TRATAMIENTO EXTERNO PARA

AGUA DE CALDERAS

INTRODUCCION

Uno de los componentes de mayor aprecio en una industria y que puede representar una buena parte de la inversión es el caldera.

Existen industrias o servicios, que quedarían colapsados por una falla en la caldera hasta el punto de llegar a parar su producción, y su reparación o sustitución podría representar un costo considerable en su presupuesto, por lo que es esencial que la caldera opere en optimas condiciones.

Una caldera con un mantenimiento adecuado y con un tratamiento químico adecuado en el agua de consumo puede llegar a operar sin problemas durante 20 o mas años.

Una caldera básicamente es un recipiente de acero donde se quema un combustible y el calor generado en la reacción de combustión se transmite al agua liquida y se produce vapor de agua.

Existen muchas variaciones respecto al tipo de caldera, presión de operación, tamaño y capacidad, entre otros, pero todas las variantes y tipos de ellas adolecen de los mismos problemas en lo referente a la calidad del agua, lo cual afecta la vida útil y la operación de la caldera.

El AGUA

• El agua es un bien preciado por sus propiedades (físicas y químicas), que se aya disperso por el mundo actuando como diluyente natural de múltiples compuesto (sales, gases, partículas, bacterias, etc.)

• En su utilización por poseer estos compuestos en su materia, conlleva a una serie de fenómenos negativos para sus empleadores, por ello es indispensable su previo tratamiento de prevención.

TRATAMIENTO BASICO DEL AGUA

. SEDIMENTACION

TRATAMIENTO . COAGULACION

DE CLARIFICACION

. FILTRACION

Es el primer tratamiento que se le da al agua para podérsele emplear u tratar mas intensivamente. Consiste en una serie de operaciones físicas y algunos procesos químicos para eliminar materia orgánica, color y turbidez que el agua contenga

Aguas Naturales: Impurezas y Problemas

Los problemas más frecuentes en lo referente a la calidad del agua y que influyen en la operación de la caldera son:

1.- Formación de depósitos: La incrustación es indeseable ya que al formar una capa en los tubos

y demás componentes del equipo, evitan la transmisión efectiva del calor. Los depósitos se producen por

sólidos suspendidos que el agua pueda contener y principalmente por formación de depósitos de sulfatos y carbonatos de calcio y magnesio, en mezclas complejas con otros componentes como sílice, bario, etc.

• Para evitar la formación de incrustaciones se deben remover los sólidos coloidales y materia suspendida que el agua contenga y ablandamiento o suavización del agua cruda antes de integrarla a la caldera.

CaCO3 + H2O + Co2 Ca(HCO3) 2 + Calor

Produce incrustaciones de 15 p.p.m.

MgCO3 + H2O Mg(OH)2 + CO2

Mg(OH)2 MgO + H2O

Produce incrustaciones de 8 p.p.m.

SiO2

Produce a presión alta (muy insoluble incrustaciones)

2.- Corrosión por Oxidación del metal:

Los principales componentes de la caldera son metálicos. Los agentes que atacan el fierro y lo disuelven son los gases corrosivos (oxigeno y bióxido de carbono) y Agentes oxidantes (como los compuestos clorados). También la acidez del agua causa corrosión por lo que el pH debe mantenerse entre 9.0 y 11.5.

MgCl2 + 2H2O Mg(OH)2 + 2HCl

2HCl + Fe FeCl2 + H2

Produce corrosión excesiva

3.- Fragilización cáustica: Si la alcalinidad a la fenolftaleina que es la que se encuentra en forma

de carbonatos es muy alta, pueden presentarse problemas de fragilzación del metal. Esta perdida de elasticidad, también puede ocurrir por frecuentes shocks térmicos en la caldera, al complementar sin calentamiento previo el agua de repuesto para compensar por las perdidas por fugas de vapor o por purgas de la caldera.

4.- Formación de Espumas:

Esto ocurre cuando hay presencia de materia orgánica o de una gran cantidad de sólidos disueltos en el agua de la caldera. Para evitar la formación de espumas, se purga la caldera cuando en el agua se alcanza un cierto nivel preestablecido de sólidos disueltos. Otra acción preventiva consiste en tener un tratamiento externo del agua de alimentación para evitar la presencia de sólidos suspendidos de naturaleza orgánica, así como de grasas y aceites del equipo de proceso que puedan contaminar el agua.

Na2CO3 + H2O + Co2 2NaHCO3 + Calor

Produce espumeo (soda ash, soluble)

TRATAMIENTOS

• Siendo los tratamientos externos, los tratamientos previos que se le aplicaran al agua antes de ser aplicada a la caldera para un proceso cualquiera.

• Teniendo en cuenta las condiciones en las que se obtiene el agua natural (subterráneas, pozos, red municipal, ríos, etc.) se aplicaran los tratamientos correspondientes.

1. ABLANDAMIENTO

POR INTERCAMBIO

IÓNICO: 1.1. CATIÓNICO:

I. TRATAMIENTO a) Ciclo Sodio

EXTERNO b) Ciclo Hidrógeno

TRATAMIENTO 1.2. ANIÓNICO.

DEL AGUA DE 2. ABLAND. EN FRÍO

ALIMENTACIÓN 3. ABLAND. EN CALIENTE

4. ABLAND. ÓSMOSIS INVERSA

II. TRATAMIENTO

INTERNO

1. ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IÓNICO.-

1.1. INTERCAMBIO CATIÓNICO El proceso de ablandamiento del agua por intercambio catiónico se efectúa

mediante el ciclo sodio y el ciclo hidrógeno.

A. Proceso de Ablandamiento del agua por Intercambio Catiónico (Ciclo sodio)

Cuando el agua dura se pasa a través de un lecho de un intercambiador catiónico, el Mg++ y el Ca++ se fijan en el intercambiador catiónico, el que transfiere a la solución una cantidad equivalente de sodio.

Ca+2 (HCO3)2 Ca (HCO3)2 SO4 + 2NaR R2 + Na2 SO4 Mg+2 Cl2 Mg Cl2 (soluble) (insoluble) (insoluble) (solouble)

Zeolita • Las zeolitas son aluminosilicatos con cavidades de dimensiones

moleculares de 3 a 10 angstrom. Contienen iones grandes y moléculas de agua con libertad de movimiento, para así poder permitir el intercambio iónico. Debido a sus poros altamente cristalinos, se considera un tamiz molecular, pues sus cavidades son de dimensiones moleculares, de modo que al pasar las aguas duras, las moléculas más pequeñas se quedan y las más grandes siguen su curso, lo cual permite que salga un líquido más limpio, blando y cristalino.

• La zeolita tiene poros de dimensiones moleculares, por las cuales pasa agua.

zeolita tipo clinoptilolita :

Na6((AlO2)6(SiO2)30))•24 H2O

• Cuando el intercambiador catiónico sódico se “agota” , se procede a regenerarlo con una solución de sal común que elimina el Ca y el Mg en forma de sales solubles de cloro y simultáneamente cambia el intercambiador catiónico a su estado de sal sódica (lavado, retrolavado y enjuague por si hay exceso de sal).Las reacciones de regeneración son:

Ca Ca R2 + 2 NaCl 2NaR + Cl2 Mg Mg (insoluble) (soluble) (insoluble) (soluble)

• B. Proceso de Ablandamiento del agua por Intercambio Catiónico Ciclo Hidrógeno.-

Los iones de calcio, magnesio y sodio del agua son intercambiados por hidrógeno. Los iones de calcio, magnesio y sodio son removidos del agua.

Cuando el intercambio catiónico es con bicarbonatos, el ácido carbónico se descompone en CO2 y H2O, que sale en el efluente:

Ca Ca Mg (HCO3)2 + 2HR Mg R2 + 2H2CO3 Na2 Na2 (soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble) 2H2CO3 2CO2 + 2H2O

• Cuando el intercambio catiónico es con sulfatos, se forma el ácido sulfúrico que sale en el efluente.

Ca Ca

Mg SO4 + 2HR Mg R2 + 2H2SO4

Na2 Na2

(soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble)

• Cuando el intercambio catiónico es con cloruros se forma el ácido clorhídrico que sale en el efluente.

Ca Ca Mg Cl2 + 2HR Mg R2 + 2HCl Na2 Na2 (soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble)

Tratamiento de los efluentes

Los efluentes obtenidos contienen cantidades variables de CO2, H2SO4 y HCl, que se les da el siguiente tratamiento:

– CO2 : Se reduce con un desaireador de tiro forzado para bajar la concentración de 10 a 5 p.p.m.

– El H2SO4 y HCl : Pueden eliminarse por neutralización o un intercambio aniónico débilmente básico.

– Por neutralización: Con un álcali, usualmente NaOH.

H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2H2O HCl + NaOH NaCl + H2O

- Con efluente de un intercambiador catiónico sódico:

H2SO4 + 2 NaHCO3 Na2SO4 + 2H2CO3

2H2CO3 2CO2(g)+ 2H2O HCl + NaHCO3 NaCl + H2CO3

2H2CO3 2CO2(g) + 2H2O

Regeneración de los intercambiadores catiónicos ciclo hidrógeno

La regeneración puede hacerse con ácido sulfúrico o ácido clorhídrico.

Regeneración con H2SO4:

Es el más barato y más usado (solución al 2%). La solución de ácido sulfúrico debe ser diluida (2%) para evitar que el sulfato de calcio precipite sobre los gránulos del intercambiador.

Ca Ca Mg R2 + H2SO4 2HR + Mg SO4 Na2 Na2

(insoluble) (soluble) (insoluble) (soluble)

Regeneración con HCl: El costo es mayor que el del ácido sulfúrico.

Con las resinas de poli estireno de alta capacidad se obtienen excelentes resultados.

Todos los productos de la regeneración son muy solubles, por lo que pueden emplearse soluciones hasta del 15%.

Ca Ca Mg R2 + 2HCl 2HR + Mg Cl2 Na2 Na2

(insoluble) (soluble) (insoluble) (muy soluble)

1.2. ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO ANIÓNICO.

Los intercambiadores aniónicos con de dos tipos:Intercambiador aniónico débilmente básico e intercambiador aniónico fuertemente básico.

Ä) Intercambiadores aniónicos débilmente básicos ( R3N):

Se usan para eliminar ácidos fuertes: H2SO4 , HCl, HNO3 :

H2SO4 + 2R3N (R3N)2. H2SO4 intercambiador aniónico

hidrosulfato(soluble) (insoluble) (insoluble)

HCl + R3N R3N. HCl intercambiador aniónico hidrocloruro

(soluble) (insoluble) (insoluble)

HNO3 + R3N (R3N)2. HNO3 intercambiador aniónico hidronitrato

(soluble) (insoluble) (insoluble)

Regeneración de los Intercambiadores Aniónicos débilmente básicos

• Al final de cada ciclo de operación, el intercambiador aniónico hidro se regenera con Na2CO3 , se enjuaga y se pone en servicio:

(R3N)2.H2SO4 + Na2CO3 2R3N + Na2SO4 + CO2+ H2O

2R3N.HCl + Na2CO3 2R3N + 2NaCl + CO2 + H2O

2R3N.HNO3 + Na2CO3 2R3N + 2NaNO3 + CO2 + H2O

(insoluble) (soluble) (insoluble) (soluble)

DESVENTAJA: Elimina los ácidos fuertes, pero el efluente contiene la misma cantidad de sílice que el agua cruda, lo mismo que CO2 formado, además de su CO2 original.

Intercambiadores aniónicos fuertemente básicos

- Difieren del los I.A. débilmente básicos en que remueven tanto los ácidos fuertes como los débiles.

H2SO4(aq) + 2R4NOH (R4N)2SO4 + 2H2O

HCl(aq) + R4NOH R4NCl + H2O

HNO3(aq) + R4NOH R4NNO3 + H2O

H2CO3 + R4NOH R4NHCO3 + H2O

H2SiO3 + R4NOH R4NHSiO3 + H2O

(soluble) (insoluble) (insoluble)

• Regeneración de los Intercambiadores Aniónicos fuertemente básicos:- Al final de la operación, el IAFB se retrolava, se regenera con solución de hidróxido de sodio, se enjuaga y se vuelve al servicio.- Las reacciones de regeneración son:

(R4N)2SO4 + 2 NaOH 2R4NOH + Na2SO4

R4NCl + NaOH R4NOH + NaCl

R4NNO3 + NaOH R4NOH + NaNO3

R4NHCO3 + 2 NaOH R4NOH + Na2CO3 + H2O

R4NHSiO3 + 2 NaOH R4NOH + Na2SiO3 + H2O

(insoluble) (soluble) (insoluble) (soluble)

VENTAJAS: El IAFB elimina ácidos fuertes, ácidos débiles, CO2 y SiO2 .

2. ABLANDAMIENTO POR EL PROCESO CAL SODADA EN FRÍO

* Se le conoció con el nombre de Proceso Porter-Clark (1841). * Thomas Clark (Escocés): Añadió cal al agua reduciendo la dureza

producida por bicarbonatos de calcio y magnesio. Este método reduce únicamente la dureza de bicarbonatos:

Ca(HCO3)2 + CaO 2 CaCO3 + H2OMg(HCO3)2 + CaO 2 CaCO3 + Mg(OH)

* John H. Porter: Además de usar la cal para reducir la dureza de bicarbonato, usó la soda Ash ( Na2CO3 ) para reducir la dureza de no carbonatos (sulfatos):

CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4

• Los precipitados se sedimentan, coagulan y se filtran antes de usarla.

3. ABLANDAMIENTO POR EL PROCESO CAL SODADA EN CALIENTE

- Difiere del anterior proceso, en que este es llevado a efecto a una temperatura cercana al punto de ebullición del agua.

- Debido a estas elevadas temperaturas, los procesos en caliente usualmente se limitan al tratamiento de aguas para calderas.

- Mediante este proceso se elimina también dureza de bicarbonatos y de no carbonatos, usando cal hidratada y soda Ash, respectivamente:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2 CaCO3 + 2 H2O 888 p.p.m. 13 p.p.m.

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O 17 p.p.m.

CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4 1250 p.p.m. 290000 p.p.m. 210000 p.p.m.

4. OSMOSIS INVERSA

La Osmosis Inversa consiste en separar un componente de otro en una solución, mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semi-permeable. Su nombre proviene de "osmosis", el fenómeno natural por el cual se proveen de agua las células vegetales y animales para mantener la vida.

En el caso de la Osmosis, el solvente (no el soluto) pasa espontáneamente de una solución menos concentrada a otra más concentrada, a través de una membrana semi-permeable. Entre ambas soluciones existe una diferencia de energía, originada en la diferencia de concentraciones. El solvente pasará en el sentido indicado hasta alcanzar el equilibrio.

DIFERENCIAS EN OSMOSIS

ESQUEMA BASICO DE UN SISTEMA DE OSMOSIS INVERSA

RECHAZO DE MEMBRANA

Ejemplo: Proceso de desalación del agua de mar.

• Π(agua de mar) = 30 Atm (ésta es la presión que debe aplicarse a la disolución salina para impedir el flujo de agua de izquierda a derecha).

• Si Π (agua de mar) > 30 Atm, el flujo osmótico se invertirá y el agua limpia pasará de hecho de la disolución salina al compartimiento de la izquierda, a través de la membrana.

*Presión osmótica( Π ) o presión de equilibrio.