Estas substancias se dividen según los elementos que la acompañan en 2 grupos:

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN El agua es una de las substancias mas difundidas y abundantes del planeta Tierra y es parte integrante de la mayoría de los seres vivientes tanto animales como vegetales y está presente en varios minerales. Apropiadamente se la denomina el solvente universal, y es un raro caso de substancia que está presente en nuestro entorno, en los tres estados físicos; como son sólido, liquido y gaseoso A nivel mundial el agua se encuentra en la naturaleza procedente de los ríos, lagos, pozos, aguas de lluvia que van acompañadas de diversas sales y gases en disolución. Estas substancias se dividen según los elementos que la acompañan en 2 grupos: Elementos disueltos en el agua. Elementos en suspensión. Los elementos en disolución son substancias orgánicas, sales minerales y gases disueltos; incluyendo la dureza del agua que tiene un papel importante y se determina por las sales minerales de Ca y Mg que contengan. 1

2 Existen dos tipos de dureza según la forma en que se comporte el agua por acción del calor, por esta razón se considera a la dureza como una característica perjudicial para las calderas. No se puede evitar que el agua arrastre y disuelva impurezas que no son aptas para el consumo humano e industrial, por esto los tratamientos de agua son de vital importancia por el consumo diario que este tiene como el caso del agua potable; también para fines industriales como el agua ultra pura usada en laboratorios farmacéuticos, para las torres de enfriamiento como refrigerante en aires acondicionados y utilizada en calderas como generadora de energía calorífica en forma de vapor o energía mecánica utilizada para generar electricidad. En el Ecuador hay gran demanda de energía, sea calorífica utilizada en procesos industriales o como energía eléctrica, ya que en nuestro país las centrales hidroeléctricas no son lo suficiente para abastecer viéndose la necesidad de construir centrales térmicas modernas, entre ellas la de la isla Trinitaria de la ciudad de Guayaquil puesta en funcionamiento en el año 1997 con una capacidad de megavatios de potencia neta y usando toneladas de vapor. Por esta razón el agua empleada para la alimentación de calderas debe ser de calidad óptima con el objeto de mejorar el desempeño de esta fuente de energía antes de su uso, mediante tratamientos físicos, químicos, térmicos, eléctricos y mixtos; lográndose de esta manera una operación segura, ahorrando energía y operando económicamente la caldera. 2

3 Son varios los estudios realizados sobre las impurezas que se encuentran en el agua que sirve para la alimentación de calderas, siendo los parámetros antes mencionados la principal preocupación de las centrales térmicas de nuestro país, de modo que se plantean diferentes tratamientos con el objeto de eliminar las impurezas contenidas en el agua como los sólidos solubles, a fin de evitar el problema de incrustaciones que dificultan la salida del agua y el calentamiento excesivo que produce deformaciones, roturas y eventualmente explosiones. Seria lógico pensar que estas centrales térmicas realizan estudios previos para posterior a esto utilizar los tratamientos más adecuados para eliminar las impurezas con la finalidad de disminuir las concentraciones de STD(Sólidos totales disueltos) y así llegar a ser más eficientes frente a la gran demanda energética que atraviesa la ciudad de Guayaquil. La meta principal de nuestra investigación es realizar un tratamiento preventivo, como un aporte a la empresa Electroguayas persiguiendo fines económicos y por que no decir sociales como el de ayudar a la comunidad inclusive de aquellas personas que habitan en las partes aledañas de nuestra ciudad. 3

4 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1 HISTORIA La central térmica trinitaria se construyó como medida emergente frente a la demanda energética que atravesaba el país en años anteriores, especialmente la ciudad de Guayaquil.(Ver anexo 1) La construcción de la Central se inicio en enero de 1995 con las actividades de nivelación y compactación del terreno y las obras de pilotaje.(ver anexo 2) La losa que soporta el turbogenerador se construyó a inicios de abril de La estructura metálica del caldero inició su montaje en agosto de 1995 y se comenzó en enero de 1996 con la colocación de las partes a presión. Los demás componentes de la Central como son: Turbina, ciclo térmico y sistemas auxiliares se montaron a mediados de En lo que se refiere al funcionamiento de equipos auxiliares como son la planta de tratamiento de aguas, los compresores de aire, el sistema de filtración y limpieza del condensador y el caldero auxiliar, están comandados por controladores lógicos programables, en tanto que el caldero y la turbina cuentan con sus propios sistemas de control 4

5 distribuidos BMS y precontrol respectivamente, mientras que para la operación y supervisión de toda la Central se cuenta con el sistema de control principal. En el mes de agosto se concluyó completamente el montaje de los sistemas y equipos mas importantes de la Central, a partir de lo cual se inició el periodo de pruebas y se puso en operación comercial el mes de noviembre de Objetivo. El objetivo fundamental de este equipamiento, concebido dentro del Plan Maestro de Electrificación de INECEL, es suministrar energía de base para el Sistema Nacional a partir de noviembre de 1997 y de este modo garantizar la confiabilidad del sistema, durante el periodo de estiaje que se presenta en el país desde mayo hasta noviembre de cada año. Como consecuencia de la ejecución del proyecto en una de las áreas mas deprimidas económicamente de la ciudad de Guayaquil, (sector de fertisa, frente a la isla Trinitaria, Guasmo sur), la utilización de mano de obra del lugar en la ejecución del proyecto ha tenido impacto positivo que ha incidido en el mejoramiento de la economía de este sector. Además, el programa de operación anual de la Central es de 1000 horas al 50 % de carga, 2300 horas al 75 % de carga y 3000 horas al 100 % de carga. La producción de energía estimada es de megavatios hora, y el consumo anual de combustible es de barriles. 5

6 Capacidad. La Central tiene una capacidad de megavatios de potencia neta. La Central Térmica está diseñada para utilizar como combustible el Fuel Oil # 6 denominado búnker C, del que mayor cantidad se dispone en el país y es el de menor costo. 1.2 CALDERAS INTRODUCCIÓN Una caldera es un recipiente cerrado en el cual el agua bajo presión es transformada en vapor por la aplicación del calor, su función es la de transferir este calor al agua contenida de la manera más eficiente.(ver anexo3 y 4) La caldera debe ser diseñada para generar vapor de alta calidad para el uso de la planta térmica y absorber la cantidad máxima de calor en el proceso de la combustión. Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria, este vapor resultante de la caldera sirve como mecanismo impulsor de la turbina para el equipo de sopladores y las bombas eléctricas de generación. La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James W att en

7 Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continua en el nuestro. 1.3 TIPOS DE CALDEROS Los calderos pueden dividirse de acuerdo a su construcción o tipo de funcionamiento en dos grupos: Pirotubulares y Acuotubulares, en nuestra investigación trataremos exclusivamente las calderas acuotubulares Caldera Pirotubular.- Son aquellos que manejan grandes cantidades de agua dentro de la unidad. Son llamados también calderas de tubo de humo. En estos sistemas el agua se encuentra por el exterior de los tubos. El tratamiento químico del agua en estas calderas es de menor costo y de más fácil aplicación que en las calderas de tipo acuatubular Caldera Acuatubular.- son aquellas calderas en las que el agua circula por el interior de los tubos. El contenido de agua con relación a la superficie de calentamiento es relativamente pequeño y menor que el contenido de agua que el grupo anterior. Algunos calderos producen simplemente agua caliente, otros producen vapor. Por esta razón existen muchos tipos de calderos los cuales operan a diferentes presiones y temperaturas, ciertos problemas son comunes para todos los calderos tanto si producen agua caliente o vapor. 7

8 El agua es almacenada en un tanque el cual contiene el agua de reposición, una bomba de agua de alimentación del caldero transfiere el agua hacia el caldero a la presión deseada. El caldero entonces eleva la temperatura del agua (o genera vapor) según sea el uso. Si el vapor no es totalmente consumido o se pierde durante su uso, el agua caliente remanente (condensado) es retornado al tanque de alimentación. Este retorno de condensado ahorra agua y también precalienta el agua en el tanque de alimentación de agua blanda para eliminar incrustaciones, la alimentación de productos químicos para reducir la corrosión son ejemplos de los equipos principales cuidados que no deben ser olvidados. 1.4 MANTENIMIENTO DE CALDERAS. The American boiler association estipula que todas las calderas deben ser inspeccionadas anualmente. Esta inspección consiste en una revisión detallada de todas sus partes incluyendo el sistema de combustión. Los problemas encontrados deben ser analizados en términos de: Causa del problema. Posible remedio. Prevención de causas. Los depósitos encontrados y los tubos que ocasionan la falla, deben ser estudiados cuidadosamente, pues del resultado de su análisis depende generalmente él poder identificar la causa de la falla. 8

9 Una caldera nueva o reacondicionada debe ser tratada químicamente antes de ponerse en funcionamiento. Los fabricantes de las calderas deben dar los procedimientos a seguir para su correcto funcionamiento, y los productos químicos para su tratamiento (remoción de las grasas y suciedad de las partes metálicas), deben ser suministradas por la compañía de servicio. 1.5 LIMPIEZA DE CALDERAS. La limpieza que se puede llevar a cabo en las calderas son de dos tipos: 1. Limpieza mecánica.- Se lleva manualmente o utilizando agua a presión para la remoción de las impurezas. 2. Limpieza química.- Se realiza en calderas donde la limpieza manual es imposible de realizar. Este es un proceso usado ampliamente por ser más rápido, eficiente y de menor costo. Si no es realizado por personal competente y tomando todas las precauciones necesarias, puede ser el mayor causante de los problemas futuros en las calderas. El producto a utilizar, así como la concentración que debe emplearse en un lavado químico, depende primordialmente de la cantidad, característica y composición de las incrustaciones que se presentan. Existen casos tan especiales que es necesario desarrollar un producto especifico para cada uno de ellos. Es importante tener en cuenta el beneficio que se puede obtener de una limpieza química, así como los 9

10 riesgos y daños que se puede presentar si la limpieza química no se lleva a cabo de forma adecuada. 1.6 LAVADO QUÍMICO DE CALDERAS. Los tratamientos efectuados han reducido notoriamente la frecuencia de incrustaciones severas en las mismas calderas. Sin embargo, la necesidad de efectuar limpiezas químicas periódicas, no ha sido eliminada. Por causa de variaciones en la composición del agua, control del tratamiento, contaminación inusual, o condiciones de operación, los depósitos suelen ocurrir aun con un tratamiento de aguas adecuado. Las limpiezas periódicas de las superficies de intercambio de calor son necesarias como complemento de un buen tratamiento de aguas. Con ellas se busca eliminar: 1. El exceso de incrustaciones que aumentan consumo de combustible. 2. La formación de los puntos calientes que causan ruptura de la tubería. 3. El exceso de corrosión generalizada, que aumenta las concentraciones de hierro, sílice y por ende el consumo de energía. La tendencia general es efectuarlas con la menor frecuencia que sea posible. El resultado obtenido con esta política es que cuando la limpieza es absolutamente necesaria, los depósitos son a menudo demasiado gruesos, muy adheridos y bastante difíciles de remover. Así mismo, al ser imposible inspeccionar las partes internas del equipo, los 10

11 depósitos incrustados pueden causar fallas en el metal y como consecuencia paradas no programadas para su reparación y limpieza. La frecuencia de la limpieza química se establece con base en medidas flexibles. Algunos operadores consideran que la limpieza química es necesaria cuando los depósitos en una pared del tubo son mayores a 5 gramos. Otros son partidarios de tolerar 2 libras o más dentro de las mismas condiciones. Es practica general el preocuparse por los depósitos que no se pueden ver y no por aquellos que son fácilmente apreciables. Básicamente la frecuencia de la limpieza química depende de la actitud del operador con relación a la misma, como también, de la necesidad de la limpieza y de la conveniencia y factibilidad de la misma. 1.7 LAS VENTAJAS DE UNA LIMPIEZA QUÍMICA ADECUADA Y DE SU POSTERIOR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Desincrustación y desoxidación de los tubos con una eficiencia de limpieza superior al 75%. Disminución en la cantidad de combustible necesario para obtener igual producción de vapor. Esta disminución puede ser del 10 al 30 % de la cantidad empleada originalmente, dependiendo del estado en que se encuentre la caldera antes de la incrustación, mayor será el ahorro en consumo de combustible después de la limpieza. 11

12 1. Disminución del tiempo necesario para llegar a la presión de trabajo. 2. Conservación de la caldera y prevención de un deterioro prematuro. Una caldera bien mantenida prolonga su vida útil en mas de 20 años. 3. Evitar cambios de tubería, que además de ser una operación costosa, entorpece el buen funcionamiento de la industria. 4. Evitar paradas de la caldera para limpiezas mecánicas por parte de agua a presión. 12

13 CAPITULO II 2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Las concentraciones de sólidos solubles (Ca, Mg, SiO 2 ), afectan la calidad del agua empleada en las calderas de la Central Termoeléctrica Trinitaria? 2.2 PLANTEAMIENTO DE LA HIPÓTESIS El tratamiento actualmente aplicado a las aguas del Estero del Muerto es insuficiente para reducir las cantidades de sólidos solubles (Ca, Mg, SiO 2 ), para el uso de calderas de la Central Termoeléctrica Trinitaria. 2.3 OBJETIVO GENERAL Demostrar que las concentraciones de sólidos solubles (Ca, Mg, SiO 2 ), en el tratamiento del agua, empleada en calderas de la Central Térmica Trinitaria es idóneo o no y escoger y aplicar un procedimiento que elimine este problema. 2.4 OBJETIVOS ESPECIFICOS Realizar un estudio de las concentraciones de sólidos solubles (Ca, Mg, SiO 2 ), en las aguas del estero del Muerto para el uso en la Central Termoeléctrica de la ciudad de Guayaquil. 13

14 Determinar la necesidad de un tratamiento preventivo de aguas para evitar las incrustaciones, embancamiento y corrosión, fomentada por los sólidos solubles. Escoger y aplicar un tratamiento químico idóneo con la finalidad de precipitar los sólidos solubles. Aumentar la vida útil de los ablandadores y regeneración de las resinas, con el propósito de disminuir gastos a la empresa Concienzar al personal a realizar tratamientos más efectivos de las aguas, en beneficio de evitar futuros accidentes de trabajo. 14

15 2.5 EL AGUA GENERALIDADES El agua de lluvia disuelve, a su paso por la atmósfera oxigeno, nitrógeno y dióxido de carbono, el agua de los ríos y lagos contienen estos gases. En los países tropicales donde son frecuentes las tormentas acompañadas de rayos y relámpagos, se encuentran ácido nítrico disuelto en el agua lluvia. El dióxido de carbono presente en el agua hace disolver las sales de calcio y magnesio que se encuentran en las rocas. Estas sales le dan dureza al agua. Los animales que tienen concha (ostras) utilizan los compuestos de calcio disueltos en el agua para formar sus conchas. Las plantas acuáticas utilizan el ácido nítrico para sintetizar las proteínas. La vida acuática seria imposible sin la presencia de los gases disueltos en el agua y analizándolos de esta manera. El porcentaje de oxigeno disuelto presente en el agua es de 33 % lo cual representa un porcentaje mayor que el del oxigeno presente en la atmósfera. El agua es uno de los materiales más importantes que el químico de la industria utiliza. Sin un suministro adecuado de aguas de calidad aceptable, es casi imposible que exista la industria. En realidad el progreso industrial del hombre se puede describir en función de su aprovechamiento de los recursos acuíferos de la tierra. El progreso industrial futuro dependerá en gran parte del uso racional que de ella se haga. 15

16 El agua como se encuentra en la naturaleza no es totalmente pura, si así fuera no serian necesarios los análisis de agua ni los tratamientos para acondicionarla a los usos a que se destina. Cualquiera que sea su origen, el agua siempre contiene impurezas en solución o en suspensión. La determinación de estas impurezas constituye el análisis químico de las aguas y el control de ellas, constituye el tratamiento de aguas. El agua químicamente pura es un liquido extremadamente difícil de obtener, debido a que es un disolvente casi universal y en el cual todas las sustancias son solubles hasta cierto grado. A causa de está propiedad el agua se contamina frecuentemente con substancias con las que está en contacto. El agua recoge minerales de la tierra disolviendo las rocas que a temperaturas elevadas son regresivas a su estado natural. En la mayoría de los casos, las aguas naturales producen complicaciones en sus aplicaciones industriales, formando depósitos e incrustaciones que interfieren en la transferencia de calor y ocasiona taponamientos, causando la corrosión de los metales o degradación de la madera u otros materiales de construcción. La acción disolvente del agua sobre las sustancias minerales se incrementa notablemente por la presencia de gases disueltos en ella. Los gases más importantes que contiene el agua son el dióxido de carbono CO 2, y oxigeno O 2. La atmósfera contiene aproximadamente 0.04 % de CO 2, y como este gas se solubiliza rápidamente en agua, puede ser frecuentemente 16

17 incrementado por materia orgánica en descomposición y por los residuos industriales. El agua dura se obtiene de áreas que contienen en abundancia la piedra caliza (CO 3 Ca), o yeso (SO 4 Ca), las aguas alcalinas donde existen depósitos alcalinos y así sucede con un amplio grupo de sustancias minerales o metálicas. Por esto la necesidad de realizar un tratamiento de las aguas naturales para eliminar los riesgos de incrustaciones, depósitos o corrosión. Toda agua natural contiene en mayor o menor grado las siguientes impurezas; turbidez, sedimento, color, microorganismos, dureza, y dentro de la dureza encontramos: Dureza Total. Dureza Temporal (carbonatada). Dureza Permanente (no carbonatada) Tenemos otras impurezas tales como la sílice, sales de sodio y potasio, sulfuro de hidrógeno, hierro, manganeso, dióxido de carbono y nitrógeno. La dureza es una característica química del agua que está determinada por el contenido de carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos y nitratos de calcio y magnesio. 17

18 La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado doméstico e industrial, provocando que se consuma más jabón al producirse sales insolubles. En calderas y sistemas enfriados por agua, se producen incrustaciones en las tuberías y una pérdida en la eficiencia de la transferencia de calor. La mayoría de los suministros de agua potable tienen un promedio de 250 mg/l de dureza, niveles superiores a 500 mg/l son indeseables para el uso doméstico El AGUA Y SU COMPOSICIÓN El agua es uno de los materiales más importantes que los profesionales del área industrial utilizan. Sin un suministro adecuado de aguas de calidad aceptable, es casi imposible que exista la industria. En realidad, el progreso industrial del hombre se puede describir en función de su aprovechamiento de los recursos acuíferos de la Tierra. El progreso industrial futuro dependerá en gran parte del uso racional que de ella se haga. El agua como se encuentra en la naturaleza no es totalmente pura, si así fuera no serian necesarios los análisis de agua ni los tratamientos para acondicionarla a los usos a que se destina. Cualquiera que sea su origen, el agua siempre contiene impurezas en solución o en suspensión. 18

19 2.5.3 DEFINICIÓN, CONDICIONES Y PROCEDENCIA DE LAS AGUAS PARA CALDERAS. Definición.- Son aquellas aguas de cualquier procedencia que pueden utilizarse con ventaja y seguridad para alimentar las calderas. Procedencia.- El agua en general procede de los ríos, lagos, pozos y aguas de lluvia. Para los efectos de alimentación de generadores de vapor y fines industriales en general, tienen primordial importancia los ríos y los pozos. Por la misma índole de su procedencia no se puede evitar que ella arrastre y disuelva impurezas que la hacen no apta para el consumo humano y para el uso industrial. Condiciones que debe cumplir: 1. Debe ser clara, con la turbidez inferior a 10 ppm, cuando esta turbidez es superior, debe ser sometida a filtración. 2. Debe ser totalmente exenta de dureza no carbónica. 3. La dureza total no debe exceder de 35 ppm. 4. Debe estar prácticamente exenta de oxigeno disuelto. 5. Debe tener un bajo contenido de sílice. 19

20 2.6 OBJETO DEL TRATAMIENTO DE AGUAS. Al hablar de las impurezas del agua se ha visto que estas son causas de problemas en los equipos de evaporación, calentamiento, enfriamiento, etc. Ocasionando incrustaciones o corrosiones, que a su vez originan pérdidas de eficiencia y fallas de los equipos con los consiguientes paros costosos al tener que efectuar, cambios de piezas, limpiezas o reparaciones y en algunos casos las consecuencias pueden ser fatales para el personal que opera los equipos. Por esto se hace necesario la eliminación de estas impurezas mediante un método adecuado y económico. Los principales fines perseguidos con el tratamiento del agua para alimentación de calderos son: Eliminación de materiales solubles y en suspensión. Eliminación de gases. Todo esto es necesario, entre otras cosas para: Evitar la formación de incrustaciones sobre las superficies de calentamiento del agua. Proteger contra la corrosión a los metales de la caldera, recuperadores de calor y tuberías. 20

21 Los operadores de calderos deben tener presente siempre que ciertos procedimientos de mantenimiento preventivo deben ser seguidos para obtener una operación segura y satisfactoria en todo sistema de calderos. El alto riesgo de tener sobrecalentamiento en los tubos o picaduras que podrían ocasionar en casos más graves una explosión. Un aumento considerable en periodos de mantenimiento y muchos otros problemas más, los mismos que podrían ser eliminados o controlados si se tuviera un buen programa de tratamiento preventivo de agua IMPUREZAS DEL AGUA Y SUS EFECTOS. Las impurezas que suele traer consigo el agua sin tratamiento proveniente de las fuentes descritas se pueden clasificar en la siguiente forma: A) SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN: Barro (arcilla). Materias orgánicas (madera y bacterias). Arena (sílice). 21

22 B) SALES DISUELTAS: Sales de calcio y magnesio. Cloruros y sulfatos alcalinos. C) GASES DISUELTOS: Aire (oxigeno y nitrógeno). Dióxido de carbono. 2.7 CLASIFICACIÓN DEL AGUA La clasificación del agua dependerá de la composición de sales minerales presentes y son: Aguas duras. Aguas blandas. Aguas neutras. Aguas alcalinas. 22

23 a) Aguas duras.- La que contiene importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles, principales responsables de la formación de depósitos e incrustaciones. b) Agua blanda.- su composición principal esta dada por sales minerales de gran solubilidad. c) Agua neutra.- Componen en su formación una alta concentración de sulfatos y cloruros que no aportan al agua tendencias ácidas o alcalinas, ósea que no alteran sensiblemente al ph de su valor medio que es de 7. d) Agua alcalina.- Esta formada por importantes cantidades de carbonatos y bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio, las que proporcionan al agua reacción alcalina elevando en consecuencia el valor del ph presente. Generalmente las industrias controlan la calidad del agua de sus calderas por análisis de muestras que realizan en sus laboratorios. Sin embargo, algunas empresas, además de estos métodos, poseen un equipo portátil que maneja el propio operador de la caldera para controlar directamente tanto la dureza (salinidad) como el ph (alcalinidad y acidez) del agua. 23

24 2.8 DUREZA DEL AGUA. La dureza del agua está determinada por la cantidad de sales de calcio y magnesio que contengan. Mientras más sales de calcio y magnesio tenga mayor será su dureza. La dureza es una característica perjudicial para las calderas. Existen dos tipos de dureza, según sea la forma en que se comporte el agua al hervir: a) Dureza temporal.- Está determinada por el contenido de carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio. Puede ser eliminada por ebullición del agua y posterior eliminación de precipitados formados por filtración, cuando el agua hierve se precipita al fondo, también se la conoce como Dureza de Carbonatos. b) Dureza permanente.- Está determinada por todas las sales de calcio y magnesio excepto carbonatos y bicarbonatos. Durante la ebullición no sufren cambios, por lo tanto no puede ser eliminada por ebullición, pero a medida que ésta se evapora sufre el grado de concentración decantando y formando incrustaciones, también se la conoce como Dureza de no Carbonatos. La suma de la dureza temporal y la dureza permanente se la llama Dureza Total. La dureza además le da un sabor indeseable al agua potable. Grandes cantidades de dureza son indeseables por razones antes expuestas y debe ser removida antes de que el agua tenga uso apropiado para las 24

25 industrias de bebidas, lavanderías, acabados metálicos, teñido, textiles, agua potable y agua para calderas. 2.9 Interpretación de la dureza: Dureza como CaCO agua suave agua poco dura agua dura. Mayor de 300 agua muy dura EFECTOS QUE CAUSA LA DUREZA DEL AGUA EMBANCAMIENTO El barro y la sílice ayudados por alguna sales disueltas, producen embancamientos sumamente rápidos, es decir, se depositan en el fondo de la caldera, dificultando o impidiendo la libre circulación y salida del agua. Estas impurezas deben ser retiradas casi en su totalidad antes del ingreso a la caldera, sometiéndolas a un proceso de filtración. 25

26 INCRUSTACIONES Las incrustaciones son depósitos en forma de costras duras, un reporte de la U.S. Bureau of mines indica que una incrustación de 1/9 pulgadas reduce la eficiencia en un 16%. La incrustación también actúa como un asistente inoportuno causando manchas que en lo posterior se convierten en severas incrustaciones que reducen la sección transversal del tubo del caldero que en nuestro caso es acuotubular. Por su carácter de aislante, afectan la transferencia de calor al agua reduciendo la capacidad de la caldera, provocando recalentamiento de los tubos con el consiguiente peligro de deformaciones o roturas y restringen el paso del agua (calderas acuotubulares). Algunas veces la incrustación es causada por elementos de dureza tal como calcio, magnesio en el agua. Por ejemplo, cuando el agua dura es calentada en el caldero el calcio se combina con el sulfato o carbonato para formar las incrustaciones de sulfato o carbonato de calcio (SO 4 Ca- CO 3 Ca). La incrustación forma una continua capa de aislamiento en la superficie caliente del caldero. Para eliminar los problemas de incrustación es necesario ablandar el agua o remover todos los elementos de dureza del agua. Esto se realiza haciendo uso de un ablandador de agua y de químicos. Una segunda fuente de incrustaciones es la sílice. La sílice es encontrada en varias cantidades en el agua de suministro. Cuando el caldero evapora el agua y la sílice es dejada en el agua, esta se concentra, formándose una incrustación en toda la superficie del caldero que está en contacto con el agua. La sílice actúa como un 26

27 aislante, tiende a tapar el sistema y es extremadamente difícil de remover INCRUSTACIONES MÁS COMUNES. Si la incrustación aumenta en espesor, aumenta también la temperatura del metal, hasta que se exceda la temperatura máxima de seguridad y el tubo falle o estalle. Entre las incrustaciones más importantes tenemos: Analsita Na 2 O.Al 2 O 3.4SiO 2.2H 2 O Serpentina 3MgO.2 SiO 2.2H 2 O Acmita Na 2 O.Fe 2 O 3.4SiO 2 Aragonita cálcica CaCO 3 Anhidrita CaSO 4 Hidroxiapatito Ca 10 (OH) 2 (PO4) 6 Hematite Fe 2 O 3 Sílice SiO 2 Cuprita Cu 2 O 27

28 Brucita Mg(OH) 2 Fosfato básico de magnesio Mg 3 (PO 4 ).2Mg(OH) CORROSIÓN. La corrosión es la forma que la naturaleza tiene para regresar los metales procesados como el acero, cobre y zinc, a su estado original, como compuestos químicos o minerales. En otras palabras es el deterioro progresivo de las superficies metálicas en contacto con el H 2 0, debido a la acción del O 2, CO 2 y algunas sales como el cloruro de sodio. Por ejemplo, en su estado nativo el hierro es un compuesto oxidado (esto es, Fe 2 O 3, FeO, Fe 3 O 4 ) pero cuando se ha convertido en hierro y acero pierde el oxigeno y se vuelve hierro elemental (Fe 0 ). En presencia de agua y oxigeno, la naturaleza ataca incansablemente al acero convirtiéndolo al hierro elemental en un óxido. Químicamente hablando podemos decir que la corrosión es una destrucción del metal por efecto de la acción química o electroquímica del medio que lo rodea. Reacción Química se entiende como una reacción en donde participan moléculas e iones, pero no electrones. En la reacción electroquímica existe la participación de los electrones. El proceso más preocupante es la corrosión, por los graves daños que produce y por las innumerables causas que la propician. Es considerada como uno de los fenómenos más complejos de la química inorgánica. 28

29 Los tipos de corrosión que ocurren en un caldero son: Corrosión por oxigeno. Corrosión cáustica. Corrosión por bajo ph. Corrosión por quelantes ARRASTRE Son burbujas de agua de caldero que han sido arrastradas por el vapor, una vez que este vapor sale de la caldera lleva partículas de agua en suspensión, en la mayoría de los casos está supuesto a ser nada más que agua evaporada. Los sólidos disueltos en esas partículas se depositan en los elementos y equipos donde circula y se utiliza el vapor provocando problemas de funcionamiento de los sistemas de vapor. Este fenómeno está muy asociado a la formación de espuma en la superficie del agua. Todos los sólidos deberían quedar en el caldero, ya que estos en el vapor causan muchos problemas, los más comunes son taponamientos en las líneas de vapor, depósitos en turbinas y tuberías. El arrastre es causado por un excesivo contenido de sólidos disueltos en el agua, excesiva alcalinidad u otras materias extrañas tales como aceite, detergente y substancias orgánicas. El arrastre puede ser 29

30 remediado por un apropiado programa de purgas asegurando que los sólidos disueltos se mantengan dentro de los limites adecuados 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 ALCALINIDAD Y ACIDEZ DEL AGUA. Con objeto de evitar la corrosión de las partes metálicas de la caldera debido a la presencia de oxígeno y anhídrido carbónico en el agua, se recurre a la medición del grado de alcalinidad o acidez. Para esto existen dos métodos distintos: A) DETERMINACIÓN DEL ph. Para ello se ha ideado una escala de valores ph (concentración de iones hidrógeno) entre 0 y 14. ph entre 0 y 6,99 indica agua ácida. ph igual a 7 indica agua neutra. ph entre 7,01 y 14 indica agua alcalina. 30

31 En la determinación práctica del ph se puede emplear papeles impregnados (papeles ph) con colorantes especiales que indican su valor al adquirir determinados valores. Se recomienda que el ph del agua de la caldera sea superior a 7 (agua neutra o alcalina) y en lo posible, superior a 10,5 y menor a 12. B) TITULACIÓN DE LA ALCALINIDAD. Se utilizan dos indicadores: fenoftaleina (alcalinidad F) y anaranjado de metilo (alcalinidad M). Alcalinidad F.- La cantidad de solución de ácido agregado indica, utilizando una tabla, el valor de la alcalinidad medida en ppm de carbonato de calcio. Alcalinidad M.- Se utiliza la misma muestra tal como quedó al terminar la prueba anterior. La cantidad total de ácido sulfúrico agregado (tanto en la alcalinidad F como en esta) representa el valor de la alcalinidad M o total medida en ppm de carbonato de calcio. Los valores de alcalinidad F deberían estar entre 300 a 600 ppm de carbonato de calcio y la alcalinidad M o total no debe superar los 800 ppm de carbonato de calcio TRATAMIENTOS PARA PURIFICAR EL AGUA. El agua de alimentación de las calderas debe ser tratada, con el objeto de prevenir los problemas causados por las impurezas, utilizándose alguno de los siguientes procedimientos: 31

32 Físicos. Químicos. Térmicos. Mixtos. Eléctricos A) TRATAMIENTOS FÍSICOS. Filtración.- Su objeto 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 de arena. Desaireación.- También llamada desgasificación. Consiste en extraer los gases disueltos (oxigeno, anhídrido carbónico). Se consigue calentando el agua de alimentación proporcionando una gran área de contacto agua - aire (ducha o agitación). Extracción o purgas.- consiste en evacuar cierta cantidad de agua desde el fondo de la caldera o del domo, con objeto de disminuir o mantener la cantidad total de sólidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo). 32

33 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. B) TRATAMIENTOS QUÍMICOS. Consiste en suministrar internamente sustancias químicas que reaccionan con las impurezas del agua, precipitando sólidos insolubles o en suspensión, eliminables mediante purgas. Según el objetivo que persiguen, las sustancias se clasifican en: REDUCTORAS DE DUREZA O ABLANDADORAS. Intercambiadores de iones: se utilizan ablandadores naturales o sintéticos (zeolitas o permutitas). INHIBIDORES DE CORROSIÓN. Sulfito de sodio (NaSO 3 ): reacciona con él oxigeno produciendo sulfatos de sodio. Se utiliza para calderas de presiones menores a 30 Kg/cm 2. Hidracina (N 2 H 4 ): reaccionan con el oxigeno produciendo nitrógeno y agua sin producir sólidos disueltos. Apta para calderas de alta presión. Aminas: utilizadas para el control de la corrosión de tuberías de retorno de condensado (corrosión por anhídrido carbono). 33

34 INHIBIDORES DE FRAGILIDAD CÁUSTICA. Nitratos y nitritos de sodio (NaNO 3 -NaNO 2 ): debe usarse donde el agua tiene características de fragilidad. INHIBIDORES DE ADHERENCIA POR LODOS. Agentes orgánicos: taninos, almidones, derivados de aguas marinas. Evita la formación de lodos adherentes y minimizan el arrastre. C) 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. D) TRATAMIENTOS MIXTOS. Consiste en emplear algunos desincrustantes químicos y a su vez calentar el agua eliminando ambas durezas. 34

35 E) TRATAMIENTOS ELÉCTRICOS. Por este sistema basado en la electrólisis del agua, el zinc en planchas que se colocan con pernos a tubos de chapas, defiende las planchas de hierro de la acción de las sales incrustantes PURGADORES. Los purgadores van en la parte más baja de la caldera y algunas veces también en el cuerpo cilíndrico, se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera los lodos, sedimentos y espumas. Las impurezas de las grandes cantidades de agua vaporizada se van precipitando constantemente. En ocasiones se emplea purgando por el fondo en ciclo continuo, por medio de un tubo pequeño, para sacar las impurezas a medida que se precipitan. No obstante, cuando se sigue este procedimiento, los purgadores grandes hay que abrirlos de vez en cuando para sacar más completamente los lodos acumulados DESAIREADORES. Se conocen como desaireadores (desgasificadores) a aquellos dispositivos mecánicos empleados para liberar los gases contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno, anhídrido carbónico y otros gases). Su funcionamiento consiste en dividir el agua de alimentación en finas gotitas, calentándolas a continuación para transformarlas en vapor dentro del desaireador, y separar el aire, anhídrido carbónico y otros gases del vapor a medida que este se va condensando. En los 35

36 desaireadores el fluido calorífico acostumbra a ser el vapor, a presiones comprendidas entre valores altos y hasta otros inferiores a la presión atmosférica. Un calentador de agua de alimentación del tipo abierto o de contacto directo puede desempeñar la función de desaireador con tal que el agua se caliente a una temperatura suficientemente alta para que se desprendan los gases contenidos en ella, los cuales se eliminan por el purgador del calentador. Los desaireadores más modernos son calentadores de agua de alimentación del tipo de contacto directo. Estos aparatos pueden construirse para producir agua con contenidos muy bajos de oxigeno y otros gases. La distinción entre un desaireador propiamente tal y un calentador de agua de alimentación del tipo de contacto directo, que actúe de desaireador, está en el bajo contenido de oxigeno del agua producido por este último. Los equipos desaireadores del agua de alimentación de las centrales térmicas pueden ser del tipo de bandeja (artesa) y del tipo de atomización. Algunas veces se desgasifican aguas muy corrosivas sometiéndolas en frío a presiones absolutas muy bajas. Para el servicio de agua caliente de los edificios de desgasificación pueden llevarse a cabo por calentamiento sin que el agua y el vapor entren en contacto 36

37 2.15 TRATAMIENTO CON ZEOLITA. Se conocen por zeolitas (Na 2 Z) a los silicatos de sodio y aluminio, bien sean naturales o artificiales; su formula general es Na 2 O.Al 2 O 3.SiO 2. Esta substancia tiene la propiedad de absorber el calcio y magnesio de las aguas que atraviesan, debido a que sus bases son permutables. De esta manera, en el proceso del ablandamiento o rectificación, el sodio de la zeolita pasa a la solución en forma de carbonato, sulfato o cloruro, debido a que el calcio y magnesio del agua son absorbidos por la zeolita. Los cambios de bases son los siguientes: CaZ + 2 NaCl --- Na 2 Z + CaCl 2 MgZ + 2 NaCl --- Na 2 Z + MgCl 2 Las zeolitas naturales (arenas verdes) están indicadas para tratar agua fría exenta de ácidos y se utilizan con éxito en ciertos casos, pero en muchos otros han sido desplazados por productos resinosos artificiales especiales (también denominados zeolitas) fabricados para el rectificado de aguas. Estos productos pueden soportar altas temperaturas, ácidos y álcalis, y en determinadas condiciones pueden cambiar los aniones y cationes de las impurezas contenidas en el agua. En cualquier caso el agua que atraviesa el lecho de zeolita debe estar libre de detritus, lodo cieno y precipitados finamente divididos, los cuales recubren y tapan las partículas de los materiales empleados para la rectificación, haciéndolos menos eficientes. 37

38 2.16 DESALINIZACIÓN. El proceso de desalinización por osmosis inversa, se usa ampliamente en el tratamiento del agua para calderas de alta presión, para eliminar sílice y sales fundamentalmente. (Ver anexo 5, 6, 7) En comparación con el costo de producción de agua destilada, la desalinización ha encontrado gran aceptación en las industrias para producir energía eléctrica. La osmosis es un proceso natural que ocurre en todas las células vivas. Esta permite la vida de todos los seres tanto animales como vegetales, al inducir que el agua fluya por difusión desde zonas donde se encuentran relativamente pura, con baja concentración de sales, a zonas donde se encuentra con alta concentración a través de una membrana semipermeable. El resultado final es la extracción de agua pura del medio ambiente. Una membrana semipermeable es cualquier membrana animal, vegetal o sintética en que el agua puede penetrar y traspasar con mucha facilidad que los otros componentes que se encuentran en solución en ella. La osmosis inversa es un proceso inventado por el hombre que invierte el fenómeno natural de osmosis. El objetivo de la osmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua que esta relativamente impura o salada. Esto se logra separar de este caudal de agua contaminada con sales, un caudal menor de agua pura. En este proceso se aplica presión a la solución que tiene más alta 38

39 concentración de sales para forzar un caudal inverso a través de la membrana semipermeable DESMINERALIZACIÓN Los procesos de desmineralización por intercambio iónico, se usan ampliamente en el tratamiento del agua para calderas de alta presión, para eliminar sílice, calcio y magnesio fundamentalmente.(v er anexo 8) La desmineralización es el métodos mas comúnmente usado, para producir gran cantidad de agua con baja cantidad de sólidos. En comparación con el costo de producción de agua destilada, la desmineralización ha encontrado gran aceptación en las industrias para producir energía eléctrica. Considerando primero un sistema de desmineralización y eliminación de sílice en dos etapas, el primer paso será pasar el agua a través de un intercambiador cationico en el ciclo de hidrógeno, y el segundo pasar este efluente a través de un intercambiador aniónico altamente básico. En el primer paso, los cationes de hidrógeno serian intercambiados por los cationes de calcio, magnesio, sodio, etc. Que serian tomados por el intercambiador cationico. Esto dará como resultado la formación de ácidos minerales fuertemente ionizados, tales como el sulfúrico, clorhídrico y el nítrico, ácidos poco ionizados como el carbónico y el de silicio. 39

40 En el segundo paso, tanto los ácidos fuertemente ionizados como los débiles y en el que esta el ácido de silicio, que se forman en el primer paso, serán tomados por el intercambiador aniónico, el cual dará un intercambio de una cantidad equivalente de iones hidroxilos, cantidad que en conjunto representa la capacidad de las resinas. Por lo tanto, el equipo que se usa puede ser una unidad (o batería de unidades) de intercambio cationico en el ciclo de hidrógeno y una unidad (o baterías de unidades) de intercambio aniónico fuertemente básico, con sus respectivos regenerantes INFLUENCIA DE LA CALIDAD DEL AGUA. En el rendimiento de la caldera. 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 adhiere a las superficies de calefacción de la caldera y que dificulta 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. En la seguridad. Las incrustaciones aíslan las superficies de calefacción del agua, provocando un calentamiento excesivo de estas, las que pueden llegar 40

41 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 debilitada, produciendo un aumento de presión interna tal, que provocara una explosión DETERMINACIONES QUE SE REALIZAN AL AGUA. Para llevar a cabo un análisis de agua cruda es necesario efectuar las siguientes determinaciones: 1. Dureza total.- Con esta determinación se obtiene el contenido total de calcio y magnesio, reportado en partes por millón de calcio (ppm de CaCO 3 ). 2. Dureza de calcio.- Se obtiene exclusivamente el contenido de calcio expresándolo en ppm de CaCO 3. La diferencia de la dureza total menos la dureza de calcio nos da el contenido de magnesio como CaCO 3 en ppm. 3. Alcalinidad.- Mediante esta determinación se obtiene el valor de los aniones alcalinos (bicarbonatos y carbonatos), mediante la neutralización total con una solución valorada de ácido (sulfúrico o clorhídrico) aprovechando la oportunidad de dos sustancias indicadoras denominadas fenoftaleina y anaranjado de metilo, de cambiar el color al pasar de un medio alcalino a un medio ácido o viceversa. 41

42 4. Cloruros.- Los aniones que se determinan normalmente en una agua cruda además, de los bicarbonatos y carbonatos son los cloruros, los cuales se encuentran combinados en forma de cloruro de sodio, cloruro de calcio y magnesio constituyendo en estos últimos casos, junto con los sulfatos, de calcio y magnesio, la dureza permanente del agua o dureza de no carbonatos. 5. Sulfatos.- Este anión se encuentra combinado en la misma forma que los cloruros. 6. Nitratos.- Es un anión que se encuentra generalmente en muy baja concentración en el agua (0 a 5 ppm aproximadamente), y como prácticamente no produce ningún efecto perjudicial, rutinariamente no se determina más que para fines especiales de cálculo. 7. Sílice.- Esta determinación es muy importante en vista de que este compuesto produce incrustaciones muy duras y adherentes al metal, por efectos de calentamiento. 8. Gas Carbónico.- El gas carbónico disuelto en el agua se determina en un análisis rutinario del agua. 9. Sólidos Totales.- Los sólidos totales del agua se determinan por evaporación, si previamente se filtra el agua se obtiene únicamente los sólidos disueltos. 10. Conductividad.- Se hace uso de la propiedad de las sustancias disueltas de conducir la corriente eléctrica para medir la conductividad y relacionarla posteriormente a la cantidad de sólidos disueltos. 42

43 11. ph.- Es una determinación muy importante para precisar el grado de acidez o alcalinidad del agua. Se expresa en unidades de cero al catorce (0 a 14). Un ph de 7, corresponde a una agua neutra, valores menores de 7 denotan acidez y arriba de 7 indican alcalinidad. 43

44 CAPITULO III 3.1 UBICACIÓN DEL AREA DE ESTUDIO La Central Térmica se encuentra localizada en el sector de Fertisa (Estero del Muerto) frente a la isla Trinitaria, al sur de la ciudad de Guayaquil. (ver anexo 9). Esta ubicación se justifica plenamente no solo por la demanda de carga requerida por esta zona importante del país, sino porque además dada su localización se facilita el suministro de combustible a través de buques-tanque que navegan por el estero. Además dado el gran volumen de enfriamiento requerido por esta Central es necesario contar con una fuente que garantice en todo momento este requerimiento propio de una Central de vapor, lo que en este caso constituye el estero el Muerto. 3.2 LA PROBLEMÁTICA DE LOS SOLIDOS SOLUBLES El problema a tratar en esta tesis es la influencia de las concentraciones de sólidos solubles TDS (Ca, Mg y Sio 2 ) en la calidad del agua utilizada en las calderas de la Central Termoeléctrica Trinitaria, esta agua proviene del estero el muerto que contiene grandes concentraciones de sólidos solubles que producen una sobresaturación de las resinas del desmineralizador, así como también la formación de depósitos duros e incrustaciones en los tubos de las calderas y las aspas de las turbinas de vapor, provocando paradas de limpieza innecesarias, generando con esto perdidas de tiempo y gastos económicos significativos para la empresa Electroguayas. Tomando encuenta que a la empresa bombea agua del estero todo el día hasta 44

45 llenar los tanques de aproximadamente 1500 metros cúbicos, ingresando a la desalinizadora 30 metros cúbicos por hora de agua proveniente del estero el muerto con una concentración de aproximadamente mg/l de dureza total. Los análisis de los TDS, proporcionan un método sensitivo para el control de operación de los desmineralizadores de agua, ya que la sílice es una de las primeras impurezas que salen através de una unidad agotada y así evitar una futura reacción con el Ca y el Mg. Los depósitos en el caldero tradicionalmente han sido asociados con la dureza de calcio y magnesio. Como los calderos llegaron a ser mas complejos y las presiones de operación aumentaron, como las reglas jugadas por otras impurezas tales como hierro, cobre, silica y aluminio también aumentaron. El silicato de magnesio no es generalmente encontrada como tal en los depósitos debido a la presencia de suficiente ion hidróxido, la Brucita (silica) precipitara. La misma consideración no se aplica al silicato de calcio, el cual encontrado como una incrustación dura, debido a que el hidróxido de calcio es mas soluble. Los silicatos básicos de calcio que se forman tales como la girolita (2CaO.3SiO 2.H 2 O) o xonolita (5CaO.5SiO 2.H 2 O), son muy duros y aislantes para transferir calor. 45

46 El silicato de hierro o silicato de aluminio son ejemplos de otros silicatos que pueden estar presentes en los depósitos. Estos también son duros y son mas aislantes del calor, que incluyen a: Analcita (Na 2 O.Al 2 O 3.4SiO 2.2H 2 O). Acmita (Na 2 O.Fe 2 O 3.4SiO 2 ). Nefelina (Na 2 O.Al 2 O 3.2SiO 2.H 2 O). Natrolita (Na 2 O.Al 2 O 3.3SiO 2.H 2 O). Noselita (5Na 2 O.3Al 2 O 3.6SiO 2.2SO 3 ). La formación de estos silicatos complejos ocurre a muy altas temperaturas por las reacciones que toman lugar sobre las superficies de los tubos de las calderas. Un fino deposito de cáscara de huevo o incrustación de silicatos complejos como el de calcio y el de magnesio, puede frecuentemente causar debilitamiento de los tubos como resultado de su efecto aislante y la formación de áreas de alta transferencia de calor. El cuarzo (SiO 2 ) puede también presentarse, formándose cuando altas concentraciones de sílice son llevadas en el agua del caldero. Los depósitos de cuarzo (SiO 2 ) son extremadamente aislantes y difíciles de remover, ellos son controlados limitando la concentración de silicato de Ca y Mg en el caldero, manteniendo altos niveles de hidróxido y utilizando dispersantes orgánicos específicos y como su nombre lo 46