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1 Análisis de las variables fisicoquímicas en el agua de alimentación a calderas de
vapor.
Analysis of the physical-chemical variables of the feed water of steam boiler.
1Erika Alicia Mendieta, 1María Catalina Rivera Morales, 2Gustavo T. Rubín Linares, 1María
Dolores Guevara Espinosa, 1Norma Cruz Miranda, 1Ana Laura Taylor Degyves.
1Facultad de Ingeniería Química, BUAP, 18 Sur y Av. San Claudio, Col. Jardines de San Manuel,
C.P. 72250 Puebla, Pue. México Tel. 01 (222) 2295500 ext. 7257 Fax: 7251 e-mail:
[email protected]
2Facultad de Ciencias de la Computación, BUAP. 14 Sur y Av. San Claudio, Col. Jardines de San
Manuel, C.P. 72250 Puebla, Pue. México
RESUMEN. El grado de aptitud de una caldera, de transferir cierta proporción del calor
que recibe del fogón al agua o al vapor, es la “eficiencia de la caldera”. La carga de agua de
alimentación a la caldera también se considera dentro del análisis de eficiencia, ya que
siendo ésta la materia prima debe cubrir con parámetros de calidad, de lo contrario podría
ocasionar fallas en el equipo por ensuciamiento, incrustaciones, y corrosión, reduciendo la
transferencia de calor dentro de la caldera y en consecuencia la eficiencia, es por ello que
debe existir un análisis de los parámetros fisicoquímicos a fin de determinar la viabilidad de
un tratamiento previo para minimizar los daños por corrosión y otros factores.
ABSTRACT. The ability of a steam boiler, to transfer a specific amount of heat received
fire to the water or steam, is called the “efficiency”. The boiler feed water is considered in
the efficiency analysis too, as being this the raw material it has to cover all the quality
parameters, otherwise it could cause equipment failures like corrosion, reducing the steam
boiler´s heat transference and the efficiency, then the analyses of various physical-chemical
parameters is necessary to determine the viability of a previous treatment to reduce the
damaged caused by corrosion and other factors.
Recibido: Marzo, 2016.
Aprobado: Mayo, 2016
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Palabras clave: Caldera, Conductividad, Corrosión, pH.
Key words: Steam boiler, Conductivity, Corrosion, pH.
INTRODUCCIÓN.
Las condiciones de operación de una caldera de alta presión están en función de las
necesidades de la industria, generalmente operan alrededor de 400°C y 60kg/cm2. A estas
condiciones es fácil que se generen incrustaciones o corrosión en los tubos de la caldera.
Se ha dicho que en las calderas antiguas que operaban a baja presión se soportaban
incrustaciones con un espesor de un cuarto de pulgada hasta media pulgada. Mientras que
las calderas “modernas” de alta presión tienen fallas cuando acumulan incrustaciones de
solo 0.05pulg (SUESCÚN M., 2012).
Para llevara a cabo el presente estudio se consideraron calderas acuotubulares que operan a
condiciones aproximadas a las antes mencionadas, es por esto que se utiliza un tratamiento
de acuerdo al tipo de agua de la región, y que hasta ahora se ha considerado el adecuado.
El agua de la región de Puebla es rica en minerales como bicarbonatos de calcio y
magnesio, y silicatos de sodio (Mendieta Mendieta, 2013), las dos primeras sales dan la
característica de dureza temporal al agua. Esto significa que con la elevación de la
temperatura precipitan generando incrustaciones en los tubos de la caldera, de acuerdo con
las siguientes reacciones:
𝐶𝑎(𝐻𝐶𝑂3)2 + ∆ ↔ 𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 (1)
𝑀𝑔(𝐻𝐶𝑂3)2 + ∆ ↔ 𝑀𝑔𝐶𝑂3 + 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 (2)
Por otra parte la sílice presente en el agua a altas temperaturas da paso a la formación de
ácido silícico. Éste se encuentra en forma soluble y no da al agua la característica de
dureza, sin embargo ocasiona incrustaciones por la precipitación con calcio y magnesio, ya
que forma silicatos insolubles (Mendieta Mendieta, 2013).
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𝑁𝑎4𝑆𝑖𝑂4 + 𝐻2𝑂 + ∆ → 𝐻4𝑆𝑖𝑂4 + 4𝑁𝑎𝑂𝐻 (3)
𝐻4𝑆𝑖𝑂4 + ∆ → 𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐻2𝑂 (4)
𝑁𝑎2𝑆𝑖𝑂3 + 2𝐻𝐶𝑙 → 𝐻2𝑆𝑖𝑂3 + 2𝑁𝑎𝐶𝑙 (5)
𝐻2𝑆𝑖𝑂3 + ∆ → 𝑆𝑖𝑂2 + 𝐻2𝑂 (6)
El tratamiento del agua es un proceso de desmineralización a base de intercambio iónico
con resinas sintéticas, en conjunto con la desareación del agua serían el tratamiento externo
utilizado.
Figura 1. Diagrama de tratamiento del agua para calderas (BRAVO, 2010).
Para complementar el cuidado de la caldera se agregan químicos específicos, siendo este el
tratamiento interno. En la figura 1 se simplifica el tratamiento del agua hasta su
alimentación a la caldera. Para garantizar que el agua que va a ser alimentada a la caldera
esté libre de dureza, sílice, etc., se utiliza un lecho mixto, que tiene la función de pulir el
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agua. Este equipo es un lecho empacado con resina catiónica y aniónica donde se llevan a
cabo las reacciones previamente mostradas, de intercambio para cada resina.
Para lograr el control de la calidad de agua que será alimentada a la caldera, en cada
corriente de proceso se muestrea y analizan propiedades específicas dependiendo del
tratamiento anterior a la toma de muestra. En la tabla 2 se enlistan los análisis para el
monitoreo durante la operación.
El rango de aceptación depende de las condiciones de operación de cada equipo y las
características deseadas para el producto final los puntos de muestreo son:
Muestreo de agua cruda
Muestreo a la salida de la unidad catiónica
Muestreo a la salida de la unidad aniónica.
Muestreo a la salida del lecho mixto.
Muestreo en tanque de almacenamiento de agua desmineralizada.
Muestreo en deareador.
Muestreo en caldera de vapor.
Muestreo de vapor de media y alta presión.
Tabla. 1 (Mendieta Mendieta, 2013).
No. De
toma de
muestra
Análisis realizados Intervalos aceptados para
el control de la calidad
según el fabricante
Periodicidad de
análisis
1 Dureza
Alcalinidad a la F
Alcalinidad a la M
Conductividad
SiO2
pH
150ppm CaCO3 (máx.)
0ppm CaCO3
150ppm CaCO3
450µmhos/cm (máx.)
70ppm (máx.)
6.8 – 7.5
1 vez por semana
2 Dureza
Conductividad
pH
0ppm
750µmhos/cm (máx.)
2 – 4
Durante la
producción de agua
desmineralizada
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3 Conductividad
SiO2
pH
40 µmhos/cm (máx.)
0.40ppm (máx.)
8.3 – 11
Durante la
producción de agua
desmineralizada
4 Dureza
Conductividad
SiO2
pH
0ppm
1.5 µmhos/cm (máx.)
0.05ppm (máx.)
5 – 7
Durante la
producción de agua
desmineralizada
5 Dureza
Conductividad
Sílice
pH
0ppm
1.5 µmhos/cm (máx.)
0.05ppm (máx.)
5 – 7
Antes de operar el
tanque para tener
constancia de su
calidad.
6 Dureza
Conductividad
pH
Oxígeno
0ppm
150µmhos/cm (máx.)
7.5 – 10
60ppm (máx.)
Durante la
producción de
vapor, 1 vez por
jornada laboral.
7 Dureza
Conductividad
SiO2
pH
0ppm
150 µmhos/cm (máx.)
12ppm (máx.)
8 – 10.5
Durante la
producción de
vapor, 1 vez por
jornada laboral.
8 Dureza
pH
0ppm
8 – 10
Durante la
producción del
vapor.
METODOLOGÍA.
Para llevar a cabo los análisis que justifiquen la calidad de los productos en las diferentes
corrientes de proceso se siguen los siguientes métodos
Determinación de dureza total: De acuerdo con el ASTM D-1126-02: Standard test
method for hardness in water.
Determinación de sílice: Esta determinación está basado en el ASTM: Standard test
method for silica y water, en el cual la sílice es cuantificada por espectrofotometría
de absorción en la región visible, para concentraciones de 0.02 a 1 ppm a 815 nm y
650 nm para concentraciones de 0.5 a 20 ppm.
Determinación de conductividad: Esta determinación se da a partir de método
descrito en el ASTM D 1125 – 95 Standard Test Methods for Electrical
Conductivity and Resistivity of Water.
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Determinación de pH: Se obtiene el pH de acuerdo con las indicaciones del ASTM
D 1293 – 99 Standard Test Methods for pH of Water.
Determinación de turbidez en el agua cruda: El método para determinar la turbidez
se basa en el ASTM D1889-00 Standard Test Method for Turbidity of Water.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
La producción del vapor comienza por la desareación del agua. En el proceso industrial
analizado, del total del agua alimentada al desareador, al menos 40% es agua
desmineralizada y el resto es condensado del vapor exhausto proveniente de dos
turbogeneradores. Dicho condensado de ninguna manera presenta dureza o sílice pues es
agua altamente pura y por esta razón se alimenta en mayor proporción al desareador
complementado el volumen total a la caldera con el agua desmineralizada. Las
especificaciones de calidad que debe cumplir el condensado para alimentarse sin
consecuencias para la caldera.
Para controlar la calidad del agua que debe alimentarse a la caldera y que proviene del
desaereador, se realizan varios análisis fisicoquímicos, pues hay que verificar que los
reactivos se encuentren en las concentraciones ideales para su mejor rendimiento, mismos
que se adicionan para reducir el oxígeno disuelto y poderlo expulsar junto con los gases no
condensables en el deareador.
Por otra parte las proporciones de agua desmineralizada y condensado deben ser
monitoreadas para controlar que al mezclarse, los parámetros de la conductividad, dureza y
pH sean los ideales para ingresar a la caldera y estén dentro de la especificación
correspondiente. El parámetro de mayor interés en el deareador es el pH, las mediciones se
muestran en la gráfica 1
El intervalo de aceptación de pH según se muestra en la gráfica es de 7.5 a 10, se observa
que durante los años 2007, 2008 y 2009 se tenía una media de alrededor de 9.1, que en los
últimos 3 años decreció hasta obtener una media de 8.5. El intervalo de pH es de neutro a
básico, lo que favorece la despolimerización de la sílice en caso de que ésta se haya
formado durante el proceso de desmineralización debido al pH en que opera la unidad
catiónica, torre desgasificadora y lecho mixto. Sin embargo no se analiza concentración de
sílice en este punto del proceso, y no se puede asegurar la existencia de sílice coloidal.
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Figura 1. Mediciones de pH de agua desareada en un intervalo de tiempo de 6 años
Calderas
El proceso analizado en el presente trabajo, contempla dos calderas, en éstas, de rutina se
toman muestras para monitorear la calidad del vapor en diferentes puntos, que son: en el
domo superior y en las líneas de vapor de 45 y 19 Kg/cm2, los resultados se muestran en los
gráficos de estos parámetros, que fueron tomados de los registros de calidad en un intervalo
de tiempo de 6 años.
En las gráficas 2 y 3 se muestran las mediciones de pH, el rango de aceptación para éste
parámetro está marcado en la gráfica y es de 8 a 10.5, la línea de tendencia de las dos
gráficas tienen pendiente positiva, pero ésta pendiente es mínima, lo que significa que el pH
5
6
7
8
9
10
11
MED
ICIó
N (
pH
)
Fecha
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se ha controlado de forma adecuada. Dentro de las calderas, en las condiciones de
temperatura y pH de operación actual y que se muestran en las gráficas mencionadas, la
despolimerización de la sílice se favorece, sin embargo, la concentración de esta impureza
dentro de la caldera no se considera por esta razón, sino por los ciclos de concentración de
la sílice (purgas).
Figura 2. Mediciones de pH de agua de caldera 1 en un intervalo de 6 años.
La concentración de sílice permitida dentro de las calderas son como máximo 12ppm, en la
gráfica 4 correspondiente a la caldera 1, se observa que durante los años 2007, 2008 y 2009
la gran mayoría de las mediciones son menores a 8ppm, durante el 2010 y 2011 la sílice
comienza a aumentar y al obtener la media de las mediciones correspondientes a los años
mencionados se tiene un valor de 4, pero en el 2012, la media muestral tiene un incremento
mayor a 6, complementando lo anterior, en el 2012 las concentraciones de sílice sobrepasan
el intervalo permitido dentro de la caldera continuamente.
6
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8
9
10
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12
MED
ICIó
N (
pH
)
Fecha
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Figura 3. Mediciones de pH de agua de caldera No. 2 en un intervalo de 6años.
De las gráficas anteriores, se observa que en la caldera No. 2 se tiene una tendencia
parecida a la caldera No. 1 en lo referente al incremento de las concentraciones de sílice. La
gráfica 4 muestra que en los primeros 5 años la sílice está controlada, ya que la mayoría de
las mediciones está por abajo del intervalo máximo permitido y la media para estos años es
de 5, sin embargo en el 2012 la media se incrementó hasta 10. En consecuencia las líneas
de tendencia de las dos gráficas tienen una pendiente positiva.
6
7
8
9
10
11
12
MED
ICIó
N (
pH
)
Fecha
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Figura 4. Mediciones de SiO2 de agua de caldera 1 en un intervalo de 6 años.
Vapor: Las mediciones de pH del vapor son importantes pues si tienden a ser ácidas podría
favorecer la polimerización de la sílice. En las gráficas 5 y 6 se muestran las mediciones de
pH del vapor de 19 y 45 Kg/cm2 las cuales tienen una media arriba de 8.5, es decir casi
neutro. Con estos valores de pH el ácido silícico no es ionizable al 100%.
Condensados: El vapor exhausto se condensa para ser almacenado y reutilizado en la
generación de vapor, como medida preventiva se toma muestra en dos puntos de la línea de
condensado; a la salida del condensador y en el tanque de almacenamiento. La gráfica 7
muestra las mediciones de sílice a la salida del condensador, se observa que menos de 2%
del total de los datos está por debajo de 0.1 ppm de SiO2, y la media muestral es de 0.025
ppm, esto significa que la concentración de sílice en el condensado es muy baja.
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
22.5
25M
EDIC
IóN
(p
pm
de
SiO
2)
Fecha
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Figura 5. Mediciones de pH en el vapor de 19 Kg/cm2.
Figura 6. Mediciones de pH en vapor de 45 Kg/cm2.
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
MED
ICIó
N (
pH
)
Fecha
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
MED
ICIó
N (
pH
)
Fecha
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Figura 7. Mediciones de SiO2 del vapor condensado.
Después de observar el comportamiento del proceso de producción de agua
desmineralizada, se pueden comparar si la calidad del agua producida es la mínima
necesaria para su alimentación a la caldera de alta presión. Para esto se obtuvieron la media
muestral y la varianza muestral para garantizar que la comparación sea real respecto a la
producción diaria de agua y vapor.
Se tomaron datos de análisis de lecho mixto, deareador y condensados, pues son éstos los
puntos del proceso que alimentan a la caldera. Se comparan los parámetros que coinciden
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
MED
ICIO
N (
pp
m d
e S
iO2)
Fecha
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entre las especificaciones de agua de alimentación a calderas reportada y los parámetros
que se han analizado en este trabajo, los cuales son pH, sílice y dureza.
Tabla 2. Comparación de parámetros de calidad según la especificación ASME y los datos
reales obtenidos en la industria.
Se observa en la tabla comparativa que el proceso cumple con la calidad del agua requerida
en el proceso de producción de vapor.
Por otra parte el vapor que se produce tiene pH de arriba de 8 con una concentración
promedio de sílice de 0.03ppm, si aumenta esta concentración puede ocasionar la reducción
de la eficiencia de las turbinas de vapor pues se forman depósitos cristalinos e
incrustaciones duras en los alabes de ésta.
CONCLUSIONES
Parámetro de calidad en
agua de alimentación.
Parámetros de calidad
según ASME*
Parámetros de calidad
dentro de la industria
Media
muestral
Varianza
muestral
Conductividad [µS/cm] <2 0.732 0.09
Sílice (ppm)
(alimentación)
0.02-0.01 0.029 0.0008
Sílice (ppm)
(caldera)
≤20 4.68 10.69
Dureza (ppm de CaCO3) 0 0 0
pH ≤9 8.73 4.21
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La reducción en la eficiencia de las turbina de vapor es debido al vapor que sale de la
cadera tiene las características de presión y temperaturas más altas en todo el ciclo de la
producción y por esta razón la sílice presente en la caldera se fuga con el vapor y dicho
vapor al pasar a través de la turbina pierde presión y temperatura por lo que el vapor pierde
la habilidad de mantener en solución la sílice y demás impurezas dando como resultado su
precipitación y deposición en la turbina.
En las calderas se observa una media del pH de aproximadamente 9, este parámetro se
encuentra dentro de lo especificado por los parámetros de calidad de la ASME y de la
industria. Por otra parte, las mediciones de pH de vapor se encuentran dentro de los
parámetros de calidad ya que tienen un valor promedio de 8.5.
En cuanto a los condensados la concentración de sílice resultó en una media de 0.025ppm
lo que indica una concentración muy baja.
El impacto en la eficiencia de la caldera debida a las incrustaciones es mayor en las zonas
de alta presión, y depende del espesor de ésta. La pérdida de eficiencia es la consecuencia
grave de lo ya mencionado.
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