Temperaturas en el Domo de un Generador de Vapor

Transcripción

1 Temperaturas en el Domo de un Generador de Vapor TABLA DE VAPOR SATURADO (Perry) P (atm) P (psi) T (ºC) T (ºF) 1,033 14, , ,6 312,0 7, ,3 327,8 10, ,3 358,4 14, ,3 381,8 35, , , , , ,2 374,15 705,47 (punto crítico) 1

2 Balance de masa en el sistema retorno de condensado M, X M C, X C desaereador F, X F generador vapor a procesos V, X V purgas P, X P Retorno de condensado, c = C V X P = X D Régimen de purgas, p = P F 2

3 Balance de masa en el sistema Balance en el generador: F = V + P = pf P F = V + pf F V = 1 p Balance en el desaereador: F = M + C M = F C M V 1 = cv M = c V 1 p 1 p 3

4 4 Balance de masa en el sistema Balance en el desaereador: Balance en el generador: C M F + = C M F X C X M X F + = P V F + = D V F X P X V X F + = D V C M X P X V X C X M + = + V c p M = 1 1 D V C M X V p p X V X cv X V c p + = ( ) ( ) ( ) [ ] C V D M X p c X p X p p c X + =

5 Requerimientos de Calidad de Agua en el Domo de un Generador de Vapor 5

6 Consiste en el tratamiento que se hace dentro del equipo, complementario del tratamiento externo. El tratamiento externo nunca es 100 % efectivo, básicamente por limitaciones de los equipos y por razones económicas. El grado de calidad del agua es cada vez más exigente a mayores presiones de trabajo. 6

7 Consecuencias de un mal tratamiento: * fallas del equipo * alto mantenimiento * pérdida de eficiencia * reposición prematura (equipos y cañerías) * roturas * accidentes 7

8 Un tratamiento incorrecto provoca inconvenientes serios o muy serios, que se clasifican en 3 tipos: 1.- INCRUSTACIONES (en el domo) 2.- CORROSION (en el domo y líneas aguas abajo) 3.- ARRASTRE (en líneas aguas abajo) 8

9 Un correcto tratamiento debe causar los siguientes efectos: Reaccionar con la dureza del agua para evitar incrustaciones en las superficies de transferencia de calor. Acondicionar o dispersar las partículas de lodos de dureza precipitada, óxidos metálicos, etc. de forma de producir lodos no adherentes a la superficie del metal y fácilmente removibles por las purgas. Eliminar el O 2 disuelto, y mantener el ph en valores de diseño, para reducir las posibilidades de corrosión. Preservar la pureza del vapor, evitando la formación de espumas, manteniendo en niveles de diseño los sólidos disueltos y en suspensión. 9

10 1.- INCRUSTACIONES Es el crecimiento de sólidos en la parte interna del equipo, cuando las concentraciones de las impurezas superan los límites de solubilidad y empiezan a precipitar. Pueden aparecer como barros o como incrustaciones fijas o adherentes. Afectan notablemente la transferencia de calor y por lo tanto, la eficiencia del equipo. 10

11 1.- INCRUSTACIONES Las incrustaciones se depositan sobre las paredes de los tubos, que aumentan de grosor. Afectan notablemente la transferencia de calor, ya que agregan una resistencia adicional, con una k muy baja, respecto a la del metal. El perjuicio mas grande es el recalentamiento de los tubos, que pueden llegar a la ruptura. 11

12 Pared del tubo Incrustación K del tubo HUMOS AGUA (P,T) HUMOS K incrustación AGUA (P,T) 12

13 Pared del tubo Incrustación HUMOS HUMOS K del tubo K incrustación AGUA (P,T) AGUA (P,T) 13

14 1.- INCRUSTACIONES No solo provocan sobrecalentamiento, sino afectan notablemente la circulación del agua por tubos (generadores acuotubulares), sobre todo cuando ésta circulación es natural. Aumentan los coeficientes de fricción en los tubos y disminuyen el diámetro interno. Esta disminución en la circulación provoca sobrecalentamientos, separación prematura del vapor en zonas que no están diseñadas para eso. Aparecen repentinamente grandes burbujas de vapor, afectando la transferencia y calentando el tubo. 14

15 1.- INCRUSTACIONES Cristalinas: precipitación lenta, directamente sobre la pared del tubo. Incrustaciones duras, muy adherentes, con gran capacidad de aislación de calor, resistentes a mecanismos de eliminación, (mecánicos o químicos). Típicas de sales cuya solubilidad disminuye con T. Amorfas: Precipitados previamente formados, en forma de barros, que se van acumulando en la pared del tubo. Parte de estos barros no se depositan y decantan al fondo del domo, donde se eliminan por las purgas. 15

16 1.- INCRUSTACIONES Las precipitaciones ocurren porque se producen variaciones en la química del agua del domo, respecto a la alimentación, como consecuencia de la temperatura y por lo tanto se alcanzan los límites de solubilidad de ciertas sales. - = 2 HCO 3 CO 3 + CO2 + H 2 O = CO 3 + H2 O CO OH - Fe HCO 3 Fe(OH) CO 2 Mg HCO 3 Mg(OH) CO 2 Otras sales sencillas: CaCO 3, CaSO 4, CaSiO 3 16

17 Algunas sales identificadas (nótese que en ninguna aparece el ión Cl - ) * 2CaO.3SiO 2.H 2 O: Girolita * CaCO 3 : Aragonita, Calcita * Mg(OH) 2 : Brucita * Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 : Hematita y Magnetita * Ca 10 (OH) 2 (PO 4 ) 6 : Hidroxiapatita * CaSiO 3 : Wallastonita * 3MgO.2SiO 2.2H 2 O: Serpentita * Na 2 O.Al 2 O 3.4SiO 2.2H 2 O: Analcita * 5CaO.5SiO 2.H 2 O: Xonolita 17

18 2.- CORROSION EN EL DOMO Es el ataque a un metal por reacciones electroquímicas con su ambiente. El ambiente, en estos casos, es el agua caliente dentro del domo del equipo. Se produce corrosión por ph muy altos (>14) o bajos y por la presencia de oxígeno disuelto. 18

19 2.- CORROSION Corrosión uniforme: Es un ataque parejo en toda la superficie del metal, haciendo que su espesor disminuya uniformemente. Dificil que suceda en forma sostenida en el tiempo. Si así fuera, es predecible la vida útil del equipo. Corrosión localizada: Es un ataque puntiforme (picado, por las condiciones del domo) y puede perforar el metal en tiempos relativamente cortos. Se forman pequeños sitios anódicos locales altamente activos. La reducción del O 2 en el cátodo (de mayor área) acelera la reacción. 19

20 2.- CORROSION Fundamental una correcta desaereación y un adecuado control del ph. * O 2 : corrosión localizada, pitting. * ph bajo (< 9): corrosión generalizada. * ph alto (> 13): fragilidad cáustica. 20

21 3.- ARRASTRE Se considera arrastre cualquier contaminante del vapor, que abandona el domo, junto con éste. Puede ser sólido, líquido o gas. 21

22 3.- ARRASTRE * sólidos: sólidos en suspensión, que se formaron por precipitación de sales, en forma de barros. * líquidos: agua líquida que sale del domo como humedad en el vapor. Ésta, a su vez, arrastra sólidos disueltos. * gases: O 2, CO 2, N 2, SiO 2 22

23 3.- ARRASTRE Causas: una incompleta separación del vapor del domo del generador. * diseño incorrecto (separadores en el domo) * altos niveles de agua * sobrecarga o demandas bruscas * alto contenido en SSTT * excesiva alcalinidad * contaminantes orgánicos (aceites, etc.) * vaporización selectiva de SiO 2 (altas P) 23

24 3.- ARRASTRE Consecuencias: * depósitos en válvulas, trampas, turbinas, sobrecalentadores, y otros dispositivos, aguas abajo del generador. * erosión en cañerías, fundamentalmente en cambios de dirección: curvas, codos, etc. * contaminación en procesos que utilizan vapor vivo para calentamiento, etc. 24

25 3.- ARRASTRE Prevención de causas mecánicas: * Trabajar siempre a P de diseño. * Mantener caudales de vapor de diseño. * Adecuado mantenimiento de los elementos mecánicos de separación. * Mantenimiento de niveles de agua adecuados en el domo. * Evitar operaciones bruscas. 25

26 3.- ARRASTRE Prevención de causas químicas: * Evitar formación de espumas por: * exceso de SSTT * exceso de alcalinidad * presencia de sustancias oleosas * Evitar vaporización selectiva de sílice, por un adecuado tratamiento externo. No existe un tratamiento interno, salvo aumento del régimen de purgas, que pueda bajar los valores de sílice en el domo. 26

27 Corrosión y depósitos en turbinas de vapor corrosión: por O 2 y CO 2 en sectores con mayores porcentajes de humedad. erosión mecánica y erosión - corrosión: partículas de SSTT que vienen con las gotas de agua en el vapor. depósitos: precipitación de sales que vienen en el vapor como contaminante. Todo esto es válido para cañerías. 27

28 Evaporación selectiva de sílice Empieza a evaporarse significativamente por encima de 400 psig, mientras otros componentes recién lo hacen encima de 2400 psig. Fase vapor: no se evita con separación mecánica. Sólo es posible evitarlo con tratamiento externo: fundamental control de fugacidad en RAF. Se agrava si hay arrastre de humedad y posterior sobrecalentamiento. SiO 2 en vapor < 0,025 ppm 28

29 Evaporación selectiva de sílice. Prevención: * Mantener niveles bajos de SiO 2 en el domo. En caso de superar valores de diseño (ASME), se debe purgar hasta retornar a valores normales. * Prevenir contaminación del condensado. (Pérdidas en condensadores, serpentines, etc.) Controles químicos en retorno de condensado deben ser periódicos. * Prevenir ingreso excesivo en alimentación. Tratamiento externo debe ser estricto. Controlar periódicamente agua de alimentación. 29

30 Tratamiento mecánico Purgas de fondo continuas Tratamiento químico Agregado de reactivos 30

31 Purgas: Remoción parcial del agua del domo, altamente concentrada, para ser sustituida por agua fresca, de menor concentración. El propósito de las purgas es mantener los niveles de impurezas dentro de los límites aceptables. Porcentaje de purgas: (P/F) x 100 % Valores oscilan entre 1 % y 20 % 31

32 Purgas manuales o de fondo: Apertura de una válvula de fondo, durante algunos segundos, permitiendo una descarga en pulso. Remueve barros del fondo, que se van acumulando, desde la purga anterior. Aplicable a bajas presiones, bajas tasas de combustión (equipos pequeños) y regulares o malos tratamientos externos. Control de purgas se hace de acuerdo a chequeos periódicos del agua del domo. 32

33 Purgas continuas: Remoción continua de agua del domo, para ser reemplazada por agua fresca. El agua se retira desde el nivel superior, mediante una conexión que tiene una regulación de caudal. Permite un mejor control de los caudales involucrados y, por lo tanto, economías en el tratamiento. La mayor ventaja económica es que permite recuperación de calor 33

34 Conservación de energía en generadores: 1.- Minimizar incrustaciones mediante un adecuado tratamiento, externo e interno. 2.- Minimizar el régimen de purgas, mediante adecuado seguimiento y control. 3.- Instalación de equipos recuperadores de calor, sobre todo en las purgas continuas. 34

35 Desaereador C retorno de condensado alimentación vapor de alta V F purgas vapor recuperado Generador P otras fuentes otros usos agua de alimentación precalentada Tanque de flasheo purga D descarga Intercambiador de calor agua de alimentación 35 M

36 Balance de Calor en un Tanque de Flasheo V, H VV P*H LP = V*H VV + D*H LD P, H LP V = P*H LP -D*H LD H VV P = 1,5 kg*/cm 2 D, H LD 36

37 Tratamiento químico: Agregado de ciertos reactivos en el domo del generador, para control químico de impurezas. Incrustaciones por Ca y Mg: fosfatos Corrosión por O : Na SO o N H Corrosión por ph: fosfatos, aminas fílmicas Arrastre: agentes anti-espumantes 37

38 Tratamiento químico: eliminación de dureza por agregado de fosfatos. El tratamiento con fosfatos ofrece el mejor tratamiento de la dureza cálcica ya que el K PS del Ca 3 (PO 4 ) 2 es mucho menor que el del CaCO 3 y CaSO 4, a la temperatura del domo del generador. 10 Ca PO 4 3- = Ca 10 (OH) 2 (PO 4 ) 6 El Ca 2+ precipita básicamente como hidroxiapatita, barro suave, no adherente, que es fácilmente removido por la purga. El Mg 2+ precipita como 38 Mg(OH) 2, de las mismas características.

39 Tratamiento químico: control de ph por agregado de fosfatos. En ausencia de O 2, la corrosión está perfectamente controlada entre ph 9 y 12. Ésta es mínima a 11,5. Corrosión a ph bajo: muy poco probable en las condiciones del domo. Este efecto aparece en generadores parados o de producción intermitente. Corrosión a ph muy alto: disolución de la capa protectora de magnetita, por exceso localizado de OH -. Fragilidad cáustica (difusión de H 2 en la red del acero): En zonas de bajas turbulencias, pueden darse muy altas 39 concentraciones de OH - y alcanzarse ph > 14.

40 Tratamiento químico: control de ph por agregado de fosfatos. Fragilidad cáustica (Fragilización por hidrógeno): Fe 3 O NaOH = 2 NaFeO 2 + Na 2 FeO H 2 O Fe + 2 NaOH = Na 2 FeO 2 + H 2 La difusión del H 2 en la red del acero produce rotura intergranular en la superficie del metal, manifestándose como fisuras y rajaduras. No es común este fenómeno, debido a la alta evolución en el diseño de generadores de vapor. 40

41 Ataque relativo al acero a 310 ºC, a diferentes ph Ver diagrama de Pourbaix ph a 25 ºC 41

42 Tratamiento químico: control de ph por agregado de fosfatos. Tratamiento: Uso de un buffer de fosfatos para evitar aparición descontrolada de OH - libres. Hay que mantener valores de ph menores a los de una solución estequiométrica de Na 3 PO 4 El buffer de fosfatos se autocontrola. Es imposible superar un ph de 12,5 en presencia de ese buffer. Esto equivale a menos de un 0,1 % de OH - Para un control práctico se debe verificar que en el domo la relación Na + /PO 4 3- no supere el valor de 3. Debe ser 2,6 a 2,8. 42

43 11,4 ph 10,6 Na 3 PO4 + NaOH 10,4 Na 3 PO 4 + Na 2 HPO 4 10, ppm PO

44 Tratamiento químico: control de incrustaciones por uso de quelantes. Los quelantes forman complejos solubles con cationes tipo Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+ y Fe 3+. Estos complejos se mantienen en solución, y por lo tanto no precipitan las sales insolubles. Todo esto depende de la concentración de aniones que compiten con los quelantes, (CO 3=, SiO 2, SO 4=, PO 4 3-, OH - ) Se usan fundamentalmente para mantener en solución el férrico y ferroso que puedan retornar con el condensado. Básicamente se usan EDTA y NTA (ácido nitrilo triacético). 44

45 Tratamiento químico: control de incrustaciones por uso de quelantes. Ca(EDTA) = Ca 2+ + (EDTA) 4- log K s = log (CaEDTA) = (Ca 2+ ) (EDTA) 4- log K S (EDTA) log K S (NTA) Ca 2+ 10,6 6,4 Mg 2+ 8,7 5,4 Fe 2+ 14,3 8,8 Fe 3+ 25,1 15,9 45

46 Tratamiento químico: control de incrustaciones por uso de quelantes. Dureza a tratar debe ser menor que 2 ppm (costos) Se deben utilizar a bajas y medias presiones, ya que a altas T se degradan. EDTA se degrada a 300 psig y NTA a 900 psig. La degradación es muy rápida. Esto es peligroso, porque si sucede una degradación, los cationes quedan libres y se producen bruscos precipitados. Se dosifican en agua de alimentación, ya que una vez formados los complejos, éstos resisten hasta 1300 psig. Agua libre de O 2. En presencia de éste, los quelantes aceleran notablemente el proceso de corrosión en las líneas de retorno de condensado. A su vez los quelantes son muy agresivos a cobre, bronce y latones. 46

47 Tratamiento químico: control de corrosión en líneas de condensado. En el domo: Q 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O Q Na 2 CO 3 + H 2 O 2 NaOH + CO 2 En las líneas de condensado: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 H + + HCO 3 HCO 3 - H + + CO 3 = 47

48 Tratamiento químico: control de corrosión en líneas de condensado. A partir de 5 ppm de CO 2 ya hay severos ataques a las líneas de retorno de condensado. 1 ppm de CO 2 ph = 5,5 Para controlar este fenómeno, se agregan aminas neutralizantes. Éstas se evaporan, se van del domo con el vapor y condensan en las líneas de retorno de condensado, para neutralizar el H 2 CO 3 y sus especies en equilibrio. 48

49 Tratamiento químico: control de corrosión en líneas de condensado. Se usan mezclas de aminas neutralizantes. Todas funcionan neutralizando H 2 CO 3 Cada amina tiene una diferente relación de distribución (R D ) vapor - líquido. El tratamiento consiste en elegir una mezcla de diferentes R D A medida que la cantidad de condensado aumenta respecto a la cantidad de vapor, pasan a la fase líquida por turnos, de manera de asegurar capacidad neutralizante en toda la línea. 49

50 Tratamiento químico: control de corrosión en líneas de condensado. R D pk b Amoníaco 10 Ciclohexilamina 4,7 2,25 Bencilamina 3,5 Dietilaminoetanol 1,7 2,65 Morfolina 0,4 4,5 La elección de la o las aminas tiene en cuenta el factor R D entre fase vapor y fase agua. R D es función de la presión. 50

51 Tratamiento químico: control de corrosión en líneas de condensado. De la tabla se deduce que la morfolina tiene la mejor R D para neutralizar el condensado. A mayor R D, mayor pérdida en el venteo del desaereador. A mayor R D, mayor concentración en el punto inicial de condensación y menor al final. Por esto se usan mezclas. A menor pk b (basicidad de las aminas), menor cantidad se requiere para alcanzar un mismo ph. 51

52 Tratamiento químico: control de corrosión en líneas de condensado. La mezcla mas utilizada es la ciclohexilamina - morfolina. R D 4,7 / 0,4 Al consumirse todo el H 2 CO 3, el ph queda determinado por la hidrólisis de los remanentes de las aminas en solución. Este debe ser 8,0 / 9,0. El control y su dosificación se realiza controlando periódicamente el ph del condensado. Eventualmente se controla también Fe 2+ y Fe 3+ 52

53 Tratamiento químico: Corrosión por O : 2 El O 2 es altamente corrosivo, incluso a las muy bajas concentraciones que se escapan de un desaereador, trabajando a pleno. A su vez puede haber ingreso de aire en algunos sectores del sistema (condensadores, succión de bombas, etc.), que contaminan el retorno de condensado. 53

54 Tratamiento químico: Corrosión por O 2 : Por debajo de 1000 psi, se usa Na 2 SO 3 2 Na 2 SO 3 + O 2 = 2 Na 2 SO 4 7,88 ppm + 1 ppm La ausencia de O 2 se controla por un exceso de SO 3= en el domo del generador. 54

55 Tratamiento químico: Corrosión por O 2 : 2 Na 2 SO 3 + O 2 = 2 Na 2 SO 4 La velocidad de esta reacción se ve afectada: Temperatura: cada 18ºF, se hace el doble, a 212ºF es instantánea. ph: óptimos entre 9 y 10 Tipos de agua: a T amb. es muy rápida en agua de mar y le lleva mas de 10 min remover el 75% en agua destilada. 55

56 Tratamiento químico: Corrosión por O 2 : 2 Na 2 SO 3 + O 2 = 2 Na 2 SO 4 10 ppm O 2 Uso de sulfito catalizado: (Co ++, Cu ++, Ni ++, etc.) 6,5 ppm O 2 T amb. 20 seg 10 min 56

57 Tratamiento químico: Corrosión por O 2 : Por encima de 1000 psi, el Na 2 SO 3 se descompone en H 2 S y SO 3 Además a esas presiones y superiores, ya se hace intolerable el aporte a los SSTT del SO 3= y del SO 4 = En estos casos se usa la hidrazina: N 2 H 4 + O 2 = 2 H 2 O + N 2 57

58 Tratamiento químico: Corrosión por O 2 : N 2 H 4 + O 2 = 2 H 2 O + N 2 Los productos de esta reacción no agregan SSTT al domo del generador. El exceso se descompone en N 2 y NH 3 El NH 3 se va con el vapor (arrastre) y puede atacar elementos de bronce y cobre en las líneas de condensado. 58

59 Tratamiento químico: Corrosión por O 2, efecto pasivante de la hidrazina. 6 Fe 2 O 3 + N 2 H 4 4 Fe 3 O 4 + N H 2 O óxido férrico magnetita La magnetita genera una capa protectora sobre la superficie de los tubos (pasivado). Habitualmente se utilizan la hidrazina y el sulfito en forma combinada. Una actúa como pasivador y el otro como removedor de oxígeno. 59

60 Tratamiento químico: Agregado de reactivos agua Fosfatos, sulfito, hidrazina, aminas, etc. Tanque de mezcla al generador Bomba dosificadora 60

61 Tratamiento químico: Agregado de reactivos M C desaereador V tratamiento externo F a) Después del tratamiento externo b) En la succión de la bomba de caldera c) Directamente en el domo del generador bomba de caldera Agregado de Reactivos generador de vapor P 61