Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias

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7(15): 19-33 2016

Análisis de las variables fisicoquímicas en el agua de alimentación a calderas de vapor.

Analysis of the physical-chemical variables of the feed water of steam boiler.

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Erika Alicia Mendieta, 1María Catalina Rivera Morales, 2Gustavo T. Rubín Linares, 1María Dolores Guevara Espinosa, 1Norma Cruz Miranda, 1Ana Laura Taylor Degyves.

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Facultad de Ingeniería Química, BUAP, 18 Sur y Av. San Claudio, Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72250 Puebla, Pue. México Tel. 01 (222) 2295500 ext. 7257 Fax: 7251 e-mail: [email protected]

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Facultad de Ciencias de la Computación, BUAP. 14 Sur y Av. San Claudio, Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72250 Puebla, Pue. México

RESUMEN. El grado de aptitud de una caldera, de transferir cierta proporción del calor que recibe del fogón al agua o al vapor, es la “eficiencia de la caldera”. La carga de agua de alimentación a la caldera también se considera dentro del análisis de eficiencia, ya que siendo ésta la materia prima debe cubrir con parámetros de calidad, de lo contrario podría ocasionar fallas en el equipo por ensuciamiento, incrustaciones, y corrosión, reduciendo la transferencia de calor dentro de la caldera y en consecuencia la eficiencia, es por ello que debe existir un análisis de los parámetros fisicoquímicos a fin de determinar la viabilidad de un tratamiento previo para minimizar los daños por corrosión y otros factores.

ABSTRACT. The ability of a steam boiler, to transfer a specific amount of heat received fire to the water or steam, is called the “efficiency”. The boiler feed water is considered in the efficiency analysis too, as being this the raw material it has to cover all the quality parameters, otherwise it could cause equipment failures like corrosion, reducing the steam boiler´s heat transference and the efficiency, then the analyses of various physical-chemical parameters is necessary to determine the viability of a previous treatment to reduce the damaged caused by corrosion and other factors.

Recibido: Marzo, 2016. Aprobado: Mayo, 2016 19

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Palabras clave: Caldera, Conductividad, Corrosión, pH.

Key words: Steam boiler, Conductivity, Corrosion, pH.

INTRODUCCIÓN.

Las condiciones de operación de una caldera de alta presión están en función de las necesidades de la industria, generalmente operan alrededor de 400°C y 60kg/cm2. A estas condiciones es fácil que se generen incrustaciones o corrosión en los tubos de la caldera. Se ha dicho que en las calderas antiguas que operaban a baja presión se soportaban incrustaciones con un espesor de un cuarto de pulgada hasta media pulgada. Mientras que las calderas “modernas” de alta presión tienen fallas cuando acumulan incrustaciones de solo 0.05pulg (SUESCÚN M., 2012). Para llevara a cabo el presente estudio se consideraron calderas acuotubulares que operan a condiciones aproximadas a las antes mencionadas, es por esto que se utiliza un tratamiento de acuerdo al tipo de agua de la región, y que hasta ahora se ha considerado el adecuado. El agua de la región de Puebla es rica en minerales como bicarbonatos de calcio y magnesio, y silicatos de sodio (Mendieta Mendieta, 2013), las dos primeras sales dan la característica de dureza temporal al agua. Esto significa que con la elevación de la temperatura precipitan generando incrustaciones en los tubos de la caldera, de acuerdo con las siguientes reacciones: 𝐶𝑎(𝐻𝐶𝑂3 )2 + ∆ ↔ 𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂2 𝑀𝑔(𝐻𝐶𝑂3 )2 + ∆

(1)

↔ 𝑀𝑔𝐶𝑂3 + 𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂2 (2)

Por otra parte la sílice presente en el agua a altas temperaturas da paso a la formación de ácido silícico. Éste se encuentra en forma soluble y no da al agua la característica de dureza, sin embargo ocasiona incrustaciones por la precipitación con calcio y magnesio, ya que forma silicatos insolubles (Mendieta Mendieta, 2013).

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Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 𝑁𝑎4 𝑆𝑖𝑂4 + 𝐻2 𝑂 + ∆ → 𝐻4 𝑆𝑖𝑂4 + 4𝑁𝑎𝑂𝐻 𝐻4 𝑆𝑖𝑂4 + ∆ → 𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐻2 𝑂

7(15): 19-33 2016 (3) (4)

𝑁𝑎2 𝑆𝑖𝑂3 + 2𝐻𝐶𝑙 → 𝐻2 𝑆𝑖𝑂3 + 2𝑁𝑎𝐶𝑙

(5)

𝐻2 𝑆𝑖𝑂3 + ∆ → 𝑆𝑖𝑂2 + 𝐻2 𝑂

(6)

El tratamiento del agua es un proceso de desmineralización a base de intercambio iónico con resinas sintéticas, en conjunto con la desareación del agua serían el tratamiento externo utilizado.

Figura 1. Diagrama de tratamiento del agua para calderas (BRAVO, 2010).

Para complementar el cuidado de la caldera se agregan químicos específicos, siendo este el tratamiento interno. En la figura 1 se simplifica el tratamiento del agua hasta su alimentación a la caldera. Para garantizar que el agua que va a ser alimentada a la caldera esté libre de dureza, sílice, etc., se utiliza un lecho mixto, que tiene la función de pulir el

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agua. Este equipo es un lecho empacado con resina catiónica y aniónica donde se llevan a cabo las reacciones previamente mostradas, de intercambio para cada resina.

Para lograr el control de la calidad de agua que será alimentada a la caldera, en cada corriente de proceso se muestrea y analizan propiedades específicas dependiendo del tratamiento anterior a la toma de muestra. En la tabla 2 se enlistan los análisis para el monitoreo durante la operación. El rango de aceptación depende de las condiciones de operación de cada equipo y las características deseadas para el producto final los puntos de muestreo son: Muestreo de agua cruda Muestreo a la salida de la unidad catiónica Muestreo a la salida de la unidad aniónica. Muestreo a la salida del lecho mixto. Muestreo en tanque de almacenamiento de agua desmineralizada. Muestreo en deareador. Muestreo en caldera de vapor. Muestreo de vapor de media y alta presión.

Tabla. 1 (Mendieta Mendieta, 2013). No. De toma de muestra 1

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Análisis realizados

Dureza Alcalinidad a Alcalinidad a Conductividad SiO2 pH Dureza Conductividad pH

Intervalos aceptados para el control de la calidad según el fabricante 150ppm CaCO3 (máx.) la F 0ppm CaCO3 la M 150ppm CaCO3 450µmhos/cm (máx.) 70ppm (máx.) 6.8 – 7.5 0ppm 750µmhos/cm (máx.) 2–4

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Periodicidad análisis

de

1 vez por semana

Durante la producción de agua desmineralizada

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Conductividad SiO2 pH Dureza Conductividad SiO2 pH Dureza Conductividad Sílice pH

40 µmhos/cm (máx.) 0.40ppm (máx.) 8.3 – 11 0ppm 1.5 µmhos/cm (máx.) 0.05ppm (máx.) 5–7 0ppm 1.5 µmhos/cm (máx.) 0.05ppm (máx.) 5–7

Durante la producción de agua desmineralizada Durante la producción de agua desmineralizada

6

Dureza Conductividad pH Oxígeno

0ppm 150µmhos/cm (máx.) 7.5 – 10 60ppm (máx.)

Durante la producción de vapor, 1 vez por jornada laboral.

7

Dureza Conductividad SiO2 pH

0ppm 150 µmhos/cm (máx.) 12ppm (máx.) 8 – 10.5

Durante la producción de vapor, 1 vez por jornada laboral.

8

Dureza pH

0ppm 8 – 10

Durante producción vapor.

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4

5

Antes de operar el tanque para tener constancia de su calidad.

la del

METODOLOGÍA.

Para llevar a cabo los análisis que justifiquen la calidad de los productos en las diferentes corrientes de proceso se siguen los siguientes métodos  



Determinación de dureza total: De acuerdo con el ASTM D-1126-02: Standard test method for hardness in water. Determinación de sílice: Esta determinación está basado en el ASTM: Standard test method for silica y water, en el cual la sílice es cuantificada por espectrofotometría de absorción en la región visible, para concentraciones de 0.02 a 1 ppm a 815 nm y 650 nm para concentraciones de 0.5 a 20 ppm. Determinación de conductividad: Esta determinación se da a partir de método descrito en el ASTM D 1125 – 95 Standard Test Methods for Electrical Conductivity and Resistivity of Water. 23

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Determinación de pH: Se obtiene el pH de acuerdo con las indicaciones del ASTM D 1293 – 99 Standard Test Methods for pH of Water. Determinación de turbidez en el agua cruda: El método para determinar la turbidez se basa en el ASTM D1889-00 Standard Test Method for Turbidity of Water.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

La producción del vapor comienza por la desareación del agua. En el proceso industrial analizado, del total del agua alimentada al desareador, al menos 40% es agua desmineralizada y el resto es condensado del vapor exhausto proveniente de dos turbogeneradores. Dicho condensado de ninguna manera presenta dureza o sílice pues es agua altamente pura y por esta razón se alimenta en mayor proporción al desareador complementado el volumen total a la caldera con el agua desmineralizada. Las especificaciones de calidad que debe cumplir el condensado para alimentarse sin consecuencias para la caldera. Para controlar la calidad del agua que debe alimentarse a la caldera y que proviene del desaereador, se realizan varios análisis fisicoquímicos, pues hay que verificar que los reactivos se encuentren en las concentraciones ideales para su mejor rendimiento, mismos que se adicionan para reducir el oxígeno disuelto y poderlo expulsar junto con los gases no condensables en el deareador. Por otra parte las proporciones de agua desmineralizada y condensado deben ser monitoreadas para controlar que al mezclarse, los parámetros de la conductividad, dureza y pH sean los ideales para ingresar a la caldera y estén dentro de la especificación correspondiente. El parámetro de mayor interés en el deareador es el pH, las mediciones se muestran en la gráfica 1 El intervalo de aceptación de pH según se muestra en la gráfica es de 7.5 a 10, se observa que durante los años 2007, 2008 y 2009 se tenía una media de alrededor de 9.1, que en los últimos 3 años decreció hasta obtener una media de 8.5. El intervalo de pH es de neutro a básico, lo que favorece la despolimerización de la sílice en caso de que ésta se haya formado durante el proceso de desmineralización debido al pH en que opera la unidad catiónica, torre desgasificadora y lecho mixto. Sin embargo no se analiza concentración de sílice en este punto del proceso, y no se puede asegurar la existencia de sílice coloidal.

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MEDICIóN (pH)

9

8

7

6

5

Fecha

Figura 1. Mediciones de pH de agua desareada en un intervalo de tiempo de 6 años

Calderas El proceso analizado en el presente trabajo, contempla dos calderas, en éstas, de rutina se toman muestras para monitorear la calidad del vapor en diferentes puntos, que son: en el domo superior y en las líneas de vapor de 45 y 19 Kg/cm2, los resultados se muestran en los gráficos de estos parámetros, que fueron tomados de los registros de calidad en un intervalo de tiempo de 6 años.

En las gráficas 2 y 3 se muestran las mediciones de pH, el rango de aceptación para éste parámetro está marcado en la gráfica y es de 8 a 10.5, la línea de tendencia de las dos gráficas tienen pendiente positiva, pero ésta pendiente es mínima, lo que significa que el pH 25

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se ha controlado de forma adecuada. Dentro de las calderas, en las condiciones de temperatura y pH de operación actual y que se muestran en las gráficas mencionadas, la despolimerización de la sílice se favorece, sin embargo, la concentración de esta impureza dentro de la caldera no se considera por esta razón, sino por los ciclos de concentración de la sílice (purgas).

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MEDICIóN (pH)

10

9

8

7

6

Fecha

Figura 2. Mediciones de pH de agua de caldera 1 en un intervalo de 6 años.

La concentración de sílice permitida dentro de las calderas son como máximo 12ppm, en la gráfica 4 correspondiente a la caldera 1, se observa que durante los años 2007, 2008 y 2009 la gran mayoría de las mediciones son menores a 8ppm, durante el 2010 y 2011 la sílice comienza a aumentar y al obtener la media de las mediciones correspondientes a los años mencionados se tiene un valor de 4, pero en el 2012, la media muestral tiene un incremento mayor a 6, complementando lo anterior, en el 2012 las concentraciones de sílice sobrepasan el intervalo permitido dentro de la caldera continuamente.

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MEDICIóN (pH)

10

9

8

7

6

Fecha

Figura 3. Mediciones de pH de agua de caldera No. 2 en un intervalo de 6años.

De las gráficas anteriores, se observa que en la caldera No. 2 se tiene una tendencia parecida a la caldera No. 1 en lo referente al incremento de las concentraciones de sílice. La gráfica 4 muestra que en los primeros 5 años la sílice está controlada, ya que la mayoría de las mediciones está por abajo del intervalo máximo permitido y la media para estos años es de 5, sin embargo en el 2012 la media se incrementó hasta 10. En consecuencia las líneas de tendencia de las dos gráficas tienen una pendiente positiva.

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25 22.5 20

MEDICIóN (ppm de SiO2)

17.5 15

12.5 10 7.5 5 2.5 0

Fecha

Figura 4. Mediciones de SiO2 de agua de caldera 1 en un intervalo de 6 años.

Vapor: Las mediciones de pH del vapor son importantes pues si tienden a ser ácidas podría favorecer la polimerización de la sílice. En las gráficas 5 y 6 se muestran las mediciones de pH del vapor de 19 y 45 Kg/cm2 las cuales tienen una media arriba de 8.5, es decir casi neutro. Con estos valores de pH el ácido silícico no es ionizable al 100%. Condensados: El vapor exhausto se condensa para ser almacenado y reutilizado en la generación de vapor, como medida preventiva se toma muestra en dos puntos de la línea de condensado; a la salida del condensador y en el tanque de almacenamiento. La gráfica 7 muestra las mediciones de sílice a la salida del condensador, se observa que menos de 2% del total de los datos está por debajo de 0.1 ppm de SiO2, y la media muestral es de 0.025 ppm, esto significa que la concentración de sílice en el condensado es muy baja.

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10 9.5

MEDICIóN (pH)

9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5

Fecha

Figura 5. Mediciones de pH en el vapor de 19 Kg/cm2.

10 9.5 9

MEDICIóN (pH)

8.5 8

7.5 7

6.5 6 5.5 5

Fecha

Figura 6. Mediciones de pH en vapor de 45 Kg/cm2.

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0.5 0.45 0.4

MEDICION (ppm de SiO2)

0.35 0.3

0.25 0.2

0.15 0.1 0.05 0

Fecha

Figura 7. Mediciones de SiO2 del vapor condensado.

Después de observar el comportamiento del proceso de producción de agua desmineralizada, se pueden comparar si la calidad del agua producida es la mínima necesaria para su alimentación a la caldera de alta presión. Para esto se obtuvieron la media muestral y la varianza muestral para garantizar que la comparación sea real respecto a la producción diaria de agua y vapor. Se tomaron datos de análisis de lecho mixto, deareador y condensados, pues son éstos los puntos del proceso que alimentan a la caldera. Se comparan los parámetros que coinciden 30

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entre las especificaciones de agua de alimentación a calderas reportada y los parámetros que se han analizado en este trabajo, los cuales son pH, sílice y dureza.

Tabla 2. Comparación de parámetros de calidad según la especificación ASME y los datos reales obtenidos en la industria. Parámetro de calidad en Parámetros de calidad Parámetros de calidad agua de alimentación. según ASME* dentro de la industria Media muestral

Varianza muestral

Conductividad [µS/cm]