Control
Quimico en Aguas del Ciclo Agua-Vapor
La importancia
del control químico:
Definimos como
control o tratamiento químico a la alteración de las características
físico-químicas de una sustancia hasta adecuarlas a unos patrones
predefinidos
y deseados.
El
objetivo
principal de un tratamiento químico en una planta es preservar la
integridad de
los materiales constituyentes de los diversos circuitos, manteniendo la
operación de los sistemas de la planta en el nivel óptimo de
disponibilidad,
seguridad, fiabilidad, economía y eficiencia durante la vida útil de la
instalación.
Para
llevar a
cabo los tratamientos químicos adecuados necesitaremos conocer dos
condiciones
fundamentales:
-Patrón químico
deseado: Viene dado
por
el tipo de material utilizado en la construcción de los distintos
elementos del
proceso tratado. Los valores de pH, por ejemplo, para el agua de
caldera varían
según la composición de las aleaciones utilizadas para la construcción
de haces
tubulares. Estos valores generalmente son aportados por los fabricantes
de los
equipos.
-Características
físico-químicas originales de agua a tratar: La composición físico-química del agua varía según
la
procedencia del abastecimiento, algunos de sus parámetros a tener en
cuenta son
la dureza, cantidad de sólidos disueltos, materia orgánica disuelta,
iones
metálicos, productos químicos utilizados en fases anteriores del
proceso, etc.
Fundamentalmente la acción del agua sobre los distintos sistemas tiene
dos
efectos perjudiciales: corrosión y formación de depósitos.
-Incrustaciones:
Una de las
causas más comunes de problemas en una planta es el fallo de tubos
tanto de
caldera, condensadores, intercambiadores o turbina de vapor, por operar
con los
parámetros químicos de control fuera de las especificaciones de
funcionamiento.
Los mayores problemas en el rendimiento del circuito agua/vapor de las
centrales están relacionados con la acumulación de depósitos porosos en
la zona
de agua de los tubos de caldera.
Una parte de
los depósitos provienen del arrastre de los productos de corrosión
generados en
los sistemas previos a la caldera; otra parte proviene de la corrosión
de los
propios tubos de la caldera; y una última parte proviene de compuestos
que
arrastra el propio vapor por utilizar un agua de alimentación al
sistema que no
cumple con los requerimientos deseables. Las incrustaciones además de
ser un
problema por si mismas, aumentan las posibilidades de que se produzca
corrosión
en las zonas donde se adhieren.
Las incrustaciones se deben fundamentalmente a las
sales de Calcio y Magnesio que al calentarse se concentran y precipitan
dando
lugar a depósitos que forman una capa aislante que dificulta el
intercambio de
calor. Los efectos directamente ocasionados son:
-La reducción del coeficiente de transmisión de
calor
-La reducción de la sección libre de paso de fluido
-La rotura de tubos por sobrecalentamiento, al ser
menor el intercambio de calor.
Las incrustaciones o depósitos también pueden
afectar
a partes en movimiento, principalmente válvulas y alabes de turbina de
vapor.
En este caso, no solo se producen incrustaciones por sales cálcicas y
magnésicas, sino también por deposición de sílice y diversos compuestos
de
hierro. Esto provoca falta de estanqueidad en válvulas, degradación
acelerada
de alabes y desequilibrios en el rotor de la turbina de vapor.
-Corrosión:
Podemos definir la corrosión como la reacción
química
o electroquímica que se produce entre un metal y el medio, que provoca
su
degradación y la pérdida de sus propiedades. El ataque químico comienza
en la
superficie y se propaga hacia el interior, pudiendo presentar el
aspecto de
pequeños puntos de corrosión en la superficie, pero gran profundidad en
el
elemento atacado. Diferentes zonas de la superficie metálica actúan
como ánodo
y cátodo debido a la no homogeneidad inherente de los materiales
metálicos, que
causa pequeñas diferencias de potencias entre zonas adyacentes. Los
iones
metálicos por difusión a través de la matriz metálica se oxidan en la
zona
anódica y los electrones, difundidos de igual modo, reaccionan en el
oxigeno
disuelto en la zona catódica.
El resultado de la corrosión es la perdida de
espesor
y de cualidades mecánicas, así como el desprendimiento de material que
puede
acumularse en ciertos puntos de la instalación, expandiendo a otras
zonas los
problemas de corrosión.
En caldera y ciclo agua-vapor, las partes más
afectadas de la instalación serán las partes "frías", es decir, el
circuito de alimentación y economizadores, ya que en las partes
calientes se
forma de manera natural una capa superficial de óxido de hierro
denominado
magnetita, que impide que la oxidación progrese al interior del metal,
formando
así una capa protectora. Sin embargo estas partes calientes si se verán
afectadas por los desprendimientos de las partes frías.
Parámetros químicos:
Para conseguir un correcto control químico en el
agua
de caldera debemos vigilar básicamente tres parámetros:
- Oxigeno disuelto.
- pH.
- Sales
disueltas.
Estos tres parámetros pueden medirse de forma
continua
con la instrumentación propia de la caldera, o de forma discontinua
realizando
análisis periódicos, si el sistema no dispone de la instrumentación
pertinente.
Pero además de estos parámetros, hay que conocer las concentraciones de
los
productos dosificados para su control.
Los parámetros correctos de funcionamiento dependen
de los fabricantes de
los diferentes equipos (sobre todo caldera y turbina) y del proyecto de
la
planta realizado por la ingeniería responsable del diseño, cada tipo de
caldera
puede necesitar unos parámetros y unos rangos distintos a analizar y
controlar.
-Control del
oxigeno disuelto:
El control del oxigeno disuelto se realiza con
compuestos que "secuestran" las moléculas de O2.
Tradicionalmente, el compuesto empleado ha sido la hidrazina (N2H4),
que con el O2 disuelto en agua provoca la
siguiente reacción:
El uso de este
compuesto reside en varias de sus propiedades:
-Los productos de la
reacción son inocuos para la caldera, ya que no producen sales ni
productos
corrosivos.
-La velocidad de reacción
entre la hidrazina y el oxigeno es función de la temperatura del agua,
siendo
lenta a temperaturas inferiores a 80°C. Sin embargo, la sola presencia
de
hidrazina es suficiente para inhibir la acción corrosiva del oxigeno.
-Debido a su
coeficiente de reparto, existe siempre una parte de hidrazina que pasa
siempre
a la fase vapor, protegiendo también esa zona del circuito. La
hidrazina
contenida en el vapor se condensa antes que éste, y aplicando la dosis
adecuada, también protege la zona de condensado contra eventuales
corrosiones.
-A temperaturas
superiores a 270 °C la hidrazina se descompone en amoniaco (NH3),
contribuyendo a su vez a la alcalinización del ciclo agua-vapor y
condensado.
El problema con
la hidrazina es que se trata de una sustancia sospechosa de provocar
cáncer, lo
que hace que este en progresivo desuso, sustituyéndose por otros
productos de
reciente aparición en el mercado. Aun así, la hidrazina sigue siendo
ampliamente utilizada.
-Control de pH:
En función del
material con el que estén construidos los calentadores del agua de
alimentación, el pH debe mantenerse entre 8.8-9.2 cuando hay presencia
de
cobre, y mayor de 9.2 cuando no hay tal presencia. Un pH mayor podría
provocar
corrosión cáustica mientras que un pH menor provocaría corrosión en
metales y
juntas de estanqueidad.
Para el control del pH en la fase liquida se
utilizan diversos fosfatos. El
objetivo inicial del empleo de tratamientos a base de fosfatos era la
prevención de la formación, en la superficie de transferencia de calor,
de
incrustaciones 'duras' (carbonatos de Calcio y Magnesio), debidas a la
dureza
residual del agua, ya que los fosfatos proporcionan un buen
amortiguamiento a
las mismas, mediante la formación de lodos no adherentes.
Posteriormente, con
el uso de aguas de alimentación de mayor pureza, estos fosfatos son
utilizados
principalmente por su capacidad de actuar como tampón de pH, eliminando
los
pequeños desequilibrios químicos provocados por entradas de agua del
condensador o por descomposición de especies químicas.
Se han definido
3 formas de control para este tipo de tratamiento con fosfatos,
denominadas
secuencialmente en el tiempo:
- Control de
precisión
- Control
coordinado
- Control
congruente
Se diferencian
en la concentración de fosfato a mantener y en la relación
molar Na+/PO4-3.
El objetivo del tratamiento es minimizar la formación de NaOH,
producida por la
precipitación de fosfato, evitando el ataque cáustico. Los límites más
adecuados de fosfato a mantener son entre 2 y 4 ppm.
El
inconveniente de los tratamientos basados en el empleo de fosfatos es
el
secuestro/retorno de los mismos y la formación de depósitos asociada.
El
fenómeno del secuestro se atribuye a la precipitación de sales de
sulfato de Ca
y Mg debido a solubilidad con la temperatura. Además, los fosfatos que
se
emplean en la fase liquida no regulan el pH en la fase vapor porque no
son
volátiles
Para
el control
del pH en la fase vapor, este se realiza con amoniaco (NH3)
y
aminas, que tienen la volatilidad y el efecto tamponador adecuado.
-Control de la concentración
de sales disueltas:
El contenido en sales se controla de forma
indirecta a través de la medida
de la conductividad, modificándolo en el caso necesario, no por un
tratamiento
químico propiamente dicho, sino con un adecuado régimen de purgas.
Si introducimos a través del agua de aportación
(también llamado agua de make-up)
una concentración determinada en sales, y
asumimos que el vapor contiene
una concentración mucho menor de ellas (los
iones que forman las sales se vaporizan en mucha menor medidas que el
agua), la fase liquida que queda en los calderines esta mucho más
concentrada
en sales que la de aporte, por lo que es necesario rebajarla.
En
general, se
dispone de purgas continuas (que están drenando agua de los calderines
continuamente) y de purgas intermitentes (se abren en determinados
momentos,
bien con una periodicidad fija o bien cuando la conductividad alcanza
un valor
determinado).
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