Tratamiento de aguas de calderas

Las especificaciones y tratamiento, así como las pruebas del agua, están siendo lle­vados a cabo por compañías especializadas en tratamiento que trabajan con los ope­radores de las plantas de calderas. Hay un papel complementario para ambos con el fin de resolver los problemas que afectan al agua de calderas, de forma que las calderas puedan operarse con seguridad, eficiencia y de forma continua cuando se precise.
Los problemas del agua de calderas pueden producir incrustaciones, corrosión, natas y espumas, arrastres, corrosión por tensiones y fragilidad en la caldera o en la maquinaria conectada que use vapor, como los turbogeneradores. Muchos alabes de turbinas de vapor que fallan pueden investigarse por las condiciones de vapor. Como resultado hay un aumento continuo de las concentraciones permisibles de impurezas en el vapor que va a una turbina, y esto produce un aumento de productos químicos aplicados al agua de calderas. Existen también cambios y mejoras tecnológicas nue­vas así como mejores productos químicos para eliminar las concentraciones de im­purezas en el agua de calderas. Esto significa que los operarios deben estar alerta con respecto a los diversos métodos y situaciones que ahora y en el futuro estén disponibles para resolver los problemas del agua de calderas.

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS BÁSICAS DEL AGUA

Definiciones aplicables a la química del agua:

Ø      Ácido: compuesto que comporta iones hidrógeno, como el ácido sulfúrico.

Ø      Álcali: sustancia o sal que neutralizaría un ácido.

Ø      Base: compuesto que puede reaccionar con los ácidos para formar sales y en solución acuosa produce iones oxhidrilo.

Ø      Coloide: sustancia gelatinosa que parece estar en disolución, pero realmente está en suspensión., está formada de partículas muy finas.

Ø      Concentración: esto es aplicable a las soluciones y expresa la relación de la sustancia disuelta con la cantidad de agua, normalmente expresada como una relación en peso.

Ø      Corrosión: acción química de un metal que se combina y forma un óxido por la acción del oxígeno, o bien de un ácido o álcali sobre el metal.

Ø      Grano: unidad de peso que se utiliza en tratamiento de aguas, donde 7.000 granos igual a 1 libra.

Ø      Dureza: es una medida de las cantidades de compuestos de calcio y magnesio en solución acuosa, ya que la acción de estos compuestos forma un producto insoluble o incrustación en el agua.

Ø      Ion hidrógeno: es un ion formado por hidrógeno con símbolo H^-, que forma un ácido cuando se combina con ciertas impurezas del agua.

Ø      Ion oxhidrilo: éste tiene el símbolo OH^-  y forma una base compuesta cuando se combina con alguna impureza del agua.

Ø      Ionización del agua: la rotura de una molécula de agua en iones hidrógeno y oxhidrilo con el proceso de reacción aumentado con el incremento de temperatura del agua.

Ø      Óxido: combinación química del oxígeno con un metal para formar un óxido metálico, como óxido de hierro, normalmente llamado herrumbre.

Ø      Partes por millón o ppm: es una medida de la cantidad de impurezas sobre una base en peso de un millón de libras (o kg) de agua. También se utiliza granos por galón = 17,1 ppm; o bien miligramos por litro, mg/L.

Ø      pH: es una medida de la concentración de iones hidrógeno para medir la acidez o alcalinidad relativa de una solución. Es el logaritmo en base 10 de la inversa de la concentración del ion hidrógeno, con 7 como neutro. Por debajo de 7 la solución es acida; por encima, es básica.

Ø      Precipitados: sustancia sólida que se separa de una solución por reacción química en la solución.

Ø      Reactivo: una sustancia de composición conocida que se utiliza para la detección y medida de otra sustancia desconocida.

Ø      Sales: son aquellas sustancias que en solución forman iones distintos del hidrógeno y del oxhidrilo. Son también el producto de un ácido y una base combinados o un ácido y ciertos metales químicamente activos.

Ø      Incrustación: un depósito adherente sobre una superficie metálica de la caldera, producido principalmente por impurezas que precipitan fuera del agua y cementan sobre el metal a medida que la temperatura sube en la caldera.

Ø      Soluble: capacidad de una sustancia para entrar en disolución.

Ø      Condensado: vapor que se ha condensado en el bucle de vapor y ha retornado al sistema de caldera.

Ø      Agua de aportación: agua que debe ser rellenada en el sistema de caldera como resultado de pérdidas, purga y gasto de vapor de proceso.

Ø      Agua de alimentación: la combinación de condensado y agua de aportación que se suministra a la caldera para evaporación.

Ø      Purga: la sangría o sangrado de una parte del agua de la caldera para la eliminación de sólidos en suspensión.

Ø      Afinado del condensado: es la purificación del condensado retornado al pasarlo a través de desmineralizadores.

    El tratamiento del agua de caldera es un problema que requiere control periódico del agua y un tratamiento acorde a la variación de sus condiciones. Hay un número de laboratorios reputados preparados para equipar pequeñas o grandes plantas con kits de pruebas adecuadas para suministrar o señalar el tratamiento adecuado indicado por las pruebas.

Pruebas químicas: El mínimo de pruebas químicas normalmente prescritas para calderas de alta presión depende, de la relación del agua de aportación al condensado para elaborar el agua de alimentación de caldera, así como el tratamiento a usar especificado por los especialistas de tratamiento de aguas. A efectos informativos, se dan aquí algunos tests y su objeto:

Ø      Prueba de acidez o alcalinidad: ésta se utiliza para controlar la corrosión y también la incrustación usando los valores obtenidos al calcular la cantidad de álcali a añadirse a un agua bruta acida, o la cantidad de cal y sosa que puede necesitarse en un desendurecedor de cal y sosa.

Ø      Prueba de dureza, calcio y magnesio: una medida de calcio y magnesio es una medida de la dureza del agua bruta y blanda y del agua de alimentación. La dureza produce incrustación en una caldera y además los valores obtenidos de calcio y magnesio pueden utilizarse para determinar la cantidad de cal y sosa que necesita añadirse al agua de caldera, y así controlar la formación de incrustaciones.    

Ø      Prueba del hidróxido: la cantidad de hidróxido en el agua de caldera se determina para controlar la corrosión, fragilidad, arrastres o indirectamente el control de incrustación. El hidróxido debe mantenerse a un nivel suficientemente, bajo para que el arrastre no tenga lugar como formación de espu­mas y para evitar puntos de concentración de tensiones que ataquen al acero, así como para evitar la fragilidad del acero en zonas muertas de circulación. Las concentraciones de hidróxido se usan también para convertir la dureza que podría formar incrustación en lodos que pueden purgarse fuera de la caldera.

Ø      Prueba del fosfato: la concentración de fosfatos se controla para producir incrustaciones solubles que pueden purgarse fuera de la caldera. La concentración de fosfato se mantiene también de modo que exista una relación entre fosfato y pH o alcalinidad en el agua de la caldera, de forma que no haya hidróxido libre presente y así evitar la fragilidad.           

Ø      Prueba del sulfito: La concentración de sulfito, si está ligeramente en exceso, se combinará con el oxígeno disuelto en el agua y así evitará la corrosión. El tratamiento de sulfito no se recomienda para calderas con presiones de calderín por encima de 1.600 psig (112 Kg/cm²), porque las reacciones químicas pueden ser peligrosas a presiones más elevadas.

Ø      Prueba del hierro: este test, se utiliza para determinar si el retorno de condensado tiene exceso de óxido de hierro o herrumbre proveniente de las tuberías anexas y maquinaria de utilización del vapor. El término erosión por partículas sólidas ha venido utilizándose porque la mayoría del hierro está en forma de partículas y no disuelto en agua. Los filtros de membrana son utilizados para aproximar la concentración en el agua.

Ø      Prueba del cobre: similar efecto a la del hierro, pero la fuente es normal­mente los intercambiadores o equipos de bombeo con piezas de cobre. Las reparaciones que sustituyen el cobre pueden reducir la fuente de este con­taminante.

Ø      Prueba de conductividad eléctrica: este test determina la cantidad de sólidos presentes en el agua y se utiliza para el control de purga. Si se usa sobre los retornos de condensados, puede utilizarse para detectar fugas de agua bruta de los condensadores e intercambiadores de calor hacia el condensado, instituyéndose así acciones correctivas antes de que se produzcan daños mayores.

Hay cinco pasos posibles necesarios en el tratamiento de aguas dependiendo del suministro, presión, extensión del agua de aportación y condiciones similares: 

(1) pretratamiento del suministro de agua bruta.
(2) tratamiento del agua de aporta­ción que va a la caldera.
(3) tratamiento interno del agua en la caldera.
(4) tratamiento del condensado que está siendo retornado a la caldera.
(5) control de purga para eliminación de los iodos precipitados en la caldera.

El análisis de una muestra de agua es el proceso de hallar qué cantidades de impu­rezas y otras sustancias químicas están presentes en el agua. Los resultados se expre­san normalmente en ppm (partes por millón) y se tabulan como se muestra en la Figura 13.1. Las partes por millón son una medida de proporción en peso, como una libra (kg) en un millón de libras (kg). Los granos por galón es otro medio de expresión de la cantidad presente de una sustancia. Un grano por galón equivale a 17,1 ppm.

Sin importar las características químicas de las impurezas, son posibles cuatro casos distintos:

1.    Si las impurezas es un sólido soluble, aparece en estado de disolución o en solución con el agua.

2.    Si el sólido no es soluble en agua, no está en solución sino en estado de suspensión.

3.    Aquellas impurezas de naturaleza gaseosa que son parcialmente solubles están en estado de absorción en el agua.

4.    Las soluciones coloidales tienen partículas en suspensión, entre ellas las que están en estado de disolución y las que están en suspensión. Los coloides se definen como aquellas partículas menores de 0,2 micrómetros (mm) y mayo. res que 0,001 micrómetros (1 micra = 0,001 mm = 10^-6 m). Las partículas menores, de 0,001 mieras se consideran en solución (disueltas).

Figura 13.1.   El tratamiento de aguas requiere análisis periódicos del agua de caldera con un listado de datos de impurezas, de forma que el tratamiento se puede determinar o ajustar.

ELEMENTOS QUÍMICOS Y ECUACIONES DE REACCIÓN

Muchos problemas de la química del agua implican los siguientes elementos, normalmente encontrados en esa química:

La valencia se define por los químicos como el número de un elemento que representa la capacidad de su peso atómico para combinar con, o desplazar, los pesos atómicos de otros elementos. Además se define como valencia de un ele­mento el número de átomos de hidrógeno o de cloro con los que el átomo de un elemento puede combinarse o desplazar. El hidrógeno se toma como referencia o estándar, con valencia 1. Los ácidos se comportan como si estuvieran compuestos por dos radicales, el hidrógeno y el radical tal como SO₄, NO₃ y PO₄, para el ácido sulfúrico, nítrico y fosfórico, respectivamente. La fórmula para el ácido sulfúrico es HSO_3, por tanto, el radical SO₄ tiene una valencia de dos, ya que toma dos átomos de hidrógeno para combinarse con el radical. Para el ácido nítrico, HNO₃, el radical NO₃ tiene valencia uno ya que combina con un átomo de hidrógeno para formar HNO₃. La fórmula del ácido fosfórico es H₃P0₄; por tanto, el radical PO₄ tendrá valencia de tres. El calcio tiene una valencia de dos y combina con el ra­dical C0₃ para, formar la incrustación de CaCO_3, por tanto, el radical de CO₃ ten­drá una valencia de dos. El mejor modo de recordar la valencia de un elemento es recordar la fórmula de un compuesto que contenga el elemento. Por ejemplo, el oxígeno tiene una valencia de dos. ¿Cuál es la valencia para el silicio en el com­puesto SiO₂? Como la valencia total de los dos átomos de oxígeno es: 2 x 2 = 4, entonces, ésta es la valencia del silicio.

Muchos elementos presentan más de una valencia. Así, el hierro puede formar cloruro ferroso, FeCl₂, con una valencia de dos ya que el cloro tiene una valencia de 1. Para el cloruro férrico, FeCl₃, la valencia del hierro sería de tres.

La valencia se utiliza en el cálculo de ppm de iones en términos de carbonato cálcico analizando una muestra de agua. Los químicos utilizan esto para calcular las cantidades de reactivos químicos en una ecuación dada por la utilización de pe­sos equivalentes. El cálculo de la concentración de un ion dado en términos de su equivalente en carbonato cálcico se hace comparando esos equivalentes, donde peso equivalente = peso atómico del elemento o compuesto dividido por la valencia de ese elemento o compuesto.

REACCIONES QUÍMICAS

Las reacciones químicas de unos compuestos químicos con otros se expresan mediante ecuaciones químicas donde los elementos a un lado de la ecuación deben ser iguales al número de cada elemento en el otro lado. La ecuación para reducir el bicarbonato de calcio y magnesio, «dureza temporal», a carbonato calcio lodo se expresa como sigue en una ecuación de reacción química, con la cal apagada (hidróxido de calcio) utilizada para precipitar el carbonato calcio inso­luble:

a(COH)₂ +  Ca(HCO₃)₂    = 2CaCO₃      +  2H₂O

       Cal   + Bicarbonato    = Carbonato  +    Agua

    apagada  cálcico                cálcico

Nótese que hay dos elementos Ca en el lado izquierdo de la ecuación y dos en el lado derecho. Los elementos siempre deben estar igualados en ambos lados de la ecua­ción. La ecuación para convertir el bicarbonato de magnesio es:

2Ca(OH)₂  +  Mg(HCO₃) ₂    = Mg(OH) ₂     + 2CaCO₃   +   2H₂O

Cal             +  Bicarbonato    =  Hidróxido    +Carbonato +  Agua

Apagada        de magnesio        de magnesio   cálcico

Al cambiar la dureza permanente del sulfato cálcico y del cloruro cálcico por car­bonato sódico, tienen lugar las siguientes reacciones químicas:

Na₂CO₃       +       CaSO₄       =     CaCO₃         +     Na₂SO₄

Carbonato   +       Cloruro    =    Carbonato +    Cloruro

Sódico                  cálcico            cálcico            sódico

Para la reacción del cloruro cálcico:

Na₂CO₃       +       CaC₂       =     CaCO₃         +     2NaCI

Carbonato   +       Cloruro =    Carbonato  +    Cloruro

Sódico                  cálcico          cálcico             sódico

En ambas ecuaciones el número de elementos en cada lado está equilibrado. Algunos químicos usan el símbolo ↓ para la precipitación (de lodos), como el carbo­nato de calcio, y el símbolo ↑ para los gases que pueden salir de la solución.

También los químicos de tratamiento de agua usan las ecuaciones químicas por aplicación del total de los pesos atómicos por compuesto en la reacción. Asignemos pesos atómicos en la ecuación para convertir cloruro cálcico mediante el uso de carbonato sódico, y la ecuación podrá escribirse como sigue:

Na₂CO₃       +       CaCI₂       =     CaCO₃         +     2NaCI

106              +       111.1     =      100.1        +     117

Los números representan la suma de los pesos atómicos de los elementos en cada compuesto. Los químicos utilizan los pesos atómicos para calcular los pesos de las reacciones por proporcionalidad. Por ejemplo, supongamos que utilizamos un peso de 150 libras de carbonato sódico, Na₂CO₃, para tratar agua con cloruro cálcico, CaCI₂. ¿Qué cantidades de los otros compuestos se formarán o utilizarán?

Para CaCI₂   :106/111,1 = 150 Ca/CI₂, y resolviendo: CaCI₂  = 157,2 Ibs.

Para CaCO₃:106/100,1 = 150 CaCO₃, y resolviendo: CaCO₃ = 141,7 Ibs.

Para 2NaCI:106/117    = 150 (2NaCI), y resolviendo: 2NaCI= 165,6 Ibs.

Los pesos en un lado de la ecuación deben ser iguales a los pesos en el otro lado de la ecuación por la ley de conservación de masas (los pesos de las sustancias reaccionantes igualan a los resultantes de la reacción).

Los bicarbonatos de calcio y magnesio mostrados en la ecuación química produ­cen una dureza temporal. El término «temporal» se usa porque la dureza de carbona­to puede ser eliminada parcialmente a medida que la temperatura aumenta. Esto puede verse por la siguiente ecuación:

Ca(HCO₃)₂  +      Calor            =     CaCO₃         +     CO₂↑       +   H₂O

Bicarbonato +      Calor        =    Carbonato +    Anhídrido + Agua

cálcico                                         cálcico             carbónico

                                                                             (gas)

Cuando se enfría el agua con dureza temporal impide la formación de espuma de jabón, pero después de calentada, permite al jabón formar espuma.

En calderas de alta presión, el carbonato sódico reacciona de modo diferente. Se ha demostrado que el carbonato sódico, Na₂CO₃, ayuda en la eliminación de la du­reza del agua que contiene sulfato cálcico y cloruro cálcico; sin embargo, por en­cima de 250 psi (17,5 kg/cm₂) de presión de caldera, el Na₂CO₃, se descompone en sosa cáustica con liberación de dióxido de carbono como se muestra en la siguiente ecuación:

Na₂CO₃   +   H₂O   =  2NaOH   +   CO₂

El dióxido de carbono puede ser absorbido por el agua para formar ácido carbó­nico débil, H₂CO₃, como se demuestra por la siguiente ecuación:

CO₂   +  H₂O  =  H₂CO₃

Una reacción química en cadena puede seguir según las ecuaciones o reacciones químicas siguientes:

El ácido se descompone en los siguientes iones: 

                                                                    

                                   H₂CO₃  =  2H⁺  +  CO ₃⁼

Los iones hidrógeno pueden reaccionar con los iones carbonato de los carbona­tes de calcio o magnesio para formar bicarbonato, como se indica en la siguiente ecuación para el bicarbonato calcico:

H⁺  +  CO₃⁼  = HCO_3^-

El resultado final es la formación de carbonato calcico de nuevo como sigue:

CaCO₃  +  CO₂  +  H₂O  =  Ca(HCO₃)₂

Tratamiento con fosfato. Todas estas reacciones anteriores vuelven a producir «dureza temporal». La acción del dióxido de carbono causando esta dureza temporal cuando están presentes los carbonates de calcio y magnesio ha restringido el uso del tratamiento con carbonato sódico sólo para presiones menores. Este tratamiento fue sustituido por el de fosfato con un exceso establecido de los productos químicos usado para tener presente en todo momento una cantidad suficiente para asegurar la totalidad de la reacción química. A efectos ilustrativos, la ecuación de reacción para la peor incrustación precedente del sulfato calcico con fosfato trisódico es:

3CaSO₄  +  2Na₃PO₄  =  Ca₃(PO₄)₂      +  3Na₂SO₄

Sulfato   +  fosfato          Lodo blando  +  Sal soluble

Cálcico      sódico           de fosfato           de sulfato

                                        Cálcico               sódico

El uso de fosfatos para tratamiento térmico interno de calderas ha sido modifica­do a medida que las presiones de caldera aumentan; una discusión de todo esto, primero requiere una revisión de la acidez y la alcalinidad.

Ácidos, bases y valor de pH. Los químicos de tratamiento de: agua se refieren al valor del pH de la muestra de agua que está siendo controlada. Este término se usa para denotar la presencia de ácidos o bases en agua o soluciones. Por ejemplo, ácido clorhídrico, HCI, también denominado ácido muriático, forma átomos cargados eléctricamente en el agua, iones H⁺ y CI^-, lo que se denomina ionización. De la misma manera, una base o álcali, como el hidróxido de sodio, NaOH, llamado sosa cáustica, formará iones Na⁺ y OH^-, con el ión hidróxido OH^-, como agente de reacción alcalino.

Los químicos consideran la reacción de una base y un ácido como acción de neutralización, como los iones H⁺ + OH^- forman agua neutra.

NaOH     +  HCI            =    NaCI   +  H₂O

Sosa        +  Ácido         =    sal       +  Agua

Cáustica  + clorhídrico 

Ambos, el ácido y la base fuertes, han sido eliminados y se ha formado una sal y agua que son neutras. Cuando hay impurezas en el agua, este equilibrio de ácido y base puede verse afectado según sea la concentración de cada uno en la solución. Así, la solución puede ser acida o alcalina. Los químicos utilizan el término «pH» como referencia de acidez o alcalinidad. Realmente expresa la concentración de iones hidrógeno, H⁺, presentes en el agua y también la cantidad de iones oxhidrilo, OH^-, porque para el agua, a cualquier temperatura: la concentración de iones hid­rógeno multiplicada por la concentración: de iones oxhidrilo es constante. Esto sig­nifica que un cambio en la concentración de una requiere el consiguiente cambio en la concentración del otro. Los químicos han determinado que la concen­tración del agua pura (neutra) es 0.0000001 (1/10⁷) gramos por litro. Para evitar el uso de fracciones decimales largas, el método adoptado ha sido el valor de 7 corres­ponde al agua neutra, por debajo de 7 es acida y por encima, es alcalina.

Solubilidad. En la química del agua, la mayoría de las impurezas están en estado disuelto en el agua de calderas o en disolución. Sin embargo, la temperatura tiene un efecto sobre la solubilidad de modo que, en algunos casos, un ligero cambio en la temperatura de la solución tiene el efecto inmediato de producir que una sustancia disuelta se vuelva insoluble y sedimente como materia en suspensión.

Algunos químicos de tratamiento de agua clasifican una sustancia que se hace más soluble con el incremento de temperatura como que tiene una relación de solu­bilidad positiva, mientras que aquellas sustancias que se vuelven menos solubles con un aumento de temperatura son clasificadas como que tienen una relación de solubi­lidad negativa. 

Esto puede clasificarse como sigue:

El grado de solubilidad es también importante al determinar cuándo una cierta concentración de impurezas en estado disuelto puede precipitar como sólidos fuera de la solución, porque el agua está saturada de la impureza y no puede disolver más cantidad de la misma.

Estas impurezas que tienen características negativas de solubilidad son las prin­cipales productoras de depósitos de incrustación en las calderas. Esto es así porque a medida que la temperatura en una caldera aumenta con el aumento de presión, estas impurezas se hacen insolubles y precipitan para iniciar la incrustación sobre las superficies de transferencia de calor de la caldera. El otro problema con las im­purezas es que, incluso si permanecen disueltas en un amplio rango de temperaturas y concentraciones, pueden producir otros efectos nocivos, como corrosión, espuma­do e imprimación de impurezas.

Incrustación: Los especialistas en el tratamiento de agua clasifican las impurezas por el efecto que producen sobre el lado de agua de las calderas. La incrustación se define como un depósito adherente sobre la superficie de transferencia térmica en el lado de agua de las calderas producida por las siguientes impurezas sedimentadas o cocidas sobre la superficie de calefacción:

Las sustancias con efectos diversos sobre las superficies de transferencia térmica son los aceites, las grasas y la materia en suspensión.

El tercer grupo de impurezas no puede causar incrustación por sí mismo, pero que puede ser obligado por otras formaciones de incrustación apareciendo así en la composición de la incrustación. La mayoría es más activa para producir corrosión que incrustación.

Incrustación y efectos de la misma.   Químicamente, antes de que alguna impureza pueda incrustarse, debe abandonar la solución y solidificarse de las siguientes maneras:

1. Por reducción de solubilidad con incremento de temperatura del agua, en aquellas impurezas clasificadas como de solubilidad negativa.
2. Por exceder el punto de saturación de modo que el agua no pueda disolver más impurezas en ese estado y precipite fuera de la solución.
3. Por cambios químicos por el calor para formar sustancias insolubles, como los bicarbonatos de calcio y magnesio.

Así, la incrustación puede implicar varios cambios químicos que pueden ocurrir en el agua de caldera.Hay dos objeciones a la incrustación sobre las superficies calefactoras de cal­deras:

1. La incrustación es un aislante muy eficiente del calor, variando el grado de aislamiento con su densidad. Su presencia en grosores apreciables significa menor absorción de calor por el agua de caldera, con la consiguiente pérdida de eficiencia o rendimiento de caldera.
2. Debido a que la incrustación es un mal conductor del calor, las superficies de calefacción de caldera aisladas del agua caliente por un lado y expuestas a los gases calientes por el otro, pueden alcanzar pronto temperaturas pe­ligrosamente altas. De hecho, han tenido lugar serios daños: rotura de tubos e incluso de virola de caldera.

La formación de incrustación a menudo aumenta con la tasa de evaporación. Así, los depósitos de incrustación a menudo serán mayores donde la temperatura de los gases sea más elevada. Como ejemplo, a menudo un fallo en un tubo de una caldera de tubos de agua de alta presión puede encontrarse en la zona de alta absorción de calor donde se forman las burbujas de vapor. La envolvente de agua que rodea las burbujas contiene ahora las impurezas de la burbuja de vapor y las im­purezas que ya tenía en disolución. El área bajo la burbuja de vapor del tubo está momentáneamente seca y esto hace que la temperatura del tubo suba. Por la so­lubilidad negativa de las sustancias, la solubilidad de estos compuestos es ahora baja, y esto produce que el compuesto forme incrustaciones en la superficie de los tubos, porque la solución ha alcanzado su punto de saturación a la temperatura del tubo. El depósito puede aumentar y actuar como un aislante, de lo que resulta una transmisión: de calor pobre y mala. Esto lleva, al sobrecalentamiento del metal por debajo de la incrustación, y a producir la rotura del tubo, debido a la incrustación, como se ve Figura 13.2.

Figura 13.2.    Incrustaciones y roturas de tubos, (a) Excesivos depósitos de fos­fatos, (b) Depósitos y tubo roto por ataque químico, (c) Daño a largo plazo por sobrecalentamiento, (d) Daño por sobrecalentamiento a corto plazo mostrando rayas de la superficie fracturada.

     Figura 13.2 (d) Rotura de tubo por sobrecalentamiento

La incrustación media tiene una conductividad térmica casi igual que el ladrillo refractario, o aproximadamente '/48 parte de la del acero. La incrustación es normalmente mas seria en la caldera de tubos de agua que en la de tubos de humos. Un recubrimiento de incrustación de 1,6 mm de espesor en tubos de agua expuestos al calor radiante puede producir la rotura del tubo, mientras que depósitos mayores de incrustación en los tubos de fuego pueden producir pérdidas de eficiencia, aunque no son peligrosos.

La razón de esta diferencia es que los tubos de fuego o humos absorben calor por convección y no por exposición radiante.

La incrustación en las calderas de tubos de humos también puede afectar a los tubos, pero generalmente éstos ceden por sobrecalentamiento. Sin embargo, los ho­gares de calderas escocesas marinas que absorben calor radiante se han combado seriamente por el sobrecalentamiento debido a incrustaciones, como el que tienen las virolas de fondo de las calderas de hogar interior. 
La formación de incrustación puede también bloquear la acción adecuada de los controles e incluso válvulas de seguridad, por cegado de conexiones o por bloqueo de la válvula o de los controles. Una causa principal de los fallos de válvulas de seguridad es la acumulación de depósitos alrededor del asiento, lo que lleva a la válvula a bloquearse en su posición cerrada. Un programa regular de pruebas de válvula evita este tipo de fallo a medida que mejora la pureza del agua y del vapor.

Los grandes depósitos de incrustación son generalmente un indicativo de negli­gencia de limpieza, que puede ser evitada en la mayoría de los casos por un tratamiento adecuado del agua. Las incrustaciones han formado un grosor apreciable, debería ser eliminada con dispositivos de limpieza de turbinado a cada tubo pirotubular, o limpieza de hidrocinética.

Una vez que se ha conseguido limpiar la caldera, deben tomarse las medidas adecuadas para evitar su recurrencia.

Identificación de la incrustación. Costras de diferentes consistencias pueden aparecer en una caldera y requieren análisis químicos posteriores para su identificación. Las incrustaciones aquí descritas muestran las características de los diferentes tipos que pueden hallarse en calderas:

1. Sulfato cálcico: origina una costra muy dura que se adhiere tenazmente a las superficies calefactoras. Esta incrustación se considera la peor a causa de su dureza extrema, la dificultad en su eliminación y su baja conductividad tér­mica.
2. Carbonato cálcico: es una incrustación blanda, de tipo cenagoso, normal­mente blanquecina de apariencia y se quita fácilmente por lavado con agua.
3. Carbonato de magnesio: forma una costra blanda de tipo similar a la de carbonato cálcico.
4. Sílice: no forma incrustación en solitario, sino que imparte una estructura vítrea a los depósitos de sulfato cálcico, lo que produce una costra muy dura, frágil y prácticamente insoluble en los ácidos. La sílice en las calderas de alta presión de una central térmica generadora se volatiliza y viaja con el vapor al turbogenerador para depositarse como incrustación dura, parecien­do porcelana sobre las piezas internas de la turbina.
5. Silicato de calcio y magnesio: ambos tienden a producir costras de estructu­ra densa y cristalina, muy adherente a las superficies de transferencia térmi­ca y con bajas características de transferencia de calor.
6. Hidróxido de calcio y magnesio: producen depósitos blandos que pueden adherirse o cementar con otras sustancias.
7. Carbonato de hierro: se encuentra con frecuencia en otras incrustaciones y es una sustancia indeseable porque añade una naturaleza corrosiva a la cos­tra que aparece.
8. Fosfato de calcio y magnesio: son subproductos de los tratamientos de agua por fosfato y aparecen como un lodo blando que se elimina fácilmente por purga.
9. Sulfato de magnesio: no es demasiado común en la incrustación pero, donde aparece solo, la costra es comparativamente blanda. Sin embargo, en combi­nación con el carbonato cálcico o el sulfato cálcico, puede resultar una in­crustación vítrea muy dura.

Prevención de la formación de incrustaciones. Generalmente se emplean las es­trategias siguientes en la prevención de la formación de costras:

1. Evitar el uso de agua dura en caldera. Esta dureza es debida principalmente a la presencia de sales de calcio y magnesio. En análisis de agua, las condi­ciones de dureza del agua pueden reportarse como carbonatos, no carbona­tos y dureza total. Las unidades de dureza se expresan como ppm equivalen­tes de carbonato cálcico (véase la Figura 13.1 ). Los químicos de tratamiento de aguas se refieren a la dureza como si toda fuera debida al carbonato cálcico. Esto se hace usando los pesos atómicos equiva­lentes de los elementos implicados en la ecuación química. Como ejemplo, consulte los resultados del análisis de agua de la Figura 13.1. Aquí se mues­tra el magnesio como 31 ppm y el calcio, como 62 ppm. La dureza total como carbonatos cálcico se obtiene de la siguiente manera: El peso atómico de los elementos más cercanos involucrados son calcio (Ca) = 40,1; magne­sio (Mg) = 24,3; carbono (C) = 12,0; y oxígeno (O) = 16. Así, el carbonato cálcico (CaCO₃) = 40,1 + 12 + 3 • 16 = 100,1. El cálculo de la concentración de un ion determinado en términos de su equivalente en carbonato cálcico se hace comparando los pesos equivalentes de los dos. El peso equivalente de un elemento es igual a su peso atómico entre su valencia. Este término se refiere a la cantidad de un elemento que se combina con un peso unidad de hidrógeno. Como la mayoría de la dureza se ''debe al calcio y al magnesio, los resultados del análisis de agua de la Figu­ra 13.1 se refieren a la dureza total como carbonato cálcico en términos de dureza de calcio y magnesio. Esta dureza es, respectivamente, 62 ppm para el calcio y 31 ppm para el magnesio. Para convertirla en dureza total como carbonato cálcico, el peso equivalente para el calcio es: 40,1/2 = 20,05; para el magnesio es: 24,3/2 = 12,15; para el carbonato cálcico es: 100,1/2 =50,05. La relación de: 50,05/20,05 = 2,5 es el multiplicador para convertir ppm de calcio a ppm de CO₃ equivalente; para el magnesio: 50,05/12,15 = 4,1. La dureza total como CO₃, como se indica en la Figura 13.1, es, por tanto: 62 x 2,50 + 31 x 4,1 = 282 ppm para dureza como C0₃.

2. La incrustación disminuye también manteniendo la concentración de impu­rezas dentro de límites aceptables, usando tratamientos y purga para controlar esta concentración. Véase la Figura 13.3 para recomendaciones de un comité investigador en sistemas termoeléctricos de la ASME que refleja las concentraciones deseables de impurezas para presiones diferentes en siste­mas de calderas.
3. La incrustación se minimiza también siguiendo los tratamientos químicos externos e internos que se prescriban.
4. La purga de fondo debe integrarse con el tratamiento químico que produce lodos que deben ser eliminados del agua de caldera.

                                                               Agua de Caldera

                                     Agua de Alimentación

Figura 13.3.    Límites de impurezas recomendados por un comité investigador de ASME, para el agua de alimentación y el agua de calderas, para calderas a diferentes presiones de trabajo.

Prevención de incrustación: tratamiento externo. Como se detalló, el pretratamiento del agua puede ser necesario a causa de la variación en el suministro y requerimientos del agua de aportación, tipo de proceso o aplicación del sistema de caldera, presión, capacidad y condiciones similares. Así, el tratamiento externo para la prevención de incrustaciones puede incluir reducción de sólidos en suspensión por filtrado, reducción de durezas por ablandamiento a la cal, ablanda­miento por zeolita, equipo de intercambio de iones, desmineralizadores, evaporadores y desaireadores para eliminación de gases y oxígeno. La tecnología de membranas u osmosis inversa está siendo aplicada también en sistemas de tratamientos externos. Véase la Figura 13.4  resultados de posibles tratamientos externos.  

Figura 13.4.    Posibles resultados para diferentes condiciones de agua según la utilización de varios métodos de tratamiento externos.

 

Prevención de incrustación: tratamiento interno. La selección de productos quí­micos para evitar incrustaciones con tratamiento interno está dirigida al control de las impurezas minerales que se deslizan pasando el programa de pretratamiento.

Esto se aplica especialmente a medida que la presión de caldera aumenta, como en la generación termoeléctrica. El pretratamiento, bien por precipitación química o bien por intercambio iónico, reducirá, pero no eliminará el problema que causa la tenden­cia de las impurezas en el agua de caldera.

El tratamiento combinado con fosfato fue desarrollado a partir del uso del trata­miento de fosfatos para eliminar las incrustaciones del sulfato cálcico y magnésico con un lodo que puede eliminarse por purga adecuada, especialmente para calderas que trabajan por debajo de 600 psi (42 kg/cm²). El lodo se denomina hidróxiapatito. La reacción química que los especialistas del tratamiento de aguas utilizan es la siguiente:

10Ca         +    2OH               +    6PO4     =    Ca(OH)₂(PO₄)₆

Dureza      +    Alcalinidad    +    fosfato    =    Hidroxiapatito

De calcio        de hidrato

Otra reacción es aquélla en que la dureza de magnesio en presencia de sílice adecuada forma un lodo de magnesio, llamado serpentina, como se ve en la siguien­te ecuación química:

Mg                +    2SiO₂    +    2OH            =    MgO    +    2(SiO₂  *  H₂O)

Dureza          +    Sílice    +   Alcalinidad   =   Serpentina

De magnesio                         de hidrato

El tratamiento sólo con fosfatos produce ortofosfatos residuales de entre 30 y 60 ppm como PO₄, con niveles de alcalinidad hidratada de 200-400 ppm (como OH).

Hay varias características indeseables del tratamiento convencional con fosfatos. La reacción añade contenido de sólidos en suspensión en el agua, lo que no es deseable si la presión de caldera está cerca o por debajo de 1.000 psi (70 kg/cm²). Los niveles de alcalinidad de hidrato se consideran también demasiados altos para esta presión de caldera, a causa del peligro de corrosión cáustica. Los límites normales que los químicos de tratamiento de aguas prescriben como límites de alcalinidad son:

A medida que la presión aumenta, hay más riesgo de corrosión cáustica debido a que el metal está sometido a más tensiones por el aumento de presión y temperatura. Como puede verse en la tabla superior, los límites de alcalinidad disminuyen con el aumento de presión en la caldera, por ese motivo.

Control coordinado de fosfato/pH. Este sistema de tratamiento de agua fue de­sarrollado para las calderas de alta presión para evitar la corrosión cáustica. Re­quiere el mantenimiento de una relación fija entre el pH del agua de caldera y la concentración de fosfatos. La Figura 13.5, muestra una curva para una caldera que representa la relación del fosfato trisódico, Na₃PO₄, con el pH. El fosfato trisódico tiene una relación de sodio a fosfato de 3. Si la concentración de fosfatos o el pH cambian, esta relación de sodio a fosfato cambia también. El progra­ma se basó en el principio de que un aumento de la concentración de hidróxido libre se evitaría por un desplazamiento del equilibrio iónico en la dirección que favorece la formación del Na₃PO₄. De acuerdo con la información de la Figura 13.5a, los OPERADORES de calderas con calderín deberían ser instruidos para mantener el pH y la concentración de PO₄ por debajo de o a la derecha de la curva, ya que se considera exenta de hidróxido libre. La zona rayada muestra el rango normal de operación para esta planta. La curva representa una relación de Na a PO₄ de 3. El especialista en el tratamiento de agua recomendó un rango de pH de 9,6 a 10,0 y un rango simultáneo de fosfato de 5 a 10 ppm, pero en todo caso y tiempo quedándose por debajo de la curva mostrada en la Figura 13.5a. Ambos, pH y fosfato, requieren comprobaciones diarias para la concentración en orden a mantener el nivel de hidróxido bajo.

Control de fosfato /pH congruente y oculto. El oculto está causado por la precipi­tación de sales de fosfato de sodio, normalmente producido por una operación a largo plazo en calderas con calderín tipo central. El oculto produce una acumulación de fosfato en zonas «muertas» de circulación de agua y, consiguientemente, reduce la concentración de fosfatos en las otras zonas del bucle o circuito de agua. Esto aumenta el nivel de pH y alcalinidad del agua de caldera. Los laboratorios trabajaron en este problema del fosfato oculto y encontraron evidencias de que el hidróxido sódico podría producirse como resultado del ocultamiento a partir de soluciones de ortofosfato trisódico por encima de una relación de sodio a fosfatos de 2,8. Entonces se aplicó el término control congruente, que es una referencia a la composición congruente en la que las fases sólida y líquida son iguales. Se establecieron líneas maestras para mantener una relación de sodio a fosfato por encima de 2,6 pero por debajo de 2,8, con concentraciones de PO₄ entre 1 y 6 ppm. Véase la Figura 13.5b.

En los controles coordinados de fosfato, el pH se regula por introducción de sodio con el fosfato según el criterio de los especialistas en tratamiento de agua. La relación deseada se mantiene controlando la proporción de las formas monosódica, disódica y trisódica del fosfato en el agua de la caldera. La sosa cáustica puede utilizarse para subir la alcalinidad y el pH, y la purga puede usarse para reducirlos. Las calderas típicas de central que usan el control congruente trabajan por encima de los 1.200 psi (84 kg/cm²).

Los quelantes son productos químicos que se combinan con las sales de dureza antes de que formen lodos de caldera, y esto es otro método para evitar la incrusta­ción. Sin embargo, la alimentación de agua debe tener poca dureza, menos de 2 ppm, para que este tratamiento sea económico. Esto hace su utilización limitada al ablan­damiento del agua de aportación desmineralizada. Los dos agentes quelantes nor­malmente utilizados son el ácido etilendiamintetracético (EDTA) y el ácido nitrilo acético (NTA). Ambos agentes forman sales estables con el calcio y el magnesio. Sin embargo, se requieren diez ppm de EDTA y 5 ppm de NTA para controlar 1 ppm de dureza. Esto hace que sea caro este tratamiento, y por eso se aplica básicamente para bajar dureza de agua de alimentación pretratada. Otro problema es que el EDTA comienza a disgregarse a 300 psi (21 kg/cm²) y a cerca de 1.500 psi (105 kg/cm²) pierde su capacidad quelante. El NTA pierde su capacidad quelante a 900 psi (63 kg/cm²). La degradación térmica no lo hace práctico para monitorizar residuos que­lantes en el agua de caldera, lo que hace difícil el control de dosificación. Los mis­mos agentes quelantes pueden causar corrosión en la caldera si se sobrealimenta con quelantes durante un largo período de tiempo.

Por debajo de 400 psi (28 kg/cm²) se utiliza otro tipo de productos químicos quelantes denominados fosfonatos orgánicos, con las abreviaturas de AMP (fosfonatos amilometileno) y HEDP (hidroxietilideno), que tienen la propiedad de inhibir la incrustación de carbonato cálcico. Todos los agentes solubilizantes presentan ca­pacidad similar a la del EDTA y NTA para mantener el calcio y el hierro en so­lución, pero no son tan fuertes y además no son tan peligrosos como los agentes quelantes en cuanto a poder corrosivo. Los fosfonatos podrán utilizarse más económicamente que los quelantes para niveles de agua de alimentación de 50 ppm y más.

Polímeros o acondicionamiento de lodos. En calderas industriales, el ciclo de control de incrustación implica la precipitación intencionada de las sales de dureza cálcica, como carbonato cálcico, con adición de un polímero para provocar lodos. Los polímeros amónicos son muy utilizados en calderas industriales donde las molé­culas de polímero se acumulan alrededor de los lodos en suspensión de la caldera. Esto introduce en los lodos un grado de dispersión o fluidez que permite la elimina­ción de los mismos más fácilmente por purga inferior de caldera. Hay varios polímeros sintéticos vendidos por las compañías de tratamiento de aguas. Por ejemplo la Nalco Chemical Co. utiliza el nombre de Transport-plus para sus polímeros. Se aplica a calderas de hasta 1.560 psi (105 kg/cm²) y el término Transport se usa para indicar que puede transportar virtualmente el 100 por 100 de las impurezas del agua de alimentación, incluyendo dureza, sílice e impurezas de hierro a través del sistema de caldera, ya que el polímero fluidifica el lodo para un eventual control por purga. Los polímeros aniónicos inhiben el crecimiento de la estructura de la matriz cristali­na de la incrustación. Este proceso también debilita la incrustación, ya que el polímero es absorbido en la estructura de la incrustación y, como resultado, se forman pequeñas partículas de incrustación.

El control de la tasa de alimentación y del polímero depende de los métodos de la prueba utilizada para comprobar las concentraciones. El sobretratamiento es toda­vía una amenaza; por tanto, algunos especialistas de tratamiento de aguas utilizan mezclas de polimetacrilato como componentes principales de un programa de trata­miento de polímeros mezclados.

Figura 13.5. (a) El control coordinado de fosfato y pH mantiene una relación fija entre el pH  del agua de la caldera y la concentración de fosfato. La relación Na a PO₄ se mantiene en 3. (b) El control congruente de fosfato y pH, la relación de Na a PO₄ se mantiene entre 2,6 y 2,8. 

Depósitos de aceite

El aceite en las calderas constituye una situación peligrosa. El aceite es un excelente aíslate del calor y su presencia sobre las superficies expuestas a altas temperaturas puede producir serios sobrecalentamientos y daños a la caldera.

Un origen común de esta situación oleosa fue el uso de equipos alternativos de vapor de escape conteniendo aceite del cilindro para retorno del condensado al siste­ma de alimentación de caldera. Una mínima cantidad de aceite de alta calidad prove­niente de los cilindros debería utilizarse para lubricación de motores de vapor y bombas de retorno de condensado, y también debería utilizarse un tipo eficiente de separador de aceite en el sistema de escape. El aceite puede entrar también en la alimentación a través de su presencia en el suministro de agua bruta procedente de ríos o corrientes contaminados por molinos, aparatos marítimos, desechos o restos de materias comerciales.

Incrustación y eliminación de aceite. La eliminación de incrustación del lado de agua se efectúa por medio de tres métodos: eliminación mecánica, tratamiento de agua y limpieza química. La eliminación mecánica de la incrustación se efectúa mientras la caldera está parada y vacía. Las zonas accesibles de virolas, calderines, cabezales y abrazaderas se limpian mecánicamente con un cincel embozado o martillo desincrustante teniendo cuidado de no rebajar o disminuir el espesor de metal. La incrustación puede desprenderse de las superficies interiores de los tubos de agua con una Turbina Tubular. 

Generalmente se usa agua limpia para limpiar los «lodos incrustantes» mientras la turbina tubular está trabajando. Hay que tener cuidado para no operar con la turbina tubular demasiado tiempo en una zona determinada o no forzarla indebidamente, pues puede resultar dañado el tubo.Hay que tener extremo cuidado para eliminar la incrustación en una caldera mediante tratamiento del agua. Si la incrustación se elimina demasiado rápidamente puede caer en grandes cantidades, con daño serio para la caldera, teniendo como resultado una restricción de la circulación y el consiguiente sobrecalentamiento. En una caldera de tubos de agua, los tubos rotos puedan ser la consecuencia final de este proceso; en una caldera pirotubular, serán las combaduras o incluso la rotura de la virola interior (hogar).

Los depósitos exteriores sobre las superficies externas de los tubos de humos pueden desprenderse por vibración con un resonador o vibrador tubular o por medio de sacudidas con una barra larga y pesada en cada tubo. Debería tenerse mucho cuidado después de un tratamiento de este tipo para ver si toda la incrustación se ha desprendido y extraído de la caldera antes de cerrarla para arrancar. Muchos casos de serios daños han resultado de acumulación de incrustación dejadas en las calderas. Véase la Figura 13.6.

La limpieza con ácido de las calderas se usa a menudo para eliminar óxidos metálicos. Los disolventes utilizados para la limpieza acida son variados. Algunos usan ácido clorhídrico, otros, ácido fosfórico. El proceso usual es llenar la caldera hasta que la solución rebosa por el venteo (el ácido se añade desde el exterior a la caldera). Se deja que la solución empape la chapa de caldera durante cuatro a seis horas, seguidas de un relleno con un agente neutralizados 

Si se usa ácido clorhídrico para la limpieza, se utilizará una solución débil de ácido fosfórico. Después del drenaje, se usa agua limpia para lavar; después, la caldera se llena inmediatamente con solución alcalina y se hierve de nuevo varias horas. Esta solución se drena; la caldera se lava de nuevo y, después, se rellena con agua de servicio normal, ponien­do en marcha inmediatamente el tratamiento adecuado de agua de alimentación.

   Debe observarse una precaución en la limpieza con ácido de calderas equipadas con sobrecalentador y otros tramos curvados parecidos, y estar seguros de que todo resto o traza de ácido ha sido cuidadosamente limpiado y extraído de los tubos curvados en U. Esto es crítico en la etapa de neutralización y lavado después de que los tubos se han empapado con una solución acida. Debe utilizarse aire comprimido.  

Figura 13.6. Colapso de domo de una caldera escocesa marina, producido por combustión en seco e incrustación.