Ing. Luis Miguel Rivera Cardo so
AGUA CRUDA
● ●
●
●
El agua es una sustancia fundamental en much mu chos os pr proc oces esos os in indu dust stri rial ales es en lo loss qu que e puede intervenir como: Materia prima de proceso Disolvente, diluyente o medio de transporte de otras sustancias Medio de tra transport nsporte e térmico: térmico: para para entregar entregar calor (agua caliente, vapor) o para retirar calor (agua de refrigeración) Sistem Sis tema a aux auxilia iliarr (la (lavvado ado,, lim limpie pieza za gen gener eral, al, contra incendios, etc.)
•
•
Agua potable: potable: sus sus usos en planta corresponden a los servicios, es decir, alimentación, para el aseo del person personal, al, limpie limpieza za de la planta, planta, etc.
Agua de procesos: agua procesos: agua con tratamiento físico quím qu ímic ico o ne nece cesa sari rio o pa parra la fab abri rica caci ción ón de un pro rodu duct cto o y qu que e de debe be cum umpl plir ir de dete term rmin inad adas as exigencias normalizadas de calidad
•
•
•
Agua para la generación de vapor o agua para calderas: agua ablandada y tratada; cuya calidad esta en función de las condiciones de operación del caldero. Agua de enfriamiento: agua requerida para el enfriamiento de aquellas unidades como intercambiadores de calor, condensadores, reactores, etc. En algunos casos requerirá tratamiento. Agua para el sistema de seguridad: agua contra incendios.
CALIDAD DEL AGUA
I.
Parámetros Físicos
II. Parámetros Químicos III. Parámetros Microbiológicos
I. PARAMETROS FISICOS TURBIDEZ : es el efecto óptico causado
por la dispersión e interferencia de la luz que pasa a través de una muestra de agua. Unidad : UNT ( Método Nefelométrico)
COLOR : la causa más común del color son
la presencia de hierro y manganeso coloidal, o el contacto del agua con desechos orgánicos Unidad : mg/L de platino (como ion cloroplatinado)
OLOR Y SABOR : en el agua ocurren frecuentemente juntos y en general son prácticamente indistinguibles. Causas : materia orgánica en solución, NaCl, sales de sulfato de sodio, sulfato de magnesio, Fe, Mn, fenoles, etc. Unidad : número detectable de olor y sabor
TEMPERATURA : determina el nivel térmico del agua
SÓLIDOS TOTALES (ppm) se define como
sólidos totales la materia que permanece como residuo después de la evaporación y secado a 103ºC (1 ppm = 1 mg/lt.)
SÓLIDOS
DISUELTOS
SÓLIDOS
SUSPENDIDOS (material
(ppm) son determinados por diferencia de peso entre los sólidos totales y los sólidos suspendidos. disuelto) (ppm) son gravimétricamente por filtración.
no determinados
CONDUCTIVIDAD: es el resultado de la
medición de los sólidos ionizables. La conductividad es una expresión numérica de la habilidad del agua para transportar la corriente eléctrica y es función de la concentración total de sustancias disueltas ionizables en el agua y la temperatura.
Efectos : conductividad elevada favorecen los procesos corrosivos del agua. Unidad : microhmio/cm, miliSiemens/cm
II. PARAMETROS QUIMICOS
IONES CALCIO (Ca2+) : es el principal componente de la dureza del agua y responsable de la formación de incrustaciones.
IONES MAGNESIO (Mg2+): es el otro componente de la dureza del agua e igualmente forma incrustaciones. Esta en menores concentraciones que los iones calcio.
IONES BICARBONATOS (HCO3)
-
: Causante
de la alcalinidad del agua . Indeseable en el agua de alimentación a calderas de alta presión.
IONES CARBONATOS (CO3 )2- : poco frecuentes en aguas naturales incrustaciones.
y
forma
parte
de
las
IONES SULFATOS (SO4 )2- : Se encuentra en las
aguas naturales en concentraciones inferiores al calcio. Su elevado contenido afecta el sabor del agua. IONES CLORUROS (Cl ) : Es indeseable en altas concentraciones , pues su presencia puede ser causante de problemas de corrosión localizada. (O2 ) , Es el contenido de oxígeno OXIGENO disuelto en el agua. Su contenido es relevante por ser responsable de problemas de corrosión de equipos y líneas de fluido.
DIOXIDO DE CARBONO (CO2 ): Cuya
presencia en las aguas dan lugar a corrosión en las líneas de tuberías, particularmente las de vapor y condensado.
ALCALINIDAD
M :
Es la alcalinidad anaranjado de metilo o alcalinidad bicarbonato. Causa formación de espumas transporte de sólidos en el vapor. Promueve fragilidad del acero.
al al y la
GRASAS : Expresado como grasa o materia extraída al cloroformo, da lugar a la presencia de costras, lodos y espumas en las calderas.
pH : El término pH es una forma de expresar
la concentración de iones H+ , o más exactamente, la actividad del ión hidrógeno. En general, se usa para expresar la intensidad de la condición ácida o alcalina de una solución acuosa.
SILICE (SiO2): Esta presente en las aguas
naturales. Es indeseable en los sistemas industriales ya que forma formar depósitos que es un problema crítico en incrustaciones y a altas temperaturas se volatiliza para luego solidificar : el caso de las turbinas de vapor.
III . PARAMETROS MICROBIOLOGICOS Un examen microscópico riguroso de microorganismos en el agua es importante para prevenir problemas de corrosión, olor y color desagradable, turbidez, obstrucciones, etc. Este examen comprende la determinación de microorganismos como:
Bacterias del hierro: forman un grupo general de microorganismos que utilizan el hierro ferroso como fuente de energía y se caracterizan por formar depósitos de hidróxido hierro.
Bacterias reductoras de sulfato: utilizan el sulfato para su metabolismo y lo reduce a sulfuro. Este sulfuro genera condiciones ácidas y corroe materiales en aceros al carbono.
Algas: Se reproducen en presencia de la luz solar. Son causantes de obstrucciones y ensuciamiento.
UNIDADES DE CONCENTRACION
PARTES POR MILLON (ppm) o MILIGRAMOS POR LITRO (mg/L). GRANOS POR GALON (gpg)
EQUIVALENCIA : 1 GPG = 17,10 PPM
EQUIVALENTES POR MILLON (epm).
I. INTRODUCCION
La caldera es básicamente un intercambiador de calor, que transfiere la energía térmica de los combustibles, como petróleo, bagazo, carbón, etc., al agua de alimentación para convertirla en vapor.
En la industria es usual la generación de vapor para usos en procesos químicos, calentamiento y generación de corriente eléctrica
Los problemas que se generan en las calderas se deben fundamentalmente a la calidad de agua de alimentación.
Un adecuado tratamiento del agua de alimentación , así como el control de las condiciones de operación en la caldera permitirá reducir significativamente los problemas de incrustación y corrosión.
Las sustancias sólidas en el agua de una caldera, tienden a precipitarse cuando se sobrepasa su límite de solubilidad, ya sea por el cambio de temperatura y/o la descomposición de dicha sustancia o por su absorción en un precipitado ya formado. Estos precipitados pueden clasificarse en incrustaciones o lodos, ya sea que el precipitado tenga propiedades adherentes o no a la superficie metálica de los tubos.
Si el agua de alimentación a las calderas contiene sólidos disueltos y estos están en formas de bicarbonato, sulfatos, etc. de calcio o magnesio; se forma las incrustaciones por reacciones químicas tales como:
•
Ca (HCO3)2
CaCO3 + H2O + CO2 (g)
Mg (HCO3)2
MgCO3 + H2O +CO2 (g)
Dureza: causada a la presencia de sales minerales de Ca y Mg. Dureza Alcalina (Temporal): debida a los bicarbonatos. Dureza No Alcalina (Permanente): debida a los sulfatos y cloruros.
La gravedad del problema causado por las incrustaciones reside en su poder como aislante térmico y la consecuente disminución de la capacidad de transferencia de calor. La superficie metálica del tubo se sobrecalienta afectándose sus propiedades mecánicas •
En el caso de los lodos, estos tienden a depositarse en la parte inferior de los calderos donde pueden eliminarse mediante purgas. Pertenecen a este tipo los fosfatos de calcio y magnesio. •
La eliminación de sustancias incrustantes del agua de alimentación al caldero se realiza mediante el intercambio iónico, incluyendo la sílice si usamos una resina aniónica fuertemente básica. •
EFECTOS DE LA INCRUSTACION:
Constituye el segundo problema relacionado con la calidad del agua de caldera Las calderas operan a temperaturas muy superiores a la temperatura ambiente, por lo tanto la cinética de las reacciones de un proceso de corrosión se ve incrementada significativamente. El problema de corrosión se genera principalmente por la presencia de determinados componentes en el agua de alimentación, los cuales deben ser controlados o minimizados a efecto de evitar fallas prematuras
CAUSAS DE LA CORROSION
Presencia de oxígeno disuelto en el agua de alimentación
Presencia
de dióxido de carbono en el condensado
Baja
alcalinidad del agua de caldero (menor a 7).
EFECTOS DE LA CORROSION
EFECTOS DE LA CORROSION
EFECTOS DE LA CORROSION
IV. OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO DE AGUA 1º
Prevenir la formación de incrustaciones y depósitos en general.
2º Prevenir la corrosión por gases o ataque químico en las calderas y en el sistema de condensado. 3º Eliminar el arrastre de humedad con el vapor.
CALDERA CON RETORNO DE CONDENSADO S
M
F
B
VARIABLES DE OPERACIÓN EN UNA CALDERA
TRATAMIENTO EXTERNO DEL AGUA (INCRUSTACION) 1.0 ABLANDAMIENTO
2.0 DESMINERALIZACION
3.0 OSMOSIS INVERSA
1.0 ABLANDAMIENTO En el ablandamiento se emplea una sola columna con resina catiónica. •
Los iones calcio y magnesio del agua dura se sustituyen por iones sodio. •
No reduce la salinidad total del agua por lo que solamente se puede emplear para tratar aguas destinadas a calderas de baja presión. •
•
Su costo operativo es relativamente bajo.
Análisis de agua blanda en un ciclo sódico Componente
Calcio
Magnesio Sodio
Unidades ppm
Agua cruda (A)
Agua ablandada (B)
CaCO3
350
2
CaCO3
100
1
CaCO3
80
527
Total cationes
CaCO3
530
530
Bicarbonato
CaCO3
305
305
Carbonato
CaCO3
0
0
Oxidrilo
CaCO3
0
0
Sulfato
CaCO3
115
115
Cloruro
CaCO3
110
110
Nitrato
CaCO3
0
0
CaCO3
530
530
Total aniones
Alc. M
CaCO3
305
305
Alc. P
CaCO3
0
0
pH
7.6
7.6
STD
570
570
B as e E x c h an g e S of te ne r CA(HCO3)2 = Calcium Bicarbonate MgCl2 = Magnesium Chloride Na2SO4 = Sodium Sulphate
Brine Generation
Raw Water TDS = 200 ppm
TDS = dureza total + sales noincrustantes.
SAC Na+
= Strong Acid Cation Resin = Sodium Form
2NaHCO3 = Sodium Bicarbonate 2NaCl = Sodium Chloride 2Na2SO4 = Sodium Sulphate SAC (Na+)
Softened Water
Proceso de Ablandamiento
Comprende la remoción del calcio y magnesio del agua, la cual se realiza por intercambio iónico ciclo Sódico o ciclo Hidrógeno.
Industrialmente, el intercambio iónico sódico es la operación más utilizada para ablandar agua de alimentación para procesos industriales o generación de vapor.
ABLANDAMIENTO CICLO SODICO Agua Cruda
Regenerante
Agua tratada
Su principal ventaja es la eliminación completa de la dureza y la simplicidad de su operación. Su desventaja principal es la no reducción de la alcalinidad ni de los sólidos totales.
ABLANDADOR:
Operación de Ablandamiento
Un ablandador realiza la operación que garantiza que el agua dura se convierta en agua blanda por medio de intercambio iónico, lo cual se realiza a través del lecho de resinas catiónicas ciclo sódico. Un ablandador cuando opera realiza la siguientes etapas : 1. 2. 3. 4.
Ablandamiento o Servicio Retrolavado Regeneración Enjuague
1. Ablandamiento o Servicio
Es el proceso por el cual se realiza la permutación de los iones calcio y magnesio por iones sodio, obteniéndose agua blanda.
Este proceso continua hasta que el intercambio de iones empieza a cesar y comienza el agua a salir con algo de dureza, en este momento el equipo ablandador sale de servicio.
La calidad de producción de agua blanda debe ser analizado con el kit de dureza.
Ablandamiento o Servicio
2. Retrolavado
El retrolavado tiene por objeto remover toda la suciedad que se asienta en la superficie superior del lecho de resina y limpiar la grava de cuarzo.
El tiempo de retrolavado depende del grado de suciedad y debe continuar hasta que el agua salga limpia. Normalmente esta operación dura de 10 a 15 min.
La presión en el retrolavado debe ser mínima para evitar arrastre de resina al desagüe.
El retrolavado por lo tanto, lava, repara, limpia y clasifica hidráulicamente el lecho de resina en flujo ascendente.
Retrolavado
3. Regeneración Consiste en pasar una solución de cloruro de sodio, de concentración 10 12 % de NaCl, en flujo descendente a través del lecho de resina con el objeto que esta recupere sus iones sodio y dejen en libertad los iones calcio y magnesio atrapados por el proceso de ablandamiento proceso de regeneración es lento, El recomendándose un tiempo mínimo de 45 minutos y un máximo de 90 minutos a fin de garantizar la restitución total de iones sodio a la resina catiónica.
–
Regeneración
Las resinas actuales son de alto poder de intercambio equivalentes a 30 000 granos por pie cúbico de resina y deben consumir en promedio 7 kg de sal/ por pie cúbico de resina. El agotamiento o saturación de la resina depende del grado de dureza del agua fuente, de la eficiencia de regeneración y calidad de la resina.
4. Enjuague Esta operación inyecta al ablandador agua fresca para eliminar el exceso de salmuera y los cloruros de calcio y magnesio formados.
Esta operación depende del descarga y volumen de resina.
flujo
de
Durante el enjuague se debe controlar la dureza del agua hasta lograr agua blanda de óptima calidad
Enjuague
ABLANDAMIENTO POR JUEGO DE VALVULAS
Datos: Dureza Total: Poder de Ablandamiento: Volumen de Resina:
20 gpg (342 ppm) 25 000 granos/pie3 50 pies cúbicos
Cálculo de galones de agua blanda: Pies cúbicos x Poder de Ablandamiento (granos) Dureza del agua (gpg) (50 x 25000) /20 = 62500 gln = 236 m3
2.0 DESMINERALIZACION En la desmineralización del agua se realiza la reducción de iones positivos y negativos. Se utilizan dos unidades de intercambio iónico: unidad catiónica primero, y luego unidad aniónica. •
La selección del tipo de resina a usar dependerá de la calidad del agua de alimentación al caldero. •
A diferencia del ablandamiento, en la desmineralización del agua se logra reducir la alcalinidad y los sólidos disueltos totales. •
Los calderos de alta presión deben ser alimentados con agua de alta pureza, por lo tanto la desmineralización es una exigencia. •
PLANTA DESMINERALIZADORA Agua Cruda
Regenerante
Agua tratada
3.0 OSMOSIS INVERSA La Ósmosis Inversa es una tecnología de remoción porcentual. •
Un sistema típico de Osmosis Inversa, rechaza hasta el 98% de las impurezas encontradas en la mayoría de las fuentes de agua potable. •
Cuando se utiliza ósmosis inversa, ciertos contaminantes son removidos más efectivamente que otros. •
Los Iones Polivalentes son removidos más fácilmente (99%) que los monovalentes (Sodio 90%). •
Los componentes orgánicos de alto peso molecular (de más de 200 Daltons) son removidos efectivamente mientras que los de menor tamaño, pasan a través de la membrana. •
Los gases pasan fácilmente a través del sistema de la ósmosis inversa y afectan la pureza del agua. •
Debido al gran tamaño de las bacterias y los pirògenos, la ósmosis inversa remueve efectivamente el 99% de esta clase de impurezas. •
1. Fosfatos inorgánicos
2. Fosfatos coordinados 3. Sales de EDTA
4. Polímeros dispersantes 5. Fosfonatos y políacrilatos.
a) Aireación y des aireación (deareadores)
b) Tratamiento con inhibidores de corrosión.
CURVA DE SOLUBILIDAD DE OXIGENO EN AGUA:
Atemperacion ESQUEMA DE CONDENSADOS DE ESCAPE Y TG DE CONDENSACION
TG # 7
Caldera # 6
TG # 8 Atemperacion
Fabrica
Caldera # 7 TG # 1
Condensador
T
Torre Enfriamiento
Tanque de condens ados Pre Tanque Deareador
DESAEREADOR:
DESAEREADOR:
a) Sulfitos y Bisulfitos catalizados y/o hidrazina (NALCO 2811) b) Aminas volátiles c) Mantener un pH adecuado (entre 8.5 – 9.5) con fosfato trisodico (NALCO 2580) d) Materiales orgánicos coloidales
Es el arrastre de humedad con el vapor de salida.
Se produce por salpicaduras y espumas.
Salpicaduras: mala operación.
Espumas: Alto nivel de Sólidos Disueltos Totales (TDS) en el agua del caldero.
:
Espuma: mantener los TDS dentro del rango recomendado (menor a 3500 ppm) mediante purga de nivel o purga de fondo.
Salpicaduras: evitar cambios súbitos de presión mediante buenos hábitos de operación de la planta.
Cald era
Manivela removible
Valvula de purga
CALCULO DEL CAUDAL DE PURGA: S
M
F
B
VARIABLES DE OPERACIÓN EN UNA CALDERA
F Flujo másico de agua de alimentación, kg/h
Balance de Materiales :
B Flujo másico de agua purgada, kg/h
S Flujo másico de vapor,
F= S + B F = S x RC / (RC-1)
kg/h
RC Ciclos de concentra ción RC = CB / CF
B (%) = 100 / RC B (%) = Purga en % de F
CALCULOS DE PORCENTAJES DE PURGAS EN CALDERAS 2.0 Caldera 100 BHP - Norma ASME VAPOR 34.285 TM/día 0 ppm
RC = 7 3500 ppm Agua de Alimentación 40 TM/día 500 ppm SDT : 20 kg/día
PURGA 5.715 TM/día 3500 ppm 14.2 % STD : 20 kg/día
Ciclos de Concentración : RC = STD purga / STD Alim = 3500/ 500 = 7 Caudal de Purga : Caudal de Alimentación / RC = 40 /7 = 5.715 TM/día
% Purga : (Caudal de Purga / Caudal de Alimentación ) x 100 = 5.715 / 40 x 100 = 14.2
Sólidos Agregados por día : ( Caudal x ppm ) / 1000 = 40 x 500 / 1000 = 20 kg / día
