Tratamiento de Agua, Almacenamiento y Purga para Calderas de Vapor

Una mirada a la química de los suministros de agua incluyendo valores de dureza y pH.

Antes de que se pueda discutir y entender la purga de la caldera, es necesario establecer una definición del agua junto con sus impurezas y términos asociados como dureza, pH, etc.

El agua es la materia prima más importante en la tierra. Es esencial para la vida, se usa para transporte, y almacena energía. También se llama el ‘solvente universal’. El agua pura (H20) es incolora, inodora e insípida en su estado puro; sin embargo, el agua pura es muy poco común. Todas las aguas naturales contienen varios tipos y cantidades de impurezas. El agua potable buena no necesariamente produce un buen agua de alimentación para la caldera. Los minerales en el agua potable son fácilmente absorbidos por el cuerpo humano, y esenciales para nuestro bienestar. Las calderas, sin embargo, son menos capaces de manejarlos, y estos mismos minerales causarán daño en una caldera de vapor si se les permite permanecer. Del stock de agua del mundo, el 97% se encuentra en los océanos, y una parte significativa de eso está atrapada en los glaciares polares - solo el 0,65% está disponible para uso doméstico e industrial. Esta pequeña proporción pronto se consumiría si no fuera por el ciclo del agua (véase la Figura 3.9.1). Después de la evaporación, el agua se convierte en nubes, que se condensan parcialmente durante su viaje y luego caen a la tierra como lluvia. Sin embargo, es erróneo asumir que el agua de lluvia es pura; durante su caída a la tierra recogerá impurezas como ácido carbónico, nitrógeno y, en áreas industriales, dióxido de azufre. Cargados con estos ingredientes, el agua percola a través de las capas superiores de la tierra hasta la capa freática, o fluye sobre la superficie de la tierra disolviendo y recolectando impurezas adicionales. Estas impurezas pueden formar depósitos en las superficies de transferencia de calor que pueden:

• Causar corrosión metálica.
• Reducir las tasas de transferencia de calor, llevando al sobrecalentamiento y pérdida de resistencia mecánica. La Tabla 3.9.1 muestra los nombres técnicos y comúnmente usados de las impurezas, sus símbolos químicos, y sus efectos.

Calidad del agua cruda y variaciones regionales

La calidad del agua puede variar enormemente de una región a otra dependiendo de las fuentes de agua, minerales locales (véase la Figura 3.9.2). La Tabla 3.9.2 da algunas cifras típicas para diferentes áreas en un país relativamente pequeño como el Reino Unido. Las impurezas comunes en el agua cruda pueden clasificarse como sigue:

• Sólidos disueltos - Estas son sustancias que se disuelven en agua. Los principales son los carbonatos y sulfatos de calcio y magnesio, que son formadores de sarro cuando se calientan. Hay otros sólidos disueltos, que no forman sarro. En la práctica, cualquier sal que forme sarro dentro de la caldera debe alterarse químicamente para que produzcan sólidos suspendidos, o lodo en lugar de sarro.
• Sólidos suspendidos - Estas son sustancias que existen en el agua como partículas suspendidas. Son generalmente de origen mineral u orgánico. Estas sustancias generalmente no son un problema ya que pueden filtrarse.
• Gases disueltos - El oxígeno y el dióxido de carbono pueden ser fácilmente disueltos por el agua. Estos gases son agentes agresivos de corrosión.
• Sustancias formadoras de espuma - Estas son impurezas minerales que forman espuma. Un ejemplo es la soda en forma de carbonato, cloruro o sulfato. La cantidad de impurezas presente es extremadamente pequeña y generalmente se expresan en cualquier análisis de agua en forma de partes por millón (ppm), por peso o alternativamente en miligramos por litro (mg/l). Las siguientes secciones dentro de este Módulo describen las características del agua.

Dureza

El agua se denomina como ‘dura’ o ‘blanda’. El agua dura contiene impurezas formadoras de sarro mientras que el agua blanca contiene pocas o ninguna. La diferencia puede reconocerse fácilmente por el efecto del agua sobre el jabón. Se necesita mucho más jabón para hacer espuma con agua dura que con agua blanda. La dureza es causada por la presencia de sales minerales de calcio y magnesio y son estos mismos minerales los que fomentan la formación de sarro. Hay dos clasificaciones comunes de dureza:

• Dureza alcalina (también conocida como dureza temporal) - Los bicarbonatos de calcio y magnesio son responsables de la dureza alcalina. Las sales se disuelven en agua para formar una solución alcalina. Cuando se aplica calor, se descomponen para liberar dióxido de carbono y sarro blando o lodo. El término ‘dureza temporal’ se usa a veces, porque la dureza se elimina hirviendo. Este efecto a menudo se puede ver como sarro en el interior de una tetera eléctrica. Véanse las Figuras 3.9.3 y 3.9.4 - esta última representando la situación dentro de la caldera.
• Dureza no alcalina y carbonatos (también conocida como dureza permanente) - Esto también se debe a la presencia de sales de calcio y magnesio pero en forma de sulfatos y cloruros. Estos precipitan fuera de la solución, debido a su solubilidad reducida a medida que la temperatura sube, y forman sarro duro, que es difícil de eliminar. Además, la presencia de sílice en el agua de caldera también puede llevar a sarro duro, que puede reaccionar con sales de calcio y magnesio para formar silicatos que pueden inhibir severamente la transferencia de calor a través de los tubos de fuego y causar que se sobrecalienten.

Dureza total

La dureza total no debe clasificarse como un tipo de dureza, sino como la suma de concentraciones de iones de calcio y magnesio presentes cuando ambos se expresan como CaCO3. Si el agua es alcalina, una proporción de esta dureza, igual en magnitud a la alcalinidad total y también expresada como CaCO3, se considera como dureza alcalina, y el resto como dureza no alcalina (Véase la Figura 3.9.5).

Sales no formadoras de sarro

Las sales sin dureza, como las sales de sodio también están presentes, y son mucho más solubles que las sales de calcio o magnesio y generalmente no formarán sarro en las superficies de una caldera, como se muestra en la Figura 3.9.6. Unidades comparativas Cuando las sales se disuelven en agua forman partículas cargadas eléctricamente llamadas iones. Las partes metálicas (calcio, sodio, magnesio) pueden identificarse como cationes porque son atraídos al cátodo y llevan cargas eléctricas positivas. Los aniones son no metálicos y llevan cargas negativas - bicarbonatos, carbonato, cloruro, sulfato, son atraídos al ánodo. Cada impureza generalmente se expresa como una cantidad químicamente equivalente de carbonato de calcio, que tiene un peso molecular de 100. Valor de pH Otro término a considerar es el valor de pH; esto no es una impureza o constituyente sino simplemente un valor numérico que representa el contenido potencial de hidrógeno del agua - que es una medida de la naturaleza ácida o alcalina del agua. El agua, H2O, tiene dos tipos de iones - iones de hidrógeno (H+) e iones hidroxilo (OH-). Si los iones de hidrógeno predominan, la solución será ácida con un valor de pH entre 0 y 6. Si los iones hidroxilo predominan, la solución será alcalina, con un valor de pH entre 8 y 14. Si hay un número igual de iones tanto hidroxilo como de hidrógeno, entonces la solución será neutra, con un valor de pH de 7. Los ácidos y álcalis tienen el efecto de aumentar la conductividad del agua por encima de una muestra neutra. Por ejemplo, una muestra de agua con un valor de pH de 12 tendrá una mayor conductividad que una muestra que tiene un valor de pH de 7. La Tabla 3.9.3 muestra la tabla de pH y la Figura 3.9.7 ilustra los valores de pH mencionados tanto numéricamente como en relación con sustancias cotidianas.