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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA CARÁTULA UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA QUÍMICA, INDUSTRIAL, DE ALIMENTOS, BIOMOLECULAR, BIOCOMBUSTIBLES Y BIOFARMACIA TRATAMIENTO DE AGUAS PARA SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO Investigador: Stalin Mauricio Hoyos Arias Director: Ing. César Juela Moscoso 2010 CUENCA- ECUADOR Monografía previa a la obtención del título de INGENIERO QUÍMICO
Transcript of UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA CARÁTULAdspace.ucacue.edu.ec/bitstream/reducacue/5457/4/Tratamiento...
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA
CARÁTULA UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA QUÍMICA, INDUSTRIAL, DE ALIMENTOS, BIOMOLECULAR,
BIOCOMBUSTIBLES Y BIOFARMACIA
TRATAMIENTO DE AGUAS PARA SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
Investigador: Stalin Mauricio Hoyos Arias Director: Ing. César Juela Moscoso
2010
CUENCA- ECUADOR
Monografía previa a la obtención del título de INGENIERO QUÍMICO
ii
AGRADECIMIENTO
Mis reconocimientos y gratitud:
A la Unidad Académica de Ingeniería Química, Industrial, Alimentos,
BioMolecular, Biocombustibles y Biofarmacia en la persona del señor
Decano y a los maestros, por haberme recibido en sus aulas y haber hecho
de mí un profesional en Ingeniería Química
A mi Director de monografía Ing. César Juela por su acertada dirección y
orientación, en el desarrollo de la investigación hasta su culminación
exitosa.
A mis padres por su constante apoyo, amor y comprensión que me supieron
prodigar a cada instante.
iii
ÍNDICE
CARÁTULA .................................................................................................... I
AGRADECIMIENTO ...................................................................................... II
ÍNDICE .......................................................................................................... III
INTRODUCCIÓN .......................................................................................... VI
CAPITULO 1.................................................................................................. 1
TRANSFERENCIA DE CALOR ..................................................................... 1
1.1 FACTORES QUE CONTROLAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR ................................ 1
1.2 USOS DEL AGUA PARA ENFRIAMIENTO ............................................................................. 2
1.4 PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO .................................... 3
1.5 IMPORTANCIA DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA, EN LOS
SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO ............................................................................... 10
1.6. TIPOS DE SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO MÁS COMUNES ..................... 11
1.7. PROBLEMAS EN LOS SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO .............................. 12
1.8. EFECTO DE LOS PROBLEMAS EN LOS SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO
.............................................................................................................................................................. 13
CAPITULO 2................................................................................................ 14
CORROSIÓN ............................................................................................... 14
2.1. DEFINICIÓN .............................................................................................................................. 14
2.2. MECANISMO DE LA CORROSIÓN....................................................................................... 15
2.3. TIPOS DE ATAQUE POR CORROSIÓN ............................................................................... 16
2.4. CARACTERÍSTICAS DEL AGUA QUE INFLUYEN EN LA CORROSIÓN. .................... 17 2.4.1. OXÍGENO. ............................................................................................................................ 17 2.4.2. SÓLIDOS SUSPENDIDOS Y SÓLIDOS DISUELTOS. ..................................................... 18 2.4.3. ACIDEZ O BASICIDAD DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO. ........................................... 18 2.4.4. VELOCIDAD DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO.............................................................. 19 2.4.5. TEMPERATURA.................................................................................................................. 19 2.4.6. CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO. ............................................................................... 19
2.5. MÉTODOS USADOS PARA EL CONTROL DE LA CORROSIÓN. .................................. 22
2.6. ACCIÓN DE LOS INHIBIDORES QUÍMICOS DE CORROSIÓN. .................................... 22
iv
CAPITULO 3................................................................................................ 25
INCRUSTACIONES ..................................................................................... 25
3.1. DEFINICIÓN. ............................................................................................................................. 25
3.2. FACTORES QUE DETERMINAN LA FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES. ............. 26
3.3. CONTROL DE LA FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES. .............................................. 27
3.4. TRATAMIENTOS CON INHIBIDORES QUÍMICOS DE INCRUSTACIONES. .............. 30
CAPÍTULO 4................................................................................................ 32
ENSUCIAMIENTO ....................................................................................... 32
4.1. DEFINICIÓN. ............................................................................................................................. 32
4.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ENSUCIAMIENTO EN UN SISTEMA DE AGUA
DE ENFRIAMIENTO. ...................................................................................................................... 33 4.2.1. CARACTERÍSTICAS DE AGUA. ....................................................................................... 33 4.2.2. TEMPERATURA.................................................................................................................. 34 4.2.3. VELOCIDAD DEL FLUJO DE AGUA. ............................................................................. 35 4.2.4. CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO. ............................................................................... 35 4.2.5. CONTAMINACIÓN DEL PROCESO. ................................................................................ 36
4.3. CONTROL DEL ENSUCIAMIENTO. ..................................................................................... 36
4.4. INHIBIDORES QUÍMICOS DE ENSUCIAMIENTO. ........................................................... 37
4.5. PRODUCTOS QUÍMICOS USADOS. ...................................................................................... 37
4.6. EFECTO DE LA CORROSIÓN EN EL ENSUCIAMIENTO. ............................................... 40
CAPÍTULO 5................................................................................................ 41
CONTAMINACIÓN MICROBILÓGICA ........................................................ 41
5.1. DEFINICÓN. ............................................................................................................................... 41
5.2. FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO. ............ 42
5.3. ÁREAS AFECTADAS POR LOS MICROORGANISMOS. .................................................. 44
5.4. CONTROL MICROBIOLÓGICO. ........................................................................................... 44
5.5. TRATAMIENTOS MICROBIOLÓGICOS. ............................................................................ 45 5.5.1. BIOCIDAS OXIDANTES. ................................................................................................... 45 5.5.2. BIOCIDAS NO OXIDANTES. ............................................................................................. 48 5.5.3. BIODISPERSANTES. .......................................................................................................... 49
CAPÍTULO 6................................................................................................ 50
PRETRATAMIENTO ................................................................................... 50
v
6.1. DEFINICIÓN. ............................................................................................................................. 50
6.2. ETAPAS EN LA PREPARACIÓN DEL SISTEMA Y LA PUESTA EN MARCHA. .......... 51 6.2.1. LIMPIEZA DEL SISTEMA. ................................................................................................. 51 6.2.2. APLICACIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS ESPECIALES, PARA EL
PRETRATAMIENTO. .................................................................................................................... 51
CAPÍTULO 7................................................................................................ 53
MONITOREO Y CONTROL ......................................................................... 53
7.1. DEFINICIÓN. ............................................................................................................................. 53
7.2. PRUEBAS DE MONITOREO Y CONTROL. ......................................................................... 53
7.3. SISTEMAS DE CONTROL. ...................................................................................................... 54 7.3.1. SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROL DE PH. ........................................................... 54 7.3.2. CUPONES DE CORROSIÓN. .............................................................................................. 54 7.3.3. CORRATER. ......................................................................................................................... 54 7.3.4. BASTIDOR DE PRUEBAS DE CORROSIÓN. ................................................................... 54 7.3.5. MONITOR DE CORROSIÓN. ............................................................................................. 55 7.3.6. ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO. ........................................................................................ 55
7.4. ROL DEL PERSONAL DE PLANTA EN EL CONTROL Y MONITOREO DEL
SISTEMA DE AGUA DE ENFRIAMIENTO. ................................................................................ 55
CONCLUSIONES ........................................................................................ 56
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 62
vi
INTRODUCCIÓN
La mayor parte de las aguas empleadas con fines industriales, se usan para
enfriar un material o un equipo. La gran capacidad calorífica del agua y la
gran disponibilidad del agua en la mayoría de las áreas industriales, han
hecho del agua el medio de transferencia de calor favorito en las
aplicaciones industriales y de servicios.
El agua es un líquido insípido, incoloro e inodoro. Se trata de un compuesto
químico representado por la fórmula H2O, la cual indica que es la
combinación de dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno. Sin
embargo, el agua químicamente pura es un líquido extremadamente escaso
y difícil de obtener, debido precisamente a que es un solvente casi universal
y en el que prácticamente todas las substancias son solubles hasta cierto
grado, razón por la cual se hace necesario un tratamiento previo del agua
para un óptimo funcionamiento del sistema de enfriamiento, logrando así
una mayor eficiencia y una mayor durabilidad de los equipos empleados en
dichos sistemas.
Los sistemas de agua de enfriamiento son necesarios debido a que los
procesos industriales y servicios no trabajan eficientemente o efectivamente
a menos que las temperaturas y presiones específicas del proceso sean
mantenidas dentro de ciertos parámetros. Los sistemas de agua de
enfriamiento mantienen las temperaturas y presiones correctas por
transferencia de calor o enfriamiento.
El objetivo general que persigue la investigación monográfica y alrededor
de los cuales girará toda la investigación es prácticamente dar a conocer
como se debe tratar aguas empleadas para sistemas de enfriamiento. Los
objetivos particulares son: conocer como se da la transferencia de calor,
como se dan los problemas de corrosión, como se dan los problemas de
incrustaciones, como se dan los problemas de ensuciamiento, como se da la
contaminación microbiológica, como realizar el pre tratamiento y como
realizar el Monitoreo y control.
vii
Al presentarse uno o más de los problemas mencionados, se producen
paralizaciones no planeadas que afectan a la producción y que pueden ser
mucho más costosos que el precio de contar con un tratamiento de agua
adecuado, incluido el precio de los productos químicos y del personal a
cargo.
Es conveniente mantener una comunicación interactiva entre la planta y el
proveedor del tratamiento del agua de enfriamiento, para fijar la acción a
seguir si el comportamiento del sistema de enfriamiento se desvía de su
curso, debiéndose programar visitas frecuentes de análisis de resultados y
de servicio.
El tema es factible debido a que dispongo de la preparación académica,
científica y técnica, a más del director.
La importancia de la investigación destaca en que mediante la selección
adecuada de los respectivos análisis y ejecución adecuada de los
tratamientos previos que se puede dar al agua empleada para sistemas de
enfriamiento, se podrá conseguir reducir significativamente costo de
mantenimiento, costo operacionales y mejorar la eficiencia de los sistemas
de enfriamiento que emplean agua.
En la presente monografía no se pudo realizar una investigación de campo
debido a que en la mayoría de industrias que utilizan sistemas de
enfriamiento se me fue negada la entrada y en algunas industrias no cuentan
con la información necesaria, limitándose así a una investigación
bibliográfica, entre las fuentes de información se encuentran:
Acondicionamiento de Aguas Industriales, Manual de Aguas de Usos
industriales, la web, etc.
1
CAPITULO 1
TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor es el movimiento del calor de un cuerpo a otro: se
denomina fuente al cuerpo más caliente y receptor al cuerpo más frío. En los
sistemas de agua de enfriamiento el producto o proceso que se enfría es la
fuente y el agua de enfriamiento es el receptor. Todos los sistemas de
enfriamiento cuentan en esta acción de dar y recibir calor, con agua, la cual
tiene el más amplio rango de uso como refrigerante.
En general, el agua de enfriamiento no está en contacto directo con la
fuente; los dos están separados por un material que es un buen conductor
del calor, por lo común un metal. A todo el conjunto se le denomina
intercambiador de calor.
1.1 FACTORES QUE CONTROLAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR
Los factores que controlan la transferencia de calor son:
a) Las características térmicas del intercambiador de calor
b) El espesor del intercambiador de calor
c) El área superficial de intercambio
d) La diferencia de temperatura entre la fuente y el agua de enfriamiento
e) Los depósitos aislantes en cualquiera de los lados del intercambiador.
2
Los tres primeros factores, dependen del diseño del intercambiador y los
factores 4 y 5 dependen de las condiciones de operación del agua de
enfriamiento.
1.2 USOS DEL AGUA PARA ENFRIAMIENTO
Muchos factores hacen del agua un excelente refrigerante, tales como:
Es normalmente abundante
Es fácilmente utilizable: es de fácil manejo
Es poco costosa.
Puede transportar (acarrear) grandes cantidades de calor por unidad
de volumen.
No se expande ni se comprime significativamente, dentro de los
rangos de temperatura normalmente usados.
No se descompone.
1.3 FUENTES DE AGUA DE ENFRIAMIENTO
Se pueden usar como fuentes de agua de enfriamiento:
Agua fresca: Es la fuente principal de agua de reposición para los sistemas
de agua de enfriamiento. El agua fresca puede ser: agua superficial (ríos,
arroyos, reservorios) o agua subterránea (agua de pozos poco profundos o
profundos). En general, los suministros de agua subterránea son más
consistentes en composición y contienen menos materia suspendida que los
suministros de agua superficiales, los cuales son directamente afectados por
las lluvias, erosi6n y otras condiciones ambientales.
Agua de mar y aguas residuales: Debido a las consideraciones
ambientales, al costo del agua y al agua utilizable, algunas plantas usan
agua de mar y aguas residuales, tratadas en plantas de efluentes, como
fuentes de agua de enfriamiento. Se debe prestar mucha atención al diseño
y tratamiento de los sistemas de tratamiento de agua de enfriamiento, que
3
usan estas fuentes de agua para obtener desempeños confiables y larga
vida.
Concentraciones típicas de iones inorgánicos en aguas superficiales:
1.4 PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO
La estructura del agua es la base de sus propiedades físico químicas
4
En general las propiedades químicas más importantes del agua de
enfriamiento son:
Conductividad: Es una medida de la facultad (habilidad) para conducir la
electricidad. En agua de enfriamiento, la conductividad indica la cantidad de
minerales y gases disueltos en el agua. La conductividad es medida en
micromhos y puede variar de muy pocas unidades para agua destilada, a
más de 10,000 para el agua salada.
5
El agua destilada ordinaria en equilibrio con dióxido de carbono en el aire
tiene una conductividad aproximadamente de 10 x 10-6 W-1*m-1 (20 dS/m).
Debido a que la corriente eléctrica se transporta por medio de iones en
solución, la conductividad aumenta cuando aumenta la concentración de
iones. De tal manera, que la conductividad cuando el agua disuelve
compuestos iónicos.
Conductividad en distintos tipos de aguas:
Agua Ultra Pura 5.5 · 10-6 S/m
Agua potable 0.005 – 0.05 S/m
Agua del mar 5 S/m
Conductividad eléctrica y TDS
Índice TDS o Sólidos totales disueltos (siglas en ingles de Total Dissolved
Solids) es una medida de la concentración total de iones en solución. EC es
realmente una medida de la actividad iónica de una solución en términos de
su capacidad para transmitir corriente. En soluciones en dilución, TDS y EC
son comparables con TDS en una muestra de agua basado en medida de
EC calculado mediante la siguiente ecuación:
TDS (mg/l) = 0.5 x EC (dS/m or mmho/com) or = 0.5 * 1000 x EC (mS/cm)
La relación expresada en la formula de arriba también se puede usar para
determinar la aceptabilidad de un análisis químico del agua. No se aplica en
agua residuales crudas sin ningún tratamiento o en aguas residuales
industriales con amplia contaminación.
Esto es porque, cuando la solución está más concentrada (TDS > 1000 mg/l,
EC > 2000 ms/cm), la proximidad de los iones en solución entre ellos inhibe
su actividad y en consecuencia su habilidad de transmitir corriente, a pesar
de que la concentración física de sólidos disueltos no queda afectada. A
amplios valores de TDS, la relación TDS/EC aumenta y la relación tienen a
ser en torno a TDS = 0.9 x EC.
6
En estos casos, la relación anterior no debe usarse y cada muestra debe
caracterizarse de manera separada.
Para propósitos de uso en agua en agricultura e irrigación los valores de EC
y TDS están relacionados y se pueden convertir con una precisión de
aproximadamente un 10% usando la siguiente ecuación:
TDS (mg/l) = 640 x EC (ds/m or mmho/cm)
Con los procesos de osmosis inversa el agua se fuerza a través de
membranas semi-impermeables dejando las impurezas atrás. Este proceso
es capaz de remover hasta un 5 a 99% de TDS, dando lugar a agua pura o
ultra pura.
Puede usar las calculadoras de Lenntech para determinar la cantidad de
TDS a partir del análisis del agua y su conversión de TDS a EC o viceversa.
pH: Da una indicación de acidez o basicidad del agua. La escala del pH va
del O al 14, donde el cero representa la máxima acidez y el 14 la máxima
basicidad.
El pH está relacionado con la concentración de protones en el agua. Se
define el pH como:
El agua (H2O) se encuentra disociada en protones (H+) e iones hidroxilo
(OH-). El producto de la concentración de estas especies está relacionado
por una constante de equilibrio Kw:
En una situación de neutralidad la concentración de H+ será igual que la
concentración de OH- por lo que podremos expresar la ecuación anterior de
la siguiente forma:
7
Si multiplicamos por –1 a cada lado de la ecuación y tomamos logaritmos
tendremos:
Y por la definición de pH tendremos que en condiciones de neutralidad el pH
es igual a 7. De la misma forma cuando el agua esté totalmente disociado en
protones el pH tendrá un valor de 0 y será 14 cuando esté totalmente
disociado en OH-.
Alcalinidad: La alcalinidad en el agua tanto natural como tratada,
usualmente es causada por la presencia de iones carbonatos (CO3=) y
bicarbonatos (HCO3-), asociados con los cationes Na+, K+ Ca+2 y Mg+2.
La alcalinidad se determina por titulación de la muestra con una solución
valorada de un ácido fuerte como el HCl, mediante dos puntos sucesivos de
equivalencia, indicados ya sea por medios potenciométricos o por medio del
cambio de color utilizando dos indicadores ácido-base adecuados.
En el agua de enfriamiento dos formas de alcalinidad juegan un rol clave,
ellas son la alcalinidad de carbonatos (C03=) y la alcalinidad de bicarbonatos
(HC03-).
Dureza: Se refiere a la cantidad de minerales de calcio y magnesio
presentes en el agua. La dureza en agua natural puede variar de unas pocas
partes por millón (ppm) a por encima de 800 ppm.
Se suele expresar como mg/l de CaCO3 o como grados franceses, teniendo
en cuenta que 10 mg/l es igual que un grado francés.
8
En función de este estado de mineralización, podemos distinguir distintos
tipos de aguas:
Propiedades misceláneas del agua:
Viscosidad relativamente baja, fluye con facilidad
Incompresible, relaciones presión - densidad no son importantes
Disuelve muchas y variadas sustancias
Dependencia de la solubilidad con la temperatura:
Las relaciones bioquímicas requieren de agua para su ocurrencia (no
requieren de aire), el agua es rica en vida, el aire es pobre en
organismos vivientes.
Propiedades térmicas del agua:
El comportamiento térmico del agua es único en varios aspectos,
debiéndose esto principalmente a que las asociaciones
intermoleculares que forma el agua son inusualmente fuertes.
9
El agua tiene elevados puntos de ebullición y de fusión para ser una
sustancia de peso molécula tan bajo.
El agua tiene una de las más altas capacidades caloríficas, lo que la
transforma en un sumífero de calor, consecuentemente, grandes
masas de aguas tienen un efecto regulador de la temperatura
ambiente.
El agua tiene un calor de vaporización alto (539 Cal/g a 100ºC)
Calor requerido para aumentar 1 g a 100ºC = 100 Calorías
Calor requerido para evaporar 1 g = 539 Calorías
Comportamiento de una masa de aire al enfriarse
a→b: Enfriamiento sin condensación
b→c: Condensación de una cierta cantidad de vapor de agua.
10
Al condensarse, el vapor de agua entrega una gran cantidad de calor. Esta
entrega de calor disminuye el enfriamiento del aire en el punto de rocío, el
aire es muy resistente a disminuciones de temperatura.
El calor de difusión del agua (79,71 Cal/g a 0ºC) es una cifra común
para sustancias similares.
La conductividad térmica del agua (capacidad para conducir calor)
supera a la de todas las otras sustancias liquidas naturales,
exceptuando el mercurio.
1.5 IMPORTANCIA DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA,
EN LOS SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO
Cada una de las propiedades claves del agua tienen un impacto directo en
los cuatro principales problemas de los sistemas de agua de enfriamiento:
corrosión, incrustaciones, ensuciamiento y contaminación microbiológica.
Estas propiedades también afectan los programas de tratamiento diseñados
para controlar los problemas.
Conductividad: Los programas de tratamiento del agua de enfriamiento
funcionarán dentro de rangos específicos de conductividad; el rango
dependerá del diseño del agua de enfriamiento particular, de las
características y del tipo del programa químico.
PH: El control de pH es crítico para la mayoría de los programas de
tratamiento de agua de enfriamiento. En general, cuando el pH esta debajo
de los rangos recomendados la probabilidad de corrosión se incrementa y
cuando el pH está por encima de los rangos recomendados, la probabilidad
de formación de incrustaciones se incrementa.
11
La efectividad de muchos biocidas también depende del pH; en
consecuencia pHs altos o bajos pueden permitir el crecimiento y desarrollo
de problemas microbiológicos.
Alcalinidad: La alcalinidad y el pH están relacionados, ya que un
incremento en el pH indica un incremento de la alcalinidad y viceversa. Así
como el pH, alcalinidad debajo del rango recomendado incrementa la
probabilidad de corrosión; rangos por encima de lo recomendado incrementa
la probabilidad de formación de incrustaciones. Cuando existen problemas
de corrosión e incrustaciones, el ensuciamiento también será un problema.
Dureza: La dureza representa una medida de la cantidad de metales
alcalinotérreos en el agua, fundamentalmente Calcio (Ca) y Magnesio (Mg)
provenientes de la disolución de rocas y minerales que será tanto mayor
cuanto más elevada sea la acidez del agua. Es una medida, por tanto, del
estado de mineralización del agua. Los niveles de dureza están usualmente
asociados con la tendencia del agua de enfriamiento a formar o no
incrustaciones. Los programas químicos para prevenir incrustaciones
pueden funcionar solamente cuando los niveles de dureza están dentro del
rango especificado. Algunos programas de control de corrosión requieren de
un cierto nivel de dureza para funcionar correctamente como inhibidor de
corrosión, por lo cual es importante asegurar que el nivel de dureza no esté
debajo en aquellos programas.
1.6. TIPOS DE SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO MÁS COMUNES
Existen los siguientes diseños básicos de sistemas de agua de enfriamiento:
Sistemas de un solo paso.
Sistemas de recirculación abiertos.
Sistemas de recirculación cerrados.
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Sistemas de un sólo paso: El agua de enfriamiento pasa a través de un
equipo de intercambio de calor solamente una vez. Debido a los grandes
volúmenes de agua de enfriamiento que son usados, la temperatura del
agua se incrementa sólo ligeramente. El contenido mineral del agua de
enfriamiento permanece prácticamente sin cambio al pasar a través del
sistema.
Se usan cuando existe disponibilidad de gran cantidad de agua y el
tratamiento puede ser mínimo y generalmente no se usa tratamiento.
Sistemas de recirculación abiertos: Se denominan también sistemas
evaporativos y son los más ampliamente usados en el diseño de
enfriamiento industrial; usan tratamiento químico.
Este sistema consiste de bombas, intercambiadores de calor y torres de
enfriamiento. Las bombas mantienen el agua circulando a través de los
intercambiadores de calor, donde retiran calor, y de la torre de enfriamiento
donde el calor es liberado del agua a través de la evaporación. Debido a la
evaporación (disminución del volumen inicial de agua), el agua en los
sistemas de agua de enfriamiento abiertos, sufre un incremento en su
contenido químico.
Sistemas de recirculación cerrados: Usa la misma agua de enfriamiento
repetidamente en un ciclo continúo. Primero, el agua absorbe calor del fluido
del proceso y luego lo libera en otro intercambiador de calor. En estos
sistemas no se incluye una torre de enfriamiento evaporativa, pero si usan
un tratamiento químico. Un caso específico es el sistema de enfriamiento de
agua de los vehículos automotores
1.7. PROBLEMAS EN LOS SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO
Si no se tratan los sistemas de agua de enfriamiento, proporcionan un
ambiente donde existirán los problemas principales del agua de
enfriamiento, tales como:
13
Corrosión: El agua tiende a convertir los metales (tales como el acero
dulce) a su estado oxidado.
Incrustación: Las impurezas del agua, tales como dureza de calcio y
magnesio pueden precipitar y depositarse, dependiendo de sus
concentraciones y de la temperatura del agua, pH, alcalinidad y otras
características del agua.
Contaminación Microbiológica: Los sistemas de agua de enfriamiento
ofrecen un ambiente favorable para el crecimiento de microorganismos, los
cuales causan problemas.
Ensuciamiento: Los sólidos suspendidos, tanto de las fuentes externas
como internas, pueden causar depósitos.
1.8. EFECTO DE LOS PROBLEMAS EN LOS SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO
Si no se controlan estos problemas en el agua de enfriamiento, juntos o por
separado, pueden causar:
Incremento de los costos de mantenimiento.
Reducción de la eficiencia de transferencia de calor y grandes
pérdidas de energía.
Posible producción de paradas de planta.
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CAPITULO 2
CORROSIÓN
2.1. DEFINICIÓN
La corrosión es un proceso electroquímico por el cual los metales
procesados, cómo el acero, cobre y zinc retornan a su estado natural, cómo
compuestos químicos o minerales.
Por ejemplo: el acero dulce que es el metal más comúnmente usado en
sistemas de agua de enfriamiento, por ser un metal muy susceptible a la
corrosión, en presencia de agua y oxígeno retornará a su estado natural de
óxido de hierro.
La corrosión causa fallas prematuras en los metales y los productos de la
corrosión se depositan en el sistema y disminuyen tanto la transferencia de
calor cómo el flujo de agua de enfriamiento.
Los niveles de corrosión se expresan cómo pérdida de metal en mils/año
(mpa): un mils es igual a 0.001 pulgadas (0.0025 cm).En un sistema de agua
de enfriamiento una pérdida aceptable, por corrosión, puede ser de 10-15
mpa.
15
2.2. MECANISMO DE LA CORROSIÓN
Para que ocurra corrosión debe existir una celda de corrosión, consistente
en un cátodo, un ánodo y un electrolito. Los iones metálicos disueltos en el
electrolito (agua) son el ánodo. Las partículas disueltas, cargadas
eléctricamente (electrones), fluyen a través del metal a otros puntos
(cátodos) donde ocurren reacciones de consumo de electrones. Los
resultados de esta actividad es la pérdida de metal y a menudo la formación
de un depósito.
Están sujetas a corrosión las aleaciones de aluminio, cobre y el acero
inoxidable, al igual que el acero dulce (acero con menos de 0.25% de
carbono).En general, aquellos metales se corroen más lentamente que el
acero dulce. Sin embargo en algunos tipos de agua pueden estar sujetos a
severos ataques localizados (picaduras).
16
También, algunos gases disueltos como el H2S o NH3 son frecuentemente
más destructivos para esos metales que para el acero dulce. La corrosión
está en función de las características del agua, de los metales y del sistema.
2.3. TIPOS DE ATAQUE POR CORROSIÓN
Existen muchos tipos diferentes de corrosión, pero estos pueden ser
caracterizados a menudo como: ataque general, ataque localizada o
picadura: ataque galvánico y tuberculación.
Ataque general: Existe cuando la pérdida de material está distribuida
uniformemente a lo largo de la superficie del metal. Las considerables
cantidades de óxido de hierro producido por el ataque generalizado
contribuyen, además, a problemas de ensuciamiento.
Ataque localizado o picadura: Existe cuando solamente pequeñas áreas
del metal se corroen. La picadura es la forma más seria de corrosión debido
a que la acción está concentrada en un área pequeña y puede perforar el
metal en corto tiempo.
Ataque galvánico: Puede ocurrir cuando dos metales diferentes están en
contacto. El metal más activo se corroe rápidamente. Ejemplos comunes en
los sistemas de agua son: acero inoxidable y latón, aluminio y acero, zinc y
acero, y zinc y latón. Si ocurre ataque galvánico, el metal nombrado en
primer término (en cada par de materiales) es el que se corroerá.
Tuberculación: es el resultado de varias circunstancias que originan
procesos de corrosión y producen nódulos sobre la superficie metálica. Los
nódulos son montículos compuestos por varias formas de óxidos y productos
de corrosión laminar. Los nódulos se presentan en sistemas con tratamiento
inapropiado y pueden desprenderse alojándose en lugares críticos.
17
2.4. CARACTERÍSTICAS DEL AGUA QUE INFLUYEN EN LA CORROSIÓN.
Las características del agua, más importantes, que influyen en la corrosión,
son:
• Oxígeno y otros gases disueltos
•Sólidos suspendidos y sólidos disueltos
• Basicidad o acidez (pH)
• Velocidad
• Temperatura
• Actividad microbiológica.
2.4.1. OXÍGENO.
El oxígeno disuelto en el agua es esencial para que la reacción catódica
tenga lugar y se produzcan los óxidos de los metales. En presencia de agua
y oxígeno, la naturaleza ataca incansablemente a los metales convirtiendo
los metales en óxidos. Este tipo de corrosión ocurre generalmente en
superficies expuestas al oxígeno diatómico disuelto en agua o al aire, se ve
favorecido por altas temperaturas y presión elevada ( ejemplo: calderas de
vapor). La corrosión en las máquinas térmicas (calderas de vapor)
representa una constante pérdida de rendimiento y vida útil de la instalación.
Corrosión por presiones parciales de oxígeno
El oxígeno presente en una tubería por ejemplo, está expuesto a diferentes
presiones parciales del mismo. Es decir una superficie es más aireada que
otra próxima a ella y se forma una pila. El área sujeta a menor aireación
(menor presión parcial) actúa como ánodo y la que tiene mayor presencia de
oxígeno (mayor presión) actúa como un cátodo y se establece la migración
de electrones, formándose óxido en una y reduciéndose en la otra parte de
la pila. Este tipo de corrosión es común en superficies muy irregulares donde
se producen obturaciones de oxígeno.
18
2.4.2. SÓLIDOS SUSPENDIDOS Y SÓLIDOS DISUELTOS.
Los sólidos suspendidos pueden influenciar la corrosión por acción erosiva o
abrasiva, y pueden asentarse en la superficie del metal y producir celdas de
corrosión localizada.
Los sólidos disueltos pueden afectar la reacción de corrosión por incremento
de la conductividad eléctrica del agua. A más altas concentraciones de
sólidos disueltos la conductividad es más alta y la probabilidad de corrosión
es mayor. Los cloruros y sulfatos disueltos son particularmente corrosivos.
2.4.3. ACIDEZ O BASICIDAD DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO.
La velocidad de corrosión del acero aumenta a medida que disminuye el ph,
el cual al ser muy altos suele ser muy corrosivo.
La velocidad de corrosión con el ph está influenciada por la composición del
electrolito.
Al aumentar la concentración del ión hidrógeno es más ácida la solución y es
menor el valor de ph.
La magnitud de ph nos indica la intensidad de acidez o alcalinidad del medio.
Esta magnitud se indica por medio de una escala la cual la número siete
indica que la solución con ph es neutra; los numerosa menores de siete
indican que es ácida y los mayores alcalinidad.
El agua con acidez o ligera basicidad puede disolver los metales y la película
de óxido que protege la superficie del metal.
Mayor basicidad en el agua favorece la formación de una capa protectora de
óxido.
19
2.4.4. VELOCIDAD DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO.
Altas velocidades del agua pueden incrementar la corrosión por transporte
de oxígeno al metal y por sacar los productos de corrosión a un rate más
rápido.
Las altas velocidades también pueden causar erosión de la superficie
metálica de las películas protectoras y óxidos.
Cuando la velocidad del agua es baja los depósitos de los sólidos
suspendidos pueden establecer celdas de corrosión localizada, con lo cual
se incrementa el rate de corrosión.
2.4.5. TEMPERATURA.
Debajo de 71 °C, cada 5 – 10 °C de incremento en la temperatura causa el
doble rate de corrosión; sobre los 71°C los incrementos de temperaturas
adicionales tienen efectos relativamente pequeños en los rates de corrosión
en los sistemas de agua de enfriamiento.
Una excepción de esto podría ser en un sistema abierto a la atmósfera la
velocidad de corrosión inicial aumenta disminuyendo posteriormente si la
temperatura se aumenta.
2.4.6. CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO.
El crecimiento microbiológico promueve la formación de celdas de corrosión.
Además, los subproductos de algunos organismos, tales como el ácido
sulfhídrico de las bacterias anaerobias, son corrosivos.
La Biocorrosión (BC) y bioensuciamiento (BE), se ilustran en la figura
siguiente, ambos procesos dependen de una propiedad genética microbiana
para la síntesis muco polisacáridos (MPS), compuestos orgánicos
(Characklis, 1981) necesarios para que los microorganismos se adhieran a
20
la superficie de la aleación, que sirve para retener minerales circundantes
estimulantes de la BC localizada en el sitio, (Licina, 1988).
Los MPS microbianos facilitan las reacciones de oxido-reducción (ánodo-
cátodo), entre aleación material y minerales del agua (fenómenos
electroquímicos), lo que cíclica estimula la BC (Silva et al., 1986)
Con mayor secreción de MPS, minerales en circulación se retienen en ese
sitio y momento, esto atrapa mayor número y variedad de microorganismos
(Videla et al., 1994) suspendidos en el agua, así la dinámica del daño por BC
aumenta en el área y en profundidad.
Bajo esta condición los microorganismos inducen la formación de un bioflim
o biopelícula (BP), en donde coexisten tipos microbianos, que representan:
quimiolitotróficos obligados y facultativos, heterotróficos poco exigentes,
aerobios y anaerobios, como se describe en la figura posterior.
Lo anterior demuestra que para prevenir y controlar un problema de BC, en
la aleación la que tiene una condición fisicoquímica (Videla y Salvarezza,
1984), que en nada está relacionada con corrosión química (Kearns y Little,
1994), la comprensión de esta diferencia reduce o elimina el problema o
fracaso de la estrategia de prevención (Kobrin, 1988; Touvinen y Mair,
1986).
En el pasado sin restricciones ambientales en biocidas de inhibidores de
corrosión (De Beer et al., 1994), se usaron detergentes aniónicos (Leal et al.,
1994) y cataónicos (Booth, 1971; Dester, et al., 1976), metales pesados
(plomo, mercurio, zinc), metaloides: arsenatos, cromatos, etc. reduce
incrustaciones de sales minerales: tipo carbonatos y calcio con ácido
sulfúrico, hoy no se usan por razón de protección ambiental, el control del
BE se recomienda con cloro y/o pentaclorofenol, así como cuaternarios de
amonio (Duquette, 1986).
21
Aunque la presión de las legislaciones vigente para la protección ambiental,
han cambiado drásticamente el tipo de inhibidor vigente para la protección
ambiental, ha cambiado drásticamente el tipo de inhibidor de BC, pues ya no
se permiten la aplicación de cromotos debido a su toxicidad (Burdige y
Nealson, 1976; Characklis, 1981).
Desafortunadamente los nuevos tratamientos no han sido lo eficaces que se
esperaba, debido a la variedad y cantidad de microorganismo que se
involucran en la BC.
Además de que factores físicos como la temperatura para evitar y control el
BE (Childers, 1992; Fiala y Stetter, 1986).
Lo anterior significa que en un área esencial para evitar la BC, es la
investigación sobre biocida, que controlen el problema con eficacia, a un
bajo costo, a tóxicos para humanos sin riesgo de daño ambiental.
Formación de biopelícula (biofilm), que involucra la incorporación de
nutrientes y microorganismos en zonas localizadas con corrosión en una
superficie de aleación.
x
x
x x
x
x x
x
x
x x
x
x x
x
x
x
x x
x
C Digestión
A Trampa de nutrimentos
B Producción
primaria
D Protección
22
2.5. MÉTODOS USADOS PARA EL CONTROL DE LA CORROSIÓN.
La corrosión puede ser controlada, dentro de niveles tolerables, mediante un
tratamiento efectivo del sistema:
a) Cuando se diseña un nuevo sistema se deben escoger
materiales resistentes a la corrosión, para minimizar el efecto
de un medio agresivo.
b) Ajustar el pH
c) Aplicar recubrimientos protectores tales como pinturas,
revestimientos metálicos, brea o plásticos.
d) Protección catódica usando metales de sacrificio.
e) Añadir inhibidores químicos, formadores de películas
protectoras, que el agua puede distribuir a través de todas las
partes humedecidas del sistema.
2.6. ACCIÓN DE LOS INHIBIDORES QUÍMICOS DE CORROSIÓN.
Los inhibidores químicos de corrosión reducen o detienen la corrosión por
interferencia con los mecanismos de corrosión, formando una película
protectora sobre la superficie metálica.
Los inhibidores usualmente actúan sobre el cátodo o el ánodo.
Inhibidores anódicos de corrosión: Establecen una película protectora en
el ánodo. Aun cuando estos inhibidores pueden ser efectivos también
pueden ser peligrosos.
23
Si hay insuficiente cantidad de inhibidor anódico, ocurre potencial de
corrosión en todos los sitios anódicos no protegidos o insuficientemente
protegidos. Esto causa ataques localizados severos (o picaduras).
Inhibidores principalmente anódicos:
Cromatos, nitritos, orto fosfatos y silicatos
Inhibidores catódicos de corrosión: Forman una película protectora en el
cátodo. Estos inhibidores reducen la velocidad de corrosión en proporción
directa a la protección del área catódica.
Inhibidores principalmente catódicos:
Bicarbonatos, polifosfatos y cationes metálicos
Inhibidores generales de corrosión: Protegen con una película toda la
superficie metálica, ya sea anódica o catódica.
Inhibidores Generales:
Aceites solubles y otros productos orgánicos.
2.7. TIPOS DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO.
El escoger el tipo de tratamiento es básicamente una materia económica.
En los sistemas de un sólo paso un gran volumen de agua pasa a través
del sistema una sola vez. La protección puede ser obtenida con
relativamente pocas partes por millón de tratamiento, debido a que el agua
no cambia significativamente en su composición mientras pasa a través de
los equipos.
En un sistema de recirculación abierta, deben estar presentes mayor
cantidad de productos químicos, debido a que la composición del agua
cambia significativamente debido al proceso de evaporación.
24
Los constituyentes que pueden causar corrosión o incrustación son
concentrados. Sin embargo, el tratamiento químico también es concentrado
por evaporaci6n; por eso, después del dosaje inicial de inhibidores de
corrosión, con dosajes moderados se mantendrá el nivel de tratamiento
necesario para estos sistemas.
En un sistema de recirculación cerrado, la composición del agua
permanece regularmente constante. Hay pérdidas muy pequeñas de agua y
de tratamiento químico.
El factor más importante en un programa inhibidor de corrosión efectivo es el
control de los inhibidores de corrosión química en el sistema de enfriamiento
y el control de las características claves del agua.
25
CAPITULO 3
INCRUSTACIONES
3.1. DEFINICIÓN.
Las incrustaciones son un recubrimiento denso de material predominante
inorgánico, formado por la precipitación química inducida de constituyentes
soluble en el agua, que se vuelven insolubles por aumento de la
temperatura, lo cual causa un exceso en el producto de solubilidad de algún
constituyente del sistema.
Las incrustaciones interfieren con la transferencia de calor y disminuyen el
flujo de agua de enfriamiento.
Las incrustaciones reduce la eficiencia en transferencia de calor. Un sistema
de enfriamiento libre de incrustación y corrosión proporciona un rendimiento
eficiente lo cual redunda en ahorros en tiempo y dinero en la operación y
mantenimiento del mismo, y por si fuera poco brinda seguridad; evitando
paros innecesarios por mantenimiento correctivo, lo que conlleva: gastos en
mano de obra y en desincrustantes químicos o mecánicos.
Las incrustaciones más comunes están formadas por:
26
• Carbonato de calcio
• Fosfato de calcio
• Sales de magnesio
• Sílice
3.2. FACTORES QUE DETERMINAN LA FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES.
Los factores que determinan si un agua es formadora de incrustaciones son:
• Temperatura
• Basicidad o acidez (pH)
• Cantidad presente de materiales formadores de incrustaciones.
27
• Influencia de otros materiales disueltos, los cuáles pueden o no ser
formadores de incrustaciones.
Cuando alguno de esos factores cambia, la tendencia incrustante también
cambia. La mayoría de sales llegan a ser más solubles cuando se
incrementa la temperatura.
Sin embargo, algunas sales como el carbonato de calcio se hacen menos
solubles cuando se incrementa la temperatura. Por eso, el carbonato de
calcio causa depósitos a altas temperaturas.
Un cambio en el pH afecta grandemente la formación de incrustaciones.
Por ejemplo, cuando el pH se incrementa el carbonato de calcio (el más
común de los constituyentes de incrustaciones en los sistemas de
enfriamiento) decrece en solubilidad y se deposita.
Algunos materiales tales como la sílice (Si02) son menos solubles a pHs
bajos.
Cuando la cantidad de material disuelto en agua y formadores de
incrustaciones excede el punto de saturación, puede resultar en
incrustaciones.
Además otros sólidos disueltos pueden influenciar la tendencia formadora de
incrustaciones.
En general, altos niveles de sólidos disueltos formadores de incrustaciones
presentan las más altas probabilidades de formación de incrustaciones.
3.3. CONTROL DE LA FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES.
Las formas básicas de controlar las incrustaciones, son:
28
Limitar la concentración de minerales formadores de incrustaciones,
por control de los ciclos de concentración o por remoción de los
minerales antes que estos entren al sistema. Los ciclos de
concentración es la relación entre el contenido de un ión en el agua
de purga y su contenido en el agua de reposición.
Interferir a los iones potencialmente incrustadores. Se adiciona un
ácido para mantener disueltos los minerales formadores de
incrustaciones, tales como el carbonato de calcio y prevenir el
crecimiento de cristales. La adición de ácido sulfúrico transforma los
bicarbonatos en sulfatos, previniendo la precipitación como carbonato
de calcio.
Hacer cambios mecánicos en el sistema para reducir la probabilidad
de formación de incrustaciones. El incremento del flujo de agua en
intercambiadores con grandes áreas superficiales es un ejemplo de
esto.
Tratamiento con productos químicos diseñados para prevenir las
incrustaciones.
El empleo de productos desoxigenantes como el sulfito de sodio,
reaccionando con el oxígeno, evita la corrosión que éste ocasiona en la
caldera. El sulfito de sodio es una sal inestable que tiende a captar el
oxígeno del medio en que se encuentre, convirtiéndose en otra sal de
propiedades distintas que recibe el nombre de sulfato de sodio.
Su reacción ocurre con el oxígeno a elevados pH y elevadas temperaturas
para formar el sulfato de sodio por la siguiente reacción:
29
En ambos casos, los productos de su reacción dan lugar a la formación de
precipitados que son evacuados mediante las extracciones de fondo o
purgas.
El agua en los circuitos de refrigeración puede ocasionar los siguientes
problemas: corrosión, incrustaciones y crecimiento de microorganismos.
Las incrustaciones disminuyen la eficiencia del trabajo de las torres de
enfriamiento, ya que provocan aumentos en la temperatura de condensación
en el circuito y a su vez tienden a aumentar la presión de condensación del
turbocompresor, lo que implica que aumenta el consumo eléctrico.
El mejor modo de evitarlas es utilizando agua tratada (suavizada).
Los daños por corrosión pueden ocasionar picaduras en los tubos de los
intercambiadores (evaporador y condensador), lo que implicaría un gran
deterioro de componentes de estos sistemas (filtros, caja de álabes de
regulación, cámara de flujo, etcétera) debido a que se pone en contacto el
gas de refrigeración con el agua de enfriamiento y a su vez, paradas del
equipo para limpieza.
El control de la corrosión se logra principalmente, mediante el uso de
inhibidores tales como cromatos, polifosfatos, etc.
El crecimiento biológico se compone de colonias de algas formadas por
millones de minúsculas plantas que se multiplican y producen grandes
masas de materia vegetal, que dan lugar a serias obstrucciones.
Además, algunas de ellas como las sulforreductoras pueden ser la causa
directa de la corrosión. Uno de los medios más empleados para evitar su
crecimiento es el empleo de forma alterna de sulfato de cobre con hipoclorito
de sodio.
30
3.4. TRATAMIENTOS CON INHIBIDORES QUÍMICOS DE INCRUSTACIONES.
Los tratamientos con inhibidores químicos de incrustaciones más usados,
son:
Los acondicionadores de incrustaciones: modifican la estructura del
cristal de las incrustaciones, creando un lodo pesado y transportable en vez
de un cristal duro, que puede continuar creciendo. Entre los
acondicionadores de incrustaciones tenemos: Ligninas, taninos, compuestos
poliméricos.
Los inhibidores químicos de tratamiento umbral: previenen la formación
de incrustaciones, manteniendo en solución los minerales formadores de
incrustaciones y no permitiendo que se formen depósitos. Entre los
31
inhibidores químicos de tratamiento umbral tenemos: Fosfatos orgánicos,
polifosfatos, compuestos poliméricos.
Al igual que en la corrosión, el control del programa químico y del sistema de
agua de enfriamiento permite asegurar que la formación de incrustaciones
no llegue a ser un problema.
32
CAPÍTULO 4
ENSUCIAMIENTO
4.1. DEFINICIÓN.
Ensuciamiento es la acumulación de materiales sólidos, diferentes de las
incrustaciones, que se producen debido al depósito de partículas que se fijan
en algún punto del sistema, donde la velocidad del agua de enfriamiento
disminuye a un nivel tan bajo, que no es capaz de arrastrar el material en el
flujo. Estos depósitos impiden la operación del equipo de planta o
contribuyen a su deterioro.
Ejemplos de los materiales más comunes, que producen ensuciamiento son:
• Polvo y cieno
• Arena
• Productos de corrosión
• Productos orgánicos naturales
• Masas microbiológicas
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• Fosfatos de aluminio
• Fosfatos de hierro
4.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ENSUCIAMIENTO EN UN SISTEMA DE AGUA DE ENFRIAMIENTO.
Los factores más importantes que influyen en el ensuciamiento en un
sistema de agua de enfriamiento son:
- Características del agua
- Temperatura
- Velocidad del flujo de agua
- Crecimiento microbiológico
- Corrosión
- Contaminación.
4.2.1. CARACTERÍSTICAS DE AGUA.
El agua destilada no ensucia. Sin embargo la mayoría de aguas contienen
materiales suspendidos y disueltos que pueden causar un problema
significativo de ensuciamiento bajo ciertas condiciones.
Los materiales afectan en mayor grado cuando es mayor el tamaño de las
partículas y la cantidad de partículas.
Podemos distinguirlos en sólidos sedimentables, sólidos en suspensión y
sólidos disueltos, siendo los sólidos totales la suma de todos ellos. Estos
sólidos, además de poder suponer la presencia de cuerpos u substancias
extrañas que pudieran en algún caso no ser recomendables, aumentan la
turbidez del agua y disminuyen la calidad de la misma.
Los sólidos sedimentables son sólidos de mayor densidad que el agua, se
encuentran dispersos debido a fuerzas de arrastre o turbulencias. Cuando
estas fuerzas y velocidades cesan y el agua alcanza un estado de reposo,
34
precipitan en el fondo. Suelen eliminarse fácilmente por cualquier método de
filtración.
Los sólidos en suspensión se mantienen en el agua debido a su naturaleza
coloidal que viene dada por las pequeñas cargas eléctricas que poseen
estas partículas que las hacen tener una cierta afinidad por las moléculas de
agua. Este tipo de sólidos como tales son difíciles de eliminar siendo
necesaria la adición al agua de agentes coagulantes y floculantes que
modifican la carga eléctrica de estas partículas consiguiendo que se agrupen
en flóculos de mayor tamaño para así poder separarlos mediante filtración.
Ciertos sistemas de tratamiento de agua como la ozonización ya suponen de
por sí un buen método floculante ya que se produce la oxidación del hierro,
manganeso y aluminio, óxidos que son los que verdaderamente ejercen un
fuerte poder floculante en el agua aumentando la eficacia del filtro y
mejorando la transparencia del agua.
Los sólidos disueltos están relacionados con el grado de mineralización del
agua ya que son iones de sales minerales que el agua ha conseguido
disolver a su paso. Están relacionados con la conductividad del agua ya que
un aumento de estos iones aumenta la capacidad conductiva. Un tratamiento
prolongado con compuestos del cloro en una piscina por ejemplo aumenta la
cantidad de sólidos disueltos y la conductividad en el tiempo.
4.2.2. TEMPERATURA.
El incremento de temperatura incrementa la tendencia al ensuciamiento,
debido a que las superficies que transfieren calor están más calientes que el
agua de enfriamiento y aceleran el ensuciamiento. La conductividad térmica
del agua (capacidad para conducir calor) supera a la de todas las otras
sustancias liquidas naturales, exceptuando el mercurio. La temperatura es
un factor determinante ya que un incremento de temperatura, resultaría
también en un incremento de la velocidad de sedimentación.
Efectos de la temperatura en la viscosidad
35
Aumenta al disminuir la temperatura: YoºC / Y30ºC = 2 (dos veces)
Esto afecta la velocidad de sedimentación de las partículas.
v = Velocidad
luego Flujos Laminares :
Efecto, aguas frías retienen sedimentos por periodos más largos que cursos
de agua más calientes.
4.2.3. VELOCIDAD DEL FLUJO DE AGUA.
A bajas velocidades del flujo de agua (un pie por segundo o menos) ocurre
ensuciamiento debido al asentamiento natural del material en suspensión. A
velocidades del flujo de agua más altas (dos pies por segundo) puede
ocurrir ensuciamiento, pero usualmente es menos severo. A tres pies por
segundo o más se puede evitar que se depositen los sólidos suspendidos.
4.2.4. CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO.
Los microorganismos pueden formar depósitos en cualquier superficie.
Además las bacterias corrosivas o depositadoras de hierro causan o utilizan
productos de corrosión los cuales subsecuentemente se depositan como
ensuciantes voluminosos. Todas las colonias microbiológicas actúan como
un lugar colector de polvo y cieno, causando un depósito de ensuciantes
diversos. Las células microbianas aisladas son capaces de llevar a cabo sus
funciones vitales de crecimiento, generación de energía y reproducción
independiente de otras células.
36
Las actividades microbianas sustentan los ciclos biogeoquímicos de la
Tierra: los ciclos del carbono, del nitrógeno, del azufre o del fósforo
dependen de modo fundamental de los microorganismos.
Las actividades metabólicas microbianas son excepcionalmente variadas,
siendo algunas de ellas exclusivas del mundo procariótico.
4.2.5. CONTAMINACIÓN DEL PROCESO.
Los materiales que escapan del lado del proceso del equipo de intercambio
de calor pueden causar serios problemas de ensuciamiento en varios
aspectos:
- Depositándose como productos insolubles.
- Suministrando nutrientes para microorganismos y causando
severos crecimientos microbiológicos.
- Reaccionando con los inhibidores de corrosión o incrustaciones
para formar ensuciamientos insolubles.
4.3. CONTROL DEL ENSUCIAMIENTO.
El ensuciamiento puede ser controlado mecánicamente o por el uso de
tratamientos químicos. El mejor método depende del tipo de ensuciamiento.
El control del ensuciamiento en un sistema de enfriamiento involucra tres
tácticas principales:
Prevención: Es todo lo que se pueda hacer para prevenir que los materiales
que producen ensuciamiento entren al sistema de enfriamiento; esto puede
requerir cambios mecánicos o adición de productos químicos para clarificar
el agua de reposición.
Reducción: Se tiende a remover o reducir el volumen de los materiales que
producen ensuciamiento, que inevitablemente entran al sistema de
enfriamiento. Esto puede involucrar filtraci6n del flujo o limpieza periódica del
estanque de la torre de enfriamiento.
37
Control de la operación: Es una acción regular para minimizar los
depósitos de los materiales que producen ensuciamiento en el sistema. Esto
puede incluir la adición de dispersantes químicos y agitación por aire o retro
lavado de los intercambiadores.
4.4. INHIBIDORES QUÍMICOS DE ENSUCIAMIENTO.
Los inhibidores químicos de ensuciamiento trabajan mediante los
dispersantes y los agentes humectantes para mantener los materiales que
producen ensuciamiento en suspensión, previniendo que ellos se asienten
en las superficies metálicas o ayudando a remover los depósitos de
ensuciamiento que ya se han formado.
Los dispersantes, por refuerzo de cargas, causan que los materiales que
producen ensuciamiento se repelan unos a otros por incremento de las
cargas eléctricas iguales que acarrean.
Los agentes humectantes hacen al agua más penetrante (reducen la tensión
superficial), inhiben la formación de nuevos depósitos y posibilitan la
remoción de los depósitos existentes.
Esta acción mantiene las partículas, en la masa del flujo de agua y donde
pueden ser más fácilmente removidas del sistema ya sea a través de las
purgas o de filtración.
4.5. PRODUCTOS QUÍMICOS USADOS.
Refuerzo de cargas: Polímeros aniónicos.
Agentes humectantes: Surfactantes
Los floculantes se emplean en la resolución de muchos problemas
tecnológicos relacionados con la aceleración y aumento de eficacia de
procesos de separación de sistemas sólido-líquido.
38
Los actualmente existentes en el mercado son productos sintéticos de
naturaleza polímera, conocidos genéricamente como polielectrólitos, que
presentan, entre otras, dos propiedades fundamentales: elevado peso
molecular, y una determinada densidad de carga iónica que depende de sus
aplicaciones.
Estos procesos de separación adquieren gran importancia en actividades tan
esenciales como la depuración de aguas, la deshidratación de fangos, como
agentes de retención y desgote en la mesa de trabajo en la fabricación de
papel, o en minería, como compuestos auxiliares en procesos de separación
de sólidos.
Por las características especiales exigibles a los polielectrólitos, en su
fabricación sólo se pueden usar un número reducido de monómeros
comercialmente accesibles. De entre todos ellos, la acrilamida y algunos
comonómeros catiónicos o aniónicos basados en acrilamida constituyen la
base para sintetizar actualmente más del 95% de los polielectrólitos
existentes en el mercado.
La estabilidad termodinámica de un floculante en microemulsión inversa
depende de la naturaleza del sistema tensioactivo que se haya utilizado para
39
formar dicha micro emulsión. La selección del tensioactivo o sistema
tensioactivo (formado por dos o más tensioactivos) adecuado para
estabilizar una micro emulsión inversa se ha relacionado con la teoría del
CER y la del parámetro de empaquetamiento, que conducen a la utilización
de sistemas tensioactivos con cadenas hidrófobas voluminosas y con un
HLB determinado.
Los surfactantes son los responsables del efecto limpiador. Los surfactantes
están formados por un elemento soluble en agua, también denominado
hidrófilo, y un elemento soluble en grasa o lipófilo. Esta dualidad significa
que pueden reducir la tensión de superficie del agua. También se dice que
hacen que el agua esté "más blanda". Esto les permite penetrar en las fibras
de los tejidos para desprender mejor la suciedad, que se queda en la
emulsión del agente limpiador.
Los surfactantes también se utilizan como agentes emulsionantes. Esto
significa que son capaces de unir tipos de líquidos que de otro modo se
repelerían, como el aceite y el agua.
Los surfactantes también se utilizan como disolventes o reguladores de la
espuma, es decir, pueden estabilizar o reducir la espuma. Sin embargo, los
surfactantes también tienen su lado perjudicial.
Demasiados surfactantes en las aguas residuales también pueden tener
efectos desastrosos.
En los años 50 en Europa esto se tradujo en problemas muy graves con el
agua, es decir, la formación de montañas de espuma. Se tuvieron que
introducir leyes sobre detergentes o agentes limpiadores para detener el
problema.
Un control continuo, tanto del programa químico y mecánico, es el único
camino para reducir el ensuciamiento.
40
4.6. EFECTO DE LA CORROSIÓN EN EL ENSUCIAMIENTO.
La corrosión puede formar productos de corrosión insolubles que migran y
se mezclan con desechos contaminantes del proceso o masas
microbiológicas para agravar el ensuciamiento.
41
CAPÍTULO 5
CONTAMINACIÓN MICROBILÓGICA
5.1. DEFINICÓN.
Contaminación microbiológica es el crecimiento incontrolado de
microorganismos, que puede conducir a la formación de depósitos, los
cuales contribuyen al ensuciamiento, a la corrosión y a la formación de
incrustaciones.
El limo microbiológico es una masa de organismos microscópicos y
productos residuales que se forman sobre las tuberías y que interfieren con
la transferencia eficiente de calor. Aquellos limos son usualmente
caracterizados por su contextura viscosa y pueden ser animales o vegetales.
Algunos organismos no crean depósitos de limo y no promueven la corrosión
del metal. La presencia de gran número de aquellos organismos no
perjudiciales sin embargo indica que hay condiciones ideales para el
crecimiento de organismos perjudiciales.
Tanto las fuentes de agua de reposición, viento e insectos pueden acarrear
microorganismos dentro del sistema de agua de enfriamiento.
Los microorganismos han sido los primeros en aparecer en la evolución, y
constituyen seguramente la mayor parte de la biomasa de nuestro planeta.
42
Se calcula que sólo hemos descrito menos del 10% de los microorganismos
existentes, por lo que los biólogos tienen una gran tarea por delante para
estudiar esta parte de la biodiversidad.
Los organismos reaccionan ante una variedad de factores ambientales y
sólo pueden ocupar un cierto hábitat cuando los valores de esos factores
caen dentro del rango de tolerancia de la especie.
Entre las principales sales que se encuentran en los organismos vivos son
los fosfatos, carbonatos, silicatos, cloruros, los cuales se encuentran
formando diversas estructuras:
Esqueleto interno de vertebrados, en el que encontramos: fosfatos, cloruros,
y carbonatos de calcio
Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos.
Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas (impregnación con
sílice).
Otolitos del oído interno, formados por cristales de carbonato cálcico
(equilibrio).
Intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua entre el
interior celular y el medio donde vive esa célula.
5.2. FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO.
Los factores más importantes que contribuyen al crecimiento microbiológico,
son los siguientes:
Nutrientes: por ejemplo, los hidrocarburos u otra fuente de carbón
nitrógeno, azufre, fósforo y sales inorgánicas. En muchos casos serán
necesarias ciertas vitaminas y otras sustancia inductoras del crecimiento
pueden servir como nutrientes para los organismos formadores de limo.
43
Siempre han de estar presentes las sustancias adecuadas para ejercer de
donantes o captadores de electrones para las reacciones químicas que
tengan lugar.
Atmósfera: el crecimiento de los microorganismos depende de la
disponibilidad de oxígeno y/o dióxido de carbono (CO2).
Localización: factores tales como la cantidad de luz y humedad afectan
significativamente el rate de crecimiento microbiológico.
Temperatura: los organismos que producen limo tienden a prosperar entre 4
y 66°C.
Según su comportamiento frente a la temperatura, los organismos pueden
ser térmofilos, mesófilos y psicrotrofos.
A temperaturas inferiores a la óptima, la velocidad de crecimiento de los
microorganismos disminuye y los periodos de latencia se alargan mucho.
A una temperatura de refrigeración (0 - 5º C) los organismos psicrófilos
crecen más rápidamente que los mesófilos. Po tanto, la baja temperatura
supone un factor de selección de la flora del alimento de gran importancia.
Cuando se enfría rápidamente un alimento muchas de las bacterias
mesófilas que normalmente resistirían la temperatura de refrigeración,
mueren como consecuencia del «choque de frío». Esto es más frecuente en
Gram-negativas que en Gram-positivas.
A baja temperatura las rutas metabólicas de los microorganismos se ven
alteradas, como consecuencia de su adaptación al frío. Estos cambios
metabólicos pueden dar lugar a que se produzcan deterioros diferentes,
causados por los mismos microorganismos a diferentes temperaturas.
Los microorganismos patógenos son, en su mayoría, mesófilos y no
muestran crecimiento apreciable, ni formación de toxinas, a temperaturas de
44
refrigeración correctas. Ahora bien, si la temperatura no es controlada
rigurosamente puede producirse un desarrollo muy peligroso rápidamente.
El limo puede causar o acelerar el rate de formación de incrustaciones. El
limo puede causar que el tratamiento químico para incrustaciones sea
inefectivo. Cuando se forman depósitos se reduce la transferencia de calor.
Esto causa posibles paradas y altos costos de energía.
Además, las masas de limo por sí mismas son materiales que causan
ensuciamiento Ellas proveen excelentes sitios para que se depositen otros
materiales que causan ensuciamiento. Otros microorganismos y sólidos
suspendidos pueden llegar a ser parte de los depósitos materiales que
causan ensuciamiento. Aunque muchos organismos tienden a morir a altas
temperaturas, los desechos remanentes aún ensucian las superficies
metálicas.
5.3. ÁREAS AFECTADAS POR LOS MICROORGANISMOS.
Generalmente los organismos microbiológicos forman colonias en puntos de
baja velocidad del agua, por eso los intercambiadores de calor están sujetos
a contaminación microbiológica.
Similarmente las torres de enfriamiento están sujetas a ensuciamiento, tanto
en la superficie como en la parte interna.
5.4. CONTROL MICROBIOLÓGICO.
Los factores de control más importantes son:
- Tipos y cantidades de organismos microbiológicos: su concentración
será una indicación de la efectividad del programa de tratamiento
microbiológico.
45
- Signos de problemas microbiológicos tales como madera podrida,
depósitos de limo y corrosión.
- Características de operación del sistema, tales como: temperatura,
velocidad del flujo de agua y composición del agua. Tipos de
equipos empleados, tales como: torres de enfriamiento, tanques
de rociado, condensadores de caja abierta.
- Fuentes de contaminación, tales como: organismos y nutrientes
introducidos al sistema. Aquellos factores pueden influenciar el
crecimiento de organismos que causan problemas y afectan el
tratamiento de control microbiológico.
Cada sistema debe ser evaluado, tratado y manejado individualmente.
5.5. TRATAMIENTOS MICROBIOLÓGICOS.
Los tratamientos microbiológicos son seleccionados por análisis de muestras
representativas de agua y limo, para determinar los tipos de organismos
presentes. Se escogen los biocidas específicos más tóxicos a los
organismos predominantes y los tratamientos pueden ser variados si cambia
algún factor importante.
Se usan tres clases generales de tratamientos microbiológicos:
• Biocidas oxidantes.
• Biocidas no oxidantes.
• Biodispersantes.
5.5.1. BIOCIDAS OXIDANTES.
Los productos químicos denominados biocidas oxidantes literalmente
“queman” cualquier microbio que entre en contacto directo con ellos. Los
46
biocidas oxidantes más comunes son: cloro, dióxido de cloro, bromo, ozono
y compuestos órgano clorados de liberación lenta.
El cloro es un biocida de bajo costo, ampliamente usado y está disponible en
forma líquida, gaseosa o sólida. Su efectividad se incrementa cuando se usa
en combinación con biocidas no oxidantes y biodispersantes. Se utilizó
durante mucho tiempo para la desinfección de los abastecimientos de agua
domésticos y para el retiro del sabor y los olores del agua. La cantidad de
cloro que necesita ser agregada a un sistema de agua viene determinada
por varios factores, a saber: demanda de cloro, tiempo de contacto, pH y
temperatura del agua, volumen de agua y cantidad de cloro que se pierde
con la aireación.
Cuando el cloro gaseoso se incorpora a un abastecimiento de agua se
hidroliza para formar ácido hipoclórico y clorhídrico. Es éste último el que
determina la actividad biocida.
Este proceso ocurre según la reacción siguiente:
Cl2 + H2O - > HOCl + HCl
El ácido clorhídrico es el responsable de las reacciones de oxidación del
citoplasma de los microorganismos, después de la difusión a través de las
paredes de la célula. El cloro entorpece la producción de ATP (Adenosín
trifosfato), un compuesto esencial para la respiración de los
microorganismos. Las bacterias que están presentes en el agua morirán
como consecuencia de los problemas de respiración experimentados,
causados por la actividad del cloro.
La cantidad de cloro que necesita ser agregada para el control del
crecimiento bacteriano viene determinada por el pH. Cuanto más alto es el
pH, más cloro es necesario para matar a las bacterias indeseadas en un
sistema de agua. Cuando los valores de pH están dentro de una gama de 8
a 9, se deben agregar 0,4 PPM de cloro. Cuando los valores de pH están
dentro de una gama de 9 a 10, se deben agregar 0,8 PPM de cloro.
47
El dióxido de cloro es un biocida oxidante activo, eso lo hace ser el más
aplicado y aún más debido al hecho de que este tiene efectos menos
perjudiciales para el ambiente y la salud humana que el cloro. No forma
ácidos hipoclorosos en agua; existe como dióxido de cloro disuelto, un
compuesto que es un biocida más reactivo en gamas más altas de pH
Los Isocianatos de cloro son los compuestos organo-clorados que en
hidrólisis dan el ácido hipocloroso y ácido cianhídrico en agua. El ácido
cianhídrico reduce la pérdida de cloro debido a las reacciones fotoquímicas
con la UV-luz, de modo que más ácido clorhídrico se origina y la acción
biocida se ve realzada.
El hipoclorito es la sal del ácido hipocloroso. Se formula en varios tipos de
formas. El hipoclorito se aplica generalmente como el hipoclorito de sodio
(NaClO) e hipoclorito de calcio (Ca(ClO)2). Estos compuestos se pueden
aplicar como biocidas. Funcionan mucho de la misma manera que el cloro,
aunque son algo menos eficaces.
El ozono es naturalmente inestable. Puede ser utilizado como agente
oxidante de gran alcance, cuando se genera en un reactor. Como un biocida
él actúa de la misma manera que el cloro; dificulta la formación del ATP, de
modo que la respiración de la célula de los microorganismos se hace difícil.
Durante la oxidación con ozono, las bacterias mueren generalmente por
pérdida del citoplasma que sostiene la vida.
Mientras que el proceso de la oxidación ocurre, el ozono se divide en
oxígeno diatómico y un átomo de oxígeno, que se pierde durante la reacción
con los líquidos de la célula de las bacterias:
O 3 - > O 2 + (O)
Algunos de los factores que determinan la cantidad de ozono requerida
durante la oxidación son pH, temperatura, compuestos orgánicos y
solventes, y productos acumulados de la reacción.
48
El ozono es más respetuoso con el medio ambiente que el cloro, porque no
agrega el cloro al sistema del agua. Debido a su descomposición el oxígeno
no dañará la vida acuática.
Generalmente 0,5 PPM de ozono se agregan a un sistema de agua, sobre
base continua o intermitente.
5.5.2. BIOCIDAS NO OXIDANTES.
Son compuestos orgánicos utilizados para matar microorganismos. Ellos son
efectivos en sistemas de enfriamiento donde el cloro puede no ser
adecuado. Los biocidas no oxidantes son aquellos que interfieren en el
metabolismo celular y/o en su estructura, provocando de esta manera la
muerte de los microorganismos. Existen muchos tipos de biocidas no
oxidantes, pero en general todos cumplen los siguientes requisitos: son más
estables y persistentes que los biocidas oxidantes y su actividad es
independiente del pH.
Cada biocida de este tipo tiene su mecanismo de actuación particular, no
pudiéndose generalizar un mecanismo de actuación para todo el grupo.
Consideremos, por ejemplo, la actuación del amonio cuaternario.
Las sales de amonio cuaternario son biocidas catiónicos. Son sustancias
desinfectantes, que actúan especialmente en medio alcalino y a
temperaturas elevadas. Estos compuestos son particularmente activos
contra bacterias Gram positivas, ante las que muestran actividad a
concentraciones extremadamente bajas. Su efecto sobre bacterias Gram
negativas es menor y requiere concentraciones más elevadas. Su acción
bioestática se atribuye a su carga positiva, que forma un enlace
electrostático con las partes cargadas negativamente de la pared celular.
Estos enlaces electrostáticos creados producen la lísis y la muerte de la
célula. También producen la muerte de la célula mediante la
desnaturalización de proteínas y distorsión de la permeabilidad de la pared
49
celular, reduciéndose el flujo normal de sustancias vitales y nutrientes para
la célula. Las sales de amonio cuaternario son efectivas frente a la
Legionella.
Teniendo en cuenta que en un circuito de refrigeración en el agua hay más
sustancias en disolución, ya que no sólo se dosifican biocidas, hay que
considerar las ventajas e inconvenientes de su utilización en este tipo de
sistemas.
5.5.3. BIODISPERSANTES.
Son productos químicos que no matan organismos: ellos remueven los
depósitos microbiológicos, los cuales luego son sacados del sistema. Ellos
también exponen nuevas capas de limo microbiológico o algas al ataque de
los biocidas oxidantes. Los biodispersantes son una medida preventiva
efectiva debido a que ellos hacen difícil que los microorganismos ataquen la
superficie del metal para formar depósitos.
50
CAPÍTULO 6
PRETRATAMIENTO
6.1. DEFINICIÓN.
Un pre-tratamiento es la preparación del sistema de agua de enfriamiento
para asegurar que el programa de tratamiento puede trabajar efectivamente
desde la puesta en marcha.
Los sistemas nuevos o los ya existentes que retornan al servicio pueden
contener cantidades significativas de material contaminante. Películas de
aceite o grasa, recubrimientos en general o herrumbre, polvo y arena
siempre permanecen en los sistemas. Estos materiales no son fallas de
construcción, ellos resultan de condiciones existentes durante la
construcción.
En los sistemas fuera de servicio, los depósitos pueden estar presentes
como resultado de incrustaciones, corrosión, ensuciamiento o contaminación
microbiológica. Si aquellos materiales no son removidos a través de un pre-
tratamiento efectivo, el programa químico subsecuente no será efectivo.
51
6.2. ETAPAS EN LA PREPARACIÓN DEL SISTEMA Y LA PUESTA EN MARCHA.
Se deben seguir las siguientes etapas:
- Limpieza del sistema
- Aplicación de productos químicos especiales para el pretratamiento.
- Aplicación de un dosaje inicial alto de inhibidores de corrosión
- Aplicación de inhibidores de corrosión a niveles de mantenimiento
durante la operación
6.2.1. LIMPIEZA DEL SISTEMA.
Los chorros de agua pueden reducir los contaminantes pero no en gran
extensión. Además el agua no tratada y la superficie metálica no protegida
reaccionan para formar productos de corrosión adicionales.
Los ácidos remueven los productos de la corrosión y algunos minerales
contaminantes, pero tienen un efecto pequeño en los materiales orgánicos.
Por una aplicación inapropiada estos pueden atacar el metal del sistema y
causar severos ataques al metal. Flujos inapropiados de reactivos de
limpieza química, dejarán a la superficie metálica en un estado altamente
reactivo, lo cual hace que sean especialmente vulnerables a los ataques de
corrosión.
6.2.2. APLICACIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS ESPECIALES, PARA EL PRETRATAMIENTO.
Los pre-tratamientos químicos se deben aplicar tan pronto como sea posible,
después de la construcción. Los pre-tratamientos químicos pueden ser
aplicados durante o inmediatamente después de la prueba hidrostática.
Mientras más pronto sea pre-tratado el sistema después de la construcción,
tendrá una protección más completa.
52
Lo mismo es aplicable a los equipos que han estado fuera de operación por
largo tiempo. El pre-tratamiento debe tener lugar tan pronto como sea
posible, después que el mantenimiento necesario ha sido realizado y la
unidad esté lista para volver a la operación.
53
CAPÍTULO 7
MONITOREO Y CONTROL
7.1. DEFINICIÓN.
El monitoreo y control, son pruebas que se realizan para detectar problemas
antes que causen daños severos.
Para cada programa de tratamiento hay rangos específicos de concentración
química, donde estos funcionan mejor y proveen la protección deseada. Si
no se controla apropiadamente, cualquier programa químico puede fallar,
conduciendo a: posibles pérdidas de producción, incremento de los costos
de mantenimiento e incremento del uso de energía.
La selección de los métodos de monitoreo deben ajustarse a las
características del sistema.
7.2. PRUEBAS DE MONITOREO Y CONTROL.
Para controles diarios del sistema, se utilizan pruebas simples, tales como:
conductividad, pH, alcalinidad, dureza, cloro y niveles de tratamiento
químico. Las pruebas de control deben ser llevadas a cabo
consistentemente y se debe tomar la acción correctiva sí se encuentran
54
parámetros fuera de rango. Los controles diarios son el fundamento de un
programa de tratamiento exitoso.
7.3. SISTEMAS DE CONTROL.
7.3.1. SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROL DE PH.
Es una excelente ayuda para cualquier programa de tratamiento, donde el
control de pH es importante Sin embargo, para una operación apropiada,
estos sistemas necesitan atención y mantenimiento periódico.
7.3.2. CUPONES DE CORROSIÓN.
Para establecer las velocidades de corrosión relativas de diferentes metales
en los sistemas de enfriamiento, se pueden usar pequeñas placas metálicas
denominadas cupones de corrosión. Aquellos cupones preparados y
pesados son colocados en el sistema por 30 días por lo menos, luego son
sacados, limpiados y pesados otra vez La diferencia entre los pesos antes y
después de la exposición son usados para el cálculo de la velocidad de
corrosión.
7.3.3. CORRATER.
(Marca registrada de ROHRBACH CORPORATION) Es un instrumento
electrónico que mide la corrosión y la tendencia a picaduras en el sistema de
enfriamiento. Proporciona una lectura instantánea y directa de la velocidad
de corrosión del sistema en milésimas de pulgada por año (mpy), cuando la
probeta es insertada dentro del agua de enfriamiento.
7.3.4. BASTIDOR DE PRUEBAS DE CORROSIÓN.
Se usan para evaluar la efectividad de los programas de inhibición de
corrosión en superficies de transferencia no calentadas. Están diseñados
para ser usados con cupones de corrosión o probetas de corrater.
55
7.3.5. MONITOR DE CORROSIÓN.
Es una gran ayuda en el examen del desempeño de un programa de agua
de enfriamiento. Una muestra de tubería de metalurgia apropiada es
circundada por una chaqueta de vidrio para formar un pequeño
intercambiador de calor. El agua del sistema de enfriamiento fluye entre la
tubería y la chaqueta de vidrio. La superficie metálica de la muestra puede
ser observada en cualquier momento durante el periodo de prueba. El rate
de transferencia de calor puede ser simulado usando un cartucho calentador
y regulando el flujo de agua de enfriamiento con una válvula de control.
7.3.6. ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO.
Proporciona respuestas de la clase y cantidad de bacterias presentes en el
sistema de enfriamiento. Los resultados de aquellos análisis indican la
efectividad del programa de control microbiológico.
7.4. ROL DEL PERSONAL DE PLANTA EN EL CONTROL Y MONITOREO DEL SISTEMA DE AGUA DE ENFRIAMIENTO.
El personal de supervisión y operadores de planta deben conocer la
importancia del tratamiento correcto del sistema de agua de enfriamiento y
tener la habilidad para monitorear y controlar día a día las variables críticas
del agua de enfriamiento. Un primer método para conseguir un programa de
tratamiento exitoso es el entrenamiento de todo el personal a cargo del
sistema de agua de enfriamiento.
56
CONCLUSIONES
Concluida la investigación monográfica sobre el tema “Tratamiento de Aguas
para sistemas de enfriamiento”.
Llego a establecer las siguientes conclusiones:
1. El primer objetivo particular que me formulé fue: “Conocer la
transferencia de calor en el agua”. De la información recopilada y
analizada concluyo que: La transferencia de calor es el movimiento del
calor de un cuerpo a otro. En los sistemas de agua de enfriamiento el
producto o proceso que se enfría es la fuente y el agua de enfriamiento
es el receptor. Todos los sistemas de enfriamiento cuentan en esta
acción de dar y recibir calor, con agua, la cual tiene el más amplio rango
de uso como refrigerante, debido a que es normalmente abundante, es
de fácil manejo, es poco costosa, puede transportar (acarrear) grandes
cantidades de calor por unidad de volumen, no se expande ni se
comprime significativamente, dentro de los rangos de temperatura
normalmente usados, etc. Entre las fuentes de agua de enfriamiento
tenemos: Agua Fresca (agua superficial “ríos, arroyos, reservorios”, o
agua subterránea); agua de mar y aguas residuales. Los factores que
controlan la transferencia de calor son: Las características térmicas del
intercambiador de calor, el espesor del intercambiador de calor, el área
superficial de intercambio, la diferencia de temperatura entre la fuente y
el agua de enfriamiento, los depósitos aislantes en cualquiera de los
lados del intercambiador. Los tres primeros factores, dependen del
diseño del intercambiador y los factores siguientes dependen de las
condiciones de operación del agua de enfriamiento. Entre las principales
propiedades del agua de enfriamiento tenemos: conductividad (indica la
cantidad de minerales y gases disueltos en el agua); pH (indicación de
acidez o basicidad del agua, está relacionado con la concentración de
protones en el agua); alcalinidad (causada por la presencia de iones
carbonatos (CO3=) y bicarbonatos (HCO3
-), asociados con los cationes
Na+, K+ Ca+2 y Mg+2); dureza (se refiere a la cantidad de minerales de
calcio y magnesio presentes en el agua). Entre los tipos de sistemas de
57
agua de enfriamiento más comunes tenemos: sistemas de un solo paso
(Debido a los grandes volúmenes el agua de enfriamiento pasa a través
de un equipo de intercambio de calor solamente una vez); sistemas de
recirculación abiertos (debido a la evaporación, el agua en los sistemas
de agua de enfriamiento abiertos, sufre un incremento en su contenido
químico); y sistemas de recirculación cerrados (usa la misma agua de
enfriamiento repetidamente en un ciclo continuo).
Con estos argumentos demuestro que he logrado el objetivo propuesto.
2. El segundo objetivo particular que me formulé fue “Conocer la corrosión
en sistemas de enfriamiento”. De la información recopilada y analizada
concluyo que: La corrosión es un proceso electroquímico por el cual los
metales procesados, cómo el acero, cobre y zinc retornan a su estado
natural, cómo compuestos químicos o minerales, los niveles de corrosión
es expresan como pérdida del metal en mils/año. Para que ocurra
corrosión debe existir una celda de corrosión, consistente en un cátodo,
un ánodo y un electrolito. Los iones metálicos disueltos en el electrolito
(agua) son el ánodo. Las partículas disueltas, cargadas eléctricamente
(electrones), fluyen a través del metal a otros puntos (cátodos) donde
ocurren reacciones de consumo de electrones. Los resultados de esta
actividad es la pérdida de metal y a menudo la formación de un depósito.
Entre los tipos de ataque por corrosión tenemos: Ataque general; Ataque
localizado; Ataque galvánico; Tuberculación. Las características del
agua, más importantes, que influyen en la corrosión, son: Oxígeno y
otros gases disueltos (esencial para que la reacción catódica tenga lugar
y se produzcan los óxidos de los metales); Sólidos suspendidos y sólidos
disueltos (pueden influenciar la corrosión por acción erosiva o abrasiva, y
pueden asentarse en la superficie del metal y producir celdas de
corrosión localizada); Basicidad o acidez pH (La velocidad de corrosión
del acero aumenta a medida que disminuye el pH, el cual al ser muy altos
suele ser muy corrosivo); Velocidad (altas velocidades del agua pueden
incrementar la corrosión por transporte de oxígeno al metal y por sacar
58
los productos de corrosión a un rate más rápido); Temperatura (debajo
de 71 °C, cada 5 – 10 °C de incremento en la temperatura causa el
doble rate de corrosión); Actividad microbiológica (el crecimiento
microbiológico promueve la formación de celdas de corrosión). La
corrosión puede ser controlada, dentro de niveles tolerables, mediante un
tratamiento efectivo del sistema: Cuando se diseña un nuevo sistema se
deben escoger materiales resistentes a la corrosión, para minimizar el
efecto de un medio agresivo; ajustar el pH; aplicar recubrimientos
protectores tales como pinturas, revestimientos metálicos, brea o
plásticos; protección catódica usando metales de sacrificio; añadir
inhibidores químicos, formadores de películas protectoras, que el agua
puede distribuir a través de todas las partes humedecidas del sistema. El
factor más importante en un programa inhibidor de corrosión efectivo es
el control de los inhibidores de corrosión química en el sistema de
enfriamiento y el control de las características claves del agua.
De esta forma dejo constancia del logro del objetivo respectivo.
3. El tercer objetivo particular que me formulé fue “Conocer las
incrustaciones en sistemas de enfriamiento”. De la información recopilada
y analizada concluyo que: Las incrustaciones son un recubrimiento denso
de material predominante inorgánico, formado por la precipitación
química inducida de constituyentes soluble en el agua, que se vuelven
insolubles por aumento de la temperatura. Las incrustaciones más
comunes están formadas por: Carbonato de calcio, Fosfato de calcio,
Sales de magnesio, Sílice. Los factores que determinan si un agua es
formadora de incrustaciones son: Temperatura (la mayoría de sales son
más solubles cuando se incrementa la temperatura); Basicidad o acidez
(cuando el pH se incrementa el carbonato de calcio decrece en
solubilidad y se deposita); Cantidad presente de materiales formadores
de incrustaciones, Influencia de otros materiales disueltos, los cuáles
pueden o no ser formadores de incrustaciones (al exceder el punto de
saturación puede resultar en incrustaciones). Las formas básicas de
controlar las incrustaciones, son: Limitar la concentración de minerales
59
formadores de incrustaciones; Interferir a los iones potencialmente
incrustadores; Hacer cambios mecánicos en el sistema para reducir la
probabilidad de formación de incrustaciones; Tratamiento con productos
químicos diseñados para prevenir las incrustaciones. El mejor modo de
evitarlas es utilizando agua tratada (suavizada).
Con estos argumentos demuestro que he logrado el objetivo propuesto.
4. El cuarto objetivo particular que me formulé fue “Conocer acerca del
ensuciamiento en los sistemas de enfriamiento”. De la información
recopilada y analizada concluyo que: Ensuciamiento es la acumulación
de materiales sólidos, diferentes de las incrustaciones, que se producen
debido al depósito de partículas que se fijan en algún punto del sistema,
los materiales más comunes son: Polvo y cieno; Arena; Productos de
corrosión; Productos orgánicos naturales; Masas microbiológicas;
Fosfatos de aluminio; Fosfatos de hierro. Los factores más importantes
que influyen en el ensuciamiento en un sistema de agua de enfriamiento
son: Características del agua (la mayoría de aguas contienen materiales
suspendidos y disueltos que pueden causar un problema significativo de
ensuciamiento bajo ciertas condiciones); Temperatura (el incremento de
temperatura incrementa la tendencia al ensuciamiento); Velocidad del
flujo de agua (a bajas velocidades del flujo de agua “un pie por segundo o
menos” ocurre ensuciamiento debido al asentamiento natural del material
en suspensión); Crecimiento microbiológico (Los microorganismos
pueden formar depósitos en cualquier superficie); Corrosión;
Contaminación. El ensuciamiento puede ser controlado mecánicamente o
por el uso de tratamientos químicos. El mejor método depende del tipo de
ensuciamiento. El control del ensuciamiento en un sistema de
enfriamiento involucra tres tácticas principales: Prevención, Reducción y
Control de la operación. Los inhibidores químicos de ensuciamiento
trabajan mediante los dispersantes y los agentes humectantes para
mantener los materiales que producen ensuciamiento en suspensión.
De esta forma dejo constancia del logro del objetivo respectivo.
60
5. El quinto objetivo particular que me formulé fue “Conocer la
contaminación microbiológica en sistemas de enfriamiento”. De la
información recopilada y analizada concluyo que: Contaminación
microbiológica es el crecimiento incontrolado de microorganismos, que
puede conducir a la formación de depósitos, los cuales contribuyen al
ensuciamiento, a la corrosión y a la formación de incrustaciones. Los
factores más importantes que contribuyen al crecimiento microbiológico,
son los siguientes: nutrientes; atmósfera; localización y temperatura. Las
áreas más afectadas en sistemas de enfriamientos son generalmente en
puntos de baja velocidad del agua. Los factores de control más
importantes son: Tipos y cantidades de organismos; Signos de
problemas microbiológicos tales como madera podrida, depósitos de limo
y corrosión; Características de operación del sistema, tales como:
temperatura, velocidad del flujo de agua y composición del agua; Tipos
de equipos empleados, tales como: torres de enfriamiento, tanques de
rociado, condensadores de caja abierta; Fuentes de contaminación, tales
como: organismos y nutrientes introducidos al sistema. Aquellos factores
pueden influenciar el crecimiento de organismos que causan problemas y
afectan el tratamiento de control microbiológico. Se usan tres clases
generales de tratamientos microbiológicos: Biocidas oxidantes; Biocidas
no oxidantes; Biodispersantes.
Con estos argumentos demuestro que he logrado el objetivo propuesto.
6. El sexto objetivo particular que me formulé fue “Aprender el
pretratamiento en los sistemas de enfriamiento”. De la información
recopilada y analizada concluyo que: Un pre-tratamiento es la
preparación del sistema de agua de enfriamiento para asegurar que el
programa de tratamiento puede trabajar efectivamente desde la puesta
en marcha. Se deben seguir las siguientes etapas: Limpieza del sistema;
Aplicación de productos químicos especiales para el pretratamiento;
Aplicación de un dosaje inicial alto de inhibidores de corrosión; Aplicación
de inhibidores de corrosión a niveles de mantenimiento durante la
operación y Aplicación de biocidas en caso de ser necesario.
61
Dependiendo del tipo de sistema utilizado puede variar un poco las
etapas de pretratamiento.
De esta forma dejo constancia del logro del objetivo respectivo.
7. El séptimo objetivo particular que me formulé fue “Conocer acerca del
monitoreo y control en los sistemas de enfriamiento”. De la información
recopilada y analizada concluyo que: El monitoreo y control, son pruebas
que se realizan para detectar problemas antes que causen daños
severos. La selección de los métodos de monitoreo deben ajustarse a
las características del sistema. Para controles diarios del sistema, se
utilizan pruebas simples, tales como: conductividad, pH, alcalinidad,
dureza, cloro y niveles de tratamiento químico. Los controles diarios son
el fundamento de un programa de tratamiento exitoso. Existen diversos
tipos de sistemas de control entre los más comunes tenemos: Sistema
automático de control de pH; Cupones de corrosión; Corrater; Bastidor de
pruebas de corrosión; Monitor de corrosión y Análisis microbiológico. Un
primer método y el más importante para conseguir un programa de
tratamiento exitoso es el entrenamiento de todo el personal a cargo del
sistema de agua de enfriamiento.
De esta forma dejo constancia del logro del objetivo respectivo.
Mediante la demostración de todos y cada uno de los objetivos particulares
propuestos, a través de las conclusiones anotadas, demuestro que he
logrado el objetivo general de la monografía que es: “Tratar aguas para
sistemas de enfriamientos”, con lo cual doy por concluida la presente
investigación monográfica.
62
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www.lenntech.es › Procesos › Desinfección
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