INTRODUCCIÓN
Agua:
Es el compuesto más abundante y más ampliamente extendido. En estado sólido, en forma de hielo o nieve, cubre las regiones más frías de la tierra; en estado líquido, lagos, ríos, y océanos, cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre. Está presente en el aire en forma de vapor de agua.
Hay agua en toda materia viva, constituyendo el 65% del cuerpo humano. Todos los alimentos contienen agua.
Debido a su gran abundancia y a que su ebullición se efectúa a temperaturas convenientes, puede ser convertida en vapor, resulta un medio ideal para la generación de la fuerza.
CONSTITUYENTES DEL AGUA
El agua es el fluido de trabajo de los sistemas de vapor y una de las sustancias naturales más abundantes; sin embargo, nunca se encuentra en estado puro, adecuado para la alimentación directa de una caldera. Por lo común en estado natural, el agua se encuentra turbia, con materias sólidas en suspensión fina.
Incluso cuando está clara, el agua natural contiene soluciones de sales y ácidos que dañan con rapidez el acero y los metales a base de cobre de los sistemas de vapor.
Según los elementos que la acompañan, podríamos considerar las mismas en dos grandes grupos: "Elementos Disueltos" y "Elementos en Suspensión", esto lo constituyen los minerales finamente divididos, como las arcillas y los restos de organismos vegetales o animales; y la cantidad de sustancias suspendidas, que son mayor en aguas turbulentas que en aguas quietas y de poco movimiento.
Es importante destacar que es necesario añadir a las descritas, los residuos que las industrias lanzan a los recursos fluviales procedentes de distintos procesos de producción.
Constituyen los elementos disueltos en el agua, las sustancias orgánicas, los gases disueltos, las sales minerales y la sílice, aunque ésta también suele aparecer como elemento en suspensión en forma de finísimas partículas o coloides.
Las aguas pueden considerarse según la composición de sales minerales presentes, en:
Aguas duras:
Importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles, principales responsables de la formación de depósitos e incrustaciones.
Aguas Blandas:
Su composición principal está dada por sales minerales de gran solubilidad.
Aguas Neutras:
Componen su formación una alta concentración de sulfatos y cloruros que no aportan al agua tendencias ácidas o alcalinas, o sea que no alteran sensiblemente el valor de pH.
Aguas Alcalinas:
Las forman las que tienen 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.
Los gases disueltos en el agua, provienen de la atmósfera, de desprendimientos gaseosos de determinados subsuelos, y en algunas aguas superficiales de la respiración de organismos animales y vegetales. Los gases disueltos que suelen encontrarse son él oxigeno, nitrógeno, anhídrido carbónico presente procede de la atmósfera arrastrado y lavado por la lluvia, de la respiración de los organismos vivientes, de la descomposición anaeróbica de los hidratos de carbono y de la disolución de los carbonatos del suelo por acción de los ácidos, también puede aparecer como descomposición de los bicarbonatos cuando se modifica el equilibrio del agua que las contenga.
El gas carbónico se disuelve en el agua, en parte en forma de gas y en parte reaccionando con el agua para dar ácido carbónico de naturaleza débil que se disocia como ión bicarbonato y ión hidrógeno, el que confiere al agua carácter ácido.
Problemas derivados de la utilización del agua en calderas
Los problemas más frecuentes presentados en calderas pueden dividirse en dos grandes grupos:
Problemas de corrosión
Problemas de incrustación
Aunque menos frecuente, suelen presentarse ocasionalmente:
Problemas de ensuciamiento y/o contaminación.
PROBLEMAS DE CORROSIÓN:
Para que esta aparezca, es necesario que exista presencia de agua en forma líquida, el vapor seco con presencia de oxígeno, no es corrosivo, pero los condensados formados en un sistema de esta naturaleza son muy corrosivos.
En las líneas de vapor y condensado, se produce el ataque corrosivo más intenso en las zonas donde se acumula agua condensada. La corrosión que produce el oxígeno, suele ser severa, debido a la entrada de aire al sistema, a bajo valor de pH, el bióxido de carbono abarca por si mismo los metales del sistema y acelera la velocidad de la corrosión del oxígeno disuelto cuando se encuentra presente en el oxígeno.
El oxígeno disuelto ataca las tuberías de acero al carbono formando montículos o tubérculos, bajo los cuales se encuentra una cavidad o celda de corrosión activa: esto suele tener una coloración negra, formada por un óxido ferroso férrico hidratado.
Una forma de corrosión que suele presentarse con cierta frecuencia en calderas, corresponde a una reacción de este tipo:
3 Fe + 4 H2O ----------> Fe3O4 + 4 H2
Esta reacción se debe a la acción del metal sobre calentado con el vapor.
Otra forma frecuente de corrosión, suele ser por una reacción electroquímica, en la que una corriente circula debido a una diferencia de potencial existente en la superficie metálica.
Los metales se disuelven en el área de más bajo potencial, para dar iones y liberar electrones de acuerdo a la siguiente ecuación:
En el ánodo Feº -
2 e- ---------------> Fe++
En el cátodo O2
+ 2 H2O + 4 e- ----------> 4HO-
Los iones HO- (oxidrilos) formados en el cátodo migran hacia el ánodo donde completan la reacción con la formación de hidróxido ferroso que precipita de la siguiente forma:
Fe ++ + 2 OH- ---------->
(HO)2 Fe
Si la concentración de hidróxido ferroso es elevada, precipitará como flóculos blancos.
El hidróxido ferroso reacciona con el oxígeno adicional contenido en el agua según las siguientes reacciones:
4 (HO)2 Fe + O2
---------- 2 H2O + 4 (HO)2 Fe
2 (HO)2 Fe + HO- ---------->
(HO)3 Fe + e
(HO)3 Fe ----------> HOOFe +
H2O
2 (HO)3 Fe ----------> O3Fe2
. 3 H2O
PROBLEMAS DE INCRUSTACIÓN
La formación de incrustaciones en el interior de las calderas suelen verse con mayor frecuencia que lo estimado conveniente.
El origen de las mismas está dado por las sales presentes en las aguas de aporte a los generadores de vapor, las incrustaciones formadas son inconvenientes debido a que poseen una conductividad térmica muy baja y se forman con mucha rapidez en los puntos de mayor transferencia de temperatura.
Por esto, las calderas incrustadas requieren un mayor gradiente térmico entre el agua y la pared metálica que las calderas con las paredes limpias.
Otro tema importante que debe ser considerado, es la falla de los tubos ocasionados por sobrecalentamientos debido a la presencia de depósitos, lo que dada su naturaleza, aíslan el metal del agua que los rodea pudiendo así sobrevenir desgarros o rupturas en los tubos de la unidad con los perjuicios que ello ocasiona.
Las sustancias formadoras de incrustaciones son principalmente el carbonato de calcio, hidróxido de magnesio, sulfato de calcio y sílice, esto se debe a la baja solubilidad que presentan estas sales y algunas de ellas como es el caso del sulfato de calcio, decrece con el aumento de la temperatura. Estas incrustaciones forman depósitos duros muy adherentes, difíciles de remover, algunas de las causas más frecuentes de este fenómeno son las siguientes:
Excesiva concentración de sales en el interior de la unidad.
El vapor o condensado tienen algún tipo de contaminación.
Transporte de productos de corrosión a zonas favorables para su
precipitación.
Aplicación inapropiada de productos químicos.
Las reacciones químicas principales que se producen en el agua de calderas con las sales presentes por el agua de aporte son las siguientes:
Ca ++ + 2 HCO3 -
------> CO3 Ca + CO2 + H2O
Ca ++
+ SO4= ------> SO4Ca Ca++ + SiO3=
--> SiO3Ca
Mg++
+ 2 CO3H- ------> CO3 Mg + CO2 + H2O
CO3
Mg + 2 H2O -----> (HO)2 Mg + CO2Mg++ + SiO3
--> SiO3 Mg
ENSUCIAMIENTO POR CONTAMINACIÓN
Se consideran en este rubro como contaminante, distintas grasas, aceites y algunos hidrocarburos, ya que este tipo de contaminación son las más frecuentes vistas en la industria.
Dependiendo de la cantidad y característica de los contaminantes existentes en el agua de aporte a caldera, la misma generará en su interior depósitos, formación de espuma con su consecuente arrastre de agua concentrada de caldera a la línea de vapor y condensado, siendo la misma causante de la formación de incrustaciones y depósitos en la sección post-caldera.
La formación de espuma, suele ocurrir por dos mecanismos, uno de ellos es el aumento del tenor de sólidos disueltos en el interior de la unidad, los que sobrepasan los límites aceptados de trabajo, la presencia de algunos tipos de grasas y/o aceites (como ácidos orgánicos) producen una saponificación de las mismas dada la alcalinidad, temperatura y presión existentes en el interior de la caldera.
La contaminación por hidrocarburos agrega a lo visto la formación de un film aislante dificultando la transferencia térmica entre los tubos y el agua del interior de la unidad, agravándose esto con las características adherentes de este film que facilita y promueve la formación de incrustaciones y la formación de corrosión bajo depósito, proceso que generalmente sigue al de formación de depósitos sobre las partes metálicas de una caldera.
Luego de un tiempo, las características físicas del film formado cambian debido a la acción de la temperatura que reciben a través de las paredes metálicas del sistema, lo que hace que el mismo sufra un endurecimiento y "coquificación", siendo este difícil de remover por procedimientos químicos simples.
Por todas estas consideraciones, se ve como método más económico y lógico de mantenimiento de calderas, efectuar sobre el agua de aporte a las mismas los procedimientos preventivos que la misma requiera, evitando así costos de mantenimiento innecesarios y paradas imprevistas en plena etapa de producción con los costos de lucro cesantes que agravan la misma,
Límites
recomendados para los constituyentes del agua que se usan en calderas
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| Tabla 1 |
OBJETIVOS DEL ACONDICIONAMIENTO DEL AGUA
Evitar la acumulación de incrustación y depósitos en la caldera.
Eliminar los gases disueltos en el agua.
Proteger la caldera contra la corrosión.
Eliminar el acarreo y retardo (vapor).
Mantener la eficiencia más alta posible de la caldera
Disminuir la cantidad de tiempo de paralización de la caldera para limpieza.
Con relación al tratamiento de agua para calderas, se ha estudiado ampliamente en el desarrollo de compuestos inorgánicos tales como: fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarán que dicha incrustación continúe creciendo, pero la incrustación formada no sufrirá disminución alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificación) por tanto la desincrustación se deberá realizar manualmente o por medio de recirculación de ácidos teniendo este último los riesgos correspondientes y en ambas opciones se tendrá que parar el funcionamiento del equipo.
La forma más frecuente de expresar la concentración de impurezas es la que relaciona las partes en peso del elemento por millón de partes de agua (ppm) un grano por galón es igual a 17.1 ppm.
Los sólidos productores de espuma en grandes concentraciones dentro del agua de la caldera contribuyen a que esta sea portadora de partículas contaminantes y por ende contaminan el vapor.
Debido a que el agua de la naturaleza no es apropiada para las calderas, es necesario realizar los siguientes tratamientos:
1. Separación de los elementos nocivos del agua.
2. Conversión de las impurezas residuales en formas inocuas.
3. Remoción sistemática por medio de purgas de los concentrados del agua de la caldera.
La razón fundamental del tratamiento de las aguas de alimentación y de la caldera es evitar los depósitos de lodos e incrustaciones, que dan lugar a la corrosión de las superficies internas.
La presencia de condiciones ácidas o gases disueltos dan lugar a la corrosión.
La corrosión y los depósitos sólidos están estrechamente relacionados.
Esto es debido a que las grandes concentraciones de sólidos a altas temperaturas, crean depósitos y a su vez la corrosión.
Algunas reacciones químicas presentan un ataque ínter granular en el metal, que se vuelve quebradizo hasta que sobreviene la fractura.
El tratamiento más apropiado económicamente justificado, para una planta determinada, depende de las características del agua disponible, en la cantidad de reposición y el diseño de su generador de vapor y sus accesorios.
AGUA CRUDA
Los tratamientos que se le dan al agua cruda para convertirla en agua de alimentación comprenden uno o más de los siguientes procedimientos:
1. SEPARACIÓN DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN:
Consiste en separar partículas grandes (tamices, telas o capas de material granular) y pequeñas (productos químicos).
2. TRATAMIENTO QUÍMICO PARA ELIMINAR LA DUREZA:
Las principales impurezas que dan lugar a la formación de incrustaciones en la caldera son calcio, magnesio y sílice.
La cal-sosa y la soda ash mediante una reacción química forman un precipitado que puede separarse junto con los lodos. En ambos procesos se obtiene sulfato de sodio.
3. ELIMINACIÓN DE LA DUREZA POR INTERCAMBIO DE CATIONES:
Ciertos minerales como el silicato de aluminio y sodio y algunas resinas sintéticas, como los poliestirenos o materiales de tipo fenólico, poseen la capacidad de intercambiar los iones de sodio por iones de calcio y magnesio, cuando éstos se encuentran en solución acuosa. Luego se hace pasar el agua cruda o filtrada a través de lechos de partículas granuladas de zeolita.
Para restaurar los iones de sodio de la zeolita, se hace pasar el agua por una salmuera con alta concentración de cloruro de sodio.
En la actualidad el sistema más popular de ablandamiento de aguas combina los tratamientos químicos con los intercambios de cationes, utilizando cal caliente (con magnesio o sin él, para separar los silicatos), seguida del intercambio de cationes de sodio en caliente.
4. DESMINERALIZACIÓN POR MEDIO DE LA SEPARACIÓN TOTAL DE SÓLIDOS DISUELTOS:
Algunos tipos de resinas orgánicas sintéticas tienen la capacidad de seleccionar y separar los cationes o aniones indeseables en una solución acuosa, por intercambio de iones hidrógeno y oxidrilo.
Los iones de hidrógeno y oxidrilo son liberados por la resina durante el proceso combinado, calentándose para formar agua pura.
5. EVAPORACIÓN:
El agua pura puede obtenerse colectando el destilado de la evaporación, al hervir el agua cruda, esto debido a que los constituyentes solubles permanecen en el agua, entonces se separan por purgas sucesivas o medios mecánicos.
La contaminación del destilado se da por el arrastre de partículas de agua en el vapor o reabsorción de gases no condensables.
El reciclaje del condensado de vapor procedente del calentamiento de procesos es conveniente para aprovechar el condensado relativamente puro. Debido a la disipación atmosférica y a la contaminación por los equipos de procesamiento, se requiere casi siempre una cantidad adicional de materia prima.
6. EJEMPLO DE ANÁLISIS DE AGUA EN UNA CALDERA MARINA
A bordo se deben realizar algunos de estos análisis, con distinta frecuencia dependiendo del tipo de caldera, y especificaciones del fabricante como por ejemplo los que se dan a continuación, en la tabla 2, para una caldera marina.
TABLA DE CONTROL Y DOSIFICACIÓN
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| Tabla 2 |
*FOSTATO, HIDRACINA Y AMONÍACO no son componentes naturales en el agua, sino reactivos que se añaden para combatir la corrosión y la incrustación. Sin embargo la cantidad debe ser cuidadosamente dosificada pues un exceso provocaría problemas.
** Son los nombres de productos comerciales para conseguir los niveles adecuados de composición del agua.
Los tratamientos incluyen la eliminación de ciertas sustancias perjudiciales y la adición de otras que originalmente no existían en el agua, pero que mejoran alguna característica del agua. Con los tratamientos se consigue:
Mejorar la seguridad de la caldera
Aumentar su rendimiento
Reducir costes de reparación ó reparaciones costosas
Mantener altas transferencias de calor
Evitar corrosiones e incrustaciones
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