Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos

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1 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos Capítulo 3 Tratamiento de aguas para uso industrial Prof. Yoana Castillo yoanacastillo@ula.ve Web: CONTENIDO Justificación. Parámetros de calidad d del agua. Operaciones unitarias en el tratamiento de aguas de proceso. Tratamiento de aguas para calderas. Tratamiento de aguas para enfriamiento. 1

2 JUSTIFICACION El agua es comúnmente utilizada en los procesos industriales como: Materia prima. Generación de vapor. Medio de refrigeración. El contenido de impurezas suele ser inadecuado o excesivo para poder emplear el agua directamente como agua de proceso. Requiere de un tratamiento basado en la calidad del agua disponible y la exigida por el proceso. Se necesita un análisis de los parámetros relevantes del agua. PARAMETRO DE CALIDAD DE LAS AGUAS DE PROCESO [1,2,5] 1. Dureza: Se expresa como la concentración total de calcio y magnesio en mgco3/l. El hierro y el manganeso también contribuyen a la dureza pero como sus concentraciones son tan bajas no afectan la dureza del agua industrial. Tipos de dureza: Dureza temporal: Formada por carbonatos y bicarbonatos. Cuando la concentración es excesiva se debe reducir y eliminar. Tratamiento sencillo y poco costoso. Dureza permanente, de no carbonatos(so4-2, Cl -,NO 3-2 ): Este tipo de dureza es más difícil y costosa de eliminar. Si el anión predominante es el sulfato puede formarse escamas e incrustaciones duras en la calderas e intercambiadores de calor. 2

3 PARAMETRO DE CALIDAD DE LAS AGUAS DE PROCESO Escala de Dureza: [2] Rango de dureza, mg/l (ppm) Tipo 1-60 Suave Moderadamente dura Dura > 180 Muy dura Dureza permitida en aguas de calderas hasta 10bar [5] PARAMETRO DE CALIDAD DE LAS AGUAS DE PROCESO 2. Otros parámetros de calidad: Sólidos en suspensión: ocasionan problemas dentro de los equipos. Concentración de sílice: Pueden variar entre 1-75ppm. En ciertas condiciones forma escamas duras en las calderas y en las hojas de las turbinas. Concentración de Hierro y Manganeso: < 0.5mg/L en aguas superficiales, pero en aguas subterráneas pueden ser elevadas >2ppm y en algunos procesos industriales son perjudiciales porque adicionan color indeseado a los productos porque dejan residuos de óxido al oxidarse las aguas. 3

4 PARAMETRO DE CALIDAD DE LAS AGUAS DE PROCESO Concentración de Sodio y Potasio. Si su concentración no es elevada (> 10mg/L) no afectan el uso industrial. Alcalinidad: Pueden ocasionar problemas en algunos procesos industriales. Concentraciones de Cloruros: > 50ppm acelera la corrosión en la superficie de los metales. Gases disueltos: deben eliminarse sobre todo si es para generar vapor en calderas. CO2: 0.7ppm, pero es mayor si hay descomposición de materia orgánica O2: entre 3 y 12ppm en aguas superficiales. H2S: Aguas superficiales contaminados, con 0.1ppm se percibe un olor fuerte, en aguas subterráneas no pasan de 2ppm. NH3 normalmente va desde 0 a 4ppm. PARAMETRO DE CALIDAD DE LAS AGUAS DE PROCESO ph: 6-8. Si contiene ácidos minerales puede tener ph< 4. Depende del proceso. Presencia de microorganismos ocasionan problemas. 4

5 OPERACIONES UNITARIAS DE [1] Proceso Operación Características Eliminación de hierro y manganeso Oxidación. Precipitación Separación Sólido - Líquido Separación de sólidos y gases disueltos. Coagulación- Floculación Descarbonatación y ablandamiento con cal Sedimentación Hidrociclones Centrifugas Filtración Ultrafiltración Intercambio iónico Desgasificación Ósmosis inversa Electrodiálisis Destilación Adición de químicos. Eliminación de dureza. Separación por densidad Cantidad de movimiento Fuerza centrifuga Medio filtrante Membrana y dif. presión. Uso de resina. Aereación Membrana y presión osmótica Membranas y electrodos Diferencia volatilidades. OPERACIONES UNITARIAS DE [1-5] 1.1 Precipitación: Eliminación de hierro y manganeso. Oxidación forzosa para precipitarlos como hidróxido férrico o dióxido de manganeso insolubles. Como agentes oxidantes se pueden utilizar: Oxígeno del aire: Inyección directa de aire comprimido, requiere luego un sedimentador o un filtro. 4(CO3H)2Fe + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 + 8CO2 Desgasificación A ph 7, luego de 15minutos de aereación un contenido de 10ppm de Fe se reduce a aproximadamente a 0,1ppm Para el manganeso: 2Mn ++ + O2 + 2 H2O 2MnO2 + 4 H + 5

6 OPERACIONES UNITARIAS DE Cloro: Oxida el hierro más rápidamente a ph bajo, pero es muy costoso. Puede inyectarse en línea y dar un tiempo suficiente para la precipitación del Fe(OH)3 Permanganato potásico. Si el hierro y el manganeso puede estar formando un complejo orgánico que no se precipitan p por simple oxidación: Se recomienda entonces un proceso de Coagulación- Floculación. OPERACIONES UNITARIAS DE 1.2 Descarbonatación y ablandamiento con cal (disminuir dureza) Adición de cal en frío para reducir la alcalinidad bicarbonatada y ablandar el agua de alimentación de calderas. CO2H - + OH - CO 3 = + H2O CO 3 = + Ca ++ CaCO 3 Si hay magnesio presente se forma un precipitado de hidróxido magnésico: Mg ++ + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + Ca ++ 6

7 OPERACIONES UNITARIAS DE 2. Separaciones sólido-líquido. Sedimentación, ió decantación. Hidrociclones: Se usan para proteger a otros equipos de la abrasión causada por las partículas sólidas circulando a altas velocidades. Es un equipo de bajo costo, sin partes móviles, fáciles de instalar y requiere poco mantenimiento. El tamaño mínimo de partícula que se puede separar es proporcional a la raíz cuadrada del diámetro del equipo, oscila entre 10 y 75mm. Pueden usarse unidades en paralelo. OPERACIONES UNITARIAS DE Centrifugas. Filtración. Ultrafiltración. Tecnología de membranas representa la forma más absoluta de retener sólidos en suspensión. El tamaño de poros de las membranas estan 0,001 a 0,02 micras. El caudal de paso de agua es igual a : Q= (ka/e). ΔP k es un parámetro propio de la membrana (permeabilidad) A es la superficie de filtración. e es espesor de la membrana. ΔP diferencia de presión. Ultrafiltración 7

8 OPERACIONES UNITARIAS DE 3. Separaciones de sólidos y gases disueltos. Intercambio iónico. Se emplean resinas que en contacto con la solución acuosa elimina selectivamente los iones disueltos manteniéndolos temporalmente unidos en combinación química y cederlos de nuevo a una solución fuerte de regenerante. Reacción reversible. 2R-Na+Ca (aq) (R) -Ca+2Na (aq) Tipos de resinas Catiónica fuerte (CF): eliminan todos los cationes del agua. Catiónica débil (CD) : captan Calcio y Magnesio. Aniónica fuerte (AF) : eliminan todos los aniones del agua. Aniónica débil (AD) : captan Cl -, SO 4=, NO 3 - OPERACIONES UNITARIAS DE Equipos de intercambio iónico [3,4] Cilíndricos Recipientes: Verticales De presión Acero inoxidable o con recubrimientos Parte superior: Rociadores Distribuidores Resina: Sostenida por la pantalla del distribuidor inferior Evitar escape Válvulas: -Flujo descendente -Retroceso (ascendente) -Inyección del regenerante -Retiro del exceso de regenerante 8

9 OPERACIONES UNITARIAS DE Intercambio iónico: Configuración común para tratamiento de aguas: Catiónica i + Aniónica i Instalaciones de baja inversión. Aguas tratadas de 5 y 20 microsiemens. Un segundo esquema para remover alta alcalinidad y dureza incluye CD + CF. También se emplean lechos mixtos de pulido. Son más complicados para su regeneración. Sistema característico de desionización con dos lechos OPERACIONES UNITARIAS DE Desgasificación: Es un proceso de transferencia de masa en el que la velocidad de desgasificación es proporcional al área superficial de la masa líquida en contacto con el gas que lo rodea y a la diferencia de presiones parciales entre las dos fases. Se emplean desgasificadores por desaeración. La eliminación de oxígeno se puede realizar por desgasificación al vacío o térmica en columnas de bandejas o atomización del agua llegándose a valores de 0,005ppm. Osmosis inversa: proceso en el que el solvente de una solución pasa a través de una membrana semipermeable mientras que los otros componentes no pueden atravesarla. Ósmosis Inversa 9

10 OPERACIONES UNITARIAS DE Electrodiálisis: Separación por membranas selectivas y dejan pasar los iones pero no el agua. El equipo consiste de múltiples membranas aniónicas y catiónicas dispuestas alternativamente. En un compartimiento el agua se desaliniza y en los dos contiguos se concentra en iones. Electrodiálisis Destilación, Evaporación múltiple efecto. TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS [1,2,5] CALDERA: Recipiente donde se da vaporización continua del agua mediante aporte de energía calorífica. El vapor generado esusado comomedio decalefacción, fuerza motriz. La generación de vapor debe ser una operación FIABLE Y SEGURA. Para ello, al agua que se alimenta a la caldera se debe dar un: 1. Tratamiento externo previo: antes de llegar a la caldera. 2. Tratamiento interno: cuyo objetivo reducir y evitar: Formación de incrustaciones. Corrosión. Arrastres. 3. Control de calidad del agua en el ciclo vaporizacióncondensación mediante una purga. 10

11 TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS [1,2,5] Agua blanca de tanque de alimentación: CARACTERIZACIÓN Tratamiento Externo Coagulación-Floculación-Sedimentación y/o Filtración. Descarbonatación Intercambio iónico CF+AF Lecho mixto de pulido. Ósmosis inversa Si contenido de sólidos es >1000ppm Alcalinidad. Ablandamiento, desmineralización Desgasificador Agua BLANDA alimentación a la caldera Tratamiento Interno Antiincrustante Anticorrosivo Control de arrastre Purgas TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS [1,2,5] TRATAMIENTO INTERNO ANTIINCRUSTANTE Contaminantes presentes en el agua de aporte. Productos de la corrosión interna del sistema. Contaminantes introducidos en el condensado como fugas. DisminuyeT.C. Provoca recalentamiento del metal que puede llegar a la rotura. Solución: Uso de polímeros con capacidad antiincrustante y dispersante de lodos. No reaccionan, funcionan por adsorción sobre la superficie de los precipitados evitando su aglomeración. Contienen grupos funcionales carboxilato y/o sulfonatos. La selección depende de la presión, sólidos, alcalinidad. Requiere de ensayos exhaustivos 11

12 TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS [1,2,5] TRATAMIENTO INTERNO ANTICORROSIVO La forma más común de corrosión es el ataque del acero por el OXIGENO, acelerado por altas temperaturas y un ph bajo. Mantener el nivel de oxígeno al más bajo nivel económicamente justificable. Controlar el ph. Con el desgasificador externo se pueden alcanzar niveles de 0,005ppm, pero ante una falla imprevista de éste, se prefiere combinar con un tratamiento interno a base de un reductor químico (secuestrante) que se combine con el oxígeno residual. Sulfito Sódico: Na 2 SO 3 + ½ O 2 Na 2 SO 4 Sulfato de sodio aumenta la concentración de sólidos El sulfito residual en el agua de la caldera debe estar 20-60ppm según Presión TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS [1,2,5] Hidrazina: N 2 H 4 +O 2 N 2 + H 2 O Eficaz y rápida pero con acción cancerígena. Para P<40Kg/cm 2 se mantiene un valor residual hasta 0,3ppm Sustitutos de la Hidrazina: Hidroquinona, carbohidrazida, ácido eritórbico, dietilhidroxilamina Se requieren Ensayos bajos condiciones reales de operación Control de acidez por presencia de dióxido de carbono. Se controla el ph adicionando aditivos volátiles, alcalinos y neutralizantes. Los más comunes son: aminas tales como la morfolina, cicloexilamina, dietilaminoetanol entre otros. 12

13 TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS TRATAMIENTO INTERNO EVITAR ARRASTRE DE CONDENSADOS Controlar el contenido de sólidos Evitar la formación de espumas. Procurar buena separación y generación de vapor sin gotas de agua. TRATAMIENTO INTERNO PURGAS Automáticas de fondo y de superficie TRATAMIENTO DE AGUAS PARA ENFRIAMIENTO [1-4] Tipos de sistemas de enfriamiento. Abierto Más usado Torres de enfriamiento Cerrado No utiliza torre de Enfriamiento sino equipos de transferencia de calor. De un solo paso Usa grandes volúmenes de agua. No hay recirculación 13

14 TRATAMIENTO DE AGUAS PARA ENFRIAMIENTO [1-4] Problemas en los sistemas de enfriamiento. Corrosión. Incrustaciones. Crecimiento microbiológico. Depósito de fangos/lodos. El tratamiento va depender del sistema de enfriamiento: Para los de un solo paso, no es económico dar tratamiento por los altos volúmenes. En los abiertos si se emplea agua tratada de alta calidad ya que las pérdidas son pequeñas, pero hay concentración de sólidos e incrementan la formación de incrustaciones. Como hay contacto con aire también hay arrastre de bacterias y microorganismos. TRATAMIENTO DE AGUAS PARA ENFRIAMIENTO [1,2] CONTROL DE LA CORROSIÓN Uso de mezcla de inhibidores complementando sus ventajas individuales y superando las limitaciones respectivas. Pueden ser anódicos o catódicos dependiendo del mecanismo de actuación con el agente corrosivo. Inhibidor Cromatos Zinc Polifosfatos Nitritos Silicatos Fosfonatos Combinaciones sinergéticas Características Anódico, forma una película de óxidos ferrosos y crómico. Dosis hasta 50ppm Catódico, es combinado con Lignina a dosis de 5 a 15ppm. Son tóxicos. Catódico, forma películas estables. Dosis combinada con zinc de 5ppm. Anódicos Forma una película sobre la zona anódica. Dosis de 8 a 20ppm. Catódico, combinados con zinc o cromatos, se dosifican de 10 a 25ppm Cromato-zinc es la más utilizada Zinc-polifosfato no debe emplearse a mas de 40ºC. 14

15 TRATAMIENTO DE AGUAS PARA ENFRIAMIENTO [1,2] CONTROL DE DEPÓSITOS E INCRUSTACIONES Los depósitos reducen la eficacia ya que actúan como aislantes. Los depósitos aceleran la corrosión. El método más antiguo era la adición de ácido, recientemente se han desarrollado modernos programas de tratamiento con polímeros y agentes quelantes. Aditivo Acido: Sulfurico o clorhidrico Dispersantes Quelantes y secuestrantes Estabilizadores de depósitos Características Neutraliza la alcalinidad del agua y evita la precipitación de carbonato. Método antiguo, se abandona por requerir muchas precauciones. Polímeros aniónicos de bajo peso molecular con grupos funcionales de acidos carboxilicos o sulfónicos. Más usados: Poliacrilatos, copolimeros de metilvinilmaleico, i l i anhidrido polimaleico. l i EDTA y nitrilotriacético (NTA) Polifosfatos, fosfonatos, lignosulfonatos. TRATAMIENTO DE AGUAS PARA ENFRIAMIENTO [1,2] CONTROL MICROBIOLOGICO Las bacterias, algas y hongos son las especies más comunes. Se controlan con agentes biocidas oxidantes ó no oxidantes Biocida Oxidantes No oxidante Características Cloro, hipoclorito cálcico o sódico, se dosifica después de la torre para minimizar las pérdidas. Dióxido de cloro. Ozono. Son costosos y poco usados Atacan a las enzimas presentes en los microorganismos. Son usados: Pentaclorofenato y fenoles clorados. Compuestos organo-estañados, organo- sulfurados como las sulfonas, tionas y tiocarbamatos. La acroleína también es muy empleada. 15

16 REFERENCIAS [1] RIGOLA M. Tratamiento de aguas industriales. Alfaomega grupo editor. México [2] MONTOYA, R. Contaminación de Aguas. Universidad de Los Andes. Venezuela. [3] PERRY, R. Manual del Ingeniero Químico. Sexta Edición. Tomo V. Editorial McGraw-Hill. Pag a [4] TREYBAL, R. Operaciones de Transferencia de Masa. Segunda Edición. Editorial McGraw-Hill. Pag [5] OELKER BEHN A. Tratamiento de aguas para calderas Thermal engineering Ltda. Santiago. Chile. 16