MANUAL - VAPENSA

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TRATAMIENTO DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO
La mayor parte del agua empleada con fines industriales se usa para enfriar un
producto o un proceso. La disponibilidad del agua en la mayoría de las áreas
industrializadas y su gran capacidad calorífica han hecho del agua el medio de transferencia
de calor favorito en las aplicaciones industriales y de servicios. El enfriamiento directo con
aire está hallando un uso creciente, sobre todo en áreas donde el agua escasea, pero todavía
está muy atrás del agua en número total de aplicaciones y en la carga total de transferencia
de calor.
Durante los años recientes, el uso del agua para enfriamiento se ha puesto bajo una
vigilancia creciente tanto desde el punto de vista ambiental como desde el conservacionista
y como resultado, los patrones de uso del agua de enfriamiento están cambiando y
continuarán haciéndolo. Por ejemplo , en muchos sistemas pasa el agua de enfriamiento a
través del sistema de planta, sólo una vez, y se regresa a la cuenca. Esto crea una tasa
elevada de retiro de agua y añade calor a la corriente receptora. Por otra parte, las torres de
enfriamiento permiten la reutilización dela agua hasta tal punto que en la mayor parte de los
sistemas de enfriamiento evaporativo modernos en que se emplean torres de enfriamiento
se reducen las tasas de toma de la corriente en más de un 90%. Esto reduce en forma
importante la entrada de calor a la corriente, pero no al ambiente, puesto que el calor se
transfiere al aire.
Estos cambios en el diseño y en la operación de sistemas de agua de enfriamiento
tienen un impacto profundo en la química dela agua puesto que esta influye en el potencial
de corrosión, depositación y ensuciamiento en el sistema. En este capítulo se revisan las
operaciones industriales que usan agua con fines de enfriamiento, los problemas de
corrosión incrustación y ensuciamiento en estos sistemas y en como estos afectan a la
producción de la planta, tanto por la pérdida de transferencia de calor, como por fallas en el
equipo, o por ambas causas. Además se examinan varios conceptos sobre el tratamiento del
agua de enfriamiento y se analizan los procedimientos de control requeridos para el éxito
del tratamiento.
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TRANSFERENCIA DE CALOR:
La transferencia de calor es tan solo el movimiento del calor de un cuerpo a otro, la
fuente es el cuerpo más caliente y el más frío, el receptor. En los sistemas de agua de
enfriamiento el producto o proceso que se enfría es la fuente y el agua de enfriamiento el
receptor.
En general, el agua de enfriamiento no entra en contacto directo con la fuente, los
dos materiales se suelen separar por una barrera que permite el paso del calor de la fuente al
receptor se llama superficie de transferencia de calor, y el conjunto de barreras en una
recipiente de contención es un cambiador de calor.
En muchos cambiadores industriales de calor tanto la fuente como el receptor son
líquidos . Sin la fuente es vapor de agua o algún otro que esté licuado, el cambiador de
calor se conoce como condensador, si el receptor es un líquido que esté vaporizado, el
cambiador recibe el nombre de evaporador.
El tipo más sencillo de cambiador de calor consiste en un tubo o tubería colocado
concéntricamente dentro de otro, llamado coraza. Este se denomina cambiador de doble
tubo. En este cambiador simple el líquido de proceso fluye a través del tubo interior y el
agua de enfriamiento a través del anillo entre los tubos. El calor fluye cruzando al pared
metálica que separa los fluidos. Puesto que ambos fluidos pasas a través del cambiador una
sola vez, este arreglo se conoce como cambiador de calor de un solo paso. Si ambos
líquidos fluyen en la misma dirección, el cambiador es paralelo o de flujo corriente si se
mueven en direcciones opuestas, el cambiador es del tipo de contracorriente.
Progresando a a partar de este cambiador, se diseñan unidades mas elaboradas para
mejorar la eficiencia del proceso de intercambio de calor. El protector y la fuente podrían
colocarse en cualquier lado de la barrera.
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Otro dispositivo simple de intercambio de calor es el reactor con chaqueta, en donde
el agua de enfriamiento pasa por el espacio que está entre las dobles paredes de un reactor
para reacción química retirando calor del proceso. Este diseño es como el de una botella
termo, pero en este caso, la doble pared se usa para quitar calor y no para aislamiento.
Eliminación del calor indeseable.
Una vez que el receptor cumple con su cometido y enfría la fuente, contiene calor
que debe ser disipado. Esto se logra transfiriendo calor al ambiente. En los sistemas de un
solo paso el agua fría se saca, se calienta y se regresa a una corriente receptora, la cual a su
vez se pone más caliente. En este tipo de sistema, cada libra (0.454 kg) de agua de
enfriamiento se calienta 1o F (0.56oC)por cada Btu (0.252 cal) quitado a la fuente.
En los sistemas abiertos de recirculación, el agua se evapora este cambio de fase
líquido a gas descarga calor a la atmósfera en vez de hacerlo a una corriente. El agua que
se evapora disipa alrededor de 1000 Btus por libra (555 cal/kg) de agua convertida en
vapor. Cuando se usa la evaporación en el proceso de enfriamiento, esta puede disipar de
50 a 100 veces mas calor al ambiente por unidad de agua que un sistema no evaporativo.
Transferencia de calor sensible:
Las dos maneras mas comunes para transferir calor de una fuente a un receptor en el
proceso de intercambio de calor son la conducción y la conversión. El calor fluye de una
fuente a través de una superficie de intercambio de calor hacia el otro lado, por conducción.
Entonces se quita el calor de esta superficie caliente por contacto directo con el agua de
enfriamiento, también por conducción. Después esta agua calentada se mezcla con otra
agua más fría en un proceso de transferencia de calor llamado convección.
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Los cinco factores que controlar la transferencia de calor conductiva son:
1.
Las característica de transferencia de calor (conductividad térmica) de la barrera.
2.
El espesor de la barrera de transferencia de calor.
3.
El área superficial de la barrera.
4.
La diferencia de temperatura entre la fuente y el agua de enfriamiento (la fuerza
accionadora).
5.
Los depósitos aislantes en cualquier lado de la barrera.
De estos cinco factores, los tres primeros dependen del diseño del cambiador. Los
puntos cuatro y cinco con característica de operación que cambian según condiciones de
servicio. Los depósitos en cualquier lado de la barrera metálica tienen una conductividad
térmica menor que la del metal mismo, por lo que la tasa de conducción del calor se reduce
por cualquier depósito. Por ejemplo, un depósito de 0.1 pulg (0.25 ms) de incrustación de
carbonato de calcio sobre la pared del tubo de un cambiador de calor puede reducir la tasa
de transferencia de calor hasta en un 40%.
Esta reducción significa que el agua de enfriamiento no puede quitar suficiente calor
de la fuente según lo requiera el proceso . Por lo tanto, la producción debe hacerse más
lenta o el flujo de agua de enfriamiento debe aumentarse para mantener la misma tasa de
enfriamiento que prevalecía antes de que se desarrollara el ensuciamiento. Con frecuencia,
esto último no es posible.
Diseño del cambiador de calor:
En el cambiador de calor sencillo de un solo paso mencionado antes, ambos fluidos
pasan a través del cambiador una sola vez, así que este es conocido como cambiador de un
solo paso. El arreglo a contracorriente en el cual los líquidos, fuente y receptor, fluyen en
direcciones opuestas es superior al diseño a corriente porque proporciona una mayor fuerza
accionadora (medida como la diferencia media de temperatura) para las mismas
temperaturas terminales, una menor área de superficie puede transferir la misma cantidad
de calor. Por lo tanto, los cambiadores de coraza y tubo a contraflujo, se encuentran con
mayor frecuencia debido a que puede transferirse mas calor para un conjunto de
condiciones dado.
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La principal desventaja del cambiador de doble tubo es la pequeña superficie de
transferencia de calor proporcionada por un solo tubo respecto al espacio total requerido
para la instalación. Para compensar esta limitación, en los cambiadores modernos se
aumenta el área efectiva de la superficie de transferencia de calor usando tubos múltiples en
la coraza. Esto permite un contacto mas íntimo entre al fuente y el receptor. También, en
la mayor parte de los cambiadores industriales de calor se emplean diseños de paso
múltiple. Ambas técnicas combinan la transferencia eficiente del calor con el tamaño
práctico del equipo. En casi todas las unidades de este tipo, el agua fluye por el interior de
los tubos, con los fluidos de proceso en el lado de la coraza, fuera de los tubos. Sin
embargo hay notables excepciones y cualquier investigación sobre el funcionamiento de un
cambiador de calor debe comenzar con la identificación de los fluidos del lado de la coraza
y del de los tubos. Por conveniencia este texto se concentra en el flujo convencional, con
el agua de enfriamiento en los tubos y el fluido de proceso en la coraza.
En el diseño de cambiadores de calor, el ingeniero obtiene de los manuales las tasas
de transferencia de calor en Btu por hora, por pie cuadrado de superficie, por pulgada de
espesor de barrera , por grado de diferencia de temperatura o U1 = Btu / h pie2 / pulg /oF
(cal/h/m2/cm/oC). Para un tamaño dado de tubo de intercambio de calor, que puede estar
uniformado en diseños específicos como condensadores, puesto que el espesor de la pared
del tubo es conocida, la tasa de transferencia puede acortarse a:
U2 = Btu / h / pie2/ oF
= (cal/h/m2/oC)
La expresión puede reducirse todavía más, para condiciones de temperatura de proceso fijas
a:
U3 = Btu / h / pie2
= (cal/h/m2)
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Y finalmente, un cambiador dado en una aplicación fija en la que aparecen pocos
cambios en las condiciones de temperatura podría tasarse simplemente en transferencia
total de calor en Btu/ h (cal/h). Si el flujo de calor en Btu / h se necesita una investigación
para determinar si esto se debe a un cambio en las condiciones de temperatura, a depósitos
aislantes, a tubos tapados o a algún otro factor.
En la mayor parte de los cambiadores de calor de proceso los flujos de calor
promedian 5000-6000 Btu /h/pie2 (120-150 cal/h/m2). Sin embargo el flujo de calor en
algunos cambiadores pasa de 30000 Btu/h/pie2 (750 cal/h/m2) cuando el vapor se condensa
en el lado del proceso. Las tasas de transferencia varían también considerablemente con las
velocidades del flujo de agua.
La temperatura del agua de enfriamiento varia a través de la sección transversal del
tubo, y el agua más caliente es la que está en contacto con la pared del tubo. La
temperatura de la pared del tubo, llamada temperatura de la piel, es importante para el
diseño de los programas de tratamiento químico. Por ejemplo, en los lugares en donde se
presentan altas temperaturas de piel superiores a 2000F (93oC), se pueden encontrar las
localizaciones más probables para la formación de incrustaciones y para la corrosión.
Muchos compuestos que se encuentran en los depósitos formados en el agua son menos
solubles a temperaturas elevadas, y las reacciones de corrosión se realizan mas rápidamente
a altas temperaturas.
La velocidad del agua de enfriamiento del lado del tubo se mantiene por lo general
arriba de 2-3 pie /seg (0.6-0.9 m/seg) y hasta 7-8 pie / seg (2.1-2.4 m/seg) para ayudar a
mantener las paredes de los tubos libres de depósitos en los tubos por la sedimentación de
sólidos suspendidos. En un haz de tubos, es probable que sólo uno tenga una baja
velocidad a causa de taponamiento o mala distribución.
En ocasiones, las altas presiones en el lado del proceso hacen que sea más
económico diseñar el cambiador con el agua de enfriamiento en el lado de la coraza. Un
gran problema en tales cambiadores son las bajas velocidades de flujo que se encuentran
frecuentemente alrededor de las mamparas, de los soportes de los tubos y del cabezal de
tubos, aun cuando la velocidad promedio de flujo a través de la coraza parezca aceptable.
Estas áreas de baja velocidad aumentan mucho el potencial para los depósitos ;y el
deterioro rápido del metal. Por ejemplo, se ha sabido de cambiadores de acero suave con
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agua en el lado de la coraza que fallan debido a perforaciones en un tiempo tan corto
como tres meses, aun en presencia de un fuerte inhibidor de corrosión, como el cromato.
Existen tres tipos básicos de sistemas de agua de enfriamiento : de un solo paso de
recirculación, cerrados (no evaporativos) y de recirculación, abiertos (evaporativos).
Enfriamiento de un solo paso:
El agua de un solo paso se toma del abastecimiento de la planta, se pasa a través del
sistema de enfriamiento y se regresa al cuerpo receptor de agua. Se ha tomado calor de la
fuente. La característica principal de los sistemas de un solo paso es la cantidad
relativamente grande de agua que se usa por lo general para enfriamiento. Un diagrama de
flujo simple para un sistema de agua de enfriamiento de un solo paso.
Los principales problemas que se encuentran del lado del agua y de los metales en el
sistema. La corrosión causa fallas prematuras en el metal, los depósitos de los productos de
la corrosión reducen tanto la transferencia de calor como las tasas de flujo.
Incrustación es causada por la precipitación de compuestos que se vuelven
insolubles a temperaturas mas altas, como el carbonato de calcio. La incrustación interfiere
con la transferencia de calor y reduce el flujo.
Ensuciamiento resulta de la sedimentación de sólidos suspendidos, productos de
corrosión y masas microbianas. El ensuciamiento tiene el mismo efecto que la incrustación
sobre el sistema, pero también causa severa corrosión bajo los depósitos.
El tratamiento del agua de enfriamiento de un solo paso sigue los principios básicos
usados en la resolución de todos los problemas del agua de enfriamiento. El primer paso
consiste en identificar en forma adecuada el problema como incrustación, corrosión,
ensuciamiento o combinaciones de estos factores.
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El siguiente paso consiste en hacer una inspección completa para entender tanto el
lado del proceso como el del agua del sistema. Esto establece el diseño del sistema, las
características de operación y la química del agua, consideraciones importantes para la
selección y aplicación de un programa de tratamiento económico y confiable. Se
consideran en forma especial los sistemas restringidos a tratamientos específicos, el
potencial para que el agua se contamine con el proceso o con el producto puede impedir el
empleo del tratamiento mas efectivo. En algunos sistemas de un solo paso se usa el agua de
la planta tanto para beber como para enfriar, por lo que se necesitan productos químicos
que sean seguros para uso potable.
Una programa típico de tratamiento químico para control de corrosión puede
emplear varios tipos de fosfatos inorgánicos solos o sinergizados con zinc, con otros iones
inorgánicos, o con silicatos. Cuando se aplican a los bajos niveles requeridos para el
tratamiento económico de los sistemas de un solo paso, estos materiales no forman una
película visible sobre la superficie metálica, sin embargo pueden reducir la velocidad de
corrosión hasta en un 90% en comparación con los sistemas no tratados. Se da protección
contra la corrosión porque los productos químicos actúan en el punto de pérdida potencial
de metal, obstaculizando la reacción de corrosión y reduciendo por lo tanto la cantidad de
metal removido de la superficie.
Cuando la incrustación representa un problema, con mucha frecuencia es
carbonato de calcio que resulta de un cambio en el índice de estabilidad del agua. Otras
incrustaciones que se encuentran con frecuencia incluyen hierro y maganeso.
Hay dos enfoques básicos para la prevención de incrustaciones de carbonato de
calcio sobre las superficies de transferencia de calor y en las líneas de distribución.
1.
Interferir con los iones potencialmente incrustadores y prevenir el crecimiento de
cristales. Los polifosfatos inorgánicos y los compuestos organo-fosforados se usan
normalmente solos o juntos para este propósito (tratamiento umbral). En ocasiones se usa
ácido para ajustar el índice de estabilidad del agua impidiendo, por lo tanto, la incrustación
CaCO3. El ácido no controlará las incrustaciones de hierro y de manganeso.
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Por lo general este no es el método más económico para tratar sistemas de un solo paso de
grandes volúmenes en cuanto a la prevención de incrustaciones de CaCO3.
2.
Acondicionar los núcleos de los cristales para impedir su crecimiento sobre las
superficies de transferencia de calor y las línea de transmisión. En este proceso de
modificación del cristal se usan varios compuestos de tipo acrilato, compuestos fosfatados tanto orgánicos como inorgánicos - y compuestos orgánicos naturales.
El ensuciamiento, depositación de partículas o masas microbianas, es un complejo
mecanismo gobernado por variables como el tamaño y la carga de partículas, la velocidad,
composición y temperatura del agua, y las poblaciones bacterianas. Un enfoque para el
manejo de este problema es el acondicionamiento de los ensuciadores según se desarrollen
aplicándoles varios compuestos de acrilatos, agentes secuestrantes, productos orgánicos
naturales, materiales organo-fosforados, y agentes específicos de control bacteriano , y
después arrastrando agua el material acondicinado fuera del sistema. El éxito de este
enfoque depende de que las velocidades dela agua sean las adecuadas en todo el sistema.
El área de baja velocidad, como las de los cambiadores en el lado de la coraza, las de las
chaquetas de los reactores, y las de las chaquetas de las compresoras, son susceptibles de
acumular algo de lodo y pueden no prestarse a la protección.
Un segundo enfoque incluye la dispersión de los sólidos suspendidos en partículas
diminutas, impidiendo así su aglomeración en partículas suficientemente grandes que se
sedimentarían de inmediato separándose del agua. Estas pequeñas partículas se pueden
transportar mas fácilmente a través del sistema. La selección del mejor dispersante para
este propósito depende del problema por resolver. Cada material potencialmente
depositable (arena, sedimento, arcilla, productos de corrosión) requiere de un producto
químico específico aplicado en una dosis suficiente para dispersar el ensuciador específico.
Entre los productos químicos que se usan con frecuencia están agentes tensoactivos,
acrilatos, polímeros de alto y bajo peso molecular tanto aniónicos como catiónicos y no
iónicos, agentes secuestrantes, y compuestos organofosforados.
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La mayor parte de los problemas de ensuciamiento en todos los tipos de sistemas de
enfriamiento se complican por la actividad microbiana. Los depósitos de lama sobre los
tubos , no solo interfieren con la transferencia eficiente del calor, sino que actúan como
una trampa enredando sólidos suspendidos impidiendo todavía más la transferencia de
calor. Además los subproductos del metabolismo bacteriano influyen sobre la química del
agua, incluyendo la tendencia para que se formen incrustaciones o para que se corroan los
metales. El uso apropiado de biocidas y biodispersantes puede representar un paso
importante hacia la solución del problema de ensuciamiento del paso único.
Rara vez se presentan la corrosión, la incrustación y el ensuciamiento en forma
independiente uno de otro. Por lo general se desarrollan dos o todos juntos causando una
pérdida en la transferencia de calor y una pérdida prematura de metal. Por ejemplo, el
ensuciamiento microbiano puede hacer que ocurran incrustación y corrosión, la corrosión
puede contribuir al ensuciamiento por hierro y propiciar que ocurra más corrosión. Para
romper este ciclo, es importante identificar adecuadamente el problema para seleccionar
una solución práctica y económica para cualquier problema de depósitos.
Sistemas cerrados de recirculación:
Un sistema cerrado de recirculación es uno en el que el agua se recircula en un
circuito cerrado en el que son despreciable tanto la evaporación como la exposición a la
atmósfera o a cualquier influencia que pudiera afectar la química del agua en el sistema en
el sistema. Estos sistemas requieren por lo general altos niveles de tratamiento químico, y
puesto que las pérdidas de agua son despreciables, estos niveles son económicos. Por lo
común se usa agua de reemplazo de alta calidad para la mejor operación del sistema. Estos
sistemas se emplean con frecuencia para aplicaciones críticas de enfriamiento , como la
colada continua en la industria del acero en donde el menor depósito de cualquier origen
podría causar fallas en el equipo.
El calor se transfiere al circuito cerrado de agua de enfriamiento por medio de un
equipo típico de intercambio de calor y retira del circuito del sistema cerrado por un
segundo intercambio de calor desde el secundario se podría usar enfriamiento de agua tanto
evaporativo como de un solo paso, o bien enfriamiento de aire.
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La velocidad del agua en los sistemas cerrados está por lo general en el intervalo de
3-5 pies/seg. (0.9-1.5 m/seg). El aumento de temperatura es, por lo común de 10-15oF (690C) en promedio, aunque en algunos sistemas puede ser substancialmente mayor. En
general, los sistemas cerrados requieren de poca o nula agua de reemplazo excepto para las
fugas del sello de la bomba, los derrames del tanque es expansión y la evaporación
superficial de los desfogues del sistema. Este reemplazo periódico requiere de un análisis
regular para controlar que sean correctos los residuos de los productos químicos del
tratamiento.
Los sistemas cerrados contienen , por lo general, una combinación de metales
diferentes, que dan un alto potencial para la corrosión galvánica. El potencial para el
ataque oxígeno es bastante bajo por lo común en sistemas cerrados, debido a la pequeña
cantidad de agua de reemplazo, que es la mayor fuente de oxígeno. Sin embargo, en los
sistemas que requieren una mayor cantidad importante de reemplazo debido a las pérdidas
de agua por fugas, se abastece de oxígeno. Sin embargo en los sistemas que requieren una
cantidad importante de reemplazo debido a las pérdidas de agua por fugas, se abastece de
oxígeno en forma continua y la corrosión de oxígeno presenta un serio problema. El
oxígeno a temperaturas elevadas, o en los puntos de alta transferencia de calor, puede
causar una severa corrosión por picaduras.
Debido a que en la mayor parte de .los sistemas cerrados de recirculación se añade
una cantidad relativamente pequeña de reemplazo , es práctico y deseable mantener el
sistema en una condición libre de corrosión. Esto se logra casi siempre por la aplicación de
tratamientos con cromatos, inhibidores de base nitrito/nitrato o del tipo de aceite soluble.
Teóricamente la incrustación debería representar un problema menor en un sistema
cerrado ya que el agua no se concentra por evaporación. En un sistema cerrado
herméticamente ninguno de los constituyentes que por lo común forman incrustaciones se
deposita sobre las superficies metálicas para interferir con la transferencia de calor o para
alentar la corrosión.
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No obstante, con altas tasas de reemplazo, se forma incrustación adicional con cada
nuevo incremento de agua añadida, de modo que, con el tiempo la incrustación se vuelve
significativa. Además hay oportunidad de que los lodos, el orín y los sólidos suspendidos
se depositen en los puntos donde el flujo es bajo y se cuezan sobre las superficies de
transferencia de calor formando depósitos duros. Por lo tanto, los retardadores de
incrustación y los dispersantes se suelen incluir como parte del programa de tratamiento de
los sistemas cerrados cuando las tasas de reemplazo son altas. A menudo se usa agua
blanda o condensado para el reemplazo en sistemas cerrados, según las característica del
sistema que se esté protegiendo.
Debido a que el agua que circula a través de un sistema cerrado no está expuesta a la
atmósfera , es raro que haya ensuciamiento por sedimentos transportados por el aire y las
arenas son escasas. Sin embargo, el ensuciamiento por masas microbianas puede ocurrir
en los sistemas cerrados en lo que la tasa de reemplazo es importante o en los que las fugas
del proceso fomentan los crecimientos bacterianos. Estos de controlan con agentes de
control biológico formulados de manera que sean compatibles con los tratamientos
químicos y con las condiciones de operación que se encuentran en los sistemas cerrados.
Como parte del mantenimiento de rutina es deseable lavar los sistemas cerrados de
agua acumulados si las tasas de reemplazo son elevadas.
Sistemas abiertos de recirculación:
En un sistema abierto de recirculación se incorpora una torre de enfriamiento o un
estanque de evaporación para disipar el calor retirado de proceso o del producto. Un
sistema abierto de recirculación toma agua del estanque o de la laguna de una torre de
enfriamiento, la pasa a través de equipo de proceso que requiera enfriamiento, y luego la
regresa a través de la unidad de proceso que requiera enfriamiento, y luego la regresa a
través de la unidad de evaporación, donde el agua evaporada enría el agua que queda. El
sistema abierto de recirculación repite este proceso de reutilización tomando suficiente
reemplazo de agua fresca para compensar el agua evaporada, así como la purgada del
sistema para controlar el carácter químico del agua de recirculación. Esto reduce mucho la
demanda de agua (por ejemplo la retirada de un río) y la descarga.
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Las siguientes definiciones se usan para explicar la operación de un sistema
evaporativo y para permitir al operador de la planta que calcule el rendimiento.
1.
Tasa de recirculación (Qc). El flujo de agua de enfriamiento que se bombea a
través de todo el circuito de enfriamiento de la planta, que por lo general se enfría un cierto
número de cambiadores. Por lo común Qc puede estimarse a partir de los datos de la placa
de identificación de la bomba de recirculación , sin embargo las mediciones reales son más
exactas. Rara vez la recirculación real es mayor que la de los datos de la placa de
identificación, y con frecuencia puede ser 10-20% menor , En la curva de una bomba, que
generalmente se obtiene del fabricante, se gráfica el flujo de recirculación contra la carga,
un medidor de presión en la descarga de la bomba debería dar una estimación
razonablemente exacta del flujo.
2.
Diferencia de temperatura (  T). Este término se refiere a la diferencia entre la
temperatura promedio del agua que regresa a al torre desde los cambiadores de la planta
(T2) y la temperatura promedio del agua después de la evaporación (T1) (estanque de la
torre).
3.
Evaporación (E). El agua perdida a la atmósfera en el proceso de enfriamiento
(gpm (m3 / min ). La tasa de evaporación depende de la cantidad de agua que se esté
enfriando (Qc) y de la diferencia de temperatura,  T. En primera aproximación por cada
100F (5.60C) de disminución de temperatura a través del proceso de evaporación, se
evapora 1% de la tasa de recirculación. Por lo tanto, una  T de 200 F (11.10C) a través de
una torre de enfriamiento, produce una pérdida por evaporación de 2% de la tasa de
recirculación (0.02 Qc = E).
E = Qc X (T2 - T1)
1000
E = Qc X (T2 - T1)
560
(métrico)
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La cantidad de evaporación limitada por la humedad relativa del aire. La humedad
relativa se determina midiendo las temperaturas de bulbo húmedo y seco del aire.
4.
Relación concentración (RC): El reemplazo que entra a un sistema de agua de
enfriamiento de recirculación contiene impurezas disueltas. El agua de evaporación
produce vapor puro de H2O, dejando atrás estas impurezas. La relación de las
concentraciones de sales de agua de circulación (CB) y las del reemplazo (CM) es la relación
concentración.
RC = CB / CM
Puesto que los sólidos que entran deben ser iguales a los que salen.
M X CM = B X C B
donde M es el flujo de reemplazo y B representa la pérdida de agua concentrada.
Por lo tanto la relación de concentración es también:
RC = M / B
La RC debía calcularse para un cierto número de componentes individuales en el
agua debido a las interferencias:
a.
La RC sería anormalmente elevada si se basara en un constituyente añadido al
sistema. Por ejemplo el Ca2+ disminuye si se están formando incrustaciones de CaCo3 o de
CaSo4, el SiO2 disminuye si se precipita o si se quita por adsorción sobre los precipitados
de hierro.
Debido a esto, resulta útil calcular la RC para cada constituyente en el análisis
completo del agua. A un pequeño grado de concentración reduce enormemente la
demanda de agua, y mientras mayor es la RC menor es la demanda, según se va alcanzando
la tasa de evaporación como límite.
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5.
Reemplazo (M): Es el flujo de agua requerido para reemplazar el agua perdida por
evaporación más la que se pierde por la purga, por el arrastre de la torre, y por otras
pérdidas variadas. En general se mide por un medidor de flujo, si no puede calcularse
como se muestra a continuación:
M = E X RC
RC - 1
6.
Purga (B): Puesto que el vapor de agua puro se descarga por evaporación, los
sólidos disueltos y suspendidos que quedan atrás se concentran. Si no hubiera otra pérdida
de agua que la de evaporación, estos sólidos se concentrarían hasta formar una salmuera
que causaría incrustación masiva y corrosión. Para compensar esto, se sangra un flujo
regulado del sistema de circulación. Esta purga (BR) se calcula y se controla para remover
sólidos a la misma tasa a la que se introducen por el reemplazo.
Existen otras perdidas no reguladas del sistema. Una es el arrastre (BD) otras son las
filtraciones (BL) a veces deliberadas pero accidentales, por lo general. Estas se incluyen en
el cálculo de la purga total,
B = BR + BD + BL
Así la purga se relaciona con otros factores :
B= M-E
Y
B = M/RC
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7.
Arrastre (BD): Aunque el agua de evaporación es pura, algunas gotitas escapan
como niebla a través del equipo de evaporación. En las torres de enfriamiento modernas,
pueden añadirse eliminadores de niebla y de arrastre muy complicados para reducir esta
pérdida de gotitas a alrededor de 0.0005% de la tasa de recirculación. Una pérdida por
arrastre más común en las torres convencionales de enfriamiento está en el intervalo de
0.05-0.2% de pérdida basada en la tasa de recirculación. Puesto que el arrastre contiene
sólidos disueltos es realmente una porción de la purga. En ausencia de una purga
controlada, como cuando la válvula de purga se cierra deliberadamente, el arrastre establece
la máxima relación de concentración en ausencia de otras pérdidas en el sistema.
8.
Pérdidas en el sistema (BL): . Se puede perder agua de circulación en la planta a
través de filtraciones en la bomba o en las válvulas , por derivación para enfriar con un solo
paso los collarines de la bomba, las chaquetas o los cojinetes de la compresora, por
extracción para usos como lavado del equipo o del área del piso cuando la línea de agua de
enfriamiento se halla cerca de los lugares donde se necesita agua. En muchas plantas, se
saca agua de la torre de recirculación con tantos fines que es imposible aumentar la relación
de concentración a más de 1.2-1.5. Esto limita mucho la selección de un programa
económico de tratamiento químico e impide una conversación efectiva del agua.
9.
Capacidad de retención del sistema (V): Por lo general la mayor parte del agua en
un sistema está contenida en el estanque de la torre de enfriamiento o en el estanque de
rocío. Se puede obtener una aproximación de la capacidad de retención calculando el
volumen de agua en el estanque y añadiendo un 30-40% extra para el agua contenida en las
líneas y en el equipo. Pueden necesitarse aumentos adicionales si el sistema tiene un
número desacostumbradamente grande de condensadores de caja abierta, de reactores
enchaquetados, o de hornos con una capacidad importante de retención de agua.
10.
Tiempo / ciclo (t): Un ciclo c se define como el tiempo requerido por el agua para
hacer un viaje alrededor del circuito de circulación. Este tiempo es una función de la
capacidad de retención y de la tasa de recirculación.
t = V / Qc
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11.
Indice del tiempo de retención (ITR): El índice del tiempo de retención es una
expresión de la vida media de un producto químico de tratamiento añadido a un sistema de
enfriamiento evaporativo. Matemáticamente, este índice representa el tiempo requerido
para diluir un producto químico añadido hasta un 50% de su concentración original después
de que se suspende la adición del producto. También es el tiempo requerido para
concentrar al doble los sólidos del reemplazo. Este es un factor importante al fijar los
límites de control donde la alimentación de productos químicos puede interrumpirse.
También es importante para establecer una dosificación efectiva para los agentes de control
biológico, los que se alimentan como proyectiles en el sistema. Una curva de dilución para
un producto químico alimentado como proyectil en un sistema de torre de enfriamiento.
Cálculo del índice del tiempo de retención. Se necesitan los datos siguientes:
tasa de recirculación, caída de temperatura, relación de concentración y capacidad de
retención del sistema.
1.
Cálculo del tiempo / ciclo, t.
2.
De la tabla 38.1 determínese el número de ciclos  c  requeridos para
alcanzar la relación de concentración prevaleciente, basado en la caída de temperatura a
través de la torre o del estanque de rocío.
3.
Multiplíquese esto por el tiempo / ciclo para obtener el índice del tiempo de
retención expresado en minutos, divídase después entre 60 o entre 1440 para convertirlo en
horas o en días, respectivamente. El siguiente ejemplo ilustra este cálculo:
a.
Tasa de recirculación: los datos de la bomba muestran una tasa de
recirculación de 5.500 gpm (21 m3/min). Usese 5000 gpm (19 m3/min)
como una buena estimación de la recirculación total.
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TABLA 38.1 Ciclos requeridos para concentrar en ausencia de purga
Relación
Caída de temperatura a través de la torre.
de
concentración
100
200
300
1.1
6.5 ciclos
3.2 ciclos
2.1 ciclos
1.3
20.2
10.2
7.0
1.5
34.5
17.2
11.7
1.8
55
28
19
___________________________________________________
2.0
69
34
23
2.5
105
52
35
3.0
138
70
47
3.5
174
87
58
___________________________________________________
4.0
208
104
70
4.5
241
120
81
5.0
324
162
93
____________________________________________________
b.
Caída de temperatura:
1050F - 850F = 200F
(410C - 300C + 110C)
c.
Pérdida por evaporación: 200F (110C) es equivalente a una pérdida por
evaporación del 2%:
0.02 x 5000 = 100 gal/min de pérdida por evaporación
(0.02 x 19 = 0.38 m3 / min de pérdida por evaporación).
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d.
Relación de concentración Las pruebas en el reemplazo y en el agua de
recirculación muestran relaciones de concentración de 2.8 a 8.3.
La relación aproximada de concentración es 3.0 basada en magnesio y sílice,
puesto que el magnesio y la sílice se mantienen solubles al pH prevaleciente y a las
condiciones de concentración Tanto el cloro como el ácido sulfúrico se añaden al
sistema eliminando así el uso de Cl- y SO4-2 como indicadores válidos de la RC.
e.
Reemplazo:
M=E X
RC
RC - 1
M = 100 x 3 = 150 = gpm
2
(M = 0.38 x 3 = 0.57 m3/min)
2
f.
Capacidad de retención del sistema: Es estanque contiene 72000 gal (284
m ). Se estima que la capacidad total de retención del sistema es 100000 gal (379 m3).
3
g.
Tiempo / ciclo:
t = 10000 = 20 min
5000
t = 379 m3 = 20 min
19 m3/min
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h. Indice del tiempo de retención: Si RC = 3  T = 200F (110C), en la tabla 38.1
se muestran los ciclos promedio a 70; a 70 ciclos.
ITR = 70 x 20 1400 min. ó 23 H
Si se conoce la tasa de purga también puede usarse una versión simplificada para
calcular el índice del tiempo de retención”
ITR = 0.693 x capacidad de retención (gal)
purga (gal/min)
ITR = 0.693 x 10000 = 1 385 min
50
donde 0.693 = In 2.0 un número relacionado con la vida media en la definición
anterior.
Torres de enfriamiento:
Las torres de enfriamiento se diseñan para evaporar agua por contacto intimo de ésta
con el aire. Las torres de enfriamiento se clasifican según el método usado para inducir el
flujo de aire (de tiro natural o mecánico) y según la dirección del flujo de aire (ya sea a
contracorriente o de flujo transversal respecto al flujo descendente de agua).
Torres de tiro natural. En las torres de tiro natural el flujo de aire depende de la
atmósfera circundante, la que establece la diferencia en densidades entre el aire más
caliente dentro de la torre y la atmósfera externa., la velocidad del viento también afecta el
funcionamiento. La mayor parte de las torres de tiro natural en las instalaciones modernas
de servicios son de diseño hiperbólico., que se ha usado por muchos años en las
instalaciones europeas. Estas elevadas torres dan enfriamiento sin potencia de ventilador ,
y también reducen al mínimo los problemas de plumas y el arrastre.
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Torres de tiro mecánico: Las torres de enfriamiento de tiro mecánico usan
ventiladores para mover el aire en vez de depender del tiro natural o del viento. Esto
acelera el proceso de enfriamiento y aumenta la eficiencia de la torre al aumentar la
velocidad del aire sobre las gotitas de agua que caen a través de la torre. Las torres
mecánicas, por lo tanto pueden evaporar mucha más agua que las torres de tiro natural del
mismo tamaño.
Existen dos diseños de torres de tiro mecánico, las de tiro forzado y las de tiro
inducido. En las torres de tiro forzado los ventiladores montado en el lado de la torre
fuerzan al aire horizontalmente a través del empaque de la torre, produciendo un mezclado
íntimo del aire con el agua que cae.
Las torres de enfriamiento de tiro inducido, son a contracorriente o de flujo
transversal, con ventiladores en la parte superior que impulsan hacia arriba y
horizontalmente al aire de enfriamiento a través del agua que cae. La elección entre el tiro
forzado y el inducido se basa en consideraciones de ingeniería en las que se toman en
cuenta los patrones de clima dominantes. Una consideración importante es evitar la
recirculación de la descarga de aire caliente, la que reduciría mucho el buen
funcionamiento de la torre. La mayor ventaja de una torre a contracorriente está en que el
agua más fría entra en contacto con el aire más seco, dando la secuencia de evaporación
más eficiente.
TRATAMIENTO Y CONTROL
Cada sistema de agua de enfriamiento presenta una combinación única de equipo
química del agua, consideraciones de purga y de control. La selección adecuada de un
programa correcto de tratamiento de agua de enfriamiento requiere de la reunión de una
cantidad considerable de información. Esto es a menudo una labor esmerada debido a la
complejidad del equipo mecánico implicado y a las variaciones que se encuentran j en las
condiciones de operación.
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Datos del sistema de enfriamiento: Esta sección identifica los aspectos físicos del
sistema, como el número y el tipo de cambiadores de calor, los materiales de construcción
de los cambiadores de las tuberías, el tipo de torre, las temperaturas máximas del agua y del
proceso, las temperaturas de operación de la torre, y las características del sistema:
velocidades, reemplazo purgado e índice del tiempo de retención. Esta sección debería
complementarse con los diagramas de flujo del proceso y del agua así como con las
especificaciones completas sobre los cambiadores de calor críticos.
Química del agua de enfriamiento: Esta sección identifica el medio químico del
sistema. La información se divide en química del agua de reemplazo y en la de
recirculación, incluyendo una descripción de los procesos de pretratamiento y las fuentes y
tipos de contaminación del agua de recirculación. Las causas de que el agua de reemplazo
sea de mala calidad y de que existan fuentes persistentes de contaminación deben ser
examinadas éstas son críticas para el programa de tratamiento, por lo que la posibilidad de
corrección es un factor decisivo en la selección del programa.
Datos de transferencia de calor: Sección de examen está organizada en cuatro
partes:
1.
Monitoreo de los resultados, donde se define como se evalúa la transferencia de
calor, incluyendo el uso de testigos de corrosión y cambiadores de calor de prueba, datos
sobre cambiadores de calor de la planta que permitan el cálculo y monitoreo de las tasas de
transferencia de calor.
2.
Métodos de control, donde se indica como se controla la transferencia de calor, Por
ejemplo , un método común en muchas plantas consiste en estrangular el agua de
enfriamiento que entra a ciertos cambiadores durante el invierno para prevenir el
sobreenfriamiento del proceso. Sin embargo, el estrangulamiento reduce las velocidades y
promueve el ensuciamiento, lo que lleva a una pérdida de transferencia de calor que no
siempre puede recuperarse reabriendo la válvula estrangulada. Otros métodos alternos de
control deberían considerarse de preferencia en vez del estrangulamiento del flujo de agua.
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3.
Condiciones actuales, donde se definen las condiciones físicas del equipo de
intercambio de calor, inspeccionado durante el examen complementado esto por el análisis
de los depósitos de importancia. Esta información sirve de base para las recomendaciones
en cuanto a limpieza preacondicionamiento de las superficies metálicas, y la aplicación y la
aplicación de productos químicos para el mantenimiento adecuado del sistema.
4.
Procedimiento de limpieza. Esto incluye los procedimientos mecánicos y químicos
que se emplean de manera normal.
Consideraciones sobre el afluente de la planta. Algunos sistemas de enfriamiento
se sangran directamente hacia una corriente receptora, otros hacia varias clases de procesos
de tratamiento de desechos, y otros fluyen a los sistemas de drenaje municipal. Cada uno
impone consideraciones sobre la elección y aplicación de un programa de tratamiento
químico.
Monitoreo y tratamiento complementario del control. El control químico , el
monitoreo de los resultados y la acción correctiva se requieren para un programa efectivo
de tratamiento del agua de enfriamiento. Una gran variedad de herramientas analíticas y
dispositivas de monitoreo se hallan disponibles para ayudar al desarrollo y mantenimiento
de un programa químico que proporcione una operación eficiente.
La meta que proporcione es la identificación de problemas potenciales antes de que
ocurran . Las principales herramientas de diagnóstico incluyen:
1.
2.
3.
4.
5.
Análisis del agua (in-situ en laboratorio)
Análisis de los depósitos (orgánicos, inorgánicos y microbiológicos).
Dispositivos de monitoreo de corrosión y de depositación.
Análisis metalográficos.
Análisis microbiológicos.
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CONTROL DE LA CORROSION:
La corrosión en los sistemas del agua de enfriamiento de recirculación se controla
empleando uno o mas de cuatro inhibidores principales y una variedad de complementos
menores. Los cuatro inhibidores básicos son cromatos, zinc, ortofosfatos y polifosfatos.
Los complementos menores incluyen molibdatos, nitritos, nitratos, varios compuestos
orgánicos de nitroógeno, silicatos y productos orgánicos naturales.
Los primeros productos químicos para el tratamiento de aguas de enfriamiento de
recirculación fueron los polifosfatos inorgánicos y algunos materiales orgánicos naturales.
El concepto consistía en añadir una pequeña cantidad de ácido para controlar el índice de
estabilidad hasta un valor ligeramente formador de incrustación.
Los polifosfatos y los materiales orgánicos naturales se añadieron al programa para
proporcionar protección contra la corrosión e inhibición de incrustaciones. La inhibición
de incrustaciones se originó en el uso de los polifosfatos como tratamiento umbral.
Además el polifosfato se combinaba con el calcio para formar un inhibidor catódico que
reducía la tasa de corrosión. Los materiales orgánicos naturales tendían también a
mantener la superficie metálica relativamente limpia y ayudar al inhibidor en el
establecimiento de una película protectora. También dispersaban los sólidos suspendidos
y modificaban los precipitados de carbonato de calcio y fosfato tricálcico si tendían a
desarrollarse sobre las superficies calientes.
Este concepto de tratamiento de agua de enfriamiento se usa todavía en muchos
sistemas en operación. Si embargo, un aspecto crítico de este enfoque de tratamiento es la
conversión potencial del polifosfato a ortofosfato, si esto ocurre, los ortofosfatos
resultantes se combinan con el calcio para formar fosfato tricálcico. Esto puede ser muy
problemático si la cantidad precipitada es grande. Para hacer que esto sea mínimo, se
mantiene el agua e un pH relativamente bajo. Con este sistema el pH es difícil de controlar.
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El siguiente tratamiento de agua de enfriamiento fue el de cromato, un inhibidor de
corrosión excepcionalmente confiable. Al principio, el cromato se aplicaba en dosis muy
altas, con frecuencia en el intervalo de 200-300 mg ./l como CrO4. Se añadía ácido al
sistema para bajar el pH entre 6 y 7 y evitar la precipitación del carbonato de calcio. Este
tratamiento era muy efectivo tanto en la inhibición de incrustaciones como en la protección
contra la corrosión, pero tenía el inconveniente de que el ataque por picaduras tendía a
ocurrir si el residuo de cromato disminuía. Se halló que si el cromato se combinada con
otros inhibidores en particular con los de tipo catódico (por ejemplo zinc y polifosfatos), el
nivel de cromato podía reducirse a 20-30 ,g/1 de CrO4, con mejores resultados que los
obtenidos a 200-300 mg/1 CrO4 usado solo. En el enfoque del cromato sinergizado
también se empleaba ácido, controlando con frecuencia el pH entre 6 y 7 . Una ventaja
adicional del cromato sinergizado era el margen de seguridad que daba contra el ataque por
picaduras si el cromato se subalimentada momentáneamente.
Se considera que estas formulaciones de cromato sinergizado todavía se hallan entre
los mejores inhibidores de corrosión actualmente en uso. Sin embargo las crecientes
presiones ambientales están forzando el desarrollo de formulaciones innovadoras de
cromato sinergizado que permitan llevar los niveles de cromato en un sistema de
recirculación bastante por debajo de 10 mg/1 CrO4, sin dejar de dar protección aceptable
contra la corrosión. Para lograr resultados con este enfoque , el pH del sistema debe
controlarse con precisión, lo mismo que los dispersantes y biocidas usados para mantener
limpio el sistema. Una limitación obvia para este enfoque está en que no existe el almacén
de protección del que se dispone con los niveles más altos de CrO4. Por lo tanto, la
contaminación del proceso la actividad microbiana sin control, el ensuciamiento y la
depositación , perturbarán al sistema mucho mas rápidamente que a niveles mas
tradicionales de 20 a 30 mg/1 de cromato.
Aunque el cromato ha hecho un trabajo notable durante años, las crecientes
preocupaciones ambientales han ejercido presión impulsando a que se investiguen nuevos
inhibidores de corrosión que potencialmente tengan un menor impacto ambiental.
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Un primer resultado de estas investigaciones fue el desarrollo de combinaciones de
zinc y productos orgánicos. Puesto que el zinc, un inhibidor catódico tiene menor fuerza de
película que el cromato, el pH del sistema para un programa organo-zinc, se aumentó hasta
entre 7 y 8 para hacer que el agua fuera menos corrosiva. permitiendo que el zinc formara
una barrera inhibidora satisfactoria. La parte orgánica del tratamiento era un dispersante
para mantener al sistema libre de depósitos, alentando así la formación de una película
adecuada de zinc. Además de dispersar, algunos tipos de productos orgánicos aumentaban
la solubilidad del zinc al mayor pH requerido para este método de tratamiento. Estos
programas fueron adecuados en muchas plantas industriales, pero debido a que la película
inhibidora no era tan efectiva como la de cromato al pH de operación dichos programas no
reemplazaron en forma importante a los tratamientos tipo cromato tradicionales.
Más tarde llegó un concepto innovador en la química del agua de enfriamiento con
la introducción de los compuestos organo-fosforados. Igual que los polifosfatos
inorgánicos, estos previenen la formación de incrustaciones por el efecto umbral. Sin
embargo, ahí termina la semejanza , los polifosfatos orgánicos se convierten fácilmente en
ortofosfatos, con mayor tiempo de retención, temperatura y ataque microbiológico. Los
compuestos organo-fosforados no se convierten en las condiciones normales de las torres
de enfriamiento excepto si están bajo un severo ataque microbiológico. Más aún, a
diferencia de los polifosfatos inorgánicos , los compuestos organo-fosforados son capaces,
en general, de inhibir la precipitación del carbonato de calcio y de otras especies que
forman incrustaciones, a pH mas alto y a mayor alcalinidad que los tolerados por los
polifosfatos inorgánicos. Este desarrollo abrió la puerta a lo que ahora se conoce como
enfoque alcalino de tratamiento de los sistemas de agua de enfriamiento.
El concepto básico de tratamiento consiste en elevar el pH del sistema en operación
hasta 7.5-9.0 reduciendo así en forma importante la corrosividad natural del agua de
recirculación. Después se añade un compuesto calcio. Este enfoque se apoya en la
alcalinidad natural del agua y en la elevación del pH para inhibir la corrosión.
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La experiencia ha mostrado que aunque el mayor pH da un agua menos corrosiva,
con frecuencia esta reducción no es de la magnitud suficiente para proteger todos los
sistemas de acero suave, en especial los cambiadores de calor de acero suave con un alto
flujo de calor o con bajas velocidades de flujo. En estos sistemas se tienen todavía que
complementar los materiales organo-fosforados con la aplicación de inhibidores de
corrosión como el zinc, el ortofosfato, el polifosfato, el cromato, o combinaciones de ellos.
La gran ventaja que dan los compuestos organo-fosforados sobre los tratamientos
anteriores es que la corrosividad reducida del agua permite mantener menos residuos de los
inhibidores aplicados y lograr al mismo tiempo tasas aceptables de corrosión. Otra ventaja
particular del concepto alcalino de tratamiento es la reducción sustancial o la eliminación
ocasional de la alimentación de ácido. Esto, desde luego, depende de la química del
sistema.
La dureza de calcio y magnesio definen la tendencia incrustante del agua. La
alcalinidad total, y el pH y la temperatura definen las concentraciones de los iones
carbonato y bicarbonato en el agua, y también la solubilidad del carbonato de calcio. Todas
estas variables deben controlarse dentro de intervalos aceptables para cada sistema a fin de
asegurar una operación libre de incrustaciones. Las concentraciones de sulfatos y de sílice
deben también controlarse a niveles razonables para prevenir la formación de
incrustaciones de yeso y de sílice.
Muchos sistemas contienen sólidos suspendidos que se concentran en la torre y
causan ensuciamiento. Se pueden usar dispersantes para controlar esto, una vez que el
problema se ha definido apropiadamente. Algunos de los sólidos pueden provenir del
reemplazo, otros pueden haber sido lavados del aire, y otros pueden ser productos de
precipitación o masas microbianas. Si los sólidos suspendidos son excesivos, lo que se
evidencia por tubos tapados, debe añadirse un sistema de filtros al circuito para filtrar una
porción del agua de recirculación que sea aproximadamente igual a la tasa de evaporación.
Al utilizar esta carta debe notarse que ninguno de ellos es útil por si mismo. Por
ejemplo, es difícil o imposible un buen control de la corrosión en un sistema sucio,
incrustado. Un buen control de la incrustación y del ensuciamiento para mantener
superficies limpias reduce al mínimo la dosificación de inhibidores de corrosión.
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Muchos productos químicos ayudan a resolver más un problema. Si uno de estos productos
químicos en particular es o no la mejor elección para un sistema dado, ello dependerá de
las condiciones específicas en ese sistema.
CONTROL DEL ENSUCIAMIENTO:
El control de depósitos en los sistemas de agua de enfriamiento es absolutamente
esencial para el mantenimiento de las tasas de transferencia de calor. Sin embargo, el
control de los depósitos es a menudo mas difícil en los sistemas alcalinos que en los
sistemas de menor pH. El agua de reemplazo puede contener sólidos disueltos, materia
orgánica y sólidos suspendidos, de los que cualquiera puede contribuir al ensuciamiento.
Un sistema puede quedar fuertemente contaminado con microbios por ejemplo, un agua de
reemplazo con alta DBO, tal como un efluente municipal o industrial, es particularmente
susceptible de ensuciar a partir de bacterias formadoras de lama.
El agua cruda y el aire inoculan a un sistema con materia orgánica coloidal,
sedimentos, hierro soluble y microbios. El sulfuro de hidrógeno , el dióxido de azufre y el
amoniaco pueden entrar desde la atmósfera de la planta.
La mayor parte de los agentes químicos de control de incrustaciones comúnmente
usados controlan también el ensuciamiento, pero no todos son igualmente buenos para
dispersar toda calase de depósitos. La selección del dispersante apropiado para cualquier
sistema en operación se basa en el análisis real del un depósito. Los productos orgánicos
naturales y sintéticos, incluyendo ligninas sulfonadas, taninos y agentes activos de
superficie, se aplican por lo general para dispersar óxidos hidratados y depósitos orgánicos.
Algunos materiales de la familia de los acrilatos son dispersantes para los sedimentos, la
arena, los óxidos duros de hierro y otros depósitos inorgánicos. Los compuestos organofosforados, incluyendo los ésteres de poliol y los fosfanatos, son dispersantes para los
precipitados de carbono de calcio y sulfato de calcio. Sin embargo, una vez que los
depósitos se forman, cualquier acción de remoción de incrustaciones efectuada por estos
dispersantes se lleva a cabo lentamente, por lo que el mejor enfoque consiste en evitar que
se formen las incrustaciones en primer lugar.
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CONTROL MICROBIANO:
Los depósitos microbianos presentan un caso especial de ensuciamiento. En el
tratamiento se requieren a menudo biocidas para matar las colonias de microbios y
dispersantes para alojarlas y sacarlas por lavado. El biocida que se emplea más
comúnmente en todos los sistemas es el cloro. Se cree que el cloro es menos efectivo a un
pH superior a 8 que a uno por debajo de 7 al bien conocido equilibrio del hipoclorito. Sin
embargo todavía es un biocida efectivo y resulta indispensable en muchos programas de
tratamiento de agua de enfriamiento.
Existen problemas asociados con el uso del cloro. Puede reaccionar con algunos
materiales orgánicos, en particular con los compuestos fenólicos, para formar productos de
reacción que son no-biodegradables o refractarios, lo cual significa problemas potenciales
en el efluente. Hablando en general el cloro puede aplicarse a la mayor parte de los
sistemas de recirculación sin peligro de deslignificar la madera de las torres si los residuos
de cloro no exceden de 1 mg/1. Rara vez es necesario mantener el cloro libianos, en casi
todos los sistemas.
Aunque el cloro es un excelente agente exterminador, existen algunas limitaciones
notables para el cloro que hacen necesario el uso de biocidas no oxidante en buena parte de
los sistemas. El cloro no es penetrante, así que puede lograr el exterminio superficial de un
depósito microbiano, pero no penetra la capa de lama para remover y matar a los
organismos que están bajo ella. Esto representa un contraste con los biocidas no oxidantes
y con los biodispersantes selectivos, que sí tienen capacidad de penetración.
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ANEXO 1
30
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CORROSION
La corrosión es la forma que la naturaleza tiene para regresar los metales
procesados, como acero, cobre y zinc, a su estado original, como compuestos químicos o
minerales . Por ejemplo, en su estado nativo el hierro es un compuesto oxidado (esto es,
Fe2O3, FeO, Fe3O4), pero cuando se ha convertido en hierro y acero pierde el oxígeno y se
vuelve hierro elemental (Fe0). En presencia de agua y oxígeno, la naturaleza ataca
incansablemente al acero convirtiendo al hierro elemental en un óxido , por lo común
alguna combinación de Fe2O3 y Fe3O4.
Aunque la corrosión es un proceso complicado, puede ser comprendido mas
fácilmente como una reacción electroquímica que incluye tres pasos.
1.
La pérdida ocurre en aquella parte del metal llamada área anódica (ánodo). En este
caso el hierro se pierde al entrar a la solución acuosa y se oxida a ión Fe+2.
2.
Como resultado de la formación del Fe+2 se liberan dos electrones que fluyen a
través del acero al área catódica (cátodo).
3.
El oxígeno (O2) en la solución acuosa se desplaza al cátodo y completa el circuito
eléctrico empleando los electrones que fluyen al cátodo para formar iones oxidrilo (OH-) en
la superficie del metal. Químicamente, las reacciones son las siguientes:
Reacción anódica:
Fe0  Fe+2
Reacción catódica:
1/2O2 + H2O + 2e- 
+ 2e2 (HO-)
Cuando el oxígeno está ausente el ión hidrógeno (H+) participa en la reacción en el
cátodo en lugar del oxígeno, y completa el circuito como sigue:
2H+ + 2e- 
H2

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Como se muestra, cada superficie del metal está cubierta por innumerables y
pequeños ánodos y cátodos. Por lo común, estos sitios se desarrollan a partir de (1)
irregularidades superficiales producidas por el formado, el extruído y otras operaciones del
trabajo del metal; (2) esfuerzos provenientes de la soldadura, el formado y otros tipos de
trabajo, o (3) diferencias en la composición de la superficie metálica. En el caso del acero,
esto puede ser causado por microestructuras diferentes. En el latón la diferencia puede
estar entre los cristales finos de cobre y de zinc como componen esta aleación. Inclusiones
sobre o debajo de la superficie metálica pueden ser la causa de pares ánodo-cátodo. Estas
impurezas pueden haberse formado cuando el metal fue fundido o a causa de las impurezas
prensadas en la superficie durante las operaciones de laminado, acabado o conformado.
VELOCIDADES DE CORROSION:
Como se observó antes, son necesarios tres pasos básicos para que la corrosión se
efectúe. Si se evita la ocurrencia de cualquiera de ellos, se detiene la corrosión. El más
lento de los tres pasos determina la velocidad del proceso global de corrosión. La reacción
catódica (paso 3) es el más lento de los tres pasos que intervienen en la corrosión del acero,
de modo que esta reacción determina la velocidad. Esta reacción es lenta a causa de la
dificultad que tiene el oxigeno en difundirse a través del agua. En consecuencia un factor
que incrementa la corrosión es la elevación de la temperatura del agua, que reduce su
viscocidad y acelera la difusión del oxígeno.
Una superficie catódica grande en comparación con la anódica permite que
reaccionen más oxígeno, agua y electrones, y aumente el flujo de electrones del ánodo para
corroerlo más rápidamente. Inversamente a medida que el área catódica se vuelve más
pequeña en comparación con la anódica disminuye la velocidad de corrosión.
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Sin embargo si se reduce el área anódica sin una correspondiente reducción en el
área catódica, se perderá la misma cantidad de metal, pero a partir de un número menor de
sitios anódicos o más pequeños. La velocidad de corrosión no ha sido modificada ya que el
área de la superficie catódica no ha sido reducida, sino que cada sitio anódico será más
profundo. Esta es una explicación simple de la causa del ataque por picadura sobre un área
anódica grande, ya que origina una penetración rápida de la pared metálica y fallas en el
equipo.
Las relaciones entre las áreas, en cuanto afectan la velocidad de corrosión,
desempeñan una parte importante en la selección de inhibidores efectivos en el control de la
corrosión. También son un factor de peso en el diseño del equipo para reducir la corrosión
a un mínimo.
POLARIZACION - DESPOLARIZACION
Como se mencionó antes, los iones oxidrilo (OH-), el gas hidrógeno (H2), o ambos,
se producen en el cátodo como resultado de la reacción de corrosión. Si estos productos de
la reacción química permanecen en el cátodo, generan una barrera que frena el movimiento
del gas oxígeno o de los iones de hidrógeno al cátodo. Esta barrera se vuelve un inhibidor
de corrosión ya que aisla o físicamente separa al oxígeno en el agua de los electrones en la
superficie metálica. La formación de esta barrera física como resultado de la corrosión se
llama polarización. La remoción o ruptura de esta barrera expone al cátodo , y la corrosión
se reanuda. Esta acción, llamada despolarización o remoción de la barrera es acrecentada
por factores diversos.
1.
Disminuyendo el pH del agua. Esto aumenta la concentración de iones de
hidrógeno que reaccionan con los iones oxidrilo para formar agua, eliminando por tanto la
barrera de oxidrilo.
2.
Aumentando la velocidad del agua en la región flujo turbulento, se alejan de la
superficie del cátodo los iones oxidrilo y el hidrógeno, despolarizándola en consecuencia.
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CORROSION GALVANICA
Una forma especial de la reacción general de corrosión es la reacción galvánica.
Esta forma relativamente común de corrosión resulta cuando dos metales distintos se
conectan y se exponen a un ambiente acuoso, un metal se vuelve catódico y el otro anódico,
estableciéndose una celda galvánica. Por ejemplo cuando el acero y el cobre se conectan en
agua, el acero se convierte en ánodo. Se dice que es anódico respecto al cobre, que es el
cátodo. La pérdida de metal ocurre en el ánodo de manera que el acero se corroe. Los
mismos principios sobre las relaciones de área de superficie cátodo-ánodo que se aplican a
la reacción general de corrosión se aplican a la celda galvánica: cátodo grande - velocidad
de corrosión más alta; cátodo más pequeño - velocidad de corrosión más baja; ánodo
pequeño - ataque tipo picadura. La velocidad de corrosión del par galvánico depende de los
metales que se conecten. La conexión de dos de estos metales en un ambiente acuoso (un
par galvánico) corroe al más anódico. Para metales que están muy cercanos en esta serie ,
la velocidad de corrosión es menor que para aquellos que están muy separados. En un par
galvánico, entonces la velocidad de corrosión depende de:
1.
Los metales que se conecten.
2.
La relación del área de la superficie anódica a la catódica.
CORROSION POR CELDA DE CONCENTRACION:
De la misma manera que los metales distintos mencionados arriba generan una
corriente galvánica con una concentración dada de agua, puede también establecerse una
corriente galvánica cuando el mismo metal se expone a diferentes concentraciones (fuerzas
iónicas) de soluciones acuosas. El ataque que ocurre en el ánodo como resultado de este
mecanismo, llamado corrosión por celda de concentración, se efectúa en la solución más
concentrada. Las celdas de concentración son la causa normal de las molestas muescas
locales o de la pérdida de metal por el tipo picadura.
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La corrosión por celda de concentración puede acortar seriamente la vida del
equipo, que aunque se fabrican para dar servicio durante años puede fallar en algunos días.
En general, este tipo de corrosión se presenta en cualquier lugar donde los depósitos, el
diseño pobre del equipo, o ambos, permiten la concentración localizada de una sustancia
específica que sea notoriamente distinta de la encontrada en el grueso del ambiente acuoso.
Una secuencia típica de la falla relacionada con el depósito de la celda de
concentración es como sigue, se forma un depósito sobre la superficie metálica en un
sistema de agua de enfriamiento , en poco tiempo el oxígeno que está bajo el depósito se
consume por la reacción normal de corrosión, a medida que la concentración del oxígeno
bajo el depósito es menor que la del grueso del agua que rodea al depósito, ya que el O2
fresco es frenado en su desplazamiento a través del depósito, el área que esta bajo el
depósito se vuelve anódica con respecto al área circundante. Este mecanismo único de
celda de concentración recibe el nombre de celda diferencial de oxígeno. La corrosión que
empezó como una corrosión normal, se convirtió en un mecanismo de corrosión de celda
diferencial.
La velocidad de la reacción de la celda diferencial es proporcional a la diferencia de
la concentración entre el oxígeno situado bajo el depósito y la encontrada en el agua
alrededor del depósito. En la mayor parte de los casos, la corrosión por celda de
concentración procederá mucho más rápidamente que el mecanismo estándar de corrosión
que ocurrió originalmente bajo el depósito y resultará en una pérdida del tipo picadura.
Rara vez una celda de diferencial del oxígeno es la única causa de la pérdida de
metal bajo un depósito. Coexistiendo con la mayor parte de las celdas diferenciales de
oxígeno se encuentran las correspondientes celdas de concentración de cloruro y de sulfato.
Estas coexisten ya que los iones de cloruro y sulfato penetran el depósito o hendidura y se
concentran.
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El depósito se comporta como una membrana semipermeable (una membrana de
Donnan); cuando los iones de hierro abandonan la superficie anódica, los iones
Cl- + SO4 = se difunden a través del depósito. Esto acelera aun mas la corrosión que ya se
está efectuando en virtud de la celda diferencial de oxígeno.
Los microbios anaeróbicos pueden ocasionar una ataque más grave por picadura que
la iniciada como corrosión normal, ataque que está compuesto por diferentes mecanismos
de corrosión pro celda de concentración y sus productos de corrosión están protegidos por
depósitos ni los inhibidores más efectivos pueden penetrar para proteger apropiadamente la
superficie del metal. Esto resalta la importancia de mantener libres de depósitos los
sistemas de agua.
Otros factores importanes que influyen en la corrosión incluyen la concentración de
sólidos disueltos en el agua, los gases disueltos y la temperatura.
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ANEXO 2
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ÍNDICE DE LANGELIER
Los minerales disueltos en agua, constituyen en su mayor parte compuestos de
calcio y magnesio, ya sea como carbonato, cloruros, sulfatos, bicarbonatos, etc. El hecho
de que un tipo de agua tenga capacidad para depositar incrustaciones, cuando se calienta o
se hace alcalina, o de atacar corrosivamente a los metales, depende de la relación que exista
entre varios constituyentes. Debido a esto se hace necesario controlar estos constituyentes
y la relación entre ellos para reducir la incrustación y la corrosión. La temperatura actúa
como catalizador, acelerando estos procesos.
La incrustación que se forma bajo condiciones moderadas de temperatura, es debido
a que la dureza y bicarbonatos se convierte por calentamiento en carbonato de calcio
normal, lo que produce una alcalinidad suficiente para causar sobresaturación con respecto
al carbonato de calcio. El aumento del cabonato de calcio disminuye al mínimo al ataque
corrosivo porque la agresividad del bióxido de carbono disuelto en el agua se reduce
considerablemente conforme se aproxima el equilibrio de saturación. En condiciones de
equilibrio las diversas formas de bióxido de carbono están balanceadas de tal forma, que no
causan incrustación ni corrosión. El ajuste de la composición del agua para controlar estas
condiciones es por lo tanto, controlado por las relaciones de equilibrio de solubilidad del
carbonato de calcio.
El índice de langelier es un criterio para ubicar un tipo de agua, dentro de los
rangos, corrosivo, equilibrado e incrustante, dependiendo del valor numérico de este. Un
método conveniente de interpretar un análisis de agua para este propósito utiliza
expresiones logerítmicas de la dureza calcio, la alcalinidad total, las constantes de
solubilidad del carbonato de calcio y la segunda constante de disociación del ácido
carbónico, estas mediciones se hacen para determinar el pH de saturación mediante la
siguiente relación:
pHs = pkps - pkps + pCa = pAlk
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donde:
pk2 = segunda constante de disociación del ácido carbónico
pkps = constante de solubilidad del carbonato de calcio
pCa = -log  ca++ , en ppm de CaCO3
pAlk = -log (alcalinidad total), en equivalente de CaCO3
una forma más adecuada de calcular el pH de saturación es:
pHs = 10.36 - 8.32 - Log10 (D.C./100080 ) + Log10 (Alk/50040) 
donde:
D.C. = dureza calcio en ppm de CaCO3
Alk
= alcalinidad total en ppm de CaCO3
El índice de langelier se calcula de la siguiente forma:
Is = pH - pH2
donde:
Is = Índice de saturación (índice de langelier)
pH = pH de la solución
pHs = pH de saturación calculado.
Cuando Is es cero, existe un equilibrio de saturación y no hay formación de
incrustación y el ataque corrosivo de disminuye al mínimo.
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Cuando Is es positivo, existe una condición de sobresaturación de carbonato de
calcio con respecto a la alcalinidad y a los sólidos totales a las condiciones existentes de
temperatura, habiendo tendencia a depositar incrustación sobre la superficie de
transferencia de calor.
Cuando Is es negativo, el equilibrio esta desvalanceado en dirección opuesta y
ocurrirá corrosión del metal descubierto y se disolverá cualquier incrustación previamente
formada.
Es recomendable mantener un índice ligeramente positivo para evitar la corrosión,
pero no tan alto que produzca incrustación. Para sistemas que están siendo protegidos
mediante película formada por carbonato de calcio 1.0 deben mantener un índice dentro del
rango de 0.6 a 1.0
Cuando se proporciona un tratamiento químico al agua, ya sea un tratamiento
cromato o no cromato, debe mantenerse un índice dentro del rango de 0 a 0.6, sobre todo
valores próximos a 0.6 con el objeto de no promover corrosión ó disolución de la película
protectora, tampoco producir incrustación (deposición) sobre la película protectora, lo que
causaría disminución de la eficiencia en la transferencia de calor a nivel de superficie.
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ANEXO 3
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PROGRAMA DE TRATAMIENTO DE VAPENSA
TRATAMIENTO RECOMENDADO :
Aplicación de un programa no contaminante a base de fosfato-zinc, el cual
aprovecha la inhibición anódica del ortofosfato y la catódica del zinc. Ambos
ingredientes acompañados por un inhibidor orgánico de corrosión especialmente
desarrollado para la protección de cobre y sus aleaciones y además la utilización de
un polímero dispersante con el fin de evitar la deposición de sales de calcio
,magnesio y silice en el sistema. Para el control biológico( algas ,hongos y
bacterias) se emplean diferentes biocidas con el objeto de evitar resistencia por parte
de las diferentes especies.
ALGUNOS PRODUCTOS EMPLEADOS:
VAPEN-405 (líquido).
Tratamiento especial contra la corrosión y formación de incrustaciones en el
sistema de enfriamiento, formulado a base de fosfatos y terpolímeros dispersantes
para control de deposiciones.
VAPEN-415 (líquido).
Tratamiento complementario al VAPEN-405 para control de corrosión
formulado a base de sales de zinc, el cual suministra protección catódica
al metal del sistema, en complemento con el polifosfato que proporciona
protección anódica. Además contiene terpolímeros para estabilizar y reforzar
la acción dispersante y antiincrustante.
VAPEN-560 (líquido).
Biocida altamente efectivo a base de glutaraldehído, para usarse en sistemas de
enfriamiento donde algas, bacterias, hongos y limo sean un problema.
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VAPEN - 545 ( líquido).
Biocida altamente efectivo a base de amonio cuaternario, para usarse en
sistemas de enfriamiento donde algas, bacterias , hongos y limo sean un problema.
VAPEN-550 (líquido ) .
Producto altamente concentrado no oxidante y a base de isotiazolinonas para
el control de algas, hongos y bacterias en el sistema.
VAPEN-580 (líquido ) .
Producto altamente concentrado no oxidante y a base de di-tiocarbamatos para
el control de algas, hongos y bacterias en el sistema.
VAPEN-570 (líquido ) .
Producto altamente concentrado no oxidante y a base de metilen-bis-tiocianato
para el control de algas, hongos y bacterias en el sistema.
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