3.5 Método de tratamiento de agua de alimentacion

Los métodos de tratamiento de agua se pueden definir como cualquier procedimiento usado para alterar la composición o "comportamiento" del suministro de agua. Las fuentes de agua se clasifican en espejos de agua y fuentes subterráneas. Esta clasificación normalmente determina la condición y por lo tanto el tratamiento del agua. La mayoría de los suministros públicos de agua provienen de ríos, lagos o reservorios. La mayoría de los privados consisten de fuentes subterráneas.Después de que el agua es conducida a la planta existen varias opciones de tratamiento para alcanzar los requerimientos específicos de cada uso.Adición químicaAjuste de pH

Ciertos químicos, membranas, intercambiadores iónicos, resinas y otros materiales son sensibles para algunas condiciones específicas de pH. Por ejemplo, para prevenir la corrosión ácida en calderas, normalmente se requiere ajustar el pH en el rango de 8.3 a 9.0.Para elevar el pH, se puede agregar soda cáustica, lo que no es muy costoso. Sin embargo hay dificultades de manipulación, requiere un fino ajuste y aumenta el TDS (Total de Sólidos Disueltos).Para reducir el pH, se agrega un buffer de solución de ácido sulfúrico, con una bomba resistente a la corrosión.

Dispersantes

Los dispersantes, también conocidos como antiescalantes, se adicionan cuando se presume que la concentración de algunos iones específicos puede exceder el límite de solubilidad. Los dispersantes disrrumpen la formación de cristales, evitando su crecimiento y posterior precipitación.Agentes SecuestrantersLos agentes secuestrantes se utilizan para prevenir los efectos negativos de las durezas producidas por la deposición de Ca, Mg, Fe, Mn y Al.Agentes Oxidantes

Los agentes oxidantes tienen dos funciones distintas: como biocida, o para neutralizar los agentes reductores.Permanganato de PotasioEl Permanganato de Potasio (KMnO4) es un agente oxidante muy fuerte usado en muchas aplicaciones de blanqueo. Puede oxidar a la mayoría de los compuestos orgánicos y se usa normalmente para oxidar hierro del ferroso al férrico para precipitarlo y filtrarlo.Agentes Reductores

Los agentes reductores, como el Metabisulfito de Sodio (Na2S2O5) se adiciona para neutralizar a los agentes oxidantes como el cloro u ozono. En los sistemas de membranas y de intercambio iónico, los agentes reductores ayudan a prevenir la degradación de las membranas o resinas sensibles a estos agentes oxidantes. Los agentes reductores se dosifican en soluciones y permanecen un tiempo suficiente para permitir la neutralización química. El mantenimiento

residual de los mismos continúa eliminando agentes oxidantes.Filtros de presiónExisten varios tipos de los así llamados filtros de presión, cada uno para un rango determinado. Una descripción simple del equipamiento mecánico es suficiente para entender el principio.Un filtro típico consiste de un tanque (cilindro), el medio filtrante, y válvulas o controles que comandan al filtro a través de sus diferentes ciclos, servicio normal, retrolavado y enjuague.El aspecto critico de estos filtros de presión es la relación entre el área del filtro y su profundidad. Esta relación es la causa principal de un desempeño pobre en el sistema de filtración. Si aparece este problema, la causa más común es un mal diseño del filtro para el uso requerido. La tasa nominal de flujo depende del área disponible.Otro criterio de diseño importante es la tasa de flujo de retrolavado. Esta es función de la temperatura, tipo, tamaño, y densidad del medio, y del diseño específico del filtro de presión. Los medios menos densos pueden usar menores tasas de retrolavado. Las aguas muy frías usan bajas tasas, y aguas calidas requieren tasas más altas.Filtros de Arena

La arena es uno de los medios usados para eliminar la turbiedad. Los filtros de arena pueden procesar grandes volúmenes en forma económica, pero tienen dos limitaciones. La arena más fina se posiciona en la parte superior del tubo, lo que provoca que el filtro se sature rápidamente y requiere por lo tanto retrolavados frecuentes. Además la "porosidad" de la área permite el paso de pequeños sólidos en suspensión, requiriéndose, por lo tanto, un filtro secundario con una malla mas fina.Filtros NeutralizantesLos filtros neutralizantes usualmente consisten de carbonato de calcio, un medio calcáreo para neutralizar la acidez en un agua de bajo pH.Filtros Oxidantes

Los filtros oxidantes utilizan un medio tratado con oxido de magnesio como fuente de oxigeno para oxidar un numero de contaminantes que incluyen hierro, magnesio y sulfato de hidrogeno. Los contaminantes oxidados forman un precipitado que es capturado por la capacidad filtrante del medio.

Filtros De carbón activado

Los filtros de carbón activado (AC) son similares a un intercambio iónico en densidad y porosidad. Adsorbe muchas de las sustancias orgánicas disueltas y elimina el cloro y otros alógenos presentes en el agua. No remueve las sales. Los filtros de carbón activado son uno de los únicos métodos disponibles baratos de extraer partículas orgánicas de bajo peso molecular (<100MW) y cloro.Los filtros de carbón activado se pueden transformar en lugares donde las bacterias y materiales pirogénicos respiran. El carbón se debe sanitizar o cambiar periódicamente para evitar el crecimiento bacteriano, y cuando todos los medios de adsorción están saturados se deben reactivar con un proceso controlado de calentamiento. Esto no se puede hacer fácilmente en campo. Los sólidos en suspensión acumulados en las camas por la mayoría de las fuentes de agua requieren un frecuente retrolavado del filtro a menos que los mismos estén instalados después de

una osmosis inversa o una ultrafiltración.Filtros Duales - o Multimedia

Las capas progresivamente más finas de medio filtrante incrementan la retención de partículas más pequeñas. Los arreglos del medio (más grueso y menos denso en la parte superior y más fino y denso en el fondo) permiten al filtro estar en servicio por largos periodos de tiempo antes de requerir un retrolavado. Los filtros de medios filtrantes duales extraen sólidos suspendidos de tamaños de10 a 20 micrones, pero no sólidos disueltos. La capa superior típica contiene antracita seguida de arena fina.Filtros cerámicosLos filtros cerámicos contienen un medio filtrante, normalmente de arcilla biatómica y se usan para quitar partículas muy pequeñas. Pueden remover participas de 5 micrones o menores incluyendo algunos protozoos y bacterias. El medio se debe cambiar frecuentemente y el problema que presentan es la disposición del desechado. Estos filtros son prácticos para aplicaciones con volúmenes limitados, son comunes en piscinas, bebederos y algunas aplicaciones industriales.Filtros de cartuchosLos filtros de cartucho se consideraban únicamente para extraer grandes partículas en puntos de uso. Sin embargo, innovaciones en el diseño, como el uso de microfibras, han expandido su uso. Los filtros de cartucho se dividen en dos categorías: filtros profundos o filtros de superficie.Filtros de cartuchos profundosEn los filtros de cartuchos profundos el agua fluye a través de la pared fina del filtro donde las partículas son retenidas por las pequeñas aberturas en el medio. El filtro pude estar construido de algodón, celulosa, o fibras sintéticas, fibras cortadas unidas por adhesivos, o microfibras de polímeros o polipropileno sopladas.El factor más importante para determinar la efectividad de un filtro profundo es el diseño de la porosidad en las paredes finas. Los mejores filtros profundos para muchas aplicaciones tienen baja densidad en la parte externa y progresivamente va amentando hacia el interior. El efecto de este gradiente de densidad es retener las partículas más grandes en la parte exterior u las más pequeñas hacia la pared interior. Los filtros con gradiente de densidad tienen mayor capacidad de filtrado y mayor vida útil que los filtros con densidad constante de medio filtrante.La disposición de los cartuchos es un problema ecológico; sin embargo, algunos

Superficies de filtración - Filtros de cartuchos plegados

En los filtros de cartuchos plegados actúan como superficies filtrantes. Medios de hojas delgadas, y membranas o telas, retienen las partículas en la superficie. El medio se pliega para incrementar la superficie filtrante. Los filtros plegados no son económicamente efectivos para filtración de agua, donde las partículas mayores a un micrón las atraviesan rápidamente. Sin embargo, los filtros de membranas plegadas, sirven muy bien como filtros de partículas submicronicas y bacterias en el rango de 0.1 a 1.0 micrones y se usan normalmente después de filtros profundos u otros pasos en aplicaciones criticas. Normalmente son desechables por incineración, ya que están construidos con materiales poliméricos, incluyendo la membrana. Los cartuchos más nuevos están en el rango de la ultrafiltración: 0.005 a 0.15 micrones.

Filtros de cartuchos de ultrafiltración (UF)

En los filtros de cartuchos de ultrafiltración (UF) realizan una filtración mucho más fina que los filtros profundos pero son mucho más caros y requieren ser reemplazados cuando se vuelven "impermeables". Cuando se cubren con una capa de sólidos. Normalmente cuanto más pequeños son los poros más rápidamente se "tapan". Para impedir el taponamiento de los poros, los ultrafiltros para punto de uso se construyen con una configuración en espiral que permita la operación con un flujo cruzado para ayudar a mantener las superficies limpias por la subida de los sólidos.Los ultrafiltros de puntos de uso se utilizan para remover coloideos, pirógenos y otros compuestos macromoleculares del agua ultrapura.Sistemas de intercambio iónicoLos sistemas de intercambio iónico consisten de un tanque conteniendo pequeñas cadenas de resina sintética. Las cadenas están tratadas para absorber selectivamente cationes o aniones. Este proceso de intercambio iónico continuara hasta que se agote la capacidad de intercambio de la resina, en ese punto la misma debe ser regenerada con los químicos adecuados.El intercambio iónico se usa en varias formas.

Ablandamiento de agua

El ablandador de intercambio iónico es una de las herramientas más comunes en el tratamiento de agua. Su función es extraer la formación de iones de calcio y magnesio del agua dura. En muchos casos el hierro soluble (Ferroso) también se puede remover por ablandamiento. Un ablandador estándar de agua tiene cuatro componentes principales: un tanque de resina, resina, un tanque auxiliar que contiene cloruro de sodio, y una válvula de control.

Deionización (DI)

Los deionizadores de intercambio utilizan resina sintética similar a la utilizada en los ablandadores. Se utilizan, normalmente con agua pre-filtrada, los deionizadores usan dos etapas de proceso para remover virtualmente todo el material iónico en el agua. Se utilizan dos tipos de resinas sintéticas: una para intercambiar los iones cargados positivamente (cationes) para H+ y otra para intercambiar iones cargados negativamente (aniones) para OH-.Las resinas cationicas de deionización (ciclo de hidrogeno) utilizan hidrogeno (H+) en intercambio por cationes como calcio, magnesio y sodio. Las resinas de deionización aniónicas (ciclo hidróxido) intercambian iones hidróxido (OH-) por aniones de cloro, sulfatos y bicarbonatos. Los iones desplazados H+ y OH- se combinan para formar H2O.Las resinas tienen capacidad limitada y se deben regenerar cuando se agotan. Esto ocurre cuando se alcanza el equilibrio entre los iones adsorbidos. Las resinas catiónicas se regeneran tratándolas con ácido llenando el tanque de adsorción con iones H+. Las resinas aniónicas se regeneran con una base llenando el tanque de resina con iones OH+.

Deionizadores de doble lecho y lecho mixto

Las dos configuraciones básicas de los deionizadores son doble lecho y lecho mixto.Los deonizadores de doble lecho tienen tanques separados de resinas catiónicas y aniónicas. En los deionizadores de lecho mixto las dos resinas están mezcladas juntas en un tanque o recipiente. Generalmente los sistemas de lecho mixto producirán agua de muy alta calidad, pero con una capacidad total menor que los sistemas de lecho doble.Los deionizadores pueden producir agua de extremadamente alta calidad en términos de iones de minerales disueltos, hasta una máxima pureza de 18.3 megaohm/cm de resistencia. Sin embargo, generalmente no pueden extraer orgánicos, y se convierten en un caldo de bacterias que disminuyen la calidad del agua si la contaminación orgánica y microbial son críticas.Una falla al regenerar la resina en el momento apropiado puede resultar en remanentes de sal en el agua o aun peor, que aumente la concentración. Inclusive resinas parcialmente agotadas pueden incrementar los niveles de contaminación debido a la variación de la selectividad de iones, y pueden añadir partículas y finas resinas al agua deionizada.

Remoción de orgánicos

Los "extractores" de orgánicos, o trampas, contienen una fuerte base de resina aniónica ya que los orgánicos tienen naturalmente una leve carga negativa. Después de que se carga la resina, los orgánicos se podrán desplazar por los aniones Cl- durante la regeneración con altas concentraciones saturadas de cloruro de sodio.Sistemas de filtración de Flujo cruzado(Osmosis inversa y procesos similares)La osmosis inversa, inventada en 1959, es uno de los mejores métodos de purificación y uno de los tipos de membrana de flujo cruzado de filtración. Es un proceso que extrae tanto orgánicos disueltos como sales, usando un mecanismo diferente al intercambio iónico o carbón activado. Una porción del agua a presión fluye a través de la membrana perneándola (atravesándola). La otra porción del agua de alimentación barre la membrana en forma paralela a la superficie de la misma para salir del sistema sin ser filtrada. La corriente filtrada es la "perneada" porque a perneado la membrana. La segunda corriente es la "concentrada" porque lleva la concentración de contaminantes rechazados por la membrana. Debido a que el flujo de alimentación y el concentrado paralelo a la membrana misma son perpendiculares entre si, el proceso se llama "Filtración de flujo cruzado" (o erróneamente, "flujo tangencial").Dependiendo del tamaño de los poros de la membrana, los filtros de flujo cruzado se conocen por su efectividad de separación como: osmosis inversa, nanofiltración, ultrafiltración y más recientemente microfiltración. Las membranas de filtración de flujo cruzado permiten la remoción continua de contaminantes los cuales en un "flujo normal" cegarían (cubrirían) o taparían los poros de la membrana rápidamente. Por lo tanto el modo de flujo cruzado es esencial para este proceso.

Osmosis Inversa (RO)La Osmosis Inversa (RO) fue el primer proceso de membrana de flujo cruzado en comercializarse ampliamente. La Osmosis Inversa extrae la mayoría de los compuestos orgánicos y hasta el 99 % de los iones). La selección de las membranas de RO se realiza de acuerdo a las condiciones y

requerimientos del agua.La RO puede alcanzar la mayoría de los estándares con un sistema de simple paso y los estándares más altos con uno de doble paso. Este proceso rechaza el 99.9 % de virus, bacterias y pirógenos. La presión esta en el rango de 50 a 1000 psig (3.4 a 69 bar) y es la fuerza que guía el proceso de purificación de Osmosis Inversa. Desde el punto de vista energético es mucho más eficiente, comparada con los procesos de cambio de fase (destilación), y más eficiente que los que utilizan fuertes químicos para la regeneración de los sistemas de intercambio iónico.

Nanofiltración (NF)

Los equipos de Nanofiltración (NF) extraen los compuestos orgánicos en el rango de peso molecular de 250 a 1000, también rechazan cierta sales (típicamente las bivalentes), y pasan mas agua a presiones menores que la. La NF ablanda agua económicamente sin la polución de los sistemas regenerativos y provee capacidad de filtración como la desalinización orgánica.

Ultrafiltración (UF)

La ultrafiltración (UF) es similar a la RO y a la NF, pero esta definida como un proceso de flujo cruzado que no rechaza iones. La UF rechaza disueltos por arriba de 1000 daltons (Peso moléculas). Debido al mayor tamaño de los poros de la membrana, la UF requiere una mucho menor presión diferencial de operación: de 10 a 100 psig (0.7 a 6.9 bar). La UF extrae grandes orgánicos, coloideos, bacterias, y pirógenos pero permite pasar, a la mayoría de los iones y pequeños orgánicos como sacarosa, por su estructura porosa.

Microfiltración (MF)

Las membranas de microfiltración (MF) son filtros absolutos normalmente en el rango de 0.1 a 0.3 micrones. Disponible en polímero, discos de membrana de metal o cerámica, o cartuchos de filtro plegados, la MF esta disponible también con las configuración de flujo cruzado Figura 9). Las presiones diferenciales de operación típicas son de 5 a 25 psig (0.3 a 1.7 bar).El flujo cruzado de la MF reduce sustancialmente el reemplazo del medio filtrante en comparación con la microfiltración de flujo normal debido a la autolimpieza continua. El costo de inversión de la MF de flujo cruzado es mayor que el de cartuchos de MF; sin embargo, los costos operativos son sustancialmente menores.Destilación y Generadores de Vapor PuroLa destilación es la recolección del condensado de vapor producido por la ebullición del agua. La mayoría de los contaminantes no vaporiza y, por eso, no pasa al condensado (también llamado destilado).

Con un equipo bien diseñado, se puede alcanzar la remoción de todos los contaminantes orgánicos e inorgánicos, incluyendo impurezas biológicas tales como pirógenos. Ya que la destilación comprende cambios de fase, cuando se diseña y opera correctamente, la misma extrae todas las impurezas hasta un rango de 10 partes por trillón (ppt), produciendo agua de extrema pureza. Para obtener el agua mas pura se requiere tener un control estrecho sobre la temperatura

y tasa de ebullición, así como de la separación del vapor de su potencial carga de contaminantes.La destilación consume comparativamente mucha energía. Sin embargo, el desarrollo de destiladores de múltiple efecto ha bajado drásticamente el consumo de energía requerido con respecto a los destiladores de simple efecto. Se usan mayores temperaturas de vapor repetidamente, perdiendo algo de calor en cada etapa (efecto) pero reduciendo sustancialmente la energía total.

Hoy en día el mayor uso de estos destiladores se da en laboratorios y biotecnología e industrias farmacéuticas debido a las implicancias críticas de contaminación biológica. La destilación es la tecnología aceptada mayoritariamente para un suministro consistente de agua libre de pirógenos sin el uso de aditivos químicos. Se debe hacer un cuidadoso monitoreo de temperatura para asegurar la pureza y evitar la recontaminación del agua purificada.La tecnología de membranas como la osmosis inversa (RO) y la ultrafiltración (UF) se utilizan en forma creciente como pretratamiento de la destilación para reducir el mantenimiento causado por la contaminación orgánica y mineral, e incrementar la calidad del destilado. En la mayoría de los casos la osmosis inversa extrae casi todos de los orgánicos, bacterias y pirógenos, y la mayoría de las sales. El destilador actúa como backup para extraer absolutamente todos los microbios y otros contaminantes asegurando que la calidad del agua farmacéutica sea consistente con las normas USP para PW, y WFI. Algunas combinaciones de estas tecnologías son únicas y tienen protección de patente.Desinfección - Control microbianoEl control de la población de microorganismos es esencial en el mantenimiento del desempeño de cualquier sistema de agua. Un ejemplo son los sistemas de agua ultrapura donde la proliferación de bacterias es la causa principal de contaminación, y se deberá tener un cuidadoso control y monitoreo.El control biológico de los sistemas de agua se acompaña con el mantenimiento residual de biocida en los sistemas, o por la sanitización de los sistemas regularmente. Es preferible el mantenimiento residual de biocida porque controla el crecimiento bacterial y evita el biofilm. Sin embargo, en algunos sistemas de agua de muy alta pureza esto no es posible, por lo tanto es necesario sanitizarlos regularmente. En cualquier caso, una de las medidas más efectivas de control es mantener el sistema funcionando continuamente, ya que las bacterias se reproducen más rápidamente durante los periodos de reposo del sistema. Si esto no es posible, un flash de 15 a 30 minutos cada cuatro horas es muy útil. Cuando se usan biocida hay dos consideraciones muy importantes a tener en cuenta, la concentración y el tiempo de contacto. Cuanto mas alta es la concentración, menor es el tiempo de contacto para una desinfección efectiva. Otros factores que afectan la actividad de los biocidas son el pH, la temperatura, la dureza del agua, el establecimiento del biofilm y la limpieza general del sistema. En muchos casos, el sistema se debe limpiar después de la desinfección. La limpieza ayuda a quitar capas de bacterias y suciedad que pueden enmascarar bacterias y virus en el equipamiento. El film permite que se maten solamente a las bacterias superficiales, y luego se restablezcan rápidamente.Métodos Químicos

Biocidas oxidantes

Cloro

Por lejos el biocida más comúnmente usado debido a su bajo costo y efectividad, es el mas conocido, aceptado y prontamente disponible.

Gas de cloro

El gas de cloro es la forma mas económicamente eficiente de adición de cloro para sistemas por encima de 200 gpm (757 Lpm).

Cloraminas

Las cloraminas se producen por La reacción del cloro con amoniaco. Son mucho mas estables comparadas con el cloro y se usan para asegurar un efecto residual que se mantendrá por todo el sistema.

Dióxido de cloro

El dióxido de cloro (ClO2) es una forma muy efectiva de cloro pero más cara, su uso es limitado. Es más efectivo con altos pH y más compatible con alguna membranas que el cloro.

Ozono

El ozono es doblemente poderoso y oxidante que el cloro. El ozono (O3) se produce en el lugar descargando una corriente eléctrica a través del aire. El oxigeno (O2) en el aire forma O3 el cual es mucho mas reactivo e inestable. El ozono no adiciona ninguna clase de contaminación iónica debido a que se degrada a O2 .El ozono se debe adicionar al agua continuamente debido a su corta vida (aproximadamente 20 minutos a temperatura ambiente) en solución. En ciertas aplicaciones se debe extraer todo el ozono antes de su uso final. Esto se logra exponiendo el agua ozonizada a luz ultravioleta que "rompe" el ozono en oxigeno.

Peroxido de hidrogeno

El peroxido de hidrogeno (H2O2) es un desinfectante efectivo, que no adiciona contaminantes iónicos ya que se degrada en H2O y O2. Esto es una ventaja en sistemas críticos tales como microelectrónica donde un bajo nivel de contaminación iónica es importante. También se puede usar peroxido de hidrogeno en membranas que no toleren el cloro.

Ácido peracéticoUn desinfectante relativamente nuevo, es el ácido peracético (CH3COOOH) existe en equilibrio con el peroxido de hidrogeno y se usa mayormente en equipos de desinfección de diálisis en reemplazo de los formaldehídos. Tiene casi la efectividad de los formaldehídos, pero sin sus

dificultades de manipuleo. Es también compatible con algunas membranas que no toleran el cloro, y es una molécula tan pequeña que es capaz de pasar a través de la membrana y desinfectar el lado aguas abajo. Se descompuso en ácido acético (no peligroso) y agua. Sus desventajas son el alto costo, toxicidad en dosis de concentración, inestabilidad, falta histórica de efectividad, y compatibilidad con materiales de construcción.

Biocidas no-oxidantes

Formaldehído (HCHO)

Los formaldehídos se han usado normalmente como desinfectantes debido a su estabilidad, efectividad contra un amplio rango de bacterias, y bajo efecto corrosivo. Como esporicida, los formaldehídos se pueden clasificar como agentes esterilizantes. Se excluyeron del uso general debido a las recomendaciones de los límites de exposición en humanos determinados por los organismos de control.Se usa normalmente en solución de baja concentración, 0.5 %, para membranas de RO y UF, resinas de intercambio iónico, sistemas de distribución. Los formaldehídos se usan, en concentraciones mas elevadas, normalmente 4 %, como tratamiento de shock para sanitizar equipos de diálisis u otros sistemas de agua hospitalaria.

Amina Cuaternaria

Las aminas cuaternarias compuestas se usan como agentes sanitizantes en los sistemas de la industria farmacéutica, alimenticia y medica. Estos compuestos son estables, no-corrosivos, no-irritantes y activos para una amplia variedad de microorganismos. Tienen la ventaja de la actividad superficial cuando además se desea limpieza.Sin embargo, las aminas cuaternarias compuestas pueden causar problemas mecánicos debidos a la espuma y formar películas que requieran periodos de enjuague. Las aminas cuaternarias no son compatibles con algunas membranas poliméricas.

Métodos Físicos

Calor

El calor es una forma clásica de control bacterial y es muy efectiva cuando los sistemas están bien diseñados e instalados. Normalmente se utilizan temperaturas de 80º C (176º F) en instalaciones farmacéuticas para almacenaje y recirculación de agua purificadas USP (PW) y WFI. Tratamientos de calor por encima de 80º C (176º F) se usan también para control de microorganismos en sistemas de carbón activado.

Luz ultravioleta

El tratamiento con luz ultravioleta es una forma popular de desinfección debido a la facilidad de su uso. El agua se expone a una tasa controlada de ondas de luz ultravioleta. La luz desactiva el ADN a

reducción bacterial. Con un buen diseño y mantenimiento, los sistemas UV son simples y confiables para una alta reducción de bacterias (+99 %), y es compatible con las membranas químicamente sensibles y sistemas DI que normalmente so incompatibles con los químicos.Las UV se usan para reducir la carga microbial en los sistemas de membranas y mantener un conteo bacteriano bajo en los depósitos y sistemas de recirculación de de agua de alta pureza. Si se ha adicionado ozono al agua, el UV es efectivo para destruir el ozono residual antes de usarse. El UV puede incrementar la conductividad del agua cuando hay orgánicos en la solución debido a la fragmentación de los orgánicos y a la formación de ácidos orgánicos.La desventaja de la luz ultravioleta es la falta de un activo residual, y es efectiva únicamente si hay un contacto directo de la UV con los microbios. Se debe tener mucho cuidado en el diseño y operación del sistema para asegurar la reducción bacterial. Una luz inadecuada puede solamente dañar a las bacterias, las que se pueden recuperar luego. El agua debe estar libre de sólidos en suspensión que pueden hacer "sombra" a las bacterias para un adecuado contacto con la UV.

Microfiltración en punto de uso

La mayoría de las bacterias tiene un diámetro físico superior a 0.2 micrones. Por eso un filtro de 0.2 o mas fino las extraerá mecánicamente continuamente de los sistema fluyendo. La microfiltración en punto se usa normalmente en aplicaciones farmacéuticas, médicas, y microelectrónica para asegurarse contra la contaminación bacteriana. Para usarse como filtros esterilizantes, los mismos deben ser de rango absoluto (p.e. completa retención de partículas iguales o mayores al rango, en micrones, del filtro). Para aplicaciones farmacéuticas y médicas los filtros se deben validar para retención de bacteria. Se deberá testear la integridad del filtro instalado en posición para asegurarse que el mismo fue bien instalado, esta libre de defectos y comprobar la integridad del sello. La gran ventaja de la microfiltración es que no requiere químicos ni calor. Los mismos se deben cambiar regularmente para prevenir la posibilidad de crecimiento a través del mismo o rotura por presión.

TRATAMIENTO PARA AGUA DE CALDERAS

Con relación al tratamiento de agua para calderas, se ha estudiado ampliamente en el desarrollo de compuestos inorgánicos tales como: fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarán que dicha incrustación continúe creciendo, pero la incrustación formada no sufrirá disminución alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificación) por tanto la desincrustación se deberá realizar manualmente o por medio de recirculación de ácidos teniendo este último los riesgos correspondientes y en ambas opciones se tendrá que parar el funcionamiento del equipo.

La forma mas frecuente de expresar la concentración de impurezas es la que relaciona las partes en peso del elemento por millón de partes de agua (ppm) un grano por galón es igual a 17.1 ppm.

Los sólidos productores de espuma en grandes concentraciones dentro del agua de la caldera contribuyen a que esta sea portadora de partículas contaminantes y por ende contaminan el vapor.

Debido a que el agua de la naturaleza no es apropiada para las calderas, es necesario realizar los siguientes tratamientos:

1. Separación de los elementos nocivos del agua.

2. Conversión de las impurezas residuales en formas inocuas.

3. Remoción sistemática por medio de purgas de los concentrados del agua de la caldera.

La razón fundamental del tratamiento de las aguas de alimentación y de la caldera es evitar los depósitos de lodos e incrustaciones, que dan lugar a la corrosión de las superficies internas.

La presencia de condiciones ácidas o gases disueltos dan lugar a la corrosión.

La corrosión y los depósitos sólidos están estrechamente relacionados. Esto es debido a que las grandes concentraciones de sólidos a altas temperaturas, crean depósitos y a su vez la corrosión.

Algunas reacciones químicas presentan un ataque ínter granular en el metal, que se vuelve quebradizo hasta que sobreviene la fractura.

El tratamiento más apropiado económicamente justificado, para una planta determinada, depende de las características del agua disponible, en la cantidad de reposición y el diseño de su generador de vapor y sus accesorios.

AGUA CRUDA

Los tratamientos que se le dan al agua cruda para convertirla en agua de alimentación comprenden uno o más de los siguientes procedimientos:

1. SEPARACIÓN DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN:

Consiste en separar partículas grandes (tamices, telas o capas de material granular) y pequeñas (productos químicos).

2. TRATAMIENTO QUÍMICO PARA ELIMINAR LA DUREZA:

Las principales impurezas que dan lugar a la formación de incrustaciones en la caldera son calcio, magnesio y sílice. La cal-sosa y la soda ash mediante una reacción química forman un precipitado que puede separarse junto con los lodos. En ambos procesos se obtiene sulfato de sodio.

3. ELIMINACIÓN DE LA DUREZA POR INTERCAMBIO DE CATIONES:

Ciertos minerales como el silicato de aluminio y sodio y algunas resinas sintéticas, como los poliestirenos o materiales de tipo fenólico, poseen la capacidad de intercambiar los iones de sodio por iones de calcio y magnesio, cuando éstos se encuentran en solución acuosa. Luego se

Hace pasar el agua cruda o filtrada a través de lechos de partículas granuladas de zeolita. Para restaurar los iones de sodio de la zeolita, se hace pasar el agua por una salmuera con alta concentración de cloruro de sodio.

En la actualidad el sistema más popular de ablandamiento de aguas combina los tratamientos químicos con los intercambios de cationes, utilizando cal caliente (con magnesio o sin él, para separar los silicatos), seguida del intercambio de cationes de sodio en caliente.

4. DESMINERALIZACIÓN POR MEDIO DE LA SEPARACIÓN TOTAL DE SÓLIDOS DISUELTOS:

Algunos tipos de resinas orgánicas sintéticas tienen la capacidad de seleccionar y separar los cationes o aniones indeseables en una solución acuosa, por intercambio de iones hidrógeno y oxidrilo. Los iones de hidrógeno y oxidrilo son liberados por la resina durante el proceso combinado, calentándose para formar agua pura

5. EVAPORACIÓN:

El agua pura puede obtenerse colectando el destilado de la evaporación, al hervir el agua cruda, esto debido a que los constituyentes solubles permanecen en el agua, entonces se separan por purgas sucesivas o medios mecánicos. La contaminación del destilado se da por el arrastre de partículas de agua en el vapor o reabsorción de gases no condensables.

El reciclaje del condensado de vapor procedente del calentamiento de procesos es conveniente para aprovechar el condensado relativamente puro. Debido a la disipación atmosférica y a la contaminación por los equipos de procesamiento, se requiere casi siempre una cantidad adicional de materia prima.

AGUA DE ALIMENTACION.

El agua de alimentación se forma con el condensado o con agua después de un tratamiento y algunas veces con una mezcla de ambos. El factor primordial en la corrosión de superficies de acero en contacto con agua es el oxígeno disuelto. Este gas puede eliminase en forma parcial calentando el agua a temperatura de ebullición en calentadores de agua de tipo abierto. Para complementar se agrega hidracina o sulfito de sodio para remover completamente el oxígeno.

Otros gases que producen corrosión son el dióxido de carbono, dióxido de azufre y ácido sulfhídrico que se encuentran en el tubo de condensados y en el sistema de precalentador. Estos gases pueden haber tenido su origen en la atmósfera o se forman a partir de los constituyentes del agua dentro de la caldera.

La presencia de gases en el condensado, da una reacción ácida causando así la corrosión.

Si se agrega amoniaco a algunas aminas volátiles como la morfolina o la ciclohexilamina se logra aumentar el pH del agua de alimentación.

Cuando se agregan aminas formadoras de películas (que no elevan el pH), estas protegen las tuberías por medio de capas monomoleculares que se adhieren a la superficie metálica.

El tratamiento interno del agua de la caldera tiene por objeto evitar la corrosión, las impurezas en las superficies conductoras de calor, contaminación del vapor y las condiciones ideales del agua.

La prevención de la corrosión en las calderas se realiza manteniendo un estado alcalino o pH en el agua. La presencia de los iones hidrógeno (H+) u oxidrilo (OH-) en las soluciones acuosas dan una reacción ácida o alcalina.

Cuando en una solución acuosa se encuentran presentes iones de muchos compuestos, como sucede en las aguas de la caldera, se tiene una elevada actividad de interacción entre ellos. Estos fenómenos se conocen como efecto amortiguador o “Buffer” y afecta la concentración de los iones específicos resultantes; entonces la solución tiende a acercarse al punto de equilibrio según los principios químicos de acción de masas.

El pH de una muestra de agua puede determinarse por la medida de su potencial eléctrico, o bien en forma aproximada por indicadores que cambian de color dentro de determinados valores de pH debido a su relación con la solución.

El pH del agua de una caldera que trabaje con una presión aproximada de 1800 psi, mantiene un pH 10.2 a 11.5; si la presión es mayor a esta se emplean lechos desmineralizadores que disminuyen el pH entre 9 y 10.

Es necesario eliminar la dureza del agua de la caldera para evitar las incrustaciones lo cual se consigue agregando fosfato de sodio o de potasio al agua de la caldera y mezclando perfectamente.

El pH lo bajamos normalmente con oxido clorhídrico (H+).

El pH lo subimos con sodas (OH-).

Un pH alto (> 10) me da formaciones de lodos insolubles y no adherentes, mientras que un pH bajo forma lodos adherentes.

La sílice como impureza puede entrar en el sistema en forma de compuestos solubles, como partículas finamente divididas que no son retenidas en el proceso de filtración, una vez dentro se disuelve en el agua alcalina de la caldera o se combina con ella y entra en solución y produce incrustaciones adherentes, y en otras ocasiones produce silicatos que forman incrustaciones con el oxido de hierro o alúmina.

Los limites de las concentraciones varían en función de la presión de operación, en un intervalo que va de 10 ppm con 1000 psi a 0.3 ppm con 2500 psi.

El método Chelant para tratamiento de agua es utilizado en la industria por muchos operadores de caldera. El Chelant reacciona con los residuos divalentes de los iones metálicos de calcio, hierro y magnesio .

DESAIREADORES:

Se conocen como desaireadores (desgasificadores) aquellos dispositivos mecánicos empleados para liberar los gases contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno, anhídrido carbónico y otros gases).

Su funcionamiento consiste en dividir el agua de alimentación en finas gotitas, calentándolas a continuación para transformarlas en vapor dentro del desaireador, y separar el aire, anhídrido carbónico y otros gases del vapor a medida que este se va condensando. En los desaireadores el fluido calorífico acostumbra a ser el vapor, a presiones comprendidas entre valores altos hasta otros inferiores a la presión atmosférica.

Un calentador de agua de alimentación del tipo abierto o de contacto directo puede desempeñar la función de desaireador con tal que el agua se caliente a una temperatura suficientemente alta para que se desprendan los gases contenidos en ella, los cuales se hacen salir por el purgador del calentador.

Calentadores abiertos de agua de alimentación.

Los calentadores de agua de alimentación abiertos son calentadores de contacto directo porque utilizan el calor del vapor para calentar agua a medida que se mezclan. Véase la Figura12.13. El calentador abierto trabaja a baja presión, desde la atmosférica a 30 psig (2,1 kg/cm2) con el agua y el vapor a la misma presión. La unidad mostrada en la siguiente figura incluye un separador de vapor y aceite en la entrada. El agua gotea hacia abajo desde la entrada superior sobre unas bandejas que dividen los chorros de agua para operar una mejor mezcla con el vapor y mejorar así la transferencia térmica. El agua calentada pasa a través de un filtro de coque antes de entrar en la bomba de aspiración de la caldera.

El calentador de contacto directo tiene dos divisiones básicas, el calentador abierto normal y el calentador desaireador. El calentador abierto se diseñó originalmente para utilizar vapor de escape para el calentamiento del agua de alimentación y es esencialmente un calentador de baja presión. Está siempre situado en el lado de aspiración de la bomba de alimentación, y debe estar a una altura suficiente por encima de la aspiración de la bomba para evitar la formación de vapor. (Cuando el agua caliente está sometida a vacío, vaporiza instantáneamente («flasheado»). Así, una bomba que maneje agua caliente, debe tener su aspiración de alimentación bajo presión positiva, o no fluirá el agua a la bomba. Una bomba que aspira vapor se dañará.) La presión requerida (altura requerida) depende de la temperatura máxima del agua.

El principio del calentador abierto es pasar agua fría de alimentación desde la parte superior cayendo sobre una serie de bandejas metálicas. El vapor a baja presión entra entre estas bandejas, condensándose y mezclándose con el agua.

Además, otras funciones llevadas a cabo por el calentador abierto para elevar la temperatura del agua son:

Depósito de sólidos que causan dureza «temporal» en el agua.

Eliminación de una parte considerable del oxígeno libre al llevar el agua a su punto de ebullición y ventear los gases a la atmósfera.

Paso 1 puede reducir la formación de incrustaciones en la caldera.

Paso 2 ayuda a reducir la corrosión y el picado, que son acelerados por el oxígeno libre.

Calentador desaereador. El calentador desaereador (Fig. 12.13) es un desarrollo del calentador abierto y aumenta su función de eliminación del oxígeno al trabajar a temperaturas correspondientes a presiones por encima de la atmosférica. Aunque por esta razón no es más que un calentador «abierto» es, sin embargo, un calentador de contacto directo. Se usa con excelentes resultados en plantas de tamaño medio a grande donde hay disponible un volumen suficiente de vapor a baja presión (de 5 a 50 psi = de 0,35 a 3,5 kg/cm2) para el proceso de calefacción. El oxígeno y los gases incondensables son venteados con el vapor a través de una ventilación

condensadora en la parte superior del calentador. Aquí, el vapor se condensa y el condensado retorna al sistema con el oxígeno y los otros gases incondensables venteados, por medio de la bomba de vacío, a la atmósfera.

Los recientes incidentes de roturas de desaireadores en Estados Unidos, han dado como resultado una intensificación de la vigilancia y la necesidad del aumento de inspección de soldaduras de estos recipientes, y también evitar los cambios repentinos de presión en la tubería de conexión, lo que se da en el caso de los «viaje» * que se producen en los turbogeneradores. Normalmente, las líneas de extracción de una turbina de vapor suministran vapor a estos aparatos. Han existido accidentes de golpe de ariete cuando las válvulas o el calentador se cerraban. Se cerraban demasiado rápido durante la secuencia del «viaje». Otros incidentes implicaron roturas por fatiga debida a corrosión en zonas de soldadura.

El Instituto de Intercambio Térmico (Heat Echange Institute), 1300 Summer Ave., Cleveland, OH 44115, Estados Unidos, ha revisado sus normas sobre calentadores desaireadores, que ahora incluyen lo siguiente sobre los diseños de calentadores:

Aumentar la tolerancia por corrosión de 1/16" a 1/8".

Prohibir el uso del acero al carbono SA-585 en construcciones nuevas.

Exigir un acabado fino de las soldaduras interiores para evitar concentración de tensiones y la formación de picaduras por corrosión.

Exigir la eliminación de tensiones residuales de las soldaduras de los depósitos de almacenaje para eliminar tensiones residuales de las soldaduras.

Exigir examen total por rayos X de toda envolvente o calderín y de las soldaduras de sus fondos.

Exigir inspección húmeda, fluorescente y de partículas magnéticas de las soldaduras de las toberas a la envolvente o calderín.

La reinspección de antiguos de desaireadores ha intensificado el uso de la inspección húmeda, fluorescente y de partículas magnéticas de todas las uniones soldadas interiores, más las conexiones de toberas para suplantar toda inspección visual interior. También se recomienda que las pruebas (NDE)* sean llevadas a cabo por personal cualificado de acuerdo con la normativa SNT-TC-1. Cualquier reparación de grietas deberá ser aprobada por un inspector cualificado por el Código. Las inspecciones se han de realizar con mayor frecuencia ya que los accidentes por fallos debidos a roturas reciben mayor atención en la industria.

Los intervalos recomendados son:

Un año después de la instalación de nuevas unidades. Si no se encuentran grietas no se necesitan reparaciones: tres años de intervalo.

Las unidades con grietas reparadas: un año o menos después de la reparación.

Evaporadores. El evaporador mostrado en la Figura es del tipo en los que el agua bruta (con impurezas) es calentada y evaporada. Este vapor se condensa en agua pura para alimentación de caldera. El condensado es a menudo rico en oxígeno, por lo que es necesario incluir en la instalación un calentador desaireador para eliminación del oxígeno.

El evaporador consiste en un depósito que se alimenta de agua bruta para mantener un nivel constante. El haz tubular a través del cual pasa el vapor de 10 a 150 psi (0,7 a 10.5 kg/cm2) está sumergido en el agua. El condensado formado en el haz tubular es conducido de nuevo al sistema de agua de alimentación. El vapor o agua evaporada proveniente del agua bruta pasa a través un condensador evaporador donde el vapor se condensa para usarlo como agua de aportación en el suministro de agua a caldera.

La mayor parte de las impurezas que forman incrustaciones se quedan en el agua de la virola evaporadora. A medida que la concentración del agua bruta crece, debería ser reducida purgando el evaporador y rellenándolo.

Con un determinado número de unidades, los evaporadores pueden instalarse en serie (efecto múltiple). Normalmente, cuatro efectos en serie (efecto cuádruple) son suficientes para producir agua pura de un agua bruta, que ya es posible utilizar e incluso ser productiva con la máxima eficiencia práctica.

El suministro de vapor para los evaporadores normalmente se extrae de las turbinas de vapor. El evaporador es más práctico en plantas medianas y grandes utilizando un pequeño porcentaje de aportación.