad térmica; estos aditivos son formulados a base de ácidos orgánicos y no dañan el metal. A continuación se presenta un cálculo para las dosis de aditivos comunes utilizados: Parámetros de cálculo en g/cm3
C:acido carbónico
TAC:grado alcalimétrico completo del agua bruta (anaranjado de metilo)
TA:grado TCa: grado alcalimétrico simple hidrométrico (fenoftaleina) cálcico Dosis: 10.6 (TH - TAC) g/m3
Cantidad Na(OH) g/cm3
Dosis: 8 (2TAC -TCa + C) Cantidad NaCO3 g/cm3 g/m3 Tabla 3. Cálculos de las dosis de aditivos a utilizar en el tratamiento de dureza
1.2 Control del pH Para el control de pH se agregan diversos fosfatos, los cuales funcionan como amortiguadores (permiten mínimas variaciones en el pH) del agua de caldera mediante la formación de depósitos no adherentes (lodos) a partir de los iones de Ca y Mg (unidos con los iones fosfato). Asimismo se utilizan soluciones tampón (buffer) que producen dos efectos:
Disminuir a su mínima expresión la reacción entre el agua y el hierro, con la indeseable formación de hidróxido de hierro Se impide el primer ataque del dióxido de carbono al hierro, dado que a estos valores de pH (11-11.5 en caldera), el dióxido de carbono se combina más fácilmente con las sales alcalinas que se emplearon para elevar el pH, que con el hierro de la caldera.
1.3 Tratamiento de la alta Alcalinidad. Los valores altos de este tipo de parámetro vienen a partir de altas concentraciones de iones carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos, silicatos y fosfatos, por lo cual es necesario aplicar métodos de eliminación de este tipo de iones ya sea por intercambios iónicos previos con resinas del tipo aniónico y cationico (desmineralizadores) y con la adición de compuestos precipitantes de iones cuya acción es parecida a la de los utilizados para la dureza y cuyas cantidades dependen de la concentración de alcalinidad en el agua de alimentación directa a la caldera. 1.4 Consecuencias de los tratamientos Los sólidos no disueltos y los productos insolubles de los tratamientos de alta dureza y alcalinidad, constituyen los lodos. La acumulación de lodo dentro de los tubos dificulta la transferencia de calor, dando como resultado un sobrecalentamiento de los mismos. Estos lodos pueden ser adherentes y no adherentes dependiendo dependiendo de su composición; cuando los lodos son adherentes adherentes se utilizan agentes orgánicos como taninos y almidones para evitar adherencia. El tratamiento de eliminación de lodos no adherentes se discutirá posteriormente (tratamientos físicos). 1.4 Tratamientos para gases disueltos 1.4.1 Corrosión por O2: El oxígeno disuelto ataca las tuberías de acero al carbono formando montículos o tubérculos formadas por oxido ferroso o férrico. La prevención de la corrosión por oxígeno (Pitting) se consigue mediante la alimentación de un exceso de secuestrantes de oxígeno en el agua de la caldera, lo que permite una menor probabilidad de formación de óxidos del metal constituyente de los equipos.A manera de ejemplo, La reacción producida por la hidracina (ideal para sistemas de alta presión) es la siguiente: N2H4 + O2 → N2 + 2 H2O
Sulfito de Sodio (30 –70 ppm)
Secuestrantes de Oxigeno comúnmente utilizados Hidrazina (0.1 - 10 ppm) Taninos (120 -180 ppm) Tabla 4. Secuestrantes de Oxigeno
Dietilhidroxilamina (0.1 –.0 ppm)
1.4.2 Corrosión por CO2: Otro tipo de corrosión se da por el dióxido de carbono (CO2), presente en el agua por la dilución de ácido carbónico debido a pH bajos. El ácido se descompone en la caldera desprendiendo el corrosivo CO2. Asimismo este CO2 viene como resultado de la descomposición a altas temperaturas de los carbonatos formados por la precipitación de iones. La prevención de la corrosión por CO2 en las líneas de retorno de condensado, puede ser ser conseguida mediante aminas aminas neutralizantes que actúan sobre el ácido carbónico y aminas fílmicas que pr otegen las líneas. 1.5 Formación de Espumas por sólidos y aceites disueltos La espuma se debe, entre otros factores, a la presencia de materia orgánica en el agua. Con el agregado de antiespumantes se logra eliminar este problema (que trae como consecuencia la producción de vapor de baja calidad (vapor húmedo) y el arrastre de sólidos no disueltos en el vapor). Aguas con mucha tendencia a formar espuma incrementan el consumo de combustible por un incorrecto intercambio térmico en los tubos. Cuando hay pr esencia de grasas y aceites de efluentes acuosos, estos se extraen en caliente o con
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un disolvente orgánico no miscible con el agua (acidulada a pH ≤ 2 .9), evaluando la cantidad por comparación de curvas de calibrado o espectroscopia infrarroja 1.6 Sílices Las sílices producen la formación de incrustaciones de baja conductividad térmica. Es común la eliminación de sílices con el uso de aluminato sódico y el uso de Hidr óxido de magnesio. Adición de aluminato sódico Se transforman los iones de silicio en silicoaluminatos (complejo de calcio y hierro), por la adición de cloruro férrico, aluminato de sodio y cal. Adición de Hidróxido de magnesio El procedimiento consiste en introducir en el agua hidróxido de magnesio preparado in situ, partiendo de óxido de magnesio puesto en solución por inyección de CO2, y precipitando seguidamente con cal. 2.
Tratamientos Físicos
2.1 Desgasificación Consiste en extraer los gases disueltos por medio de calentamiento del agua de alimentación en un desgasificador. Asimismo existen en el mercado membranas selectivas selectivas que remueven del condensado, gases como oxígeno y bióxido bióxido de carbono. 2.2 Extracciones o Purgas Consisten en la eliminación de cantidades de agua (del fondo de la caldera) con grandes concentraciones de sólidos no disueltos (lodos). Este procedimiento consiste en abrir una válvula de gran paso situada en la parte inferior de la caldera durante unos pocos segundos. Esto permite la eliminación de una gran cantidad de agua y de sólidos bajo la presión de la caldera que luego se introduce en un tanque de purga. Cabe destacar que es más efectivo un régimen de purgas cortas y frecuentes, que una de larga duración, esto es con el fin de evitar riesgos de daño serio al sistema y eliminación de agua necesaria en el proceso. 2.2.1 Ciclos de concentración Los ciclos de concentración de las impurezas presentes en el agua de una caldera determina la cantidad de purgas necesarias para prevenir problemas de corrosión y/o incrustaciones. La definición de los ciclos de concentración con lo s que debe trabajar una caldera se realiza a partir del análisis del agua de alimentación de la caldera y los parámetros de calidad del agua. Los ciclos de concentración de una caldera quedan definidos por la siguiente fórmula:
Nc : Ciclos de concentración. Ca: Concentración impurezas en agua alimentación. Cc : Concentración impureza en caldera.
de
Se recomienda el uso de un control automático de purgas con el objeto de mantener los ciclos de concentración y por lo tanto minimizar las pérdidas de energía.
2.2.2 Volumen de agua de reemplazo Dado que la realización de purgas implica la eliminación de cierta parte del agua de operación de la caldera, se debe reponer periódicamente cantidades de agua en la caldera. Para estimar el agua de alimentación necesaria en la caldera, se precisa realizar algunos cálculos que conviertan capacidad promedio de la caldera, a abastecimiento máximo de agua en galones. El valor de capacidad promedio de caldera puede expresarse de distintas formas, pero la más común es en BHP (Boiler Horse Power). Por cada BHP, la caldera requiere 4.25 galones de agua por hora. Después de establecido lo anterior, se estiman dos factores más: la cantidad de agua de abastecimiento a la caldera necesaria en un periodo de 24 horas, la cual es necesaria para saber la cantidad de condensado que se recupera. La cantidad de condensados recuperada es restada de la capacidad máxima de alimentación de la caldera, calculada previamente por la relación con los BHP. La cantidad neta de alimentación es obtenida de la cantidad máxima de alimentación (por los BHP), menos la cantidad de condensados recuperada. Las cantidades a reponer vienen dadas por el agua neta de alimentación menos el agua eliminada por las purgas. VII. Ventajas y desventajas de los procesos cerrados con reposición y sin reposición. Desde el punto de vista del tratamiento de agua de caldera, existen ciertas ventajas y desventajas según el tipo de circulación que tiene el agua en el proceso. Las circulaciones más comunes son las cerradas con reposición y sin r eposición. En el tipo de c irculación cerrada con reposición, se hacen purgas de lodos dentro de la caldera, lo cual implica la reposición de agua. En los ciclos sin reposición, durante todo el proceso no se desecha ningún volumen de agua en concepto de purgas. Ciclo cerrado Ventajas Desventajas Se mantiene un control adecuado de los sólidos El agua de reposición debe ser tratada de la misma manera Con disueltos en el agua de la caldera, por medio de la que el agua alimentada, lo cual supone un aumento en los Reposición eliminación de lodos. costos de tratamiento.
Tema: Operaciones Unitarias II Ciclo 01-2012 Ciclo cerrado Sin reposición
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Ventajas Desventajas El tratamiento de agua en este tipo de El control de sólidos disueltos no es exacto. proceso es fácil. Es ecológicamente más El tratamiento previo del agua debe ser riguroso. amigable por el uso de una menor cantidad Incrementa el gasto por la utilización de aditivos para protección de agua. de los tubos. Tabla 6. Ventajas y desventajas en el tratamiento según los ciclos del agua. ANEXOS
Fecha de Fecha de Muestra: Analisis Rangos de valores Recomendados de los pará metros del agua
1
3
5 6
7
a a u d g u r A c
a a z u i a g v a d A u s
n n r e e o o d d d t a e o n o s R c
. n p e o e d d m d n a e o s T c
r e 1 d l a a C
r e 2 d l a a C
r e 3 d l a a C
Dureza del agua suavizada CaCO3: 0GpG a 1 GpG Sobrepase 1 GpH, regenerar suavizador PH del agua de la caldera: 10-11.5 PH Menor a 10-incremetar la dosis del tratamiento Mayor a 11.5-disminuir la dosis del tratamiento SO3 en agua de caldera: 40 a 100 ppm Menor a 40 ppm- Incrementar secuestrante de O2 Mayor a 100 ppm- disminuir secuestrante de O2
2
4
Registro del Análisis
Alcalinidad total en agua de caldera: 300-800 ppm Mayor a 800 ppm-reducir la dosis de tratamiento Cloruros en agua de caldera: 0 a 40 GpG Mayor a 40 GpG- .incrementar purgas y revisar suavizador PO4 en agua de caldera: 40 a 70 ppm Menor a 40 ppm-incrementar dosis de tratamiento Mayor a 70 ppm-disminuir dosis de tratamiento Sólidos disueltos en agua de caldera: 2600 a 3000 ppm Menor a 2600 disminuir los intervalos y duración de purgas Mayor a 3000 incrementar intervalos y duración de purgas
Tabla5: hoja de análisis de datos de agua de calderas Directorio de empresas dedicadas a análisis y proveedores de productos y equipo para el tratamiento de aguas de calderas
MAXITEC SA de CV ESPINSA Laboratorio Químico (análisis de agua de caldera) Dirección: Cl Gabriela Mistral No 171 y 181 El Salvador, S.S S.S Tel: (503) 22393800 Web: Web: www.espinsa.com.sv
Proveedores de equipos y productos para el tratamiento de agua de caldera Dirección: Av. Las Amapolas N° 16 Col San
Francisco Tel: 2261 1000
NALCO Proveedores especializados de productos para el tratamiento de agua de calderas Oficinas: Urb, Villas de Miramonte I cl. Ppal. N° 125 S.S. E.S. Tel: 503 77861745 Web: es-la.nalco.com
Fax: 22612975 Web: www.maxitec.com
ECOLAB Proveedores
internacionales
de
ALKEMY
productos para el tratamiento de agua
Proveedores internacionales de productos
de caldera
para el tratamiento de aguas industriales
Dirección: 12 Cl Poniente 23 Av. Sur N.
Dirección: Av Jerusalen C Jacaranda N° 701 Cl
700. S.S, E.S. Tel: (503) 22210069
Maqu ilisguat, S.S E.S. Tel: (503) 22739110
HIDROPUR Mantenimiento y operación de plantas de tratamiento de agua. Dirección: 9 Cl. Ote Col. Sta Mónica. Pol 14. Casa #8 Sta Tecla. La Libertad. Web: www.hidropur.com
Web: www0.alkemycorp.com
BIBLIOGRAFIA ACHS. (s.f.). Recuperado el 27 de Junio de 2012, de ww3.achs.cl/ws/wps/wcm/connect CONUEE. (s.f.). Secretaría de Energía. Recuperado el 27 de Junio de 2012, de www.conuee.gob.mx/ Tratamientodeaguav11.pdf CV, C. d. (s.f.). Recuperado el 27 de Junio de 2012, de www.calderasdelnorte.com.mx/Tratamientodeaguaparacalderas.pdf www.calderasdelnorte.com.mx/Tratamientodeaguaparacalderas.pdf LTDA., T. E. (s.f.). Desconocido. Recuperado el 27 de junio de 2012, de norese.com/publicaciones/Tratamiento%20Agua%20Calderas.pdf
PARKER STEAM BOILERS. (s.f.). Recuperado el 27 de Junio de 2012, de,www.parkerboiler.com/pdf/WaterTreatment/1001C.PDF
