386 OPERACION Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR PARTE I.pdf

SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL

OCUPACIÓN:

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MANUAL DE APRENDIZAJE

MÓDULO FORMATIVO:

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR

Técnico de Nivel Operativo

AUTORIZACIÓN Y DIFUSIÓN

MATERIAL DIDÁCTICO ESCRITO FAMILIA OCUPACIONAL

ELECTROTECNIA

OCUPACIÓN

CONTROLISTA DE MÁQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

NIVEL

TÉCNICO OPERATIVO

Con la finalidad de facilitar el aprendizaje en el desarrollo de la formación y capacitación en la ocupación de CONTROLISTA DE MÁQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES a nivel nacional y dejando la posibilidad de un mejoramiento y actualización permanente, se autoriza la APLICACIÓN Y DIFUSIÓN de material didáctico escrito referido a OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR. PARTE I Los Directores Zonales y Jefes de Unidades Operativas son los responsables de su difusión y aplicación oportuna.

DOCUMENTO APROBADO POR EL GERENTE TÉCNICO DEL SENATI N° de Página……74……

Firma …………………………………….. Nombre: Jorge Saavedra Gamón Fecha: ………04.09.14…….

Registro de derecho de autor:

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

INDICE 1.

Presentación

2

2.

Tarea 1

4 - 28

< 3.

Verificación de la Red de Distribucion de vapor

Tarea 2 <

29 - 60

Mantenimiento de la Unidad de Ablandamiento del Agua

4.

Hoja de Trabajo

61 - 63

5.

Medio Ambiente

64 - 72

6.

Bibliografía.

73

OPERACION Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR

2

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PRESENTACION El presente Manual de Aprendizaje corresponde al Modulo Formativo 0404-06-03

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR

PARTE I El Modulo Formativo OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR PARTE I es de aplicación en la ocupación de Controlista de Máquinas y Procesos Industriales. El presente Manual está estructurado por las siguientes tareas 1. 2.

Verificación de la Red de Distribucion de vapor . Mantenimiento de la Unidad de Ablandamiento del Agua

Elaborado en la Zonal

:

Lambayeque Cajamarca Norte

Año

:

2004

Instructor

:

Jorge Villanueva Zapata

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TAREA 1 VERIFICACION DE LA RED DE DISTRIBUCION DE VAPOR

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OPERACIONES

N° 01

7 Revisar tuberias y accesorios

02

7 Verificar valvulas de Distribucion de vapor

03

7 Verificar Bombas de Calderas

04

7 Verificar Chimenea

01

MATERIALES / INSTRUMENTOS 7 01 Medidor de temperatura 7 01 Par de guantes

01

PZA. CANT.

DENOMINACIÓN - NORMA / DIMENSIONES Verificacion de la Red de Distribucion de Vapor

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MATERIAL

HT

01

TIEMPO: ESCALA:

OBSERVACIONES REF. HOJA:

1/1

2004

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OPERACIÓN : REVISAR TUBERÍAS Y ACCESORIOS

OPERACIÓN : VERIFICAR VÁLVULAS DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR

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OPERACIÓN: VERIFICAR BOMBAS DE CALDERAS BOMBAS CENTRIFUGAS ( SENCILLEZ )

OPERACION: VERIFICAR HIMENEA CHIMENEAS MODULARES PARA CALDERAS

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EL VAPOR DE AGUA 1.1 ¿QUE ES EL VAPOR? Como en otras sustancias, el agua puede estar en estado sólido, liquido y gaseoso, este ultimo se le conoce como "vapor de agua". El vapor se origina por el aumento de la temperatura en el agua, cuando el agua alcanza un valor, llamado "PUNTO DE SATURACIÓN", en que ya no subsiste como liquido, empieza a hervir y se convierte en vapor. Esta evaporización requiere cantidades de energía relativa importante y mientras esta se esta añadiendo, el agua y el vapor formado, permanecen a la misma temperatura. Igualmente, si conseguimos que el vapor libere la energía que se añadió cuando se formo, condensara y formara agua a la misma temperatura 1.2 ¿POR QUÉ USAR VAPOR? El vapor ha sido utilizado como vehículo de energía desde la REVOLUCIÓN INDUSTRIAL. Después de su primera utilización para preparar alimentos, se ha convertido en una herramienta flexible y versátil para la industria cuando esta necesita algún tipo de calefacción, debido a que el vapor se produce evaporando agua que es relativamente barata y accesible. El Vapor es empleado en las fabricas textiles para producir, formar y teñir los productos . Las tintorerías emplean Vapor para planchar la ropa. Las compañías empacadoras y de alimentos emplean Vapor para cocinar y procesar alimentos. Las panaderías preparan el pan con Vapor. Las Cervecerías emplean Vapor para producir la Cerveza. La temperatura del vapor se puede ajustar con mucha precisión controlando la presión mediante uso de válvulas, transportar energía relativamente importante con poca masa y cuando vuelve a convertirse en agua cede cantidades notables de energía que se transmiten al medio que esta calentando, con lo que las unidades calefactorios no deben ser excesivamente grandes.

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II. PRODUCCIÓN DE VAPOR La energía química contenida en el carbón, gas u otro combustible de caldera se convierte en ENERGIA CALORÍFICA, al quemarse estos. Esta energía calorífica se transmite a través de las paredes de I hogar de la caldera hasta el agua. Mediante la adición de esta energía calorífica la temperatura del agua aumenta y cuando alcanza el punto de saturación, hierve. La energía calorífica adicionada que ha tenido como efecto el aumento de la temperatura del agua, se llama ENTALPIA DEL AGUA SATURADA, RETORNO DE CONDENSADOS MAKE UP

LINEA DE VAPOR TANQUE DE CONDENSADORES PURGA CONTINUA

CALDERA

PURGA DE FONDO

BOMBA DE ALIMENTACION

DIAGRAMA DE FLUJO AGUA VAPOR

El agua a una temperatura agua a la de su punto de ebullición se llama agua saturada. La entalpia especifica del agua a 0°C, se toma habitualmente como cero. La capacidad calorífica especifica del agua es de 4.186 KJ/ Kg.°C. Por lo tanto aumentar la temperatura de 1 Kg, De agua de 0ÓC a 100 ÓC (punto de ebullición a la presión atmosférica) requerirá una entalpia especifica de agua saturada de: 4.186 x 100 = 418.6 KJ. Si la caldera se alimenta con 1000 Kg. masicos de agua (1.000 Lts) la entalpía del agua saturada es de: 1,000 Kg. X 4.186 KJ /Kg °C X 100°C = 418.600 KJ Si el agua de nuestra caldera esta ya a 10 °C el aumento de la entalpía necesaria para llevarla al punto de saturación es de; 1,000 Kg. X 4.186 KJ/Kg °C X 90°C = 376.740 KJ

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Este valor no es la entalpía total del agua saturada sino el aumento de entalpía necearía para llevar el agua de 10°C a 100°C. El agua a 10°C ya tiene entalpía, llamada entalpía de agua fría. La entalpía tota! es siempre de 418,600 KJ para agua saturada a 100°C en una caldera de 1.000 Kg. Esto supone un ahorro de combustible. Cuanto mayor sea la temperatura inicial del agua en la caldera, menor será para llevarla al punto de saturación y, por consiguiente, será necesario quemar menos cantidad de combustible. Ya tenemos el Agua a 100°C. Si en nuestra caldera continuamos transfiriendo calor al agua, la entalpía adicional producida por esta transferencia no provocara un aumento de temperatura del agua sino que la evapora, convirtiéndola en vapor. La entalpía que produce este cambio de estado sin cambio de temperatura se conoce como ENTALPÍA DE EVAPORIZACIÓN, De esto tenemos 2 tipos de entalpía la suma de ambas es la ENTALPÍA DE VAPOR SATURADO.

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En una caldera de ambiente cerrado el vapor generado se queda comprimido y ejerce presión en todo lo que lo rodea, incluida la superficie del agua. Al aumentar la presión, de esta superficie del agua, aumenta ¡a temperatura del agua saturada puesto que las moléculas necesitan mas energía para abandonar la superficie. Mientras que a la presión atmosférica la temperatura del agua saturada es de 100°C, a la temperatura del agua saturada sube a 180°C

1000 C

1000 C

Entalpia de Evaporización 2257.0 KJ

Entalpia de Evaporización 2015.3 KJ

1800 C

Entalpia de Agua saturada 762.6 KJ

Entalpia de Vapor Saturado 2676.0 KJ

1000 C

Entalpia de Agua saturada 419.0 KJ

Entalpia de Vapor Saturado 2778.1 KJ

00 C

0 0 C

Entalpia de 1 Kg de vapor a presión atmosférica

Entalpia de 1 kg de vapor a 10 bar abs

En las gráficas se muestra la comparación de entalpía del agua saturada a presión atmosférica y a presión de 10 bar absolutos. En esta ultima la entalpía de cada Kg, De vapor saturado ha crecido pero solo ligeramente en 120, 1 KJ. La entalpía de agua saturada en cambio, ha crecido mucho en 343,8 KJ, mientras que la de evaporización a disminuido en 241,7 KJ. Las reglas practicas que se deducen son: I.

II.

Cuando la entalpía del vapor aumenta: La entalpía del vapor saturado aumenta ligeramente. La entalpía de agua saturada aumenta. La entalpía de evaporización disminuye. Cuando la presión de vapor disminuye: La entalpía del vapor saturado disminuye ligeramente. La entalpía de agua saturada disminuye. La entalpía de evaporización aumenta.

Por tanto, cuanto menor es la presión del vapor, mayor es la entalpía de evaporización.

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II. CIRCUITO DE VAPOR El vapor generado en la caldera se debe transportar mediante tuberías a los lugares donde se requiere energía calorífica, En primer lugar, habrá una o mas tuberías principales o tuberías de distribución, desde la caldera hasta la zona consumidora de vapor. A partir de estas tuberías, otras de menos diámetros transportan vapor los equipos individuales. Cuando la válvula de salida de la caldera se abre (lentamente) el vapor sale inmediatamente hacia la tubería de distribución. Puesto que esta, inicialmente, esta fría, el vapor le transmite calor. El aire que rodee las tuberías también esta mas frió que el vapor, con lo cual el sistema a medida que se calienta limpieza a irradiar calor al aire. Esta perdida de calor a la atmósfera provoca que una arte del vapor condense. El agua formada por condensación cae a la parte baja de la tubería y circula empujada por el flujo de vapor hasta los puntos bajos de tuberías de distribución. Cuando una válvula de un aparato consumidor de vapor abra, este vapor que procede leí sistema de distribución entra en el equipo y vuelve a ponerse en contacto con la superficies mas frías. Cede su entalpía de evaporización y condensa, tal como hemos fisto en el ejemplo del recipiente calentado mediante un serpentín. Se establece un lujo continuo de vapor que sale de la caldera. Para poderlo suministrar se debe generar vapor continuamente. Por ello, se inyecta combustible al horno y se bombea agua a la caldera para compensar la que se evaporo. Sabemos que la entalpía especifica del agua saturada aumenta en 4=186 KJ/Kg, Cuando la temperatura aumenta 1°C. 3i introducimos en la caldera agua caliente en lugar de agua fría se deberá añadir menos entalpía para llevar el agua a su punto de ebullición, con la consiguiente reducción de la cantidad de combustible necesaria para generar vapor. El condensado que se forma en las tuberías de distribución y en los equipos de proceso se puede utilizar para esta alimentación de la caldera con agua caliente. Por ello, el sistema básico de vapor se debe completar, devolviendo el condensado al tanque de alimentación de la caldera. Vapor

Reactores Marmita

Sistema de Calefacción

Marmita Condensado

Vapor

Vapor

Agua tratada Cubas

Condensado

Generador

Bomba de Alimentación

Tanque de alimentacion

ESQUEMA DE CIRCUITO DE VAPOR DE CALDERA

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III. CALIDAD DE VAPOR La calidad del vapor viene hacer la "fracción seca", que es la proporción de vapor completamente presente en el vapor considerado. Asimismo el vapor húmedo viene hacer el vapor EL VAPOR SATURADO SECO MEZCLADO con partículas de agua en suspensión. 3.1 TIPOS DE VAPOR A.

VAPOR SATURADO SECO Es un vapor que ha sido evaporado completamente, es decir, no contiene gotas de agua Liquida. En la practica, el vapor a menudo arranca Pequeñas gotas de agua , con lo que ya no puede ser descrito como vapor saturado seco. Sin embargo, es importante que el vapor utilizado para procesos o calefacción sea lo mas seco posible La calidad de vapor se describe mediante su FRACCIÓN SECA, que es la proporción de vapor completamente seco presente en el vapor considerado.

B.

VAPOR SATURADO HÚMEDO Al vapor se le llama húmedo, si contiene gotas de agua en suspensión que no transportan entalpía especifica de evaporación. Las pequeñas gotas de agua en ei vapor pesan pero ocupan un valor despreciable. Son las gotas de agua en suspensión las que hacen visible el vapor húmedo. El vapor como tal es un gas transparente, pero las gotas de agua le dan un toque blanquecino al reflejar la luz.

C.

VAPOR SOBRECALENTADO Si la transferencia de calor continúan después de que se ha evaporado toda el agua, la temperatura del vapor seguirá aumentando. En estos casos el vapor se llama "SOBRECALENTADO" entendiendo como tal al vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima a la del vapor saturado a la presión correspondiente, El vapor saturado condensa rápidamente sobre cualquier superficie que este a menor temperatura, puesto que le comunica entalpía de evaporización que es la energía que transporta en mayor proporción. Contrariamente, cuando el vapor sobrecalentado cede una parte de su entalpía, lo hace mediante una disminución de temperatura, Por tanto, no habrá condensación hasta que se alcance la temperatura de saturación y, por tanto, el flujo de energía desde el vapor sobrecalentado es menor. En general, que el que se puede alcanzar con vapor saturado aunque el vapor sobrecalentado esta a mayor temperatura. Debido a otras

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propiedades, el vapor sobrecalentado es el que se utiliza habitualmente para potencia, mientras que el vapor saturado es ideal para aplicaciones de proceso y calefacción. El objetivo de trabajar con vapor seco es que toda la masa de vapor contiene entalpía de evaporización (calor latente) que se transfiere íntegramente a la masa a calentar, además, también contiene calor sensible que esta presente en el agua una vez condensada. Cuando hablamos de vapor húmedo las partículas de agua en suspensión contiene solamente calor sensible (liquido) cuyo calor no intervine generalmente a calentar la masa, pues una vez precipitada son desalojadas por las trampas de vapor. 3.2

PRINCIPALES CAUSA GENERADORAS a. b. c. d. e. f. g. h. i.

Diseño de caldero, tubos y complejidad interior Alto nivel de agua interna del caldero Cámaras de vapor muy pequeños Demandas (o aperturas de válvulas) repentinas de vapor Total de sólidos en suspensión Total de Sólidos disueltos Contaminación de grasa aceites, etc. Mal dimensionamiento de las estaciones de drenaje de condensado Inadecuado mantenimiento de las estaciones de Drenaje ubicado a ¡o largo de las líneas de vapor.

3.3 FORMAS PRACTICAS PARA MANTENER UNA BUENA CALÑ1DAD DE VAPOR A. b. c.

Ejecutar estrictamente el Programa de Purgas de Fondo y especialmente las purgas de nivel, para eliminar la espuma causante del arrastre. Cumplir el Plan de dosificación de productos Químicos para asegurar buena calidad de agua para caldera. Cumplir con el Programa de Mantenimiento a las Estaciones de Drenaje de Condensado.

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IV. COMPONENTES DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR El sistema de distribución de vapor incluye todas las tuberías de distribución de vapor tanto principales como secundarias; las tuberías de retomo y todos los accesorios necesarios para el suministro de vapor a todos los equipos de la planta. 4.1. Línea De Distribución De Vapor El sistema de tuberías esta comprendido por los ductos que suministran vapor desde la planta de generación (Caldero) hasta los puntos en los que va ha ser usado (equipos), Las tuberías pueden ser unidas mediante juntas soldada, juntas roscadas o bridas. Las líneas de distribución están sostenidas por ganchos o sujetas por anclajes ; toda la red de distribución está equipada con juntas de expansión para facilitar y absorber la dilatación del sistema de tuberías debido a cambios de temperaturas y en esta forma evitar daños mayores. La ausencia de juntas de dilatación o de anclajes apropiadas puede causar grandes daños en corto plazo a la instalación. 4.2. Aislante Térmico El aislante térmico está constituido por el revestimiento exterior que cubre las tuberías de distribución y cuya función principal es reducir substancialmente y retardar la perdida de calor a través de las paredes de las tuberías. De no usar aislante para recubrir la tubería, ocasionaría gastos de combustible que pueden llegar a triplicar el costo del aislante en menos de un año de uso. Todos los materiales usados como aislantes térmicos se caracterizan por una alta resistencia al paso del calor. Los materiales usuales para aislamiento son; magnesia, amianto y lana de vidrio. Cualquiera de estos materiales pueden usarse para aislar tuberías de vapor. La decisión para seleccionar el tipo de aislante se toma basándose en su durabilidad y el ahorro de combustible que ocasiona. Para sellar las juntas entre bloques o láminas de materiales aislantes y para aislar superficies irregulares tales como unión, codos, bridas, etc., se usa cemento aislante que se moldea directamente sobre la tubería. Para que el aislante trabaje en condiciones adecuadas debe mantenerse seco sin grietas y su espesor debe ser uniforme.

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DIAMETRO DE TUBERIA (P::lg) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 6.0 8.0 10.0

ESPESOR DE AISLANTE (cm) 150”C 1.0 1.0 1.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 2.0

200”C 1.0 1.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 2.0 2.0

260”C 1.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0

Cuadro N” Espesores de aislantes recomrndados

4.3. Soportes Los tipos de soportes más comúnmente usados en sistemas de distribución de vapor son ganchos y anclajes. Los,,ganchos se caracterizan por permitir la ubre expansión y contracción de líneas y pueden ser de diferentes tipos y formas. Los anclajes son soportes que se caracterizan por mantener la tubería rígida en una posición determinada y en un punto dado. Los anclajes están unidos a la tubería mediante abrasadores y a un punto fijo por tornillos. Siempre que se usan anclajes (en la red de distribución de vapor) debe de utilizarse juntas de expansión que permitan la dilatación y contracción de la tubería. NOTA cuando la tubería aislada debe pasar a través de paredes, pisos. Se deben utilizarse las camisas metálicas de protección con un juego mínimo de 6 milímetros. Para instalaciones exteriores debe utilizarse un revestimiento aluminizado de protección.

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4.4. Juntas De Expansión Las juntas de expansión son accesorios usados para absorber la dilatación en las líneas de vapor y de esta manera evitar daños y deslizamientos en la tubería. Generalmente se usan de dos tipos, deslizantes y de fuelle. Las juntas de expansión deben estar diseñadas para ello. Es importante que la junta y tubería estén alineadas de tal forma que la expansión tenga lugar en la dirección del eje de la junta. Las juntas de expansión deslizantes están formadas por dos miembros cilíndricos, uno anclado y el otro deslizante en su interior. Las juntas deslizantes sencillas permiten la expansión de la tubería en un sólo sentido. El tipo más común de junta deslizante tiene un cilindro deslizante a cada lado del miembro anclado permitiendo la expansión de la línea en ambos sentidos. Las juntas de expansión tipo fuelle, poseen un miembro en forma de fuelle de cobre o acero que permite la expansión. En este tipo de juntas no existe la posibilidad de fuga excepto cuando hay rotura del fuelle. 4.5. Válvulas Las válvulas son dispositivos mecánicos que se utilizan como elementos de control para regular o suspender por completo un flujo, previene el contra flujo, regula la presión. Las válvulas pueden ser fabricadas de hierro, bronce, acero inoxidable, pvc, etc., Los tipos más usados de válvulas son: 4.5.1 Válvulas de cierre Las válvulas de cierre se usan para regular o suspender el flujo, de un fluido en una tubería. De acuerdo al tipo de diseño se clasifican en: válvulas de compuerta, de globo, de ángulos, de cuña, válvula de retención, válvulas cónicas y válvulas esféricas. OPERACION Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR

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Las válvulas de compuerta se utilizan e líneas en donde es importante tener flujo sin restricciones. Las válvulas de este tipo no deben abrirse y cerrarse frecuentemente. Nunca deben usarse para control de flujo o estrangulamiento puesto que la vibración estropeada la compuerta y se dañaran los bordes y los asientos por erosión. De acuerdo al tipo de construcción las válvulas de compuerta se clasifican en cuatro grupos: de vástago elevador, de vástago sin elevación, de disco en forma de cuña y de doble disco. Las válvulas de globo se denominan de esta manera debido a la forma del cuerpo de la válvula. Este tipo de válvula ofrece una gran resistencia al flujo debido a los cambios de dirección que sufre el fluido a medida que pasa a través del cuerpo de la válvula. Las válvulas de globo pueden usarse en caso de emergencia para estrangulamiento o para regulación. Su uso continuado en esta función sin embargo las destruye rápidamente. ·Usualmente tienen vástago de tornillos elevadores internos. Los asientos pueden ser metálicos o compuestos, las válvulas con asiento metálico se pueden usar para estrangulamiento. ·Las válvulas de ángulos son similares a las válvulas de globo excepto que sus entradas y salidas están situadas en ángulo recto unas con respecto a otras. ·Las válvulas cónicas son válvulas de accionamiento rápido, que tienen como elemento de trabajo un vástago en forma de cómica. Una vuelta de 90° del vástago abre o cierra la válvula. Si la válvula abre y cierra frecuentemente se usan asientos esmerilados. Para válvulas de uso poco frecuente se usan asientos de tipo lubricado. .Las válvulas esféricas se caracterizan por sus propiedades de cierre y acción rápidas., Estas válvulas constan de una esfera hueca, y su funcionamiento es similar al descrito para válvulas cónicas

4.5.2 Válvulas de retención Se usan para permitir el paso del flujo en una sola dirección, se cierran automáticamente para prevenir el flujo en dirección opuesta. Hay dos tipos generales: válvula de retención con bisagra, y la válvula de retención horizontales. En la válvula de retención con bisagra el fluido se mueve en línea recta a través del cuerpo de la válvula; el disco opera como una compuerta oscilante la cual se mantiene abierta por el flujo. La válvula de retención horizontal está construida como una válvula globo con el disco guiado de tal forma que el flujo no levanta de su asiento, el flujo sigue una trayectoria curva tal como se hace en las válvulas globo.

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4.5.3 Válvulas de cierre retención Las válvulas de cierre retención combinan en una unidad una válvula de cierre del tipo globo o angular con una válvula de retención del tipo angular. Se usan en salidas de calderas cuando estas suministran el vapor a un conducto o distribuidor principal.

4.5.4 Válvulas de reducción de presión Ese tipo de válvula es usualmente operada por resortes; el resorte puede ser accionado mediante un diafragma o por la acción directa de la presión controlada a través de una válvula piloto y un fluido de operación auxiliar tal como aceite o aire comprimido. 4.5.5 Válvulas de Seguridad Son válvulas operadas por resortes las cuales se abren cuando la presión de fluido llega a un valor predeterminado, de tal forma que sirve de desahogo al sistema de distribución cuando la presión alcanza valores superiores a la presión de seguridad. Como estas válvulas son automáticas y muy sensibles, la suciedad y la corrosión las afectan mucho más que a las válvulas de operación manual y su cuidado es de gran importancia para el buen funcionamiento y seguridad tanto del equipo como personal6. TRAMPAS DE VAPOR 4.6. TRAMPAS DE VAPOR Una trampa de vapor es una válvula automática que permite el paso libre de concensado, eliminando el aire y oíros gases no condensables de la tubería de vapor y equipos que trabajan con el mismo, a la vez impide fugas de vapor al sistema de retorno. El problema de la eliminación de aire de las redes de vapor es importante, debiendo prestarse especial atención, sobre todo en las puestas en marcha del sistema. Entre los principales tipos de trampas podemos enumerar las siguientes: 4.6.1 Trampas mecánicas La trampa mecánica tipo Flotador está constituida por una válvula termostato, abierta cuando está fria, que sirve para eliminar el aire t durante ia puesta en marcha hasta la llegada del vapor y condensado hasta que la calientan y cierra. Además cuenta con una cámara donde va

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ir instalada la válvula de flotador que abre cuando el condensado en el inferior de la cámara alcanza el nivel prefijado. Bajo el punto de vista de su efectividad se puede decir lo siguiente: Ventajas: Se adecua fácilmente a cualquier variación de presión o caudal de condensado. Elimina el condensado tan pronto como cuando este se forma. Buen funcionamiento en cualquier condición. Admite cambios bruscos de presión. Elimina el aire en las puestas en marcha. Inconvenientes: Sensibilidad a los golpes de ariete; No se puede utilizar para elevadas temperaturas (vapor sobrecalentado); Si se utiliza en presiones diferentes es necesario modificar el diámetro de la válvula de salida para que abra; Pueden ser dañados por heladas La válvula tipo cubierta invertida, operan con un balde el cual se sumerge en el condensado, permitiendo abrir una válvula que permite el paso del condensado. Al llegar vapor a la trampa, el balde flota por efecto del vapor, el cual es aprisionando dentro del balde por un sello de agua, cerrando la válvula e impidiendo el paso de vapor. Bajo el punto de vista de su efectividad se puede decir lo siguiente: Ventajas: Es robusta, presentando una aceptable resistencia a los golpes de ariete; Puede ser fabricada para trabajar a altas presiones. Inconvenientes: La trampa se cierra ante la presencia de aire, siendo este eliminado solo a través de un pequeño orificio en la parte superior del balde invertido. Esto causa que el aire demore en salir, causando anegamiento de condensado. El orificio para eliminar el aire también permite escape de vapor, por lo que las trampas siempre perderán pequeñas cantidades de vapor. 4.6.2 Trampas termodinámica. Su funcionamiento se basa en la depresión que se produce debido a la diferencia de velocidades con que fluyen el vapor y el condensado a través de una válvula de disco. Bajo el punto de vista de su efectividad se puede decir lo siguiente:

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Ventajas: Puede trabajar en una amplia gama de presiones sin necesidad de ajustes. Pueden ser utilizadas con vapor sobrecalentado; Soportan golpes de ariete. En posición vertical y con descarga libre se hielan pero no rompen. Tienen una gran capacidad de descarga, comparado con su tamaño; Actúan al mismo tiempo como válvulas de retención; Cuentan con una pieza móvil, fácil mantenimiento. Inconvenientes: Son malos desaereadores. No trabajan con bajas presiones, mayores de 0.5 kglcm2); No trabajan bien con contrapresiones elevadas (del orden del 80% de la presión de entrada.) Son sensibles a la lluvia y al viento cuando están a la intemperie. 4.6.3 Trampas Termostáticas. Se basan en la diferencia de temperatura entre el vapor y el condensado líquido; esta trampa se fundamenta en el principio de que dos láminas o discos de distinto metal y en contacto sufren con la temperatura dilataciones distintas, que hace que el conjunto se deforme; esta deformación se aprovecha para accionar la válvula. Existen dos tipos de trampas termostáticas:. 4.6.3.1.

De presión equilibrada El elemento termostático consta de una cápsula con un relleno de una mezcla alcohólica, la cual se vaporiza a una temperatura menor que la temperatura del agua. Al llegar el condensado caliente, el relleno se evapora, generando una presión interna en la capsula, forzando un obturador en contra del asiento, cerrando la trampa. Al enfriarse el condensado, el relleno se condensa, liberando la presión, y abriendo la trampa. Bajo el punto de vista de su efectividad se puede decir lo siguiente: Ventajas: Buen desaereador; Se ajusta fácilmente a la variaciones de presión. Gran capacidad de descarga para su tamaño. No le afectan las heladas; Fácil mantenimiento.

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Inconvenientes: No se utiliza con vapor sobrecalentado; No resiste golpes de ariete; Es susceptible al condensado corrosivo. Requieren que se enfrie el condensado para operar. 4.6.3.2.

Bimetálicos Basan su funcionamiento en la deformación que sufren los elementos bimetálicos, ya sean varillas, láminas, discos, etc., por la acción del calor. Al llegar el condensado casliente, el elemento empieza a deformarse, cerrando la trampa. Al llegar el condensado calilente, el elemento regresa a su posición original, abriendo al trampa.. Bajo el punto de vista de su efectividad se puede decir lo siguiente: Ventajas: Buen desaereador; Gran capacidad de descarga para su tamaño; Resiste a los golpes de arietea Pueden trabajar dentro de una gran gama de presiones con un ligero ajuste. Inconvenientes: No responden con rapidez a los cambios bruscos de presión y de caudal; Se ven afectados por la contrapresión de descarga, necesitando ser ajustados; No adecuados cuando se requiere rápida descarga de condensados.

TRAMPA TERMOSTATICA DE PRESION EQUILIBRADA

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TRAMPA DE BALDE ABIERTO

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TRAMPA DE IMPULSO

TRAMPA TERMOSTATICA PRESION EQUILIBRADA

TRAMPA BIMETALICA

TRAMPA DE BALDE INVERTIDO

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TRAMPA DE FLOTADOR Y TERMOSTATICA

TRAMPA TERMODINAMICA

CORTE ESQUEMATICO DE TRAMPAS DE VAPOR

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CALOR DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA

El agua tiene un elevado calor de vaporización, al igual que otros líquidos capaces de hacer puentes de Hidrógeno como el etanol o el ácido acético, pero a diferencia de otros líquidos como el hexano que no los hacen

Calor de vaporización KJ mol-1 H2O 40.7 a 273 K Ácido acético 41.7 a 391 K Etanol 40.5 a 351 K Hexano 31.9 a 341 K Compuesto

Tabla: valor del calor de vaporización para algunos líquidos. Para los sistemas biológicos esta propiedad es muy importante pues gracias a ella es que se lleva a cabo eficientemente la respiración y sudoración. EVAPORACIÓN Cambio de estado consistente en el paso de un líquido al estado de vapor, que tiene lugar de forma gradual, sólo en la superficie del líquido y a temperatura inferior a la de ebullición. La causa de la evaporación se encuentra en la teoría cinética molecular de la materia. Las moléculas que integran un líquido tienden a escapar de él por efecto de su energía cinética, sin bien sólo lo consiguen aquellas que disponen de la energía suficiente para vencer la atracción de las otras moléculas de líquido. Al perder estas moléculas, la sustancia pierde energía, es decir, se enfría, de modo que para mantener su temperatura y proseguir la evaporación es preciso aportar calor. PRESIÓN La aplicación de fuerza sobre una superficie Presión = fuerza / área de la superficie

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CONCEPTO GENERAL: La presión es muchas veces un concepto difícil de entender para los estudiantes. Es la fuerza total ejercida por unidad de área.* Fred el pescador siente esta presióncuando atraviesa el arroyo en busca de ese pez huidizo que "se escapó." La bota se siente más ajustada debajo del agua - porque el agua está aplicando una presión más grande al fondo del arroyo que arriba. La presión es mayor al fondo del arroyo simplemente porque hay más agua por encima. Aunque la presión en cualquier punto es igual en todas las direcciones, la fuerza debida a una presión siempre actúa perpendicular a la superficie. Cuando pone su mano fuera de la ventana del automóvil, la presión atmosférica delante de su mano le empuja la mano hacia atrás con una fuerza superior a la presión atmosférica detrás de su mano, resultando en la ACELERACIÓN DE SU MANO HACIA ATRÁS. Cuando uno se para sobre la punta de los pies, le empiezan a doler los pies rápidamente. Aunque la fuerza es la misma (el peso de uno), el área en la que la fuerza está actuando Es mas pequeña, y uno siente una presión mayor. La presión sobre uno es permanente. El peso de la atmósfera, dividido por el área de la superficie de la tierra, se llama "presión atmosférica". Cuando uno sube sobre una montaña, la presión es más baja porque hay menos atmósfera encima de uno empujado hacia abajo : GENERALIDADES La presión puede ser el resultado de moléculas del aire (o de agua) pegándole - no hay Presión en el espacio donde no hay moléculas. La fuerza resultando de una presión es perpendicular a la superficie. Un fluido siempre se quiere mover de alta presión hacia baja presión. Ejemplo: el clavo o tachuelo Como en el ejemplo de estar parado sobre las puntas de los pies: la misma fuerza, pero diferentes presiones empujan la cabeza y la punta del clavo sobre el dedo. Como el área de la punta es mucha más pequeña que el área de la cabeza, la presión es mucha más grande cuando aprieta la punta sobre el dedo - y por lo tanto duele más. Por esto le conviene afilar sus cuchillos. Cuanto más filoso el cuchillo, más pequeña el área, mayor es la presión - y más fácil es cortar. Presión que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos sumergidos en ella.

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Presión Atmosférica En un nivel determinado, la presión atmosférica es igual al peso de la columna de aire existente encima de dicho nivel. Al nivel del mar, su valor normal se considera de 760 mm Hg (1.013 mbar), mientras que a una altura de 5.500 m este valor se reduce a la mitad. El aire frío pesa más que el caliente, y éste es uno de los factores que influyen en las diferencias de presión atmosférica a un mismo nivel. Además, los anticiclones y las borrascas generan corrientes de aire en sentido vertical que modifican sustancialmente el valor de la presión atmosférica, circunstancia que se utiliza de forma importante en la previsión de la evolución del tiempo. La disposición que adoptan las isobaras configura unas formas denominadas campos de presión, por cuanto en realidad los delimitan y sitúan: altas presiones o anticiclones, bajas presiones o depresiones, dorsales, collados, vaguadas. Los campos de presión estables en el tiempo, o poco variables, se denominan centros de acción, ya que son los que regulan las masas de aire y la circulación de los vientos. Presión atmosférica El aire en estado de reposo preciona a cualquier superficie vertical dirigido hacia ella. Esta presión estática de la atmósfera cual preciona a la superficie de la tierra llamamos presión atmosférica y se entiende como el peso de una columna de aire, a la cual se mide desde la superficie de la tierra hasta las capas más altas de la atmósfera. La presión atmosférica se mide con Hectopascal [hPa] o se demuestra como la longitud de una columna de mercurio de 0 °C o gravedad reducida. Bajo de condiciones normales vale: 1 mmHg = 1,3332 hPa. Los barómetros aneroide utilizan la deformación de una lata vacia de aire y plana para la medición de presión atmosférica, la cual se deforma con presiones diferentes hasta que las resistividades elástica alcanzan el equilibrio y se empieza una nueva posición de equilibrio. Presión atmosférica absoluta y reducida La capa, que esta por encima de ello y la presión atmosférica se baja con el aumento de la altura, cerca de la superficie de tierra es aprox. 1 hPa por 8 m de diferencia de altura. Para recibir unos valores de medición de presión comprobables se orientan en la observación del tiempo a todos los registros desde la altura del mar (normalcero). La influencia de la altura del lugar sobre la presión atmosférica se debe corregir.

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La conversión de la presión absoluta que es medida a la presión atmosférica y reducida a la altura del mar se realiza por la adición de la diferencia de altura con la diferencia de presión dependiente:

p abs = presión atmosférica absoluta [hPa] p red = preción atmosférica reducida a la altura del mar [hPa] p

h

= diferencia de presión [hPa] = altura sobre nivel del mar [m]

h [m NN] 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

p [hPa] 12,0 23,8 35,5 47,2 58,7 70,1 81,3 92,5 103,6 114,5

h [m NN] 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

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p [hPa] 125,4 136,1 146,8 157,3 167,7 178,1 188,3 198,4 208,4 218,4

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TAREA 2 MANTENIMIENTO DE LA UNIDAD DE ABLANDAMIENTO DE AGUA

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OPERACIONES

N° 01 02 03 04

01

7 Controlar y Mantener Tanque de Agua Dura y Blanda 7 Controlar y Mantener Tanque de Salmuera

MATERIALES / INSTRUMENTOS 7 01 Kit de reactivos 7 01 Probeta

7 Controlar Turbiedad, Temperatura y Dureza del Agua 7 Operar Valvula de Purga y Salmuera

01

PZA. CANT.

DENOMINACIÓN - NORMA / DIMENSIONES Mantenimiento de la Unidad de Ablandamiento de Agua

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MATERIAL

HT

02

TIEMPO: ESCALA:

OBSERVACIONES REF. HOJA:

1/1

2004

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OPERACIÓN : CONTROLAR Y MANTENER TANQUE DE AGUA DURA Y BLANDA

OPERACIÓN : CONTROLAR Y MANTENER TANQUE DE SALMUERA

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OPERACIÓN: CONTROLAR TURBIEDAD, TEMPERATURA Y DUREZA DEL AGUA

OPERACIÓN : OPERAR VÁLVULA DE PURGA Y SALMUERA

PASO 1 : VERIFICAR VÁLVULA AUTOMATICA DE PURGA DE FONDO

OBSERVACIÓN : A medida que la caldera va produciendo vapor, las sales disueltas en el agua se van concentrando y precipitando. Es necesario extraer estas sales varias veces al dia para evitar la corrosión. La Válvula Automática de Purga es la mejor solución para evitar olvidos, despistes y asegurar el buen mantenimiento de la caldera. PASO2 : OPERAR VÁLVULA MANUAL DE PURGA

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OBSERVACIÓN : Las Válvulas de Purga Manuales son la solución tradicional al problema de las Purgas. Esta válvula se abre al presionar la palanca (mediante el pie) y es cerrada automáticamente por el muelle interior. La válvula se puede mantener abierta mediante un pequeño pestillo, siempre que se quiera, por ejemplo, vaciar completamente la caldera.

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SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AGUA 1.1 GENERALIDADES A.

AGUA DE ALIMENTACIÓN A CALDERA El agua de alimentación a la caldera es comúnmente almacenado en un tanque, con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera , Una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua , una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera , se emplean bombas de presión debido a que generalmente las calderas operan a presiones mucho mas elevadas que las que encontramos en los tanques de agua. Vapor limpio es agua pura en forma de gas, cuando el vapor se enfría se condensa es agua pura , normalmente conocida como "condensados" , Normalmente estos condensados contienen una gran cantidad de calor que puede ser empleada . Estos condensados son casi perfectos como "make-up" o alimentación a la caldera una vez que ha sido desgasificada para eliminar los gases disueltos como el oxigeno. Esto siempre y cuando es posible si los condensados son retornados a la caldera y colectados en un tanque conocido como "tanque de condensados". Cuando el condensado es recuperado en un tanque de este tipo, generalmente se elimina del diseño el tanque del "make-up". En algunas instalaciones, el retorno de condensados puede llegar a ser del 99% casi supliendo el agua de make-up . A mayor porcentaje de recuperación de condensados será menor el agua de alimentación a la caldera o make-up. Hay otras instalaciones que probablemente requieran emplear el 100% de make-up , esto puede ser por varias razones, corno que el condensado no se puede recuperar o que el condensado esta contamiando por alguna parte del proceso.

B.

PRESIONES EN LA CALDERA La temperatura y la presión en la operación de cada caldera definitivamente están relacionadas , como se muestra en la siguiente tabla; PUNTO DE EBULLICION DEL AGUA A DIFERENTES PRESIONES TEMPERATURA PRESION P.S.I. ‘F ‘C 0 121 100 52 300 140 232 400 204 666 500 260 1529 600 316 3080 700 371 3200 705 374

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A presión atmosférica normal el agua tiene un punto de ebullición a 100oC , a mayor presión el punto de ebullición se incrementa, hasta alcanzar un máxima «¿unto de ebullición, a 374oC a una presión de 3200 libras por pulgada2 (220,63 bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como liquido. C.

CAPACIDADES DE CALDERA Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de vapor que ellas pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta temperatura. Las calderas mas grandes producen 1 '000,000 de libras por hora o SOR catalogadas en base a 1 "caballo de fuerza" o "caballo vapor caldera" por cada 34.5 libras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra definición es 1 "caballo de fuerza" por cada 10 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de agua o 12 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de humo.

D. DUREZA DEL AGUA Las principales substancias responsables de las aguas duras son las sales de calcio y magnesia disueltas; y, en algunos casos, los compuestos de hierro, aluminio y sílice. La gran dificultad consiste en la casi universal distribución de las sales solubles de calcio y magnesio en las aguas naturales, y también, usualmente, pequeñas cantidades de las otras substancias mencionadas. Las aguas superficiales son normalmente alcalinas corno resultado de la presencia de las sales disueltas de los elementos alcalinos de la tierra: calcio y magnesio. Las aguas subterráneas, que son frecuentemente altas en acidez debido ala presencia de anhídrido carbónico, pueden también contener apreciables cantidades de materias disueltas Las aguas ácidas de los ríos contaminadas por desagües de minas o desperdicios industriales, frecuentemente contienen calcio y magnesio en forma de sulfato o cloruro, sales que son el resultado de la reacción de la alcalinidad natural con la acidez mineral contaminante. La siguiente tabla muestra una división arbitraria que ha sido establecida para clasificar las aguas por su dureza.

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DUREZA Ppm Carbonato de Calcio Menos de 15 15-50 51-100 101-200 Mas de 200

CLASIFICACION AGUA Muy suave Suave Medianamente Dura Dura Muy Dura

CUADRO CLASIFICACION DEL AGUA DE ACUERDO A SU DUREZA. CALIDAD DE AGUA MUY PURA Total aproximado solidos TIPO Conductividad totales en ppm Especifica en 0.038 Agua de calidad maxima teorica Agua destilada, simple 1.200 Destilacion (en vidrio) 2.000 Agua destilada, triple 0.600 1.000 Destilacion (en vidrio) Agua desmineralizada (un vidrio)

0.055

0.033

Agua de 28 destiladores (En cuarzo)

0.044

0.026

Para la operación satisfactoria de un caldero en necesario mantener la composición del agua de alimentación, el agua de la caldera y el retorno de condensado dentro de ciertos limites dados, dependiendo de la presión de la caldera y la temperatura usada. Esto puede hacerse generalmente tratando el agua de alimentación, manteniendo purgas adecuadas, previniendo la contaminación de los retornos y haciendo análisis químicos del agua de en diferentes puntos del ciclo de agua, vapor y condensado. Para este propósito es recomendable tener un plan definido de control y que las muestras sean tomadas a intervalos frecuentes. E.

SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN Los sólidos en suspensión constituyen una medida gravimetriíta de la materia no disuelta en el agua; esto origina taponamiento de la Líneas y deposito en la Caldera y equipo de intercambio de calor. La concentración máxima de sólidos en suspensión en el agua de la Caldera es de 100 ppm.

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F.

SÓLIDOS TOTALES Son la suma de los sólidos disueltos y en suspensión, determinada gravimetricamente; su máxima concentración no debe exceder de 3,500 ppm. El tratamiento del agua alimentada a las calderas consiste generalmente en tomar medidas correctivas basadas en el análisis del agua en unidades individuales. En el cuadro siguiente se presentan las impurezas más comunes del agua dura y los efectos que producen cuando es usada directamente en el caldero.

G.

PH DEL AGUA DE LA CALDERA Una explicación simple del PH es que se trata de un valor comprendido entre O -14 que denota un grado de acidez o alcalinidad. El agua neutra tiene un PH de 7; los valores por debajo de 7 implican incremento en acidez mientras que los valores de 7 -14 registran un crecimiento de alcalinidad.El PH de la mayoría de las aguas naturales cae dentro del rango de 6.0 a 8.0; puede existir condiciones de acidez mayor por alta concentración de dióxido de carbono libre u otro tipo de contaminación; a menos que el agua haya sido contaminada con residuos alcalinos o que haya sido sometida a procesos químicos y/o tratamiento tales como el de Cal-sosa el PH nunca tendrá un valor mayor de 8.0.

ACIDEZ 0

6

7 8

CORROCION

ALCALINIDAD 10.5

14

INCRUSTACION

Puque el HO es la medida de la relativa alcalinidad o acidez del agua, constituye el factor mas importante para juzgar la posibilidad de corrosión y formación de depósitos. Un valor bajo del PH favorece la corrosión de las superficies en contacto con el agua, mientras que un valor alto implica la precipitación de carbonato de calcio sobre las superficies de intercambio de calor, líneas, etc.

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El valor del PH del agua de una Caldera es usualmente ajustado a un mínimo de 10.5 para prevenir corrosión ácida y dar margen suficiente para la precipitación de las sales generadoras de depósitos. En general se puede establecer como regla cualquier análisis conduce a determinar la formación de depósitos o las tendencias corrosivas del agua de la Caldera es incompleta sin la determinación del PH.

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II IMPUREZAS DEL AGUA COMPOSICIÓN QUÍMICA

ORIGEN DE LAS SUSTANCIAS CONTAMINANTES

Bicarbonato de Calcio : Ca(HCO)2

Depositos minerales

Carbonato de Calcio: CaCO3

Depósitos minerales

Cloruro de Calcio: CaCL2

Depósitos minerales

Sulfato de Calcio: CaSO4

Depósitos minerales

EFECTOS EN EL CALDERO Incrustación Incrustación Incrustación Incrustación y Corrosión

Acido Carbónico: H2CO3

Descomposición de materia orgánica; Absorción de la atmósfera; Depósitos minerales

Corrosión

Acido Libre: HCL, H2SO4

Desperdicios Industriales

Corrosión

Bicarbonato de Magnesio: Mg(HCO3)2

Depósitos minerales

Incrustación

Carbonato de Magnesio: MgCO3

Depósitos minerales

Incrustación

Depósitos minerales

Incrustación y Corrosión

Desperdicios industriales

Corrosión, depósitos Y espumas

Cloruro de Magnesio: MgCl2 Aceites y Grasas Materia Orgánica y Alcantarillado

Desperdicios domésticos Industriales

Corrosión, depósitos Y espumas

Oxigeno: O2

De la atmósfera

Silice: SiO2

Corrosión

Deposito minerales

Incrustación

Bicarbonato de Sodio: NaHCO3

Depósitos minerales

Espuma y fragilidad

Depósitos minerales

Espuma y fragilidad

Carbonato de Sodio: Na2CO3 Cloruro de Sodio: NaCl Sólidos Suspendidos

pero puede ser Desperdicios industriales Inerte, Corrosivo bajo ciertas Depósitos minerales Condiciones Desperdicios industriales

Espumas, lodos o incrustaciones

Cuatro impurezas comunes en el agua los posibles efectos que producen cuando son usadas directamente en calderos OPERACION Y MANTENIMIENTO DE CALDERAS DE VAPOR

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III. CONSECUENCIAS CAUSADOS POR LAS IMPUREZAS

Los objetivos del tratamiento de agua se orientan precisamente a evitar las consecuencias de la presencia de las impurezas mencionadas y son las siguientes: 1. Incrustaciones en las superficies de transferencia de calor en el interior de caldero. 2. La corrosión y picaduras por los gases disueltos y ácidos. 3. El arrastre. 4. La fragilidad acústica. a.

Incrustaciones Las sales de calcio y magnesio, cuya presencia se identifica como DUREZA DEL AGUA, se quedan depositados en la superficie de los tubos, en forma de incrustaciones, cuando el agua de evapora. Esto acure cuando los componentes de calcio y magnesio son relativamente insolubles con el aumento de la temperatura y tiende a precipitar; estas incrustaciones reducen la transferencia de calor y provocan sobrecalentamiento en los tubos. La dureza del agua natural varía desde pequeñas cantidades de calcio y magnesia hasta más de 500 ppm. Los calderos de alta presión pueden tolerar sólo 0-2 ppm de dureza como carbonato de calcio. Los sulfates y la sílice precipitan generalmente en la superficie metálica del caldero y no forman lodos, siendo estas incrustaciones de mayor dureza. El hierro disuelto sus pendido se encuentra también como depósitos en las superficies metálicas. Los compuestos de sodio se depositan sólo cuando el agua está completamente evaporada, puesto que son muy solubles.

La incrustación lleva como resultado baja producción de vapor, altos costos de combustible gastado y en ultimo caso falla de la Caldera. Si las sales formadas de incrustación no son controladas adecuadamente, se causara un daño irreparable al extremo de que los tubos y aun las placas, deben ser cambiados. Es en extremo importante que se hagan inspecciones periódicas para determinar si el tratamiento del agua es efectivo y evita con éxito la formación de incrustación. B.

Corrosión Los tipos más comunes de corrosión son causados por el oxígeno disuelto en el agua y por el bajo pH causado por la presencia de dióxido de carbono (C02); éste se origina directamente desde el agua de alimentación, tanto por absorción del CO 2 del aire como de la descomposición de los carbonates que contiene HC03 OH- + C02 C03 +H20 20H+C02 En el condensado, el CO se combina con el agua para formar ácido carbónico C02 + H20 H2C03

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Entonces el ácido carbónico es disociado produciendo iones hidronio y bicarbonato. H,CO):¡::t [-1+ + HCO; Al iniciarse la corrosión electrolítica el hierro pasa al estado iónico y el hidrógeno formado en la reacción anterior, evoluciona como gas. Cuando estas reacciones ocurren, el ión ferroso producido se combina con ión bicarbonato para formar bicarbonato ferroso El bicarbonato puede descomponerse para formar carbonato ferroso o hidróxido Estas reacciones forman C02 y general la repetición del ciclo mencionado. La corrosión por bajo pH, causada por el ácido carbónico, con sume al metal reduciendo el espesor de los tubos y creando zonas de fatiga. El oxígeno disuelto, en el vapor y condensado, proveniente de entradas de aire o una inadecuada remoción del oxígeno por deareación, puede generar corrosión localizado generalizada Mientras se produzca la reducción del oxígeno la corrosión continuará. PICADURA: En casi todos los casos, la falla de los tubos por picaduras pude ser atribuida a la presencia de oxígeno disuelto. El oxígeno es introducido por la alimentación de agua cruda o por filtración dentro del sistema a través de las válvulas y bombas; la picadura de oxígeno tiene la forma de ataque localizado, y ocurre en una proporción muy rápida. La deareación mecánica con el uso de precalentamiento del agua de aumentación, o por medios químicos como compuestos a base de sulfitos o cromato de sodio son los métodos aceptados para controlar el oxígeno. C.

Arrastre La espuma es la causa del arrastre de la humedad, aceites, sales disueltas, etc. Ciertas sustancias tales como álcalis, aceites, grasas, materia orgánica y sólidos suspendidos, provocan la formación de espuma. Esto ocurre por una repentina agitación del agua contenida en el caldero, causada por un. Cambio brusco en la carga del mismo. Los sólidos disueltos y suspendidos en el agua del caldero pueden causar espumas que son arrastradas por el vapor, contaminando el sistema, causando sobrecalentamientos y corrosión, propiciando fallas en tubos súper calentados. Las purgas y agentes antiespumantes pueden ayudar a reducir, el arrastre; también un control apropiado de la operación del caldero puede reducir el arrastre.

D.

Fragilidad Cáusfia Concentraciones altas de sustancias cáusticas causan fragilidad del metal. Esto ocurre cuando, en condiciones normales de operación, estas sustancias

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se concentran bajo los remaches, a lo largo y al final de las suturas de los tubos, donde el agua se evapora bruscamente (flasheada). Por lo menos, trazas de sílice deben estar presentes para que ocurra la fragilización.

PRESIÓN DE OPERACIÓN (PSIG) AGUA DE ALIMENTACIÓN Dureza Total (mg/l) Oxigeno disuelto(mg/l) Hierro Total (mg/l) pH@ 25oC AGUA DEL CALDERO Residual de sulfito So3 (mg/l) Residual de Fosfato Po4 (mg/) Sólidos totales disueltos (mg/l) Sílice (SiO2 en mg/l) Alcalinidad Total como CaCO3 VAPOR DE AGUA Sólidos totales Disueltos (mg/l)

0-300

30 1 - 4 50

301-450

601-350

751-900

0.3 0.007 0.1 0.05 8.3-10

0.3 0.007 0 .05 0.025 8 .3 - 1 0

0.3 0.007 0.05 0.025 8.3-10

0.2 0.007 0.025 0.02 8.3-10

0.1 0.007 0.02 0.015 8.3-10

0.05 0.007 0.02 0.01 8.8-9.6

0.007 0.01 0.01 8.8-9.6

0.007 0.01 0.003 8.8-9.6

30-60 40 3500 150 700

20-30 40 3 000 90 600

20-30 40 3000 90 600

10-15 40 20 00 30 400

10-15 10 1500 20 300

5-10 10 1250 8 250

3-7 5 1000 2 200

5 750 1 150

1.0-2.0

1 .0 - 2 .0

1.0-2.0

0.5-0.1

901-1000 1001-1500 1501-2000

0.1

MAXIMOS LIMITES PERMISIBLES DE CONTAMINENTES EN EL AGUA PARA CALDEAR

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42 2

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IV. TRATAMIENTO DEL AGUA DE CALDERA

4.1 MÉTODOS DEL TRATAMIENTO QUÍMICO DEL AGUA En la práctica de ¡a ingeniería se ha encontrado que la mayoría de las aguas crudas deben ser tratadas químicamente para ser usadas satisfactoriamente en las calderas. Los métodos de usar sustancias químicas se pueden clasificar bajo uno de estos tres títulos generales: Tratamiento Externo y Tratamiento Interno. La principal diferencia entre estas formas de tratamiento es que en el tratamiento externo las sustancias químicas en el agua cruda se cambian o ajustan por tratamiento químico fuera de la caldera, de modo que se forma un tipo diferente de agua de alimentación. El tratamiento interno el agua se trata dentro de la caldera introduciendo los productos químicos en la propia caldera. 4.1.1 Tratamiento Externo. Para tratar el agua con productos químicos fuera de al caldera existen diferentes técnicas, las que las podemos agrupar en las siguientes: CLARIFICACIÓN Y SEDIMENTACIÓN Consiste en eliminar el material que se mantiene en suspensión, permitiendo que se deposite por gravedad en pozas de clarificación y sedimentación. El agua también contiene materias suspendidas tales como aceites, resinas, etc.; estas partículas son tan pequeñas que pasan a través de los filtros y deben ser removidas para prevenir la formación de espuma y depósitos en el caldero. Para mover estas finas partículas se usan floculantes, Entre los más comúnmente usados son las sales de hierro y aluminio, tales como el cloruro férrico, sulfato férrico, sulfato de aluminio y aluminio sódico. También se emplean polímeros orgánicos y algunos tipos especiales de arcillas. SEDIMENTOS: Los sólidos disueltos o en suspensión tienden a aumentar en concentración en la caldera dependiente de la calidad de agua, forma del tratamiento químico y las condiciones locales de operación. Si no se ha establecido y seguido un procedimiento adecuado de purgas, las concentraciones de sólidos alcanzaran un punto en el cual ellas formaran incrustaciones DESMINERALIZACIÓN El agua clara, limpia y aparentemente pura, todavía contiene una gran variedad de sales disueltas, las cuales son parcialmente separadas en

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partículas con cargas eléctricas llamadas iones, o también estas pueden ser separadas del agua al pasar por una membrana semipermeable. Estas accionen son denominadas respectivamente "INTERCAMBIO DE IONES y OSMOSIS INVERSA" A.

INTERCAMBIO DE IONES El reblandecimiento del agua por intercambio de iones es un proceso en el cual algunas partículas cargadas eléctricamente (iones) que no contribuyen a la dureza del agua (Na+) son añadidos a una resina para intercambio de iones. Las partículas cargadas positivamente de llaman cationes y las cargadas negativamente aniones. DETALLE MOSTRANDO FUENTE DE SALMUERA

Flujo de agua

Ca++ Fe++ Mg++ Na+

UNA SOBRESATURACION DE IONES DE SODIO DESPLAZAN LOS IONES DE Ca, Mg, Fe y Mn

RESINA

Usando resina de intercambio catiónico, los cationes calcio y magnesio son absorbidos y el catión de sodio es liberado. Usando resinas de intercambio aniónico, ciertos aniones tales como el bicarbonato, sulfatas, nitratos, etc. son absorbidos y reemplazados por iones hidróxidos. Las resinas de base fuerte también reducen el contenido de sílice. Los intercambiadores de cationes son regenerados con cloruro de sodio o ácidos como el sulfúrico, clorhídrico, etc. y los intercambiadores iónicos con soda cáustica, hidroxilo de amonio, etc. B.

OSMOSIS INVERSA Si hay cantidades de nitrato considerables en el agua, hay que eliminarlas, lo cual se puede realizar mediante intercambio de iones, pero, ya que éste es un método que implica un riesgo bacteriano, la depuración se puede hacer de una forma más segura y muchas veces más barata, mediante el proceso llamado osmosis inversa. Este proceso

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se viene utilizando desde hace muchos años para transformar el agua de mar en agua potable. Para realizar la osmosis se monta una membrana semipermeable (una membrana con poros tan pequeños que solamente las moléculas del agua pueden pasar) entre dos cámaras de un recipiente y se vierte agua potable en una de ellas y agua salada en la otra, hasta el mismo nivel, con esto se ha iniciado el siguiente proceso: El nivel en la cámara con agua salada aumenta gradualmente mientras que el de la cámara con agua potable baja al atravesar ésta la membrana hasta el lado del agua salada. Este proceso, que iguala el número de moléculas potables en ambos contenedores se llama osmosis. En la cámara de agua salada el número de moléculas de agua potable es el mismo que en la otra, pero el agua salada contiene también moléculas de sal. Esto produce una diferencia de nivel entre los dos lados de la membrana. Esto se llama presión osmótica. U-TUBO AGUA PURA

SOLUCION SALINA

OSMOSIS AGUA PURA

SOLUCION SALINA

OSMOSIS- REVERSO AGUA PURA

SOLUCION SALINA

DRENAGE

MEMBRANA SEMIPERMEABLE

MEMBRANA SEMIPERMEABLE

MEMBRANA SEMIPERMEABLE

En agua que contiene 20.000 ppm de cloruro, la presión osmótica es de aproximadamente 300 m.C.A., que equivale a 30 bares. Si el agua sólo contiene 200 ppm de cloruro, la presión osmótica es de unos 3 m.C.A., que equivale a 0'3 bares. Esto demuestra que la presión osmótica depende únicamente de la concentración de la sal. Si la cámara con agua salada es sometida a una presión mayor que la osmótica, tendrá lugar la acción inversa. El agua potable pasa por la membrana en dirección opuesta, o sea del lado de agua salada al lado de agua fresca hasta que la concentración de sal es tan alta que la presión osmótica iguala la presión

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bombeada. Esto se llama osmosis inversa. Para seguir el proceso, se bombea agua salda nueva al recipiente mientras ¡as impurezas concentradas en la cámara de presión son eliminadas con chorros de agua por una salida de desperdicios en el fondo. CONCENTRATE WATER containing salts is rejected by the membrane and does not enter the product tube. The concentrate water exits the side of the element opposite of the feed.

RAW WATER FEED enters into membrane layers. Applied pressure forces raw water across membrane layers into the product tube Product tube

PRODUCT WATER collects in the product tube and can be output from gither end of the membrane element

Para seguir el proceso, se bombea agua salada nueva al recipiente mientras las impurezas concentradas en la cámara de presión son eliminadas con chorros de agua por una salida de desperdicios en el fondo. Al tratar agua ligeramente salada, se obtendrán volúmenes del 25% de desperdicio, y del 75% de agua potable, por cada 100% de agua de alimentación bombeada a una presión de 15 bares, dependiendo de la concentración de sal. No toda la sal es retenida en la cámara de agua salada. Según la calidad de la membrana, pequeñas cantidades de sal pasan por la misma. La osmosis inversa es el método idóneo para eliminar una variedad de partículas no deseables del agua potable, como podemos observar en el siguiente cuadro: TIPO DE PARTICULA

ELIMINACION (%)

Bacterias y virus Sulfato Calcio Magnesio Cloro Nitrato

100 99 98 98 96 90

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DESCARBONATACIÓN Este método es usado para reducir la dureza del agua, la alcalinidad y en algunos casos el contenido de sílice. Consiste en añadir ciertos reactivos químicos para que reaccionen con minerales disueltos en el agua, dando lugar a compuestos relativamente insolubles. Uno de estos métodos consiste en añadir cal hidratada (hidróxido de calcio) que reacciona con los bicarbonatos solubles. El carbonato de sodio (soda Ash) es usado para reducir la llamada dureza permanente constituida por sales diferentes a los bicarbonatos (sulfates, cloruros, fosfatos, etc.). DESAEREACIÓN El oxigeno disuelto es removido por debajo de 0.007 ppm por calentamiento del agua con vapor usando el equipo desaereador, o por medio de desaereación química con la adición de sulfito de sodio.

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V. TRATAMIENTO INTERNO

El tratamiento interno del agua en la caldera es un complemento de los ya mencionados, puesto que pequeñas cantidades de impurezas disueltas y suspendidas en el agua (hierro, oxigeno, sílice, etc.), pueden causar ciertos problemas en el caldero. En casos de elevados niveles de recuperación de condensados, para calderos de baja presión, un tratamiento interno podría resultar suficientemente efectivo. Entre los reactivos químicos utilizados para el tratamiento interno del agua de la caldera tenemos; 1. Los Fosfatos; reaccionan con las sales de calcio precipitando productos en forma de lodos, 2. Los quelatos y Polímeros; reaccionan con las sales de magnesia y calcio para formar complejos solubles. Los quelatos son usados en conjuntos con polímeros para asegurar que los productos de reacción sean mantenidos en suspensión. 5.1. TRATAMIENTO INTERNO DE LA DUREZA DEL AGUA Consiste en transformar sales duras como el bicarbonato, sulfato de calcio y magnesio en compuesto precipitares que no se adhieran fácilmente a los tubos y placas del caldero. Se utilizan en este caso: ! ! ! ! ! !

Carbonato de Sodio o Soda Los orosfosfatos de Sodio La Soda Cáustica o Hidróxido de Sodio Quelantes como el EDTA (Ácido Etilendiamintetraacético) Aditivos Orgánicos dispersantes como taninos, lignitas, almidones, dextrina, etc. Aditivos Orgánicos Coagulantes como el agar - agar, laminaria, digitata, sacharina, etc.

5.2. TRATAMIENTO INTERNO DEL ESPUMAJE y ARRASTRE Sirve par el arrastre de partículas de agua sin evaporar fuera del caldero originado por causas químicas o mecánicas, y para evitar la formación de burbujas y espuma dentro del caldero debido a las sustancias químicas y a la dureza en el contenidas. Algunos de los antiespumantes utilizados son los siguientes Ácido Gálico ! !

Ácido Tártico y Cítrico Ácido Tánico

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! Alcoholes monohídricos ! Esteramida ! Diolipiperazina La dosis de los antiespumantes fluctúa entre 1 y 10 ppm excepto la Diolepiperazina que es de 0.2 a 2.0 ppm. 5.3.TRATAMIENTO INTERNO DEL AGUA PARA EVITAR LA CORROSIÓN Para evitar la presencia de Oxígeno y de C02 que deteriora las paredes metálicas del caldero por corrosión se utilizan los siguientes aditivos: · · ·

Sulfito de Sodio Catalizado, 10 ppm por 1 ppm de 02 Hidracina, 1 ppm por 1 ppm de 02 Tanato de Sodio, 2 ppm por cada 1 ppm de Oxígeno disuelto.

5.4. TRATAMIENTO INTERNO DE LA FRAGILIDAD CAUSTICA La fragilidad cáustica o ruptura intercristalina o cristalización de las paredes metálicas del caldero o de los tubos, producida normalmente por esfuerzos de fatiga o esfuerzos térmicos se produce también por una alta alcalinidad mayor a los 100,000 ppm de Soda Cáustica que se aloja entre las placas o en poros o en uniones del material. También puede ser causada por Sulfato de Silicio en alto porcentaje. Puede ser evitada mediante el uso de Porcentajes relativos mayores que el contenido de NaOH en una proporción de: · · ·

Nitrato Sódico 20% a 40% desde 250 PSI hasta más de 700 PSI Taninos 30% Sulfato de Sodio 250%

También puede evitarse mediante un control por Fosfato Trisódico o por Fosfato Disódico.

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VI EL ABLANDADOR DE AGUA Y PROCESO Cabezal Automático

Tanque PRFV Tanque Salero

Resina

Tubo de Aspiración

Sostén de Grava y Arena Fina

6.1 ABLANDADORES DE AGUA La solución al problema es atacar el calcio y el magnesio. Mientras que hay los tratamientos químicos que hacen esto, la respuesta más popular es un ablandador de agua. El ablandador típico es una aplicación mecánica, conectada en su sistema de abastecimiento de agua. Todos los ablandadores de agua usan el mismo principio operacional, Ellos sustituyen los minerales por otros, generalmente el sodio, El principio es llamado intercambio iónico. El medio del ablandador de agua, es un depósito de minerales el cual esta lleno, con granos de "poliestireno", llamados también resina o zeolita. Los granos están cargados eléctricamente negativos 6.2

BASES DEL TRATAMIENTO DE AGUA PARA CALDERAS 1. DUREZA. Desde tiempo bastante lejano es conocido el hecho de que la presencia de sales de calcio y magnesio en solución precipitan el jabón. También

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otras sustancias atacan o "cortan" al jabón, entre ellas: el hierro, aluminio, los ácidos, etc. Pero como existen en cantidades pequeñas bajo el término de DUREZA, denominaremos sólo el contenido de sales de calcio y magnesio disueltos. A. DUREZA TEMPORAL. Es aquella constituida por la presencia de bicarbonato de calcio y magnesio en solución. Se denomina temporal porque solo con elevar la temperatura hasta el punto de ebullición, estos bicarbonatos de descomponen. B. DUREZA PERMANENTE. Es ala constituida por lo carbonates, sulfates y cloruro de calcio y de magnesio. El término permanente se debe a que son más estables, esto es que no se descomponen por la ebullición del agua. C. DUREZA TOTAL Es la suma de la dureza temporal más la dureza permanente. 2.

SÓLIDOS DISUELTOS, Llamados también sólidos en solución, son aquellas sustancia que agregadas al solvente (que en nuestro caso será siempre el agua) se desgregan en tal forma que resulta una mezcla homogénea, donde el tamaño de las partículas no excede a una millonésima de milímetro (un milicrón) por lo que prácticamente ningún filtro puede atraparlos; tampoco se sedimentan ni pueden ser separados por medio de la centrifugación ú otro medio mecánico, solo la evaporación y ciertos procesos químicos pueden separarlos, tal es el caso, por ejemplo, de la disolución de la sal común en el agua.

3.

SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN Este término se aplica a la materia que agregada al agua se disgrega sin llegar a separarse en sus elementos que lo constituyen comunicando turbiedad al agua. El tamaño de las partículas generalmente es mayor de 500 milicrones y la rapidez con la que se asientan dependerá principalmente del tamaño de dichas partículas.

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4.

GASES DISUELTOS. Todos los suministros de agua tiene gases disueltos que fueros tomados del aire atmosférico o son resultantes de una serie de reacciones que tienen lugar en al agua que contienen materia orgánica o inorgánica disuelta. Los principales gases que existen en los diferentes abastecimientos son: Anhídrido carbónico. Oxigeno, hidrógeno, sulfuro, Nitrógeno y metano.

6.3

PRE TRATAMIENTO: PROCESO CAL- SODA EN FRIÓ El químico escocés THOMAS CLARK, fue el primero en emplear la cal para reducir la dureza del agua, el presento su descubrimiento en 1841 como un "NUEVO MÉTODO DE VOLVER CIERTAS AGUAS MENOS IMPURAS Y MENOS DURA PARA EL SUMINISTRO Y USO FABRICAS". Añadiendo cal al agua, los bicarbonatos (dureza temporal) se reducían, precipitando como carbonato de calcio e hidróxido de magnesio que se sedimentaban. El agua podría emplearse sin otro tratamiento o bien se pasaba a través de filtros. Este proceso reduce únicamente la dureza temporal (bicarbonato de calcio y magnesio). Más tarde JHON H. PORTER, además de la cal usó carbonato de sodio (soda ace) con la que logró reducir la dureza permanente, además de la temporal. El método se conoció entonces como método CLARKPORTER, moderadamente se le conoce por "PROCESO CAL-SODA EN FRIÓ. El carbonato de calcio y el hidróxido de magnesio, que son las formas como precipita la dureza se asientan formando lodos; a veces será necesario recurrir a la coagulación para acelerar la velocidad de asentamiento.

6.4 OPERACIÓN DE LOS ABLANDADORES. Todo ablandador esta diseñado para que permitan realizar las funciones de: 1. 2. 3. 4.

ABLANDAMIENTO RETROLAVADO REGENERACIÓN ENJUAGE.

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WATER SOFTENER RECYCLING

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1)

ABLANDAMIENTO. El agua dura ai pasar a través del lecho de resina el calcio y magnesio se transfiere al afluente una cantidad de equivalente de iones de sodio, obteniéndose agua blanda. Cuando la resina ya no tiene iones de sodio que ceder, se dice que esta agotada y el afluente empieza a salir con cierta dureza que va aumentando a medida que pasa el agua, en este momento hay que sacarlo de servicio para regenerarlo.

CAÑERIA DE RETROLAVADO

TANQUE DE RESINA TANQUE DE SALMUERA

DESAGUE

RETROLAVADO

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2)

RETROLAVADO, Con este lavado en contra corriente - de abajo hacia arriba, comienza le regeneración. Se hace con fin de eliminar la suciedad de la superficie de la resina y para efectuar la dosificación de los gránulos.

CAÑERIA DE RETROLAVADO TANQUE DE RESINA

TANQUE DE SALMUERA

DESAGUE

ABLANDAMIENTO

3)

REGENERACIÓN Consiste en pasar le solución ligeramente-generalmente sal común en contracorriente de operación de arriba hacia abajo para que la resina recupere sus iones de sodio, libera los iones de calcio magnesio que atrapó en el ablandamiento quedando la unidad nuevamente con su habilidad de seguir "capturando" los iones de calcio y magnesio. El cloruro de sodio en solución del 10-12% es el regenerante más empleado, pudiendo usarse también agua de mar, salinesas naturales, nitrato de sodio y soda cáustica. La cantidad de sal para la regeneración estará en función de la cantidad de dureza removida y la capacidad de ablandamiento de la resina. Sin embargo para una dosis de 15lbs de sal común por pie cúbico de resina es satisfactoria. Un tiempo de 30 a 45 minutos de circulación de la salmuera debe ser suficiente.

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CAÑERIA DE RETROLAVADO TANQUE DE RESINA TANQUE DE SALMUERA

DESAGUE

SAL

4)

REGENERACIÓN

ENJUAGE. Después de la operación de regeneración habrá quedado restos de sal en la resina por lo que será necesario efectuar un enjuague durante unos 15 a 20 minutos o en todo caso comprobar la eficiencia de la operación con sencillos análisis en el laboratorio. Antes de la aparición de las resinas sintéticas de alta capacidad de intercambio, se usaron muchas y diversas sustancias naturales, generalmente aluminio. Silicatos denominados zeolitas. Con este nombre se llama posteriormente a todo compuesto que tenga particularidad de intercambiar iones. A continuación se mencionan las principales sustancias empleadas. Zeolitas fundidas Zeolitas gelatinosas Zeolitas greehsand Zeolitas sintéticas Resinas sintéticas

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CAÑERIA DE RETROLAVADO

TANQUE DE RESINA TANQUE DE SALMUERA

DESAGUE

ENJUAGUE LENTO

CAÑERIA DE RETROLAVADO

TANQUE DE RESINA TANQUE DE SALMUERA

DESAGUE

ENJUAGUE RAPIDO

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ALGUNOS TIPOS DE COMERCIALES

UNIDAVDES DE ABLANDAMIENTOS DE AGUA

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ESQUEMA DE LA UNIDAD DE ABLANDAMIENTO DE AGUA

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HOJA HOJA DE DE TRABAJO TRABAJO

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Identificar y anotar las partes de la seccion del CALDERO PIROTUBULAR

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MEDIO MEDIO AMBIENTE AMBIENTE

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IMPACTO AMBIENTAL DE LA OPERACIÓN DE CALDERAS INDUSTRIALES

1.

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES Los combustible derivados de petróleo que son comúnmente utilizados para combustión la industrial son los Destilados y los Residuales. Los combustibles destilados son Kerosene y Diesel. Los combustible residuales son Residual 5, Residual 6 ó Bunker C y Petróleo Industrial 500. Los combustibles destilados tienen componentes más volátiles y son menos viscosos que los combustibles residuales. Además, tienen un porcentaje bajo de nitrógeno y cenizas y, usualmente, contienen un bajo porcentaje de azufre. Los combustibles destilados son usados principalmente para aplicaciones comerciales y domesticas. Siendo más viscosos y menos volátiles que los combustibles destilados, los combustibles residuales necesitan ser calentados para facilitar su manipuleo y propiciar su atomización. Debido a que los combustibles residuales son el remanente de la extracción de fracciones más ligeras, contenidos en el petróleo crudo, cantidades significativas de cenizas, nitrógeno y azufre aún permanecen en él. Los combustibles residuales son usados principalmente en la industria.

2.

CALDERAS INDUSTRIALES Las calderas son clasificadas de acuerdo a su diseño y orientación de la superficie de transferencia de calor, la configuración del quemador y su tamaño. Estos factores pueden influir considerablemente en las emisiones y la capacidad que se tiene para el control de las emisiones que estos generen. Las calderas acuotubulares son usadas en una gran variedad de aplicaciones para suministra vapor. En estas calderas el calor de combustión es transferido al agua a través de los tubos, los cuales se encuentran en las paredes del hogar y en los otros pasos del equipo. Los tubos que se encuentran en el hogar absorben calor principalmente por la radicación de la llama, los tubos que se encuentran en los pasos de la caldera absorben calor principalmente por transferencia de calor convectivo. Las calderas piro tubulares son principalmente usadas en sistemas de calentamiento, en proceso industriales para la generación de vapor y en calderas más pequeñas. En las calderas piro tubulares los gases calientes de la combustión pasan a través de los tubos mientras el agua que circula

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Las calderas piro tubulares son principalmente usadas en sistemas de calentamiento, en proceso industriales para la generación de vapor y en calderas más pequeñas. En las calderas piro tubulares los gases calientes de la combustión pasan a través de los tubos mientras el agua que circula alrededor de ellos es calentada. Cuando se requieren presiones elevadas y la demanda de vapor esta sujeta a grandes variaciones las unidades piro tubulares son más susceptibles a fallar que las calderas acuotubulares, esto es porque la elevada presión de vapor en las unidades piro tubulares, es soportada por las paredes de la caldera, mientras que un caldero acuotubular la presión esta distribuida en múltiples tubos de pequeño diámetro, lo cual ocasiona menores esfuerzos mecánicos. Como consecuencia una caldera acuotubular, típicamente es para aplicaciones más grandes y principalmente cuando las cargas son relativamente constantes. Generalmente las calderas piro tubulares son suministrada como unidades empaquetadas, porque su tamaño es relativamente menor. Existen otros tipos de calderas, como las calderas de hierro fundido, que básicamente se usan para calentar agua o producir vapor a baja presión, y calderas pequeñas sin tubos, donde la transferencia de calor se produce entre dos superficies planas. 3.

EMISIONES ATMOSFÉRICAS Las emisiones de la combustión de combustibles derivados de petróleo dependen en alto grado de las características del combustible, el tipo y tamaño de caldera, la combustión, la carga de operación y el nivel del mantenimiento que se efectúa. Debido a que las características de combustión de los petróleos de los combustibles destilados y residuales son variables su combustión puede producir emisiones significativamente diferentes.

4.

MATERIAL PARTÍCULADO El material particulado emitido puede ser clasificado en dos categorías: material filtrable y material condensable. Las emisiones del material filtrable son generalmente consideradas como aquellas partículas que pueden ser atrapadas en filtros de fibra de vidrio. Los vapores y partículas menores de 0,3 micras pasan a través de ese filtro. El material particulado condensable es material que es emitido en estado de vapor, el cual puede posteriormente condensarse para formar partículas de aerosol. Las partículas condensables emitidas de las calderas que queman combustible derivados de petróleo son principalmente de naturaleza Inorgánica.

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La emisión de material particulado filtrable, depende predominantemente de tipo de combustible quemado. La combustión de un destilado de petróleo liviano trae como resultado una menor formación de material particulado, que la combustión de un petróleo más pesado. Así, la combustión de un combustible residual tipo 5 ó 6 produce menor material particulado que la combustión de un combustible mas pesado como el petróleo industrial 500. En general, las emisiones de material particulado filtrable, dependen de qué tan completa ha sido la combustión y del contenido de cenizas del combustible. El material particulado emitido en una caldera que quema combustible destilado principalmente contiene partículas de carbono, resultado de un combustión incompleta de combustible y no existe una correlación entre la cantidad de cenizas y el contenido azufre en el petróleo; sin embargo, las emisiones de material particulado provenientes de quemar combustible residual si tienen una correlación con el contenido de azufre, esto es porque un combustible residual # 6 de bajo contenido de azufre, es producto de un petróleo crudo que naturalmente tiene un bajo porcentaje de azufre o debido a un proceso de desulfuración, teniendo una menor viscosidad y reducido contenido de asfáltenos, cenizas y azufre, lo cual resulta en una mejor atomización y una combustión más completa. La carga de la caldera puede afectar las emisiones de material particulado filtrable. En unidades que quemen residual 6, a carga parcial de la caldera; es decir cuando se trabaja a un 50% de la capacidad nominal de la caldera, las emisiones del material particulado pueden reducirse en un 30, 40 ó 60%, sin embargo no hay una reducción significativa de emisiones de material particulado para cargas parciales en calderas que quemen combustibles más livianos. Cuando las condiciones de carga son muy bajas, es decir aproximadamente a un 30% de la carga nominal de la caldera, las condiciones se vuelven muy difíciles para mantener la combustión y la emisión de partículas aumenta significativamente. 5. ÓXIDOS DE AZUFRE Los óxidos de azufre (SOx), son generados durante el proceso de combustión por la oxidación del azufre contenido en el combustible. Las emisiones de SOx en un sistema de combustión convencional son predominantemente en forma de dióxido de azufre. Las emisiones de SOx en un sistema no controlado son fuertemente dependientes del contenido de azufre del combustible y no son afectadas por el tamaño de la caldera, el diseño del quemador o el tipo de combustible que se este quemando. En promedio más del 95% del azufre del combustible es convertido en dióxido de azufre, aproximadamente entre un 1 y 5% es oxidado hacia trióxido de azufre y de 1 a 3% es emitido en forma de partículas de sulfatos. El SO3 rápidamente

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reacciona con el vapor de agua en la atmósfera y en la chimenea formando una neblina de ácido sulfúrico. 6.

ÓXIDO NÍTROSO Los óxidos de nitrógeno (NOx), formados en el proceso de combustión se deben o la fijación térmica del nitrógeno atmosférico en el aire de combustión (NOx térmico) o a la conversión del nitrógeno ligado químicamente al combustible (NOx del combustible) el término NOx se refiere a los compuesto de: ! !

Oxido Nítrico (NOx), y Dióxido de Nitrógeno (NO2)

Pruebas de la combustión de combustibles fósiles, muestran que encima del 95% del NOx emitido es en forma oxido nítrico. El oxido nitroso (N2O) no está incluido en el NOx; pero su estudio recientemente ha sido considerado de interés por que afecta las condiciones atmosféricas. Mediciones experimentales de formación del NOx térmico han mostrado que la concentración de NOx es exponencialmente dependiente de la temperatura y proporcional a la concentración de N2 en la flama, a la raíz cuadrada de la concentración de oxigeno y al tiempo de residencia. Así, la formación de NOx térmico es afectada por 4 factores: ! ! ! !

Temperatura pico en la combustión Concentración de nitrógeno del combustible Concentración de oxigeno en la zona de combustión Tiempo de exposición a la temperatura pico

La tendencia de las emisiones debido a cambios en estos factores son generalmente comunes para todo tipo de calderas. Un incremento en la temperatura de la llama, en la disponibilidad de oxigeno en la zona de combustión y en el tiempo de residencia a altas temperaturas incrementa la producción de NOx. La conversión del nitrógeno del combustible es el mecanismo formador de NOx más importante en combustible residuales en calderas. El porcentaje de conversión de nitrógeno del combustible a NOx varia grandemente, generalmente de un 20 a 90% de nitrógeno del combustible es convertido a NOx. Excepto, en unidades muy grandes que tienen usualmente temperatura de llama alta, o en unidades que queman un combustible residual con bajo contenido de nitrógeno, el NOx térmico tiene valores encima del 50% del total del NOX generado. La fijación térmica, por otro lado, es el mecanismo predominante en la formación de NOx en unidades que utilizan combustibles

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destilados, principalmente por bajo contenido de nitrógeno en estos combustibles. Debido a que las calderas que queman combustibles destilados son usualmente más pequeñas y tienen menor intercambio de calor, la cantidad de NOx térmico formado en ellos es menor que en los grandes unidades, las cuales típicamente queman combustibles residuales más pesados. Un gran número de variables influye en la cantidad de NOx formado por estos dos mecanismos. Una variable importante es la configuración de la llama. Así, las emisiones de NOx para un caldero de quemador, tangencial son en promedio menores. También es importante tener practicas de combustión eficiente durante la operación de un caldero. La utilización de un bajo exceso de aire, la recirculación de gases de combustión, la residencia en la cámara de combustión un reducido precalentamiento de aire, quemadores de bajo NOx, emulsiones agua / aceite para la combustión o una combinación de estos puede resultar en una reducción de NOx entre un 5 a 60%. La reducción de la carga en la caldera puede disminuir la producción de NOx. Las emisiones de oxido de nitrógeno pueden ser reducidas entre 0,5 y 1 % por cada % de reducción en la carga de ia caldera. Hay que notar que la mayoría de estas variables con excepción del exceso de aire, puede influir en la emisiones de NOx en grandes calderas que queman petróleo. Una combustión con bajo exceso de aire es posible en muchas calderas pequeñas, pero la reducción de NOx no resulta significativamente menor. 7.

MONÓXIDO DE CARBONO Las emisiones de monóxido de carbono de una combustión dependen de la eficiencia en la oxidación del combustible. Es necesario controlar el proceso de combustión cuidadosamente, para reducir las emisiones de monóxido de carbono. Así, si una unidad opera inadecuadamente o no tiene buen mantenimiento el resultado será un incremento en la emisiones de monóxido de carbono así como la de los compuestos orgánicos en una magnitud significativa. Pequeñas calderas, calentadores y hornos tienden a emitir más de estos contaminantes que quemadores mas grandes, esto es porque unidades mas pequeñas tienen una área de transferencia de calor mayor, en relación al volumen de la llama, que en quemadores más grandes. Esto reduce la temperatura de la llama y la intensidad de combustión significativamente, disminuyendo la eficiencia de la combustión en conjunto.

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La presencia de monóxido de carbono en los gases de combustión resulta principalmente como consecuencia de la combustión incompleta del combustible. Muchas condiciones pueden ocasionar una combustión incompleta incluyendo oxigeno insuficiente, pobre mezcla aire / combustible, contacto de la flama con superficies frías, temperatura de combustión reducida, reducción del tiempo de residencia de los gases de combustión, y reducción en la carga de la caldera. Debido a que modificaciones en la combustión por la reducción del NOx pueden producir una o más de las condiciones descritas arriba, la posibilidad de incrementar las emisiones de monóxido de carbono, es un problema ambiental, de eficiencia energética y operacional que requiere soluciones de compromiso. 8. COMPUESTOS ORGÁNICOS Pequeñas cantidades de compuestos orgánicos son emitidas como producto de la combustión, así como con las emisiones de monóxido de carbono. La cantidad de compuestos orgánicos que emitidos depende sobre todo de la eficiencia en la combustión de la caldera. Así, cualquier modificación en las características de la combustión que reduzca la eficiencia de combustión de la caldera, podrá ocasionar un incremento en la concentración de compuestos orgánico en los gases de combustión. Los compuestos orgánicos totales (TOC) incluyen los compuestos orgánicos volátiles (VOC), compuestos orgánicos semi volátiles y compuestos orgánicos condensados. La emisión de compuestos orgánicos volátiles son principalmente caracterizados por la clase del contaminante en la fase de vapor del hidrocarburo no quemado. Las emisiones de hidrocarburos no quemados pueden incluir esencialmente todo compuesto orgánico en fase de vapor emitido por la combustión, estos son principalmente emisiones alifáticas oxigenadas y compuestos aromáticos de bajo peso molecular, los cuales existen en fase de vapor a la temperatura de los gases en la chimenea. Estas emisiones incluyen todos los alcanos, alquenos, aldehídos, ácidos carboxílicos, y bencenos sustituidos (benceno, tolueno, xileno, etilbenceno). Las emisiones orgánicas remanentes están compuestas principalmente de compuestos emitidos de la combustión en fase condensada. Estos compuestos son casi exclusivamente de la clase de material orgánico poli cíclico (POM) y un subconjunto de ellos llamados hidrocarburos aromáticos polinucleados (PAH o PNA). Formaldehídos, también son formados y emitidos durante la combustión de hidrocarburos, incluyendo carbón y petróleo.

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El formaldehído está sujeto a la oxidación y descomposición a altas temperaturas durante la combustión. Así, en unidades grandes con eficiencia de combustión elevada, tienen una menor emisión de formaldehídos que unidades mas pequeñas que tienen una menor eficiencia de combustión. 9. TRAZAS DE METALES Elementos traza también son emitidos de la combustión de derivados del petróleo. Los elementos traza incluyen metales que son considerados peligrosos en el aire. La cantidad de elementos traza que se emiten de los dispositivos de combustión dependen principalmente de composición del combustible los mecanismos de alimentación del combustibles, y la combustión del combustible. La temperatura determina el grado de volatilización de los compuestos contenidos en el combustible. El mecanismo de alimentación del combustible afecta la separación de las cenizas que pueden salir por la chimenea. En general la cantidad de cualquier metal emitido depende de las propiedades físicas y químicas del elemento que se esté analizando y de la concentración del metal en el combustible, de las condiciones de combustión y del tipo de dispositivo de control que se utilice, así como de la eficiencia de recolección y el tamaño de la partículas. Algunos metales traza se concentran en ciertas partículas, en la corriente que viene de la cámara de combustión, y otros no. La clasificación de estos elementos es: Clase 1; elementos que son distribuidos igualmente entre partículas de cenizas volátiles y cenizas pesadas Clase 2; elementos los cuales se encuentran más en la ceniza volátil, en relación a las cenizas más pesadas. Clase 3; elemento los cuales son emitidos en fase gaseosa. 10. GASES DE EFECTO INVERNADERO Los gases de efecto invernadero, son dióxido de carbono, metano y oxido nitroso, las cuales se producen durante la combustión del combustible derivado del petróleo. Aproximadamente el 99% del carbono contenido en el combustible es convertido en dióxido de carbono en un proceso de combustión. Esta conversión es relativamente independiente de la configuración de la llama, si bien es cierto la formación de

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monóxido de carbono es inversamente proporcional a las emisiones de dióxido de carbono la cantidad de monóxido de carbono producido es insignificante en comparación a la cantidad de dióxido de carbono. La mayoría del carbono del combustible no convertido a dióxido de carbono es debido a la combustión incompleta del combustible, la formación de N2O durante el proceso de combustión es gobernada por una seria de reacciones complejas y su formación depende de bastantes factores. La formación de N2O es minimizada cuando la temperatura de combustión se mantiene alta, encima de 800°C y el exceso de aire es mínimo, menos de 1%. En la actualidad aun se requiere de una mayor investigación para conocer plenamente los mecanismos de formación de N2O. Las emisiones pueden variar grandemente de una unidad a otra e inclusive en una misma unidad para diferentes condiciones de operación. Las emisiones de metano varían con el tipo de combustible y la configuración de la llama, pero son más elevadas durante los períodos de combustión incompleta o combustión de baja temperatura, es decir, durante el arranque y la parada en las calderas que queman combustibles derivados de petróleo. Típicamente las condiciones que favorecen la formación de N2O también favorecen las condiciones de metano.

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CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

BIBLIOGRAFÍA

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CÓDIGO DE MATERIAL 0386

EDICIÓN SETIEMBRE 2004