c cc Uno de los componentes de mayor aprecio en una industria y que puede representar una buena parte de la inversión es el boiler o caldera. Existen industrias o servicios, que quedarían colapsados por una falla en la caldera hasta el punto de llegar a parar su producción, y su reparación o sustitución podría representar un costo considerable en su presupuesto, por lo que es esencial que la caldera opere en optimas condiciones. Una caldera con un mantenimiento adecuado y con un tratamiento químico adecuado en el agua de consumo puede llegar a operar sin problemas durante 20 o mas años. Una caldera básicamente es un recipiente de acero donde se quema un combustible y el calor generado en la reacción de combustión se transmite al agua liquida y se produce vapor de agua. Existen muchas variaciones respecto al tipo de caldera, presión de operación, tamaño y capacidad, entre otros, pero todas las variantes y tipos de ellas adolecen de los mismos problemas en lo referente a la calidad del agua, lo cual afecta la vida útil y la operación de la caldera. CALIDAD DEL AGUA EN UNA CALDERA: Los problemas mas frecuentes en lo referente a la calidad del agua y que influyen en la operación de la caldera son: 1: Formación de depósitos: La incrustación es indeseable ya que al formar una capa en los tubos y demás componentes del equipo, evitan la transmisión efectiva del calor. Esto conduce a una baja eficiencia en la producción de vapor, disminuyendo la cantidad de vapor producido por unidad de calor generado, y también causa desgaste del tubo y accesorios por fatiga térmica ya que se requiere de mayor temperatura del metal en la parte expuesta a la flama, que cuando no existe incrustación y este desgaste térmico afecta también la vida útil del equipo Los depósitos se producen por sólidos suspendidos que el agua pueda contener y principalmente por formación de depósitos de sulfatos y carbonatos de calcio y magnesio, en mezclas complejas con otros componentes como sílice, bario, etc. Para evitar la formación de incrustaciones se deben remover los sólidos coloidales y materia suspendida que el agua contenga y ablandamiento o suavización del agua cruda antes de integrarla a la caldera. 2: Corrosión por Oxidación del metal: Los principales componentes de la caldera son metálicos. Los agentes que atacan el fierro y lo disuelven son los gases corrosivos como oxigeno y bióxido de carbono. También la acidez del agua causa corrosión por lo que el pH debe mantenerse entre 9.0 y 11.5. El control del oxigeno disuelto es uno de los puntos críticos en la operación de la caldera. Las picaduras o áreas de desgaste localizadas en ciertas partes de los tubos de la caldera ocurre por la acción corrosiva del oxigeno. En el condensador del sistema, el bióxido de carbono se suma a la acción corrosiva del oxigeno y destruyen en poco tiempo el tanque del condensador si no son removidos estos gases. 3: Fragilización cáustica: Si la alcalinidad a la fenolftaleina que es la que se encuentra en forma de carbonatos es muy alta, pueden presentarse problemas de fragilzación del metal. Esta perdida de elasticidad, también puede ocurrir por frecuentes shocks térmicos en la caldera, al complementar
sin calentamiento previo el agua de repuesto para compensar por las perdidas por fugas de vapor o por purgas de la caldera. 4: Formación de Espumas: esto ocurre cuando hay presencia de materia orgánica o de una gran cantidad de sólidos disueltos en el agua de la caldera. Para evitar la formación de espumas, se purga la caldera cuando en el agua se alcanza un cierto nivel preestablecido de sólidos disueltos. Otra acción preventiva consiste en tener un tratamiento externo del agua de alimentación para evitar la presencia de sólidos suspendidos de naturaleza orgánica, así como de grasas y aceites del equipo de proceso que puedan contaminar el agua. ACCIONES CORRECTIVAS: un buen operador de calderas puede controlar y compensar por los efectos indeseables del agua de proceso en la caldera. La adición de productos químicos como antiespumantes, secuestrantes de metales corrosivos, neutralizadores de gases corrosivos, modificadores de alcalinidad y pH, etc. Pueden exitosamente solucionar los problemas de danos y desgaste anormal de la caldera. Lo que puede ocurrir y es muy frecuente, es que el operador no cuente con un laboratorio de análisis químico de respaldo o no este capacitado adecuadamente para comprender que efectos tiene cada uno de los componentes químicos que acompañan el agua y no se implemente el tratamiento adecuado. Si el servicio de operación y mantenimiento de la caldera es externo, puede ocurrir que el prestador del servicio da la misma formulación en sus productos para el acondicionamiento y tratamiento interno de todas las calderas independientemente del análisis y composición del agua en particular, sea esta de una fuente propia como es un pozo o de la red municipal. SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE CALDERA CON AGUA DESMINERALIZADA: El concepto de desmineralizar el agua que se alimenta a una caldera tiene la gran ventaja de poder emplear una sola formulación o adición de sustancias químicas que protejan la caldera de la acción corrosiva e incrustante del agua de proceso, independientemente de la procedencia y calidad del agua. a: PROCESO DE ABLANDAMIENTO TRADICIONAL. En el proceso de ablandamiento con resinas cationicas, el calcio y el magnesio son intercambiados por iones sodio. En el proceso de ablandamiento la salinidad o contenido de sales disueltas en el agua no disminuye, de hecho se incrementa ligeramente ya que un equivalente de calcio Ca+2 pesa 20 gramos y un equivalente de sodio Na+ pesa 23 gramos. b: ABLANDAMIENTO CON MEMBRANAS. Para que el agua pueda ser procesada por membranas, previamente deberá tener un adecuado tratamiento externo, para garantizar la ausencia de sólidos y coloides en el agua a alimentar a la caldera. En el proceso de membranas, si éstas son de osmosis inversa, las sales son removidas y el permeado o producto solo contiene trazas de sales disueltas. En el proceso de membranas se remueven del agua de alimentación a la caldera componentes indeseables como: calcio, magnesio,
fierro y otros metales, carbonatos y bicarbonatos, cloruros, sulfatos, etc., por lo que estos ya no precipitan en el calentamiento y evaporación del agua en la caldera . En el ablandamiento por membranas la salinidad disminuye debido a que no es una reacción de intercambio, sino un proceso de tamizado a nivel atómico y molecular que separa los iones en dos corrientes, una que es el producto sin iones disueltos y un rechazo que acarrea los iones que ya no contiene el agua producto y que originalmente contenía el agua de alimentación a la membrana. Al no tener sales el agua de alimentación no se requiere de las frecuentes purgas y la consiguiente reposición del agua desechada. Esto conduce a menor gasto se productos químicos y a menores pérdidas de calor por el agua caliente que se desecha en la purga. El agua desmineralizada es altamente corrosiva, por lo que es necesario neutralizar ésta y agregar sustancias químicas que suban el pH y tengan una acción protectora con el metal con el que estarán en contacto en la caldera. ESQUEMA DE TRATAMIENTO: El esquema de tratamiento para un sistema de caldera con agua desmineralizada consiste en lo siguiente: el agua de la fuente de suministro pasa a través de un filtro de multimedia para remover partículas suspendidas y posteriormente por un filtro de micro filtración de 5 micrones que remueve las partículas de finos del agua a alimentar a la membrana. El agua de rechazo en las membranas puede tener un uso secundario, como en riego, limpieza de maquinaria y equipo, se puede integrar al agua de servicios generales, reinyectarse en el pozo, o como última opción desecharse al drenaje. El agua producto sin sales pasa por una membrana Liquicel que remueve los gases disueltos entre ellos el oxigeno y bióxido de carbono, que son altamente corrosivos en las condiciones de operación de las calderas. El agua producto de las membranas y que ya no contiene sales se alimenta a la caldera pero antes se agrega un reactivo especialmente formulado que reacciona químicamente con el oxigeno residual del agua de proceso en la caldera, y lo convierten a una forma no corrosiva. También se deberá agregar una formulación para incrementar el pH del agua de alimentación y proteger el metal de la acción corrosiva del agua y componentes traza que pudiese haber en el agua que se procesa en el ciclo de calentamiento y evaporación en la caldera. Este esquema de tratamiento tiene las siguientes ventajas: 1: Protege la caldera de la corrosión. 2: No hay forma de tener incrustaciones por precipitación de sales insolubles y sólidos suspendidos 3: No hay formación de espuma en la caldera, lo cual afecta la calidad del vapor y causa problemas de operación en la caldera. 4: La formulación del producto que protege la caldera, no esta sujeta a variables en la composición del agua o a criterios del operador. Siempre es un mismo esquema de tratamiento independientemente de la naturaleza y calidad del agua de suministro o fuente de abastecimiento. ?
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cSe utilizan dos indicadores: fenolftaleína (alcalinidad F) y anaranjado de metilo (alcalinidad M) Se agregan algunas gotas de fenolftaleína a una muestra de agua a analizar. Si no hay cambio de color, significa que la alcalinidad F es cero. Si la solución toma color rosado, debe agregarse una solución de ácido sulfúrico hasta que desaparezca el color rosado. La cantidad de solución de ácido agregado indica, utilizando una tabla, el valor de la alcalinidad medida en ppm de carbón de calcio. Se utiliza la misma muestra tal como quedo al terminar la prueba anterior. Se le agrega algunas gotas de anaranjados de metilo que tomara amarillenta la solución. Se continua agregando ácido sulfúrico y agitando hasta que el agua cambie de color. La cantidad total de ácido sulfúrico agregado (tanto en la alcalinidad F como en ésta) representa el valor de la alcalinidad M o total medida en ppm de carbonato de calcio. Los valores de alcalinidad F debería estar entre 300 a 600 ppm de carbonato de calcio y los de alcalinidad M o total no deben superar los 800 ppm de carbonato de calcio. ? ?
Fragilidad Cáustica: Es el agrietamiento (pequeñas fisuras) del metal de los tubos y elementos sometidos a esfuerzos mecánicos. Se produce cuando el agua contiene hidróxido de sodio en exceso Figura 1: Problemas causados por las impurezas del agua 11. Tratamientos para Purificar el Agua de Alimentación El agua de alimentación de las calderas debe ser tratada, con el objeto de prevenir los problemas causados por las impurezas, utilizándose algunos de los siguientes procedimientos: Físicos Químicos Térmicos Eléctricos Mixto 11.1 Tratamientos Físicos: 11.1.1 Filtración: Su objetivo es extraer partículas grandes en suspensión. Se realiza antes que el agua llegue a la caldera (externo).
Los filtros pueden ser de mallas (pequeñas instalaciones) o de grava y arena. Eliminación de: Sólidos Suspendidos Colores Olores Sabores Cloro Residual Microorganismos Todo esto se traduce en los siguientes beneficios: Oevitar las inscrustaciones: se evita la deposición de los sólidos sobre las superficies de los equipos donde la transferencia de calor es necesaria.Oevitar la corrosión: se controla la pérdida de metal constituyente de la estructura de los equipos.Oevitar el desarrollo microbiológico: se elimina la presencia de material orgánico inconveniente.Oevitar el deterioro de las resinas de intercambio iónico: no se permite la llegada de sólidos abrasivos ni materiales oxidantes, como el cloro, hasta los suavizadores. Figura 2: filtración del agua a traves de grava y arena 11.1.2 Desaireación: También llamada desgasificación. Consiste en extraer los gases disueltos (oxígeno, anhídrido carbónico). Se consigue calentando el agua de alimentación, proporcionando una gran área de contacto agua-aire (ducha o agitación). Finalidad: Reducir el contenido de oxígeno disuelto el agua de calderas. Reducir el contenido de carbonatos en el agua de alimentación. Precalentar el agua de alimentación de las calderas. Beneficios: Disminuir el consumo de barredor de oxígeno: Para mantener el residual requerido habrá que dosificar menos. Precalentar el agua de alimentación de las calderas: Se evita el choque térmico y las dilataciones y contracciones anómalas de los tubos, placas y domos, que causan daño a los sistemas de generación de vapor. Disminuir la potencialidad de incrustación por carbonatos: Se reduce el contenido de bióxido de carbono. 11.1.3 Extracciones o Purgas: Consisten en evacuar ciertas cantidades de agua desde el fondo de la caldera o del domo, con el objeto de disminuir o mantener la cantidad total de sólidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo). La extracción puede ser continua o intermitente. La magnitud de la extracción depende de la concentración de sólidos disueltos a mantener en la caldera y la del agua de alimentación. Figura 3: Diagrama de Purgas
Descripción de los ComponentesParte Componente Función1 Válvula de Purga Manual para la purga de fondo de la caldera2 Válvula de Interrupción para aislar el tanque de purga para el mantenimiento3 Tanque de Purga para recoger de manera segura y descargar las purgas4 Cabezal de Venteo para descargar el revaporizado de manera segura a baja velocidad5 Manómetro para monitorizar la presión en el tanque de purga6 Válvula de Drenaje para drenar el tanque de purga para el mantenimiento 11.2 Tratamientos Químicos Consiste en suministrar internamente sustancias químicas que reaccionan con las impurezas del agua, precipitando sólidos insolubles o en suspensión, eliminando mediante purgas. Según el objetivo que persiguen, las sustancias se clasifican en: 11.2.1 Reductoras de Dureza o Ablandadoras: ? ?? ? ? ??? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ????? ????? ? ? ? ? ? ? ????? ?
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O Hidróxido de sodio o soda cáustica (NaOH): o Precipita las sales de magnesioo Aumenta la alcalinidad.o Regeneración de resinas de intercambio iónico O Carbonato de sodio o soda comercial (Na 2 CO 3)o Precipita las sales de calcioo Son de bajo costoo produce acidez. O Hidróxido de calcio o cal (Ca(OH)2 ):o Precipita las sales de calcio y magnesio. O Fosfatos de Sodio (Na2 HPO4):o Precipita sales de calcioo Debe mantenerse en exceso. O Intercambio de Iones:o Se utilizan ablandadores naturales o sintéticos (zeolitas o permutitas). Intercambiadores Iónicos El intercambio iónico es una reacción química reversible, que tiene lugar cuando un ión de una disolución se intercambia por otro ión de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida inmóvil. Este proceso tiene lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica como en las células vivas. Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el agua acostumbra a tener muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el agua separándose en iones, cuya
presencia puede ser indeseable para los usos habituales del agua.Los intercambiadores iónicos son usados para la separación de sales (cationes y aniones) del agua. Son sustancias granuladas insolubles las cuales tienen en su estructura molecular radicales ácidos o básicos que pueden ser intercambiados. Los iones positivos o negativos fijados en estos radicales, serán reemplazados por iones del mismo signo en solución en el líquido en contacto con ellos. Hoy en día, las sustancias intercambiadores de iones son llamadas también resinas, hay tres categorías de resinas: Oresinas tipo gel: tienen una porosidad natural limitada entre las distancias intermoleculares. Esta es una estructura de microporoO tipo microporos o de tipo unión cruzada suelta: tienen una porosidad artificial adicional la cual es obtenida por la adición de sustancias diseñadas para esta proposición.O Resinas isoporosas: Se caracterizan por tener un tamaño de poro uniforme, con lo que aumenta la permeabilidad de los iones en el interior de la red. Son resinas de alta capacidad, regeneración eficiente y de costo más bajo que las resinas macroporosas. Son utilizadas persiguiendo los siguientes fines: Oeliminación de calcio y magnesio: dureza del agua cruda, la cual se convertirá en agua de alimentación de calderas y/o reposición para sistemas de enfriamiento. Oevitar las incrustaciones: se elimina la formación y deposición de los carbonatos, sulfatos e hidróxidos de calcio y/o magnesio como consecuencia del aumento de la temperatura sobre las superficies de transferencia de calor, en desaireadores, calderas, intercambiadores de calor, etc.O suministro de agua suavizada constante: la buena calidad y suficiente cantidad del agua de alimentación de calderas y de cualquier otro sistema estará garantizada.Odurabilidad de las resinas de intercambio iónico: se controlan los ciclos de lavado y regeneración de los sistemas de intercambio iónico. Figura 4: Funcionamiento intercambiador iónico1011.2.2 Inhibidores de Corrosión Los inhibidores de corrosión, son productos que actúan ya sea formando películas sobre la superficie metálica, tales como los molibdatos, fosfatos o etanolaminas, o bien entregando sus electrones al medio. O Sulfito de Sodio (Na SO 3): Reacciona con el oxígeno produciendo sulfatos de sodio. Se utiliza para calderas de presiones menores a 30 Kg/cm2. O Hidracina (N 2 H 4Ë): Reacciona con el oxígeno produciendo nitrógeno y agua sin producir sólidos disueltos. Apta para calderas de alta presión. O Aminas: Utilizadas para el control de la corrosión en tuberías de retorno de condensado (corrosión por anhídrido carbónico).
10.2.3 Inhibidores de Fragilidad Cáustica: O Nitratos y nitritos de sodio (Na NO 3Ë-Na NO 2Ë): Debe usarse donde el agua tiene características de fragilidad. 10.2.4 Inhibidores de Adherencias por Lodos: O Agentes orgánicos: Taninos, almidones, derivados de aguas marinas. Evita la formación de lodos adherentes y minimizan el arrastre. 11.3 Tratamientos Térmicos: Mediante el calentamiento del agua hasta su temperatura de ebullición, se precipitan todos los bicarbonatos en forma de carbonatos insolubles que decantan y se extraen del fondo del economizador, eliminando de esta manera la dureza temporal y los gases disueltos. Este procedimiento no separa la dureza permanente. 11.4 Tratamientos Eléctricos: Por este sistema basado en la electrolisis del agua, el zinc en planchas que se apernan a tubos de chapas, defiende las planchas de hierro de la acción de las sales incrustantes. Figura 5: Esquema Funcionamiento Tratamiento Eléctrico 11.5 Tratamiento Magnético los minerales en el agua llegan a afectarse cuando se exponen a un campo de fuerza magnético y pierden sus habilidades para formar sedimentos. remueve la existencia de sedimentos y elementos de corrosión. Figura 6: Tratamiento Magnético 11.6 Tratamiento Mixto:Consisten en emplear algunos desincrustantes químicos y a su vez calentar el agua eliminando ambas durezas. 12. Legislación Aplicable ?
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Definiciones O Dureza del agua:Contenido de sales de calcio y de magnesio, principalmente, que producen depósitos de incrustaciones en las planchas de la caldera.
O Depuradores del agua de alimentación de las calderas:Dispositivos por los cuales se hace pasar el agua de alimentación de la caldera con el fin de reducir sus impurezas. Son depuraciones de agua: los filtros, los ablandadores, desmineralizadotes, desaereadores y evaporadores. ODesincrustantes:Substancias que: ?
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En relación a la calidad del agua: 1. La turbiedad del agua de alimentación debe ser inferior a 10 ppm. 2. La dureza total del agua debe ser inferior a 35 ppm. 3. No debe contener aceites ni substancias corrosivas. 4. PH no deberá ser inferior a 7. 5. El condensado obtenido de vapor utilizado en diferentes dispositivos de intercambio energético, podrá ser utilizado como agua de alimentación de la caldera siempre que no esté contaminada con aceites o substancias corrosivas. 6. Cuando en una revisión interior se haya constatado que la capa de incrustaciones de espesor superior al 30% del grosor de las paredes de la caldera, medida en la sección de mayor transmisión de calor, no podrá ponerse en funcionamiento hasta que se proceda a su limpieza, desincrustación y revisión de las instalaciones ablandadoras, las que al ponerse en marcha garanticen la entrega de agua blanda. En relación con el agua en la caldera y las purgas: 1. Toda caldera estará equipada con uno o más tubos de desagüe, comunicados con el punto más bajo de la caldera y destinados a las purgas y extracciones sistemáticas de lodos. 2. La descarga de los tubos de purga estará dispuesto en tal forma que no presente peligro de accidentes para el personal y sólo podrá vaciarse al alcantarillado a través de un estanque intermedio de retención o de purgas. 3. Este estanque de retención debe reunir las siguientes condiciones:a) Será fácilmente accesible para su inspección y la extracción de los lodos.b) Las tapas o puertas de inspección tendrán un ajuste tal que eviten escapes de vapor.c) El estanque estará provisto de un tubo de ventilación metálico, con salida al exterior de la
sala.d) El diámetro del tubo de escape a la atmósfera debe ser mayor que el diámetro del tubo de purga.e) Llevará una válvula en la parte más baja que permita vaciar toda el agua purgada de la caldera, cuando sea necesario 13. Conclusiones Un mal tratamiento y mantenimiento de la caldera tiene como consecuencia su mal funcionamiento y por ende los procesos industriales en los que esta inserta no funcionaran de la manera correcta, acarreando problemas como atrasos en la producción, los que pueden resultar muy costosos para la empresa. La calidad del agua influye directamente sobre el rendimiento de la caldera y la seguridad. El rendimiento de la caldera es la relación que existe entre el calor total entregado por el combustible al quemarse y el calor contenido en el vapor.Las incrustaciones producen una capa aislante que se adhieren a las superficies de calefacción de la caldera y que dificultan la transmisión del calor entregado por el combustible. Por esta razón los gases no transmiten todo su calor al agua, perdiéndose combustible y disminuyendo el rendimiento. Las incrustaciones aíslan las superficies de calefacción del agua, provocando un calentamiento excesivo de éstas, las que pueden llegar a perder gran parte de su resistencia sufriendo deformaciones permanentes, roturas y explosiones. Por otra parte, cuando a causa del trabajo propio de la caldera, la incrustación se rompe parcial o totalmente, pone en contacto repentino el agua a presión con la plancha recalentada y por lo tanto debilita, produciendo un aumento de presión interne tal, que la explosión.La acumulación de lodos en los tubos dificulta la transferencia de calor resultando el sobrecalentamiento de los mismos. La corrosión del metal de los tubos o la formación de óxidos puede ser debida a la alta concentración de productos químicos en el agua de la caldera, y la formación de espumas se debe, principalmente, a la presencia de sólidos en suspensión y de otras sustancias orgánicas. Todo esto debe evitarse mediante el Tratamiento de Agua para las calderas, mediante métodos químicos, físicos o eléctricos, o una combinación de ellos, atacando los distintos elementos que causan problemas en el correcto funcionamiento de las calderas ?
