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Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Depto. Ingeniera Energtica
Anlisis de Equipos de Desgasificacin en Instalaciones
de Vapor
Autor: Jos Eugenio Vzquez Gmez
Autor: Jos Eugenio Vzquez Gmez
Tutor: Jos Julio Guerra Macho Marzo 2014
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Eugenio Vzquez Gmez
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Vapor
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AGRADECIMIENTOS
A mi familia, porque sencillamente estn ah siempre.
A D. Jos Julio Guerra Macho, por su dedicacin y ayuda en la
elaboracin de este
proyecto.
A Da. Manuela Muoz Madrid de la oficina tcnica de la C.T. Los
Barrios por toda la
informacin proporcionada.
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ndice
Captulo 1. Introduccin, objetivos y funciones de un
desgasificador
1.1 Introduccin 5 3
1.2 Ciclo agua-vapor 6 4
1.3 Organizacin y contenido 12 10
Captulo 2. Desgasificadores
2.1 Introduccin 13
2.2 Principios fsicos de la desgasificacin 17 15
2.2.1 Desgasificacin trmica 17 1415
2.2.2 Desgasificacin qumica 20 18
2.3 Clasificacin de los desgasificadores 21 1 19
2.3.1 Desgasificadores por vaco 22 20
2.3.2 Desgasificadores qumicos 27 25
2.4. Desgasificadores trmicos 34 32
2.4.1 Desgasificadores atmosfricos 34 33
2.4.2 Desgasificadores presurizados 42 40
2.5. Anlisis comparativo 58 56
Captulo 3. Dimensionado, operacin y mantenimiento
3.1 Introduccin 67 65
3.2 Seleccin 71 69
3.3 Operacin y mantenimiento 83 78
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3.4 Dimensionado de elementos auxiliares 89 84
Captulo 4. Fabricantes y Normativa
4.1 Fabricantes 92 87
4.2 Normativas 95 90
Captulo 5. Resumen y conclusiones 96
Bibliografa 98
Anexo 99 94
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1. INTRODUCCIN, OBJETIVOS Y FUNCIONES DE UN
DESGASIFICADOR.
1.1 Introduccin
En la industria el fluido caloportador ms empleado es el vapor
de agua. Su uso tanto en
la industria de procesos como en la de generacin de energa
elctrica es muy elevado.
La produccin de energa elctrica lleva siendo un factor de vital
importancia para el
desarrollo de pases y sus economas. De las distintas centrales
que existen hoy en da,
un alto porcentaje (en Espaa alcanza casi el 60%) producen
energa a travs de la
produccin de vapor. En las trmicas convencionales o de ciclo
combinado el vapor se
genera a partir de combustible fsil, en las centrales nucleares
a partir de la energa
liberada en el proceso de fisin nuclear y en las termosolares a
partir de un recurso
renovable como es la energa solar. En todos los casos, el vapor
producido termina
siendo turbinado para producir energa elctrica haciendo girar el
eje de un alternador.
En muchos sectores industriales, el calor necesario en el
proceso se aporta a travs de
una red de vapor, aprovechando su calor latente que se
transfiere en los puntos de
consumo. En algunas industrias la generacin de vapor para el
proceso se combina con
la generacin de vapor para generacin de energa elctrica en la
propia industria. En
este caso, se suele producir vapor a una presin superior a la
que necesita el proceso,
que se lamina en una turbina de contrapresin para generar
electricidad. El vapor a la
salida de la turbina se lleva al proceso o procesos directamente
o a travs de un proceso
en cascada si el consumo tiene lugar a diferentes presiones.
En estas plantas, el tratamiento del agua de alimentacin en el
ciclo agua-vapor es
fundamental para asegurar una larga vida til de los equipos;
minimizando problemas
operacionales, reparaciones de importancia y accidentes graves.
El objetivo principal
del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosin e
incrustaciones, asegurando la
calidad del agua de alimentacin y del agua contenida en la
caldera.
El desgasificador es un elemento que debe estar implementado en
todo sistema agua-
vapor porque acta como protector directo del resto de equipos al
evitar el deterioro de
la instalacin.
El objetivo final del proyecto es analizar el funcionamiento, la
tipologa y aplicaciones
de los desgasificadores, identificando los principales
fabricantes y los parmetros
fundamentales y nmeros ndices representativos.
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1.2 Ciclo agua-vapor
El ciclo agua-vapor se define como el conjunto de equipos,
tuberas y elementos
encargados de la conduccin del agua y el vapor entre el
generador de vapor y la turbina
de vapor.
La funcin del ciclo agua-vapor es transportar energa en forma de
energa potencial
(vapor a una cierta presin y temperatura) desde el lugar donde
se genera y donde
aumenta su nivel energtico (generador de vapor) hasta la mquina
consumidora de esa
energa, la turbina de vapor. La transformacin de la energa
potencial contenida en el
vapor en energa mecnica rotativa permite la generacin de energa
elctrica por medio
de lo que se conoce como un generador elctrico o alternador.
La utilizacin del agua como fluido caloportador se basa, entre
otras razones, en que es
un fluido barato, abundante y perfectamente conocido; de forma
que es posible
controlar perfectamente su temperatura y presin.
El vapor es uno de los fluidos ms comnmente utilizados para
calentar equipos o
instalaciones en cualquier tipo de industria: qumica,
petroqumica, alimentacin,
farmacutica, en procesos de como el de produccin de papel,
lavandera,
humidificacin, generacin y en todos aquellos procesos en los que
se requiera
transportar calor a cortas distancias.
Las razones por las que se usa vapor como fluido transportador
de energa son las
siguientes:
La produccin de vapor es un proceso relativamente sencillo:
requiere calentarlo por
medio de cualquier tipo de combustible.
No necesita bombas para ser transportado desde el generador de
vapor en adelante.
No es combustible, y por lo tanto, no tiene peligro de
incendio.
Es un fluido muy conocido y mediante vlvulas es posible
controlar de forma muy
precisa la presin y la temperatura en cualquier punto de la
instalacin.
A alta presin almacena gran cantidad de energa en forma de
energa potencial, que
puede transformarse en energa mecnica. Ese potencial energtico
puede ser
utilizado para producir trabajo en turbinas acopladas a un
alternador (producir
energa elctrica) o bombas (producir energa mecnica).
El vapor tiene un elevado calor especfico.
Para entender mejor el ciclo de agua-vapor y sus componentes lo
mejor es partir de un
esquema de una planta industrial. En este caso se har a partir
de una central trmica
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convencional (figura 1.1). Los elementos principales de los que
consta una planta
trmica son los que vienen determinados por los procesos que
conforman un ciclo
Rankine (figura 1.2):
Bombas de agua de alimentacin: conjunto de bombas encargadas de
suministrar la
energa necesaria al agua de alimentacin para transportarla del
condensador al
generador de vapor. stas consiguen aportar la presin necesaria
al fluido para
conseguir extraer trabajo en los cuerpos de turbina.
Generador de vapor: se trata de un intercambiador de calor
Gas-Agua en el que se
produce el paso del agua saturada (subenfriada en ocasiones)
hasta vapor
sobrecalentado. El combustible quemado en el hogar es el carbn,
si bien en otro
tipo de centrales la diferencia principal con respecto a esta es
el combustible
empleado en la produccin de vapor.
Turbina de vapor: elemento encargado de transformar la energa
trmica que
contiene el vapor en energa mecnica. El eje gira por el trabajo
de expansin
realizado en los escalonamientos de los cuerpos de la turbina,
de tal manera que el
fluido cede su energa y el eje de la turbina gira, haciendo que
un alternador
transforme esa energa mecnica en generacin de energa
elctrica.
Condensador: Tras la salida de la turbina el fluido es llevado a
un intercambiador
Agua-Agua donde el agua de ciclo cede su energa al agua
procedente de una torre
de refrigeracin, alcanza el estado de agua satura-subenfriada de
nuevo.
El resto de componentes de la central los consideramos
secundarios. Los ms
importantes que podramos definir son:
Calentadores de agua alimentacin: son intercambiadores de calor
en los que el agua
de ciclo eleva su temperatura con el fin de reducir la cantidad
de combustible
quemado en el hogar. Su empleo est relacionado con la mejora de
rendimiento de
la planta.
Bombas auxiliares: conjunto de bombas repartidas a lo largo del
ciclo que permiten
compensar la prdida de carga que sufre el agua de ciclo en su
circulacin por
tuberas y equipos.
Torre de refrigeracin: se trata de un intercambiador aire-agua
en la que el agua de
condensacin, empleada en la condensacin del agua de ciclo en el
condensador, se
refrigera con aire atmosfrico. En otras centrales suele emplear
el agua de mar como
agua de condensacin al ser favorable el emplazamiento en el que
estn situadas.
Precipitador electroesttico: equipo encargado de disminuir el
nivel de cenizas que
contiene el flujo de gases a la salida del hogar.
Desulfuradora: el flujo de gases, tras haber pasado el
precipitador electroesttico, es
lavado con H2O para reducir las emisiones de SOx. El compuesto
que se forma es
cido sulfrico. Y mediante la adicin de Ca forma un compuesto
denominado
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caliza (CaCO3) comnmente conocido como yeso el cual es empleado
en otros tipos
de procesos.
Chimenea: Torre de expulsin atmosfrica de los gases que
previamente han sido
tratado en el precipitador y en la desulfuradora.
Atemperador: Situados a la salida del sobrecalentador en el
generador de vapor, son
unas boquillas de pulverizacin de agua fra que sirven para
aminorar la temperatura
del vapor antes de entrar a la turbina.
Desgasificador: equipo centrado en la eliminacin de gases
disueltos del agua de
alimentacin en el proceso.
En la definicin del ciclo de agua-vapor que se acaba de hacer,
el papel fundamental del
desgasificador en una planta industrial es la de mantener en
unos niveles adecuado el
grado de gases disueltos que es capaz de llevar el agua de ciclo
antes de entrar en el
generador de vapor. Si se observa la figura 1.1 se puede ver que
el desgasificador est
situado siempre antes del generador de vapor, en este caso de la
figura 1.1, antes de las
bombas de agua de alimentacin y los precalentadores de agua de
ciclo.
Del mismo modo que se ha descrito el ciclo agua-vapor para una
planta de potencia
trmica convencional se podra hacer para otro tipo como de
centrales como las de ciclo
combinado o termosolares.
En centrales de fuentes renovables tambin es empleado el
desgasificador. En la figura
1.3 se puede observar ver una Planta Solar de cilindro
parablico. En este caso un flujo
de sales fundidas calentadas por la radiacin solar incidente
sobre los cilindros
parablicos ejerce como fluido generador de vapor. El agua va
calentndose hasta
alcanzar el estado de vapor ligeramente sobrecalentado cuando es
llevado a la turbina.
Tal y como pasaba en la anterior planta (figura 1.1) el flujo a
la salida de la turbina es
llevado un sistema de condensacin, torres de refrigeracin en
este caso, y luego todo el
agua es dirigida al desgasificador desde donde se eliminan los
extractos de no
condensables que han ido disolvindose a lo largo del recorrido
por la planta.
En estas dos plantas que acabamos de mencionar, al igual que en
otras, existe la
problemtica de que el aire est presente tanto en la puesta en
marcha de los equipos
como en el agua de alimentacin de la caldera. La fuente de
corrosin ms comn en el
sistema es debido a gases disueltos: oxgeno, dixido de carbono y
amoniaco. Pequeas
concentraciones de estos gases pueden causar serios problemas de
corrosin o pitting.
De ah la importancia de eliminarlos.
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Figura 1.1. Central trmica convencional
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Figura 1.2. Ciclo Rankine
Figura1. 3. Planta solar de cilindro parablico.
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Figura 1. 4. Instalacin de vapor para calentamiento de
procesos.
Los sistemas de las figuras 1.1 y 1.3 tienen como fin la
produccin de potencia. Sin
embargo tambin existen sistemas donde el uso del vapor es
relativamente ms sencillo,
como es el caso de la figura 1.4. La instalacin de la figura 1.
4 representa una planta de
vapor que tiene por objetivo calentar un proceso, como es el
caso de calentar cualquier
sustancia de tipo qumico o en la creacin de algn producto de
material polimrico. El
agua de alimentacin del ciclo adquiere la cantidad de energa
necesaria en su paso por
el generador de vapor. Tras esto, pasa por el calentamiento del
proceso deseado.
Despus el fluido entra al desgasificador. Como se puede observar
el desgasificador est
colocado antes del grupo de bombeo de agua alimentacin (obviando
grupos
regenerativos al margen) que, al igual que en los casos de las
centrales de potencia,
pretende preservar el generador de vapor de agentes gaseosos no
condensables que
fomentan el deterioro de la instalacin por corrosin.
Esencialmente, la desgasificacin consiste en eliminar los gases
antes de que puedan ser
introducidos en la caldera o en el tanque de alimentacin,
previniendo la oxidacin del
tanque, la caldera y el sistema de vapor de la planta. Con esto
se consigue que el agua
de ciclo de una planta de procesos tenga una calidad mnima
aceptable y esto repercute
en el grado de indisponibilidades que pueden ocurrir en el ciclo
agua vapor por averas
en sus equipos principales y auxiliares.
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1.3 Organizacin y contenido
El presente proyecto se divide en 5 captulos. En el captulo 1 se
ve el alcance del
proyecto. Se describe el ciclo agua-vapor de una central trmica
y una instalacin de
vapor como referencia donde se debe instalar el desgasificador.
Se describen, adems,
los principales equipos que conforman una planta de vapor. Para
un caso ms genrico y
que se puedan aglutinar un mayor nmero de componentes, se ha
realizado para una
planta de potencia.
El captulo 2 explica los diferentes principios de desgasificacin
que se emplean a nivel
industrial. A partir de ellos se detalla cada uno de los
mecanismos de desgasificacin y
los equipos encargados de llevar a cabo dicha accin, centrndose
finalmente en los
desgasificadores presurizados, cuya presencia en el sector
industrial est ampliamente
representada por la mayora de plantas de vapor. Se cierra el
captulo con un anlisis
comparativo entre la desgasificacin trmica y la desgasificacin
qumica en relacin a
sus costes de operacin. As como tambin es estudia los diferentes
tipos de
desgasificadores empleados en las instalaciones que usan
agua-vapor como fluido
caloportador y su presencia en diferentes centros de produccin
de vapor.
Una vez explicado las diferencias entre cada tipo de
desgasificador, en el captulo 3, se
plantea la forma de seleccin de varios desgasificadores
presurizados, para unas
condiciones determinadas, a partir de la definicin de los
parmetros caratersticos de
equipos encargados de eliminar gases disueltos en el agua de
alimentacin. Se acude a
catlogos donde se muestra cmo trabajar con los principales
parmetros de seleccin y
refleja las diferencias principales entre uno y otro. De modo
similar se muestran las
bases para el predimensionado de elementos auxiliares. Adems, se
presentan los
principales elementos de instrumentacin que se requieren en
sistemas de
desgasificacin y se informa de los problemas ms comunes
ocurridos durante la
operacin de estos equipos.
En el captulo 4 se aporta informacin sobre los principales
fabricantes a nivel industrial
de desgasificadores, su localizacin, contacto y productos que
ofrecen. Tambin se
muestran las principales normas internacionales relacionadas con
el proceso de
desgasificacin en instalaciones de vapor.
Por ltimo, el captulo 5 ofrece una conclusin sobre lo que se ha
querido transmitir en
este proyecto que indaga en el estudio del tratamiento de agua,
desde el punto de vista
de la eliminacin de gases disueltos, para la prevencin y aumento
de la vida til de las
plantas de vapor.
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2. DESGASIFICADORES
2.1 Introduccin
El desgasificador es un equipo que elimina el oxgeno y otros
gases contenidos en el
agua de alimentacin de modo que se evite la corrosin de
elementos y tramos que
componen el circuito agua-vapor de la planta. En medio acuoso,
el hierro se oxida a
hidrxido ferroso por la accin del in hidroxilo. Este, por accin
de oxgeno en
disolucin pasa a hidrxido frrico (de color rojizo), que implica
corrosin. A elevadas
temperaturas el hidrxido ferroso se convierte a una capa densa
de proteccin de color
negro denominada magnetita, que protege el metal del agua y del
oxgeno. Sin embargo,
esta capa que va creciendo conforme a las horas de
funcionamiento de la planta, puede
provocar graves averas porque su apilamiento genera grietas en
los tubos y conductos
de los equipos, que se someten a altas temperaturas, motivadas
por la escasa
transferencia de calor y a otros fenmenos mecnicos como
desgarramientos producidos
por la consecuente dilatacin trmica descontrolada. Debido a esto
se requiere de una
adecuada intervencin que impida la presencia de O2 y otros gases
en un medio acuoso
como el que se trata en plantas con vapor como fluido
caloportador.
En una planta de produccin de vapor este equipo tiene las
siguientes funciones:
Eliminacin de gases:
Elimina, gracias al aumento de temperatura del agua, los gases
disueltos que pueda
contener. Aprovecha la solubilidad inversa de los gases, segn la
cual los gases son
menos solubles en agua a alta temperatura.
Precalentamiento del agua:
Precalienta el agua con una nueva extraccin de vapor de la
turbina de baja presin, de
manera que se consigue elevar la temperatura del agua mezclando
sta con vapor
extrado de la turbina de baja presin. Incluso cuando la turbina
no est en
funcionamiento pero hay vapor en la lnea de vapor sobrecalentado
se adiciona una
parte de l directamente al tanque, a travs de unas boquillas
situadas en la parte inferior
de ste.
Acumulador de agua:
Acumular agua a alta temperatura para alimentar las bombas de
alta presin, con las que
se hace circular el agua condensada a travs del tren de
generacin de vapor.
Evita cavitacin:
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Proporcionar la presin hidrosttica necesaria (NPSH) para evitar
el fenmeno de
cavitacin de las bombas de alimentacin.
La funcin de eliminar el oxigeno disuelto es de elevada
importancia por ser causante
de fenmenos de corrosin muy peligrosos conocidos como pitting.
Por ello, la norma
UNE 9-075 indica que el contenido de O2 disuelto en el agua ha
de ser menor de 0,2
mg/L (ppm).
El fenmeno de corrosin conocido como pitting consiste en la
reaccin del oxgeno
disuelto en el agua con los componentes metlicos de la caldera
(en contacto con el
agua), provocando su disolucin o conversin en xidos
insolubles.
Las figuras 2.1 y 2.2 muestran los efectos del pitting en el
interior de los tubos por los
que circula agua/vapor insuficientemente desgasificada. Las
condiciones de presin y
temperatura que tiene el fluido propicia que las partculas de
aire u otro gases no
condensables vayan agrediendo la superficie de los tubos, de tal
forma que aparecen
microimpactos que se van sucediendo en el transcurso de la vida
til de los equipos.
Figura 2.1. Corrosin vista interior
Los resultados de este tipo de corrosin son tubrculos de color
oscuro, los que se
forman sobre la zona de corrosin, tal como se muestra en las
figuras 2.1 y 2.2.
Dado que la corrosin por oxgeno se produce por la accin del
oxgeno disuelto en el
agua, esta puede producirse tambin cuando la caldera se
encuentra fuera de servicio e
ingresa aire (oxgeno).
La prevencin de la corrosin por oxgeno se consigue mediante el
control del oxigeno
disuelto en el agua de alimentacin, el cual se puede realizar de
dos formas: mediante la
adicin qumica de secuestrantes como Hidracinas, Aminas o Sulfito
Sdico, o
mediante el sistema de calentamiento del agua de alimentacin
hasta una temperatura de
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105 C, temperatura en la que el agua no dispone de gases en
disolucin. Debido a la
toxicidad de algunos compuestos empleados en la desgasificacin
qumica, se suelen
usar desgasificadores trmicos.
Figura 2.2. Corrosin vista interior
Entre las ventajas principales de incluir este tipo de equipos
en nuestra instalacin
tenemos:
Disponibilidad:
Se trata de un equipo que no requiere un mantenimiento
constante, lo cual significa una
mayor disponibilidad de la planta y una mayor rentabilidad.
Versatilidad:
Mediante pequeas modificaciones en el sistema se puede
proporcionar una correcta
adaptacin a todos tipos de plantas de energa (combustible fsil,
nuclear, ciclo
combinado, etc) y todas las condiciones de funcionamiento.
Ahorro econmico:
La demanda de agentes qumicos en caldera se reduce al realizar
una desgasificacin
mecnica en lugar de una qumica.
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Ahorro energtico:
Al disolver menos productos qumicos en el agua de alimentacin,
por tratar el agua con
un desgasificador en lugar de hacerlo exclusivamente con agentes
qumicos, la purga y
sangrados en caldera disminuirn. Con lo que el agua de reposicin
necesaria ser
menor y menos potencia calorfica necesitaremos para producir
vapor.
Ahorro de combustible:
El vapor de escape de procesos, generador, bombas o posibles
tanques de
almacenamiento pueden convertirse en fuentes absorbidas por el
desgasificador de cara
a elevar la temperatura del agua de alimentacin para una mejor
eliminacin de gases no
condensables. Al elevar la temperatura del agua de alimentacin
esto a su vez repercute
en la cantidad de combustible que se debe introducir en caldera
para generar vapor
posteriormente. Un aumento de 10C en la temperatura del agua
puede suponer una
reduccin de 1% de combustible.
Fatiga trmica:
Ante un caudal de combustible ms reducido, se producirn menos
problemas por
gradiente de temperaturas en el interior del hogar. Lo cual
lleva arraigado un menor
coste por mantenimiento.
Demanda de carga:
La disponibilidad de un tanque de almacenamiento en el equipo
permite un mejor
comportamiento en operacin de caldera debido a la rpida
respuesta del sistema ante
variaciones de carga.
Como se puede deducir, la no presencia de este elemento en una
planta de vapor resta
complejidad a la instalacin. Suponiendo un ahorro en costes de
inversin, sobre todo, y
de mantenimiento. Sin embargo, tal y como ya se ha dicho, la
implantacin de este
elemento en el sistema puede traer consigo, adems de la
proteccin frente a corrosin
del resto de elementos, importante ahorros anuales en cuestin de
combustible, aditivos
qumicos, agua de reposicin en purgas y mantenimiento por
problemas a consecuencia
de la corrosin como roturas y resquebrajamientos de tuberas y
codos por los que
circula el agua. stos ltimos tienen un coste asociado que, no
slo se refiere al costo de
reparacin, sino tambin a los ingresos que se dejan de obtener
por poner en paro la
planta en su mantenimiento.
Los requisitos principales que debemos exigirle a este tipo de
equipos para un uso
adecuado y seguro seran los siguientes:
Robustez:
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Estn diseados para ofrecer fiabilidad sostenida en un amplio
margen de condiciones
de funcionamiento, incluyendo condiciones extremas.
Seguridad y eficiencia:
Eficiencia optimizada debido a que la cantidad de vapor
requerido para el venteo y
calentamiento del agua de alimentacin es relativamente pequea.
No existen riesgos
elevados de que se torne flujo hacia la turbina y ofrece una
buena desgasificacin para
gran parte del rango de carga.
Normas de calidad:
Existen normas de calidad para llevar un seguimiento estricto a
la fabricacin y uso de
este tipo de equipos que garantiza el correcto empleo y
funcionamiento en la
instalacin.
En el captulo 2 se har un repaso de las principales funciones de
un desgasificador as
como las necesidades del mismo en una instalacin de vapor.
Tambin se ver los
principios en que se basa la desgasificacin y los tipos que
existen, para terminar con un
anlisis comparativo de los diferentes tipos de desgasificadores
empleados en la
industria.
2.2 Principios fsicos de la desgasificacin
Tal y como se dijo con anterioridad, la existencia de gases no
condensables en el agua
de alimentacin de un proceso que emplea un ciclo agua-vapor ha
de combatirse
mediante la desgasificacin. Este proceso puede hacerse
trmicamente, qumicamente o
una combinacin de ambos mtodos.
2.2.1 Desgasificacin trmica
En este proceso, la desgasificacin se consigue aportando energa
trmica al agua de
alimentacin al generador de vapor.
Se basa en tres principios fundamentales: la Ley de Henry, la
Ley de Dalton y el
concepto de solubilidad.
Ley de Henry: La concentracin de un gas disuelto es proporcional
a la presin del
gas en la atmsfera en equilibrio con la solucin.
=
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Donde:
P es la presin parcial del gas [].
H es la constante de Henry, que depende de la naturaleza del
gas, la temperatura
y el lquido [/
].
X es la concentracin del gas (solubilidad). Se mide en [
].
Ley de Dalton: La presin total de mezcla de gases es igual a la
suma de sus
presiones parciales.
=
=1
Donde:
P es la presin total del volumen de gases [].
pi es la presin parcial del gas i dentro del volumen de control
de gases [].
Solubilidad: La solubilidad de un gas en un lquido decrece con
el aumento de
temperatura:
Figura 2.3. Evolucin de la concentracin de con la temperatura
del agua.
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La figura 2.3 muestra la evolucin del O2 disuelto en el agua
ante el incremento de
temperatura. En la figura 2.3 se observa que a medida que la
temperatura del agua
aumenta el oxgeno disuelto disminuye. Igual ocurre con otros
gases como el nitrgeno
y el dixido de carbono. Si el lquido se encuentra a su
temperatura de saturacin, la
solubilidad de un gas en l es nula, aunque se le deber
proporcionar la agitacin
adecuada para asegurar la desgasificacin completa. La
temperatura que debe tener el
agua ser, como mnimo, lo suficientemente alta como para
garantizar que la solubilidad
de los gases entra dentro de lo aceptable, siendo en el mejor de
los casos nula.
La tabla 2.1 muestra valores de la constante de Henry para
diferentes temperaturas para
el 2 y para el 2 (H x 10-4
), donde H viene expresada en
. ( ) :
Tabla 2.1. Evolucin de Constante de Henry con la temperatura.
(Perry, tablas 3.141 y 3.139)
Con la informacin mostrada en la tabla 2.1 se puede determinar
que la relacin de
concentraciones O2/N2 es diferente en aire que en agua. En la
atmsfera la relacin es
21/79 mientras que el aire disuelto en agua tiene una
concentracin de 34/66, lo cual
indica que el oxgeno en agua es ms soluble. Esto sera otro modo
de ver la necesidad
de someter a un cierto calentamiento el agua ciclo de un proceso
para eliminar el
oxgeno disuelto.
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Otra de las razones por la que se debe elevar la temperatura del
agua de alimentacin es
para evitar someter a excesiva fatiga trmica los tubos de la
caldera. Cuando ms fra
entre el agua de alimentacin al economizador ms gradiente trmico
habr y ms
posibilidades de tener problemas mecnicos.
Con lo que aplicando los tres enunciados previos, para un
correcto tratamiento del agua
de ciclo, debemos limitar el grado de gases disueltos trabajando
a alta temperatura. Esto
permitir alargar el funcionamiento y la vida til de los equipos
que conforman el ciclo.
2.2.2 Desgasificacin qumica
Su funcin es la de eliminar qumicamente el residual de oxgeno
disuelto en el agua de
alimentacin. Su uso, al igual que la desgasificacin trmica,
trata de evitar la corrosin
por oxgeno en forma de pitting en zonas como la caldera y en el
sistema de agua de
alimentacin.
A modo introductorio, existen diferentes productos qumicos
encargados de combatir el
gas disuelto en el agua de alimentacin.
Eliminadores de O2: Sulfitos, hidracina, carbohidracina, DEHA,
etc.
Eliminadores de CO2: se emplean aminas neutralizantes.
Morfolina,
ciclohexilamina, DEAE, control de PH,
Eliminadores de incrustaciones: tratan de controlar los
depsitos. Fosfatos,
fosfonatos, dispersantes,
La desgasificacin qumica se basa en la mezcla del oxgeno con
ciertas sustancias
qumicas que reaccionan con el mismo. En esta reaccin se atrapan
las partculas de O2
e impiden su presencia como agente libre al verse formando
nuevas molculas qumicas
con su reactante que no son perjudiciales para los equipos que
conforman la planta. Una
de las sustancias utilizadas con mayor frecuencia para la
desgasificacin qumica es el
sulfito de sodio. Su funcionamiento como agente desgasificador
se basa en la facilidad
para reaccionar con el O2, produciendo sulfato de sodio, el cual
no provoca corrosin en
la instalacin de vapor.
23 +1
22 24
Otra forma de eliminar gases, en este caso CO2, sera mediante el
control de PH. La
formacin de CO2 proviene de las descomposiciones de bicarbonatos
y otros carbonatos
en zonas de alta temperatura como es el caso de la caldera. Este
CO2 acaba reaccionado
con el agua para formar cido carbnico (H2CO3) al condensar. El
cido carbnico
disminuye el pH y genera corrosin, especialmente en la lnea de
condensado.
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2() (3)2 + 2 + 2
(3)2 + 2 2 + 2
2 + 2 23
Para controlar esta disminucin de pH se aade aminas
neutralizantes que se encargan
de reaccionar con el cido carbnico y otros cidos para formar
sales al poseer pares de
electrones libres que pueden interaccionar con el hidrgeno
potronado de estos cidos.
Estas sales no resultan potencialmente corrosivas a diferencia
de los cidos de los cuales
provienen.
2.3 Clasificacin de los desgasificadores
Entre los tipos de desgasificacin podemos encontrar la
desgasificacin por vaco, la
desgasificacin qumica y la desgasificacin trmica. La
desgasificacin qumica se
lleva a cabo mediantes agentes qumicos aadidos al agua de
alimentacin en algn
punto del proceso. La desgasificacin trmica por su parte la
realizan desgasificadores
atmosfricos o presurizados como puedan ser el tipo pulverizador
(spray) o de bandejas
(tray). Tambin hacen esta funcin los desgasificadores de vaco
que por su modo de
actuar suelen emplearse en relativamente pequeas plantas de
procesos dado a los
limitados rangos de presin en los que trabaja.
Atendiendo a un criterio u otro, podemos elaborar una
clasificacin de desgasificadores
segn el mtodo de desgasificacin que emplean, su aplicacin y la
eficiencia mxima
de eliminacin de O2 del agua que tratan.
Segn mtodo de desgasificacin:
Vaco
Qumico
Trmico Desgasificador Presurizado Desgasificador Atmosfrico
Segn aplicacin:
Plantas de Elaboracin de productos Desgasificador por vaco
Desgasificador atmosfricoDesgasificador qumico
Plantas de Potencia Desgasificador presurizado
Desgasificador Termoqumico
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Segn eficacia mxima de reduccin de O2:
1) Desgasificador qumico: 0 ppb
2) Desgasificador presurizado: 2 ppb
3) Desgasificador por vaco: 65 ppb
4) Desgasificador atmsferico: 5000 ppb
A la hora de desarrollar el tema, se seguir el orden empleado en
el criterio de mtodo
de desgasificacin. En los subapartados 2.3.1 y 2.3.2 se
describen los desgasificadores
por vaco y los desgasificadores qumicos respectivamente,
mientras que los
desgasificadores trmicos se desarrollan en el apartado 2.4 en
mayor profundidad.
2.3.1 Desgasificadores por vaco
Un equipo desgasificador por vaco principalmente se compone de
tres elementos
(figura 2.4):
Desgasificador: dentro del tanque desgasificador existe un fondo
intermedio bajo el
cual hay montado un depsito para agua desgasificada (ya
tratada). En la parte
superior del tanque hay instaladas boquillas pulverizadoras o
algn mecanismo que
ayuda a separar el condensado del gas.
Grupo extraccin de gases por vaco: componente esencial de este
desgasificador.
Es el encargado de separar los gases no condensables, adems de
algunas trazas de
vapor, del condensado que formar parte del agua de alimentacin
del proceso. En
algunos equipos se emplean eyectores de vapor y en otros, bombas
de vaco. Ambos
tipos realizan la misma funcin.
Grupo de bombeo a proceso: transporta el condensado hacia la
planta de proceso.
Este tipo de desgasificador se emplea para el tratamiento del
agua que circula por las
plantas de elaboracin de productos, como la industria
alimentaria o qumica, y su
principio de funcionamiento de basa en la eliminacin de gases
mediante la creacin de
vaco. Unas bombas (o eyectores de vapor en su defecto) eliminan
el aire dentro de un
espacio confinado haciendo que la densidad del aire dentro de
ste disminuya. En la
cmara se crea un vaco a travs de la extraccin de molculas de
aire y su posterior
expulsin del sistema de tal manera que la descarga de aire al
exterior se produce a
presin atmosfrica y la cmara se encuentra a depresin.
El oxgeno se encuentra disuelto en el agua de reposicin y en
este estado entra en la
torre de desgasificacin donde normalmente el contenido en oxgeno
en condiciones de
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operacin es de 8 ppm. El contenido de oxgeno puede reducirse a
algo menos de 0,65
ppm con un desgasificador por vaco.
El agua entrante (agua de reposicin), que contiene oxgeno
disuelto en ella, es
precalentada a unos 40-90 C, dirigindose a la parte superior del
desgasificador. Con el
fin de optimizar la eliminacin de oxgeno, la torre de
desaireacin, est formada por
bocas pulverizadoras que divide el agua en pequeas partculas.
Con esto se consigue
aumentar la superficie del lquido para facilitar el posterior
desprendimiento de los
gases disueltos. Una bomba de vaco (Vacuum pump) crea el vaco
necesario para que
el agua de reposicin hierva. Cuando el agua es evaporada, el
oxgeno se libera y se
elimina por medio de esta bomba. Posteriormente el agua
desgasificada es dividida en
dos corrientes, una es bombeada hacia la red de calentamiento
del proceso y la otra
corriente es realimentada de nuevo al tanque de
desgasificacin.
La figura 2.5 muestra un esquema del funcionamiento que acabamos
de describir. El
agua de reposicin (punto 1) es mezclada y arrastrada por el agua
desaireada de la
realimentacin (punto 3). Este flujo (2) es llevado hacia las
boquillas de pulverizacin
(C) para ser dividido en pequeas gotas que facilite la
eliminacin de gases no
condensables. Una bomba de vaco (A) se encarga de evacuar estos
gases adems de
una corriente de vapor (4). El agua tratada va cayendo a un
depsito del que se va
extrayendo el agua ya desgasificada mediante la bomba de
condensado (B) e
impulsndola hacia el proceso (6).
Una variante con respecto al tipo de desgasificador por vaco
estndar se puede observa
en la figura 2.6. Se trata de un desgasificador por vaco
mediante eyector de vapor.
Estos desgasificadores constan, bsicamente, de un recipiente
cerrado, donde un relleno
(1), sostenido por una parrilla por encima de la cual hay una
serie de pulverizadores (2)
que dispersan el agua, actan como medio de intercambio
lquido-vapor.
Este relleno asegura el mximo contacto agua-vapor, favorecido, a
su vez, por la
dispersin que se logra en los pulverizadores.
Un eyector de vapor (3), o en algunos casos simplemente una
bomba de vaco como en
las figuras 2.4 y 2.5, mantienen el equipo a la presin
correspondiente a la temperatura
de ebullicin del agua o muy prxima a sta. El eyector evacua el
aire y otros gases
creando un vaco en la torre. En la figura 2.7 se aprecia una
corriente de vapor (fluido
impulsor), procedente de caldera generalmente, que entra en el
eyector. Esta corriente
va fluyendo por una pequea cavidad de seccin decreciente que
hace disminuir la
presin (al adquirir el vapor alta velocidad). Esta disminucin de
presin es transmitida
al tanque mediante una conexin interna y de este modo va
succionando aire y otros
gases. El eyector debe permitir que evacuen al exterior los
incondensables que se estn
separando del agua ms el vapor en equilibrio a esa presin a
travs de una tercera
conexin.
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Figura 2.4. Partes principales de degasificador por vaco
El equipo debera funcionar a una presin total igual a la presin
de vapor del agua ms
la suma de las presiones parciales de los gases que se estn
desprendiendo.
Sin embargo, se inyecta vapor de agua a travs del conducto (4)
ubicado debajo de la
parrilla, para trabajar a mayor temperatura, lo que permite que
el nivel de vaco no sea
tan alto, y a su vez favorecer el desprendimiento de los
incondensables.
La entrada de vapor se regula a travs de una vlvula, por la
medida de la temperatura
del equipo. A su vez, un control de nivel es el que regula la
entrada de agua a los
pulverizadores. En el esquema estos controles pueden apreciarse
a la derecha y a la
izquierda del equipo, respectivamente.
Este tipo de desgasificadores no suelen emplearse con tanta
frecuencia como el caso de
los trmicos o la desgasificacin qumica. Su uso se ve limitado a
sistemas de
dimensiones ms reducidas y a procesos que no se requiera un gran
consumo de vapor
debido al alto coste de operacin en bombas de vaco o por las
limitaciones de los
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eyectores, adems de que la eliminacin de gases resuelta mediante
vaco es menos
eficiente que otro tipo de desgasificadores a medida que el
caudal de agua de ciclo sea
mayor en la planta. Adems de esto, la extraccin de gas mediante
vaco es bastante
menos eficiente que, por ejemplo, los trmicos-presurizados. No
ya nicamente por los
incondensables que es capaz de eliminar, sino tambin por la
dificultad de separar los
gases ventilados del vapor. Con lo que este tipo de
desgasificacin conlleva un arrastre
no despreciable de vapor, y por tanto, un consumo relativamente
mayor de agua de
reposicin de aporte al ciclo.
Figura 2.5. Esquema de funcionamiento de desgasificador a
vaco.
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Figura 2.6. Desgasificador por vaco. Tipo eyector.
Figura 2.7. Eyector de vapor de desgasificador por vaco.
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2.3.2 Desgasificadores qumicos
En la desgasificacin qumica el proceso de adicin de agentes
qumicos se realiza a
travs de depsitos llenos con la sustancia desgasificadora
correspondiente conectados a
la red de agua de ciclo de la planta. Uno o varios compuestos
qumicos se encargan de
eliminar el oxgeno disuelto en el agua de alimentacin. Su
continuo uso conlleva un
costo adicional de eliminacin de purgas para prevenir posibles
deposiciones de sales y
otras partculas. Cumplen la misma funcin que un desgasificador
trmico, solo cambia
la forma.
Este tipo de desgasificadores son, en esencia, un depsito en el
que un equipo de
bombeo inyecta en algn punto de la red de condensado (ver figura
2.12) el nivel
adecuado de agentes qumicos para el proceso de desgasificacin
del agua. En la figura
2.8 puede observarse un ejemplo de estos equipos. Las entradas
principales son los
puntos 3 y 4, mientras que las salidas son el 1, 5 y 6. La
corriente (1) es la salida de
sustancia del depsito hacia el grupo de bombeo. La corriente (2)
es el flujo de lquido
bombeado hacia algn punto de la instalacin donde es inyectada la
solucin para el
proceso de tratamiento de agua. La toma (3) es el punto por
donde el depsito de
almacenamiento es recargado de la sustancia desgasificadora
correspondiente. La (4) es
la toma de agua para generar la disolucin. Mientras que los
puntos (5) y (6) son de
rebose y vaciado respectivamente.
Figura 2.8. Entradas y salidas de un desgasificador qumico. C.T.
Los Barrios (Cdiz)
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Los componentes bsicos de este desgasificador pueden verse en la
figura 2.9. Se
nombran a continuacin:
(1) Agua de aportacin.
(2) Carga de agente qumico.
(3) Descarga vlvula de seguridad.
(4) Aspiracin de bombas.
(5) Indicador de nivel.
(6) Grupo de bombeo a ciclo.
(7) Rebose.
(8) Tubera de transporte de solucin hacia agua de ciclo.
(9) Vaciado del depsito.
En medio acuoso, el hierro se oxida a hidrxido ferroso por la
accin del in
hidroxilo. Este, por accin de oxgeno en disolucin pasa a
hidrxido frrico (de
color rojizo), que implica corrosin. A elevadas temperaturas el
hidrxido ferroso se
convierte a una capa densa de proteccin de color negro
denominada magnetita, que
protege el metal del agua y del oxgeno. Pero a temperaturas
relativamente bajas el
hidrxido frrico crea complicaciones operacionales cuyas
consecuencias pueden
provocar costes por indisponibilidades en la planta como ya se
ha comentado
anteriormente.
Figura 2.9. Componentes principales de un desgasificador qumico.
C.T. Los Barrios (Cdiz)
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Existen diferentes productos encargados de eliminar los gases
disueltos en el agua de
alimentacin. A continuacin se analiza la eliminacin de O2, de
CO2 y de
incrustaciones.
a) Eliminadores de O2
Sulfitos:
Reacciona con el oxgeno formando sulfato sdico. Debe dosificarse
en continuo en el
agua de alimentacin de la caldera (depsito del desgasificador),
controlando la
existencia de residuales para eliminar el oxgeno. La formacin de
sulfato sdico
aumenta slidos disueltos y a presiones altas (>50 bar) se
descompone en dixido de
azufre.
La velocidad de reaccin entre sulfito sdico y oxgeno es rpida.
Sin embargo a
temperaturas bajas es necesario utilizar trazas de sulfato de
cobalto para acelerar la
reaccin (catalizador). Para presiones mayores a 80 psi (5,52
bar) no es recomendable el
sulfito sdico. El sulfito sdico catalizado (con sulfato de
cobalto) reacciona mucho ms
rpido que el no catalizado y es recomendable dosificarlo por
separado en el depsito
del desgasificador. La proporcin estequiomtrica a aadir es de
7,88 ppm de sulfito
sdico por cada 1 ppm de oxgeno, pero se recomienda el empleo de
una 10:1.
Hidracina:
Sustituy al sulfito en sistemas de alta presin. La ventaja
principal es que no
incrementa slidos en la caldera, pero tiene el problema que est
en la lista de productos
cancergenos (OSHA PEL 0,1 ppm, SARA Title IIISection 313
reporting) y como tal
requiere de una manipulacin especial. Actualmente el uso se
circunscribe a los grandes
sistemas de generacin de vapor (centrales elctricas). La
hidracina (al 35%) se
alimenta directamente al agua de alimentacin a razn de 0,050,10
ppm. A
temperaturas inferiores a 150C la reaccin es muy lenta, el uso
de hidroquinona como
catalizador aumenta la velocidad de la reaccin 10100 veces. A
temperaturas
superiores a 400C la hidracina se comienza a descomponer en
amonaco, que es
corrosivo para el cobre y otras aleaciones.
Carbohidracina:
Es el sustituto de la hidracina y acta igual que sta pero no
tiene los peligros relativos a
la misma. Al igual que la hidracina, no aumenta los slidos en la
caldera. Pero tiene el
inconveniente que la reaccin con el oxgeno genera 0,7 ppm de
dixido de carbono por
cada ppm de oxgeno, lo cual se debe tener en cuenta en el clculo
de necesidades de
amina.
Neutralizante:
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La estequiometra a utilizar es de 1,4 ppm de carbohidracina por
cada ppm de oxgeno
disuelto, y se dosifica directamente al sistema en forma de
solucin 6.5%. La dosis
recomendada en el agua de alimentacin es la suficiente para
controlar 0,05 0,3 ppm
como hidracina, ya que se da sta en el interior de la
caldera.
cido eritrbico:
Es un cido orgnico, ismero de la Vitamin C. Por esto es
reconocido por la FDA
como un producto GRAS para aplicaciones donde el vapor est en
contacto con
alimentos. La solucin al 10% de cido eritrbico tiene un pH de
2,1. El producto se
formula a pH 5,5 con aminas neutralizantes o amonaco. Se
cataliza con sulfato de cobre
(1:50).
Metiletilcetona (MEKO):
Es un reductor del oxgeno disuelto que tiene un ratio de
distribucin ms alto que la
DEHA, y funciona mejor que sta en sistemas largos de de
condensados. El ratio de
distribucin est entre el del DEAE y la ciclohexilamina. La
Metiletilcetona reacciona
ms rpidamente que cualquier otro sustituto del sulfito sdico. Se
necesitan 5,4 ppm de
MEKO por cada ppm de oxgeno disuelto. El MEKO no tiene las
mismas capacidades
pasivadoras que la DEHA, as que su uso no esta tan
aconsejado.
Hidroquinona:
Tiene rpida velocidad de reaccin, incluso en agua fra. Se puede
utilizar sola como
desoxigenante. Usada habitualmente como catalizador para la
Hidracina, DEHA, y
Carbohidrazida, incluso para usos a baja presin. En
desmineralizadores de lecho mixto
puede producir ennegrecimiento de las resinas debido a la rpida
reaccin de reduccin.
La Hidroquinona es estable hasta 275 C, la descomposicin final
genera dixido de
carbono. La estequiometra requerida es de 6,9 ppm de
hidroquinona por cada 1 ppm
oxgeno.
N,N'-dietilhidroxilamina (DEHA):
Desoxigenante voltil, pasiva las superficies metlicas de la
caldera y lneas de
condensados. Es un fuerte reductor capaz de revertir el rojizo
xido frrico a magnetita
manteniendo residuales en la caldera entre 150 y 300 ppb.
Catalizado con hidroquinona
acta a bajas temperaturas. La estequiometra es de 1,24 ppm de
DEHA por cada 1 ppm
de oxgeno disuelto, pero se obtienen mejores resultados con una
relacin 3:1. En su
reaccin con el oxgeno se forma cido actico e incluso se puede
descomponer en
dixido de carbono, lo cual requiere un consumo adicional de
amina neutralizante. Se
descompone en amonaco a partir de 280C frente a 168C para la
hidracina. El anlisis
de la DEHA se realiza mediante un kit basado en la reduccin del
in frrico a ferroso.
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b) Eliminadores de CO2
El dixido de carbono disuelto en el agua (sobre todo si no hay
una adecuada
desgasificacin o bien el agua es slo descalcificada, por lo que
conserva la alcalinidad
dando lugar en la caldera a la descomposicin de carbonatos y
bicarbonatos en dixido
de carbono) pasa al vapor y al condensar pasa a cido carbnico
dando lugar a corrosin
cida de las lneas de retorno, contaminando el condensado con
hierro disuelto. Por ello
es necesario aadir una amina neutralizante para mantener un
pH=8,38,5 mnimo. A
una dosis de 23 ppm de producto debera bastar la cantidad de
amina neutralizante
aadida.
Su funcin es la eliminacin qumica del dixido de carbono en el
agua de alimentacin
tras la desgasificacin mecnica o por descomposicin de carbonatos
y bicarbonatos. Su
uso evita la corrosin cida por bajo pH en lneas de
condensados.
La Amina neutralizante forma sales al reaccionar con el cido
carbnico procedente del
dixido de carbono del vapor. La Amina Neutralizante tambin eleva
el pH del
condensado por formacin de hidroxilos. Un desgasificador trmico
debe crear el
stripping (fenmeno el que se produce intercambio de compuestos
entre la fase lquida y
la fase gas) de las sales y permite la regeneracin de la
amina.
c) Eliminadores de incrustaciones:
La principal funcin de los antiincrustantes es la precipitacin
qumica y quelacin de
iones, inhibicin y/o dispersin para evitar la formacin de
incrustaciones procedentes
de las sales disueltas en el agua de calderas. Su uso evita
incrustaciones, prdida de
eficiencia energtica, etc. No son agentes desgasificadores como
tal, pero pueden
incluirse en la participacin de eliminacin de gases disueltos
por la capacidad que
tienen de preparar el consensado para el tratamiento de
desgasificacin posterior. Los
principales productos utilizados son fosfatos, quelantes,
fosfonatos y dispersantes.
El caso siguiente (figura 2.10) es un tanque de desmineralizacin
de la CT. Los Barrios
(Cdiz). El agua procedente del condensador entra en el
recipiente (por medio de las
entradas 1, 2 y 3). En su interior, el condensado entra en
contacto con resinas
desmineralizadoras que permiten limpiarlo de sales. De modo que
evita la incrustacin
motivada por el acumulamiento de sales y otras sustancias, y
adems, sirve de
preparacin para recibir el tratamiento qumico correspondiente
descrito en el apartado:
hidracina, carbohidracina, etc.
Tras pasar el condensado por el tanque, el agua sale por el
punto (4) (figura 2.11) y
recibe inyeccin de aditivo qumico en algn punto de la red
(figura 2.12).
Posteriormente el condensado ya tratado se dirige hacia el
desgasificador trmico de
dicha central (sistema de agua de ciclo). Para este ejemplo esta
planta emplea una
combinacin de desgasificacin qumica y trmica. En las etapas que
sigue el agua, tras
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su paso por el condensador, aditivos qumicos como hidracina
(desgasificacin) y resina
aninica-catinica (desmineralizacin) son inyectados al pasar por
los respectivos
tanques de almacenamiento. Tras esta primera desgasificacin el
agua tratada es llevada
al desgasificador (desgasificacin trmica) para eliminar el resto
de gases no
condensables antes de introducirse en el economizador de la
caldera.
La figura 2.12 muestra las inyecciones de dos sustancias qumicas
que provienen de
tanques como el mostrado en la figura 2.8. La corriente (1) es
hidrxido amnico, usado
como inhibidor de corrosin y antiincrustante. La corriente (2)
es hidracina,
secuestrante de oxgeno disuelto. Ambas corrientes se inyectan al
agua de ciclo a una
temperatura de unos 30C y presin de 39 bar.
Figura 2.10. Tanque de desmineralizacin C.T. Los Barrios
(Cdiz)
En ocasiones, la desgasificacin suele combinar los mtodos qumico
y trmico. El agua
de aporte al ciclo suele tratarse con un aditivo qumico que
aumente la capacidad de
eliminacin de gases no condensables, y ms si pertenece a
instalaciones que requieren
de un agua alimentacin de alta calidad.
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No obstante, cabe mencionar que una de las desventajas con
respecto a la
desgasificacin trmica son los costos asociados al aditivo qumico
en s y la purga. Los
costos de mantenimiento se ven aumentados debido a que el
agregado de productos
qumicos al agua de alimentacin aumentan la frecuencia de purga
en el generador de
vapor, y esto a su vez, aumenta el agua de reposicin que debemos
introducir en el
sistema posteriormente.
Muchas industrias, siempre que la inversin lo permita y sus
condiciones de operacin
tambin, se decantan por una desgasificacin trmica que, en
ocasiones, puede venir
acompaado de algn aditivo qumico que ayude a una desgasificacin
ms completa.
Figura 2.11. Tanque de desmineralizacin C.T. Los Barrios
(Cdiz)
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Figura 2.12. Puntos de inyeccin de hidracina e hidrxido amnico
C.T. Los Barrios (Cdiz)
2.4 Desgasificadores trmicos
La desgasificacin trmica se basa en el fenmeno fsico por el que
la solubilidad de un
gas disuelto en agua (que no haya reaccionado qumicamente con l)
disminuye al
aumentar la temperatura del agua, de manera que, tiende a
anularse cuando se alcanza la
temperatura de saturacin correspondiente a la presin existente.
Eso quiere decir que, a
medida que vamos calentando el agua en el desgasificador se irn
desprendiendo los
gases disueltos, de manera que se habrn eliminado la prctica
totalidad al alcanzar la
temperatura de saturacin a la presin de servicio.
Con la desgasificacin trmica se alcanzan valores normales de
residuos de O2 por
debajo de 0,007 ppm y de 2 ppm para el caso de CO2.
Los tipos de desgasificador que manejan el mtodo trmico como
eliminacin de O2 son
el atmosfrico y el presurizado. Aunque como se ver ms adelante
el grado de
eliminacin es bastante mayor en los presurizados.
Los desgasificadores trmicos son empleados en el rango completo
de instalaciones de
vapor.
2.4.1 Desgasificadores atmosfricos
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Dentro de la categora de desgasificadores trmicos el
desgasificador atmosfrico es el
ms simple. Su empleo no es el ms eficiente dentro de la
categora, sin embargo, es el
de menor coste. Su nivel de reduccin de O2 garantiza niveles de
unas 5 ppm, algo
insuficiente para los requisitos que se plantean en plantas
grandes. Esta es la principal
razn por la que su uso es el ms restringido de todos los tipos
de desgasificadores y
que no pueda emplearse en ciertas instalaciones de vapor como
son las dedicadas a la
generacin de energa, la cual tienen mucha importancia en la
economa actual. No
obstante puede tener aplicaciones en pequeos procesos
relacionados con el sector de la
alimentacin, por ejemplo.
En la figura 2.13 pueden verse los flujos de entrada y salida de
este tipo de equipos. Las
entradas (1) y (5), son de retorno de condensado. La entrada (4)
es un flujo de vapor
regulado por una vlvula reductora. El flujo (3) es el agua de
reposicin que permite
restaurar los niveles de agua de ciclo. Las salidas (2) y (6)
son de gas ventilado y
condensado tratado respectivamente. Finalmente cabe destacar dos
flujos de trasiego de
una parte a otra. La corriente (7) es agua condensada no trata
que es llevada a la seccin
presurizada con el fin de pulverizarse en pequeas gotas,
mientras que la corriente (8) es
una mezcla de agua, vapor y gases cuyo fin es el de calentar la
seccin atmosfrica.
Figura 2.13. Esquema desgasificador atmosfrico patentado por M.
Bekedam (1994)
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Vapor
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Por otro lado, los componentes principales de los
desgasificadores atmosfricos vienen
determinados en la figura 2.14:
Figura 2.14.Componentes principales desgasificador
atmosfrico
(1) Seccin atmosfrica
(2) Orificio de ventilacin de gases
(3) Seccin presurizada
(4) Entrada de vapor
(5) Conducto de aspersin
(6) Conducto de gases calientes
(7) Bomba de trasiego
(8) Salida de condensado. Agua de ciclo
(9) Entrada de agua de reposicin
(10) Entrada de condensado (por gravedad)
(11) Entrada de purga de caldera
(12) Vlvula reguladora de vapor
El desgasificador se divide en dos secciones: una a presin
atmosfrica y otra
presurizada. La parte a presin atmosfrica o ventilacin tiene
como fin eliminar en la
medida de lo posible el nivel de gases no condensables y
mantener la temperatura del
agua de ciclo. Adems de minimizar la prdida de vapor debido a la
ventilacin en la
seccin no presurizada.
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Vapor
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Las dos divisiones del equipo de desgasificacin son
substancialemente iguales. Est
construida a travs de un recipiente exterior que contiene. La
seccin en la que se
pulveriza el condensado no tratado se mantiene ligeramente
presurizada por el vapor
entrante empleando para ello un control de presin y/o
temperatura. Este vapor de agua
entrante est regulado bien sea por una temperatura controlada o
bien por una vlvula de
suministro de vapor de presin controlada. El vapor entrante en
la seccin presurizada
puede ser controlado empleando control de temperatura o presin
simples, un
dispositivo de medida en la seccin atmosfrica da orden de abrir
o cerrar la vlvula que
regula el caudal de vapor encargado de calentar el condensado
con el objeto de liberar
los gases disueltos que contenga.
La comunicacin entre la zona presurizada (en la que el fluido se
calienta) y la zona de
ventilacin (a presin atmosfrica) es por medio de un conducto que
emana gases
calientes desde la seccin presurizada a la seccin atmosfrica (de
venteo). El conducto
de gases calientes es abierto y lleva flujo bifsico agua-vapor,
gases no condensables y
algo de vapor hacia la seccin de ventilacin donde se eliminan
los gases no
condensables y se recupera parte del vapor.
El conducto de gases calientes tiene un extremo abierto en el
nivel superior de la
seccin presurizada que funciona como tubera de desborde. Esta
tubera acta para
mantener el nivel de agua en la seccin a presin del
desgasificador, que debido a su
tamao, sirve como elemento auxiliar de presin de emergencia.
Normalmente el agua
en el tubo vertical puede tener un nivel mximo en la seccin de
calentamiento debido a
que se encuentra en depresin. Sin embargo, si la presin llega a
ser excesiva el agua es
soplada a travs del tubo hacia la seccin de ventilacin
proporcionando de este modo
una forma clara para descargar presin, desde la seccin de venteo
hacia la atmsfera.
Durante el funcionamiento normal, el agua es forzada a ir por el
interior de los tubos en
la seccin atmosfrica debido al flujo continuo de gases.
La seccin de ventilacin consta de un sistema de venteo
atmosfrico que est
protegido por un condensador de ventilacin que pulveriza por
medio de un spray de
forma cnica agua relativamente fra del suministro de agua de
reposicin. El agua fra
condensa vapor de agua y absorbe trazas de condensado que cae
del agua de reposicin
al depsito de agua en la seccin de ventilacin del tanque.
Una bomba de trasiego transporta agua desde las capas inferiores
ms fras del fondo de
la seccin de ventilacin a travs de una lnea dirigida hacia a la
seccin de
calentamiento donde se pulveriza el agua por medio de una serie
de boquillas. Los gases
no condensables pasan en pequeos volmenes desde la seccin de
calentamiento hasta
la de evacuacin de gases (venteo) por medio del conducto
calentador junto con trazas
de vapor que acabarn siendo venteadas por el orificio de
ventilacin. El agua altamente
atomizada, y calentada por el contacto la atmsfera de vapor
creada, libera los gases y
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stos son transportados por el vapor a travs del conducto
calentador hacia la seccin
atmosfrica.
La vlvula de control regula la cantidad de flujo de vapor
sobrecalentado a presin para
recalentar agua extrada del fondo de la seccin atmosfrica. El
vapor conduce cualquier
resto de gas no condensable de la circulacin de agua pulverizada
en la seccin de
calentamiento. Tanto vapor, vapor condensado y gases no
condensables son llevados
por el conducto de gases calientes para burbujear el agua
ligeramente ms fra de la
seccin de mezcla.
Por otro lado, un sensor de temperatura sumergido en agua en la
seccin de ventilacin
mantiene la temperatura del agua mediante regulacin del flujo de
vapor sobrecalentado
que pasa a travs de la vlvula de control de vapor, que acta como
un sobrecalentador,
para elevar la temperatura de la seccin a presin ligeramente
mayor con respecto a la
seccin atmosfrica.
Si bien una alternativa a esto ltimo sera colocar un sensor de
presin en la seccin
atmosfrica para mantener un nivel de presin no elevado en la
seccin presurizada a
travs del empleo de un venteo forzado a la atmsfera en la seccin
de ventilacin.
Las purgas de vapor de caldera son retornadas a la seccin
presurizada. El retorno por
gravedad lo usa el agua para volver a la seccin atmosfrica. El
agua fra de reposicin
es pulverizada de forma cnica alrededor del venteo atmosfrico
para condensar
cualquier resto de vapor rezagado y enjuague el agua-vapor
transportado por la masa de
gases no condensables. Los gases son eliminados por venteo y el
agua cae por la seccin
de ventilacin mezclndose con el condensado de retorno.
Este tipo de desgasificadores son particularmente adecuados para
procesos industriales
donde la demanda de vapor y el condensado retornado sean
variables. Tiene la ventaja
de que puede combinarse con intercambiadores de calor y
condensadores flash para
maximizar el grado de eficiencia en los circuitos
agua-vapor.
De este modo el funcionamiento queda esquematizado en la figura
2.15 donde las lneas
en azul son agua condensada, las rojas son las lneas de vapor en
el proceso y la verde
son gases incondensables.
Una primera seccin (seccin de ventilacin o atmosfrica) con una
cierta cantidad de
agua y gas a la presin atmosfrica. Esta zona, situada a la
izquierda de la figura 2.15,
tiene un dispositivo de venteo a la atmsfera.
Una segunda seccin (seccin presurizada o a presin situada en la
derecha de la figura
2.15) que contiene un nivel de agua determinado y un volumen de
gas bajo una presin
ligeramente mayor a la atmosfrica. Esta zona tiene una admisin
de vapor y otra de
contacto directo a mayor temperatura que desgasifica el agua
calentndola. En esta
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seccin, la admisin de vapor y la de contacto directo incluyen un
pulverizador de agua
que esparce una fina capa de agua atomizada que rodea al volumen
de gas sobre el nivel
predeterminado. El conjunto de boquillas pulverizadoras estn
situadas al final del
conducto de aspersin que se denominaba en la figura 2.14
Ambas secciones estn comunicadas a travs de un conducto en forma
de L donde la
parte vertical est comprendida en el interior de la seccin
presurizada. En la zona
superior de este conducto (conductor de gases) se encuentra la
admisin de agua situada
en el nivel predeterminado de la seccin a presin. Mientras que
la parte horizontal del
conducto est colocada en la seccin atmosfrica quedando sumergida
en el agua de
este medio en donde el paso comunicante entre la seccin a presin
y la seccin de
ventilacin supone un escape para la masa de gases y un medio
seguro de disminucin
de exceso de presin de estos gases en la parte presurizada del
equipo.
Existe un circuito de agua continuo desde la seccin atmosfrica
hacia las boquillas de
pulverizacin colocadas en la seccin presurizada y un segundo
circuito de agua que
conecta la zona a presin con la caldera. La admisin de vapor se
regula mediante una
vlvula que controla el gasto de vapor que llega a la seccin
presurizada desde el
conducto de vapor procedente del proceso. Un sensor conectado a
esta vlvula de
control regula el flujo de vapor entrante, y por tanto, el
calentamiento en la zona a
presin del desgasificador.
Existen variantes respecto al modelo original. Como es el caso
de la figura 2.16. En ella
podemos apreciar que es de menor complejidad, dado a los avances
tcnicos, en los que
no hay una divisin en seccin atmosfrica y presurizada. No
obstante el
funcionamiento es muy similar. Se extrae un sangrado de flujo
bifsico desde la caldera
donde el vapor se emplea como fluido sobrecalentador usado para
elevar la temperatura
del agua del tanque y la corriente lquida se emplea para
precalentar el agua de
reposicin (Incoming Make-up). En la torre de desgasificacin
afluyen el condensado
retornado, vapor y el agua de reposicin anteriormente
mencionada.
En el cabezal de desgasificacin se mezclan todas las corrientes
entrantes, de tal modo
que el sangrado de caldera, pasando previamente por un
vaporizador flash que reduce su
presin hasta la presin atmosfrica, ser el encargado de aportar
la energa trmica
necesaria para evacuar los gases no condensables disueltos tanto
en el agua de
reposicin como en el condensado retornado. Estos gases son
eliminados de forma
automtica por el orificio de ventilacin. El flujo resultante de
la mezcla de las tres
corrientes desciende a lo largo del cabezal por gravedad hasta
el fondo del tubo de
inmersin que est acoplado al tanque donde se va almacenando el
condensado ya
tratado. Esto se puede observar en la figura 2.17.
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Figura 2.15. Esquema funcionamiento desgasificador
atmosfrico
Cuando el agua logra alcanzar la temperatura de saturacin los
gases que sta contiene
son liberados de tal forma escapan por el sistema de ventilacin
del desgasificador junto
con trazas de vapor que no se logra retener.
En la cabeza de la torre est situada la vlvula reguladora de
vaco (Vacuum breaker)
que impide el retorno de flujo de gases no condensables para
forzarlos a ser eliminados
por el sistema de venteo.
En el fondo del desgasificador se encuentra el canal de salida
hacia caldera del agua
tratada en el proceso que se acaba de describir.
En general, este tipo de plantas en las que se usan
desgasificadores atmosfricos tienen
una capacidad de desaireacin ms limitada que las que usan
desgasificacin a presin.
De modo que este proceso suele venir acompaado, depende del
funcionamiento y
objeto de la planta, de un tratamiento por desgasificacin qumica
que permita reducir
ms los niveles de gases en el agua de alimentacin.
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Figura 2.16. Desgasificador atmosfrico (variante)
Figura 2.17. Cabezal de desgasificacin de desgasificador
atmosfrico
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En cuanto a parmetros de operacin son similares a los de los
desgasificadores a
presin, ya que en la prctica se emplean temperaturas de agua de
alimentacin de 85C
para evitar daos en bombas y auxiliares, siendo la temperatura
de saturacin en este
caso de 100C.
2.4.2 Desgasificadores presurizados
El grado de desgasificacin logrado por los desgasificadores
atmosfricos resulta
insuficiente. Como evolucin surgen los desgasificadores
presurizados. La idea de
obtener un agua con menor concentracin de gases disueltos
mediante una subida de
temperatura se mantiene pero el grado de eliminacin puede ser
hasta 90 veces mayor.
La adicin de un agente qumico (como es el sulfito sdico e
hidracinas) permite
eliminar el oxgeno y prevenir de corrosin en alto grado. Este es
un tratamiento comn
en plantas con generadores de vapor en algunas zonas de Europa
(como Reino Unido y
Alemania). Sin embargo existen plantas que, en funcin de su
tamao, aplicaciones u
otros criterios, necesitan reducir las concentraciones de
elementos qumicos en sus
aguas de ciclo. Para plantas que precisan reducirlos es normal
emplear desgasificadores
a presin o por vaco, siendo los primeros de mayor capacidad de
eliminacin de gases.
Este dispositivo consiste en un depsito a presin en el cual se
mezcla agua y vapor a
velocidades controladas. Cuando esto ocurre, la temperatura del
agua se eleva y todos
los gases contenidos no condensables son liberados y extrados de
manera que el agua
que salga pueda ser considerada como no corrosiva en vistas a un
contenido de oxgeno
o anhdrido carbnico mnimo.
Un desgasificador trmico est implementado en el sistema de una
planta de vapor para
proteger las bombas de alimentacin, tuberas, calderas y
cualquier elemento de la
instalacin que est en el lazo de alimentacin (o retorno) de los
efectos producidos por
los gases responsables de la corrosin. Esto se realiza mediante
la reduccin en el
contenido de gases no condensables, mayoritariamente oxgeno y
anhdrido carbnico,
hasta un nivel en que ya no pueden ser considerados como agentes
activos de corrosin.
El agua en contacto con el aire puede alcanzar un estado de
saturacin con el oxgeno,
donde la concentracin variar con la temperatura: a mayor
temperatura, menor
contenido de oxgeno.
Por otro lado, una transferencia de calor mayor permite una
respuesta ms rpida a las
variaciones de temperatura. Esto se consigue bien sea aumentando
la superficie de
transferencia o bien incrementado la superficie especfica del
fluido (relacin superficie-
volumen). A medida que aumenta la superficie especfica, las
partculas de condensado,
tendrn un menor tamao. La forma de hacer partculas de agua ms
pequeas es
mediante pulverizacin. La lnea de condensado que entra en un
desgasificador es
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llevada hacia unas boquillas que pulverizan el agua en pequeas
gotas que se esparcen
en un espacio donde adquirirn temperatura. Por otro lado, un
aumento de la superficie
de contacto tambin ayuda a aumentar la transferencia de calor.
Esto se puede conseguir
mediante bandejas que aumentan el tiempo de residencia del
fluido en contacto con una
superficie caliente.
En este apartado veremos los elementos principales y
funcionamiento de
desgasificadores presurizados, las variables que debemos
controlar y las formas de
regulacin de las mismas, parmetros tpicos de operacin,
requisitos mnimos de los
desgasificadores presurizados y las clases que hay dentro de
esta tipologa.
2.4.a Elementos y funcionamiento
Figura 2.18. Desgasificador a presin
Basndonos en la figura 2.18 podemos distinguir las entradas
(marcadas en rojo) y las
salidas (marcadas en azul) del sistema:
(1) Agua de reposicin y condensado retornado del ciclo
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(2) Vapor
(3) Gases ventilados
(4) Condensado tratado (agua de alimentacin del ciclo)
Tambin basndonos en esta misma figura (2.18) podemos apreciar
los elementos
principales de los que consta un desgasificador presurizado:
(5) Cabeza de desgasificacin
(6) Tanque de almacenamiento
(7) Sistema de control de presin de vapor
(8) Sistema de control de nivel de condensado
(9) Distribuidor de condensado
(10) Indicador de nivel del tanque de almacenamiento
El primer paso en el tratamiento del agua de alimentacin es
calentar el agua para
eliminar el oxgeno. Normalmente un tanque de almacenamiento debe
operar alrededor
de los 85-90 C, permitiendo un contenido en oxgeno en torno a 2
mg/l (ppm). Operar a
mayores temperaturas a las mencionadas, a presin atmosfrica,
puede resultar
complicado debido a que nos encontramos a temperaturas cercanas
a la de saturacin y
puede conllevar a la cavitacin de las bombas de alimentacin, a
no ser que el tanque
est situado en niveles muy elevados sobre las bombas.
Este tipo de desgasificador (ver figura 2.18) consta de torre de
desgasificacin (Dome),
en la zona superior, unida al tanque de almacenamiento (Vessel).
Como accesorios
tambin pueden verse la vlvula de control de vapor, vlvula de
control de condensado
de retorno, conducto de ventilacin de gases, medidor de nivel de
agua en el tanque y
drenaje a bombas de alimentacin a caldera. El condensado
retornado y el agua de
reposicin ingresa en la torre a travs de un distribuidor en el
que, bien sea tipo spray o
tipo bandeja (tray), el agua a la entrada del desgasificador es
calentada hasta el punto de
saturacin mediante la creacin de una atmsfera de vapor que es la
encargada de elevar
la temperatura de esta agua.
Esto se consigue en la cabeza del desgasificador mediante la
particin en pequeas
gotas de lquido que son sometidas a una atmsfera de vapor. Esto
se hace para
conseguir un ratio alto de superficie/volumen que permite una
rpida transferencia de
calor, con el consecuente aumento de temperatura hasta alcanzar
la saturacin. Esto
libera los gases disueltos, que luego son llevados junto con el
exceso de vapor para ser
ventilado a la atmsfera. La mezcla de gases y vapor quedan en
una temperatura menor
que la de saturacin y el venteo operar termostticamente. Un
manto de vapor se crea
sobre el almacenamiento de agua y evitan una reabsorcin de los
gases.
El agua desaireada cae luego al estanque de almacenamiento,
donde el flujo de vapor
ascendente previene de re-contaminacin.
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La salida del agua de alimentacin del proceso, ya desgasificada,
se produce por la zona
inferior del equipo.
Los gases incondensables (mayoritariamente aire y CO2) son
evacuados del equipo
mediante un orificio situado en la zona superior (Air Vent).
Este orificio de venteo debe
estar correctamente diseado de tal forma que permita mantener la
correcta presin de
trabajo del desgasificador.
2.4.b Parmetros de control y operacin
Existen diferentes sistemas reguladores en este tipo de equipos
entre los que podemos
diferenciar:
Control de agua:
Se encargan de mantener el nivel de agua en la zona de
almacenamiento del
desgasificador. Adems se requiere de un mdulo de control que
proporcione
condiciones operativas estables debido a que una repentina
irrupcin de agua
relativamente fra puede daar el controlador de presin.
Este control tambin debe tener la capacidad de responder
rpidamente ante cambios de
demanda. (en la Figura 2.18 viene denominado como level
gauge).
Control de vapor:
Una vlvula control se encarga de regular el suministro de vapor.
Esta vlvula es
modulada a travs de un controlador de presin dentro del tanque.
El control de la
presin exacta es muy importante ya que es la base para el
control de la temperatura en
el desgasificador, de modo que para un rpida accin, se emplear
una vlvula de
control de accionamiento neumtico.
La inyeccin de vapor puede producirse en la base de la cabeza,
donde puede llegar
como flujo a contracorriente o flujo cruzado. El objetivo
prioritario es favorecer la
mxima agitacin y contacto entre los flujos de vapor y agua para
elevar la temperatura
de sta ltima. En el caso de la Figura 2.18 la inyeccin se efecta
en la base de la torre
de desaireacin (Dome) cuyo control es efectuado mediante el
Steam pressure control
system.
El vapor es inyectado a travs de un difusor que proporciona una
buena distribucin de
vapor en el interior de la torre. Este vapor sirve, adems,
como:
Medio de transporte que gua a los gases incondensables por el
orificio de venteo.
Capa de vapor depositada sobre el almacenamiento de agua que
impide reabsorcin
de gases.
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Control de la capacidad de ventilacin:
La temperatura tpica dada para el agua de alimentacin es de 85
C. En la prctica este
es un valor mximo que se da para evitar daos a las bombas de
alimentacin. Esta
temperatura, en la prctica, es una forma de decir que la
cantidad de oxgeno disuelto
contenido gira en torno a 3,5 ppm.
El desgasificador eleva la temperatura a 105 C, eliminando el
oxgeno. Con lo que la
proporcin de ventilacin debe ser de 3,5 g/h por cada 1000 Kg/h
de capacidad del
desgasificador. Sin embargo es importante hacer notar que el
oxgeno est mezclado
con el vapor, y esto hace que baje la temperatura de la mezcla.
Estimando la proporcin
de O2 y vapor hallados en la mezcla segn la Ley de Dalton
tenemos que un
desgasificador a presin trabajando a 1,2 bar y una temperatura
de descarga de unos
100C:
1 1,2 = 83,3 %
Siendo el restante 16,6% el O2 de la mezcla.
Con lo que esto significa que de cada 1g O2 ventilado habr:
1
0,167= 5,99
5,99 0,833 = 4,99
Es decir, que la capacidad de ventilacin que debe tener un
desgasificador trabajando a
1,2 bar de presin ser:
1 + 4,99 3,5 = 20,96
Sin embargo, no hay un modo lo