Expo-403

Universidad de Guayaquil Facultad de Ingeniería Química Carrera de Ingeniería Química Laboratorio de Operaciones Unitarias (403) Curso: Cuarto “B” Grupo # 3

Desmineralización del Agua Tratamiento de Agua para Torres de Enfriamiento

DESMINERALIZACION DEL AGUA Es el agua que está casi o completamente libre de iones minerales (cationes y aniones) o sólidos disueltos como resultado de uno o varios procesos. La función principal de este proceso radica en la eliminación de sólidos disueltos que contiene el agua de aportación a caldera. Se utiliza cuando se requiere agua con bajo contenido en sal o baja conductividad. Algunos ejemplos de su uso son:     

Agua de alimentación de las calderas Industria farmacéutica Industria de la electrónica Industria alimenticia Usos industriales

Para cada uso se utiliza una conductividad específica.

DESMINERALIZACION DEL AGUA El proceso de desmineralización puede ser en dos etapas. La elección de un proceso u otro vendrá condicionada por las características físicoquímicas del agua de alimentación, la producción necesaria y la fuente de energía disponible para impulsar la planta de desalación. • Desmineralización primaria.- donde se elimina el grueso de las sales disueltas, mediante intercambiadores con resinas del tipo catión fuerte y anión fuerte, un sistema de evaporación o un sistema de ósmosis inversa. • Desmineralización secundaria.- donde se realiza el pulido final. Esta segunda etapa siempre estará constituida por intercambiadores de resinas del tipo catión y anión fuerte, formando dos lechos separados o un lecho mixto.

Propiedades Químicas Agua Desmineralizada Conductividad Especifica Cadmio Cobre Cromo total Níquel Plomo Zinc Calcio Magnesio Cloruros Sodio Potasio Dureza total

Menor de 3

microsiemens/cm

Menor de 0.01

mg/l

Menor de 0.01

mg/l

Menor de 0.01

mg/l

Menor de 0.02

mg/l

Menor de 0.01

mg/l

Menor de 0.01

mg/l

Menor de 0.1

mg/l

Menor de

mg/l

0.007 Menor de 1

mg/l

Menor de 0.01

mg/l

Menor de 0.1

mg/l

Menor de 0.3

mgCaCO3/l

Pueden haber diferentes procesos dependiendo el tipo de resinas y las diferentes combinaciones para la desmineralización del agua

Procesos de Desmineralización del Agua

TIPOS DE RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

Las resinas de intercambio iónico pueden ser de los siguientes tipos: a. Resinas catiónicas de ácido fuerte •Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio. •Resinas catiónicas de hidrógeno: pueden eliminar todos los cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio,etc) por intercambio con hidrógeno. b. Resinas catiónicas de ácidos débiles: Eliminan los cationes que están asociados con bicarbonatos c. Resinas aniónicas de bases fuertes: Eliminan todos los aniones. Su uso se ha generalizado para eliminar aniones débiles en bajas concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos. d. Resinas aniónicas de base débil: Eliminan con gran eficiencia los aniones de los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos y cloruros.

Ecuaciones que representan el principio de las reacciones del Intercambio : Para las reacciones de intercambio catiónico: En las resinas  de intercambio catiónicas de hidrogeno, el grupo activo muestra una gran afinidad por otros cationes en preferencia a los iones hidrogeno. Esta reacción puede ser revertida en el proceso de regeneración. R-SO3H       +  NaCl       =        R-SO2Na   +           HCl Resina de     sulfato               resina               acido Hidrogeno     de calcio          de calcio          sulfúrico      R-SO3H       +   NaCl       =         R-SO2Na    +         HCl Resina de      Cloruro                Resina                Acido Hidrogeno     

de sodio          

de sodio        

Clorhídrico

Ecuaciones que representan el principio de las reacciones del Intercambio : Para las reacciones del intercambio aniónico: • Los aniones permanecen en solución en la forma de ácidos y son removidos por una resina aniónica. • Las resinas de intercambio aniónico son resinas orgánicas que tienen grupos amina terciarios o cuaternarios como sitios de intercambio. Resina débilmente básica: RNH-OH      +

HCl          -------->       RNH3-Cl   +

Resina             Acido                           Resina         Agua Básica           Clorhídrico                   Cloruro Resina fuertemente básica R4N-OH     + H2SiO3     --------->     R4N-HSiO3      +          H2O Resina               Acido                          Resina             Básica          

Silícico                          Sílice

   Agua

H2O

Operación de una Unidad de Desmineralizado Completa Se denomina unidad de desmineralizado completa a una unidad constituida de: Filtro de carbón activado Intercambiador catiónico de ácidos débiles  Intercambiador catiónico de ácidos fuertes Intercambiador aniónico de bases débiles Descarbonatador Intercambiador aniónico de bases fuertes Regeneración de resinas

FILTRO DE CARBÓN ACTIVADO: Se usa para la eliminación del cloro residual del agua a desmineralizar. De no removerse el cloro residual, este producirá oxidación que degradará las resinas, siendo mayor la degradación cuando el cloro residual sobrepasa las concentraciones de 0.1 ppm de cloro libre.

INTERCAMBIADOR CATIÓNICO DE ÁCIDOS DÉBILES: Estas resinas fijan los cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio de los bicarbonatos, y liberan ácido carbónico; los cationes unidos a los aniones sulfatos, cloruros y nitratos no son intercambiados.

INTERCAMBIADOR CATIÓNICO DE ÁCIDOS FUERTES:

Estas resinas fijan los cationes que están unidos a los iones cloruros, nitratos, sulfatos y silicatos, quedando en el agua los ácidos de las sales inicialmente presentes en el agua, de acuerdo al siguiente detalle:

INTERCAMBIADOR ANIÓNICO DE losBASES DÉBILES: aniones de los ácidos fuertes como

Fijan sulfatos, cloruros y nitratos, pero no los aniones débiles del ácido carbónico (H2CO3), ni del ácido silícico (H2SiO3).Si consideramos a las resinas de intercambio aniónico como R-2OH, compuestas de un radical fijo R y de un ión móvil constituido por el grupo OH, de acuerdo a los aniones presente, tendremos las siguientes reacciones:

DESCARBONATA DOR:

Debido a que en el intercambiador catiónico débil se produce ácido carbónico (CO2 disuelto en agua), para evitar un trabajo excesivo de las resinas aniónicas de bases fuertes, se rebaja al mínimo el contenido de anhídrido carbónico mediante una corriente de aire insuflado por un ventilador, en contracorriente con el agua que ingresa por la parte superior finamente dispersada y repartida uniformemente por un relleno de anillos Rashig, provocándose la evacuación del CO2 al exterior, por arrastre con el aire. Una buena operación del descarbonatador dejará un máximo de 10mg/l de CO2.

DESCARBONATADOR DE CONTACTORES DE MEMBRANAS 

INTERCAMBIADOR ANIÓNICO DE BASES FUERTES: Este intercambiador fija los aniones delos ácidos débiles tales como el ácido carbónico y el ácido silícico. Las reacciones serían:

REGENERACIÓN DE RESINAS DE INTERCAMBIO CATIÓNICO: Cuando cualquiera de las resinas de intercambio catiónico débiles o fuertes ya no tienen iones hidrógeno para intercambiar, a estas resinas se les regenera haciendo pasar una solución de ácido (normalmente ácido sulfúrico), produciéndose las siguientes reacciones

La regeneración se realiza normalmente en serie y la solución de ácido sulfúrico atraviesa sucesivamente la resina fuertemente ácida y la resina débilmente ácida. El exceso de ácido proveniente de la regeneración de la resina fuertemente ácida es suficiente para regenerar completamente la resina débilmente ácida.

REGENERACIÓN DE RESINAS DE INTERCAMBIO ANIÓNICO: Una vez que las resinas de intercambio aniónico débilmente y fuertemente básicas no tienen más iones OH- que intercambiar con los aniones del agua, estas deben ser regeneradas. Su capacidad de intercambio es devuelta haciendo pasar una solución de base fuerte (generalmente se emplea hidróxido de sodio), la cual atraviesa primero el intercambiador de las resinas aniónicas de base fuerte y luego el intercambiador de las resinas aniónicas de base débil. El exceso de soda proveniente de la regeneración de las resinas aniónicas de base fuertes suficiente para regenerar completamente las resinas aniónicas de base débil. Se producirán las siguientes reacciones:

CONTROLES DURANTE LA PRODUCCIÓN DE AGUA DESMINERALIZADA: A continuación se detallan los principales controles a tener en cuenta durante la producción de agua desmineralizada: a)Controlar el cloro libre después del carbón activado, una vez por turno; debe ser cero. b)Llevar las estadísticas del volumen de agua desmineralizada producida entre dos regeneraciones c)Verificar que el pH al ingreso a las resinas de intercambio iónico débilmente básico sea menor a 4.5 d)Controlar el pH a la salida de las resinas fuertemente básicas e)La velocidad del agua en las columnas de resinas de intercambio iónico debe ser aproximadamente de 25m3/m2/h y máximo de 40m3/m2/h. f)Fuga de sílice: se considera que hay fuga de sílice, cuando los niveles de SiO2 están por encima de 0.25 mg/l.

Sistemas de resina catiónica de ácido fuerte + anión básico fuerte Eliminación de CO2 (Según sea necesario)

 

 

Resina Catiónica de Acido Fuerte

 

Resina Aniónica de Base Fuerte

 

Agua Tratada

Sistemas de resina catiónica ácido fuerte + aniónica básica débil + aniónica básica fuerte

Agua No Potable

Resina Catiónica de Acido Fuerte

Resina Aniónica de Base Débil

Eliminación de CO2 (Según sea necesario)

Resina Aniónica de Base Fuerte

Agua Tratada

Desionización de lecho mixto • VENTAJAS El agua obtenida es de muy alta pureza y su calidad permanece constante a lo largo del ciclo. • El pH es casi neutro • Los requerimientos de aclarado con agua son muy bajos.

DESVENTAJAS En los deionizadores de lecho mixto las resinas de cambio catiónico y las de cambio aniónico están íntimamente mezcladas y contenidas en una única vasija presurizada. Las dos resinas son mezcladas por agitación con aire comprimido, de forma que todo el lecho puede considerarse como un número infinito de intercambiadores aniónicos y catiónicos en serie.

• Menor capacidad de intercambio. • Procedimiento de operación más complicado debido a los pasos de separación y mezcla que tienen que llevarse a cabo.

Guía para la regeneración de resinas de intercambio iónico

• El regenerante de las resinas aniónicas fuertes debe ser pasado en un tiempo no menor de 30 minutos y el 15 al 30 % regenerante se debe descartar antes de su ingreso al intercambiador de resina aniónica débil, para evitar que en ella se formen depósitos de sílice. • Los flujos de retrolavados deben ser de 25 m3/m2/hr (25 m/hr). • El enjuague lento o transferencia debe ser de 1 a 2 m3 de agua/ m3 de resina/ hora (el gasto debe ser igual al pase de la solución regenerante).

Durante la regeneración de resinas de intercambio iónico se deben realizar los siguientes controles: • Concentración de la solución de soda caústica a dosificar a las resinas aniónicas • Concentración de la solución de ácido, en cada paso de la dosificación a las resinas catiónicas • Gasto total de ácido • Gasto total de soda usada para la regeneración • Control del punto final en las resinas catiónicas y aniónicas.

Factores que afectan las operaciones de intercambio iónico

• Rotura de las resinas • Despolimerización por oxidantes y consecuente hinchamiento (se vuelve ligera de densidad y se pierde durante los retrolavados. • Envejecimiento de los grupos funcionales, provocando una adsorción irreversible. • Envenenamiento por materias orgánicas e inorgánicas. • Pérdidas de resinas, por ser demasiado pequeñas o por baja densidad.

Selección inadecuada de las resinas de intercambio iónico Se debe tener en cuenta lo siguiente: • Tipo de material • Grados de los enlaces cruzados • Tamaño de las resinas • Grupo funcional • Facilidad de regeneración • Capacidad de intercambio en operación. • Porosidad (superficie activa total) • Estabilidad a contaminantes. • Vida efectiva

Osmosis inversa • La ósmosis inversa es la filtración más perfecta conocida. Este proceso permite la eliminación de partículas tan pequeñas como los iones de una disolución. Se usa para purificar el agua y eliminar sales y otras impurezas, para mejorar el color, sabor u otras propiedades del fluido. La ósmosis inversa es capaz de rechazar las bacterias, sales, azúcares, proteínas, partículas, tintes, y otros constituyentes que tengan un peso molecular de más de 150-250 Daltons (uma).

Electrodeionizació n (EDI) Esta nueva tecnología es una combinación de electrodiálisis e intercambio iónico, resultando en un proceso que elimina de manera efectiva los iones del agua a la vez que las resinas de intercambio iónico son continuamente regeneradas por una corriente eléctrica. Esta regeneración electroquímica se sirve de un medio eléctricamente activo y de un potencial eléctrico para influenciar el transporte iónico y sustituye a la regeneración química de los sistemas convencionales de intercambio iónico. La EDI produce agua de proceso industrial de la más alta calidad, usando 95% menos de productos químicos que la tecnología convencional de intercambio iónico. Con el sistema de EDI, membranas y electricidad reemplazan a los millones de galones de productos químicos ácidos y cáusticos que los antiguos procesos requerían diariamente

Agua para Torres de Enfriamiento

Muchos factores hacen del agua un excelente refrigerante, tales como:

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.

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.

Parámetros de control de agua de torre

Un incremento en el pH indica un incremento de la alcalinidad y viceversa.

Dureza

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.

Alcalinidad

Conductividad

El rango dependerá del diseño del agua de enfriamiento particular, de las característic as y del tipo del programa químico.

pH

PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO Usualmente asociados con la tendencia del agua de enfriamient o a formar o no incrustacion es

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA TORRE DE REFRIGERACIÓN • Las torres de refrigeración húmeda de tiro forzado son dispositivos diseñados para dispersar el flujo de calor en el aire ambiente y recogido por agua de refrigerada en los dispositivos de enfriado. En la torre de enfriamiento, el agua a enfriar entra en contacto directo con el aire ambiente. • El agua caliente fluye hacia el colector principal del distribuidor de agua. A continuación, se distribuye a través de un sistema de tuberías a las boquillas de rocío. Las boquillas dispersan el chorro de agua en los bloques de relleno, formando una película de agua con una gran superficie de contacto. El agua que cae desde los bordes inferiores de los elementos de goteo del relleno, cae en forma de lluvia a la balsa de recogida inferior desde donde es bombeada de nuevo al circuito. • El enfriamiento de agua se debe principalmente a la evaporación de una pequeña parte del agua (intercambio de masa) en la corriente de aire que fluye, evacuando el calor latente (calor de evaporación) obtenida de la corriente de agua, y - en menor medida - debido a la transferencia de calor por convección desde el agua al aire (transporte de calor).

succión del ventilador axial con una capacidad adaptada a los parámetros de refrigeración requerida. El ventilador está montado fuera de la carcasa, en el techo de la torre de refrigeración. El aire es aspirado en la torre de refrigeración a través de entradas de aire equipadas con las persianas que protegen contra la succión en elementos sólidos del medio ambiente, tales como hojas, y evitando las salpicaduras de agua fría hacia fuera de la torre de refrigeración. A continuación, el aire fluye aspirado a través de la zona de la lluvia, a través del relleno, posteriormente sobre la zona de salpicaduras sobre el relleno de refrigeración; y a continuación el aire que circula por el eliminador de deriva. El flujo de aire caliente y con humedad circula a través del ventilador y luego es expulsado al medio ambiente a través de la carcasa superior del ventilador. El nivel de enfriamiento en la torre de refrigeración depende de la temperatura húmeda a la entrada del aire desde el medio ambiente, la cantidad de aire que circula por la torre (la capacidad del ventilador) y la selección técnica de la

Las torres de refrigeración están diseñados para lograr el efecto deseado de enfriamiento en las condiciones más desfavorables (alta temperatura y humedad, con la necesidad de evacuar la mayor cantidad de calor del agua). La potencia del ventilador se escoge cuidadosamente también para tales condiciones. Cuando la temperatura ambiente disminuye o un menor calor debe ser disipado, la potencia instalada puede ser innecesaria. Para reducir los costes de operación y mejorar la seguridad de funcionamiento con los motores de dos velocidades que pueden ser utilizador para accionar el ventilador. A fin de garantizar un funcionamiento fiable y seguro del sistema de refrigeración, las características pertinentes del agua de refrigeración deben ser controladas, por ejemplo la evaporación continua aumenta la concentración de contaminantes químicos en el circuito de refrigeración. La desalinización, limpieza de sedimentos y realización de purgas en el sistema de refrigeración son unos de los principales parámetros que afectan a la vida de los componentes de la torre de refrigeración y otros equipos asociados al circuito de refrigeración

INFLUENCIAS EXTERNAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO • La recirculación En las torres de enfriamiento se define como una adulteración de la atmósfera de entrada a la torre por la atmósfera de salida de la misma. El efecto de la recirculación se ve en un inesperado aumento de la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra a la torre de enfriamiento (por encima de la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente) , y un correspondiente incremento en la temperatura del agua que sale de la torre. • Restricción del flujo de Aire A una determinada carga de calor, un flujo determinado de agua y una temperatura de bulbo húmedo particular la temperatura del agua fría producida por una torre de enfriamiento es totalmente dependiente de la cantidad de aire de entrada. Una disminución en la cantidad de aire y la temperatura del agua se incrementará.

VIENTO Dependiendo de su velocidad y dirección, tiende a incrementar el potencial de la torre de enfriamiento a la recirculación. No solamente la curvatura creada por el aire de salida en la dirección del flujo del viento, también se crea una zona de baja presión en la cual puede formarse una porción de niebla, si la admisión de aire a la torre esta en esa dirección, entonces puede contaminarse el aire de entrada con esa niebla. El grado al cual puede afectar la dirección del viento aumenta dependiendo de la relación de la velocidad de descarga de la torre (Vj) respecto a la velocidad del viento (Va)

INTERFERENCIA Sumideros de calor ubicados cerca de una torre de enfriamiento pueden “Interferir” con el desempeño térmico de la misma. Estas interferencias pueden ser causadas por otras instalaciones de la planta u otros equipos. Muchas veces consisten de contribución térmica del efluente de otra torre de enfriamiento cercana.

Condiciones normales de circulación del agua

• pH entre 6 y 8 lContenido de cloruro (como NaCl) por debajo de 750 ppm • Contenido de sulfato (SO4 ) por debajo de 1200 ppm • Contenido de bicarbonato de sodio por debajo de 200 ppm • Ningún contaminante apreciable l • Si se utiliza cloro debe añadirse de manera intermitente, con una cantidad libre residual que no exceda 1 ppm, mantenido por cortos periodos de tiempo.

Secuencia Básica de Funcionamiento de la Torre Sistema Parado / Sin Carga Sistema / Aumenta la Temperatura de Condensación Estabilizar la Temperatura del Sistema Baja la Temperatura del sistema Sistema Parado / Sin Carga Modo Bypass Ciclo Opcional de Descongelación Rodamientos del Eje del Ventilador Ciclo de Trabajo del Motor del Ventilador

RECOMENDACIONES • Las temperaturas de bulbo húmedo de diseño recomendadas han sido publicadas para diferentes áreas geográficas en varias publicaciones, una de ellas es “ Engineering Weather Data” Muchas veces es recomendable tomar estos datos y compararlos con los obtenidos por mediciones locales en el área de interés. La diferencia entre estas lecturas justificará una corrección para la temperatura de bulbo húmedo de diseño. Cuando no se puedan efectuar tales mediciones es recomendable incrementar la temperatura de bulbo húmedo en 1 ºF. • A menos que la ubicación de la torre este limitada, esta debe ubicarse de manera tal que la descarga de la torre no este ubicada del mismo lado que la admisión de aire a la misma. Esto garantiza que no ocurra recirculación debida a las corrientes de viento. • Cuando sea inevitable la recirculación la temperatura de bulbo húmedo de diseño determinada en la recomendación inicial debe incrementarse aun más 1 ºF para una torre de tiro inducido y 2 ºF para una torre de tiro forzado.

Problemas en los sistemas de agua de enfriamiento Los principales problemas son: • Corrosión • Incrustación • Contaminación Microbiológica • Ensuciamiento

CORROSIÓN 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.

Características del agua que influyen en la corrosión

INCRUSTACIONES 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. Factores que determinan la formación de incrustaciones Temperatura

Basicidad o acidez (pH)

Cantidad presente de materiales formadores de incrustaciones.

Influencia de otros materiales disueltos, los cuáles pueden o no ser formadores de incrustaciones.

ENSUCIAMIENTO 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. Factores que influyen en el ensuciamiento en un sistema de agua de Crecimiento enfriamiento

Característic as del agua

Temperatura

Velocidad del flujo de agua

microbiológic o

Corrosión

Contaminaci ón.

CONTAMINACIÓN MICROBIOLÓGICA

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. Factores que contribuyen al crecimiento microbiológico

Se pueden distinguir tres tipos de sistemas de enfriamiento:

Parámetros del Circuito Purga (P) Es función de los ciclos de concentración.

  Ciclos de Concentración (c) c es el número de veces que se ha concentrado el agua recirculada (no necesariamente es un número entero). Se determina a partir de un elemento que no se descomponga, volatilice o precipite, por ejemplo el Cl- .

VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN UN TRATAMIENTO DE AGUA PARA UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO VENTAJAS

DESVENTAJAS

El agua puede enfriar a una corriente de proceso a una to menor de 6 a 3oc que el aire

El agua debe ser comprada y someterla a un tratamiento

Los diseños requieren menos superficie de trasferencia de calor

El agua es corrosiva y requiere de un control y de mayor mantenimiento

El agua es menos susceptible a variaciones de temperatura

Los costos de operación para los enfriadores de agua son mayores debido a que las bombas de aguas de enfriamiento deben operar a 3m de cabeza o mas, dependiendo de la localización de los enfriadores

Los enfriadores de agua pueden colocarse entre otros equipos

En muchos procesos ,fluidos toxicos requieren enfriamiento y existe mayor riesgo de contaminar el agua de enfriamiento