Universidad de ChileFacultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas Departamento de Ciencia de los Alimentos y Tecnología QuímicaLaboratorio de Operaciones Unitarias I

Trabajo Práctico Nº5:Calderas y tratamiento de

aguas

Integrantes : Alfredo Díaz SeguelNicolás Zúñiga Becerra

Carrera : QuímicaFecha práctico: 27 – enero - 2012Fecha entrega : 06 – marzo – 2012Grupo : 3

Profesor : Fernando Valenzuela L.CoordinadorAyudantes : Natalia Narváez Martin

Sebastián Yáñez BellidoIntroducción

Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.

Una caldera también se puede definir como todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. El cambio de fase en el que se basa la caldera, es la condensación. El agua al cambiar de fase cede su entalpía de condensación. Se tiene que 1kg de vapor genera 540 calorías.

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como: generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc.

Dentro de los beneficios del uso de una caldera, se encuentra que es un método económico para generar vapor de agua hasta unos 150°C. Sobre esta temperatura es necesario utilizar aceite o mezclas de este.

Sin embargo, a pesar de ser un método económico no está exento de complicaciones. Entre ellas encontramos una normativa existente en Chile la que debe ser cumplida estrictamente, una mantención adecuada y quizás lo más importante y de lo que trató este trabajo práctico, es que el agua utilizada no puede ser simplemente ingresada en la caldera, por más que esta sea potable, ya que el uso de agua sin tratar podría traer serios daños para la caldera y sus componentes, provocando que la industria detenga su producción o incluso daños graves para los operarios.

El tratamiento del agua usada para una caldera incluye la eliminación de iones que esta contenga, se necesita ablandar el agua que será utilizada.

La dureza del agua es causada por ciertas sales. Los principales iones causantes de la dureza son los de calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+) y bicarbonato (HCO3-). Estos iones o minerales  son los causantes de incrustaciones sólidas que pueden producir obstrucciones en las tuberías y el equipo de la caldera.

Para ablandar el agua que se utilizará en la caldera, se utiliza un ablandador, el que elimina los cationes Calcio y Magnesio, haciendo pasar el agua por una resina que produce el

intercambio de los cationes por iones sodio que no provocan dureza. La regeneración de esta resina se realiza con un lavado en contracorriente y luego con una solución saturada de Cloruro de Sodio para regenerar la resina. El desmineralizador también funciona a partir de resinas intercambiadoras, la primera corresponde a una resina ácida que cambia protones por cationes, la segunda a una resina aniónica que cambia iones hidroxilo por aniones.También es importante para evitar la corrosión y daño de los componentes de la caldera como recuperadores y tuberías, la eliminación del oxígeno y del dióxido de carbono. El oxigeno es un oxidante directo de las partes metálicas, mientras que el dióxido de carbono forma ácido carbónico, bajando el pH y favoreciendo la oxidación.

Que todos estos procesos previos sean llevados a cabo de manera óptima debe ser controlado regularmente, haciendo un análisis de agua, en algunos casos simple, como la determinación de la dureza por medio de un indicador y en otros casos más exhaustivamente, haciendo un análisis completo del agua con la que se trabaja, para lo cual en el practico realizado se utilizo un kit de reactivos GRACE.

Ecuaciones utilizadas:

- ppm alcalinidad P = N° gotas gastadas x 6,0- ppm alcalinidad total = (gotas alcalinidad P + gotas alcalinidad M) x 6,0- ppm cloruros = Nº de gotas gastadas x 5,0- Dureza (ppm CaCO3) = N° de gotas gastadas x 1,5- ppm sulfito = N° de gotas gastadas x 0,5

Objetivos

1. Estudio práctico de la forma en que se genera vapor para uso industrial.2. Entrenamiento superficial en el manejo de un generador de vapor (calderas).3. Estudio del tratamiento de agua para caldera.4. Entrenamiento en el manejo y mantención de equipos ablandadores (resina).5. Ensayo de los análisis más importantes para el control de agua para calderas de

vapor.

Materiales, equipos y método

Equipos y materiales:

1. Desmineralizador AGUASIN (capacidad total: 9 m3).2. Ablandador ETRAGUA (capacidad 5.200 g CaCO3/columna).3. Generador de vapor eléctrico P. LOOS (13 Kg/h, 8 bares, 9 Kw.).4. Reactivos preparados para análisis de agua (Grace, Deaborn).5. Agua de la red y agua de caldera (para el análisis de agua).

Método:

A) Manejo del generador de vapor (caldera y uso de ablandadores). Escuche atentamente las explicaciones que le dé el académico relativas a:

- tipo de caldera y fundamentos sobre su funcionamiento.- instalaciones de ablandador ETRAGUA y desmineralizador AGUASIN.B) Control de agua para calderas (uso del kit de reactivos GRACE)

-Alcalinidad Fenolftaleína (Alcalinidad P):

1. Mida 40 ml de muestra de agua para caldera (frasco graduado).2. Agregue 5 gotas de indicador de fenolftaleína.3. Si hay color rosado titule con H2SO4 N/10 hasta decoloración.

ppm alcalinidad p = Nº de gotas gastadas x 6,0

-Alcalinidad Total

A la misma muestra anterior agregue 5 gotas de indicador de anaranjado de metilo. Agregue H2SO4 N/10 hasta color anaranjado (Alcalinidad M)

ppm alcalinidad total = (gotas alcalinidad P + gotas alcalinidad M) x 6,0

-Cloruros

1. Mida 40 ml d muestra de agua.2. Agregue 20 gotas de indicador cromato de potasio (color amarillo).3. Agregue nitrato de plata N/10 desde frasco gotario hasta viraje del amarillo a rojo

ladrillo.

ppm cloruros = Nº de gotas gastadas x 5,0

-Dureza

1. Mida 40 ml de muestra de agua de la red (previamente diluida con agua destilada 1/10).

2. Agregue ½ tableta de tampón- indicador y 20 gotas de amoníaco concentrado.3. Titule con solución EDTA M/10 hasta viraje de color rojo vinoso a verde.

Nota: La realización de los pasos 1 y 2 sirven también como prueba cualitativa: color rojo indica agua dura, color verde indica agua blanda.

Dureza (ppm CaCO3) = Nº de gotas gastadas x 1,5

-Sulfito

1. Mida 40 ml de agua para caldera.2. Agregue 20 gotas de ácido clorhídrico 1:1 y 5 gotas de solución de almidón

indicador.3. Valore con solución de yoduro- yodato N/100 desde frasco gotario hasta color azul

pálido.

ppm sulfito = Nº de gotas gastadas x 0,5

-Fosfatos

1. Lave la probeta plástica de ensayo (la cual lleva adjunta colores patrones con equivalencias en Na3PO4 o P2O5) varias veces con el agua a examinar y llene hasta 10ml.

2. Agregue 2 ml de reactivo Vanadato- Molibdato.3. Coloque la tapa plástica, agite y espere 5 minutos.4. Compare el color producido en la muestra con los colores de la escala patrón.5. Lea el contenido de fosfatos en mg/L.

Nota: Si en una primera determinación los 10 ml de muestra resultan de mayor concentración que el máximo de la escala, proceda a diluir la muestra y repetir la determinación.

Esquema

Datos experimentales

*Resultados

Cuestionario I:

1.- ¿Qué potencia desarrolla la caldera?

La potencia que desarrolla la caldera es la que es aportada por los tres calefactores (o dos) que es igual a 9 kW (12,06 HP) 6 kW (8,046 HP)

2.- Haga un esquema simplificado de la caldera

3.- ¿A qué tipo de caldera corresponde?

Corresponde a una caldera del tipo eléctrica

4.- ¿Por qué la línea de vapor que sale de la caldera tiene intercalada una válvula reductora de presión?

La línea de vapor posee una válvula reductora de presión para evitar explosiones debido a altas presiones, pero el motivo principal es el de tener vapores de baja presión, los cuales poseen un calor latente de evaporación mayor que uno de mayor presión; haciendo así el proceso más efectivo

5.- Observe el manómetro que está ubicado a la salida de dicha válvula. Anote la presión máxima que deja pasar. Compárela con la presión de salida de la caldera.

La presión indicada por el manómetro ubicada a la salida de la válvula reductora de presión es obviamente menor, que la indicada por el manómetro a la salida de la caldera.

6.- Indique qué objetivos cumple la línea de vapor más baja que sale del distribuidor de vapor y los dispositivos que tiene intercalados, así como sus objetivos.

La línea de vapor más baja tiene como objetivo transportar el vapor que se condensa, que luego es empleado como agua que es introducida nuevamente a la caldera .Esto debido a que esta agua ya ha sido tratada

Entre los dispositivos que se encuentran intercalados se encuentran:

Filtros: Retiran material en suspensión del agua

Separador ciclónico: Separa la mezcla vapor-liquido mediante centrifugación, permitiendo así aprovechar de mejor forma el vapor .Separan el material particulado del gas

Uniones Americanas: Sirven de sistema de unión para las cañerías ,así es posible alargar fácilmente el sistema.

7.- Objetivos que cumple la válvula de seguridad. ¿Para qué presión está regulada?

La válvula de seguridad permite evitar accidentes debidos a alzas de presión dentro de la caldera, ya que si la presión dentro de esta superase cierto límite esta válvula se abre y libera la presión (como primer sistema de seguridad se tiene la detención del flujo de combustible, en caso de que este fallase la válvula de seguridad se activa)

La válvula de seguridad cumple el objetivo de evitar accidentes, como explosiones, debido a un alza de presión mayor al 5% de la presión normal de trabajo, situación en la cual la válvula procederá a desactivar los calefactores.

La regulación de la válvula se hace a un 5% más de la presión normal de trabajo. Para la caldera estudiada en el práctico la válvula está regulada a una presión de 8.4 bares siendo 8 bares su presión normal de trabajo.

8.- Indique los colores y distintivos especiales que se han empleado en las diversas cañerías del sistema y su significado.

- Verde: agua dura.- Rojo: vapor caliente. cañería con material aislante de color blanco con tres anillos rojos.- Azul: aire comprimido.- Verde con anillos blancos: agua blanda.- Verde con anillos blancos y amarillos: agua blanda con aditivos.- Anaranjado: soluciones alcalinas.- Lila: soluciones ácidas.- Gris: vacío- Amarillo: gas combustible.- Café o pardo: aceites.

Cuestionario II:

1.- Haga un esquema simplificado del proceso de ablandamiento y regeneración.

a) Etapa de ablandamiento: b) Lavado en contracorriente:

c) Regeneración: d) Enjuague:

El proceso realizado en el ablandador es similar al utilizado en el desmineralizador, Algunas diferencias son que en el desmineralizador, se encuentran en serie una resina cationica seguida de una anionica. Estas se regeneran con HCl y NaOH respesctivamente.

2.- ¿Cómo sabe usted que el lavado de la resina previo a la regeneración es suficiente?

Lo que hace el lavado es arrastrar las impurezas que han ido quedando en la resina durante su uso. Para que sea efectivo el lavado se realiza en contracorriente, por lo que es necesario ir observando el agua que sale del lavado en contracorriente. En un principio como arrastra una mayor cantidad de impurezas el agua sale turbia, y con el paso del tiempo empieza a aclararse. Cuando ya empieza a salir agua cristalina, es una señal visual de que el lavado a sido suficiente.3.- ¿Cómo evidencia que el período de enjuague que sigue a la regeneración es suficiente?

El motivo de este enjuague es eliminar el agua residual con una alta concentración de NaCl, provocando un agua con sabor salado. Por lo que el método más simple es degustar el agua, cuando ya no tiene un sabor salado, el proceso de enjuague a sido suficiente.

4. ¿Qué dureza total tiene el agua de la red?

Dureza (ppm CaCO3) = Nº de gotas gastadas x 1,5 x factor de dilución

23 (gotas gastadas) x 1,5 x 10 = 345 ppm CaCO3

5.- Compare la alcalinidad a la Fenolftaleína y la alcalinidad M, del agua de la red. Indique la alcalinidad total.

Alcalinidad a la fenoftaleina = 30 ppm CaCO3

Alcalinidad anaranjado de metilo = 18 ppm CaCO3

Alcalinidad Total = 30 + 18 = 48 ppm CaCO3

6.- ¿Hay exceso de fosfato en el agua de la caldera? ¿Cuál es su concentración?

Este experimento no se realizó porque no estaba el reactivo necesario, Vanadato-Molibdato.

7.- ¿Cuál es la capacidad del ablandador entregada en gramos de CaCO3?

Su capacidad es de 5200 g de CaCO3 / Columna

8. ¿Cuál es la dureza del agua del agua de la red? En:

a) En ºF (grado Francés)

1ºF = 10 mg CaCO3/L = 10 ppm CaCO3

ºF = 345 ppm 1 ºF = 34,5 ºF

10 ppm

b) En ºA (Grado Alemán)

1ºA = 10 mg CaO/L = 10 ppm CaO

Dureza = 345 ppm CaCO3

345 ppm CaCO3 = X ppm CaO X = 193,2 ppm CaO

100 g/mol 56 g/mol

ºA = 193,2ppm CaO 1 Aº = 19,32 ºA

10 ppm CaO

c) En gpg (grados por galón)

1 grano = 64.8 mg

345 mg CaCO3/L = 5,3241 granos/L

5,3241 granos/L = 3,785 L = 20,15 gpg

1 galón US

d) En ppm

345 ppm CaCO3

e) En Mé

1 Mé = 1 eq-gr CaCO3/ m3 de solución

Nºeq-gr = gr/ Peq Peq = Peso molecular / carga

PM CaCO3 = 100 g/mol carga = 2

Pe-eq = 100/2 =50 g/mol

gr CaCO3 =Nºeq-gr CaCO3 x Peq = 1 x 50 = 50 gr = 50.000 mg CaCO3

1 Mé = 50.000 mg CaCO3/ m3 1 m 3 = 50 ppm CaCO3

1000 L

345 ppm CaCO3 = 6,9 Mé

9.- Indique el contenido de cloruros y de sulfito del agua de alimentación de la caldera.

Cloruros = 30 ppm

Sulfitos = 2 ppm

Discusión

El vapor utilizado El agua utilizada para una caldera no puede ser simplemente ingresada en ella, por más que esta sea potable, ya que el uso de agua sin tratar podría traer serios daños para la caldera y sus componentes, provocando que la industria detenga su producción o incluso daños graves para los operarios. Para tratar el agua se vio a lo largo del practico que existen dos (o más ) opciones para esto, usar un desmineralizador o un ablandador .Dependiendo de nuestras necesidades dcl tipo de agua ,ya sea blanda (ablandador) o desionizada (desmineralizador) se puede decir que una es mejor que otra. Claramente si queremos un agua sin iones se utilizara un desmineralizador. En cuanto a costo, el ablandor es mucho más barato en su funcionamiento que un desmineralizador ,ya que este ultimo consta de tres resinas.

Si nos referimos al manejo de las calderas debemos considerar que siempre la seguridad es de real importancia, es por ello que estas poseen diversos sistemas de seguridad tales como corte del suministro de combustible, válvula de seguridad. Para esto también existen dentro del sistema diversos partes que permiten que no ocurran accidentes. La potencia de una caldera estará dada por su sistema de calefacción

Refiriéndonos a los kits que nos permiten analizar el agua solo debemos decir que se debe utilizar la cantidad adecuada de estos, de otra forma no se observaran cambios o si se observan serán con algún tipo de error en la medición, si es que no se siguen las instrucciones del proveedor.

Conclusión

El vapor utilizado para el uso industrial se obtiene mediante el uso de calderas, las cuales deben contar con sistemas de seguridad bastantes eficientes, ya que se trabaja a con presiones elevadas .Tales como válvula de seguridad o sistemas de corte de suministro de energía, combustible.

Las calderas poseen líneas de salidas donde pueden separarse vapor del liquido, esté ultimo puede ser reutilizado como fuente de agua para la caldera.

Si nos referimos a ablandador y desmineralizador se aprendió su uso básico y como debían realizarse su mantención de forma correcta para que estos no se deterioren. Las etapas de lavado y enjuague deben ser realizadas con los reactivos apropiados y una velocidad tal que no arrastre las resinas.

Dentro del manejo tanto del ablandador como del desmineralizador se deben tener en cuenta factores importantes para poder obtener la mayor eficiencia con el menor desgaste posible. Dentro de los factores que debemos tomar en cuenta se encuentran la velocidad de pasada en el lavado en contracorriente, la cual no debe ser ni muy rápida ni muy lenta. Si se da el caso de aumentar mucho la velocidad, se perderá resina y tendremos que cambiarla mucho antes del esperado, mientras que si damos una velocidad muy lenta tendremos formación de canales en la resina, donde podrá transitar agua dura.

Se realizaron ensayos de los análisis más importantes para el control de agua para calderas de vapor. De esta forma se pudo obtener la dureza del agua .alcalinidad, concentración de sulfitos ,cloruros,fosfatos. Cabe destacar lo sencillo de estos análisis

Bibliografía:

Mc Cabe Warren L.; Smith Julian, "Operaciones Unitarias en Ingeniería Química", Mc Graw-Hill, Cuarta Edición, España, 1999.