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19/09/13 Desaireador Mecanico - Ensayos de Colegas -
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Desaireador Mecanico
DISEO Y FABRICACIN DE UN DESAIREADOR MECNICO PARA UNA
CALDERA DE VAPOR
1. Introduccin
Uno de los puntos importantes en el tratamiento interno del agua
de un
generador de vapor, es sin lugar a dudas, el tema: incrustacin.
Ante las
exigencias impuestas por el creciente desarrollo alcanzado por
la industria ha
trado como consecuencia la necesidad de ejercer controles cada
vez ms
estrictos sobre los procesos incrustantes y corrosivos a que da
lugar el agua
destinada a la alimentacin de generadores de vapor, destinadas a
comunicar
al agua los valores qumicos necesarios para lograr su
estabilizacin,
independientemente de que haya sufrido tratamientos externos
parciales o
totales.
La desaireacin mecnica eficiente reduce el oxgeno disuelto a
niveles muy
bajos.
Los principales problemas de los gases en el agua en una caldera
de vapor
son los siguientes:
Aparicin en el sistema pre-caldera y caldera por la presencia de
oxgeno
disuelto en el agua de alimentacin.
Corrosin en la lnea de vapor condensado por la presencia de
anhdrido
carbnico debido a la descomposicin trmica en caldera de
carbonatos y
bicarbonatos.
Incrustaciones por presencia de dureza en el agua de
alimentacin.
Se pueden dar algunas soluciones a estos problemas: tratamiento
propuesto
Prevencion de la corrosion en caldera mediante la aplicacin del
producto
qumicos como sulfito catalizado que asegura un secuestro casi
instantneo de
oxgeno. Su control se realiza mediante la determinacin de
sulfito residual
libre en el agua de caldera debiendo estar comprendido entre 30
y 40 ppm.
Prevencion de la corrosion en el circuito de vapor condensado
mediante la
aplicacin del producto quimico, compuesto por una mezcla de
aminas para
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neutralizar el bajo pH del condensado. Su control es sencillo
mediante la
determinacin del pH del condensado, el cual debe estar
comprendido entre
8,3 - 9.
Prevencion de incrustaciones en el interior de caldera mediante
la aplicacin
del producto quimico para evitar incrustaciones producidas por
dureza en el
agua de aporte, produciendo una precipitacin controlada que
eliminaremos
en la purga.
Las ventajas del programa de tratamiento
Eliminacin total del oxigeno evitando su efecto corrosivo sobre
el circuito.
Eliminacin del dixido de carbono evitando la aparicin de
picaduras.
Ajuste del pH en el agua de alimentacin al recuperar
condensado.
Prevencin de las incrustaciones mejorando el rendimiento
energtico de la
caldera.
Ahorro de agua, optimizando la purga en caldera.
2. Operacin de la caldera
La mayora de las Industrias y muchos establecimientos
comerciales necesitan
vapor. El vapor es empleado en las fabricas textiles para
producir, formar y
teir los productos. Las tintoreras emplean vapor para planchar
la ropa. Las
compaas empacadoras y de alimentos emplean vapor para cocinar
y
procesar alimentos. Las panaderas preparan el pan con vapor.
Las
cerveceras emplean vapor para producir la cerveza. Las calderas
son
frecuentemente empleadas para calentar agua en hoteles,
hospitales,
lavanderas y grandes construcciones. Este opera muchas de las
turbinas
empleadas para producir energa elctrica. Como regla general, las
grandes
fbricas u operaciones industriales, son los mas adecuados
lugares que hay
para buscar uno o mas generadores de vapor en operacin.
2.1. Produccin de vapor
La mayora de las calderas o generadores de vapor tienen muchas
cosas en
comn. Normalmente en el fondo esta la cmara de combustin o el
horno en
donde es mas econmico introducir el combustible a travs del
quemador en
forma de flama. El quemador es controlado automticamente para
pasar
solamente el combustible necesario para mantener la presin en el
vapor
deseada. La flama o el calor es dirigido o distribuido a las
superficies de
calentamiento, que normalmente son tubos, fluxes o serpentines.
En algunos
diseos el agua fluye a travs de los tubos o serpentines y el
calor es aplicado
por fuera, este diseo es llamado Calderas de tubo de agua. En
otros
diseos de calderas, los tubos o fluxes estn sumergidos en el
agua y el calor
pasa en el interior de los tubos, estas son llamadas Calderas de
tubos de
humo. Si el agua es sujeta tambin a contacto con el humo o gases
calientes
mas de una vez, la caldera es de doble, triple o mltiples
pasos.
El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua
se vaporiza y es
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El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua
se vaporiza y es
colectada en una o varias cmaras o tambores. El tamao del
tambor
determina la capacidad de produccin de vapor. En la parte
superior del
tambor de vapor se encuentra la salida o el llamado Cabezal de
vapor, desde
donde el vapor es conducido por tuberas a los puntos de uso. En
la parte
superior del hogar mecnico se encuentra una chimenea de metal o
de ladrillo,
la cual conduce hacia fuera los productos de la combustin como
gases. En el
fondo de la caldera, normalmente opuesto del hogar mecnico, se
encuentra
una vlvula de salida llamada purga de fondo. Por esta vlvula
salen del
sistema la mayora del polvo, lodos y otras sustancias no
deseadas, que son
purgadas de la caldera.
En conjunto a la caldera existen mltiples controles de
seguridad, para aliviar la
presin si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el
nivel del agua
es demasiado bajo o para automatizar el control de nivel del
agua. Un tubo de
vidrio con una columna de agua generalmente se incluye , para
mostrarle al
operador el nivel interno del agua en la caldera.
2.2. Agua de alimentacin a la caldera
El agua de alimentacin a la caldera es comnmente almacenado en
un
tanque, con capacidad suficiente para atender la demanda de la
caldera, una
vlvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, una
bomba de alta
presin empuja el agua hacia adentro de la caldera, se emplean
bombas de
presin debido a que generalmente las calderas operan a presiones
mucho
mas elevadas que las que encontramos en los tanques de agua.
Vapor limpio
es agua pura en forma de gas, cuando el vapor se enfra se
condensa y es
agua pura, normalmente conocida como condensados. Normalmente
estos
condensados contienen una gran cantidad de calor que puede ser
empleada.
Estos condensados son casi perfectos como make-up o alimentacin
a la
caldera una vez que ha sido desgasificada para eliminar los
gases disueltos
como el oxigeno.
Esto siempre y cuando es posible si los condensados son
retornados a la
caldera y
colectados en un tanque conocido como tanque de condensados.
Cuando el
condensado es recuperado en un tanque de este tipo, generalmente
se elimina
del diseo el tanque del make-up .
En algunas instalaciones, el retorno de condensados puede llegar
a ser del
99% casi supliendo el agua de make-up. A mayor porcentaje de
recuperacin
de condensados ser menor el agua de alimentacin a la caldera o
make-up.
Hay otras instalaciones que probablemente requieran emplear el
100% de
make-up, esto puede ser por varias razones, como que el
condensado no se
puede recuperar o que el condensado esta contaminado por alguna
parte del
proceso.
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proceso.
2.3. Presiones en la de caldera
La temperatura y la presin en la operacin de cada caldera
definitivamente
estn
relacionadas, como se muestra en la siguiente tabla:
A presin atmosfrica normal el agua tiene un punto de ebullicin a
100C, a
mayor presin el punto de ebullicin se incrementa, hasta alcanzar
un mximo
punto de ebullicin a 374C a una presin de 3200 libras/pulgada2
(220.63
bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como
liquido.
2.4. Capacidades de caldera
Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de vapor que
ellas
pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta
temperatura. Las
calderas mas grandes producen 1000,000 de libras por hora o
son
catalogadas en base a 1 caballo de fuerza o caballo vapor
caldera por cada
34.5 libras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra
definicin es 1
caballo de fuerza por cada 10 pies2 de superficie de
calentamiento en una
caldera de tubos de agua o 12 pies2 de superficie de
calentamiento en una
caldera de tubos de humo.
3. Control de la calidad de agua
3.1. Consideraciones en el agua de alimentacin
Las calderas necesitan pre tratamiento externo en la alimentacin
del agua o
make-up dependiendo del tipo de caldera, la presin de operacin,
o del
sistema total. Tratamiento qumico interno es necesario,
dependiendo del
tratamiento externo del agua. El tratamiento externo del agua
reduce la
dosificacin de productos qumicos y los costos totales de
operacin. Esta
publicacin esta enfocada principalmente a la reduccin de Dureza
Total en el
agua mediante equipos de intercambio inico. Los Slidos Disueltos
Totales y
la Alcalinidad son tambin muy importantes.
3.2. Control de slidos disueltos totales
Cuando el agua es evaporada y se forma vapor, los minerales o
slidos
disueltos y suspendidos en el agua, permanecen dentro de la
caldera. El agua
de reposicin contiene una carga normal de minerales disueltos,
estos hacen
que se incrementen los slidos disueltos totales dentro de la
caldera. Despus
de un periodo de tiempo los slidos disueltos totales (TDS)
alcanzan niveles
crticos dentro de la caldera. Estos niveles en calderas de baja
presin se
recomienda que no excedan 3500 ppm (partes por milln o
miligramos por
litro). TDS por encima de este rango pueden causar espuma, lo
que va a
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litro). TDS por encima de este rango pueden causar espuma, lo
que va a
generar arrastres de altos contenidos de TDS en las lneas de
vapor, las
vlvulas y las tramas de vapor. El incremento en los niveles de
TDS dentro de
la caldera es conocido como ciclos de concentracin, este termino
es
empleado muy seguido en la operacin y control de la caldera. El
agua de
alimentacin que contiene 175 ppm de TDS puede ser concentrada
hasta 20
veces para alcanzar un mximo de 3500 ppm. Para explicar mejor
los ciclos de
concentracin empleamos el siguiente ejemplo, si nosotros tenemos
20
botellas de un galn, cada una de ellas contiene 175 ppm de TDS y
19 de
estas botellas
es evaporado, dejando el contenido de slidos de 175 ppm de cada
uno
dentro de la ultima botella de agua, la mezcla de las sales de
las 19 botellas
con la ultima botella de agua nos dar como resultado 20 ciclos
de
concentracin. Recordemos que la mxima cantidad recomendada de
slidos
disueltos totales TDS en una caldera de baja presin es de 3500
ppm. En
calderas de mayores presiones de operacin los lmites de TDS
disminuyen en
relacin a la presin de operacin. En el tema Sumario de la
Calidad del
Agua (adelante en esta seccin) encontraremos la Tabla A en donde
se ilustra
este factor.
Para controlar los niveles mximos permisibles de TDS, el
operador debe de
abrir en forma peridica la vlvula de purga de la caldera. La
purga es el
primer paso para el control del agua en la caldera y esta debe
de ser en
periodos o intervalos de tiempo. La frecuencia es dependiendo la
cantidad de
TDS en el agua de reposicin y de la cantidad de agua de
reposicin
introducida. En calderas grandes o ms crticas las purgas deben
de ser
automticas o continuas.
3.3. Control de alcalinidad
Adicionalmente al control de los ciclos de concentracin de los
TDS, la
alcalinidad debe de ser considerada con mucha precaucin. Los
niveles de
alcalinidad cuando se tienen calderas de baja presin, no deben
de exceder
las 700 ppm. La presencia de alcalinidad por encima de los 700
ppm puede
resultar en un rompimiento de los bicarbonatos produciendo
carbonatos y
liberando CO2 (dixido de carbono) libre en el vapor. La
presencia de CO2 en
el vapor generalmente se tiene como resultado un vapor altamente
corrosivo,
causando daos por corrosin en las lneas de vapor y retorno
de
condensados.
El nivel de alcalinidad generalmente controla el total de ciclos
de concentracin
en la caldera. Si el agua de reposicin contiene 70 ppm de
alcalinidad total en
una caldera que no deba de exceder la concentracin de 700 ppm se
podr
operar a 10 ciclos de concentracin (700 ppm / 70 ppm = 10
ciclos).
Revisando el ejemplo previo si se considera que esta caldera no
debe de
exceder los 3500 ppm de TDS en el interior de la caldera, y si
el agua de
reposicin tiene 175 ppm de TDS esto significa que en base a TDS
el agua
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puede operar a 20 ciclos de concentracin (3500 ppm / 175 ppm =
20 ciclos).
Pero si nosotros basamos nuestros ciclos de concentracin en los
TDS, la
alcalinidad en el interior de la caldera alcanzara los 1400 ppm
(70 ppm de
alcalinidad X 20 ciclos = 1400 ppm), se exceder el lmite de los
700. Por lo
tanto la purga en la caldera en este ejemplo deber de ser
realizada en base a
la alcalinidad y no en base a los TDS. Debe de ser obvio que es
mejor tener
menor purga en la caldera o mayor nmero de ciclos de
concentracin (la
purga se convierte en perdida de calor y energa) por lo tanto
en
algunas ocasiones un Dealcalinizador debe de ser empleado. La
reduccin de
la
alcalinidad puede hacer que el control de la purga y los ciclos
de concentracin
se realice en base a los niveles de TDS.
La dealcalinizacin es un proceso por el cual el agua suavizada
es pasada
hacia una unidad que contiene resina aninica. La resina aninica
remueve
aniones como sulfatos, nitratos, carbonatos y bicarbonatos,
estos aniones son
reemplazados por cloruros. Sal (cloruro de sodio) es empleada
para regenerar
la resina aninica cuando esta se satura. La necesidad de emplear
agua
suavizada en el equipo Dealcalinizador es por el peligro de
precipitacin de
carbonato de calcio y de hidroxido de magnesio en la cama
del
Dealcalinizador. Por lo cual, la cama de intercambio inico del
anin obstruir
con materia suspendida. Esto es por que la resina del
Dealcalinizador es mas
ligera que la convencional de un suavizador, por lo tanto el
retrolavado es
mucho menor y este es insuficiente para remover la materia
suspendida.
Emplear un suavizador como pre tratamiento sirve adems de
eliminar la
dureza del agua como proteccin al Dealcalinizador.
La concentracin permitida en el interior de la caldera de TDS al
igual que de
alcalinidad va disminuyendo a medida que la capacidad de las
caldera de
presin se va incrementando. Esto se puede observar en la Tabla A
incluida en
el sumario de calidad de agua.
3.4. Control de dureza total
La dureza del agua es debida principalmente a la presencia de
cationes de
calcio y magnesio. El fierro y el manganeso deberan ser
incluidos en la
definicin de dureza, pero debido a la cantidad de estos
constituyentes en la
mayora de las aguas crudas son pequeas, se considera solo los
cationes ya
citados. En la mayora de las aguas naturales el calcio excede al
magnesio
(generalmente la proporcin calcio magnesio es de 2:1).
Clasificacin ppm
Suave 0 75
Poco dura 75 150
Dura 150 300
Agua muy dura ms de 300
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Hasta ahora hemos descrito en pocas palabras lo correspondiente
a la
concentracin de TDS y alcalinidad dentro de la caldera, el
tratamiento y efecto
de la dureza total en el agua debe de ser revisada al
detalle.
La formacin de incrustacin en las superficies de la caldera es
el problema
mas serio encontrado en la generacin de vapor.
La primera causa de la formacin de incrustacin, es debido al
hecho de que
la solubilidad de las sales decrece a medida de que se
incrementa la
temperatura aumentando la facilidad de precipitacin.
Consecuentemente, la
alta temperatura (y presin) en la operacin de las calderas, las
sales se
vuelven mas insolubles, la precipitacin o incrustacin aparece.
Esta
incrustacin puede ser prevenida de ser formada en las calderas
mediante el
empleo de un tratamiento externo. (suavizador). Como sea para
alcanzar un
alto grado de eficiencia, se recomienda el control de la duraza
antes de entrar
a la caldera, el suavizador en si mismo es un medio muy adecuado
para
proteger a la caldera de incrustacin. El uso de tratamiento
internos (productos
qumicos), son empleados como complementos, para mantener un
control de la
incrustacin en la caldera altamente efectivo. En todos los
casos, se tendr un
pequeo remanente de dureza en el agua de alimentacin a la
caldera, incluso
en el agua suavizada, adems de encontrar otras sales presentes.
Por lo tanto
el uso productos qumicos para el tratamiento de la caldera es
necesario. La
presencia de incrustacin en la caldera es equivalente a extender
una pequea
capa de aislamiento a lo largo y en toda el rea de
calentamiento, esta
material aislante trmico va a retardar y/o impedir la
transferencia del calor,
causando prdidas de eficiencia en la caldera, por lo tanto
incrementa el
consumo de energa.
Adems, mas importante que el efecto de prdida en la
transferencia de calor
e incremento en consumo de energa, es que la incrustacin puede
causar un
sobre calentamiento en el metal de los tubos de la caldera,
generando fallas de
rompimiento en los tubos. Este problema requiere una costosa
reparacin
adems de tener que sacar a la caldera del servicio. En las
calderas modernas
con alta eficiencia de transferencia de calor, la presencia e
incluso
extremadamente delgada de incrustacin, puede causar una muy
seria
elevacin de la temperatura en los tubos de metal. La cubierta de
incrustacin
retarda el flujo de calor del horno hacia el agua para generar
vapor, esta
resistencia al calor resulta en un rpido incremento en la
temperatura del metal
al punto en donde se presenta la falla. El posible dao causado
en la caldera
no es solo costoso, adems es muy peligroso debido a que la
caldera opera a
presin.
3.5. Sumario de la calidad de agua
Se da a continuacin en resumen la calidad del agua en TDS
(slidos disueltos
totales) ,alcalinidad y dureza.
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totales) ,alcalinidad y dureza.
Slidos Disueltos Totales (TDS)
La concentracin mxima de TDS en una caldera de baja presin es
3500
ppm.
Alcalinidad
La concentracin mxima de alcalinidad en una caldera de baja
presin es
700 ppm.
Dureza
La dureza mxima permitida en cualquier caldera, debe de ser
prcticamente
cero ppm.
Obviamente en la presente tabla, se indica que a mayor presin en
una
caldera, el proceso y la necesidad de tener mejor calidad de
agua es
necesario.
4. Control del oxigeno disuelto
4.1. Objetivos del control del oxigeno disuelto
Los buenos resultados del tratamiento de agua en sistemas
cerrados como
calderas de vapor, sistemas de calentamiento y enfriamiento de
agua tienen
tres requerimientos fundamentales que deben ser conocidos:
La concentracin de oxigeno disuelto debe ser controlado para
reducir la
probable de clulas de oxigeno corrosivo y puede resultar
perforaciones en la
superficie.
El pH debe ser mantenido lo suficientemente alto para minimizar
la corrosin
general del acero, pero tampoco tan alto porque podra producirse
ataques
custicos.
Un sistema de tratamiento externo debe tener lugar para
minimizar el ingreso
de disueltos y slidos en suspensin y/o un sistema de tratamiento
interno
debe ser usado para el control de estas partculas.
El valor especificado por la mayora de fabricantes, la
concentracin de
oxigeno en el agua de alimentacin de calderas o sistemas
cerrados
calentamiento, enfriamiento deben ser mantenidos por debajo de 5
10 ppb.
Conseguir este bajo nivel de oxigeno debe de requerirse de la
combinacin de
mtodos mecnicos y qumicos.
4.2. Qumica del oxigeno disuelto
El oxigeno disuelto es una medida de la cantidad de oxigeno,
usualmente
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El oxigeno disuelto es una medida de la cantidad de oxigeno,
usualmente
considerado como un gas, que esta disuelto en un lquido tal como
el agua. El
oxigeno es esencial para la vida y es el elemento ms comn que
toma parte
en las reacciones qumicas. Es esta reaccin de corrosin que
abastece la
principal necesidad de rastrearlo por medio de los analizadores
de oxigeno
disuelto. El oxigeno disuelto puede ser considerado como el
sustento
necesario para los procesos de corrosin a comenzar.
El oxigeno el altamente corrosivo cuando esta disuelto en
agua.
Mecnicamente los depsitos de xidos de metal duros y porosos
tiene
pequea fuerza y forma rpidamente la presencia de agua y oxigeno,
el
aspecto ms serio de la corrosin de oxigeno es que ocurre clulas
que
pueden producir perforaciones (concavidades). La perforacin
(concavidad) es
una concentraciones de corrosin en una pequea rea del total de
la
superficie del metal que efectivamente taladra un pequeo xido de
metal
llenado en el metal. El hoyo perforado que puede producir fallas
aun solo
cuando una cantidad de metal ha sido perdida y la proporcin de
corrosin es
baja. La corrosin progresar dentro de la caldera de vapor de uso
industrial a
menos que el oxigeno disuelto pueda ser virtualmente eliminado.
No controlar
eventualmente resulta reparaciones costosas o equipos fallados y
reemplazos
consecuentes.
4.3. Extraccin del oxigeno disuelto
La extraccin en sistemas de vapor y agua es de muy importancia.
El primer
paso es tpicamente por desaireacin mecnica que es econmico y
abastece
la eliminacin de otros gases corrosivos tales como el dixido de
carbono y el
amoniaco.
El otro sera a travs del uso de la desaireacin qumica utilizando
elementos
qumicos (secuestrantes qumicos), que resulta un incremento de
costos ya que
su forma de eliminacin es a travs de purgas continuas. Esto se
realiza por
medio de monitoreos, equipos diseados para monitorear
continuamente las
partes por milln (ppm) de oxigeno disuelto, dixido de carbono y
otros gases;
el rango depender de cada tipo de equipo permitiendo el control
en el
condensador, vlvulas y accesorios.
El rango del sensor de medida del oxigeno disuelto es una
clula
electroqumica similar a una batera que produce una corriente
elctrica cuando
el oxigeno esta presente. Con el uso apropiado del electrodo
seleccionado en
contacto con un electrolito se produce una reaccin qumica que
usa los
electrones de las molculas de oxigeno producido por una
corriente galvnica
directamente proporcional a la concentracin de oxigeno
presente.
4.4. Medicin de las ppm del oxigeno disuelto
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5. Desaireacin
Desaireacin o desgasificacin?
Suelen usarse estos trminos para definir el equipo que elimina
los gases
disueltos en el agua para alimentacin de calderas.
Sin embargo, para clasificar el uso del equipo se emplea:
DESAIREADOR O DESAIREADOR CALENTADOR, cuando se trata de
eliminar tanto oxigeno como el dixido de carbono mediante por
calentamiento
por vapor.
DESGAFISICADOR, es el trmino usado para el equipo que elimina
solo
dixido de carbono y que va instalado entre los......
Se conocen como desairadores aquellos dispositivos mecnicos
empleados
para liberar los gases contenidos en el agua de alimentacin
(aire, oxigeno,
anhdrido carbnico y otros gases).
Su funcionamiento consiste en dividir el agua de alimentacin en
finas gotitas,
calentndolas a continuacin para transformarlas en vapor dentro
del
desaireador y separar el aire, el anhdrido carbnico y otros
gases del vapor a
medida que este se va condensando. En los desaireadores el
fluido calorfico
acostumbra ser el vapor, a presiones comprendidas entre valores
altos hasta
otros inferiores a la presin atmosfrica.
Un calentador de agua de alimentacin del tipo abierto o de
contacto directo
puede desempear la funcin de desaireador con tal de que el agua
se
caliente a una temperatura suficientemente alta para que se
desprendan los
gases contenidos en ella, las cuales se hacen salir por el
purgador del
calentador.
Los desaireadores mas modernos son calentadores de agua de
alimentacin
del tipo de contacto directo. Estos aparatos pueden construirse
para producir
agua con contenidos muy bajos de oxigeno y otros gases.
La distincin entre u desaireador propiamente tal y un calentador
de agua de
alimentacin del tipo de contacto directo, que acte de
desaireador, esta en el
bajo contenido de oxigeno producido por este ltimo.
Los equipos desaireadores del agua de alimentacin de las
centrales trmicas
pueden ser del tipo de bandeja y del tipo de atomizacin. Algunas
veces se
desgasifican aguas muy corrosivas sometindolas en fro a
presiones
absolutas muy bajas. Para el servicio de agua caliente de los
edificios la
desgasificacin puede llevarse a cabo por calentamiento si que el
agua y el
vapor entren en contacto.
Un precalentador de agua de alimentacin del tipo de mezcla o de
contacto
directo pueden realizar la funcin de desgasificador, con tal de
que el agua se
calienta a una temperatura suficientemente alta para que se
desprenda los
gases contenidas en ella. Realmente, los desgasificadores
modernos son
precalentadores del agua de alimentacin, del tipo de contacto
directo.
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5.1. Generalidades
Despus del pretratamiento, se debe desairear el agua del sistema
de
suministro. La desaireacin mecnica elimina gases del agua,
principalmente
el oxigeno, reducindolo a un nivel aceptable (0.005 a 0.040 ppm
dependiendo
del equipo usado), para poder utilizar el agua en el sistema de
la caldera. Se
trata de eliminar tanto oxigeno como sea posible, debido a sus
propiedades
fuertemente corrosivas.
El oxigeno es un elemento muy activo. En pequeas cantidades
puede causar
corrosin grave en las lneas de suministro, economizadores,
partes internas
de l a caldera, equipos movidos por vapor y tuberas de retorno
del
condensado. La velocidad de corrosin del oxigeno disuelto en el
agua se
duplica por cada 10C (18F) de aumento de temperatura. Cuando el
oxigeno
y el dixido de carbono se encuentran juntos, la velocidad de
corrosin
resultante puede ser de 10 a 14 % mayor que la suma de
velocidades de
corrosin de los dos gases actuando por separado. La combinacin
de
oxigeno y amoniaco es muy corrosiva para las aleaciones a base
de cobre.
5.2. Mecanismos de corrosin
La corrosin es un proceso electroqumico. El hierro se disuelve
en los nodos,
desprendiendo electrones que son consumidos por el oxigeno en el
ctodo
(Ver en la figura). A un pH de aproximadamente 7,0, las
reacciones de la mitad
de la pila son como sigue:
Figura Mecanismo de una pila de corrosin.
La penetracin en el rea andica depende del tamao relativo de las
reas
catdicas y andicas. Por ejemplo, con un rea andica pequea y un
rea
catdica grande, se produce una disolucin concentrada del hierro
en el nodo
para proveer de electrones al ctodo ms grande. El resultado es
una picadura
profunda en el nodo. Las condiciones que favorecen la formacin
de reas
andicas relativamente pequeas son: diferenciales de concentracin
de
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oxigeno bajo reas de acumulacin de lodos, fatiga localizada y
roturas en la
capa pasiva de magnetita de la superficie del acero.
La figura muestra la corrosin de oxigeno localizada bajo un
tubrculo tpico.
La figura muestra la picadura de una superficie metlica similar,
despus de
retirar todos los fangos y xido el hierro acumulados.
5.3. Desaireacin mecnica
La desaireacin mecnica es la reduccin fsica de gases disueltos
en el
agua. La meta principal es eliminar oxigeno (O2) del suministro
de agua de la
caldera, pero tambin el dixido de carbono (CO2) y el amoniaco
(NH3) se
pueden reducir por desaireacin.
5.3.1. Consideraciones fisicoqumicas
La desaireacin mecnica esta influida por las siguientes
consideraciones
fisicoqumicas:
Ionizacin.- El grado de desaireacin posible para los gases
depende del
estado de ionizacin de dichos gases. El oxigeno no se ioniza,
por eso se
elimina fcilmente. El dixido de carbono y el amoniaco se
ionizan, como
muestran las ecuaciones siguientes:
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3
NH3 + H2O NH4OH NH4+ + OH
Solo se pueden eliminar la parte de los gases (CO2 y NH3) que
permanece en
forma molecular, no ionizada. Sin embargo, puesto que la
ionizacin es un
estado de equilibrio, aadiendo cidos minerales al cido carbnico
y un alcal
al amoniaco, este equilibrio se desplazar para formar CO2 y
NH3.
As, un desgasificador situado despus de un intercambio catinico
que
funciona en el ciclo de Hidrgeno, puede reducir la alcalinidad
de carbonato
eliminando el CO2 del agua de proceso. Esta operacin es bastante
eficiente
y reduce el hasta 5 a 10 ppm en una unidad del tipo soplador, y
hasta
prcticamente 0 ppm en una unidad de vaco. Si se conectar el
desgasificador antes de que el agua fuera acidificada por el
intercambiador
catinico con ciclo de hidrgeno, la eficiencia de eliminacin sera
muy
deficiente.
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Figura - Equilibrio entre el O2 del aire y el O2 del agua
Presin parcial relativa.- El agua solo disolver un gas libre (no
ionizado) hasta
el punto en el cual se alcance una presin de equilibrio entre la
presin parcial
del gas en el agua y la presin parcial del gas en la atmsfera
circundante.
El aire contiene 29% de oxigeno y 71% de nitrgeno. La presin
parcial
ejercida por el oxigeno en el aire es 1/5 de la atmosfrica (21%
/ 100%). Por lo
tanto, el agua rodeada de aire disolver oxigeno hasta el punto
en el cual el
oxigeno del agua ejerza una presin parcial de 1/5 de la
atmosfrica (Figura)
Figura Desplazamiento del equilibrio
Como muestra la figura, a 21C (70F) y a la presin atmosfrica,
esto
equivale a 9 ppm aproximadamente de oxigeno. En la
desgasificacin, el
equilibrio entre el oxigeno del agua y de la atmsfera
circundante se altera
deliberadamente. Esto se consigue rodeando el agua con una
atmsfera de
vapor que contiene poco o ningn oxigeno.
Temperatura.- A medida que se eleva la temperatura del agua
hasta su punto
de saturacin (ebullicin), todos los gases libres (no ionizados)
tericamente
se hacen insolubles. La figura xx describe grficamente la
solubilidad del
oxigeno en funcin de la temperatura. En la prctica la eliminacin
de los
gases no ocurre. Si el agua en la fase lquida coexiste con agua
en estado de
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gases no ocurre. Si el agua en la fase lquida coexiste con agua
en estado de
vapor, el lquido estar ligeramente ms fro que el vapor. Como
resultado,
algunos gases permanecen disueltos en la fase acuosa.
Figura xx solubilidad del oxigeno en agua pura
Agitacin.- Se puede efectuar una eliminacin ms completa de los
gases
atrapados descomponiendo la corriente en gotitas pequeas e
impidiendo que
estas gotitas se aglomeren. Las gotitas se pueden calentar ms
fcilmente; la
interfase vapor/lquido se romper repetidamente, reduciendo por
tanto la
tendencia de los gases a permanecer disueltos en la fase lquida
ms fra. En
una gotita pequea, los gases atrapados tienen que recorrer una
distancia
menor para salir del agua. El vapor puede lavar con ms
efectividad las
gotitas. Finalmente, al romperse y reformarse continuamente las
gotitas de
agua, los gases atrapados tendrn mayor tendencia a desprenderse
del agua
(figura)
Figura Eliminacin de gas de las gotitas de agua
Extraccin del gas.- Los gases desprendidos del agua tiene que
ser extraidos
fsicamente, o se disolvern otra vez. Esto se consigue haciendo
pasar vapor
sobre las gotitas y alejando el vapor cargado de oxigeno del
agua desaireada.
5.3.2. Principios de la desaireacin mecnica
Una unidad efectiva de desaireacin tiene que lograr lo
siguiente:
1. Calentar el suministro de agua a la temperatura
correspondiente a la presin
de vapor dentro de la unidad.
2. Hervir y lavar vigorosamente el agua calentada con vapor
libre de oxigeno
que elimine cualquier traza restante de oxigeno y otros gases
no
condensables.
3. Mantener las presiones parciales de oxigeno y dixido de
carbono a los
niveles ms bajos posibles en los lugares donde la atmsfera de
vapor haga
contacto con el agua, especialmente donde el agua desaireada se
separa del
vapor.
4. Retirar continuamente los gases no condensables del espacio
interior del
desaireador, mediante procedimientos adecuados de
ventilacin.
5.3.3. Tipos de desaireadores mecnicas
Los equipos de desaireacin estn diseados para calentar el agua a
la
temperatura del vapor saturado a la presin dentro del
desaireador y para
reducir el oxigeno del suministro de agua hasta 0,007 0.04 ppm.
Si el
calentador esta garantizado para reducir el oxigeno del agua
hasta 0,007 ppm
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calentador esta garantizado para reducir el oxigeno del agua
hasta 0,007 ppm
o menos, se conoce comnmente como desaireador. Si slo est
garantizado
para reducir el oxigeno hasta 0,04 ppm, se denomina calentador
de
desaireacin. Los desaireadores pueden ser de tipo pulverizador,
bandeja o
atomizador.
5.3.3.1. Desaireador pulverizador
La figura xx muestra un desaireador tpico tipo pulverizador. El
suministro de
agua entra en el sector calentador de primera fase por las
vlvulas
vaporizadoras de resorte. Estas vlvulas aumentan el rea
superficial del agua
que entra al recipiente, mejorando la transferencia de calor y
la emisin al
sector calentador de primera fase viene de la seccin de lavado
de segunda
fase y contiene trazas de oxigeno. El agua que entra es
calentada rpidamente
y ms del 95% de los gases no condensables pasan a la atmsfera,
junto con
una pequea cantidad de vapor. La mayora del vapor que entra en
esta
seccin se condensa al calentarse el agua de suministro.
El agua de reposicin que sale del sector calentador de primera
fase contiene
solamente trazas de oxigeno y gases no condensables. Entra en la
seccin de
lavado de segunda fase, donde se mezcla ntimamente y
enrgicamente con un
gran exceso de vapor sin oxigeno que entra a esta fase. En esta
fase se
calienta ms el agua hasta que la diferencia entre su temperatura
y la del vapor
que entra no es ms de 0,6 a 2C (1 a 4F). A medida que el vapor y
el agua
asciende por esta seccin de lavado con deflectores, la presin
reducida hace
que el agua suministrada calentada empiece a hervir. Esta seccin
violenta
separa las molculas restantes de gas del agua y el flujo de
vapor las arrastra
a la seccin de calentamiento de primera fase. Ahora el agua
totalmente
desaireada cae a la seccin de almacenaje.
Figura Calentador de desaireacin tipo pulverizador.
5.3.3.2. Desaireador de bandeja
La figura xx muestra un desaireador de bandeja. En esta unidad,
el agua es
pulverizada en la seccin de desaireaccin de la misma manera que
en la
unidad tipo pulverizador. Tambin aqu el agua se caliente hasta
que su
temperatura no se diferencia de la del vapor ms de 0,6 a 2C (1 a
4F),
eliminndose aproximadamente el 95% del oxigeno y del dixido de
carbono
libres.
A continuacin el agua cae sobre una serie de bateas distribuidas
y despus
cae uniformemente sobre las series de bandejas colocadas
directamente
debajo. El agua cae en cascada por las series de bandeja
formando pelculas
delgadas y uniformes. El vapor libre de gases entra en el
calentador al nivel
ms bajo de las bandejas donde se pone en contacto con el agua
desaireada.
El vapor circula entonces a travs de las bandejas, removiendo
las trazas
finales de los gases no condensables. Entonces asciende a la
prxima
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bandeja superior, donde de nuevo circula a travs de las mismas.
Este
proceso se repite en cada nivel de bandejas.
Finalmente el vapor sube hasta la seccin del precalentador,
acarreando todas
las trazas de gases residuales. La mezcla de vapor y gases no
condensables
pasa al condensador con respiradero, donde la mayor parte del
vapor se
condensa y cae de nuevo a los colectores de distribucin.
Figura Calentador de desaireacin tipo bandeja.
5.3.3.3. Desaireador atomizador
La figura xx, muestra un desaireador tpico tipo atomizador. El
agua pasa
primero por el condensador con respiradero, despus entra en la
cmara de
calentamiento donde es pulverizada en una atmsfera de vapor.
La pulverizacin se consigue en las vlvulas de resorte que
distribuye el agua
en forma de partculas pequeas de tamao uniforme, hasta que
su
temperatura no se diferencia de la del vapor ms de 1,1 a 1,7C (2
a 3F).
Esta agua precalentada se dirige ahora al atomizador y cae sobre
el chorro de
vapor a alta velocidad, que la atomiza en partculas
infinitesimales o neblina
pesada. Al salir del atomizador, el agua desaireada cae a la
seccin de
almacenaje donde permanece disponible para su uso como
suministro de la
caldera o del proceso.
El vapor entra al principio en el equipo por el atomizador y
adquiere gran
velocidad al pasar por una abertura limitada. Despus de
atomizar
completamente el agua precalentada, el vapor circula por la
seccin de
calentamiento donde es calentado prcticamente en su totalidad.
Una pequea
cantidad (aprox. De 1 a 2%) pasa al condensador con respiradero
con los
gases atrapados de oxigeno y dixido de carbono. All el vapor se
condensa y
los gases no condensables salen a la atmsfera. El vapor
condensado
contiene algo de oxigeno y dixido de carbono que entran de nuevo
a la
solucin en el condensador con respiradero. Este condensado pasa
a la
seccin de calentamiento para ser completamente desaireado al
pasar sobre
el atomizador.
Figura Calentador de desaireacin tipo atomizador.
5.4. Desaireacion qumica
La desaireacin mecnica puede reducir el nivel de oxigeno a menos
de 0.007
ppm. Sin embargo, teniendo en cuenta el potencial corrosivo del
oxigeno, es
mejor eliminar todas las trazas del mismo. Esto se consigue con
eliminadores
qumicos que reaccionan con el oxigeno libre, formando compuestos
oxidados
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inofensivos. Los productos de la reaccin se retiran despus
purgando la
caldera o ventilando el sistema.
Hay un nmero de especies qumicas que rpidamente reaccionan con
el
oxigeno, varios de estos son adecuados para actuar como un
oxigeno
rastreador. Esto dentro de dos categoras que son los sulfitos y
las bases
dbiles, incluyendo la hidracina y sus sustitutos.
5.4.1. Eliminadores qumicos del oxigeno
La eliminacin de oxigeno es la reaccin directa o indirecta entre
las
molculas de oxigeno contenidas en el agua de suministro o de la
caldera y el
compuesto qumico eliminador. Estos eliminadores son agentes
reductores
que reaccionan directamente con el oxigeno. Los productos de
reaccin se
extraen el sistema de purga o de ventilacin de la caldera. La
eliminacin
qumica del oxigeno es la ltima oportunidad para impedir que
entre oxigeno
en la caldera.
Sulfito sdico
Para muchas aplicaciones de calderas industriales, el sulfito
sdico constituye
un eliminador de oxigeno fcilmente controlable. La tabla muestra
los sulfitos
residuales tpicos del agua de caldera transportados a diversos
presiones de
operacin.
El sulfito sdico (Na2SO3) reacciona directamente con el oxigeno
disuelto.
2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4
Hacen falta aproximadamente 8 ppm de sulfito sdico puro
reaccionar con 1
ppm de oxigeno disuelto.
Tabla Sulfitos residuales del agua de la caldera recomendados
para la
eliminacin con oxigeno a diversas presiones de operacin.
Presin de la Caldera
bares (PSI) Residuales de SO2-2
ppm
10 (150)
20 (300)
40 (600)
60 (900)
80 (1200)
100 (1500) 30 a 50
30 a 40
20 a 30
10 a 15
no se recomienda
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no se recomienda
no se recomienda
El sulfito puede estar catalizado o sin catalizar. Las pruebas a
temperatura
ambiente indican que, con un catalizador adecuado, el sulfito
sdico reduce el
contenido de oxigeno del agua desde la saturacin a cero en menos
de 30
segundos. En las mismas condiciones, el sulfito sdico ordinario
reduce el
contenido de oxigeno solamente en un 30% aproximadamente en 10
minutos.
Las velocidades de reaccin del sulfito sdico, catalizado o sin
catalizar,
aumentan con la temperatur. Incluso a las temperaturas de salida
tpicas de un
calentador de desaireacin de 99 a 120C (210 a 250F), el sulfito
catalizado
es preferible al sulfito sin catalizar para los tiempos de
reaccin tan cortos de
que se dispone en los sistemas de suminsitro de agua de las
calderas.
El tiempo de reaccin es muy importante. La reaccin corrosiva del
oxigeno
con superficies de acero mojadas a las temperaturas del agua de
suministro
superiores a 150C (300F) ser ms rpida que las reacciones entre
el sulfito
y el oxigeno. Es imperativo eliminar el oxigeno antes de que el
agua de
suministro llegue a los calentadores a alta temperatura, a los
economizadores
o al metal de la misma caldera. Para evitar el paso del oxigeno
corrosivo al
vapor, hay que desactivar el oxigeno qumicamente antes de que el
agua de
suministro entre en el tambor de la caldera.
La sal de cobalto, un catalizador comn, acelera la reaccin del
sulfito a baja
temperatura. Este catalizador tiene la desventaja de que se
puede desactivar o
precipitar en presencia de fosfatos, quelatos o soluciones con
un pH de 9 a
ms.
Los siguientes son algunas de las desventajas asociadas con el
uso del sulfito
sdico:
El sulfito sdico aade slidos al agua de la caldera. Esto puede
aumentar la
cantidad de purga necesaria. La purga es una prdida directa de
energa y
aumenta los costos de tratamiento del agua, literalmente es
dinero que se va
por el desage.
El sulfito sdico no se puede usar en la atemperacin por rociado
porque los
slidos aportados por el sulfito se depositan en el
supercalentador y la turbina.
Adems, puesto que hay que introducir el sulfito sdico despus del
punto de
salida de la atemperacin, todos los componentes situados aguas
arriba de
este punto sufriran la corrosin por oxigeno que exige costosas
reparaciones.
Aunque se recomienda el uso del sulfito sdico en unidades de 100
Kg/cm2
(1500 PSI), la descomposicin del sulfito comienza a 40 Kg/cm2
(600 PSI)
aproximadamente y alcanza valores considerables para la pureza
del vapor a
60 Kg/cm2 (900 PSI). Los productos de descomposicin son H2S y
SO2, los
cuales son gases corrosivos a menos que se neutralicen
rpidamente.
El sulfito sdico acta principalmente como eliminador de
oxigeno;
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El sulfito sdico acta principalmente como eliminador de
oxigeno;
generalmente no esta reconocido como agente de pasivacin.
Adems, no se recomienda el sulfito sdico (ni el bisulfito sdico
lquido) para
las aplicaciones siguientes:
Sistemas de calderas con programas de fosfatos coordinados.
Sistemas de condensado. El sulfito no es voltil y aade slidos
al
condensado.
Calderas paradas con supercalentadores sin drenaje. El sulfito
aade slidos
al agua, causando depsitos en el supercalentador.
El sulfito como eliminador de oxigeno en el agua de suministro
es una prctica
extendida en la industria que no suele causar problemas, cuando
se siguen las
directrices establecidas.
Hidracina
La hidracina (N2H4) se puede usar a todas las presiones de
operacin y
cuando se usa el agua de suministro pata atemperar el vapor. La
hidracina
reacciona directamente con el oxigeno como sigue:
N2H4 + O2 2 H2O + N2
La reaccin directa con el oxigeno prosigue con la relativa
lentitud a
temperaturas inferiores a 150C (300F). Sin embargo, la velocidad
es muy
sensible a la presencia de catalizadores homogneos
(solubles)y
heterogneos (insolubles). Por ejemplo, la reaccin de la
hidracina con el
oxigeno puede proseguir a una velocidad aceptable a temperaturas
tan bajas
como 65C (150F) en presencia de catalizadores heterogneos tales
como
superficies de acero dulce o cobre. Un mecanismo propuesto para
esta
catlisis sigue estas reacciones generales:
4 Fe3O4 + O2 6 Fe2O3
6 Fe2O3 + N2H4 4 Fe3O4 + 2 H2O + N2
En presencia del cobre o de sus aleaciones, la reaccin sera:
2 Cu2O + O2 4 CuO
4 CuO + N2H4 2 Cu2O + 2 H2O + N2
A temperaturas del agua o del vapor de la caldera superiores a
260C (500F),
la hidracina se descompone formando amoniaco, nitrgeno y a
veces
hidrgeno por medio de una de las reacciones siguientes a de
ambas:
3 N2H4 + calor 4 NH3 + N2
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N2H4 + calor N2 + 2 H2
La hidracina tambin fomenta la pasivacin del metal hasta cierto
punto.
Existe hidracina en forma catalizada. Las pruebas realizadas han
demostrado
que la hidracina catalizada es un eliminador de oxigeno ms
eficaz a
temperaturas bastante inferiores a las normales en el agua de
suministro de la
caldera, pero no muestra ninguna ventaja significativa a
temperaturas
elevadas.
La hidracina tambin tiene desventajas:
Uno de los productos de descomposicin de la hidracina es el
amoniaco
(NH3). El amoniaco a concentraciones superiores a 0,3 ppm ataca
las
aleaciones de cobre en presencia del oxigeno.
Se sospecha que la hidracina es carcinognica para los seres
humanos; por
lo tanto se debe evitar la exposicin tanto como sea posible.
Para ello hay que
usar sistemas cerrados de suministro. Los estudios realizados
muestran que
cuando se manipula la hidracina en sistemas cerrados o
ventilados, se pueden
controlar las concentraciones hasta menos de 0,1 ppm en el
aire.
A bajas temperaturas, la hidracina reacciona lentamente. Si,
como en el caso
de algunas centrales trmicas, se suministra la hidracina al pozo
de
condensado, se necesitan dosis muy altas para proteger
totalmente el sistema.
La reaccin lenta implica la posibilidad de ataque por oxigeno,
incluso con la
hidracina introducida en el sistema.
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