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Ing. Enrique Vanegas Casadiego
TRATAMIENTO DEL AGUA PARA LAS CALDERAS
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INTRODUCCIONINTRODUCCION
Los requerimientos de agua para los sistemas de generación
eléctrica basados en plantas termoeléctricas aumentan al
incrementar la potencia instalada de las plantas, ya sea que se
traten de sistemas basados en el ciclo Rankine regenerativo y/o
con recalentamiento o que se trate de sistemas con ciclo
combinado.
Adicionalmente debemos considerar que la calidad del agua
usada en estos sistemas de generación eléctrica es más y más exigentes en la medida en que las unidades de generación
alcanzan valores más altos ya que involucran mayores presiones
y temperaturas.
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INTRODUCCIONINTRODUCCION
Por otra parte las normas para el uso industrial de las fuentes de
agua y la disposición final de las aguas usadas en procesos
industriales son cada vez más exigentes. Lo anterior no lleva a
hacer un uso óptimo de las fuentes de agua empleadas en los
procesos de generación eléctrica con el fin de minimizar el
impacto ambiental y de no disminuir las fuentes de agua
disponibles para consumo humano.
Con esta introducción en mente estudiaremos la química, los procesos y los componentes que hacen el estado del arte del
tratamiento del agua en los sistemas de generación eléctrica.
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INTRODUCCIONEl agua de lluvia al caer puede absorber oxigeno, C0²,
nitrógeno, polvo y otras impurezas contenidas en el aire, y
también disolver substancias minerales de la tierra. Esta
contaminación puede acrecentarse además con ácidos
procedentes de la descomposición de materias orgánicas,
residuos industriales y aguas sépticas descargadas en lagos
y ríos.
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
• Materia inorgánica• Materia orgánica
• Gases disueltos• Materia suspendida• Organismos microbiológicos.
materia como:• Hojas de árboles y su compuestos, productos de la
descomposición• Sedimentos insolubles• Arena• Material inorgánico• Agentes contaminantes provenientes del sector
industrial
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
La Materia Insoluble, conocida como turbidez,constituye la forma de impureza más fácilmente
reconocible; involucra partículas gruesas de sedimentosque rápidamente se sedimentan. Los rangos de turbidezpueden ir desde cero partes por millón (ppm), en aguasmuy claras, hasta 60 000 ppm en aguas muy turbias deríos.La turbidez constituye uno de los problemas máscomunes para la mayoría de los usos del agua, así que
podemos encontrar límites de 5ppm, en la producción depulpa y papel de alto grado de pureza, o de 10 ppm parael agua potable.
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
El Calcio y el Magnesio le dan al agua la característicade la "dureza". Las formas más comunes en la que se
presentan (de la más común a la menos común) son:Bicarbonatos, sulfatos, cloratos o nitratos.Los efectos de estos compuestos se pueden observar alevaporar el agua en un recipiente, dejan depósitos, estosmismos depósitos pueden atascar los sistemas de fluidoso inhibir la transferencia de calor a través de los equiposo tuberías.
Las unidades de dureza se expresan como ppmequivalentes de carbonato de calcio (una parte por millóno ppm es igual a tener un miligramo (mg) de unasustancia contenida en un litro (l) de solución).
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
El hierro, el manganeso y la sílice, al igual que ladureza, producen depósitos en los sistemas de agua.
En las aguas naturales el rango de sílice puede variarentre 1 y 100 ppm o más. En las calderas y en lossistemas de agua de enfriamiento forman escamas(incrustaciones), con los consecuentes problemasmecánicos y de transferencia de calor, o son arrastradospor el vapor hasta los álabes de las turbinas dondeforman depósitos vítreos que causan el desbalance de
las partes rotativas y por ende vibraciones mecánicas,además de obstruir los conductos por donde pasa elvapor.
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
El hierro se presenta en concentraciones de hasta 15ppm y los problemas asociados pueden ser más amplios
que los de la sílice. La forma más común es la delbicarbonato ferroso, este se deposita al exponerse al airey forma un sedimento rojo o café oscuro. Para la industriadel papel, por ejemplo, se consideran problemacantidades tan pequeñas como 15 ppm .El más raro de los tres es el manganeso, este formadepósitos y manchas oscuras y está asociado con
problemas en los reservorios de agua potablesubterránea. En cantidades tan pequeñas como 0.2 ppmya forma depósitos en la tuberías.
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
Los Gases Solubles, compuestos principalmente por O2,
nitrógeno, dióxido de carbón (CO2) y sulfuro de hidrógeno (HS). Si
bien el nitrógeno es inerte, el oxígeno corroe el hierro, el zinc, el
latón y otros metales.El CO2 libre se encuentra en la mayoría de las fuentes de agua y
generalmente las aguas superficiales contienen menos dióxido de
carbono que las aguas de pozos, sin embargo se pueden
encontrar hasta 50 ppm de CO2 en algunos casos. Las aguas de
pozos pueden contener entre 2 y 50 ppm de CO2, dependiendo
de su localización, época del año, etc. Por su naturaleza corrosiva
estos gases solubles pueden acelerar la corrosión con ayuda del
O2; el sulfuro de hidrogeno es muy conocido por su característico
olor a huevos podridos. Su presencia en el agua la hace
desagradable y corrosiva para la mayoría de los metales.
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
Las sales de Sodio y Potasio producen corrosión en calderas
de alta presión y son arrastradas por el vapor hasta las
secciones posteriores de la caldera donde forman
incrustaciones. Son extremadamente solubles y solo se
precipitan cuando alcanzan altas concentraciones. Estas sales
no se pueden tolerar en aguas de alta pureza.Normalmente el agua contiene una variedad de compuestos
disueltos. Cada compuesto se disocia en sus respectivos iones
cuando se disuelve. Aunque se puede medir la cantidad de
cada
catión
(ión
con
carga
positiva)
y
de
cada
anión
(ión
con
carga negativa) en la solución, no es posible analizar la
cantidad de cada compuesto. Solo podemos asumir que los los
iones se recombinan.
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PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
La concentración de un ión dado puede darse en términos de
su concentración equivalente de carbonato de calcio, esto
quiere decir que se comparan los pesos equivalentes de los
dos iones. Ahora bien el término peso equivalente se refiere a
la cantidad de un elemento que se combina con el peso
unitario del hidrógeno, o dicho de otra forma es el peso
atómico del elemento o compuesto, dividido por su valencia.
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Los productos más perjudiciales, cuando se trata de
agua para alimentar calderas de vapor, son las sales de
cal y de magnesio.
GRUPOS:
BICARBONATOS, se descomponen fácilmente y originan
la “dureza temporal ”.
SALES MÁS ESTABLES (sulfatos, cloruros, nitratos),
originan “dureza permanente”.
PRINCIPALES GRUPOS DE IMPUREZAS
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Las impurezas del agua pueden ser la causa de los
siguientes efectos perjudiciales para la caldera y el
funcionamiento de una central térmica:
1.‐ Reducción de la cantidad de calor transmitido
debida a la formación de incrustaciones sobre las
superficies de caldeo.
2..‐ Averías en los tubos y planchas, producidas por la
disminución de la cantidad de calor transmitido a
través de ellos.
Efectos producidos por las impurezas en el
agua
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Efectos producidos por las impurezas en el
agua
3.‐ Corrosión y fragilidad del acero en la caldera.
4.‐ Mal funcionamiento, formación de espumas y
arrastres de agua en cantidad por el vapor.
6.‐ Perdidas caloríficas debidas a frecuentes
purgados.
7.‐ Mal rendimiento de los equipos que utilizan el
vapor, a causa de que este sea sucio.
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Efectos producidos por las impurezas en el
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Efectos producidos por las impurezas en el
agua
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Enfoque del temaIncrustación: Es la capa blanda o dura depositada sobre
las superficies internas de una caldera, compuesta de
substancias minerales, suciedad o ambas cosas. Su efecto
consiste en hacer disminuir la transmisión de calor a través
de las superficies de caldeo, reduciendo como consecuencia
la capacidad y rendimiento de la instalación, y,
posiblemente, recalentando los tubos y planchas de la
caldera.
Corrosión: es un desgaste anormal de la caldera
(superficies metálicas) con una disminución de su resistencia
mecánica. Las causas pueden ser: acción electrolítica, acidez
o alcalinidad del agua, o la presencia de oxigeno.
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Objetivo del acondicionamiento del agua
Los fines principales perseguidos con el tratamiento del agua de alimentación son los siguientes:
1.‐ Quitar las materias solubles y en suspensión.
2.‐ Eliminación de los gases.
Todo esto es necesario, entre otras cosas para:
1.‐ Evitar la formación de incrustaciones sobre las
superficies de calentamiento del agua.
2.‐ Proteger contra la corrosión los metales de las calderas,
recuperadores y tuberías.
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Objetivo del acondicionamiento del agua
Identificación
de
la
incrustación.
Costras
de
diferentes
consistencias pueden aparecer en una caldera y requieren análisis
químicos posteriores para su identificación. Las incrustaciones aquí descritas muestran las características de los diferentes tipos que
pueden hallarse en calderas: Sulfato cálcico: origina una costra muy dura que se adhiere
tenazmente a las superficies calefactoras. Esta incrustación se
considera la peor a causa de su dureza extrema, la dificultad en su
eliminación y su baja conductividad tér‐mica.Carbonato cálcico: es una incrustación blanda, de tipo cenagoso,
normal‐mente de apariencia blanquecina y se quita fácilmente por
lavado con agua.
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Objetivo del acondicionamiento del agua
Carbonato de
magnesio:
forma
una
costra
blanda
de
tipo
similar
a
la de carbonato cálcico.Sílice: no forma incrustación en solitario, sino que conmparte una
estructura vítrea a los depósitos de sulfato cálcico, lo que produce
una costra muy dura, frágil y prácticamente insoluble en los ácidos. La sílice en las calderas de alta presión se volatiliza y viaja con el
vapor al turbogenerador para depositarse como incrustación dura,
parecien‐do porcelana sobre las piezas internas de la turbina.
Silicato de calcio y magnesio: ambos tienden a producir costras de estructu‐ra densa y cristalina, muy adherente a las superficies de
transferencia térmi‐ca y con bajas transferencia de calor.Hidróxido de calcio y magnesio: producen depósitos blandos que
pueden adherirse o cementar con otras sustancias.
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Objetivo del acondicionamiento del agua
Carbonato
de
hierro:
se
encuentra
con
frecuencia
en
otras
incrustaciones y es una sustancia indeseable porque añade una
naturaleza corrosiva a la cos‐tra que aparece.Fosfato de calcio y magnesio: son subproductos de los
tratamientos
de
agua
por
fosfato
y
aparecen
como
un
lodo
blando
que se elimina fácilmente por purga.Sulfato de magnesio: no es demasiado común en la incrustación
pero, donde aparece solo, la costra es comparativamente blanda.
Sin embargo, en combi‐nación con el carbonato cálcico o el sulfato cálcico, puede resultar una in‐crustación vítrea muy dura.
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Distintos procedimientos para eltratamiento del agua
Podemos decir que no existe ningún
procedimiento simplista ni producto
químico apropiado para el tratamiento de
todas las clases de aguas. Cada caso se debe
considerar individualmente.
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Tratamiento de Agua El proceso consiste en dos grandes partes:Tratamiento externo, y Tratamiento internoEl primero se subdivide en:
•Clarificación•Filtración•Tratamiento (filtrado) con carbón activado granular•Desmineralización
El siguiente diagrama ilustra el funcionamiento de una planta
de tratamiento de agua para calderas
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Tratamiento de Agua :
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Pretratamiento CLARIFICACIONProceso por el cual al agua se le quita el color turbio, producto
de los sedimentos.
Las
plantas
de
generación
requieren
por
lo
general
de
equipos
especialmente diseñados para el uso de coagulantes químicos
que aceleran el asentamiento de partículas. Los tanques de
sedimentación y los clarificadores sirven para este propósito.
El tanque horizontal se constituye en el primer tipo de clarificador. El agua al entrar es mezclada rápidamente con
coagulantes, luego lentamente con la ayuda de precipitadores
estratégicamente ubicados se incentiva el crecimiento de
partículas en forma de grumos (FLOCS) con el fin de mejorar el asentamiento en pequeños diques donde se alojan las
partículas. El agua ya clarificada sale a través de un canal
colector, mientras que los sólidos asentados son barridos desde
el interior del tanque hasta la tolva de descarga. (Ver Figura).
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Pretratamiento CLARIFICACION. Funcionamiento de un clarificador …
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Pretratamiento CLARIFICACION
La mezcla y coagulación se combinan en una sola unidad tal como se
muestra. La adición de polímeros al agua que se agita con un rápido
movimiento en el centro produce una floculación inicial; la velocidad del
agua es menor hacia las paredes del clarificador debido al crecimiento
adicional de grumos, esto optimiza la remoción de la turbidez del agua.
(Ver Figura) Se pueden agregar platos inclinados para crear una unidad
que reduzca la distancia y el tiempo de asentamiento.
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Pretratamiento
CLARIFICACION
Los coagulantes trabajan reuniendo o agrupando los sólidos
coloidales o sólidos finamente divididos, de tal manera que se
forman grumos de masas más grandes que pueden ser
sedimentados o removidos por filtración. Estos sólidos suspendidos se encuentran en el agua natural en tamaños que van
desde 0.1 hasta 10 micrones y se resisten a la aglomeración
debido a los grupos iónicos de igual carga (negativa) que se
repelen mutuamente.
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Pretratamiento
CLARIFICACIONPara alcanzar la coagulación estas cargas deben ser neutralizadas,
al menos parcialmente. Los coagulantes químicos son el
instrumento que permite la neutralización de las cargas.
También se usan polímeros de cadenas largas, los cuales se unen
para mejorar el crecimiento de grumos (flocs) mediante puentes
químicos.COMPUESTOS DE ALUMINIO
Empleados especialmente como coagulantes.La carga superficial entre partículas suspendidas crea fuerzas de
repulsión, limitando la formación de partículas más grandes
mediante la aglomeración. El coagulante químico neutraliza la
carga, reduce la barrera de potencial y facilitando la fusión en
forma de grumos. El alumbre tiene la particularidad de que
neutraliza la carga natural de las partículas suspendidas
(usualmente negativas) permitiendo que puedan aglomerarse
varios grumos entre sí.
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Pretratamiento
FILTRACIONAún con clarificadores operando a niveles óptimos, bajo ciertas
condiciones, se requiere el pretratamiento adicional (filtración)
para remover sólidos suspendidos y coloidales así como
precipitadores químicos que no se sedimentan, y así prevenir las impurezas en membranas y resinas empleadas en los siguientes
pasos del programa de tratamiento. (Ver Figura)
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Pretratamiento
FILTRACIONLa eficiencia en el funcionamiento de un filtro depende del
tamaño del medio filtrante y de la porosidad del mismo.
Usualmente se emplean medios granulares como elementos de
filtración. En al figura anterior se observan dos lechos filtrantes: una capa de arena fina y un sustrato de grava, de esta manera selogran retener los sólidos que llegan con el flujo de agua. La
frecuencia de limpieza varia de acuerdo a la pedida de presión
permitida a través del filtro (1992 a 2490 Pa). Las ratas de flujo para lavado del lecho filtrante para filtros convencionales de
gravedad varían entre 10 y 20 gpm.Los filtros de gravedad sin válvulas ofrecen la ventaja de una
autolimpieza
automática
por
medio
de
un
sistema
de
retrolavado
incorporado. Ver figura.
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Pretratamiento
FILTRACION..
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Pretratamiento
FILTRACIONLos filtros de presión contienen el medio filtrante en un recipiente
cerrado hecho en acero, pueden ser verticales u horizontales,
permitiendo el manejo de flujos mayores y ocupando menor
espacio. El medio filtrante está constituido por lechos de diferente naturaleza y granulometría, normalmente el medio filtrante de
una granulometría menor se coloca antes del lecho de grano
grueso, en dirección del flujo de agua. La limpieza se puede
optimizar inyectando agua (o aire) a presión para romper la capa (torta) de material retenido, También tenemos el filtro de flujo
ascendente que emplea un mismo medio filtrante (arena) pero de
diferente granulometría en capas de igual altura. La capa filtrante
con
grano
de
mayor
tamaño
se
ubica
antes
del
medio
filtrante
con
grano de menor tamaño. En la figura vemos estos dos últimos
tipos de filtros.
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Pretratamiento
FILTRACION…
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Pretratamiento
FILTRACIONCuando se requiere una filtración muy estricta se recurre a los
filtros tipo cartucho (desechables) fabricados con fibras de
polipropileno, algodón o fibra de papel, los cuales son utilizados
en los casos en que se requiera una filtración muy fina ya que pueden retener partículas tan pequeñas como de 0.5 micrones. La
siguiente tabla ilustra la capacidad de retención de acuerdo al
proceso aplicado para la remoción de los diferentes tipos de
partículas contaminantes:
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Pretratamiento
FILTRACION CON CARBON ACTIVOLa adsorción es un proceso de separación en la que ciertos
componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie
de un sólido adsorbente.
FILOSOFIALas aplicaciones de la adsorción es recuperar material disuelto en
el componente que se adsorbe (adsorbato), este puede ser
liquido, sólido o gaseoso.
CARACTERISTICA. Se realiza en la mayoría de los casos con sistemas sólidos‐líquidos y sólido‐gas. La transferencia de materia
se produce a través de una interfase fija en el espacio o el sólido
originando un gradiente de velocidad de fluido.
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ADSORCIONA B S O R B E N T E S C O N V E N C IO N A L E S , V S . A B S O R B E N T E S I D E A L E S
C O N C E P T O A R C I L L A A R E N A A S E R R I N T R A P OP O L V O L i t e
D r iT A P E T E
B iod eg ra d a b le N O N O S I S I S I S I
In c in era b l e N O N O S I S I S I S I
R e t i e n e lo s
l íq u id o sN O N O S I S I S I S I
F a b r ic a d o
es p e c í f ic a m e n te
p a r a a b s o r b e r
l íq u id o s
N O N O N O N O S I S I
P er m i te fá c i l
r ec u p er a c i ón d e l
l íq u i d o
N O N O N O N O N O S I
A b s o r c i ó n
S e l e c t i v a(*
) N O N O N O N O N O S I
A u to c o n ten id o N O N O N O N O N O S I
A b ra s iv o S I S I N O N O N O N O
D es g a st e d e
m a q u in ar ia sS I S I N O N O N O N O
A B S O R B E o
A D S O R B EA D S O R B E A B S O R B E
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Pretratamiento
FILTRACION CON CARBON ACTIVODurante los procesos de tratamiento, generalmente es necesaria
una esterilización del agua. Esto es debido al contenido más o
menos importante de materias orgánicas, nocivas para las resinas
de intercambio iónico, que se utilizarán posteriormente en la desmineralización. Estas materias orgánicas también pueden dar
lugar a la formación de lodos.Para la eliminación de la materia orgánica, el cloro es el reactivo
más
utilizado.
Posee
un
poder
oxidante
muy
elevado,
que
favorece la destrucción de la materia orgánica. Es muy eficaz aún
en concentraciones muy pequeñas. También suele emplearse
hipoclorito sódico. El cloro residual procedente del proceso de
esterilización
es
perjudicial
para
las
resinas
de
intercambio
iónico,
por ello debe eliminarse o reducir su concentración a valores
tolerables para las mismas. Para eliminar este cloro residual suele
emplearse frecuentemente filtros de carbón activo en cabeza de
las cadenas de desmineralización.
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Pretratamiento
FILTRACION CON CARBON ACTIVO
El carbón activado es el mejor adsorbente de uso general pararemoción/reducción de muchos compuestos orgánicos-y aúnalgunos inorgánicos-del agua.El carbón activado se fabrica a partir de cualquier materialcarbónico como la madera, el carbón mineral, la cáscara de coco,etc., es clasificado según el tamaño, carbonizado y activado paracrear la enorme área de superficie y la estructura interna del poro
que define al carbón activado. Son las altas temperaturas (1,800-2,000oF = 982-1,093oC), la atmósfera especial del horno y lainyección de vapor del proceso de fabricación del carbón activadolo que "activa" y crea la porosidad, dejando mayormente una"esponja" de esqueleto de carbón. Los poros varían en tamañodesde "microporos" de <20 Å y "mesoporos" de 20-100 Å, hasta"macroporos" de >100 Å en un rango de hasta más de 100,000 Å.
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Pretratamiento
FILTRACION CON CARBON ACTIVOLos filtros de carbón activofuncionan como los filtros apresión de arena o grava soloque el cuerpo filtrante es carbónactivo.Cuando el carbón se satura serecupera la capacidad deadsorción retrolavando el filtrocon agua desmineralizada
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
CATIONES Y ANIONESLos cationes y aniones constituyen los compuestos ( bloques)
químicos fundamentales encontrados en el análisis químico
del agua, estos bloques muestran los elementos o radicales
determinados fundamentalmente por su valencia e
indicados por signos (+) o (‐), uno para el hidrógeno (H), dos
para el carbonato de calcio (CO3) y así sucesivamente. (ver
Figura)
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
CATIONES Y ANIONES
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
CATIONES Y ANIONES
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
REACCIONES QUIMICASPara formar los compuestos es de gran ayuda explicar el papel que
realizan los cationes y los aniones en las reacciones químicas. El
catión de hidrógeno reacciona con el anión hidróxido (OH ¯ ) para formar HOH, que simbólicamente se puede representar como H2O
o agua. En este estudio vamos a asumir que la altura de los
bloques corresponden con la valencia del elemento o del ión.
El hidrógeno forma ácidos al combinarse con radicales ácidos; reacciona con un átomo de cloro de igual valencia, por ejemplo,
para formar una molécula de ácido clorhídrico (HCL). Sin embargo
existen casos en los cuales no se pueden formar las combinaciones
o
acoples,
por
ejemplo,
un
hidrógeno
no
se
combinaría
con
un
sulfato, puesto que se necesita que los bloques tengan igual
altura; entonces dos átomos de hidrógeno serán necesarios para
formar con el sulfato (SO4) una molécula de ácido sulfúrico. Lo
mismo
ocurre
en
el
ácido
fosfórico.
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
REACCIONES QUIMICAS
Combinaciones de Aniones y Cationes
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
La desmineralización por el método de intercambio iónico es
la práctica mas común en plantas de generación a vapor.Empleada al final del tratamiento externo, el intercambio
iónico remueve las sustancias ionizadas remanentes en el
flujo de agua de alimentación a la caldera. Estas incluyen
cationes como: calcio, sodio y otros, también remueve
aniones incluyendo cloruro y sulfato que aun se encuentran
en flujo de agua.La figura ilustra gráficamente como trabaja el proceso de
intercambio iónico mediante resina en ciclo sodio:
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
En
el
proceso
normal
la
resina
captura
el
catión
(
Ca++
)
y
suelta los iones sodio que forman ácido carbónico. Para
restablecer la capacidad de intercambio iónico de la resina se
realiza una regeneración con ácido sulfúrico o ácido
clorhídrico.
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
Las resinas de intercambio iónico son sólidos insolubles
dispuestos en forma de pequeñas esferas que puede presentar
una estructura de gel o de forma macroporosa, con diámetro
entre 0,2 y 1,0 mm. La resina se dispone en un arreglo de lecho
o capa filtrante colocada en columnas o tanques por donde
fluye el agua que va a ser tratada. Los cationes (por ejemplo,
Na+, Ca++, Mg++, etc.) contenidos en el agua pasan a través del
lecho de resina catiónica, la cual absorberá estos cationes por
intercambio iónico y a su vez liberará el catión (usualmente H+)
cargado en la resina.
catiónica
aniónica
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
De manera similar una resina aniónica cargada con un anión, OH ˉ
por ejemplo, realizará intercambio con aniones el tipo Cl ˉ , SO4ˉ ˉ ,
CO3ˉˉ , etc., que están contenidos en el agua a tratar. Las resinas
aniónicas se regeneran con soda cáustica, normalmente. En un sistema de intercambio de dos lechos, se tienen dos tanques o
columnas y el agua a tratar se hace pasar sucesivamente por ellos.
El primer tanque de la secuencia contiene la resina catiónica
mientras
que
el
segundo
contiene
la
resina
aniónica.Operando en el ciclo de hidrógeno la resina catiónica convierte las
sales ionizables en una solución de sus respectivos ácidos, tales
como HCl, H2SO4,etc. En la siguiente columna o tanque la resina
aniónica
remplaza
el
radical
OHˉ
por
el
radical
negativo
de
los
ácidos, eliminando el anión y liberando solamente agua como
efluente.Esta es la operación básica de proceso de desmineralización y se
ilustra en la siguiente figura.
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
En sistemas prácticos la
remoción del CO2 y de la sílica
requieren el uso de una
resina
aniónica
fuertemente
básica (bastante alcalina), la
adición de un desgasificador
puede ayudar a bajar la carga
de
CO2 para
la
resina
aniónica, con tal dispositivo el
contenido de CO2 puede
reducirse a un rango entre 2 y
5 ppm de bióxido de carbono.
La figura muestra los
elementos básicos usados en
un sistema desmineralizador
con dos lechos de resina.
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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).
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Desaireadores.
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Desaireadores.
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Desaireadores.
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Desaireadores.
Su funcionamiento consiste en dividir el agua de
alimentación en finas góticas, 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.
T t i t P I t bi Ió i
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
…
T t i t P I t bi Ió i
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
La columna de desmineralización se diseña para que el agua que entra
se distribuya uniformemente sobre la superficie del lecho de resina, de
tal manera que el agua pasa de forma homogénea a través de todo el
cuerpo del lecho de resina. Esto asegura que la forma del lecho no se
romperá y permanecerá geométricamente uniforme evitando el paso
de impurezas y aumentando la capacidad de operación del lecho.Las columnas trabajan en dirección de flujo descendente como se
ilustra en los diagrama. Cuando la capacidad de intercambio se agota se
procede a la regeneración de la resina.Este es un proceso que se realiza en tres etapas: Retrolavado,
regeneración química y enjuague. Si bien la función principal del lecho
es la de realizar un intercambio iónico, eventualmente el lecho de
resina retiene partículas de materia en suspensión porque también
funciona como un filtro. Como esta materia debe removerse antes de
iniciar la regeneración, se inyecta agua en contraflujo durante 10 o 20
minutos a una rata tal que permita la expansión del volumen del lecho
entre
un
50
y
un
100%.
Tratamiento Por Intercambio Iónico
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
La concentración del regenerante típicamente varía entre el 4 y el 6%
pero se puede variar sin problemas entre un 0.5 a un 12 %. Esta
inyección debe hacerse de una forma suave para permitir la difusión del
ácido en la resina y lograr que los contaminantes de impurezas más
grandes sean liberados de la resina. La eficiencia de la regeneración
puede ser mejorada si se calienta la solución de soda, por ejemplo,
hasta una temperatura de 120 ° F, para eliminar la sílica polimerizada
de la resina aniónica de base fuerte.
El enjuague se hace para sacar el exceso de regenerante y se realiza en
dos etapas: La primera es un enjuague lento, con rata igual a la usada
para inyectar el regenerante, con esto se asegura que todo el
regenerante se utiliza. La segunda es un enjuague rápido usando una
rata de flujo igual a la rata de flujo usada durante el servicio normal,
con esto se barre el regenerante no utilizado dentro de la columna en
un mínimo de tiempo. En la siguiente figura se muestra en forma
esquemática la localización y detalle de los elementos usados en este
proceso.
Tratamiento Por Intercambio Iónico
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
..
Tratamiento Por Intercambio Iónico
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
Con el objeto de lograr un efluente de agua aún más pura,
algunos diseños de sistemas de tratamientos de agua consideran
los lechos mixtos que consisten en columnas o tanques en los
que se disponen los dos tipos de resina en el mismo recipiente. Con esto se consigue un mayor refinamiento en la calidad del
efluente de salida. También se pueden usar diferentes tipos de
resinas, combinando las resinas fuertemente acidas con las
débilmente ácidas o las fuertemente básicas con las débilmente básicas. A partir del sistema básico estudiado hasta esta parte se
pueden crear variaciones que suplan las necesidades particularesde cada planta. Como se mencionó anteriormente estos sistemas
también pueden combinarse con los sistemas de
desmineralización por membranas para obtener efluentes deagua con mayor grado de pureza, tal como los requeridos en las
plantas termonucleares.
Tratamiento Por Intercambio Iónico
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Tratamiento Por Intercambio Iónico
‐‐
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Osmosis Para entender el proceso de la ósmosis inversa, empecemos por
recordar la ósmosis natural, mecanismo de transferencia de nutrientes en las células de los seres vivos a través de las membranas que la
recubren.En tal sentido, cuando se ponen en contacto dos soluciones de
diferentes
concentraciones
de
un
determinado
soluto
(por
ejemplosales), se genera un flujo de solvente (por ejemplo agua) desde la
solución más diluida a la más concentrada, hasta igualar las
concentraciones de ambas. (Ver Figura 2).Es decir: si ponemos en contacto, a través de una membrana, agua
salada y agua destilada obtendremos un equilibrio entre ambas y
quedarán moderadamente saladas. El agua que atraviesa la membrana
es "empujada" por la presión osmótica de la solución más salada y el
equilibrio del proceso se alcanza cuando la columna hidrostática iguala
dicha presión osmótica.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Es decir: si ponemos en contacto, a través de una membrana, agua salada yagua destilada obtendremos un equilibrio entre ambas y quedarán
moderadamente saladas. El agua que atraviesa la membrana es "empujada"por la presión osmótica de la solución más salada y el equilibrio del proceso
se alcanza cuando la columna hidrostática iguala dicha presión osmótica.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Osmosis Inversa
De aquí se deduce que si nuestro interés en el tratamiento es
obtener una corriente de agua lo más diluida posible
deberemos invertir el fenómeno. Para ello hay que vencer la
presión osmótica natural mediante la aplicación en sentido
contrario de una presión mayor. (Ver Figura 3). Cuando se logra
invertir el fenómeno estamos en presencia de ósmosis inversa
o invertida.En resumen: si a una corriente de agua salada se le aplica una
fuerte
presión,
lograremos
obtener
un
equilibrio
distinto
del
anteriormente descripto en el cual se generan
simultáneamente dos corrientes:
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Una que es la que atraviesa la membrana, queda libre de
sólidos
disueltos
(minerales,
materia
orgánica,
etc.
)
y
de
microorganismos (virus, bacterias, etc.): producto o permeado.
La otra se va concentrando en esos mismos productos sin que
lleguen a depositarse en la membrana, porque la taparían y se
eliminarían en forma continua, constituyendo el concentrado. La relación entre producto y concentrado constituye la
recuperación, expresada en porcentaje los rechazos para:
Sulfatos (98 %), Arsénico (99 %), Fluoruros (97 %), Nitratos (91
%), Bacterias, Virus y hongos más del 98 %.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Membrana de la Osmosis Inversa
Es una membrana que tiene una área "microporosa" querechaza las impurezas y que no impide al agua de pasar.La membrana rechaza las bacterias, pirógenos, y 85%-95% de sólidos inorgánicos. Iones "polivalentes" son
rechazados más fácilmente que los iones "monovalentes".Los sólidos orgánicos con un peso molecular superior a300 son rechazados por la membrana, pero los gasespasan a través. La ósmosis inversa es una tecnología de
rechazo en porcentaje. La pureza del agua producidadepende de la pureza del agua en el asa (la “u”). Lapureza del agua producida por la ósmosis inversa es másgrande que en el agua de alimentación (Ver Figura 4).
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Membrana de la Osmosis Inversa: Es una membrana que tiene una
área "microporosa" que rechaza las impurezas y que no impide al
agua
de
pasar.
La
membrana
rechaza
las
bacterias,
pirógenos,
y
85%‐
95% de sólidos inorgánicos. Los iones "polivalentes" son rechazados
más fácilmente que los iones "monovalentes". Los sólidos orgánicos
con un peso molecular superior a 300 son rechazados por lamembrana, pero los gases pasan a
través. La ósmosis inversa es una
tecnología de rechazo en porcentaje.
La pureza del agua producida depende
de la pureza del agua en el asa (la “u”).
La pureza del agua producida por la
ósmosis inversa es más grande que en
el agua de alimentación (Ver Figura 4).
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Agua Rechazada. Un gran porcentaje (50‐90%) del agua de
alimentación no pasa por la membrana pero corre del otro lado,
limpiando el agua continuamente y trayendo los sólidos inorgánicos y orgánicos para drenarlos. Esa agua se llama agua "rechazada".Factores del agua de Alimentación
Los factores del agua de alimentación que afectan la membrana:
PresiónLa presión del agua de alimentación afecta la cantidad y la pureza del
agua producida por la ósmosis inversa. Baja presión del agua de
alimentación causa baja corriente y baja pureza.
pHDeterminar la variedad del pH en agua de alimentación es muy
importante. Es recomendable de usar una variedad más amplia de
membranas cuando el agua de alimentación es básica, ácida o
instable.
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
Purificación del Agua por Osmosis Inversa
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Índice de Saturación de Langlier (ISL)El ISL indica el principio de la formación de una incrustación sobre el
área de la membrana. El ISL necesita examen de la temperatura, del total de sólidos inorgánicos, de la dureza alcalina, y pH del agua de
alimentación. Si él índice ISL es positivo, se recomienda instalar un
suavizador de agua antes del sistema de ósmosis inversa.
Cloro Libre (TFC) y BacteriasLas membranas de acetato de celulosa necesitan una limpieza
constante de TFC para impedir la propagación de bacterias y que se
dañe la membrana. En contrastó, la poliamida y las membranas finas,
como cintas, son dañadas por el TCF. El carbón activado es usado para remover el TCF cuando la poliamida y las membranas finas lo
necesitan.
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TemperaturaLa duración de la membrana se basa sobre la temperatura del agua
de alimentación que debe ser de 25°C. Por cada 1°C bajo 25°C, la cantidad de la producción del agua es reducida por 3%. Cuando el
agua de alimentación se tiende a quedarse regularmente bajo 25ºC,
es recomendado que el agua caliente y fría se mezclen para que la
temperatura suba a 25°C. El agua de alimentación que tiene una temperatura superior a 35°C dañara la mayoridad de las membranas.
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Índice de Densidad SiltEl IDS es una medida que sirve a medir las partículas de submicrones
que tienen tendencia a bloquear las membranas. La corriente del agua a una presión especifica es filtrada a través una membrana en
forma de disco y que es recuperada durante un periodo de tiempo
fijo. La rapidez de la corriente del agua y el volumen total recogido
determina el índice.
TurbidezLa turbidez es la medida que sirve para detectar las partículas
suspendida de submicron que oscurecen los rayos de luz.
g p
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Tratamiento Interno del Agua de Calderas
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La selección de productos químicos para evitar incrustaciones
con tratamiento interno está dirigida al control de las impurezas
minerales que se deslizan pasando el programa de
pretratamiento. Esto se aplica especialmente a medida que la
presión de caldera aumenta, como en la generación
termoeléctrica.
g
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Control coordinado de fosfato/pH. Este sistema de tratamiento de agua fue de‐sarrollado para las
calderas de alta presión para evitar la corrosión cáustica.
Re‐quiere el mantenimiento de una relación fija entre el pH del
agua de caldera y la concentración de fosfatos. La Figura a y b,
muestra una curva para una caldera que representa la relación
del fosfato trisódico, Na3PO4, con el pH. El fosfato trisódico tiene una relación de sodio a fosfato de 3. Si la concentración
de fosfatos o el pH cambian, esta relación de sodio a fosfato
cambia también. El progra‐ma se basó en el principio de que un
aumento de la concentración de hidróxido libre se evitaría por
un desplazamiento del equilibrio iónico en la dirección que
favorece la formación del Na3PO4.
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Control coordinado de fosfato/pH.
Figura: (a) El control coordinado de fosfato y pH mantiene una relación fijaentre el pH del agua de la caldera y la concentración de fosfato. La relación
Na a PO4 se mantiene en 3. (b) El control congruente de fosfato y pH, larelación de Na a PO4 se mantiene entre 2,6 y 2,8.
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Control coordinado de fosfato/pH.De acuerdo con la información de la Figura a, los OPERADORES de calderas con domo (tambor) deberían ser instruidos para
mantener el pH y la concentración de PO4 por debajo de o a la
derecha de la curva, ya que se considera exenta de hidróxido
libre. La zona rayada muestra el rango normal de operación
para esta planta. La curva representa una relación de Na a PO4 de 3. El especialista en el tratamiento de agua recomendóun rango de pH de 9,6 a 10,0 y un rango simultáneo de fosfato
de 5 a 10 ppm, pero en todo caso y tiempo quedándose por
debajo de la curva mostrada en la Figura a. Ambos, pH y
fosfato, requieren comprobaciones diarias para la
concentración en orden a mantener el nivel de hidróxido bajo.
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Control de fosfato /pH congruente y oculto. El oculto está causado
por la precipi‐tación de sales de fosfato de sodio, normalmente
producido por una operación a largo plazo en calderas con tambor
tipo central. El oculto produce una acumulación de fosfato en zonas
«muertas» de circulación de agua y, consiguientemente, reduce la
concentración de fosfatos en las otras zonas del bucle o circuito de
agua. Esto aumenta el nivel de pH y alcalinidad del agua de caldera. El
hidróxido sódico puede producirse como resultado del ocultamiento
a partir de soluciones de ortofosfato trisódico por encima de una
relación de sodio a fosfatos de 2,8. Entonces se aplicó el término
control congruente, para referirse a la composición congruente en la
que, las fases sólida y líquida son iguales. Se establecieron líneas
maestras para mantener una relación de sodio a fosfato por encima
de 2,6 pero por debajo de 2,8, con concentraciones de PO4 entre 1 y 6
ppm. Véase la Figura b. Calderas típicas que usan este tratamiento trabaja a presiones > de los 1200 psi.
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Control de fosfato /pH congruente y oculto. El oculto está causado
por la precipi‐tación de sales de fosfato de sodio, normalmente
producido por una operación a largo plazo en calderas con tambor
tipo central. El oculto produce una acumulación de fosfato en zonas
«muertas» de circulación de agua y, consiguientemente, reduce la
concentración de fosfatos en las otras zonas del bucle o circuito de
agua. Esto aumenta el nivel de pH y alcalinidad del agua de caldera. El
hidróxido sódico puede producirse como resultado del ocultamiento
a partir de soluciones de ortofosfato trisódico por encima de una
relación de sodio a fosfatos de 2,8. Entonces se aplicó el término
control congruente, para referirse a la composición congruente en la
que, las fases sólida y líquida son iguales. Se establecieron líneas
maestras para mantener una relación de sodio a fosfato por encima
de 2,6 pero por debajo de 2,8, con concentraciones de PO4 entre 1 y 6
ppm. Véase la Figura b. Calderas típicas que usan este tratamiento trabaja a presiones > de los 1200 psi.
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Control con quelantes. Los quelantes son productos químicos
que se combinan con las sales de dureza antes de que formen
lodos de caldera, y esto es otro método para evitar la
incrustación. Sin embargo, la alimentación de agua debe tener
poca dureza, menos de 2 ppm, para que este tratamiento sea
económico. Esto hace su utilización limitada al ablan‐damiento
del agua de aportación desmineralizada. Los dos agentes quelantes nor‐malmente utilizados son el ácido
etilendiamintetracético (EDTA) y el ácido nitrilo acético (NTA).
Ambos agentes forman sales estables con el calcio y el
magnesio.
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Control con quelantes…Sin embargo, se requieren diez ppm de EDTA y 5 ppm de NTA
para controlar 1 ppm de dureza. Esto hace que sea caro este
tratamiento, y por eso se aplica básicamente para bajar dureza
de agua de alimentación pretratada. Otro problema es que el
EDTA comienza a disgregarse a 300 psi (21 kg/cm2) y a cerca de
1.500 psi (105 kg/cm2
) pierde su capacidad quelante. El NTA pierde su capacidad quelante a 900 psi (63 kg/cm2). La
degradación térmica no lo hace práctico para monitorizar
residuos que‐lantes en el agua de caldera, lo que hace difícil el
control de dosificación. Los mis‐mos agentes quelantes pueden
causar corrosión en la caldera si se sobrealimenta con quelantes
durante un largo período de tiempo.
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Polímeros o acondicionamiento de lodos.
En calderas industriales, el ciclo de control de incrustación
implica la precipitación intencionada de las sales de dureza
cálcica, como carbonato cálcico, con adición de un polímero
para provocar lodos. Los polímeros amónicos son muy
utilizados en calderas industriales donde las molé‐culas de
polímero se acumulan alrededor de los lodos en suspensión de la caldera. Esto introduce en los lodos un grado de dispersión o
fluidez que permite la elimina‐ción de los mismos más
fácilmente por purga inferior de caldera.
Tratamiento Interno del Agua de Calderas
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Polímeros o acondicionamiento de lodos…Hay varios polímeros en el mercado. Por ejemplo la Nalco
Chemical Co. utiliza el nombre de Transport ‐ plus para sus
polímeros. Se aplica a calderas de hasta 1.560 psi (105 kg/cm2) y
el término Transport se usa para indicar que puede transportar
virtualmente el 100 por 100 de las impurezas del agua de
alimentación, incluyendo dureza, sílice e impurezas de hierro a través del sistema de caldera, ya que el polímero fluidifica el
lodo para un eventual control por purga.
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Polímeros o acondicionamiento de lodos…Los polímeros aniónicos inhiben el crecimiento de la estructura
de la matriz cristali‐na de la incrustación. Este proceso también
debilita la incrustación, ya que el polímero es absorbido en la
estructura de la incrustación y, como resultado, se forman
pequeñas partículas de incrustación.
El sobretratamiento es toda‐vía una amenaza; por tanto,
algunos especialistas de tratamiento de aguas utilizan mezclas
de polimetacrilato como componentes principales de un
programa de trata‐miento de polímeros mezclados.