Análisis de Equipos de Desgasificación en Instalaciones de Vapor

Escuela Superior de Ingenieros

Universidad de Sevilla

Depto. Ingeniera Energtica

Anlisis de Equipos de Desgasificacin en Instalaciones

de Vapor

Autor: Jos Eugenio Vzquez Gmez

Autor: Jos Eugenio Vzquez Gmez

Tutor: Jos Julio Guerra Macho Marzo 2014

Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Jos Eugenio Vzquez Gmez

Anlisis de Equipos de Desgasificacin en Instalaciones de Vapor

Proyecto Fin de Carrera Pgina | 2

AGRADECIMIENTOS

A mi familia, porque sencillamente estn ah siempre.

A D. Jos Julio Guerra Macho, por su dedicacin y ayuda en la elaboracin de este

proyecto.

A Da. Manuela Muoz Madrid de la oficina tcnica de la C.T. Los Barrios por toda la

informacin proporcionada.




ndice

Captulo 1. Introduccin, objetivos y funciones de un

desgasificador

1.1 Introduccin 5 3

1.2 Ciclo agua-vapor 6 4

1.3 Organizacin y contenido 12 10

Captulo 2. Desgasificadores

2.1 Introduccin 13

2.2 Principios fsicos de la desgasificacin 17 15

2.2.1 Desgasificacin trmica 17 1415

2.2.2 Desgasificacin qumica 20 18

2.3 Clasificacin de los desgasificadores 21 1 19

2.3.1 Desgasificadores por vaco 22 20

2.3.2 Desgasificadores qumicos 27 25

2.4. Desgasificadores trmicos 34 32

2.4.1 Desgasificadores atmosfricos 34 33

2.4.2 Desgasificadores presurizados 42 40

2.5. Anlisis comparativo 58 56

Captulo 3. Dimensionado, operacin y mantenimiento

3.1 Introduccin 67 65

3.2 Seleccin 71 69

3.3 Operacin y mantenimiento 83 78




3.4 Dimensionado de elementos auxiliares 89 84

Captulo 4. Fabricantes y Normativa

4.1 Fabricantes 92 87

4.2 Normativas 95 90

Captulo 5. Resumen y conclusiones 96

Bibliografa 98

Anexo 99 94




1. INTRODUCCIN, OBJETIVOS Y FUNCIONES DE UN

DESGASIFICADOR.

1.1 Introduccin

En la industria el fluido caloportador ms empleado es el vapor de agua. Su uso tanto en

la industria de procesos como en la de generacin de energa elctrica es muy elevado.

La produccin de energa elctrica lleva siendo un factor de vital importancia para el

desarrollo de pases y sus economas. De las distintas centrales que existen hoy en da,

un alto porcentaje (en Espaa alcanza casi el 60%) producen energa a travs de la

produccin de vapor. En las trmicas convencionales o de ciclo combinado el vapor se

genera a partir de combustible fsil, en las centrales nucleares a partir de la energa

liberada en el proceso de fisin nuclear y en las termosolares a partir de un recurso

renovable como es la energa solar. En todos los casos, el vapor producido termina

siendo turbinado para producir energa elctrica haciendo girar el eje de un alternador.

En muchos sectores industriales, el calor necesario en el proceso se aporta a travs de

una red de vapor, aprovechando su calor latente que se transfiere en los puntos de

consumo. En algunas industrias la generacin de vapor para el proceso se combina con

la generacin de vapor para generacin de energa elctrica en la propia industria. En

este caso, se suele producir vapor a una presin superior a la que necesita el proceso,

que se lamina en una turbina de contrapresin para generar electricidad. El vapor a la

salida de la turbina se lleva al proceso o procesos directamente o a travs de un proceso

en cascada si el consumo tiene lugar a diferentes presiones.

En estas plantas, el tratamiento del agua de alimentacin en el ciclo agua-vapor es

fundamental para asegurar una larga vida til de los equipos; minimizando problemas

operacionales, reparaciones de importancia y accidentes graves. El objetivo principal

del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosin e incrustaciones, asegurando la

calidad del agua de alimentacin y del agua contenida en la caldera.

El desgasificador es un elemento que debe estar implementado en todo sistema agua-

vapor porque acta como protector directo del resto de equipos al evitar el deterioro de

la instalacin.

El objetivo final del proyecto es analizar el funcionamiento, la tipologa y aplicaciones

de los desgasificadores, identificando los principales fabricantes y los parmetros

fundamentales y nmeros ndices representativos.




1.2 Ciclo agua-vapor

El ciclo agua-vapor se define como el conjunto de equipos, tuberas y elementos

encargados de la conduccin del agua y el vapor entre el generador de vapor y la turbina

de vapor.

La funcin del ciclo agua-vapor es transportar energa en forma de energa potencial

(vapor a una cierta presin y temperatura) desde el lugar donde se genera y donde

aumenta su nivel energtico (generador de vapor) hasta la mquina consumidora de esa

energa, la turbina de vapor. La transformacin de la energa potencial contenida en el

vapor en energa mecnica rotativa permite la generacin de energa elctrica por medio

de lo que se conoce como un generador elctrico o alternador.

La utilizacin del agua como fluido caloportador se basa, entre otras razones, en que es

un fluido barato, abundante y perfectamente conocido; de forma que es posible

controlar perfectamente su temperatura y presin.

El vapor es uno de los fluidos ms comnmente utilizados para calentar equipos o

instalaciones en cualquier tipo de industria: qumica, petroqumica, alimentacin,

farmacutica, en procesos de como el de produccin de papel, lavandera,

humidificacin, generacin y en todos aquellos procesos en los que se requiera

transportar calor a cortas distancias.

Las razones por las que se usa vapor como fluido transportador de energa son las

siguientes:

La produccin de vapor es un proceso relativamente sencillo: requiere calentarlo por

medio de cualquier tipo de combustible.

No necesita bombas para ser transportado desde el generador de vapor en adelante.

No es combustible, y por lo tanto, no tiene peligro de incendio.

Es un fluido muy conocido y mediante vlvulas es posible controlar de forma muy

precisa la presin y la temperatura en cualquier punto de la instalacin.

A alta presin almacena gran cantidad de energa en forma de energa potencial, que

puede transformarse en energa mecnica. Ese potencial energtico puede ser

utilizado para producir trabajo en turbinas acopladas a un alternador (producir

energa elctrica) o bombas (producir energa mecnica).

El vapor tiene un elevado calor especfico.

Para entender mejor el ciclo de agua-vapor y sus componentes lo mejor es partir de un

esquema de una planta industrial. En este caso se har a partir de una central trmica




convencional (figura 1.1). Los elementos principales de los que consta una planta

trmica son los que vienen determinados por los procesos que conforman un ciclo

Rankine (figura 1.2):

Bombas de agua de alimentacin: conjunto de bombas encargadas de suministrar la

energa necesaria al agua de alimentacin para transportarla del condensador al

generador de vapor. stas consiguen aportar la presin necesaria al fluido para

conseguir extraer trabajo en los cuerpos de turbina.

Generador de vapor: se trata de un intercambiador de calor Gas-Agua en el que se

produce el paso del agua saturada (subenfriada en ocasiones) hasta vapor

sobrecalentado. El combustible quemado en el hogar es el carbn, si bien en otro

tipo de centrales la diferencia principal con respecto a esta es el combustible

empleado en la produccin de vapor.

Turbina de vapor: elemento encargado de transformar la energa trmica que

contiene el vapor en energa mecnica. El eje gira por el trabajo de expansin

realizado en los escalonamientos de los cuerpos de la turbina, de tal manera que el

fluido cede su energa y el eje de la turbina gira, haciendo que un alternador

transforme esa energa mecnica en generacin de energa elctrica.

Condensador: Tras la salida de la turbina el fluido es llevado a un intercambiador

Agua-Agua donde el agua de ciclo cede su energa al agua procedente de una torre

de refrigeracin, alcanza el estado de agua satura-subenfriada de nuevo.

El resto de componentes de la central los consideramos secundarios. Los ms

importantes que podramos definir son:

Calentadores de agua alimentacin: son intercambiadores de calor en los que el agua

de ciclo eleva su temperatura con el fin de reducir la cantidad de combustible

quemado en el hogar. Su empleo est relacionado con la mejora de rendimiento de

la planta.

Bombas auxiliares: conjunto de bombas repartidas a lo largo del ciclo que permiten

compensar la prdida de carga que sufre el agua de ciclo en su circulacin por

tuberas y equipos.

Torre de refrigeracin: se trata de un intercambiador aire-agua en la que el agua de

condensacin, empleada en la condensacin del agua de ciclo en el condensador, se

refrigera con aire atmosfrico. En otras centrales suele emplear el agua de mar como

agua de condensacin al ser favorable el emplazamiento en el que estn situadas.

Precipitador electroesttico: equipo encargado de disminuir el nivel de cenizas que

contiene el flujo de gases a la salida del hogar.

Desulfuradora: el flujo de gases, tras haber pasado el precipitador electroesttico, es

lavado con H2O para reducir las emisiones de SOx. El compuesto que se forma es

cido sulfrico. Y mediante la adicin de Ca forma un compuesto denominado




caliza (CaCO3) comnmente conocido como yeso el cual es empleado en otros tipos

de procesos.

Chimenea: Torre de expulsin atmosfrica de los gases que previamente han sido

tratado en el precipitador y en la desulfuradora.

Atemperador: Situados a la salida del sobrecalentador en el generador de vapor, son

unas boquillas de pulverizacin de agua fra que sirven para aminorar la temperatura

del vapor antes de entrar a la turbina.

Desgasificador: equipo centrado en la eliminacin de gases disueltos del agua de

alimentacin en el proceso.

En la definicin del ciclo de agua-vapor que se acaba de hacer, el papel fundamental del

desgasificador en una planta industrial es la de mantener en unos niveles adecuado el

grado de gases disueltos que es capaz de llevar el agua de ciclo antes de entrar en el

generador de vapor. Si se observa la figura 1.1 se puede ver que el desgasificador est

situado siempre antes del generador de vapor, en este caso de la figura 1.1, antes de las

bombas de agua de alimentacin y los precalentadores de agua de ciclo.

Del mismo modo que se ha descrito el ciclo agua-vapor para una planta de potencia

trmica convencional se podra hacer para otro tipo como de centrales como las de ciclo

combinado o termosolares.

En centrales de fuentes renovables tambin es empleado el desgasificador. En la figura

1.3 se puede observar ver una Planta Solar de cilindro parablico. En este caso un flujo

de sales fundidas calentadas por la radiacin solar incidente sobre los cilindros

parablicos ejerce como fluido generador de vapor. El agua va calentndose hasta

alcanzar el estado de vapor ligeramente sobrecalentado cuando es llevado a la turbina.

Tal y como pasaba en la anterior planta (figura 1.1) el flujo a la salida de la turbina es

llevado un sistema de condensacin, torres de refrigeracin en este caso, y luego todo el

agua es dirigida al desgasificador desde donde se eliminan los extractos de no

condensables que han ido disolvindose a lo largo del recorrido por la planta.

En estas dos plantas que acabamos de mencionar, al igual que en otras, existe la

problemtica de que el aire est presente tanto en la puesta en marcha de los equipos

como en el agua de alimentacin de la caldera. La fuente de corrosin ms comn en el

sistema es debido a gases disueltos: oxgeno, dixido de carbono y amoniaco. Pequeas

concentraciones de estos gases pueden causar serios problemas de corrosin o pitting.

De ah la importancia de eliminarlos.




Figura 1.1. Central trmica convencional




Figura 1.2. Ciclo Rankine

Figura1. 3. Planta solar de cilindro parablico.




Figura 1. 4. Instalacin de vapor para calentamiento de procesos.

Los sistemas de las figuras 1.1 y 1.3 tienen como fin la produccin de potencia. Sin

embargo tambin existen sistemas donde el uso del vapor es relativamente ms sencillo,

como es el caso de la figura 1.4. La instalacin de la figura 1. 4 representa una planta de

vapor que tiene por objetivo calentar un proceso, como es el caso de calentar cualquier

sustancia de tipo qumico o en la creacin de algn producto de material polimrico. El

agua de alimentacin del ciclo adquiere la cantidad de energa necesaria en su paso por

el generador de vapor. Tras esto, pasa por el calentamiento del proceso deseado.

Despus el fluido entra al desgasificador. Como se puede observar el desgasificador est

colocado antes del grupo de bombeo de agua alimentacin (obviando grupos

regenerativos al margen) que, al igual que en los casos de las centrales de potencia,

pretende preservar el generador de vapor de agentes gaseosos no condensables que

fomentan el deterioro de la instalacin por corrosin.

Esencialmente, la desgasificacin consiste en eliminar los gases antes de que puedan ser

introducidos en la caldera o en el tanque de alimentacin, previniendo la oxidacin del

tanque, la caldera y el sistema de vapor de la planta. Con esto se consigue que el agua

de ciclo de una planta de procesos tenga una calidad mnima aceptable y esto repercute

en el grado de indisponibilidades que pueden ocurrir en el ciclo agua vapor por averas

en sus equipos principales y auxiliares.




1.3 Organizacin y contenido

El presente proyecto se divide en 5 captulos. En el captulo 1 se ve el alcance del

proyecto. Se describe el ciclo agua-vapor de una central trmica y una instalacin de

vapor como referencia donde se debe instalar el desgasificador. Se describen, adems,

los principales equipos que conforman una planta de vapor. Para un caso ms genrico y

que se puedan aglutinar un mayor nmero de componentes, se ha realizado para una

planta de potencia.

El captulo 2 explica los diferentes principios de desgasificacin que se emplean a nivel

industrial. A partir de ellos se detalla cada uno de los mecanismos de desgasificacin y

los equipos encargados de llevar a cabo dicha accin, centrndose finalmente en los

desgasificadores presurizados, cuya presencia en el sector industrial est ampliamente

representada por la mayora de plantas de vapor. Se cierra el captulo con un anlisis

comparativo entre la desgasificacin trmica y la desgasificacin qumica en relacin a

sus costes de operacin. As como tambin es estudia los diferentes tipos de

desgasificadores empleados en las instalaciones que usan agua-vapor como fluido

caloportador y su presencia en diferentes centros de produccin de vapor.

Una vez explicado las diferencias entre cada tipo de desgasificador, en el captulo 3, se

plantea la forma de seleccin de varios desgasificadores presurizados, para unas

condiciones determinadas, a partir de la definicin de los parmetros caratersticos de

equipos encargados de eliminar gases disueltos en el agua de alimentacin. Se acude a

catlogos donde se muestra cmo trabajar con los principales parmetros de seleccin y

refleja las diferencias principales entre uno y otro. De modo similar se muestran las

bases para el predimensionado de elementos auxiliares. Adems, se presentan los

principales elementos de instrumentacin que se requieren en sistemas de

desgasificacin y se informa de los problemas ms comunes ocurridos durante la

operacin de estos equipos.

En el captulo 4 se aporta informacin sobre los principales fabricantes a nivel industrial

de desgasificadores, su localizacin, contacto y productos que ofrecen. Tambin se

muestran las principales normas internacionales relacionadas con el proceso de

desgasificacin en instalaciones de vapor.

Por ltimo, el captulo 5 ofrece una conclusin sobre lo que se ha querido transmitir en

este proyecto que indaga en el estudio del tratamiento de agua, desde el punto de vista

de la eliminacin de gases disueltos, para la prevencin y aumento de la vida til de las

plantas de vapor.




2. DESGASIFICADORES

2.1 Introduccin

El desgasificador es un equipo que elimina el oxgeno y otros gases contenidos en el

agua de alimentacin de modo que se evite la corrosin de elementos y tramos que

componen el circuito agua-vapor de la planta. En medio acuoso, el hierro se oxida a

hidrxido ferroso por la accin del in hidroxilo. Este, por accin de oxgeno en

disolucin pasa a hidrxido frrico (de color rojizo), que implica corrosin. A elevadas

temperaturas el hidrxido ferroso se convierte a una capa densa de proteccin de color

negro denominada magnetita, que protege el metal del agua y del oxgeno. Sin embargo,

esta capa que va creciendo conforme a las horas de funcionamiento de la planta, puede

provocar graves averas porque su apilamiento genera grietas en los tubos y conductos

de los equipos, que se someten a altas temperaturas, motivadas por la escasa

transferencia de calor y a otros fenmenos mecnicos como desgarramientos producidos

por la consecuente dilatacin trmica descontrolada. Debido a esto se requiere de una

adecuada intervencin que impida la presencia de O2 y otros gases en un medio acuoso

como el que se trata en plantas con vapor como fluido caloportador.

En una planta de produccin de vapor este equipo tiene las siguientes funciones:

Eliminacin de gases:

Elimina, gracias al aumento de temperatura del agua, los gases disueltos que pueda

contener. Aprovecha la solubilidad inversa de los gases, segn la cual los gases son

menos solubles en agua a alta temperatura.

Precalentamiento del agua:

Precalienta el agua con una nueva extraccin de vapor de la turbina de baja presin, de

manera que se consigue elevar la temperatura del agua mezclando sta con vapor

extrado de la turbina de baja presin. Incluso cuando la turbina no est en

funcionamiento pero hay vapor en la lnea de vapor sobrecalentado se adiciona una

parte de l directamente al tanque, a travs de unas boquillas situadas en la parte inferior

de ste.

Acumulador de agua:

Acumular agua a alta temperatura para alimentar las bombas de alta presin, con las que

se hace circular el agua condensada a travs del tren de generacin de vapor.

Evita cavitacin:




Proporcionar la presin hidrosttica necesaria (NPSH) para evitar el fenmeno de

cavitacin de las bombas de alimentacin.

La funcin de eliminar el oxigeno disuelto es de elevada importancia por ser causante

de fenmenos de corrosin muy peligrosos conocidos como pitting. Por ello, la norma

UNE 9-075 indica que el contenido de O2 disuelto en el agua ha de ser menor de 0,2

mg/L (ppm).

El fenmeno de corrosin conocido como pitting consiste en la reaccin del oxgeno

disuelto en el agua con los componentes metlicos de la caldera (en contacto con el

agua), provocando su disolucin o conversin en xidos insolubles.

Las figuras 2.1 y 2.2 muestran los efectos del pitting en el interior de los tubos por los

que circula agua/vapor insuficientemente desgasificada. Las condiciones de presin y

temperatura que tiene el fluido propicia que las partculas de aire u otro gases no

condensables vayan agrediendo la superficie de los tubos, de tal forma que aparecen

microimpactos que se van sucediendo en el transcurso de la vida til de los equipos.

Figura 2.1. Corrosin vista interior

Los resultados de este tipo de corrosin son tubrculos de color oscuro, los que se

forman sobre la zona de corrosin, tal como se muestra en las figuras 2.1 y 2.2.

Dado que la corrosin por oxgeno se produce por la accin del oxgeno disuelto en el

agua, esta puede producirse tambin cuando la caldera se encuentra fuera de servicio e

ingresa aire (oxgeno).

La prevencin de la corrosin por oxgeno se consigue mediante el control del oxigeno

disuelto en el agua de alimentacin, el cual se puede realizar de dos formas: mediante la

adicin qumica de secuestrantes como Hidracinas, Aminas o Sulfito Sdico, o

mediante el sistema de calentamiento del agua de alimentacin hasta una temperatura de




105 C, temperatura en la que el agua no dispone de gases en disolucin. Debido a la

toxicidad de algunos compuestos empleados en la desgasificacin qumica, se suelen

usar desgasificadores trmicos.

Figura 2.2. Corrosin vista interior

Entre las ventajas principales de incluir este tipo de equipos en nuestra instalacin

tenemos:

Disponibilidad:

Se trata de un equipo que no requiere un mantenimiento constante, lo cual significa una

mayor disponibilidad de la planta y una mayor rentabilidad.

Versatilidad:

Mediante pequeas modificaciones en el sistema se puede proporcionar una correcta

adaptacin a todos tipos de plantas de energa (combustible fsil, nuclear, ciclo

combinado, etc) y todas las condiciones de funcionamiento.

Ahorro econmico:

La demanda de agentes qumicos en caldera se reduce al realizar una desgasificacin

mecnica en lugar de una qumica.




Ahorro energtico:

Al disolver menos productos qumicos en el agua de alimentacin, por tratar el agua con

un desgasificador en lugar de hacerlo exclusivamente con agentes qumicos, la purga y

sangrados en caldera disminuirn. Con lo que el agua de reposicin necesaria ser

menor y menos potencia calorfica necesitaremos para producir vapor.

Ahorro de combustible:

El vapor de escape de procesos, generador, bombas o posibles tanques de

almacenamiento pueden convertirse en fuentes absorbidas por el desgasificador de cara

a elevar la temperatura del agua de alimentacin para una mejor eliminacin de gases no

condensables. Al elevar la temperatura del agua de alimentacin esto a su vez repercute

en la cantidad de combustible que se debe introducir en caldera para generar vapor

posteriormente. Un aumento de 10C en la temperatura del agua puede suponer una

reduccin de 1% de combustible.

Fatiga trmica:

Ante un caudal de combustible ms reducido, se producirn menos problemas por

gradiente de temperaturas en el interior del hogar. Lo cual lleva arraigado un menor

coste por mantenimiento.

Demanda de carga:

La disponibilidad de un tanque de almacenamiento en el equipo permite un mejor

comportamiento en operacin de caldera debido a la rpida respuesta del sistema ante

variaciones de carga.

Como se puede deducir, la no presencia de este elemento en una planta de vapor resta

complejidad a la instalacin. Suponiendo un ahorro en costes de inversin, sobre todo, y

de mantenimiento. Sin embargo, tal y como ya se ha dicho, la implantacin de este

elemento en el sistema puede traer consigo, adems de la proteccin frente a corrosin

del resto de elementos, importante ahorros anuales en cuestin de combustible, aditivos

qumicos, agua de reposicin en purgas y mantenimiento por problemas a consecuencia

de la corrosin como roturas y resquebrajamientos de tuberas y codos por los que

circula el agua. stos ltimos tienen un coste asociado que, no slo se refiere al costo de

reparacin, sino tambin a los ingresos que se dejan de obtener por poner en paro la

planta en su mantenimiento.

Los requisitos principales que debemos exigirle a este tipo de equipos para un uso

adecuado y seguro seran los siguientes:

Robustez:




Estn diseados para ofrecer fiabilidad sostenida en un amplio margen de condiciones

de funcionamiento, incluyendo condiciones extremas.

Seguridad y eficiencia:

Eficiencia optimizada debido a que la cantidad de vapor requerido para el venteo y

calentamiento del agua de alimentacin es relativamente pequea. No existen riesgos

elevados de que se torne flujo hacia la turbina y ofrece una buena desgasificacin para

gran parte del rango de carga.

Normas de calidad:

Existen normas de calidad para llevar un seguimiento estricto a la fabricacin y uso de

este tipo de equipos que garantiza el correcto empleo y funcionamiento en la

instalacin.

En el captulo 2 se har un repaso de las principales funciones de un desgasificador as

como las necesidades del mismo en una instalacin de vapor. Tambin se ver los

principios en que se basa la desgasificacin y los tipos que existen, para terminar con un

anlisis comparativo de los diferentes tipos de desgasificadores empleados en la

industria.

2.2 Principios fsicos de la desgasificacin

Tal y como se dijo con anterioridad, la existencia de gases no condensables en el agua

de alimentacin de un proceso que emplea un ciclo agua-vapor ha de combatirse

mediante la desgasificacin. Este proceso puede hacerse trmicamente, qumicamente o

una combinacin de ambos mtodos.

2.2.1 Desgasificacin trmica

En este proceso, la desgasificacin se consigue aportando energa trmica al agua de

alimentacin al generador de vapor.

Se basa en tres principios fundamentales: la Ley de Henry, la Ley de Dalton y el

concepto de solubilidad.

Ley de Henry: La concentracin de un gas disuelto es proporcional a la presin del

gas en la atmsfera en equilibrio con la solucin.

=




Donde:

P es la presin parcial del gas [].

H es la constante de Henry, que depende de la naturaleza del gas, la temperatura

y el lquido [/

].

X es la concentracin del gas (solubilidad). Se mide en [

].

Ley de Dalton: La presin total de mezcla de gases es igual a la suma de sus

presiones parciales.

=

=1

Donde:

P es la presin total del volumen de gases [].

pi es la presin parcial del gas i dentro del volumen de control de gases [].

Solubilidad: La solubilidad de un gas en un lquido decrece con el aumento de

temperatura:

Figura 2.3. Evolucin de la concentracin de con la temperatura del agua.




La figura 2.3 muestra la evolucin del O2 disuelto en el agua ante el incremento de

temperatura. En la figura 2.3 se observa que a medida que la temperatura del agua

aumenta el oxgeno disuelto disminuye. Igual ocurre con otros gases como el nitrgeno

y el dixido de carbono. Si el lquido se encuentra a su temperatura de saturacin, la

solubilidad de un gas en l es nula, aunque se le deber proporcionar la agitacin

adecuada para asegurar la desgasificacin completa. La temperatura que debe tener el

agua ser, como mnimo, lo suficientemente alta como para garantizar que la solubilidad

de los gases entra dentro de lo aceptable, siendo en el mejor de los casos nula.

La tabla 2.1 muestra valores de la constante de Henry para diferentes temperaturas para

el 2 y para el 2 (H x 10-4

), donde H viene expresada en

. ( ) :

Tabla 2.1. Evolucin de Constante de Henry con la temperatura. (Perry, tablas 3.141 y 3.139)

Con la informacin mostrada en la tabla 2.1 se puede determinar que la relacin de

concentraciones O2/N2 es diferente en aire que en agua. En la atmsfera la relacin es

21/79 mientras que el aire disuelto en agua tiene una concentracin de 34/66, lo cual

indica que el oxgeno en agua es ms soluble. Esto sera otro modo de ver la necesidad

de someter a un cierto calentamiento el agua ciclo de un proceso para eliminar el

oxgeno disuelto.




Otra de las razones por la que se debe elevar la temperatura del agua de alimentacin es

para evitar someter a excesiva fatiga trmica los tubos de la caldera. Cuando ms fra

entre el agua de alimentacin al economizador ms gradiente trmico habr y ms

posibilidades de tener problemas mecnicos.

Con lo que aplicando los tres enunciados previos, para un correcto tratamiento del agua

de ciclo, debemos limitar el grado de gases disueltos trabajando a alta temperatura. Esto

permitir alargar el funcionamiento y la vida til de los equipos que conforman el ciclo.

2.2.2 Desgasificacin qumica

Su funcin es la de eliminar qumicamente el residual de oxgeno disuelto en el agua de

alimentacin. Su uso, al igual que la desgasificacin trmica, trata de evitar la corrosin

por oxgeno en forma de pitting en zonas como la caldera y en el sistema de agua de

alimentacin.

A modo introductorio, existen diferentes productos qumicos encargados de combatir el

gas disuelto en el agua de alimentacin.

Eliminadores de O2: Sulfitos, hidracina, carbohidracina, DEHA, etc.

Eliminadores de CO2: se emplean aminas neutralizantes. Morfolina,

ciclohexilamina, DEAE, control de PH,

Eliminadores de incrustaciones: tratan de controlar los depsitos. Fosfatos,

fosfonatos, dispersantes,

La desgasificacin qumica se basa en la mezcla del oxgeno con ciertas sustancias

qumicas que reaccionan con el mismo. En esta reaccin se atrapan las partculas de O2

e impiden su presencia como agente libre al verse formando nuevas molculas qumicas

con su reactante que no son perjudiciales para los equipos que conforman la planta. Una

de las sustancias utilizadas con mayor frecuencia para la desgasificacin qumica es el

sulfito de sodio. Su funcionamiento como agente desgasificador se basa en la facilidad

para reaccionar con el O2, produciendo sulfato de sodio, el cual no provoca corrosin en

la instalacin de vapor.

23 +1

22 24

Otra forma de eliminar gases, en este caso CO2, sera mediante el control de PH. La

formacin de CO2 proviene de las descomposiciones de bicarbonatos y otros carbonatos

en zonas de alta temperatura como es el caso de la caldera. Este CO2 acaba reaccionado

con el agua para formar cido carbnico (H2CO3) al condensar. El cido carbnico

disminuye el pH y genera corrosin, especialmente en la lnea de condensado.




2() (3)2 + 2 + 2

(3)2 + 2 2 + 2

2 + 2 23

Para controlar esta disminucin de pH se aade aminas neutralizantes que se encargan

de reaccionar con el cido carbnico y otros cidos para formar sales al poseer pares de

electrones libres que pueden interaccionar con el hidrgeno potronado de estos cidos.

Estas sales no resultan potencialmente corrosivas a diferencia de los cidos de los cuales

provienen.

2.3 Clasificacin de los desgasificadores

Entre los tipos de desgasificacin podemos encontrar la desgasificacin por vaco, la

desgasificacin qumica y la desgasificacin trmica. La desgasificacin qumica se

lleva a cabo mediantes agentes qumicos aadidos al agua de alimentacin en algn

punto del proceso. La desgasificacin trmica por su parte la realizan desgasificadores

atmosfricos o presurizados como puedan ser el tipo pulverizador (spray) o de bandejas

(tray). Tambin hacen esta funcin los desgasificadores de vaco que por su modo de

actuar suelen emplearse en relativamente pequeas plantas de procesos dado a los

limitados rangos de presin en los que trabaja.

Atendiendo a un criterio u otro, podemos elaborar una clasificacin de desgasificadores

segn el mtodo de desgasificacin que emplean, su aplicacin y la eficiencia mxima

de eliminacin de O2 del agua que tratan.

Segn mtodo de desgasificacin:

Vaco

Qumico

Trmico Desgasificador Presurizado Desgasificador Atmosfrico

Segn aplicacin:

Plantas de Elaboracin de productos Desgasificador por vaco

Desgasificador atmosfricoDesgasificador qumico

Plantas de Potencia Desgasificador presurizado

Desgasificador Termoqumico




Segn eficacia mxima de reduccin de O2:

1) Desgasificador qumico: 0 ppb

2) Desgasificador presurizado: 2 ppb

3) Desgasificador por vaco: 65 ppb

4) Desgasificador atmsferico: 5000 ppb

A la hora de desarrollar el tema, se seguir el orden empleado en el criterio de mtodo

de desgasificacin. En los subapartados 2.3.1 y 2.3.2 se describen los desgasificadores

por vaco y los desgasificadores qumicos respectivamente, mientras que los

desgasificadores trmicos se desarrollan en el apartado 2.4 en mayor profundidad.

2.3.1 Desgasificadores por vaco

Un equipo desgasificador por vaco principalmente se compone de tres elementos

(figura 2.4):

Desgasificador: dentro del tanque desgasificador existe un fondo intermedio bajo el

cual hay montado un depsito para agua desgasificada (ya tratada). En la parte

superior del tanque hay instaladas boquillas pulverizadoras o algn mecanismo que

ayuda a separar el condensado del gas.

Grupo extraccin de gases por vaco: componente esencial de este desgasificador.

Es el encargado de separar los gases no condensables, adems de algunas trazas de

vapor, del condensado que formar parte del agua de alimentacin del proceso. En

algunos equipos se emplean eyectores de vapor y en otros, bombas de vaco. Ambos

tipos realizan la misma funcin.

Grupo de bombeo a proceso: transporta el condensado hacia la planta de proceso.

Este tipo de desgasificador se emplea para el tratamiento del agua que circula por las

plantas de elaboracin de productos, como la industria alimentaria o qumica, y su

principio de funcionamiento de basa en la eliminacin de gases mediante la creacin de

vaco. Unas bombas (o eyectores de vapor en su defecto) eliminan el aire dentro de un

espacio confinado haciendo que la densidad del aire dentro de ste disminuya. En la

cmara se crea un vaco a travs de la extraccin de molculas de aire y su posterior

expulsin del sistema de tal manera que la descarga de aire al exterior se produce a

presin atmosfrica y la cmara se encuentra a depresin.

El oxgeno se encuentra disuelto en el agua de reposicin y en este estado entra en la

torre de desgasificacin donde normalmente el contenido en oxgeno en condiciones de




operacin es de 8 ppm. El contenido de oxgeno puede reducirse a algo menos de 0,65

ppm con un desgasificador por vaco.

El agua entrante (agua de reposicin), que contiene oxgeno disuelto en ella, es

precalentada a unos 40-90 C, dirigindose a la parte superior del desgasificador. Con el

fin de optimizar la eliminacin de oxgeno, la torre de desaireacin, est formada por

bocas pulverizadoras que divide el agua en pequeas partculas. Con esto se consigue

aumentar la superficie del lquido para facilitar el posterior desprendimiento de los

gases disueltos. Una bomba de vaco (Vacuum pump) crea el vaco necesario para que

el agua de reposicin hierva. Cuando el agua es evaporada, el oxgeno se libera y se

elimina por medio de esta bomba. Posteriormente el agua desgasificada es dividida en

dos corrientes, una es bombeada hacia la red de calentamiento del proceso y la otra

corriente es realimentada de nuevo al tanque de desgasificacin.

La figura 2.5 muestra un esquema del funcionamiento que acabamos de describir. El

agua de reposicin (punto 1) es mezclada y arrastrada por el agua desaireada de la

realimentacin (punto 3). Este flujo (2) es llevado hacia las boquillas de pulverizacin

(C) para ser dividido en pequeas gotas que facilite la eliminacin de gases no

condensables. Una bomba de vaco (A) se encarga de evacuar estos gases adems de

una corriente de vapor (4). El agua tratada va cayendo a un depsito del que se va

extrayendo el agua ya desgasificada mediante la bomba de condensado (B) e

impulsndola hacia el proceso (6).

Una variante con respecto al tipo de desgasificador por vaco estndar se puede observa

en la figura 2.6. Se trata de un desgasificador por vaco mediante eyector de vapor.

Estos desgasificadores constan, bsicamente, de un recipiente cerrado, donde un relleno

(1), sostenido por una parrilla por encima de la cual hay una serie de pulverizadores (2)

que dispersan el agua, actan como medio de intercambio lquido-vapor.

Este relleno asegura el mximo contacto agua-vapor, favorecido, a su vez, por la

dispersin que se logra en los pulverizadores.

Un eyector de vapor (3), o en algunos casos simplemente una bomba de vaco como en

las figuras 2.4 y 2.5, mantienen el equipo a la presin correspondiente a la temperatura

de ebullicin del agua o muy prxima a sta. El eyector evacua el aire y otros gases

creando un vaco en la torre. En la figura 2.7 se aprecia una corriente de vapor (fluido

impulsor), procedente de caldera generalmente, que entra en el eyector. Esta corriente

va fluyendo por una pequea cavidad de seccin decreciente que hace disminuir la

presin (al adquirir el vapor alta velocidad). Esta disminucin de presin es transmitida

al tanque mediante una conexin interna y de este modo va succionando aire y otros

gases. El eyector debe permitir que evacuen al exterior los incondensables que se estn

separando del agua ms el vapor en equilibrio a esa presin a travs de una tercera

conexin.




Figura 2.4. Partes principales de degasificador por vaco

El equipo debera funcionar a una presin total igual a la presin de vapor del agua ms

la suma de las presiones parciales de los gases que se estn desprendiendo.

Sin embargo, se inyecta vapor de agua a travs del conducto (4) ubicado debajo de la

parrilla, para trabajar a mayor temperatura, lo que permite que el nivel de vaco no sea

tan alto, y a su vez favorecer el desprendimiento de los incondensables.

La entrada de vapor se regula a travs de una vlvula, por la medida de la temperatura

del equipo. A su vez, un control de nivel es el que regula la entrada de agua a los

pulverizadores. En el esquema estos controles pueden apreciarse a la derecha y a la

izquierda del equipo, respectivamente.

Este tipo de desgasificadores no suelen emplearse con tanta frecuencia como el caso de

los trmicos o la desgasificacin qumica. Su uso se ve limitado a sistemas de

dimensiones ms reducidas y a procesos que no se requiera un gran consumo de vapor

debido al alto coste de operacin en bombas de vaco o por las limitaciones de los




eyectores, adems de que la eliminacin de gases resuelta mediante vaco es menos

eficiente que otro tipo de desgasificadores a medida que el caudal de agua de ciclo sea

mayor en la planta. Adems de esto, la extraccin de gas mediante vaco es bastante

menos eficiente que, por ejemplo, los trmicos-presurizados. No ya nicamente por los

incondensables que es capaz de eliminar, sino tambin por la dificultad de separar los

gases ventilados del vapor. Con lo que este tipo de desgasificacin conlleva un arrastre

no despreciable de vapor, y por tanto, un consumo relativamente mayor de agua de

reposicin de aporte al ciclo.

Figura 2.5. Esquema de funcionamiento de desgasificador a vaco.




Figura 2.6. Desgasificador por vaco. Tipo eyector.

Figura 2.7. Eyector de vapor de desgasificador por vaco.




2.3.2 Desgasificadores qumicos

En la desgasificacin qumica el proceso de adicin de agentes qumicos se realiza a

travs de depsitos llenos con la sustancia desgasificadora correspondiente conectados a

la red de agua de ciclo de la planta. Uno o varios compuestos qumicos se encargan de

eliminar el oxgeno disuelto en el agua de alimentacin. Su continuo uso conlleva un

costo adicional de eliminacin de purgas para prevenir posibles deposiciones de sales y

otras partculas. Cumplen la misma funcin que un desgasificador trmico, solo cambia

la forma.

Este tipo de desgasificadores son, en esencia, un depsito en el que un equipo de

bombeo inyecta en algn punto de la red de condensado (ver figura 2.12) el nivel

adecuado de agentes qumicos para el proceso de desgasificacin del agua. En la figura

2.8 puede observarse un ejemplo de estos equipos. Las entradas principales son los

puntos 3 y 4, mientras que las salidas son el 1, 5 y 6. La corriente (1) es la salida de

sustancia del depsito hacia el grupo de bombeo. La corriente (2) es el flujo de lquido

bombeado hacia algn punto de la instalacin donde es inyectada la solucin para el

proceso de tratamiento de agua. La toma (3) es el punto por donde el depsito de

almacenamiento es recargado de la sustancia desgasificadora correspondiente. La (4) es

la toma de agua para generar la disolucin. Mientras que los puntos (5) y (6) son de

rebose y vaciado respectivamente.

Figura 2.8. Entradas y salidas de un desgasificador qumico. C.T. Los Barrios (Cdiz)




Los componentes bsicos de este desgasificador pueden verse en la figura 2.9. Se

nombran a continuacin:

(1) Agua de aportacin.

(2) Carga de agente qumico.

(3) Descarga vlvula de seguridad.

(4) Aspiracin de bombas.

(5) Indicador de nivel.

(6) Grupo de bombeo a ciclo.

(7) Rebose.

(8) Tubera de transporte de solucin hacia agua de ciclo.

(9) Vaciado del depsito.

En medio acuoso, el hierro se oxida a hidrxido ferroso por la accin del in

hidroxilo. Este, por accin de oxgeno en disolucin pasa a hidrxido frrico (de

color rojizo), que implica corrosin. A elevadas temperaturas el hidrxido ferroso se

convierte a una capa densa de proteccin de color negro denominada magnetita, que

protege el metal del agua y del oxgeno. Pero a temperaturas relativamente bajas el

hidrxido frrico crea complicaciones operacionales cuyas consecuencias pueden

provocar costes por indisponibilidades en la planta como ya se ha comentado

anteriormente.

Figura 2.9. Componentes principales de un desgasificador qumico. C.T. Los Barrios (Cdiz)




Existen diferentes productos encargados de eliminar los gases disueltos en el agua de

alimentacin. A continuacin se analiza la eliminacin de O2, de CO2 y de

incrustaciones.

a) Eliminadores de O2

Sulfitos:

Reacciona con el oxgeno formando sulfato sdico. Debe dosificarse en continuo en el

agua de alimentacin de la caldera (depsito del desgasificador), controlando la

existencia de residuales para eliminar el oxgeno. La formacin de sulfato sdico

aumenta slidos disueltos y a presiones altas (>50 bar) se descompone en dixido de

azufre.

La velocidad de reaccin entre sulfito sdico y oxgeno es rpida. Sin embargo a

temperaturas bajas es necesario utilizar trazas de sulfato de cobalto para acelerar la

reaccin (catalizador). Para presiones mayores a 80 psi (5,52 bar) no es recomendable el

sulfito sdico. El sulfito sdico catalizado (con sulfato de cobalto) reacciona mucho ms

rpido que el no catalizado y es recomendable dosificarlo por separado en el depsito

del desgasificador. La proporcin estequiomtrica a aadir es de 7,88 ppm de sulfito

sdico por cada 1 ppm de oxgeno, pero se recomienda el empleo de una 10:1.

Hidracina:

Sustituy al sulfito en sistemas de alta presin. La ventaja principal es que no

incrementa slidos en la caldera, pero tiene el problema que est en la lista de productos

cancergenos (OSHA PEL 0,1 ppm, SARA Title IIISection 313 reporting) y como tal

requiere de una manipulacin especial. Actualmente el uso se circunscribe a los grandes

sistemas de generacin de vapor (centrales elctricas). La hidracina (al 35%) se

alimenta directamente al agua de alimentacin a razn de 0,050,10 ppm. A

temperaturas inferiores a 150C la reaccin es muy lenta, el uso de hidroquinona como

catalizador aumenta la velocidad de la reaccin 10100 veces. A temperaturas

superiores a 400C la hidracina se comienza a descomponer en amonaco, que es

corrosivo para el cobre y otras aleaciones.

Carbohidracina:

Es el sustituto de la hidracina y acta igual que sta pero no tiene los peligros relativos a

la misma. Al igual que la hidracina, no aumenta los slidos en la caldera. Pero tiene el

inconveniente que la reaccin con el oxgeno genera 0,7 ppm de dixido de carbono por

cada ppm de oxgeno, lo cual se debe tener en cuenta en el clculo de necesidades de

amina.

Neutralizante:




La estequiometra a utilizar es de 1,4 ppm de carbohidracina por cada ppm de oxgeno

disuelto, y se dosifica directamente al sistema en forma de solucin 6.5%. La dosis

recomendada en el agua de alimentacin es la suficiente para controlar 0,05 0,3 ppm

como hidracina, ya que se da sta en el interior de la caldera.

cido eritrbico:

Es un cido orgnico, ismero de la Vitamin C. Por esto es reconocido por la FDA

como un producto GRAS para aplicaciones donde el vapor est en contacto con

alimentos. La solucin al 10% de cido eritrbico tiene un pH de 2,1. El producto se

formula a pH 5,5 con aminas neutralizantes o amonaco. Se cataliza con sulfato de cobre

(1:50).

Metiletilcetona (MEKO):

Es un reductor del oxgeno disuelto que tiene un ratio de distribucin ms alto que la

DEHA, y funciona mejor que sta en sistemas largos de de condensados. El ratio de

distribucin est entre el del DEAE y la ciclohexilamina. La Metiletilcetona reacciona

ms rpidamente que cualquier otro sustituto del sulfito sdico. Se necesitan 5,4 ppm de

MEKO por cada ppm de oxgeno disuelto. El MEKO no tiene las mismas capacidades

pasivadoras que la DEHA, as que su uso no esta tan aconsejado.

Hidroquinona:

Tiene rpida velocidad de reaccin, incluso en agua fra. Se puede utilizar sola como

desoxigenante. Usada habitualmente como catalizador para la Hidracina, DEHA, y

Carbohidrazida, incluso para usos a baja presin. En desmineralizadores de lecho mixto

puede producir ennegrecimiento de las resinas debido a la rpida reaccin de reduccin.

La Hidroquinona es estable hasta 275 C, la descomposicin final genera dixido de

carbono. La estequiometra requerida es de 6,9 ppm de hidroquinona por cada 1 ppm

oxgeno.

N,N'-dietilhidroxilamina (DEHA):

Desoxigenante voltil, pasiva las superficies metlicas de la caldera y lneas de

condensados. Es un fuerte reductor capaz de revertir el rojizo xido frrico a magnetita

manteniendo residuales en la caldera entre 150 y 300 ppb. Catalizado con hidroquinona

acta a bajas temperaturas. La estequiometra es de 1,24 ppm de DEHA por cada 1 ppm

de oxgeno disuelto, pero se obtienen mejores resultados con una relacin 3:1. En su

reaccin con el oxgeno se forma cido actico e incluso se puede descomponer en

dixido de carbono, lo cual requiere un consumo adicional de amina neutralizante. Se

descompone en amonaco a partir de 280C frente a 168C para la hidracina. El anlisis

de la DEHA se realiza mediante un kit basado en la reduccin del in frrico a ferroso.




b) Eliminadores de CO2

El dixido de carbono disuelto en el agua (sobre todo si no hay una adecuada

desgasificacin o bien el agua es slo descalcificada, por lo que conserva la alcalinidad

dando lugar en la caldera a la descomposicin de carbonatos y bicarbonatos en dixido

de carbono) pasa al vapor y al condensar pasa a cido carbnico dando lugar a corrosin

cida de las lneas de retorno, contaminando el condensado con hierro disuelto. Por ello

es necesario aadir una amina neutralizante para mantener un pH=8,38,5 mnimo. A

una dosis de 23 ppm de producto debera bastar la cantidad de amina neutralizante

aadida.

Su funcin es la eliminacin qumica del dixido de carbono en el agua de alimentacin

tras la desgasificacin mecnica o por descomposicin de carbonatos y bicarbonatos. Su

uso evita la corrosin cida por bajo pH en lneas de condensados.

La Amina neutralizante forma sales al reaccionar con el cido carbnico procedente del

dixido de carbono del vapor. La Amina Neutralizante tambin eleva el pH del

condensado por formacin de hidroxilos. Un desgasificador trmico debe crear el

stripping (fenmeno el que se produce intercambio de compuestos entre la fase lquida y

la fase gas) de las sales y permite la regeneracin de la amina.

c) Eliminadores de incrustaciones:

La principal funcin de los antiincrustantes es la precipitacin qumica y quelacin de

iones, inhibicin y/o dispersin para evitar la formacin de incrustaciones procedentes

de las sales disueltas en el agua de calderas. Su uso evita incrustaciones, prdida de

eficiencia energtica, etc. No son agentes desgasificadores como tal, pero pueden

incluirse en la participacin de eliminacin de gases disueltos por la capacidad que

tienen de preparar el consensado para el tratamiento de desgasificacin posterior. Los

principales productos utilizados son fosfatos, quelantes, fosfonatos y dispersantes.

El caso siguiente (figura 2.10) es un tanque de desmineralizacin de la CT. Los Barrios

(Cdiz). El agua procedente del condensador entra en el recipiente (por medio de las

entradas 1, 2 y 3). En su interior, el condensado entra en contacto con resinas

desmineralizadoras que permiten limpiarlo de sales. De modo que evita la incrustacin

motivada por el acumulamiento de sales y otras sustancias, y adems, sirve de

preparacin para recibir el tratamiento qumico correspondiente descrito en el apartado:

hidracina, carbohidracina, etc.

Tras pasar el condensado por el tanque, el agua sale por el punto (4) (figura 2.11) y

recibe inyeccin de aditivo qumico en algn punto de la red (figura 2.12).

Posteriormente el condensado ya tratado se dirige hacia el desgasificador trmico de

dicha central (sistema de agua de ciclo). Para este ejemplo esta planta emplea una

combinacin de desgasificacin qumica y trmica. En las etapas que sigue el agua, tras




su paso por el condensador, aditivos qumicos como hidracina (desgasificacin) y resina

aninica-catinica (desmineralizacin) son inyectados al pasar por los respectivos

tanques de almacenamiento. Tras esta primera desgasificacin el agua tratada es llevada

al desgasificador (desgasificacin trmica) para eliminar el resto de gases no

condensables antes de introducirse en el economizador de la caldera.

La figura 2.12 muestra las inyecciones de dos sustancias qumicas que provienen de

tanques como el mostrado en la figura 2.8. La corriente (1) es hidrxido amnico, usado

como inhibidor de corrosin y antiincrustante. La corriente (2) es hidracina,

secuestrante de oxgeno disuelto. Ambas corrientes se inyectan al agua de ciclo a una

temperatura de unos 30C y presin de 39 bar.

Figura 2.10. Tanque de desmineralizacin C.T. Los Barrios (Cdiz)

En ocasiones, la desgasificacin suele combinar los mtodos qumico y trmico. El agua

de aporte al ciclo suele tratarse con un aditivo qumico que aumente la capacidad de

eliminacin de gases no condensables, y ms si pertenece a instalaciones que requieren

de un agua alimentacin de alta calidad.




No obstante, cabe mencionar que una de las desventajas con respecto a la

desgasificacin trmica son los costos asociados al aditivo qumico en s y la purga. Los

costos de mantenimiento se ven aumentados debido a que el agregado de productos

qumicos al agua de alimentacin aumentan la frecuencia de purga en el generador de

vapor, y esto a su vez, aumenta el agua de reposicin que debemos introducir en el

sistema posteriormente.

Muchas industrias, siempre que la inversin lo permita y sus condiciones de operacin

tambin, se decantan por una desgasificacin trmica que, en ocasiones, puede venir

acompaado de algn aditivo qumico que ayude a una desgasificacin ms completa.

Figura 2.11. Tanque de desmineralizacin C.T. Los Barrios (Cdiz)




Figura 2.12. Puntos de inyeccin de hidracina e hidrxido amnico C.T. Los Barrios (Cdiz)

2.4 Desgasificadores trmicos

La desgasificacin trmica se basa en el fenmeno fsico por el que la solubilidad de un

gas disuelto en agua (que no haya reaccionado qumicamente con l) disminuye al

aumentar la temperatura del agua, de manera que, tiende a anularse cuando se alcanza la

temperatura de saturacin correspondiente a la presin existente. Eso quiere decir que, a

medida que vamos calentando el agua en el desgasificador se irn desprendiendo los

gases disueltos, de manera que se habrn eliminado la prctica totalidad al alcanzar la

temperatura de saturacin a la presin de servicio.

Con la desgasificacin trmica se alcanzan valores normales de residuos de O2 por

debajo de 0,007 ppm y de 2 ppm para el caso de CO2.

Los tipos de desgasificador que manejan el mtodo trmico como eliminacin de O2 son

el atmosfrico y el presurizado. Aunque como se ver ms adelante el grado de

eliminacin es bastante mayor en los presurizados.

Los desgasificadores trmicos son empleados en el rango completo de instalaciones de

vapor.

2.4.1 Desgasificadores atmosfricos




Dentro de la categora de desgasificadores trmicos el desgasificador atmosfrico es el

ms simple. Su empleo no es el ms eficiente dentro de la categora, sin embargo, es el

de menor coste. Su nivel de reduccin de O2 garantiza niveles de unas 5 ppm, algo

insuficiente para los requisitos que se plantean en plantas grandes. Esta es la principal

razn por la que su uso es el ms restringido de todos los tipos de desgasificadores y

que no pueda emplearse en ciertas instalaciones de vapor como son las dedicadas a la

generacin de energa, la cual tienen mucha importancia en la economa actual. No

obstante puede tener aplicaciones en pequeos procesos relacionados con el sector de la

alimentacin, por ejemplo.

En la figura 2.13 pueden verse los flujos de entrada y salida de este tipo de equipos. Las

entradas (1) y (5), son de retorno de condensado. La entrada (4) es un flujo de vapor

regulado por una vlvula reductora. El flujo (3) es el agua de reposicin que permite

restaurar los niveles de agua de ciclo. Las salidas (2) y (6) son de gas ventilado y

condensado tratado respectivamente. Finalmente cabe destacar dos flujos de trasiego de

una parte a otra. La corriente (7) es agua condensada no trata que es llevada a la seccin

presurizada con el fin de pulverizarse en pequeas gotas, mientras que la corriente (8) es

una mezcla de agua, vapor y gases cuyo fin es el de calentar la seccin atmosfrica.

Figura 2.13. Esquema desgasificador atmosfrico patentado por M. Bekedam (1994)




Por otro lado, los componentes principales de los desgasificadores atmosfricos vienen

determinados en la figura 2.14:

Figura 2.14.Componentes principales desgasificador atmosfrico

(1) Seccin atmosfrica

(2) Orificio de ventilacin de gases

(3) Seccin presurizada

(4) Entrada de vapor

(5) Conducto de aspersin

(6) Conducto de gases calientes

(7) Bomba de trasiego

(8) Salida de condensado. Agua de ciclo

(9) Entrada de agua de reposicin

(10) Entrada de condensado (por gravedad)

(11) Entrada de purga de caldera

(12) Vlvula reguladora de vapor

El desgasificador se divide en dos secciones: una a presin atmosfrica y otra

presurizada. La parte a presin atmosfrica o ventilacin tiene como fin eliminar en la

medida de lo posible el nivel de gases no condensables y mantener la temperatura del

agua de ciclo. Adems de minimizar la prdida de vapor debido a la ventilacin en la

seccin no presurizada.




Las dos divisiones del equipo de desgasificacin son substancialemente iguales. Est

construida a travs de un recipiente exterior que contiene. La seccin en la que se

pulveriza el condensado no tratado se mantiene ligeramente presurizada por el vapor

entrante empleando para ello un control de presin y/o temperatura. Este vapor de agua

entrante est regulado bien sea por una temperatura controlada o bien por una vlvula de

suministro de vapor de presin controlada. El vapor entrante en la seccin presurizada

puede ser controlado empleando control de temperatura o presin simples, un

dispositivo de medida en la seccin atmosfrica da orden de abrir o cerrar la vlvula que

regula el caudal de vapor encargado de calentar el condensado con el objeto de liberar

los gases disueltos que contenga.

La comunicacin entre la zona presurizada (en la que el fluido se calienta) y la zona de

ventilacin (a presin atmosfrica) es por medio de un conducto que emana gases

calientes desde la seccin presurizada a la seccin atmosfrica (de venteo). El conducto

de gases calientes es abierto y lleva flujo bifsico agua-vapor, gases no condensables y

algo de vapor hacia la seccin de ventilacin donde se eliminan los gases no

condensables y se recupera parte del vapor.

El conducto de gases calientes tiene un extremo abierto en el nivel superior de la

seccin presurizada que funciona como tubera de desborde. Esta tubera acta para

mantener el nivel de agua en la seccin a presin del desgasificador, que debido a su

tamao, sirve como elemento auxiliar de presin de emergencia. Normalmente el agua

en el tubo vertical puede tener un nivel mximo en la seccin de calentamiento debido a

que se encuentra en depresin. Sin embargo, si la presin llega a ser excesiva el agua es

soplada a travs del tubo hacia la seccin de ventilacin proporcionando de este modo

una forma clara para descargar presin, desde la seccin de venteo hacia la atmsfera.

Durante el funcionamiento normal, el agua es forzada a ir por el interior de los tubos en

la seccin atmosfrica debido al flujo continuo de gases.

La seccin de ventilacin consta de un sistema de venteo atmosfrico que est

protegido por un condensador de ventilacin que pulveriza por medio de un spray de

forma cnica agua relativamente fra del suministro de agua de reposicin. El agua fra

condensa vapor de agua y absorbe trazas de condensado que cae del agua de reposicin

al depsito de agua en la seccin de ventilacin del tanque.

Una bomba de trasiego transporta agua desde las capas inferiores ms fras del fondo de

la seccin de ventilacin a travs de una lnea dirigida hacia a la seccin de

calentamiento donde se pulveriza el agua por medio de una serie de boquillas. Los gases

no condensables pasan en pequeos volmenes desde la seccin de calentamiento hasta

la de evacuacin de gases (venteo) por medio del conducto calentador junto con trazas

de vapor que acabarn siendo venteadas por el orificio de ventilacin. El agua altamente

atomizada, y calentada por el contacto la atmsfera de vapor creada, libera los gases y




stos son transportados por el vapor a travs del conducto calentador hacia la seccin

atmosfrica.

La vlvula de control regula la cantidad de flujo de vapor sobrecalentado a presin para

recalentar agua extrada del fondo de la seccin atmosfrica. El vapor conduce cualquier

resto de gas no condensable de la circulacin de agua pulverizada en la seccin de

calentamiento. Tanto vapor, vapor condensado y gases no condensables son llevados

por el conducto de gases calientes para burbujear el agua ligeramente ms fra de la

seccin de mezcla.

Por otro lado, un sensor de temperatura sumergido en agua en la seccin de ventilacin

mantiene la temperatura del agua mediante regulacin del flujo de vapor sobrecalentado

que pasa a travs de la vlvula de control de vapor, que acta como un sobrecalentador,

para elevar la temperatura de la seccin a presin ligeramente mayor con respecto a la

seccin atmosfrica.

Si bien una alternativa a esto ltimo sera colocar un sensor de presin en la seccin

atmosfrica para mantener un nivel de presin no elevado en la seccin presurizada a

travs del empleo de un venteo forzado a la atmsfera en la seccin de ventilacin.

Las purgas de vapor de caldera son retornadas a la seccin presurizada. El retorno por

gravedad lo usa el agua para volver a la seccin atmosfrica. El agua fra de reposicin

es pulverizada de forma cnica alrededor del venteo atmosfrico para condensar

cualquier resto de vapor rezagado y enjuague el agua-vapor transportado por la masa de

gases no condensables. Los gases son eliminados por venteo y el agua cae por la seccin

de ventilacin mezclndose con el condensado de retorno.

Este tipo de desgasificadores son particularmente adecuados para procesos industriales

donde la demanda de vapor y el condensado retornado sean variables. Tiene la ventaja

de que puede combinarse con intercambiadores de calor y condensadores flash para

maximizar el grado de eficiencia en los circuitos agua-vapor.

De este modo el funcionamiento queda esquematizado en la figura 2.15 donde las lneas

en azul son agua condensada, las rojas son las lneas de vapor en el proceso y la verde

son gases incondensables.

Una primera seccin (seccin de ventilacin o atmosfrica) con una cierta cantidad de

agua y gas a la presin atmosfrica. Esta zona, situada a la izquierda de la figura 2.15,

tiene un dispositivo de venteo a la atmsfera.

Una segunda seccin (seccin presurizada o a presin situada en la derecha de la figura

2.15) que contiene un nivel de agua determinado y un volumen de gas bajo una presin

ligeramente mayor a la atmosfrica. Esta zona tiene una admisin de vapor y otra de

contacto directo a mayor temperatura que desgasifica el agua calentndola. En esta




seccin, la admisin de vapor y la de contacto directo incluyen un pulverizador de agua

que esparce una fina capa de agua atomizada que rodea al volumen de gas sobre el nivel

predeterminado. El conjunto de boquillas pulverizadoras estn situadas al final del

conducto de aspersin que se denominaba en la figura 2.14

Ambas secciones estn comunicadas a travs de un conducto en forma de L donde la

parte vertical est comprendida en el interior de la seccin presurizada. En la zona

superior de este conducto (conductor de gases) se encuentra la admisin de agua situada

en el nivel predeterminado de la seccin a presin. Mientras que la parte horizontal del

conducto est colocada en la seccin atmosfrica quedando sumergida en el agua de

este medio en donde el paso comunicante entre la seccin a presin y la seccin de

ventilacin supone un escape para la masa de gases y un medio seguro de disminucin

de exceso de presin de estos gases en la parte presurizada del equipo.

Existe un circuito de agua continuo desde la seccin atmosfrica hacia las boquillas de

pulverizacin colocadas en la seccin presurizada y un segundo circuito de agua que

conecta la zona a presin con la caldera. La admisin de vapor se regula mediante una

vlvula que controla el gasto de vapor que llega a la seccin presurizada desde el

conducto de vapor procedente del proceso. Un sensor conectado a esta vlvula de

control regula el flujo de vapor entrante, y por tanto, el calentamiento en la zona a

presin del desgasificador.

Existen variantes respecto al modelo original. Como es el caso de la figura 2.16. En ella

podemos apreciar que es de menor complejidad, dado a los avances tcnicos, en los que

no hay una divisin en seccin atmosfrica y presurizada. No obstante el

funcionamiento es muy similar. Se extrae un sangrado de flujo bifsico desde la caldera

donde el vapor se emplea como fluido sobrecalentador usado para elevar la temperatura

del agua del tanque y la corriente lquida se emplea para precalentar el agua de

reposicin (Incoming Make-up). En la torre de desgasificacin afluyen el condensado

retornado, vapor y el agua de reposicin anteriormente mencionada.

En el cabezal de desgasificacin se mezclan todas las corrientes entrantes, de tal modo

que el sangrado de caldera, pasando previamente por un vaporizador flash que reduce su

presin hasta la presin atmosfrica, ser el encargado de aportar la energa trmica

necesaria para evacuar los gases no condensables disueltos tanto en el agua de

reposicin como en el condensado retornado. Estos gases son eliminados de forma

automtica por el orificio de ventilacin. El flujo resultante de la mezcla de las tres

corrientes desciende a lo largo del cabezal por gravedad hasta el fondo del tubo de

inmersin que est acoplado al tanque donde se va almacenando el condensado ya

tratado. Esto se puede observar en la figura 2.17.




Figura 2.15. Esquema funcionamiento desgasificador atmosfrico

Cuando el agua logra alcanzar la temperatura de saturacin los gases que sta contiene

son liberados de tal forma escapan por el sistema de ventilacin del desgasificador junto

con trazas de vapor que no se logra retener.

En la cabeza de la torre est situada la vlvula reguladora de vaco (Vacuum breaker)

que impide el retorno de flujo de gases no condensables para forzarlos a ser eliminados

por el sistema de venteo.

En el fondo del desgasificador se encuentra el canal de salida hacia caldera del agua

tratada en el proceso que se acaba de describir.

En general, este tipo de plantas en las que se usan desgasificadores atmosfricos tienen

una capacidad de desaireacin ms limitada que las que usan desgasificacin a presin.

De modo que este proceso suele venir acompaado, depende del funcionamiento y

objeto de la planta, de un tratamiento por desgasificacin qumica que permita reducir

ms los niveles de gases en el agua de alimentacin.




Figura 2.16. Desgasificador atmosfrico (variante)

Figura 2.17. Cabezal de desgasificacin de desgasificador atmosfrico




En cuanto a parmetros de operacin son similares a los de los desgasificadores a

presin, ya que en la prctica se emplean temperaturas de agua de alimentacin de 85C

para evitar daos en bombas y auxiliares, siendo la temperatura de saturacin en este

caso de 100C.

2.4.2 Desgasificadores presurizados

El grado de desgasificacin logrado por los desgasificadores atmosfricos resulta

insuficiente. Como evolucin surgen los desgasificadores presurizados. La idea de

obtener un agua con menor concentracin de gases disueltos mediante una subida de

temperatura se mantiene pero el grado de eliminacin puede ser hasta 90 veces mayor.

La adicin de un agente qumico (como es el sulfito sdico e hidracinas) permite

eliminar el oxgeno y prevenir de corrosin en alto grado. Este es un tratamiento comn

en plantas con generadores de vapor en algunas zonas de Europa (como Reino Unido y

Alemania). Sin embargo existen plantas que, en funcin de su tamao, aplicaciones u

otros criterios, necesitan reducir las concentraciones de elementos qumicos en sus

aguas de ciclo. Para plantas que precisan reducirlos es normal emplear desgasificadores

a presin o por vaco, siendo los primeros de mayor capacidad de eliminacin de gases.

Este dispositivo consiste en un depsito a presin en el cual se mezcla agua y vapor a

velocidades controladas. Cuando esto ocurre, la temperatura del agua se eleva y todos

los gases contenidos no condensables son liberados y extrados de manera que el agua

que salga pueda ser considerada como no corrosiva en vistas a un contenido de oxgeno

o anhdrido carbnico mnimo.

Un desgasificador trmico est implementado en el sistema de una planta de vapor para

proteger las bombas de alimentacin, tuberas, calderas y cualquier elemento de la

instalacin que est en el lazo de alimentacin (o retorno) de los efectos producidos por

los gases responsables de la corrosin. Esto se realiza mediante la reduccin en el

contenido de gases no condensables, mayoritariamente oxgeno y anhdrido carbnico,

hasta un nivel en que ya no pueden ser considerados como agentes activos de corrosin.

El agua en contacto con el aire puede alcanzar un estado de saturacin con el oxgeno,

donde la concentracin variar con la temperatura: a mayor temperatura, menor

contenido de oxgeno.

Por otro lado, una transferencia de calor mayor permite una respuesta ms rpida a las

variaciones de temperatura. Esto se consigue bien sea aumentando la superficie de

transferencia o bien incrementado la superficie especfica del fluido (relacin superficie-

volumen). A medida que aumenta la superficie especfica, las partculas de condensado,

tendrn un menor tamao. La forma de hacer partculas de agua ms pequeas es

mediante pulverizacin. La lnea de condensado que entra en un desgasificador es




llevada hacia unas boquillas que pulverizan el agua en pequeas gotas que se esparcen

en un espacio donde adquirirn temperatura. Por otro lado, un aumento de la superficie

de contacto tambin ayuda a aumentar la transferencia de calor. Esto se puede conseguir

mediante bandejas que aumentan el tiempo de residencia del fluido en contacto con una

superficie caliente.

En este apartado veremos los elementos principales y funcionamiento de

desgasificadores presurizados, las variables que debemos controlar y las formas de

regulacin de las mismas, parmetros tpicos de operacin, requisitos mnimos de los

desgasificadores presurizados y las clases que hay dentro de esta tipologa.

2.4.a Elementos y funcionamiento

Figura 2.18. Desgasificador a presin

Basndonos en la figura 2.18 podemos distinguir las entradas (marcadas en rojo) y las

salidas (marcadas en azul) del sistema:

(1) Agua de reposicin y condensado retornado del ciclo




(2) Vapor

(3) Gases ventilados

(4) Condensado tratado (agua de alimentacin del ciclo)

Tambin basndonos en esta misma figura (2.18) podemos apreciar los elementos

principales de los que consta un desgasificador presurizado:

(5) Cabeza de desgasificacin

(6) Tanque de almacenamiento

(7) Sistema de control de presin de vapor

(8) Sistema de control de nivel de condensado

(9) Distribuidor de condensado

(10) Indicador de nivel del tanque de almacenamiento

El primer paso en el tratamiento del agua de alimentacin es calentar el agua para

eliminar el oxgeno. Normalmente un tanque de almacenamiento debe operar alrededor

de los 85-90 C, permitiendo un contenido en oxgeno en torno a 2 mg/l (ppm). Operar a

mayores temperaturas a las mencionadas, a presin atmosfrica, puede resultar

complicado debido a que nos encontramos a temperaturas cercanas a la de saturacin y

puede conllevar a la cavitacin de las bombas de alimentacin, a no ser que el tanque

est situado en niveles muy elevados sobre las bombas.

Este tipo de desgasificador (ver figura 2.18) consta de torre de desgasificacin (Dome),

en la zona superior, unida al tanque de almacenamiento (Vessel). Como accesorios

tambin pueden verse la vlvula de control de vapor, vlvula de control de condensado

de retorno, conducto de ventilacin de gases, medidor de nivel de agua en el tanque y

drenaje a bombas de alimentacin a caldera. El condensado retornado y el agua de

reposicin ingresa en la torre a travs de un distribuidor en el que, bien sea tipo spray o

tipo bandeja (tray), el agua a la entrada del desgasificador es calentada hasta el punto de

saturacin mediante la creacin de una atmsfera de vapor que es la encargada de elevar

la temperatura de esta agua.

Esto se consigue en la cabeza del desgasificador mediante la particin en pequeas

gotas de lquido que son sometidas a una atmsfera de vapor. Esto se hace para

conseguir un ratio alto de superficie/volumen que permite una rpida transferencia de

calor, con el consecuente aumento de temperatura hasta alcanzar la saturacin. Esto

libera los gases disueltos, que luego son llevados junto con el exceso de vapor para ser

ventilado a la atmsfera. La mezcla de gases y vapor quedan en una temperatura menor

que la de saturacin y el venteo operar termostticamente. Un manto de vapor se crea

sobre el almacenamiento de agua y evitan una reabsorcin de los gases.

El agua desaireada cae luego al estanque de almacenamiento, donde el flujo de vapor

ascendente previene de re-contaminacin.




La salida del agua de alimentacin del proceso, ya desgasificada, se produce por la zona

inferior del equipo.

Los gases incondensables (mayoritariamente aire y CO2) son evacuados del equipo

mediante un orificio situado en la zona superior (Air Vent). Este orificio de venteo debe

estar correctamente diseado de tal forma que permita mantener la correcta presin de

trabajo del desgasificador.

2.4.b Parmetros de control y operacin

Existen diferentes sistemas reguladores en este tipo de equipos entre los que podemos

diferenciar:

Control de agua:

Se encargan de mantener el nivel de agua en la zona de almacenamiento del

desgasificador. Adems se requiere de un mdulo de control que proporcione

condiciones operativas estables debido a que una repentina irrupcin de agua

relativamente fra puede daar el controlador de presin.

Este control tambin debe tener la capacidad de responder rpidamente ante cambios de

demanda. (en la Figura 2.18 viene denominado como level gauge).

Control de vapor:

Una vlvula control se encarga de regular el suministro de vapor. Esta vlvula es

modulada a travs de un controlador de presin dentro del tanque. El control de la

presin exacta es muy importante ya que es la base para el control de la temperatura en

el desgasificador, de modo que para un rpida accin, se emplear una vlvula de

control de accionamiento neumtico.

La inyeccin de vapor puede producirse en la base de la cabeza, donde puede llegar

como flujo a contracorriente o flujo cruzado. El objetivo prioritario es favorecer la

mxima agitacin y contacto entre los flujos de vapor y agua para elevar la temperatura

de sta ltima. En el caso de la Figura 2.18 la inyeccin se efecta en la base de la torre

de desaireacin (Dome) cuyo control es efectuado mediante el Steam pressure control

system.

El vapor es inyectado a travs de un difusor que proporciona una buena distribucin de

vapor en el interior de la torre. Este vapor sirve, adems, como:

Medio de transporte que gua a los gases incondensables por el orificio de venteo.

Capa de vapor depositada sobre el almacenamiento de agua que impide reabsorcin

de gases.




Control de la capacidad de ventilacin:

La temperatura tpica dada para el agua de alimentacin es de 85 C. En la prctica este

es un valor mximo que se da para evitar daos a las bombas de alimentacin. Esta

temperatura, en la prctica, es una forma de decir que la cantidad de oxgeno disuelto

contenido gira en torno a 3,5 ppm.

El desgasificador eleva la temperatura a 105 C, eliminando el oxgeno. Con lo que la

proporcin de ventilacin debe ser de 3,5 g/h por cada 1000 Kg/h de capacidad del

desgasificador. Sin embargo es importante hacer notar que el oxgeno est mezclado

con el vapor, y esto hace que baje la temperatura de la mezcla. Estimando la proporcin

de O2 y vapor hallados en la mezcla segn la Ley de Dalton tenemos que un

desgasificador a presin trabajando a 1,2 bar y una temperatura de descarga de unos

100C:

1 1,2 = 83,3 %

Siendo el restante 16,6% el O2 de la mezcla.

Con lo que esto significa que de cada 1g O2 ventilado habr:

1

0,167= 5,99

5,99 0,833 = 4,99

Es decir, que la capacidad de ventilacin que debe tener un desgasificador trabajando a

1,2 bar de presin ser:

1 + 4,99 3,5 = 20,96

Sin embargo, no hay un modo lo

Análisis de Equipos de Desgasificación en Instalaciones de Vapor

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