Desaireadores Presurizados

La necesidad de eliminar gases del agua de alimentación de la caldera y la operación de un desaireador presurizado, más cálculos.

Por qué los gases necesitan ser eliminados del agua de alimentación de la caldera

El oxígeno es la principal causa de corrosión en tanques de pozo caliente, líneas de alimentación, bombas de alimentación y calderas. Si el dióxido de carbono también está presente, el pH será bajo, el agua tenderá a ser ácida, y la tasa de corrosión aumentará. Típicamente la corrosión es del tipo picadura donde, aunque la pérdida de metal puede no ser grande, puede ocurrir penetración profunda y perforación en un corto período.

La eliminación del oxígeno disuelto puede lograrse por métodos químicos o físicos, pero más usualmente por una combinación de ambos.

Los requisitos esenciales para reducir la corrosión son mantener el agua de alimentación a un pH no menor de 8,5 a 9, el nivel más bajo donde el dióxido de carbono está ausente, y eliminar todos los rastros de oxígeno. El retorno del condensado de la planta tendrá un impacto significativo en el tratamiento del agua de alimentación de la caldera - el condensado está caliente y ya tratado químicamente, en consecuencia a medida que más condensado se retorna, menos tratamiento del agua de alimentación se requiere.

El agua expuesta al aire puede saturarse de oxígeno, y la concentración variará con la temperatura: cuanto más alta la temperatura, menor el contenido de oxígeno.

El primer paso en el tratamiento del agua de alimentación es calentar el agua para expulsar el oxígeno. Típicamente un depósito de alimentación de caldera debe operar a 85°C a 90°C. Esto deja un contenido de oxígeno de alrededor de 2 mg/litro (ppm). La operación a temperaturas más altas que esta a presión atmosférica puede ser difícil debido a la proximidad de la temperatura de saturación y la probabilidad de cavitación en la bomba de alimentación, a menos que el depósito de alimentación esté instalado a un nivel muy alto sobre la bomba de alimentación de la caldera.

La adición de un químico limpiador de oxígeno (sulfito de sodio, hidracina o tanino) eliminará el oxígeno restante y prevenirá la corrosión.

Este es el tratamiento normal para plantas de calderas industriales en el Reino Unido. Sin embargo, existen plantas que, debido a su tamaño, aplicación especial o normas locales, necesitarán reducir o aumentar la cantidad de químicos utilizados. Para plantas que necesitan reducir la cantidad de tratamiento químico, es práctica común usar un desaireador presurizado.

Principios de operación de un desaireador presurizado

Si un líquido está a su temperatura de saturación, la solubilidad de un gas en él es cero, aunque el líquido debe ser fuertemente agitado o hervido para asegurar que esté completamente desaireado.

Esto se logra en la sección de cabeza de un desaireador rompiendo el agua en tantas gotas pequeñas como sea posible, y rodeando estas gotas con una atmósfera de vapor. Esto da una alta relación superficie a masa y permite una rápida transferencia de calor del vapor al agua, que rápidamente alcanza la temperatura de saturación del vapor. Esto libera los gases disueltos, que luego son transportados con el vapor excedente para ser ventilados a la atmósfera. (Esta mezcla de gases y vapor está a una temperatura menor que la de saturación y la ventilación operará termostáticamente). El agua desaireada luego cae a la sección de almacenamiento del recipiente.

Se mantiene una manta de vapor sobre el agua almacenada para asegurar que los gases no sean reabsorbidos.

Distribución del agua

El agua entrante debe ser dividida en gotas pequeñas para maximizar la relación superficie de agua a masa. Esto es esencial para elevar la temperatura del agua, y liberar los gases durante el muy corto período de residencia en la cúpula (o cabeza) del desaireador.

Romper el agua en gotas pequeñas puede lograrse usando uno de los métodos empleados dentro del entorno de vapor de la cúpula. Por supuesto hay ventajas y desventajas asociadas con cada tipo de distribución de agua, más implicaciones de costo. La Tabla 3.21.1 compara y resume algunos de los factores más importantes:

Sistemas de control

Control de agua Se usa una válvula de control de modulación para mantener el nivel de agua en la sección de almacenamiento del recipiente. Se requiere control de modulación para dar condiciones de operación estables, ya que la entrada repentina de agua relativamente fría con un sistema de control de agua encendido/apagado podría tener un impacto profundo en el control de presión, también la capacidad del desaireador para responder rápidamente a cambios en la demanda. Dado que se requiere control de modulación, una sonda de nivel tipo capacitancia puede proporcionar la señal analógica requerida del nivel de agua. Control de vapor Una válvula de control de modulación regula el suministro de vapor. Esta válvula se modula a través de un controlador de presión para mantener una presión dentro del recipiente. El control preciso de la presión es muy importante ya que es la base del control de temperatura en el desaireador, por lo tanto se usará una válvula de control de acción rápida, actuada neumáticamente. Nota: Se puede usar una válvula de control de presión operada por piloto en aplicaciones más pequeñas, y se puede usar una válvula de control de autoacción actuada por diafragma cuando se garantice que la carga sea bastante constante. La inyección de vapor puede ocurrir en la base de la cabeza, y fluir en dirección opuesta al agua (contracorriente), o desde los lados, cruzando el flujo de agua (flujo cruzado). Cualquiera que sea la dirección de donde viene el vapor, el objetivo es proporcionar la máxima agitación y contacto entre los flujos de vapor y agua para elevar el agua a la temperatura requerida. El vapor se inyecta a través de un difusor para proporcionar una buena distribución de vapor dentro de la cúpula del desaireador. El vapor entrante también proporciona:

• Un medio de transporte de los gases a la ventilación de aire.
• Una manta de vapor requerida sobre el agua desaireada almacenada. Capacidad de ventilación de aire del desaireador En Módulos anteriores, las temperaturas típicas del agua de alimentación se han citado alrededor de 85°C, que es un valor máximo práctico para un depósito de alimentación de caldera ventilado operando a presión atmosférica. También se sabe que el agua a 85°C contiene alrededor de 2,3 gramos de oxígeno por cada 1 000 kg de agua, y que es el oxígeno el que causa el mayor daño en los sistemas de vapor por dos razones principales. Primero, se adhiere al interior de tuberías y aparatos, formando óxidos, herrumbre y sarro; segundo, se combina con dióxido de carbono para producir ácido carbónico, que tiene una afinidad natural para corroer generalmente el metal y disolver el hierro. Debido a esto, es útil eliminar el oxígeno del agua de alimentación de la caldera antes de que entre en la caldera. Las plantas de baja presión y media presión suministradas con vapor saturado de una caldera tipo carcasa operarán bastante bien con un depósito de alimentación cuidadosamente diseñado que incorpore un desaireador atmosférico (referido como semi-desaireador). Cualquier rastro restante de oxígeno se elimina por medios químicos, y esto generalmente es económico para este tipo de planta de vapor. Sin embargo, para calderas de tubos de agua de alta presión y plantas de vapor que manejan vapor sobrecalentado, es vital que el nivel de oxígeno en el agua de la caldera se mantenga mucho más bajo (típicamente menos de siete partes por billón - 7 ppb), porque la tasa de ataque debido a gases disueltos aumenta rápidamente con temperaturas más altas. Para lograr tales niveles bajos de oxígeno, se pueden usar desaireadores presurizados.

Si el agua de alimentación se calentara a la temperatura de saturación de 100°C en un depósito de alimentación atmosférico, la cantidad de oxígeno retenida en el agua sería teóricamente cero; aunque en la práctica, es probable que pequeñas cantidades de oxígeno permanezcan. También es el caso que la pérdida de vapor de un depósito de alimentación ventilado sería bastante alta y económicamente inaceptable, y esta es la razón principal por la que los desaireadores presurizados son preferidos para plantas de mayor presión operando típicamente por encima de 20 bar g.

Un desaireador presurizado a menudo se diseña para operar a 0,2 bar g, equivalente a una temperatura de saturación de 105°C, y, aunque cierta cantidad de vapor todavía se perderá a la atmósfera a través de una ventilación estrangulada, la pérdida será mucho menor que la de un depósito de alimentación ventilado.

No es solo el oxígeno el que necesita ventilarse; otros gases no condensables serán rechazados al mismo tiempo. El desaireador por lo tanto ventilará otros constituyentes del aire, predominantemente nitrógeno, junto con cierta cantidad de vapor. Por lo tanto, la tasa de rechazo de aire del agua debe ser algo mayor que 2,3 gramos de oxígeno por cada 1 000 kg de agua. De hecho, la cantidad de aire en agua a 80°C bajo condiciones atmosféricas es 5,9 gramos por cada 1 000 kg de agua. Por lo tanto, se necesita un rechazo de 5,9 gramos de aire por cada 1 000 kg de agua para asegurar que la cantidad requerida de 2,3 gramos de oxígeno está siendo liberada. Como este aire se mezcla con el vapor en el espacio sobre la superficie del agua, la única forma de ser rechazado del desaireador es por la liberación simultánea de vapor.

La cantidad de mezcla de vapor/aire que necesita ser liberada puede estimarse considerando los efectos de la Ley de Dalton de presiones parciales y la Ley de Henry.

Considere la factibilidad de instalar un desaireador. Antes de la instalación, la planta de calderas es alimentada por agua de alimentación de un depósito de alimentación ventilado operando a 80°C. Esto esencialmente significa que cada 1 000 kg de agua de alimentación contiene 5,9 gramos de aire. El desaireador propuesto operará a una presión de 0,2 bar g, que corresponde a una temperatura de saturación de 105°C.

Asuma, por lo tanto, que todo el aire será expulsado del agua en el desaireador. Se deduce que la ventilación debe rechazar 5,9 gramos de aire por cada 1 000 kg de capacidad de agua de alimentación.

Considere que el aire siendo liberado del agua se mezcla con el vapor sobre la superficie del agua. Aunque la presión de operación del desaireador es 0,2 bar g (1,2 bar a), la temperatura de la mezcla de vapor/aire puede ser solo 100°C. Por lo tanto, de la Ley de Dalton:-

Si el espacio de vapor en el desaireador estuviera lleno de vapor puro, la presión de vapor sería 1,2 bar a. Como el espacio de vapor tiene una temperatura actual de 100°C, la presión parcial causada por el vapor es solo 1,01325 bar a.

La presión parcial causada por los gases no condensables (aire) es por lo tanto la diferencia entre estas dos figuras = 1,2 - 1,01325 = 0,18675 bar a. Sin embargo:

• Porque no hay forma fácil de medir con precisión la temperatura de descarga;
• Porque hay solo un pequeño diferencial de presión entre el desaireador y la presión atmosférica;
• Porque las tasas de ventilación son tan pequeñas, …rara vez se encuentra un mecanismo de ventilación automática en las tuberías de ventilación del desaireador, la tarea generalmente se logra mediante una válvula de bola ajustada manualmente, válvula de aguja, o placa de orificio. También es importante recordar que el objetivo principal del desaireador es eliminar gases. Es vital, por lo tanto, que una vez separados, estos gases sean purgados tan rápido como sea posible, y antes de que haya alguna posibilidad de reentrainment. Aunque la teoría sugiere que se necesitan 22,4 gramos de mezcla de vapor/aire por tonelada de capacidad del desaireador, en la práctica esto es imposible de monitorear o regular exitosamente. Por lo tanto, basado en experiencia práctica, los fabricantes de desaireadores tenderán a recomendar una tasa de ventilación de entre 0,5 y 2 kg de mezcla de vapor/aire por cada 1 000 kg/h de capacidad del desaireador para estar seguros. Se sugiere que se tome el consejo del fabricante del desaireador en este asunto. Una forma típica de controlar la tasa de ventilación es usar una válvula de bola de servicio de vapor DN20 de una clasificación de presión adecuada, que pueda asegurarse en una condición parcialmente abierta.

Parámetros operativos típicos para un desaireador presurizado La siguiente información es típica y cualquier instalación actual puede variar de lo siguiente en una serie de formas para adaptarse a los requisitos individuales de esa planta:

• La presión de operación será generalmente aproximadamente 0,2 bar (3 psi), que da una temperatura de saturación de 105°C (221°F).
• El recipiente contendrá entre 10 y 20 minutos de almacenamiento de agua para la caldera a carga completa.
• La presión del suministro de agua al desaireador debe ser al menos 2 bar para asegurar una buena distribución en la boquilla.
• Esto implica ya sea una contrapresión en las trampas de vapor en la planta o la necesidad de retorno de condensado bombeado.
• La presión del suministro de vapor a la válvula de control de presión estará en el rango de 5 a 10 bar.
• La modulación máxima en el desaireador será aproximadamente 5:1.
• A tasas de flujo por debajo de esto del proceso, puede haber presión insuficiente para dar una buena atomización con distribuidores de agua tipo boquilla o rociador.
• Esto puede superarse teniendo más de una cúpula en la unidad. La capacidad total de las cúpulas sería igual a la capacidad de la caldera, pero una o más de las cúpulas pueden apagarse en tiempos de baja demanda.
• Puede requerirse calentamiento en el área de almacenamiento del recipiente para condiciones de arranque; esto puede ser por serpentín o inyección directa.
• Sin embargo, el tipo de planta más probable de equiparse con un desaireador presurizado estará en operación continua y el operador puede considerar el bajo rendimiento durante el arranque frío ocasional como aceptable. El diseño del recipiente, materiales, fabricación, construcción y certificación estarán en conformidad con una norma reconocida, por ejemplo: en el Reino Unido la norma es PD 5500. El balance de calor en el desaireador típicamente (pero no siempre) se habrá calculado en un aumento de 20°C en la temperatura del agua entrante. Es normal que el agua a 85°C se suministre al desaireador. Si la temperatura del agua entrante es significativamente más alta que esta, entonces la cantidad de vapor requerida para lograr la presión ajustada será menor. Esto, a su vez, significa que la válvula de vapor estrangulará y la tasa de flujo de vapor puede ser demasiado baja para asegurar una dispersión adecuada en la boquilla de vapor. Esto puede sugerir que, con un porcentaje muy alto de condensado siendo retornado, puede requerirse alguna acción alternativa para que ocurra una desaireación adecuada. En este caso, el balance de calor del desaireador puede calcularse usando diferentes parámetros, o el desaireador puede operar a una presión más alta.

Costo y justificación

Costo No hay un costo de energía adicional asociado con operar un desaireador, y la cantidad máxima de vapor exportado a la planta es la misma con o sin el desaireador, porque el vapor usado para aumentar la temperatura del agua de alimentación viene de la mayor producción de la caldera. Sin embargo:

• Habrá alguna pérdida de calor del desaireador (esto se minimizará con un aislamiento adecuado).
• Está el costo adicional de operar la bomba de transferencia entre el depósito de alimentación y el desaireador.
• Algo de vapor se pierde con los gases no condensables ventilados. Justificación Las razones principales para seleccionar un desaireador presurizado son:
• Reducir los niveles de oxígeno a un mínimo (< 20 partes por billón) sin el uso de químicos. Esto eliminará la corrosión en el sistema de alimentación de la caldera.
• Se puede lograr un ahorro de costos con respecto a los químicos - este argumento se vuelve cada vez más válido en calderas grandes de tubos de agua donde las tasas de flujo son altas, y se necesitan mantener niveles bajos de TDS (< 1 000 ppm) en el agua de alimentación de la caldera.
• Los químicos añadidos para controlar el contenido de oxígeno del agua de la caldera ellos mismos requerirán purga. Por lo tanto, al reducir/eliminar la adición de químicos, la tasa de purga se reducirá con ahorros de costos asociados.
• Para prevenir la contaminación donde el vapor está en contacto directo con el producto, por ejemplo: alimentos o para propósitos de esterilización.

Balance de calor del desaireador

Para permitir el diseño correcto del sistema y dimensionar la válvula de suministro de vapor, es importante saber cuánto vapor se necesita para calentar el desaireador. Este vapor se usa para calentar el agua de alimentación desde la temperatura usual experimentada antes de la instalación del desaireador hasta la temperatura necesaria para reducir el oxígeno disuelto al nivel requerido. La tasa de flujo de vapor requerida se calcula mediante un balance de masa/calor. El balance de masa/calor funciona en el principio de que la cantidad inicial de calor en el agua de alimentación, más el calor añadido por la masa de vapor inyectado debe igualar la cantidad final de calor en el agua de alimentación más la masa de vapor que se ha condensado durante el proceso. La Ecuación 2.11.3 es la ecuación de balance de masa/calor usada para este propósito.