LAS AGUA DE CALDERO Y SUS PROBLEMAS

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1 LAS AGUA DE CALDERO Y SUS PROBLEMAS Uno de los usos más importantes del agua en la Industria, es como elemento de transferencia calórica. Esta función se realiza a través de intercambiadores de calor o en calderos. En éste último, la energía química contenida en los combustibles, es transformada en energía calórica, para ser usada en procesos diversos. Las condiciones en las que operan los calderos y otros equipos de transferencia de calor, hace que las mínimas cantidades de impurezas contenidas en el agua, representen problemas muy serios dentro de dichos equipos. LOS PROBLEMAS.- Cuatro son los problemas más importantes, que se presentan en los calderos, como consecuencia de las características del agua con que operan. 1.- INCRUSTACIONES.- Toda agua por muy pura que sea, lleva disueltas sales diversas, como consecuencia de su contacto con el ambiente o con las capas terráqueas por la que discurre. Entre esas impurezas, las sales del calcio y magnesio revisten una importancia máxima, debido a que dichas sales son muy poco solubles y en consecuencia tienden a precipitarse sobre las superficies, produciendo una capa dura y asilante de difícil remoción. A eso se llama incrustación. A dichas sales se las conoce como dureza del agua. El agua es tanto más dura, cuanto mayor contenido de sales de calcio y magnesio tiene. No obstante que estos dos elementos no son los únicos que imparten esta característica, sí son los más importantes. La dureza se encuentra en el agua bajo diversas formas o sales, las más comunes son: bicarbonatos, carbonatos, sulfatos, nitratos, cloruros, etc. del calcio y magnesio. El contenido de dureza de un agua se determina por análisis y se expresa como ppm, gpg, epm, etc. De lo anterior se infiere, que con el objeto de evitar la formación de incrustaciones, nos basta básicamente con eliminar toda la dureza contenida en el agua. A esta operación se denomina ABLANDAMIENTO DEL AGUA. La sílice u óxido de silicio es también una impureza que se encuentra comúnmente disuelta en el agua y que al igual que la dureza, tiende a producir sedimentos duros, cuando su concentración en el caldero sobrepasa sus niveles de solubilidad. Estos sedimentos o incrustaciones son muy difíciles de remover, inclusive con ácidos minerales fuertes.

2 CONSECUENCIA.- La consecuencia básica de las incrustaciones en un caldero son las siguientes: Pérdida de eficiencia Mayor gasto de combustible (2.5 mm. de incrustación significa un 16 % más de combustible gastado) Recalentamiento de los tubos. Fallas muy costosas. Corrosión acentuada bajo las incrustaciones.

3 2.- CORROSION.- Corrosión es un proceso degradativo del hierro y otros metales por el cual el metal pierde gradualmente sus características físicas y estructurales. La corrosión está ligada, básicamente, a procesos oxidativos, los cuales se explican por fenómenos de tipo electroquímicos. La corrosión provoca la desintegración del metal y en consecuencia una degradación en sus características estructurales y físicas. CAUSAS.- Las principales causas de la corrosión son: 1.- Presencia de oxígeno disuelto en el agua. 2.- Presencia de anhídrido carbónico ( CO2 ) 3.- Presencia de ácidos orgánicos o inorgánicos El agua al encontrarse en contacto con la atmósfera disuelve cierta cantidad de gases de la misma, tales como oxígeno y anhídrido carbónico. Cuanto más fría esté el agua tanto más oxígeno puede disolver. La tabla No. 2 muestra la solubilidad del oxígeno en agua a diversas temperaturas. Estos gases son dos elementos, que entran fácilmente a reacción con el hierro, provocando su corrosión y destrucción. La corrosión puede también ser consecuencia de la presencia de otros compuestos tales como ácidos, sustancias orgánicas, etc. Igualmente por la presencia de ciertas sales, como sulfatos, carbonatos y a veces cloruros de magnesio, cuyo ciclo de reacción termina en hidróxido de magnesio y el ácido correspondiente, representando elementos nocivos, por la corrosión que pueden provocar.

4 Las consecuencias de la corrosión son fundamentalmente, la destrucción del equipo el incremento en los costos de mantenimiento y fallas que pueden ser de consecuencias impredecibles. En la industria se tienen muy en cuenta los aspectos de corrosión en el caldero, por los altos costos que éstos representan. Los medios normalmente usados, para resolver este problema son dos: deareación o desgasificación del agua por -acción de la temperatura y tratamiento químico del agua utilizada. La deareación, se lleva a cabo en equipos especiales o deareadores en los cuales se elimina el oxígeno y el CO 2 por arrastre con vapor. 3.- ARRASTRE.- Es el fenómeno por el cual, el vapor producido en el caldero, lleva consigo partículas o gotitas de agua líquida, que por no ser portadoras de calor latente de evaporación, no sólo no contribuyen en nada al transporte calórico, sino que restan eficiencia a los elementos de transferencia y contribuyen a la falla de otros elementos en los circuitos de vapor y condensado, como turbinas, trampas, válvulas o tuberías de vapor. CAUSAS: - Contenido excesivo de sólidos disueltos. - Contaminación del agua con aceite, animales, vegetales o minerales., - Niveles demasiados altos de agua. - Demandas súbitas y excesivas de vapor - Defectos de construcción de la caldera. La Tabla No. 3 muestra el contenido máximo permisible de sólidos disueltos (TDS) alcalinidad y sílice en una caldera, para conseguir una operación satisfactoria. Como se observará, dicho valor depende de la presión de operación de la caldera. Estos valores dados por la ABMA. (AMERICAN BOILER MANUFACTURERS ASSOCIATION ).

5 CONSECUENCIAS: Perdida de eficiencia en los equipos. Incrustación y obstrucción de válvulas, trampas y tuberías. Operación no económica del caldero. ABLANDAMIENTO Y DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA Con el fin de evitar incrustaciones, el procedimiento básico usado en la industria consiste en eliminar o inactivar la dureza o sales de calcio y magnesio que tenderían a producir dichas incrustaciones. Esto se obtiene por: 1.- Ablandamiento y/o Desmineralización por intercambio iónico. 2.- Ablandamiento químico. 1. ABLANDAMIENTO Y DESMINERALIZACIÓN POR INTERCAMBIO IONICO Al referimos a ablandamiento, estamos refiriéndonos a la operación de eliminar la dureza exclusivamente. Cuando decimos desmineralización, nos estamos refiriendo a la operación de eliminar todos los iones que se encuentren disueltos en el agua. De esto se desprende que una desmineralización representa una purificación más integral del agua. RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO.- Tanto el ablandamiento como la desmineralización se realizan desde hace unos 30 años por medio de resinas sintéticas. Estas resinas son polímeros o macromoléculas derivados del estireno, benceno formaldehido, fenol, etc. todos ellos derivados del petróleo. Las resinas de intercambio iónico se clasifican de la forma siguiente:

6 Las resinas catiónicas, son las que tienen afinidad por los cationes (iones positivos, de calcio, magnesio, sodio, hidrógeno, etc.) Las resinas aniónicas son las que tienen afinidad por los aniones (iones negativos tales como carbonato, sulfato, c1aruro, oxhidrilo, etc.) El hecho de ser ácido base fuerte o débil, hace que se comporten en forma diferente los iones. Las resinas de intercambio iónico, presentan la característica común, de que cuando se encuentran en presencia de determinado tipo de ión en solución (fracción de la molécula con carga positiva o negativa) ceden el ión que llevan adherido, cambiándolo por los iones en cuya presencia se encuentran. Un aspecto muy importante de esta propiedad de las resinas de intercambio, es que el intercambio puede revertirse, con sólo variar las condiciones del proceso. De esta característica se aprovecha para hacer uso del proceso de intercambio, como, un proceso de uso y regeneración repetidos indefinidamente. EL ABLANDAMIENTO.- Se realiza en equipo provisto de resinas de tipo catiónico. La reacción de ablandamiento puede representarse en la siguiente expresión química: La figura M sintetiza la forma en que actúa la molécula de resinas catiónicas en el proceso de ablandamiento y regeneración.

7 La operación de un ablandador consiste en un ciclo que comprende las siguientes etapas: 1. Proceso de ablandamiento hasta saturación de la resina. 2. Retro lavado.- Lavado del ablandador invirtiendo el flujo del agua. Elimina la suciedad en el ablandador. 3. Regeneración con salmuera.- Restituye la capacidad de ablandamiento. La resina cambia los iones Ca, Mg., etc., por iones Na. 4. Enjuague.- Para eliminar el exceso de sal que queda en el ablandador, quedando listo para reiniciar el ciclo. Cuan efectivo sea el ablandamiento conseguido, va a depender de las condiciones en que dicha operación se realice. Por lo común se considera que en condiciones satisfactorias, el ablandamiento por intercambio iónico retendrá el 98 o 99 % de la dureza contenida en el agua alimentada.

8 Significa que habrá de todas maneras un 1 o 2 % de dureza que se filtrará a través del ablandador la cual deberá tratarse químicamente. LA DESMINERALIZACIÓN.- Se realiza en forma muy similar a la forma en que se lleva a cabo el ablandamiento, pero en ella se usan resinas catiónicas y aniónicas en secuencia. El proceso se sintetiza en las figuras que siguen: En palabras que puede resumir el proceso así: 1. El agua entra al tanque catiónico (cargado con resina catiónica) carada de sales (cationes + aniones). 2. Al pasar a través de la resina que está saturada de iones H - (Catión Hidrógeno ). Cambia estos iones por los cationes que trae el agua (Na, Ca, Mq, etc. ). 3. El agua sale de este tanque cargado de iones hidrógeno ( ácido) 4. Entra al tanque aniónico y al atravesar la resina cargada de iones oxhidrilos ( H-), estos son cambiados por los aniones del agua (CI -, CO 3, etc.). Los oxhidrilos liberados de la resina y que pasan al agua, se combinan con el H - produciéndose más agua, quedando así todas las impurezas retenidas en la resina. Una vez saturadas las resinas (catiónicas y aniónicas) de impurezas, pueden ser regeneradas tratándolas, de las siguientes formas: a) La resina catiónica con un ácido (Acido clorhídrico o sulfúrico) para eliminar los cationes retenidos ( Ca- Na- Mg- K- etc. ) fijando nuevamente iones H-. b) La resina iónica se trata con soda cáustica para cambiar los iones retenidos (CO 3 SO 4 CI- NO 3 etc.,) por iones OH- (oxidrilo).

9 a) EL ABLANDAMIENTO QUIMICO Ablandamiento químico, es el proceso de eliminar la dureza por reacciones puramente químicas. Para ello nos servimos de compuestos químicos, que entran en reacción con los elementos que constituyen la dureza, principalmente sales de Ca y Mg. El ablandamiento químico del agua, normalmente se realiza, sea como un preablandamiento o ablandamiento parcial o como un ablandamiento final. Este último por lo general es el ablandamiento aplicado como un tratamiento interno de las aguas de caldera, para eliminar la dureza residual. A este tratamiento se hace referencia al tratar de la química de la prevención de incrustaciones más adelante. El ablandamiento químico con sus características de un pre tratamiento se describe a continuación. PREABLANDAMIENTO DEL AGUA POR PRECIPITACION PROCESO CAL SODA La Industria, cuando las condiciones lo exigen, se ve obligada a usar aguas que en muchos casos son de calidad muy deficiente por su contenido de impurezas, alto contenido de sólidos, dureza elevada o alta salinidad. El ablandamiento de aguas sumamente duras ( ó más gpg) por intercambio iónico, puede representar costos excesivamente altos. En estos casos se recurre a un proceso de ablandamiento previo, que permite, en condiciones económicas, reducir la dureza a niveles que sean económicamente tratadas por intercambio iónico. Este ablandamiento previo, se realiza por un proceso químico de precipitación. Las reacciones químicas de este proceso son las siguientes:

10 Como se observa, este proceso utiliza dos compuestos químicos, hidróxido de calcio y carbonato de sodio, los cuales deben estar en proporción al contenido y formas en que se encuentra la dureza en el agua. Las sales bajo la columna titulada PRECIPITADO, SON ELIMINADAS del agua por estas reacciones. Este proceso de ablandamiento, puede realizarse a temperatura de ambiente o también en caliente, obteniéndose en este caso mejores resultados. Con la aplicación de un proceso de ablandamiento químico en frío en condiciones óptimas puede conseguirse bajar la dureza de un agua hasta 50 ppm. En este punto puede aplicarse un intercambiador iónico para obtener un agua con cero de dureza. Como regla general, este pre ablandamiento es seguido de una filtración, con el objeto de separar los productos de reacción o lodos producidos. CONTROL DEL TRATAMIENTO DEL AGUA DEL CALDERO Es fundamental mantener un control cuidadoso y diario de las condiciones del agua en un caldero. Basta que haya un lapso de tiempo, por corto que sea, en que no se mantengan las condiciones adecuadas, para que hayan empezado a producirse daños dentro del mismo. Evidentemente que esos daños serán proporcionales al tiempo transcurrido y al grado de desviación producida. De esto se desprende la necesidad que tiene toda Empresa de mantener un control diario de las condiciones de su caldero. La función de las Empresas abastecedoras de los productos químicos para caldero, no puede sustituir al control interno y diario que debe mantener el usuario. El control diario de las condiciones químicas en el caldero abarcan los siguientes pasos: a) Determinación de los parámetros del tratamiento: Esto se consigue a través del análisis químico. b) Ajuste de la dosificación. Dicho ajuste se realiza de acuerdo a las condiciones cambiantes del agua, la demanda etc. Abarca lo siguiente: 1.- Dosificación de compuesto químico 2.- Alimentación del químico 3.- Control de purgas. Damos a continuación unas notas que aclaran algunos de estos conceptos.

11 A.- MUESTREO y ANALISIS QUIMICOS.- Las muestras y análisis correspondientes deben realizarse de los siguientes puntos (figura No. 17). 1.- Agua de reposición antes del ablandador. 2.- Agua de reposición después del ablandador. 3.- Agua del caldero., 4.- Agua de recuperación (condensado) Las dos primeras muestras, permiten observar las condiciones de operación del ablandador, mientras que las dos últimas, nos muestra las condiciones en el caldero. Los resultados de los análisis, se expresan comúnmente en términos de ppm. (partes por millón) o en otras unidades cuyas equivalencias se dan en la tabla No. 6. Las muestras 3 y 4 nos dan la información, sobre los parámetros en el caldero. La Tabla No. 5 muestra los análisis químicos que normalmente se realizan con las muestras de cada uno de esos puntos.

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13 La Tabla No. 6 damos consideraciones que ayudarán en la mejor interpretación de los datos obtenidos de los análisis químicos. ALCALINIDAD-pH Se determina la alcalinidad del agua, por la importancia que reviste en relación al aspecto corrosivo del agua en el caldero. El ph es igualmente una medida de la alcalinidad y nos indica lo adecuado del control de la alcalinidad activa, dentro de los límites máximos y mínimos medio como concentración de iones hidrógeno. FOSFATOS.- Mide el residual recomendable de ión fosfato como factor para evitar las incrustaciones (rango recomendado 30 a 60 ppm.). Si el tratamiento no se realizara en base a fosfatos inorgánicos como por ejm. con polímeros o fosfatos orgánicos, existiría siempre la necesidad de un medio para controlar la dosificación adecuada del tratamiento. SULFITOS.- Controla el residual recomendable de ión sulfito, como elemento secuestrante de oxígeno, para evitar la corrosión de los equipos. Rangos recomendables ppm. DUREZA.- Este análisis se realiza a fin de controlar el buen funcionamiento del equipo ablandador o si es en el agua del caldero, es una forma de controlar lo adecuado de la dosificación del elemento anti-incrustante. HIERRO.- La presencia de niveles elevados de hierro, puede indicar estas situaciones: que el caldero se está alimentando con agua sobrecargada de hierro, o que existe un proceso corrosivo, sea en el caldero mismo o en los sistemas de condensado, según el punto en que se lo detecte. B.- LA PURGA.- La continua alimentación al caldero de agua, con su contenido de impurezas llevara a que dichas impurezas o sales vayan acumulándose, hasta llegar a situaciones en que sería imposible para el caldero seguir acumulando más impurezas. De allí la necesidad de eliminarlas del caldero, extrayendo o purgando agua saturada de sólidos y reponiéndola con agua de bajo contenido de dichas impurezas; a esto se denomina

14 PU RGA. La cantidad de agua que será necesario eliminar por la purga, va determinada por el contenido de impurezas en el agua de reposición y su relación con el máximo permisible dentro del caldero. C.- ALIMENTACION DEL TRATAMIENTO QUIMICO La alimentación del agua al caldero, es de tipo continuo y consiguientemente el tratamiento a dará ese agua es igualmente un tratamiento de cada día y hora en que trabaja el caldero. De acuerdo al sistema con que se alimentan los químicos a un caldero, se tiene estas dos formas: 1.- Manual.- Los aditivos químicos. se suministran al caldero a través del tanque de alimentación de agua, que gran parte de las veces es el mismo tanque de condensado. En este caso. el total de compuestos químicos requeridos para un día de trabajo, se adicionan en una, dos o más porciones al tanque de condensado. Este sistema, es el menos recomendable por la forma completamente irregular en que estos químicos serán recibidos por el caldero. Este sistema presentará aproximadamente un 50 % de efectividad, solamente por la forma discontinua de eliminar. La figura No. 21 representa esa situación. 2.- Bomba Dosificadora.- El compuesto químico se alimenta directamente al caldero en forma continua y proporcional al agua alimentada al caldero. Así consiguen niveles de tratamiento uniformes que aseguran un 100 % de efectividad al tratamiento. Por otra parte, este sistema minimiza las fallas o errores del personal. Por consiguiente es el sistema más recomendable, teniendo sobre todo en cuenta, el bajo costo de una bomba dosificadora.

15 PRODUCTOS QUIMICAMP PARA TRATAMIENTO QUIMICO DE AGUAS DE CALDERA Con el objeto de dar mayor versatilidad a su sistema de tratamiento químico QUIMICAMP DEL ECUADOR ofrece a la industria los siguientes tipos de productos para el tratamiento de aguas de calderas. 1.- PRODUCTOS PARCIALES.- Son aquellos en que cada producto se orienta al control de un problema especial. El cuadro siguiente muestra estos productos. Recomendamos el uso de este tipo de productos, para el tratamiento de calderos de gran capacidad, en las cuales el factor económico y la eficiencia son importantes. 2.- PRODUCTOS COMPLETOS.- Son los productos integrados por los diferentes elementos químicos, formulados de manera tal que un sólo producto pueda controlar los diversos factores químicos que es preciso regular. Estos productos no incluyen el tratamiento de agua de condensado. El tratamiento con este tipo de productos muy conveniente, por su simplicidad, sobre todo en caso de calderas de mayor capacidad. BIBLIOGRAFÍA YANEZ Enrique. Tratamiento de Aguas en Calderas de Vapor. Quimicamp del Ecuador Cía. Ltda. Compuestos Químicos Industriales. Pp 4-50.

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