ELIMINACION DE GASES DISUELTOS DESAIREADORES

Transcripción

1 Departamento de Tecnología y ELIMINACION DE GASES DISUELTOS DESAIREADORES Eduardo Barreiro Daniel Ghislieri

2 ELIMINACION DE GASES DISUELTOS D E S A I R E A D O R E S Una vez eliminados los sólidos en suspensión, los sólidos disueltos y, en caso de ser necesario, los microorganismos, en esta etapa del tratamiento externo de un agua de alimentación para caldera, es necesario eliminar los gases disueltos. Nuestro interés fundamental es eliminar el oxígeno por ser causante de fenómenos de corrosión muy peligrosos, conocidos como "pitting". Para la eliminación de gases disueltos combinaremos un proceso de tratamiento externo con uno de tratamiento interno. En el caso de tratamiento externo, este se produce en equipos que llamaremos DESAIREADORES. En estos equipos se aplican tres fenómenos básicos: 1) Ley de Henry: La concentración de un gas disuelto es proporcional a la presión del gas en la atmósfera en equilibrio con la solución. 2) Ley de Dalton p = H x La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de sus presiones parciales. P = Σ p i 3) La solubilidad de un gas es inversamente proporcional a T Esto es así ya que H, constante de Henry, es una constante de equilibrio y por lo tanto es H = H (T).

3 Efectivamente, podemos ver en la Tabla siguiente algunos valores de la constante de Henry para diferentes temperaturas para el O 2 y para el N 2 (H x 10-4 ), donde H está expresada en atmósferas de presión de soluto en la fase gaseosa por unidad de concentración del soluto en la fase líquida (moles de soluto por moles de solución). T ( C) H (O 2 ) H (N 2 ) (Fuente: Perry 5ta. Ed., tablas y 3-139) A su vez, podemos determinar a partir de esta información, que es diferente la relación de concentraciones O 2 / N 2 en el aire que en el aire disuelto en agua. Mientras que en la atmósfera la relación es 21 / 79, haciendo cuentas con esos datos llegamos a la conclusión de que para el aire disuelto en agua se mantiene una proporción de 34 / 66, lo que indica que el oxígeno es más soluble en agua que el nitrógeno (Demuéstrelo). Aplicando los tres principios enunciados previamente, para un correcto tratamiento del agua a desairear, debemos operar equipos en los que podamos mantener, por encima del agua a tratar, una atmósfera con ausencia del gas que queremos eliminar y trabajar a altas temperaturas.

4 Efectivamente, si mantenemos una corriente continua de un gas, con ausencia de O 2 y N 2, y operamos a una alta temperatura, podemos afirmar que el O 2, el N 2 y el CO 2, pasarán a la fase vapor, para que se mantenga el equilibrio predicho por la ley de Henry. En el caso particular del CO 2, la solubilidad de éste, que es relativamente más grande que la del aire, se ve afectada, a su vez, porque éste participa de los equilibrios con HCO 3 - y CO 3 =. CO 2 + H 2 O <==> H 2 CO 3 <==> HCO H + HCO 3 - <==> CO 3 = + H + Si bien estos equilibrios se desplazan hacia la izquierda al aumentar la temperatura, son muy influenciadas por el ph. Por lo tanto, ningún equipo podrá remover CO 2 con la misma eficiencia con que remueve O 2 o N 2, a menos que trabaje a muy bajos valores de ph, lo que resulta inaceptable desde el punto de vista del equipo. Un equipo desaireador debe combinar: 1) Máximo contacto líquido-vapor para favorecer la transferencia de masa. Esta condición se logra usando torres rellenas o equipos de platos o combinaciones de ambos. En estas torres, el agua a desairear entra en contracorriente con vapor de agua que recorrió previamente el tanque de almacenamiento de agua desaireada, a los efectos de mantener ésta a una temperatura alta y arrastrar toda posible traza que haya quedado. Los tanques de almacenamiento están unidos a la torre de desaireación y reciben directamente el agua tratada en ésta. (Ver esquema) Es de fundamental importancia mantener un estricto control sobre el nivel de este tanque de almacenamiento, ya que, en el caso de que este nivel suba sin control, llene el tanque y comience a inundar la torre de desaireación, la superficie de intercambio disminuirá y caerá bruscamente la eficiencia del equipo, no lográndose una adecuada desaireación, aunque todos los parámetros básicos (caudal de vapor, temperatura) sean los correctos. Sucede con frecuencia que un equipo, que opera correctamente desde el punto de vista de la temperatura y caudales de agua a tratar y de vapor de tratamiento, no desairea correctamente porque el nivel del tanque de almacenamiento no es el correcto (falla del instrumento de control de nivel) y la torre se inunda.

5 2) Alta temperatura, lo más próxima posible a la temperatura de ebullición del agua. Esto se puede lograr trabajando en equipos a vacío. Estos son equipos relativamente sencillos y de baja inversión inicial. Sin embargo, se prefiere trabajar en equipos a presión, donde se pueden alcanzar temperaturas del orden de los C manteniendo el agua líquida, sin entrar en ebullición. A mayor temperatura tenemos menor viscosidad del agua, por lo que la transferencia se ve notoriamente favorecida. Deberá tenerse en cuenta que los procesos de corrosión por gases disueltos se ven notoriamente favorecidos por la temperatura, por lo que es tremendamente importante trabajar a valores cercanos al de ebullición del agua para asegurar la total eliminación de los gases. En el caso en que el equipo trabaje a temperaturas intermedias, por mala operación o sencillamente por un deficiente control de este parámetro, el efecto logrado es altamente perjudicial, ya que, al no eliminar completamente los gases disueltos, pero teniendo una temperatura relativamente elevada, se aceleran los fenómenos de corrosión en el equipo desaireador y todos los equipos que se encuentran aguas abajo (cañerías, bombas, etc.). Este fenómeno de corrosión recién desaparece dentro del generador de vapor, ya que aquí el oxígeno disuelto es eliminado por el tratamiento interno. Por debajo de 100 C la presión de vapor del agua varía poco con la temperatura, mientras que por encima de dicho valor esta variación es importante. En efecto: ΔT ( C) ΔP (atm) Por lo tanto, los equipos que trabajan a vacío serán comandados por termostatos, mientras que los que trabajan a presión, serán comandados por presostatos. 3) Obtención, en la atmósfera dentro del equipo, de una presión parcial del gas a eliminar, menor que la que indica la ley de Henry como presión de equilibrio, para la concentración final que queremos obtener.

6 La elección del vapor de agua como "gas" para desairear se justifica por las siguientes razones: Está facilmente disponible en planta y a bajo costo. Calienta el agua y, en la medida que sigue entrando al equipo, la mantiene caliente. No contamina el agua tratada hasta ese momento. No hay pérdidas, ya que un equipo operando correctamente y con dispositivos recuperadores, condensa todo el vapor que en él ingresa, venteándose solamente los incondensables, o sea los gases disueltos que queremos eliminar (O 2, N 2, CO 2 ) Los equipos que trabajan a presión son más eficientes que los que trabajan a vacío. Efectivamente, en estos se pueden obtener residuales de O 2 menores que ml/l o sea 6.5 ppb (6.5 partes por mil millones). En los equipos que trabajan a vacío se considera una eliminación aceptable cuando se logran residuales de 0.25 ml/l o sea 0.33 ppm.

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8 DESGASIFICADOR A VACIO Un desgasificador a vacío típico puede verse en la figura siguiente. Estos constan, basicamente, de un recipiente cerrado, donde un relleno (1), sostenido por una parrilla y por encima de la cual una serie de pulverizadores (2) dispersan el agua, actúa como medio de intercambio líquido-vapor. En este relleno se asegura el máximo contacto agua-vapor, favorecido, a su vez, por la dispersión que se logra en los pulverizadores. Un eyector de vapor (3), o en algunos casos simplemente una bomba de vacío, mantienen el equipo a la presión correspondiente a la temperatura de ebullición del agua o muy próxima a ésta. El equipo debería funcionar a una presión total igual a la presión de vapor del agua más la suma de las presiones parciales de los gases que se están desprendiendo.

9 El eyector debe permitir que evacuen al exterior los incondensables que se están separando del agua más el vapor en equilibrio a esa presión. Sin embargo, se inyecta vapor de agua a través de la cañería (4) ubicada debajo de la parrilla, para trabajar a mayor temperatura, lo que permite que el vacío no sea tan alto, y a su vez favorecer el desprendimiento de los incondensables. El ingreso de vapor se regula a través de una válvula, por la medida de la temperatura del equipo. A su vez, un control de nivel es el que regula el ingreso de agua a los pulverizadores. En el esquema estos controles pueden apreciarse a la derecha y a la izquierda del equipo, respectivamente. DESGASIFICADOR A PRESION Un modelo desgasificador a presión puede apreciarse en la figura siguiente.

10 Este equipo consta de un Domo o Torre de Desaireación (2), unido a un Tanque Desaireador o Tanque de Almacenamiento (12). El proceso se efectúa practicamente en dos etapas: a) intercambio líquido-gas en el domo o torre desaireadora, entre el agua que ingresa a contracorriente con el vapor que abandona el tanque de almacenamiento b) barboteo del vapor que ingresa al tanque de almacenamiento en el agua almacenada en éste. El agua ingresa a la torre a través de pulverizadores (4) y se encuentra, a contracorriente, con el vapor que abandona el tanque de almacenamiento, luego de recorrer los platos o relleno de la torre (3). En este sector estamos practicamente a la temperatura de ebullición del agua, en equilibrio a la presión de trabajo del equipo. Se logra el máximo contacto agua-vapor a la temperatura más alta posible, para las condiciones de trabajo del equipo. El máximo contacto se logra por la acción combinada de los pulverizadores y el relleno o platos. El último plato (8) está perforado de tal manera que el agua que abandona la torre entre al tanque de almacenamiento con un máximo contacto con el vapor que está ingresando. En este momento ya se ha logrado más del 95 % de desaireación; el resto se logrará en el barboteo de vapor en el agua almacenada en el tanque. La salida del agua hacia el resto del proceso (generalmente alimentación al generador de vapor) se hace a través de la salida (11), en el extremo opuesto del ingreso, para evitar toda posibilidad de cortocircuitos. Los incondensables (O 2, N 2, CO 2 ) ingresan junto a posibles restos de vapor a la cabeza del domo (5) donde precalientan el agua que va a ser pulverizada en (4). En este punto los restos de vapor que pudieran escapar son condensados y devueltos como agua líquida al equipo, lográndose la máxima economía desde el punto de vista del uso del vapor. Los incondensables salen por un pequeño orificio en la cañería (7). Este orificio debe ser tal que permita la salida de los gases, pero mantenga la presión interna del equipo. Un equipo funcionando correctamente puede ser controlado cuando se siente que el equipo "sopla" por ese orificio y no se aprecia escape de vapor. El ingreso de agua está dado por el instrumento que controla el nivel del tanque de almacenamiento que comanda la válvula de alimentación (6). Este instrumento de nivel es el que puede fallar y provocar la "inundación" de la torre disminuyendo notoriamente la eficiencia del equipo. La presión interna del equipo se controla con el ingreso de vapor en la válvula (9). Puede darse el caso de que por una parada brusca haya una condensación repentina de todo el vapor en el equipo, lo que provocaría un súbito vacío. En este caso actuaría el sistema de seguridad (10) al romperse una membrana. En el caso de un aumento brusco de presión, salta el sello de agua del sifón (1), que a su vez, y en función de su altura de agua, es el que regula la presión interna en el equipo.