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 mas 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 mas 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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