agua para-calderas
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Jaimes Córdova, ErikaMendieta castro, AnyelaVásquez prieto, Katherin
Mayo 2016.
1TRATAMIENTO EXTERNO DE AGUA PARA CALDERAS
Universidad nacional José
Faustino Sánchez Carrión.
Ingeniería e industrias
alimentarias.
Tratamiento de aguas industriales
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Dedicatoria
Dedicamos este trabajo a nuestro profesor del curso como también a nuestros compañeros esperando ser participe también en el
conocimiento presentado en el presente trabajo.
Resumen
Hoy en día numerosos industrias requieren de la producción de vapor para sus diferentes procesos, y muchos de ellos quedarían colapsados por una falla en la caldera hasta el punto de llegar a parar su producción. Por eso se debe tener en cuenta la importancia que tiene el tratamiento del agua en la vida útil, eficiencia y seguridad de las calderas industriales.
Una caldera es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura.
Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como esterilización (tindalización): era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización).
El tratamiento del agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental para asegurar una larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de importancia y accidentes.
El agua que va a ser utilizada para la producción de vapor requiere de unas características fisicoquímicas imprescindibles para evitar problemas en los equipos. Es por ello que podemos considerar dos tipos de tratamientos del agua: los primarios, que son aquellos realizados al agua bruta para adecuar sus características a las de alimentación a los generadores de vapor; y los secundarios, que son los realizados ya al agua alimentada a las calderas y al propio tratamiento interno de las mismas.
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Introducción
El tratamiento del agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental para asegurar una
larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de importancia y accidentes.
Hoy en día numerosos industrias requieren de la producción de vapor para sus diferentes
procesos, y muchos de ellos quedarían colapsados por una falla en la caldera hasta el punto de
llegar a parar su producción. Por eso se debe tener en cuenta la importancia que tiene el
tratamiento del agua en la vida útil, eficiencia y seguridad de las calderas industriales.
El agua que va a ser utilizada para la producción de vapor requiere de unas características
fisicoquímicas imprescindibles para evitar problemas en los equipos. Es por ello que podemos
considerar dos tipos de tratamientos del agua: los primarios, que son aquellos realizados al agua
bruta para adecuar sus características a las de alimentación a los generadores de vapor; y los
secundarios, que son los realizados ya al agua alimentada a las calderas y al propio tratamiento
interno de las mismas.
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Índice:
Tabla de contenidoCapítulo 1.........................................................................................................................................6CALDERAS:...................................................................................................................................6La caldera, en la industria, es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase a vapor saturado..............6Capítulo 2:.......................................................................................................................................7
CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS..................................................................................7Clasificación de acuerdo a la presión de trabajo de la caldera:...................................................7
a) Calderas de Baja presión:................................................................................................7b) Calderas de media presión:................................................................................................7c) Calderas de alta presión:......................................................................................................7d) Calderas supercríticas..........................................................................................................7
Clasificación de acuerdo a la producción de vapor.....................................................................8a) Calderas chicas....................................................................................................................8b) Calderas medianas...............................................................................................................8c) Calderas grandes..................................................................................................................8
Clasificación de acuerdo al combustible utilizado......................................................................8a) Calderas de combustibles líquidos......................................................................................8b) Calderas de combustible gaseosos......................................................................................9c) Calderas de combustibles sólidos........................................................................................9
Clasificación de acuerdo a la circulación del agua dentro de la caldera....................................10a) Circulación natural............................................................................................................10b) Circulación asistida...........................................................................................................10c) Circulación forzada............................................................................................................11
Clasificación debido al intercambio de calor............................................................................12a) Radiantes, o de radiación total...........................................................................................12b) Convectivos...................................................................................................................13c) De calentamiento indirecto............................................................................................13
a) Calderas humo tubulares:......................................................................................................13b) Calderas acuotubulares:.........................................................................................................14c) Calderas pirotubulares:..........................................................................................................15Partes principales de una caldera.......................................................................................................16
Hogar o fogón:.......................................................................................................................16Puerta del hogar:....................................................................................................................17Parrillas (o emparrillado):......................................................................................................17Conductos de humo...............................................................................................................18Chimenea...............................................................................................................................18Puertas de explosión..............................................................................................................19Cámara de agua......................................................................................................................19Cámara de vapor....................................................................................................................19
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Cámara de alimentación de agua...........................................................................................19Es el espacio comprendido entre los niveles máximo y mínimo de agua. Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupada por vapor y/o agua, según sea donde se encuentre el nivel de agua......................................................................................................20
Factores predominantes para la selección de calderas...............................................................20Fuentes de agua..........................................................................................................................21
Capitulo 3......................................................................................................................................23TRATAMIENTO DE AGUA PARA CALDERAS..............................................................23Equipos tratamiento de agua..................................................................................................24Desgasificador.......................................................................................................................26Tratamientos externos del agua.............................................................................................27
SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE CALDERA CON AGUA...........................30Desmineralizada:...................................................................................................................30Corrosión...............................................................................................................................31ACCIONES CORRECTIVAS:.............................................................................................34
Bibliografía....................................................................................................................................37
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Capítulo 1
CALDERAS:
La caldera, en la industria, es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar
vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual
el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase a vapor saturado.
Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de
cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de
transporte en fase líquida o vapor.
La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de
intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de
presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos
contenedores de gas.
Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy
utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:
Esterilización (tindalización): era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales
generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico; también en los comedores, con
capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar
alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización).
Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy
utilizado para calentar petróleos pesados y mejorar su fluidez.
Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las
centrales termoeléctricas. Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su
diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado
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Capítulo 2:
CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Se clasifican según diversos criterios, relacionados con la disposición de los fluidos y su
circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, aspectos estructurales, modo de
intercambio de calor, la forma del quemado del combustible, forma de alimentación del agua y
otros muchos factores.
Basándose en algunos de estos criterios las calderas se pueden clasificar en:
Clasificación de acuerdo a la presión de trabajo de la caldera:
a) Calderas de Baja presión:
Calderas que producen vapor a baja presión, hasta unos 4 o 5 kg/cm2.
Este rango de presiones es más común en las calderas de agua caliente que en las calderas que
generan vapor.
b) Calderas de media presión:Producen vapor hasta aproximadamente 20 kg/cm2. Generalmente vapor saturado, utilizadas en
la industria en general.
c) Calderas de alta presión:Asociadas a ciclos de potencia, trabajan con presiones de 20 kg/cm2 hasta presiones cercanas a
la crítica.
d) Calderas supercríticas.Son calderas que trabajan con presiones superiores a la crítica:
225,56 ata, 374,15ƒC. Utilizadas en grandes plantas de generación de energía eléctrica, en EEUU
y en algunos países de Europa, también hay algunas en Japón.
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Clasificación de acuerdo a la producción de vapor
a) Calderas chicasProducen hasta 1 o 2 toneladas de vapor saturado por hora.
b) Calderas medianasProducciones de hasta aproximadamente 20 toneladas de vapor por hora. Las calderas chicas y
medianas casi en su totalidad son calderas humo tubulares de baja y media presión.
c) Calderas grandesCalderas que producen desde 20 toneladas de vapor por hora, siendo normal encontrar
producciones de 500 y 600 toneladas por hora. Generalmente vapor sobrecalentado, siendo
calderas acuotubulares.
Clasificación de acuerdo al combustible utilizado
a) Calderas de combustibles líquidosSe fabrican Generadores de Vapor de todo tipo y tamaño que utilizan combustibles líquidos.
Requieren de instalaciones de almacenaje y tanques de servicio, de elementos de
precalentamiento del fuel y de sistemas de bombeo y transporte.
La viscosidad de estos combustibles varía desde 30 – 40 cSt (100ºC) en los fuels de baja
viscosidad hasta 700 cSt (100ºC) y más para combustibles de alta viscosidad, como los utilizados
en sistemas de generación eléctrica.
En las plantas industriales en general se utilizan fuels de viscosidad del orden de 380 - 450 cSt
(100ºC). Es normal tener que precalentarlos a 30 – 40ºC para reducir su viscosidad
y poder bombearlos hasta los quemadores.
En unidades grandes es común arrancar con un combustible de baja viscosidad y luego pasar a
utilizar uno más viscoso.
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Los quemadores que utilizan combustibles líquidos se instalan generalmente horizontales. Hay
algún tipo de quemadores de ángulo regulable para poder variar el intercambio por radiación en
el hogar.
La turbulencia del aire que entra al quemador es importante para obtener una correcta
combustión y un largo de llama apropiado, de tal manera que no dañe las paredes de refractario o
las paredes de tubos de agua y al mismo tiempo asegure una combustión completa de todas las
gotas de fuel.
b) Calderas de combustible gaseososUtilizan tanto gas natural como GLP, aire propanado o gas obtenido en gasificadores.
Generalmente los quemadores de gas trabajan con muy baja presión, por lo que es común que
tengan sistemas de reducción de presión importantes.
En el caso de tener asociado un gasificado que suministre un gas muy particulado se utilizan
cámaras torsionales a fin de aumentar el tiempo de permanencia del combustible en el hogar.
Es importante lograr una buena mezcla de aire-gas. Con los combustibles gaseosos el riesgo de
explosiones por acumulación de combustible no quemado es grande, por lo que es sumamente
importante proveer las medidas de seguridad adecuadas. La posición de los quemadores de gas
es similar a la de los que utilizan combustibles líquidos.
Es común utilizar quemadores duales, que permitan el uso de uno u otro combustible,
dependiendo de su disponibilidad y costo.
c) Calderas de combustibles sólidosLos combustibles sólidos utilizados son muy variados: leña en todos los tamaños (rolos, astillas,
chips), deshechos de producción (pellets de madera, aserrín, bagazo de caña de azúcar, cáscara
de arroz), carbón (en distintos grados de pulverización), etc.
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Cada uno requerirá una tecnología apropiada para poder quemarlos de la mejor manera, desde
molinos para pulverizarlos finamente hasta grillas muy sofisticadas..
En el caso de combustibles no pulvurentos el diseño de las grillas que los sostienen durante la
combustión es de fundamental importancia.
En países desarrollados se utilizan calderas que queman los residuos sólidos urbanos.
Clasificación de acuerdo a la circulación del agua dentro de la caldera
Es una clasificación que tiene sentido en las calderas acuotubulares, en las humotubulares la
circulación del agua en el interior es siempre por convección natural.
a) Circulación natural.La circulación del agua y de la mezcla agua-vapor ocurre naturalmente debido a la diferencia de
densidades entre el agua más fría y la mezcla de agua- vapor (efecto sifón).
Implica entonces tener un circuito cerrado por donde circula el agua y una diferencia de altura
apreciable entre las partes altas y bajas del equipo.
Los generadores chicos, los de potencia mediana y una buena parte de los grandes generadores
de vapor son de circulación natural.
Figura n° 1: Circulación natural dentro de una caldera.
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b) Circulación asistida.
En este caso la circulación natural en los tubos de la caldera es complementada
por bombas instaladas en el circuito.
En este caso también la caldera consiste en un circuito cerrado, pero permite construcciones más
compactas incluso con tubos inclinados.
Se utiliza en aquellos caso en que la diferencia entre las densidades del fluido frío y del caliente
no es demasiado grande, típicamente para presiones superiores a los 140-160 bar.
Son más costosas y requieren importantes mantenimientos. En general se debe instalar un
sistema de respaldo para evitar la parada de toda la caldera por salida de servicio de la bomba.
Figura n° 2: circulación asistida dentro de una caldera.
c) Circulación forzada.
Este tipo de calderas tiene una concepción distinta, se trata de un circuito abierto y no cerrado.
La bomba impulsa el agua a través de una primera superficie de intercambio donde se
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precalienta, luego pasa a un segundo intercambiador donde se vaporiza y luego, en algunos
casos, pasa a un tercer intercambiador donde se sobrecalienta.
A diferencia de las anteriores no hay una masa de agua circulando sin vaporizarse, la bomba
entrega toda el agua que se vaporiza. No hace falta resaltar la importancia de la bomba en este
diseño, un paro de la bomba implica un paro de la caldera.
Figura n° 3: circulación forzada dentro de una caldera.
Clasificación debido al intercambio de calor.
Hay que aclarar previamente que no es una clasificación estricta, refiere al tipo de intercambio
predominante que se da en las superficies de vaporización (se excluyen los intercambios en las
superficies de recuperación: pre calentador y sobre calentadores). En todas las calderas se tienen
intercambios por radiación y por convección, difícilmente se encuentre uno solo de estos tipos.
a) Radiantes, o de radiación total.En general se trata de calderas acuotubulares grandes, donde los tubos en donde se genera el
vapor conforman las paredes del hogar. Las altas temperaturas que se tienen en la combustión
hacen que se tenga un intercambio muy importante de calor por radiación. Además estas calderas 12
trabajan a presiones elevadas, con lo que el calor de vaporización necesario es relativamente
bajo, y al utilizar agua de alimentación previamente calentada hasta temperaturas muy cercanas a
la de saturación, se consigue que las paredes de tubos del hogar sean suficientes para transferir
todo el calor de vaporización necesario.
b) Convectivos
Típicamente son las calderas HRSG (Heath Recovery Steam Generator), sin cámara de
combustión. Utilizan un fluido caliente como fuente de calor, producto de algún proceso previo
(hornos de fundición, hornos de vidrio, turbinas de gas, motores diesel, etc.)
c) De calentamiento indirecto
Son calderas de fluidos térmicos en las que se calienta un fluido intermedio, típicamente
un aceite, y este es el que al circular por un intercambiador, genera el vapor de agua. El fluido es
nuevamente recirculado hacia la caldera.
TIPOS DE CALDERAS:
a) Calderas humo tubulares:
En estas calderas son los humos los que circulan por dentro de tubos, mientras que el agua se
calienta y evapora en el exterior de ellos.
Todo este sistema está contenido dentro de un gran cilindro que envuelve el cuerpo de presión.
Los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70 C de forma que se evita la
condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y
de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes, se producen pérdidas de energía con
la consiguiente bajada del rendimiento de la caldera.
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La caja de humos (colector de humos), es la parte de la caldera donde confluyen los gases de la
combustión en su recorrido final, que mediante un tramo de conexión se conducen a la chimenea.
Figura no4: calderas humo tubulares
b) Calderas acuotubulares:
Por dentro de tubos circula el agua y la mezcla de agua y vapor. Por fuera, generalmente en flujo
cruzado, intercambian calor los humos productos de la combustión. En este tipo de calderas
además el hogar (recinto donde se produce la combustión) está conformado por paredes de tubos
de agua. En ellas el intercambio es básicamente por radiación desde la llama.
En este tipo de calderas es el agua o fluido térmico que se pretende calentar, es la que circula por
el interior de los tubos que conforman la cámara de combustión y que están inmersos entre los
gases o llamas producidas por la combustión. El vapor o agua caliente se genera dentro de estos
tubos.
Existen dos tipos de agrupaciones de tubos, de subida y de bajada que se comunican entre sí en
dos domos.
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Figura no 5: Caldera acuotubular
c) Calderas pirotubulares:
En este tipo de caldera el humo caliente procedente del hogar circular por el interior de los tubos
gases, cambiando de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea.
El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos
al agua que los rodea, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa
convenientemente calorifugada.
A través de este recorrido, el humo, ceden gran parte de su calor al agua, vaporizándose parte de
esta agua y acumulándose en la parte superior del cuerpo en forma de vapor saturado. Esta
vaporización parcial del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del
recipiente y su visualización en el manómetro.
Su rendimiento global esperado a lo largo de su vida útil no supera el 65% en el mejor de los
casos.
Este tipo de generadores, por su diseño no admiten presiones de trabajo elevadas, más allá de las
dos o tres atmósferas; son de construcción sencilla y disponen de moderada superficie de
intercambio, por lo no se utilizan para elevadas producciones de vapor.
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Son en compensación, muy económicos en costo y de instalación sencilla, por lo que su
utilización actual primordial es para calefacción y producción de vapor para usos industriales.
Figura no 6: calderas pirotubulares
Partes principales de una caldera
En este punto se tratarán sólo aquellas partes generales relevantes propias del diseño de las
calderas. Debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de partes características, es
muy difícil atribuir a todas ellas un determinado componente. En razón a lo anterior se analizarán
las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo de
caldera que dispone de dicho elemento.
Hogar o fogón: Es el espacio donde se quema el combustible. Se le conoce también con el nombre de "Cámara
de Combustión". Los hogares se pueden clasificar en:
a) Según su ubicación Hogar exterior.
Hogar interior.
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b) Según su construcción. Hogar liso.
Hogar corrugado.
Figura no 7: Partes de la caldera, según su construcción.
Puerta del hogar:
Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con refractario o de
doble pared, por donde se echa el combustible al hogar y se hacen las operaciones de control del
fuego.
Figura n°8: Partes de la caldera, puerta del hogar.
En calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta es reemplazada por el
quemador.
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Parrillas (o emparrillado):
Son piezas metálicas en forma de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en
el interior del fogón y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que
tienen, permiten el paso del "aire primario" que sirve para que se produzca la combustión.
Figura n° 9: Partes de la caldera, parrilla.
Conductos de humo
Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases calientes de la combustión. De esta
forma se aprovecha el color entregado por éstos para calentar el agua y/o producir vapor.
Figura n° 11: Partes de la caldera, conductores de humo.18
ChimeneaEs el conducto de salida de los gases y humos de la combustión para la atmósfera. Además tiene
como función producir el tiro necesario para obtener una adecuada combustión.
Figura n° 12: Partes de la caldera, chimenea.
Puertas de explosiónSon puertas metálicas con contrapeso o resorte, ubicadas generalmente en la caja de humos y que
se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los
gases y eliminando la presión.
Cámara de aguaEs el espacio o volumen de la caldera ocupado por el agua. Tiene un nivel superior máximo y
uno inferior mínimo bajo el cual, el agua, nunca debe descender durante el funcionamiento de la
caldera.
Cámara de vaporEs el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se
almacena el vapor generado por la caldera. Mientras más variable sea el consumo de vapor, tanto
mayor debe ser el volumen de esta cámara.
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Cámara de alimentación de agua
Es el espacio comprendido entre los niveles máximo y mínimo de agua. Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupada por vapor y/o agua, según sea donde se encuentre el nivel de agua.
Factores predominantes para la selección de calderas
Cantidad y tipo de vapor requerido
Combustible disponible
Exigencias futuras
Régimen de consumo
Utilización diaria
Requisitos
Por otra parte, el usuario espera que el equipo reúna ciertos requisitos básicos, que incluyen lo
siguiente:
Seguridad en el servicio
Sencillez
Bajo costo de adquisición, operación y mantención
Servicio adecuado
Entrega inmediata
La gran variedad de diseños y tipos de equipos que se ofrecen en la actualidad, hacen de la
selección de la caldera un problema bastante complejo. Pero por otro lado esta abundancia, ha
permitido la obtención de una caldera adecuada para cada caso.
En todo caso, cualquiera que sea el tipo de caldera a seleccionar, la elección deberá ser hecha por
un profesional idóneo que garantice que la caldera elegida finalmente es la más adecuada.
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Fuentes de agua
Las fuentes de agua corresponden a toda aquella agua (ríos, lagos, océanos, etc.), que no ha
recibido ningún tipo de tratamiento y por lo tanto contienen impurezas, adquiridas durante el
ciclo al que han sido sometidas, que impiden su utilización directa en una caldera.
A medida que el agua fluye por sobre la superficie de la tierra o se filtra a través de las capas de
ésta, continua atrapando o disolviendo impurezas del suelo o minerales por los que atraviesa.
Así es como agua aparentemente cristalina, proveniente de lagos, ríos y vertientes, puede tener
un elevado contenido de sólidos disueltos.
Las impurezas encontradas con mayor frecuencia en las fuentes de agua, figuran las siguientes
los sólidos en suspensión, líquidos no mezclables con agua (ej. aceite), colorantes, bacterias y
otros microorganismos, sustancias semi-coloidales, gases disueltos, sales minerales disueltas
(cationes, aniones y sílice).
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Tratamiento del agua
Los principales parámetros involucrados en el tratamiento del agua de una caldera, son los siguientes:
pH. El pH representa las características ácidas o alcalinas del agua, por lo que su control es esencial para prevenir problemas de corrosión (bajo pH) y depósitos (alto pH).
Dureza. La dureza del agua cuantifica principalmente la cantidad de iones de calcio y magnesio presentes en el agua, los que favorecen la formación de depósitos e incrustaciones difíciles de remover sobre las superficies de transferencia de calor de una caldera.
Oxígeno. El oxígeno presente en el agua favorece la corrosión de los componentes metálicos de una caldera. La presión y temperatura aumentan la velocidad con que se produce la corrosión.
Hierro y cobre. El hierro y el cobre forman depósitos que deterioran la transferencia de calor. Se pueden utilizar filtros para remover estas sustancias.
Dióxido de carbono. El dióxido de carbono, al igual que el oxígeno, favorecen la corrosión. Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de ranuras y no de tubérculos como los resultantes de la corrosión por oxígeno. La corrosión en las líneas de retorno de condensado generalmente es causada por el dióxido de carbono. El CO2 se disuelve en agua (condensado), produciendo ácido carbónico. La corrosión causada por el ácido carbónico ocurrirá bajo el nivel del agua y puede ser identificada por las ranuras o canales que se forman en el metal.
Sólidos disueltos
Los sólidos disueltos la cantidad de sólidos (impurezas) disueltas en al agua.
Sólidos en suspensión. Los sólidos en suspensión representan la cantidad de sólidos
(impurezas) presentes en suspensión (no disueltas) en el agua.
Alcalinidad. Representa la cantidad de carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos y silicatos
o fosfatos en el agua. La alcalinidad del agua de alimentación es importante, ya que,
representa una fuente potencial de depósitos.
Conductividad. La conductividad del agua permite controlar la cantidad de sales
(iones) disueltas en el agua.22
Capitulo 3
TRATAMIENTO DE AGUA PARA CALDERAS
El tratamiento de agua es evitar problemas de corrosión e incrustaciones, asegurando la
calidad del agua de alimentación y del agua contenida en la caldera.
El aseguramiento de la calidad del agua de alimentación y agua de la caldera se consigue
cumpliendo con los requerimientos de las normas, que definen los límites recomendados para
los parámetros involucrados en el tratamiento del agua.
Uno de los componentes de mayor aprecio en una industria y que puede representar una buena
parte de la inversión es el boiler o 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 óptimas
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 más 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 líquida 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.
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Equipos tratamiento de agua
Se muestran los equipos que intervienen en el tratamiento de agua de una planta térmica.
Figura n°:13 Equipos y tratamiento de agua para calderas.
Ablandadores
La función de los ablandadores es eliminar los iones de Ca y Mg, que conforman la dureza
del agua y favorecen la formación de incrustaciones en una caldera. El principio de
funcionamiento de estos equipos se basa en un proceso llamado “intercambio iónico”, que
consiste en la sustitución de estos iones por sodio (Na) para obtener agua para ser utilizada en
calderas.
Los ablandadores están compuestos por resinas, que poseen una capacidad de intercambio de
iones de calcio y magnesio por sodio.
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Figura n° 14: Ablandadores.
Tabla n° 1: funcionamiento de ablandadores.
En el caso de que la capacidad de entrega de agua blanda de estos equipos se vea disminuida
(agua entregada con dureza mayor a 6 ppm expresada como CaCO3), es necesario llevar a
cabo una regeneración para recuperar la capacidad de intercambio de las resinas.
La regeneración es realizada con sal sódica (NaCl) de calidad técnica con una concentración
de 150 a 250 gr/l de resina.
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Agua Dura Resina Agua Blanda
Ca(HCO3)2Mg(HCO3)2CaSO4 NaHCO3MgSO4 + R – Na ----> Na2SO4CaCl2 NaClMgCl2NaCl
Desgasificador
La función de un desgasificador en una planta térmica es eliminar el oxígeno y dióxido de
carbono disuelto en el agua de alimentación de las calderas para prevenir problemas de
corrosión o “pitting”. Los componentes principales:
Torre de desgasificación.
Estanque de agua de alimentación.
Manómetro.
Termómetro bimetálico.
Nivel de agua.
Válvula venteo.
Válvula drenaje estanque de agua alimentación.
Válvula retención línea retorno de condensado.
Válvula retención línea agua de reposición.
Válvula rompedora de vacío.
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Figura n°15: Desgasificador.
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Tratamientos externos del agua
Se definen así a los tratamientos fisicoquímicos a los que debe ser sometida un agua bruta
para que su calidad y composición sea admisible para su utilización en una caldera.
Las impurezas que suele traer el agua sin tratamiento son: sólidos en suspensión (barros, arena,
material orgánico, etc), sólidos disueltos (sales de calcio, sales de magnesio, etc.) y gases
disueltos (dióxido de carbono, oxígeno). Todas estas impurezas presentes en el agua natural
deben ser eliminadas (en mayor o menor medida, según el tipo de generador y presión de
trabajo) para su uso en la producción de vapor, y estos procesos de eliminación o reducción
salina es lo que se denominan como tratamientos externos del agua.
A continuación se describen de forma escueta los diferentes procesos de tratamiento externo
del agua:
• Filtración. Se trata de un proceso físico que no altera las características químicas del agua,
por el cual se eliminan partículas en suspensión o material coloidal de mayor tamaño, haciendo
pasar el agua a través de un lecho filtrante normalmente constituido por lechos de arena de
diferente granulometría o lechos mixtos constituidos por arena antracita.
• Coagulación-floculación. Normalmente, ambos tratamientos se aplican conjuntamente, ya
que con el primero se desestabilizan los coloides y con el segundo se aglutinan para formar
agregados de gran tamaño y fácil eliminación por sedimentación. Los productos coagulantes
utilizados comúnmente son: sales de hierro (cloruro férrico, sulfato ferroso), sales de aluminio
(sulfato de alúmina, policloruros de aluminio) y polímeros sintéticos. Los productos
floculantes utilizados en estos procesos a nivel industrial están basados en: poliacrilamidas,
poliaminas, polidadmac. El proceso se lleva a cabo normalmente en decantadores, si bien en
algunos casos puede realizarse en línea previamente a la filtración sobre lecho de arena.
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• Des carbonatación. En este proceso, realizado normalmente para disminuir la dureza del
agua, se realiza una precipitación de las sales de dureza asociadas a los carbonatos y
bicarbonatos (dureza temporal) o también a la asociada a cloruros y sulfatos (dureza
permanente). El proceso se lleva a cabo en reactores decantadores, empleando coagulantes
como los indicados anteriormente, polielectrolitos, lechada de cal (en el caso de eliminación de
la dureza temporal) y con cal más carbonato sódico (si además eliminamos la dureza
permanente). Este método previene la formación de incrustaciones, las cuales conducen a una
baja eficiencia en la producción de vapor, disminuyendo la cantidad de vapor producido por
unidad de calor generado.
• Ultrafiltración. Es una técnica de tratamiento del agua mediante la utilización de
membranas semipermeables, que retienen los sólidos en suspensión y macromoléculas
normalmente debidas a contaminantes orgánicos, dejando pasar el agua y las sales disueltas.
Puede ser recomendable su utilización en determinadas aguas, como paso previo a la ósmosis
inversa. Los sistemas trabajan a baja presión
• Resinas de intercambio iónico. Este procedimiento consistente en el intercambio de iones
entre el agua a tratar (constituidos por cationes y aniones) y los de la resina, que permite la
obtención de aguas de diferente grado de pureza, con contenidos salinos incluso < 0,1 μS/cm.
Las resinas de intercambio iónico son unos productos de naturaleza orgánica, en forma de
diminutas esferas y que tienen una gran cantidad de grupos polares ácidos o básicos capaces de
intercambiarse con iones del mismo signo presentes en el agua y que además pueden ser
regenerados de forma rápida y sencilla.
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Hay una gran variedad de configuraciones, que permite obtener agua de muy diferentes
calidades:
– Ablandadores o resinas catiónicas en ciclo sodio: sustitución del calcio y magnesio presentes
en el agua y su sustitución por Na+ presente en la resina.
– Resinas catiónicas de ácido débil y de ácido fuerte: realizan el intercambio de los cationes
presentes en el agua (Ca+2, Mg+2, Na+, K+, Fe+2, etc.) por H+.
– Resinas aniónicas débiles y fuertes: realizan el intercambio de los aniones presentes en el
agua (Cl-, SO4 -2, CO3 -2, CO3H-, SiO3 -2, NO3 -, etc.) por OH-.
• Ósmosis inversa. Proceso de filtración sobre membrana semipermeable a presiones medias o
altas (superiores a la osmótica), que permite la separación selectiva de los iones del agua: el
agua exenta de sales atraviesa la membrana mientras el agua cargada de sales queda en la zona
sometida a presión. Dependiendo del tipo de membrana utilizada, la calidad del agua de
entrada y la presión aplicada, pueden conseguirse reducciones del 95-99% de la salinidad del
agua. La menor selectividad se corresponde con los nitratos, bicarbonatos y sílice.
• Electrodiálisis. Es un proceso actualmente de amplia implantación en el sector de tratamiento
de agua para calderas de media y alta presión, consistente en una aplicación conjunta de una
diferencia de potencial entre un cátodo y un ánodo y membranas permeables selectivas. Si el
agua a tratar se somete a un campo eléctrico constituido por un ánodo y un cátodo, se
producirá una separación iónica en donde los cationes se desplazarán hacia el electrodo
negativo y los aniones hacia el electrodo positivo; si además, alternativamente, entre ambos
electrodos se sitúan membranas “permselectivas” a cationes y aniones, separadas por espacios
intermedios, entonces podremos separar selectivamente: en una parte de la membrana nos
quedará el agua desalinizada y en la otra, el agua concentrada.
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• Desgasificación. La operación de eliminación de los gases disueltos en el agua de
alimentación requiere normalmente de una mezcla de sistemas mecánicos y químicos. La
solubilidad del oxígeno en el agua es función inversa de la temperatura, y el rendimiento de la
operación es función de la temperatura y del sistema utilizado.
SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE CALDERA CON AGUA
Desmineralizada: El concepto de desmineralizar el agua que se alimenta a una caldera tiene la gran ventaja de
poder emplear una sola formulación o adición de sustancias químicas que protejan la caldera
de la acción corrosiva e incrustante del agua de proceso, independientemente de la procedencia
y calidad del agua.
A: Proceso de ablandamiento tradicional. En el proceso de ablandamiento con resinas
cationicas, el calcio y el magnesio son intercambiados por iones sodio. En el proceso de
ablandamiento la salinidad o contenido de sales disueltas en el agua no disminuye, de hecho se
incrementa ligeramente ya que un equivalente de calcio Ca+2 pesa 20 gramos y un equivalente
de sodio Na+ pesa 23 gramos.
B: Ablandamiento con membranas. Para que el agua pueda ser procesada por membranas,
previamente deberá tener un adecuado tratamiento externo, para garantizar la ausencia de
sólidos y coloides en el agua a alimentar a la caldera.
Esquema de tratamiento: El esquema de tratamiento para un sistema de caldera con agua
desmineralizada consiste en lo siguiente: el agua de la fuente de suministro pasa a través de un
filtro de multimedia para remover partículas suspendidas y posteriormente por un filtro de
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micro filtración de 5 micrones que remueve las partículas de finos del agua a alimentar a la
membrana.
El agua de rechazo en las membranas puede tener un uso secundario, como en riego, limpieza
de maquinaria y equipo, se puede integrar al agua de servicios generales, reinyectarse en el
pozo, o como última opción desecharse al drenaje.
Este esquema de tratamiento tiene las siguientes ventajas:
1: Protege la caldera de la corrosión.
2: No hay forma de tener incrustaciones por precipitación de sales insolubles y sólidos
suspendidos
3: No hay formación de espuma en la caldera, lo cual afecta la calidad del vapor y causa
problemas de operación en la caldera.
4: La formulación del producto que protege la caldera, no esta sujeta a variables en la
composición del agua o a criterios del operador. Siempre es un mismo esquema de tratamiento
independientemente de la naturaleza y calidad del agua de suministro o fuente de
abastecimiento.
CALIDAD DEL AGUA EN UNA CALDERA:
Problemas más Frecuentes
A continuación se describen los problemas, asociados al tratamiento de agua, encontrados con
mayor frecuencia en las calderas
Corrosión.Las principales fuentes de corrosión en calderas son la Corrosión por Oxígeno o “Pitting”.
Corrosión por Oxígeno o “Pitting”.
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La corrosión por oxígeno consiste en la reacción del oxígeno disuelto en el agua con los
componentes metálicos de la caldera (en contacto con el agua), provocando su disolución o
conversión en óxidos insolubles.
Los resultados de este tipo de corrosión son tubérculos de color negro, los que se forman sobre
la zona de corrosión.
Figura n°17: Corrosión por oxígeno o “pitting”.
Corrosión Cáustica.
La corrosión cáustica se produce por una sobre concentración local en zonas de elevadas cargas térmicas (fogón, cámara trasera, etc.) de sales alcalinas como la soda cáustica.Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de cavidades profundas, semejantes al “pitting”
por oxígeno, rellenas de óxidos de color negro, presentes solamente en las zonas de elevada
liberación térmica (fogón, placa trasera y cámara trasera) de una caldera.
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Figura n°18: Corrosión cáustica en fogón de una caldera.
IncrustacionesLa incrustación es indeseable ya que al formar una capa en los tubos y demás componentes del
equipo, evitan la transmisión efectiva del calor. Esto conduce a una baja eficiencia en la
producción de vapor, disminuyendo la cantidad de vapor producido por unidad de calor
generado, y también causa desgaste del tubo y accesorios por fatiga térmica ya que se requiere
de mayor temperatura del metal en la parte expuesta a la flama, que cuando no existe
incrustación y este desgaste térmico afecta también la vida útil del equipo
Las incrustaciones corresponden a depósitos de carbonatos y silicatos de calcio y magnesio,
formados debido una excesiva concentración de estos componentes en el agua de alimentación.
Arrastre de Condensado
El arrastre de condensado en una caldera tiene relación con el suministro de vapor húmedo
(con gotas de agua). El suministro de vapor húmedo puede tener relación con deficiencias
mecánicas y químicas.
Por otro lado las deficiencias químicas tienen relación con el tratamiento de agua de la caldera,
específicamente con excesivos contenidos de alcalinidad, sólidos totales (disueltos y en
suspensión) y sílice, que favorecen la formación de espuma
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Figura n°19: incrustación en uno de los tubos de la calder
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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
ACCIONES CORRECTIVAS:
Un buen operador de calderas puede controlar y compensar por los efectos indeseables del
agua de proceso en la caldera. La adición de productos químicos como antiespumantes,
secuestrantes de metales corrosivos, neutralizadores de gases corrosivos, modificadores de
alcalinidad y pH, etc. Pueden exitosamente solucionar los problemas de danos y desgaste
anormal de la caldera.
Lo que puede ocurrir y es muy frecuente, es que el operador no cuente con un laboratorio de
análisis químico de respaldo o no esté capacitado adecuadamente para comprender qué efectos
tiene cada uno de los componentes químicos que acompañan el agua y no se implemente el
tratamiento adecuado.
Purgas AutomáticasLas purgas automáticas utilizadas generalmente en calderas son las purgas automáticas de
fondo y las purgas automáticas de superficie. La purga automática de fondo (6) está
compuesta por una válvula con un actuador y un temporizador en el que se programan los
ciclos de purgas (cantidad y duración) de fondo requeridas por el tratamiento de agua utilizado
en la caldera. La purga de fondo automática permite realizar en forma automática las tareas de
purga, que debe efectuar el operador en forma manual.
Figura n°20: Purgas automáticas para calderas.
Productos Químicos TratamientoLos productos químicos utilizados generalmente en calderas son los secuestrantes de oxígeno,
dispersantes, anti-incrustantes, protectores y neutralizantes para las líneas de retorno de
condensado.
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La dosificación de los productos químicos debe ser realizada al estanque de almacenamiento
de agua, en el caso de los secuestrantes de oxígeno, que son más efectivos mientras mayor es
su tiempo de residencia en el agua antes de llegar a la caldera y a la línea de alimentación de
agua en el caso de los dispersantes, anti-incrustantes y tratamiento para las líneas de retorno de
condensado.
Ciclos de ConcentraciónLos ciclos de concentración de las impurezas presentes en el agua de una caldera determinan
los requerimientos de purga necesarios para prevenir problemas de corrosión y/o
incrustaciones.
Las purgas son necesarias, ya que, al producirse la evaporación del agua los sólidos disueltos
en el agua permanecen en la caldera, pudiendo llegar a concentrarse por sobre su solubilidad y
precipitar formando incrustaciones.
El ciclo de concentración utilizado para determinar el régimen de purgas en la caldera será el
menor de los calculados para las anteriores impurezas.
El control de que el ciclo de concentración que se mantiene en una caldera es el requerido se
realiza mediante la medición de los cloruros en el agua de alimentación y agua de la caldera.
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Bibliografía
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externos-primarios-del-agua/
http://filtrosyequipos.com/festa/FESTA/calderaoi.htm
http://tratamientodeaguasparacalderas.blogspot.pe/
http://www.monografias.com/trabajos97/calderos-tipos/calderos-tipos.shtml
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http://www.mailxmail.com/curso-agua-tratamiento-uso-industrial/tratamientos-purificar-
agua-calderas-termicos-electricos-magneticos-mixtos.
Vergara Yayon, Francisco. 1999. Tratamiento de aguas industriales. Kavi Editores S.A. Lima
Perú.
Romero Rojas, Jairo. 2000. Tratamiento de aguas residuales. 1era edición. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Colombia.
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