Control Químico 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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