LAS AGUA DE CALDERO Y SUS PROBLEMAS

Uno de los usos ms importantes del agua en la Industria, es como elemento de transferencia calrica. Esta funcin se realiza a travs de intercambiadores de calor o en calderos. En ste ltimo, la energa qumica contenida en los combustibles, es transformada en energa calrica, para ser usada en procesos diversos. Las condiciones en las que operan los calderos y otros equipos de transferencia de calor, hace que las mnimas cantidades de impurezas contenidas en el agua, representen problemas muy serios dentro de dichos equipos. LOS PROBLEMAS.- Cuatro son los problemas ms importantes, que se presentan en los calderos, como consecuencia de las caractersticas del agua con que operan.

1.- INCRUSTACIONES.- Toda agua por muy pura que sea, lleva disueltas sales diversas, como consecuencia de su contacto con el ambiente o con las capas terrqueas por la que discurre. Entre esas impurezas, las sales del calcio y magnesio revisten una importancia mxima, debido a que dichas sales son muy poco solubles y en consecuencia tienden a precipitarse sobre las superficies, produciendo una capa dura y asilante de difcil remocin. A eso se llama incrustacin. A dichas sales se las conoce como dureza del agua. El agua es tanto ms dura, cuanto mayor contenido de sales de calcio y magnesio tiene. No obstante que estos dos elementos no son los nicos que imparten esta caracterstica, s son los ms importantes. La dureza se encuentra en el agua bajo diversas formas o sales, las ms comunes son: bicarbonatos, carbonatos, sulfatos, nitratos, cloruros, etc. del calcio y magnesio. El contenido de dureza de un agua se determina por anlisis y se expresa como ppm, gpg, epm, etc.

De lo anterior se infiere, que con el objeto de evitar la formacin de incrustaciones, nos basta bsicamente con eliminar toda la dureza contenida en el agua. A esta operacin se denomina ABLANDAMIENTO DEL AGUA. La slice u xido de silicio es tambin una impureza que se encuentra comnmente disuelta en el agua y que al igual que la dureza, tiende a producir sedimentos duros, cuando su concentracin en el caldero sobrepasa sus niveles de solubilidad. Estos sedimentos o incrustaciones son muy difciles de remover, inclusive con cidos minerales fuertes.

CONSECUENCIA.- La consecuencia bsica de las incrustaciones en un caldero son las siguientes:

Prdida de eficiencia Mayor gasto de combustible (2.5 mm. de incrustacin significa un 16 % ms de

combustible gastado)

Recalentamiento de los tubos. Fallas muy costosas. Corrosin acentuada bajo las incrustaciones.

2.- CORROSION.- Corrosin es un proceso degradativo del hierro y otros metales por el cual el metal pierde gradualmente sus caractersticas fsicas y estructurales. La corrosin est ligada, bsicamente, a procesos oxidativos, los cuales se explican por fenmenos de tipo electroqumicos. La corrosin provoca la desintegracin del metal y en consecuencia una degradacin en sus caractersticas estructurales y fsicas. CAUSAS.- Las principales causas de la corrosin son:

1.- Presencia de oxgeno disuelto en el agua. 2.- Presencia de anhdrido carbnico ( CO2 ) 3.- Presencia de cidos orgnicos o inorgnicos

El agua al encontrarse en contacto con la atmsfera disuelve cierta cantidad de gases de la misma, tales como oxgeno y anhdrido carbnico. Cuanto ms fra est el agua tanto ms oxgeno puede disolver. La tabla No. 2 muestra la solubilidad del oxgeno en agua a diversas temperaturas. Estos gases son dos elementos, que entran fcilmente a reaccin con el hierro, provocando su corrosin y destruccin.

La corrosin puede tambin ser consecuencia de la presencia de otros compuestos tales como cidos, sustancias orgnicas, etc. Igualmente por la presencia de ciertas sales, como sulfatos, carbonatos y a veces cloruros de magnesio, cuyo ciclo de reaccin termina en hidrxido de magnesio y el cido correspondiente, representando elementos nocivos, por la corrosin que pueden provocar.

Las consecuencias de la corrosin son fundamentalmente, la destruccin del equipo el incremento en los costos de mantenimiento y fallas que pueden ser de consecuencias impredecibles. En la industria se tienen muy en cuenta los aspectos de corrosin en el caldero, por los altos costos que stos representan. Los medios normalmente usados, para resolver este problema son dos: deareacin o desgasificacin del agua por -accin de la temperatura y tratamiento qumico del agua utilizada. La deareacin, se lleva a cabo en equipos especiales o deareadores en los cuales se elimina el oxgeno y el CO2 por arrastre con vapor.

3.- ARRASTRE.- Es el fenmeno por el cual, el vapor producido en el caldero, lleva consigo partculas o gotitas de agua lquida, que por no ser portadoras de calor latente de evaporacin, no slo no contribuyen en nada al transporte calrico, sino que restan eficiencia a los elementos de transferencia y contribuyen a la falla de otros elementos en los circuitos de vapor y condensado, como turbinas, trampas, vlvulas o tuberas de vapor.

CAUSAS: - Contenido excesivo de slidos disueltos. - Contaminacin del agua con aceite, animales, vegetales o minerales., - Niveles demasiados altos de agua. - Demandas sbitas y excesivas de vapor - Defectos de construccin de la caldera.

La Tabla No. 3 muestra el contenido mximo permisible de slidos disueltos (TDS) alcalinidad y slice en una caldera, para conseguir una operacin satisfactoria. Como se observar, dicho valor depende de la presin de operacin de la caldera. Estos valores dados por la ABMA. (AMERICAN BOILER MANUFACTURERS ASSOCIATION ).

CONSECUENCIAS: Perdida de eficiencia en los equipos. Incrustacin y obstruccin de vlvulas, trampas y tuberas. Operacin no econmica del caldero.

ABLANDAMIENTO Y DESMINERALIZACIN DEL AGUA

Con el fin de evitar incrustaciones, el procedimiento bsico usado en la industria consiste en eliminar o inactivar la dureza o sales de calcio y magnesio que tenderan a producir dichas incrustaciones. Esto se obtiene por:

1.- Ablandamiento y/o Desmineralizacin por intercambio inico. 2.- Ablandamiento qumico.

1. ABLANDAMIENTO Y DESMINERALIZACIN POR INTERCAMBIO IONICO

Al referimos a ablandamiento, estamos refirindonos a la operacin de eliminar la dureza exclusivamente. Cuando decimos desmineralizacin, nos estamos refiriendo a la operacin de eliminar todos los iones que se encuentren disueltos en el agua. De esto se desprende que una desmineralizacin representa una purificacin ms integral del agua.

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO.- Tanto el ablandamiento como la desmineralizacin se realizan desde hace unos 30 aos por medio de resinas sintticas. Estas resinas son polmeros o macromolculas derivados del estireno, benceno formaldehido, fenol, etc. todos ellos derivados del petrleo. Las resinas de intercambio inico se clasifican de la forma siguiente:

Las resinas catinicas, son las que tienen afinidad por los cationes (iones positivos, de calcio, magnesio, sodio, hidrgeno, etc.) Las resinas aninicas son las que tienen afinidad por los aniones (iones negativos tales como carbonato, sulfato, c1aruro, oxhidrilo, etc.) El hecho de ser cido base fuerte o dbil, hace que se comporten en forma diferente los iones. Las resinas de intercambio inico, presentan la caracterstica comn, de que cuando se encuentran en presencia de determinado tipo de in en solucin (fraccin de la molcula con carga positiva o negativa) ceden el in que llevan adherido, cambindolo por los iones en cuya presencia se encuentran. Un aspecto muy importante de esta propiedad de las resinas de intercambio, es que el intercambio puede revertirse, con slo variar las condiciones del proceso. De esta caracterstica se aprovecha para hacer uso del proceso de intercambio, como, un proceso de uso y regeneracin repetidos indefinidamente.

EL ABLANDAMIENTO.- Se realiza en equipo provisto de resinas de tipo catinico. La reaccin de ablandamiento puede representarse en la siguiente expresin qumica:

La figura M sintetiza la forma en que acta la molcula de resinas catinicas en el proceso de ablandamiento y regeneracin.

La operacin de un ablandador consiste en un ciclo que comprende las siguientes etapas:

1. Proceso de ablandamiento hasta saturacin de la resina. 2. Retro lavado.- Lavado del ablandador invirtiendo el flujo del agua.

Elimina la suciedad en el ablandador. 3. Regeneracin con salmuera.- Restituye la capacidad de ablandamiento.

La resina cambia los iones Ca, Mg., etc., por iones Na. 4. Enjuague.- Para eliminar el exceso de sal que queda en el ablandador, quedando

listo para reiniciar el ciclo.

Cuan efectivo sea el ablandamiento conseguido, va a depender de las condiciones en que dicha operacin se realice. Por lo comn se considera que en condiciones satisfactorias, el ablandamiento por intercambio inico retendr el 98 o 99 % de la dureza contenida en el agua alimentada.

Significa que habr de todas maneras un 1 o 2 % de dureza que se filtrar a travs del ablandador la cual deber tratarse qumicamente.

LA DESMINERALIZACIN.- Se realiza en forma muy similar a la forma en que se lleva a cabo el ablandamiento, pero en ella se usan resinas catinicas y aninicas en secuencia.

El proceso se sintetiza en las figuras que siguen:

En palabras que puede resumir el proceso as:

1. El agua entra al tanque catinico (cargado con resina catinica) carada de sales (cationes + aniones).

2. Al pasar a travs de la resina que est saturada de iones H - (Catin Hidrgeno ). Cambia estos iones por los cationes que trae el agua (Na, Ca, Mq, etc. ).

3. El agua sale de este tanque cargado de iones hidrgeno ( cido) 4. Entra al tanque aninico y al atravesar la resina cargada de iones oxhidrilos ( H-),

estos son cambiados por los aniones del agua (CI-, CO3, etc.). Los oxhidrilos liberados de la resina y que pasan al agua, se combinan con el H- producindose ms agua, quedando as todas las impurezas retenidas en la resina.

Una vez saturadas las resinas (catinicas y aninicas) de impurezas, pueden ser regeneradas tratndolas, de las siguientes formas:

a) La resina catinica con un cido (Acido clorhdrico o sulfrico) para eliminar los cationes retenidos ( Ca- Na- Mg- K- etc. ) fijando nuevamente iones H-.

b) La resina inica se trata con soda custica para cambiar los iones retenidos (CO3 SO4 CI- NO3 etc.,) por iones OH- (oxidrilo).

a) EL ABLANDAMIENTO QUIMICO Ablandamiento qumico, es el proceso de eliminar la dureza por reacciones puramente qumicas. Para ello nos servimos de compuestos qumicos, que entran en reaccin con los elementos que constituyen la dureza, principalmente sales de Ca y Mg. El ablandamiento qumico del agua, normalmente se realiza, sea como un preablandamiento o ablandamiento parcial o como un ablandamiento final. Este ltimo por lo general es el ablandamiento aplicado como un tratamiento interno de las aguas de caldera, para eliminar la dureza residual. A este tratamiento se hace referencia al tratar de la qumica de la prevencin de incrustaciones ms adelante. El ablandamiento qumico con sus caractersticas de un pre tratamiento se describe a continuacin. PREABLANDAMIENTO DEL AGUA POR PRECIPITACION PROCESO CAL SODA La Industria, cuando las condiciones lo exigen, se ve obligada a usar aguas que en muchos casos son de calidad muy deficiente por su contenido de impurezas, alto contenido de slidos, dureza elevada o alta salinidad. El ablandamiento de aguas sumamente duras (50-100 ms gpg) por intercambio inico, puede representar costos excesivamente altos. En estos casos se recurre a un proceso de ablandamiento previo, que permite, en condiciones econmicas, reducir la dureza a niveles que sean econmicamente tratadas por intercambio inico. Este ablandamiento previo, se realiza por un proceso qumico de precipitacin. Las reacciones qumicas de este proceso son las siguientes:

Como se observa, este proceso utiliza dos compuestos qumicos, hidrxido de calcio y carbonato de sodio, los cuales deben estar en proporcin al contenido y formas en que se encuentra la dureza en el agua. Las sales bajo la columna titulada PRECIPITADO, SON ELIMINADAS del agua por estas reacciones. Este proceso de ablandamiento, puede realizarse a temperatura de ambiente o tambin en caliente, obtenindose en este caso mejores resultados. Con la aplicacin de un proceso de ablandamiento qumico en fro en condiciones ptimas puede conseguirse bajar la dureza de un agua hasta 50 ppm. En este punto puede aplicarse un intercambiador inico para obtener un agua con cero de dureza. Como regla general, este pre ablandamiento es seguido de una filtracin, con el objeto de separar los productos de reaccin o lodos producidos.

CONTROL DEL TRATAMIENTO DEL AGUA DEL CALDERO Es fundamental mantener un control cuidadoso y diario de las condiciones del agua en un caldero. Basta que haya un lapso de tiempo, por corto que sea, en que no se mantengan las condiciones adecuadas, para que hayan empezado a producirse daos dentro del mismo. Evidentemente que esos daos sern proporcionales al tiempo transcurrido y al grado de desviacin producida. De esto se desprende la necesidad que tiene toda Empresa de mantener un control diario de las condiciones de su caldero. La funcin de las Empresas abastecedoras de los productos qumicos para caldero, no puede sustituir al control interno y diario que debe mantener el usuario. El control diario de las condiciones qumicas en el caldero abarcan los siguientes pasos:

a) Determinacin de los parmetros del tratamiento: Esto se consigue a travs del anlisis qumico.

b) Ajuste de la dosificacin. Dicho ajuste se realiza de acuerdo a las condiciones cambiantes del agua, la demanda etc. Abarca lo siguiente:

1.- Dosificacin de compuesto qumico 2.- Alimentacin del qumico 3.- Control de purgas.

Damos a continuacin unas notas que aclaran algunos de estos conceptos.

A.- MUESTREO y ANALISIS QUIMICOS.- Las muestras y anlisis correspondientes deben realizarse de los siguientes puntos (figura No. 17).

1.- Agua de reposicin antes del ablandador. 2.- Agua de reposicin despus del ablandador. 3.- Agua del caldero., 4.- Agua de recuperacin (condensado)

Las dos primeras muestras, permiten observar las condiciones de operacin del ablandador, mientras que las dos ltimas, nos muestra las condiciones en el caldero. Los resultados de los anlisis, se expresan comnmente en trminos de ppm. (partes por milln) o en otras unidades cuyas equivalencias se dan en la tabla No. 6. Las muestras 3 y 4 nos dan la informacin, sobre los parmetros en el caldero. La Tabla No. 5 muestra los anlisis qumicos que normalmente se realizan con las muestras de cada uno de esos puntos.

La Tabla No. 6 damos consideraciones que ayudarn en la mejor interpretacin de los datos obtenidos de los anlisis qumicos.

ALCALINIDAD-pH Se determina la alcalinidad del agua, por la importancia que reviste en relacin al aspecto corrosivo del agua en el caldero. El pH es igualmente una medida de la alcalinidad y nos indica lo adecuado del control de la alcalinidad activa, dentro de los lmites mximos y mnimos medio como concentracin de iones hidrgeno. FOSFATOS.- Mide el residual recomendable de in fosfato como factor para evitar las incrustaciones (rango recomendado 30 a 60 ppm.). Si el tratamiento no se realizara en base a fosfatos inorgnicos como por ejm. con polmeros o fosfatos orgnicos, existira siempre la necesidad de un medio para controlar la dosificacin adecuada del tratamiento. SULFITOS.- Controla el residual recomendable de in sulfito, como elemento secuestrante de oxgeno, para evitar la corrosin de los equipos. Rangos recomendables 30 60 ppm. DUREZA.- Este anlisis se realiza a fin de controlar el buen funcionamiento del equipo ablandador o si es en el agua del caldero, es una forma de controlar lo adecuado de la dosificacin del elemento anti-incrustante. HIERRO.- La presencia de niveles elevados de hierro, puede indicar estas situaciones: que el caldero se est alimentando con agua sobrecargada de hierro, o que existe un proceso corrosivo, sea en el caldero mismo o en los sistemas de condensado, segn el punto en que se lo detecte. B.- LA PURGA.- La continua alimentacin al caldero de agua, con su contenido de impurezas llevara a que dichas impurezas o sales vayan acumulndose, hasta llegar a situaciones en que sera imposible para el caldero seguir acumulando ms impurezas. De all la necesidad de eliminarlas del caldero, extrayendo o purgando agua saturada de slidos y reponindola con agua de bajo contenido de dichas impurezas; a esto se denomina

PU RGA. La cantidad de agua que ser necesario eliminar por la purga, va determinada por el contenido de impurezas en el agua de reposicin y su relacin con el mximo permisible dentro del caldero. C.- ALIMENTACION DEL TRATAMIENTO QUIMICO La alimentacin del agua al caldero, es de tipo continuo y consiguientemente el tratamiento a dar ese agua es igualmente un tratamiento de cada da y hora en que trabaja el caldero. De acuerdo al sistema con que se alimentan los qumicos a un caldero, se tiene estas dos formas: 1.- Manual.- Los aditivos qumicos. se suministran al caldero a travs del tanque de alimentacin de agua, que gran parte de las veces es el mismo tanque de condensado. En este caso. el total de compuestos qumicos requeridos para un da de trabajo, se adicionan en una, dos o ms porciones al tanque de condensado. Este sistema, es el menos recomendable por la forma completamente irregular en que estos qumicos sern recibidos por el caldero. Este sistema presentar aproximadamente un 50 % de efectividad, solamente por la forma discontinua de eliminar. La figura No. 21 representa esa situacin.

2.- Bomba Dosificadora.- El compuesto qumico se alimenta directamente al caldero en forma continua y proporcional al agua alimentada al caldero. As consiguen niveles de tratamiento uniformes que aseguran un 100 % de efectividad al tratamiento. Por otra parte, este sistema minimiza las fallas o errores del personal. Por consiguiente es el sistema ms recomendable, teniendo sobre todo en cuenta, el bajo costo de una bomba dosificadora.

PRODUCTOS QUIMICAMP PARA TRATAMIENTO QUIMICO DE AGUAS DE CALDERA Con el objeto de dar mayor versatilidad a su sistema de tratamiento qumico QUIMICAMP DEL ECUADOR ofrece a la industria los siguientes tipos de productos para el tratamiento de aguas de calderas. 1.- PRODUCTOS PARCIALES.- Son aquellos en que cada producto se orienta al control de un problema especial. El cuadro siguiente muestra estos productos.

Recomendamos el uso de este tipo de productos, para el tratamiento de calderos de gran capacidad, en las cuales el factor econmico y la eficiencia son importantes. 2.- PRODUCTOS COMPLETOS.- Son los productos integrados por los diferentes elementos qumicos, formulados de manera tal que un slo producto pueda controlar los diversos factores qumicos que es preciso regular. Estos productos no incluyen el tratamiento de agua de condensado. El tratamiento con este tipo de productos muy conveniente, por su simplicidad, sobre todo en caso de calderas de mayor capacidad.

BIBLIOGRAFA

YANEZ Enrique. Tratamiento de Aguas en Calderas de Vapor. Quimicamp del Ecuador Ca. Ltda. Compuestos Qumicos Industriales. Pp 4-50.