Charla Tratamiento de Calderas

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TRATAMIENTO DE AGUA PARA CALDERAS

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TRATAMIENTO DE AGUA PARA CALDERAS

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OBJETIVOS

PRODUCIR SUFICIENTE VAPOR

DE OPTIMA CALIDAD Y PUREZA

AL MENOR COSTO

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• Sólidos Disueltos: Ca+2, Mg+2, Na+, K+, Fe+2,Fe+3, Al+3, Sílice, CO3

2-, HCO3-,

SO42-, Cl-, NO3

-

• Sólidos Suspendidos: Materia Orgánica, Lignina, Taninos, Arcilla, Limos, Coloides Metálicos

• Gases Disueltos: O2, N2, CO2

• Microorganismos

Contaminantes del agua

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• Sólidos Disueltos

• Sólidos Suspendidos

• Gases disueltos

• Microorganismos

Problemas Asociados

Incrustaciones

Depósitos-Arrastre

Corrosión

Ensuciamiento pretratamiento

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Problemas asociados

En Caldera: Corrosión, Deposición e Incrustación

Pos-Caldera: Corrosión y Arrastre

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COMO SE CONTROLA ?

Corrosión por Gases Disueltos>Mecánicos

– Desaireadores>Químicos

– Removedores de Oxígeno Incrustaciones, Deposición y Corrosión en la Caldera

– Tratamiento Externo– Dosificación de Químicos

• Fosfatos, Quelatos, Polímeros, etc.

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COMO SE CONTROLA ?

Corrosión en Líneas de Vapor y Condensado>Químicos

– Aminas Neutralizantes– Aminas Fílmicas– Pasivantes Metálicos

>Metalúrgicos– Uso de Materiales Especiales

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PARA QUE ?

Corrosión Gases DisueltosPrevención de Fallas

Minimizar CorrosiónConfiabilidad de los Equipos

Producción IninterrumpidaMantenimiento de Rutina

EconómicoDisminución en los Costos de

MantenimientoReducción de Costos Fuera de Servicio

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PARA QUE ?

Corrosión, Deposición e Incrustaciones en la CalderaPrevención de Fallas

Control de DepósitosMinimizar CorrosiónMaximizar Pureza de Vapor

Confiabilidad de los EquiposProducción IninterrumpidaMantenimiento de Rutina

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PARA QUE ?

Corrosión, Deposición e Incrustaciones en la Caldera (cont.)Eficiencia

Ahorro de EnergíaCosto Bajo de Agua

EconómicoMenor Frecuencia de Limpiezas QuímicasDisminución en los Costos de

MantenimientoReducción de Costos Fuera de Servicio

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PARA QUE ?

Corrosión en Líneas de Vapor y Condensado Prevención de Fallas

Minimizar CorrosiónMaximizar Pureza de Vapor

Confiabilidad de los EquiposProducción IninterrumpidaMantenimiento de Rutina

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PARA QUE ?

Corrosión en Líneas de Vapor y Condensado (cont.)Eficiencia

Ahorro de EnergíaCosto Bajo de Agua

EconómicoDisminución en los Costo de

MantenimientoReducción de Costos Fuera de Servicio

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PREVENCION DE CORROSION POR GASES

DISUELTOS

ETAPA PRE-CALDERA

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Control de Corrosión Interna

MECÁNICA

DESGASIFICADOR

QUÍMICASECUESTRANTES

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CORROSION POR OXÍGENOMORFOLOGÍA DEL ATAQUE SOBRE HIERRO

AGUA

Fe(OH)3

O2

Fe2+OH-

O2

ANODO CATODO

REACCION EN ANODOFe. = Fe++ 2e-

REACCION EN CATODO1/2 O2 + H2O + 2e- = 20H-

EL HIERRO ES OXIDADO EN LA SUPERFICIE(ANODO) - PERDIDA DE MATERIALEL OXIGENO ES REDUCIDO (CATODO)

MECANISMO

FLUJO DE ELECTRONES

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PITTING EN ACERO

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DESAEREADORES

PROCESO MECANICO

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DESAEREADORESArreglos Típicos

– Vertical de Carcaza Simple– Horizontal de Carcaza Simple– Vertical Simple con Tanque de Almacenaje

Vertical– Horizontal Simple con Almacenaje Horizontal– Vertical Simple con Tanque de Almacenaje

HorizontalTipos

– Atomizadores– Bandejas

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Desgasificación Térmica Parametros Operacionales Clave

Mecanismo controlado por temperatura presión y difusión

Caudal de venteo Temperaturas almacenamiento vs. saturación T aproximación agua/vapor

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TANQUE DE ALMACENAJETANQUE DE ALMACENAJE

Condensado Reposición

Venteo Venteo

Vapor

Bajantes

Caldera

Cámarade Mezclado

DESAIREADOR

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SOLUBILIDAD O2 EN AGUA

22.9 ppm

20.0

17.2

14.3

11.4

8.6

5.7

2.9

0.00 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250

16

14

12

10

8

6

4

2

0 10 21 32 43 54 66 77 88 99 110 121TEMPERATURA, C

PRESIÓN MANOMÉTRICA, PSIG10

8

6

42

0

48

1216

20

24

28

VACÍO, Pulg. Hg

TEMPERATURA, °F

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Fallas en Desaireadores

Problema Térmico Insuficiente Vapor de DespojoProblemas MecánicosRotura o Caída de BandejasAgua Directa a Sección de AlmacenajePobre Atomización del AguaVenteo InsuficienteContaminación con HidrocarburosDe la Alimentación o del Condensado de Vapor

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Acciones Correctivas

Problema Térmico>Verificar

– Temperatura del Agua de Entrada

– Temperatura del Vapor Despojante

– Flujo del Vapor Despojante

– Flujo del Agua Desaireada

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Acciones Correctivas

Problemas MecánicosVerificar

Niveles de Oxígeno Disuelto a la Salida

Diferencia de Temperatura entre Secciones de Desaireación y Almacenaje

Pluma de Venteo y Calidad

Flujo del Agua Desaireada

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Acciones Correctivas

Contaminación con Hidrocarburos>Verificar

– Presencia de Aceites y Grasas en el Agua de Alimentación o Condensado de Vapor

– Cual Equipo está Provocando la Fuga de Aceite ?

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DESOXIGENACIÓN QUÍMICAObjetivos

• Complementar la eliminación mecánica

• Reducir concentración de materias corrosivas

• Reducir generación de productos de corrosión

• Reducir transporte de productos de corrosión a interior de caldera

• Pasivación de superficiesDESOXIGENANTES

QUÍMICOS

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• Presión, temperatura • Metalurgia Sistema• Reactividad:

>pH, velocidad de reacción, temperatura, catalizadores, oxígeno inicial

• Descomposicion térmica• Volatilidad • Capacidad pasivante• Monitoreo• Toxicidad , manipulación• FDA

DESOXIGENACIÓN QUÍMICACriterios de selección de secuestrantes

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Control de corrosión internaSecuestrantes de Oxígeno:•Sulfito de sodio•Hidrazina•DEHA/NIPHA•Hidroquinona•Ácido ascórbico•Carbohidrazida

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Na2SO3 + 1/2 O2 Na2SO4

SULFITO DE SODIO

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HIDRACINA

REACCION:N2H4 + O2 N2 + 2H2O

REACCION DESCOMPOSICION :2N2H4 + HEAT + 2H2O

4NH3 + O2

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HIDRACINAPresión máxima: 190 kg/cm2Descomposición en amoníaco y nitrógeno se incia

a 200 º C y es rápida a 300 º C. Los productos de descomposición son

susceptibles de atacar las aleaciones de cobreReactividad:

>pH óptimo: 9.0-10.0>Reactividad lenta a temperaturas menores

de 90 º CVolatilidad bajaAlcalinizante

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HIDRACINA Pasivador del hierro y del cobre:

N2H4 + 6 Fe2O3 4 Fe3O4 + N2 + 2H2O

N2H4 + CuO Cu2O + N2 + 2H2O

CLASIFICACION :La hidrazina pura tiene un punto de flash bajo, siendo normal emplearla al 35 % que tiene un punto de flash mayor de 95 º C.Test de residual precisoSospechada de carcinogénico nasal

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CARBOHIDRACIDAReacción directa

NH2 NH - C - NH - NH 2 + 2 O 2 CO 2 + 2N 2 + 3H 2O

O

-

• (N2H3)2CO + H2O 2 N2H4 + CO2

• 2 N2H4 + 2 O2 4 H2O + 2 N2

Decomposition >200°C

• (N2H3)2CO + H2O 2 NH3 + N2 + H2 + CO2

Indirect reaction > 135°C

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CARBOHIDRACIDA

• Presión máxima: 190 kg/cm2

• Se descompone en hidrazina a 150 ºC y en NH3 y CO2 a 200 ºC • Los productos de descomposición son susceptibles de atacar las

aleaciones de cobre• Reactividad:

>pH mínimo= 8>Muy lenta a temperaturas menores de 70 º C

• Volatilidad muy baja

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CARBOHIDRACIDA • Pasivador del hierro y del cobre cuando está

hidrolizado como hidracina• Soluciones a pH alcalino tienen hidrólisis a

hidracina• Test de residual como hidracina a T > 135 ºC• No hay proteción del condensador por su

baja reactivadad por debajo de 70 º C

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HIDROQUINONA

+ 1/2 O2

HIdroquinona Benzoquinona

OH

OH

+ H2O

O

O

O O

C6H6O2 + 1/2O2 H2O + C6H4O2

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HIDROQUINONA

• Presión máxima: 190 kg/cm2• Descomposición en acetatos y alcoholes• No descompone en amoníaco: no ataca las

aleaciones de cobre• Reactividad:

>pH óptimo mayor de 8,5>Reactividad elevada a temperaturas

bajas• Volatilidad baja• No es alcalinizante

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HIDROQUINONA

• Pasivador del hierro y del cobre:

>C6H6O2 + 3 Fe2O3 2 Fe3O4 + C6H4O2 + H2O

>C6H6O2 + 2 CuO Cu2O + C6H4O2 + H2O

• No requiere precauciones especiales de manejo

• No hay analizador de residual• Aumenta la conductividad catiónica

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DEHA/NIPHADEHA/NIPHAN-Isopropilamina

(NIPHA)2 3 2 15 2 2 3 2 2 3 2( ) , ( )CH CHNHOH O CH C O N H O

2 2 5 2 4 5 2 4 3 2 3 2( ) ,C H NOH O CH COOH N H O

Dietilhidroxilamina (DEHA)

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DEHA

• Presión máxima: 170 kg/cm2• Descomposición en aminas de bajo peso

molecular. Poca formación de ácidos orgánicos y muy baja descomposición en amoníaco

• Reactividad:>pH óptimo mayor de 8,5>Reactividad elevada a temperaturas bajas

• Volatilidad media. • Ligeramente alcalinizante

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DEHA

• Pasivador del hierro y del cobre: >DEHA + 3 Fe2O3 2 Fe3O4 +

EtilHidroxilAmina + H2O>DEHA + 2 CuO Cu2O +

EtilHidroxilAmina + H2O

• No carcinogénico• No requiere precauciones especiales de

manejo• No hay analizador de residual• Aumenta la conductividad catiónica

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Removedores de Oxígeno

Puntos de Aplicación

1

3

2

1 Primera Elección

2 Segunda Elección

3 Tercera Elección

Caldera

Atemperación

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Removedores de Oxígeno

Monitoreo

1 3

1

2

3

2

Oxígeno Disuelto

Eficiencia Desaireador

Monitoreo Hierro

VaporEconomizador

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ARRASTRE

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Mecánico>Separadores>Nivel del agua en la caldera>Variaciones en la Demanda>Sobrecalentamiento

Químico>Espuma>Vaporización Selectiva (Sílice)

CAUSAS DE ARRASTRE

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PREVENCION DE CORROSION, DEPOSICION E

INCRUSTACIONES

CALDERAS

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CALDERAS

Diseño>Acuo-Tubular

– Tipo “D”– Tipo “O”– Tipo “A”– Múltiples Tambores

>Piro-Tubular– Un Paso– Múltiples Pasos

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CALDERAS

Acuo-Tubulares>Ventajas

– Amplio Rango de Presiones– Capacidad de Producción Ilimitada– Alta Transferencia de Calor– Economizadores-Sobrecalentadores– Facilidad de Uso de Diferentes

Combustibles– Alta Pureza de Vapor

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CALDERAS

Acuo-Tubulares>Desventajas

– Alto Costo– Requieren de Grandes Espacios– Agua de Alimentación de Alta

Pureza

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CALDERAS

Piro-TubularesVentajas

Variaciones en Capacidad de CargaFáciles de RepararRequieren de Poco Espacio FísicoRelativo Bajo CostoFácil Instalación

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CALDERAS

Piro-TubularesDesventajas

Bajas PresionesCapacidad de Producción LimitadaNo tienen Economizadores-

SobrecalentadoresUso de un Solo Tipo de CombustibleBaja Pureza de Vapor

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Prevención de Corrosión en Calderas

Interior de Calderas

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Control de Corrosión

Formación de Película Protectora– Pasivantes Metálicos

Eliminación de Gases Disueltos– Vistos Anteriormente

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Depósitos en el Interior de las Calderas

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Tipos de Depósitos en Calderas

Cristalinos

Amorfos

Mezcla de Ambos

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Depósitos Cristalinos

Entran con el Agua de Alimentación

– Precipitados Sobre las Superficies Calientes– De Apariencia Vidriosa– Altamente Aislantes– Duros– Frecuentemente Homogéneos– Proporcionan Condiciones para Fallas de

Tubos

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Depósitos Amorfos

Formados en el Agua de Calderas– Oxidos Metálicos

• Provenientes de Corrosión• Coloides Metálicos Precipitados

Dureza Precipitada Combinada con– Carbonato– Fosfato– Silicato– Hierro

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• Se producen por precipitación en el volumen global de agua y dan lugar a depósitos amorfos.

• Óxidos metálicos (aportados por BFW)

• Coloides y sólidos en suspensión• Precipitación de sales

(Carbonatos, fosfatos, sílicatos) con dureza o hierro.

Deposiciones

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• Precipitación de combinaciones altamente insolubles de iones a baja temperatura

• Aglomeración

• “Pegado” sobre la superficie del tubo

Deposiciones: Mecanismo

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• Se producen por precipitación en o cerca la superficie de intercambio térmico

• Apariencia cristalina (vidriada)

• Altamente aislante• Duro

Incrustaciones

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• La evaporación causa concentración en los sólidos disueltos

• La mayor concentración ocurre sobre la superficie de los tubos

• La solubilidad es excedida• “Pegado” sobre la superficie

del tubo

Incrustaciones: Mecanismo

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Efecto sobre el perfil de temperatura

El lado agua del tubo se aislaLa temperatura de piel de tubo

puede ser excedida respecto al diseño

Sobrecalentamiento y falla local puede ocurrir.

Pared del tubo

315C

Fuego Agua

260 C Fuego

Agua

427C

260 C

Incrustación

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FALLA POR SOBRECALENTAMIENTO

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Control de Depósitos

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“Un buen Pretatamiento puede reducir Contaminantes que acotan los Ciclos “

Alcalinidad: Espuma, Problemas de Pureza en el Vapor

Dureza: Depósitos, Corrosión bajo depósito Sílice: Depósitos, Problemas de Pureza en el Vapor Hierro: Depósitos Amoníaco: Corrosión en aleaciones cuprosas Sólidos Totales Disueltos: Depósitos, Espuma,

Problemas de Pureza en el Vapor

Razones del Pretratamiento

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Tratamiento Externo

ClarificaciónAblandamiento

– En Frío– En Caliente

Intercambio Iónico– Suavización– Desmineralización

EvaporaciónÓsmosis Inversa

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Tratamiento Químico

Tipos

– Precipitantes• Fosfato, Fosfato-Polímero, Fosfonato,

Fosfonato-Polímero, Mezcla de Fosfatos-Polímeros, etc.

– Acomplejantes• Quelato, Mezcla Quelatos, Quelato-Polímero

– Polímeros• Naturales, Sintéticos, Copolímeros,

Terpolímeros

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Tratamiento Químico

Precipitante– Reaccionan Adecuadamente con el Calcio y el

Magnesio del Agua de Alimentación– Permite Variaciones en la Calidad del Agua de

Alimentación– Uso de Polímeros para Dispersión de Oxidos

Metálicos– Uso Necesario de Alcalinidad Hidróxida para

Formación de Compuestos No-adherentes– Generación de Lodos– Potencial Formación de Depósitos Duros

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Calcio:(OH)

Ca + PO4-3 Ca(OH)PO4

Sílice/Magnesio:(OH)

Mg + SiO3-3 Mg(OH)SiO3

Reacciones de Precipitación

Hidroxiapatita

Serpentita

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• Causa Precipitación

• Requiere alta purga

• Puede manejar amplios rango de dureza en alimentación

• Tratamiento No Corrosivo

• Aceptable control de depósitos en calderas de baja y media presión (<900 psig)

• Facil de controlar

Programa PrecipitanteVentajas Desventajas

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PolímerosModificación cristalina

>Minimiza crecimiento cristalino por absorción del polímero sobre la superficie del cristal.

>Previene la adherencia de iones de dureza sobre cristales existentes.

Dispersión de partículas> Incluye partículas de dureza y óxidos metálicos>Minimiza aglomeración de partículas>Repele partículas de la superficie de la caldera

Acomplejamiento de iones> Incluye dureza soluble y iones metálicos solubles>Aumenta la solubilidad de iones por sobre los límites

sin tratamiento

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Poliacrilatos

Poliacrilamidas

Polimetacrilatos

Isofenilfosfato (HTP TM)

Glicol alil éter (Optisperse TM)

Tipos de Polímeros

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Tratamiento Químico

Polímeros– Preferidos Ambientalmente– Formación de Compuestos Solubles con el Calcio

y el Magnesio– Reducción de Purga– Efectiva Dispersión del Hierro– Aplicación Válida en Aguas de Alimentación de

Buena Calidad– No hay Problemas Potenciales de Corrosión– Permite Altos Valores de Sílice a Bajas Presiones– No hay Formación de Lodos

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Tratamiento Químico

Acomplejante– Formación de Compuestos Solubles con el Calcio

y el Magnesio en Alimentación– Uso Necesario de Alcalinidad Hidróxida para

Formación de Compuestos Solubles– Aplicación Válida en Aguas de Alimentación de

Buena Calidad– Uso de Polímeros para Dispersión de Oxidos

Metálicos– Potenciales Problemas de Corrosión– Competitividad Iónica por el Acomplejante

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PREVENCION DE CORROSION EN LINEAS DE VAPOR Y CONDENSADO

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El Valor del Condensado

Agua– Reduce los Requerimientos de Agua de

Reposición– Reduce las Pérdidas por Purga con Alto Valor

Energético– Reduce la Descarga de Agua a Efluentes

Energía– Reduce la Necesidad de Combustible Adicional

Confiabilidad– Mejora la Calidad del Agua de Alimentación a la

Caldera

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Agentes Corrosivos

Dióxido de Carbono– Proveniente de la Acalinidad del Agua de

Alimentación, Contaminaciones de Procesos,etc.

Oxígeno Disuelto– Proveniente del Agua de Alimentación,

Sistemas de Vacio, Sellos de Bombas Defectuosas, etc.

Amoníaco– Proveniente de Tratamientos, Procesos,

Inyección Directa, etc.

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Carbonic Acid attack at

threaded joint

Carbonic Acid etching of condensate piping

Boiler Online Oxygen Pitting

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Tratamiento

Aminas Neutralizantes– Neutralizan los Gases Acidos

Aminas Fílmicas– Forman una Barrera Física Sobre el Metal

Secuestrantes de Oxígeno/Pasivadores– Reaccionan con el Oxígeno– Protegen las Superficies por Formación de

Barreras

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Tratamiento

Consideraciones– Diseño del Sistema

• Tipo de Equipos Involucrados• Concentración Potencial de Dióxido de Carbono• Complejidad del Sistema

– Calidad del Agua de Alimentación• Alcalinidad• Requerimientos ASME

– Operación del Sistema• Producción de Vapor y Retorno de Condensado• Ciclos de Concentración

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Control del Tratamiento

pHOxígeno DisueltoCorrosión

– Instalación de Cupones– Análisis de Trazas de Metales

ConductividadCualquier Otro Método Válido

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Pureza del Vapor

Medido por el Nivel de ImpurezasImpurezas>Solidas

– Sodio, Calcio, Magnesio, Hierro, Cobre, Sílice, etc.

>Liquidas– Aceites y Grasas

>Gaseosas– Amoníaco, Dióxido de Carbono, Nitrógeno,

Aminas y Sílice

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Pureza del VaporMétodos de Medición de Pureza

>Conductividad Específica– Uso de Desgasificación o Resina de Intercambio

Catiónico para Eliminar Gases Disueltos– 1 ppm Sólidos Disueltos Aporta de 1 - 2 mS– 1 ppm Amoníaco Aporta 8 - 9 mS por ppm NH3

– 1 ppm Dióxido Carbono Aporta 5 mS por ppm CO2

– Problemática su Medición, ya que, el Amoníaco y el Dióxido dde Carbono se Ionizan en el Agua

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Pureza del Vapor

Métodos de Medición de Pureza (cont.)>Técnica del Trazador de Sodio

– Analizador del Ión Sodio– Espectroscopía de Emisión de Llama– Espectrofotometría de Llama

>Análisis de Aniones– Conductividad Catiónica con Desgasificación– Cromatografía Iónica– Técnica del Electrodo Selectivo para Cloruro

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Vapor para Turbinas

Los Problemas en Turbinas son debidos a :>Tolerancias muy Cerradas en Dichos

Equipos>Uso de Aceros de Alta Resistencia>Impurezas en el Vapor

Causados por :>Depósitos>Erosión>Corrosión

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June 7, 2004

Vapor para Turbinas

Depósitos en Turbinas

>Causas– Arrastre de Minúsculas Gotas de Agua de

Caldera– Impurezas en el Agua de Atemperación del

Vapor– Vaporización de Sales del Agua de Calderas– Saturación localizada de la Sílice– Velocidad de la Turbina

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Vapor para Turbinas

Erosión en Turbinas

>Causas– Partículas Sólidas (Oxidos de Hierro)– Baja Temperaturas del Vapor– Presencia de Agua en el Vapor– Dióxido de Carbono y Otros Compuestos

Acídicos

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Vapor para Turbinas

Corrosión en Turbinas, originadas por :>Agentes Corrosivos en el Vapor

– Hidróxido de Sodio, Sulfato, Cloruro y Sulfuros >Picaduras

– Asociadas a Depósitos con Alto Cloruro, Humedad y Oxígeno Disuelto. Normalmente Ocurren en Rotores, Discos y Alabes

>Corrosión Bajo Tensión y por Fatiga– Asociadas a la Presencia de Sulfuros, Cáustico y

Cloruros. Normalmente ocurren en los Discos y Hojas.