Desgasificació Tèrmica per al tractament d’aigües de procés per a calderes

SECCIONS

• Descripció del procés i àmbit d’aplicació
• Tipus de desgasificadors tèrmics
• Descripció de l’equip
• Elements de seguretat
• Sistemes de control
• Materials
• Posada en marxa
• Preguntes freqüents
• Preses de mostra i anàlisi
• Càlculs desgasificador tèrmic

DESCRIPCIÓ DEL PROCÉS I ÀMBIT D’APLICACIÓ

El procés de desgasificació tèrmica s’utilitza bàsicament per al tractament d’aigües d’alimentació a calderes per tal de complir amb la norma UNE-EN 12952-12:2004 en la qual s’observa, entre els límits que s’han de respectar, el valor màxim admissible d’O₂ < 0,02 ppm (20 ppb), per a calderes d’alta pressió.

La presència d’O₂ a l’aigua desmineralitzada d’alimentació a les calderes produeix l’oxidació del ferro que conté l’acer amb què estan construïdes, generant-se el fenomen denominat “pitting”, de tal manera que es poden produir punts de corrosió i fuites importants als circuits i als recalentadors del seu interior.

La desgasificació tèrmica (DT) és un procés físic que consisteix a eliminar els gasos dissolts en una aigua desmineralitzada aprofitant la seva insolubilització a una temperatura de 104 ºC. L’únic tractament alternatiu capaç d’assolir els nivells d’O₂ i CO₂ que s’obtenen amb la DT seria el tractament químic amb Hidracina (N₂H₄), amines o Na₂SO₃, però tenen un cost d’explotació més elevat i, en molts casos, aquests reactius són tòxics i inestables.

El procés de DT d’una aigua es basa en tres lleis fonamentals que regeixen la solubilitat dels gasos. La primera llei de Henry diu que, a una temperatura donada, la concentració màssica del gas dissolt en un líquid és proporcional a la seva pressió parcial a la dissolució.

Llei de Henry => p = H · x

On: p = la pressió parcial del gas.

H = la constant de Henry, dependent del gas, de la temperatura i del líquid, i es mesura en atm. (mol solut/mol dissolució).

x = és la concentració del gas en el líquid, es mesura en (mol solut/mol solució).

Una llei complementària a aquesta és la llei de Dalton, que ens diu que la suma de les pressions parcials dels gasos dissolts en un líquid és la de la mescla d’aquests gasos.

La tercera llei a la qual es fa referència és la que expressa la solubilitat decreixent d’un gas en aigua a mesura que puja la temperatura.

Taula de solubilitat de l’O₂ en aigua, en funció de la temperatura:

Temperatura, (º C)	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Solubilitat O2, (mg/l)	11,2	9,1	7,5	6,7	5,7	4,8	4,1	2,8	1,5	0,12

 

Per desgasificar tèrmicament una aigua, n’hi ha prou que al recinte que la conté es mantinguin les condicions apropiades de pressió i temperatura del vapor saturant, perquè els gasos dissolts, entre ells l’O₂ i el CO₂, passin automàticament a la fase vapor. Això s’aconsegueix pressuritzant el recinte a una pressió superior a l’atmosfèrica, o mitjançant un ejector o bomba de buit, si es troba a una pressió inferior.

TIPUS DE DESGASIFICADORS TÈRMICS

Per produir una correcta desorció dels gasos, el vapor saturat ha d’entrar en contacte íntim amb l’aigua a desgasificar, cosa que s’aconsegueix donant temps i superfície de contacte suficients, en aquest sentit, existeixen dues tecnologies que s’apliquen:

• Desgasificadors de safates
• Desgasificadors de sprays

Ambdós tipus tenen referències abundants a la indústria i al camp energètic, que és on habitualment trobem les calderes que els requereixen.

Una alternativa que no es contempla en aquest article és la desgasificació al buit, ja que els nivells mínims d’O₂ que s’obtenen (aprox. 0,65 ppm O₂) queden per sobre dels exigits a les normes d’aigua per a calderes.

La tecnologia més estesa és la DT per sprays per la seva senzillesa constructiva i elevada eficiència (s’obtenen < 7 ppb d’O₂, i el CO₂ és indetectable per anàlisi).

Existeix una tècnica mixta (sprays – safates), que arriba a aconseguir valors encara inferiors a aquest (< 3 ppb), però l’equip és més complex i costós i només seria aplicable per a casos molt exigents.

DESCRIPCIÓ DE L’EQUIP

Un desgasificador tipus sprays consta de dues parts principals:

DOM, compost de:

Una cambra que conté els sprays difusors de l’aigua desmineralitzada, i un escalfador en què es rep l’aigua polvoritzada que entra en contacte, en primer lloc, amb el vapor ascendent del dipòsit d’acumulació. L’aigua pre-desgasificada es fa borbotar en un scrubber que desborda el dipòsit d’acumulació; d’aquesta manera, s’obté un major rendiment al contacte aigua – vapor i, per tant, es fomenta l’eliminació de gasos en dissolució fins als límits exigits (< 0,02 ppm per a calderes d’AP, s/ norma UNE-EN 12952-12:2004).

Dipòsit d’acumulació

Aquest dipòsit ha d’estar elevat sobre una estructura metàl·lica, de tal manera que es pugui aspirar d’ell mitjançant unes bombes adequades, que tinguin un NPSH requerit molt baix (1-2 m.c.a), i així impedirem l’efecte negatiu de la cavitació.

El dipòsit podrà ser horitzontal o vertical, en funció de la seva capacitat; normalment se sol donar-li entre 10 minuts i mitja hora d’autonomia. En cas de ser horitzontal, cosa que sol ocórrer per cabals d’aigua desgasificada > 15 m³/h, es disposaran de suports tipus cuna, amb un d’ells mòbil per alleujar les tensions de dilatació.

A l’interior del dipòsit s’hi allotja un serpentí de calefacció amb vapor per a l’arrencada de l’equip.

ELEMENTS DE SEGURETAT

A la zona del dom, es disposa d’una vàlvula de seguretat d’evacuació instantània (tipus AIT) que es tara aproximadament a un 15% per sobre de la pressió d’operació del sistema. També s’instal·la una vàlvula de trencavuïts, que pot ser una simple vàlvula de retenció muntada a l’inrevés, per tal d’evitar que una depressió arribi a deformar l’equip.

El dipòsit d’acumulació sol tenir controlat el desbordament per una guarda hidràulica de l’alçada precisa per a la pressió d’operació (aprox. 2,1 m, en les condicions d’operació que hem considerat de 0,21 kg/cm²), o bé amb un sistema de control de desbordament mitjançant una vàlvula automàtica. També es disposa d’un sistema de desbordament intern.

Tant el dom com el dipòsit hauran d’estar calorifugats per evitar contacte tèrmic i pèrdues d’energia.

SISTEMES DE CONTROL

El conjunt s’automatitza mitjançant vàlvules de control, una d’elles es col·locarà a la línia d’aigua desmineralitzada, i estarà destinada a regular el cabal d’aigua que entra al sistema d’acord amb el senyal del transmissor de nivell del dipòsit d’acumulació, de fet, aquesta aigua vindrà a complementar el retorn de condensats que es suposa de flux continu; no obstant això, i a efectes de seguretat es suggereix la instal·lació d’una vàlvula automàtica a la línia de condensats per evitar el possible desbordament d’aquest dipòsit. També podria ocórrer que no hi hagués retorn de condensats, en aquest cas només es controlaria l’aigua desmineralitzada a desgasificar.

L’aportació de vapor requerida per a la desgasificació es regula mitjançant una altra vàlvula de control, que serà actuada pel senyal d’un transmissor de pressió ubicat a l’escalfador del dom. Així mantindrem la pressió i temperatura d’operació al sistema.

El desbordament es podrà controlar mitjançant una guarda hidràulica i/o una vàlvula automàtica.

Es recomana que les vàlvules de control tinguin les seves vàlvules d’aïllament i bypass.

Els instruments precisos per al correcte control de la instal·lació seran com a mínim:

• Termòmetre i manòmetre a les línies d’aigua d’aportació, condensats, vapor i al propi desgasificador.
• Indicador i transmissor de nivell amb alarmes al dipòsit d’acumulació.
• Alarma de nivell de desbordament per al dipòsit d’acumulació
• Caudalímetre en aigua d’aportació i retorn de condensats

MATERIALS

Les parts de la instal·lació que continguin O₂ hauran d’estar construïdes en acer inoxidable AISI 316 L, encara que hi ha casos en què s’utilitza AISI 304 L amb el consegüent major risc de corrosió. Així el dom i les canonades per a aigua seran d’aquest material. Les canonades de vapor i el dipòsit d’acumulació es construiran en acer carboni, qualitat A-42 b o similar.

El dipòsit d’acumulació es dimensionarà contemplant el supòsit de buit s/ASME I i com a aparell a pressió (s/ASME VIII).

ASPECTES PRÀCTICS I POSADA EN MARXA

Un cop s’ha conclòs el muntatge de l’equip, s’han ajustat els paràmetres de control, netejat circuits i comprovat possibles fuites, es pot procedir a la posada en marxa. Es comença per alimentar de condensat i/o aigua desmineralitzada d’aportació al dipòsit d’acumulació i aportar vapor mitjançant el serpentí disposat al seu interior. Anirem controlant manualment l’increment de temperatura i la pressió. Després donarem accés als automatismes d’aigua d’aportació i vapor observant que no es produeixi desbordament i que es mantinguin les condicions d’operació correctes.

SI es produeix desbordament, haurem de comprovar la regulació i actuació de la vàlvula de control d’aportació d’aigua desmineralitzada, i si el senyal del transmissor de nivell és l’adequat.

La sortida d’incondensables s’haurà tarat prèviament mitjançant càlcul en funció de la despesa; S’utilitza habitualment una vàlvula de tipus màniga perforada, per evitar problemes de sobrepressió.

Les vàlvules automàtiques seran de tipus NC, és a dir, que en pas de fallada d’aire o parada es quedaran tancades.

PREGUNTES FREQÜENTS

• Vibracions:

Si es perceben vibracions comprovar els suports de les canonades i els punts d’apui del desgasificador, i que les bombes que aspiren del dipòsit no cavitin.

• Cabdal irregular d’entrada:

Si s’observa que l’aigua no arriba regularment al dipòsit d’acumulació pot haver-se fet un tarat incorrecte dels sprays, cosa que indica la importància de la precisió en aquesta operació, abans de muntar-los al dom; també pot ser degut a un control irregular de l’aigua d’aportació.

• Soroll a les vàlvules de control:

Pot ser que les vàlvules estiguin fora del seu Cv i cavitin.

La pressió de l’aigua d’entrada de la vàlvula de control d’aigua ha de ser superior a la sortida en 0,7 kg/cm², a la pressió d’operació

• Arrossegament d’aigua per la sortida d’incondensables:

Sobretot, en el cas de disposar de condensador intern, es pot produir un arrossegament de condensat amb el vapor i els incondensables; això es soluciona amb la disposició d’un senzill sistema antiarrossegament a la sortida de la vàlvula.

• Apareix corrosió a canonades i / vàlvules o instruments:

Comprovar certificats de materials i determinar en O2 lliure si la corrosió es produeix al dipòsit d’acumulació.

• Es produeixen desbordaments al dipòsit d’aigua desgasificada, amb freqüència:

Comprovar llaços de control i transmissor de nivell.

• Les pressions o temperatures varien amb freqüència:

Veure llaç de control i funcionament del transmissor de pressió i comprovar instruments locals.

• Apareixen vessaments a la vàlvula de seguretat:

Comprovar el seu correcte tarat, o possible corrosió interna.

• Per què solen estar elevats en alt aquests equips?

Com que estem treballant a límit d’evaporació, se li dóna alçada per ampliar NHPS disponible a les bombes que alimenten les calderes i així impedir la seva cavitació.

• Es poden agafar les mostres per anàlisi en fred?

No, existeix un procediment específic que s’explica a l’apartat següent.

• Per què en ocasions s’envien els condensats directament al dipòsit d’acumulació d’aigua desgasificada?

Quan el condensat té una temperatura elevada (proper a la temperatura d’operació), s’envia directament al dipòsit d’acumulació, ja que per a que es verifiqui correctament la desgasificació ha d’existir un gradient de temperatura entre l’aigua a desgasificar i les condicions d’operació de 17 ºC com a mínim.

• Dins de quins rangs és fiable el funcionament del desgasificador?

Entre el 25% i el 100% del cabal de disseny.

PRESES DE MOSTRA I ANÀLISI

És força intuïtiu pensar que la presa de mostres de l’aigua desgasificada per determinar l’O₂ i el CO₂, no és senzilla, ja que la solubilitat dels gasos està íntimament lligada a la temperatura, i en cas d’entrar en contacte amb l’aire es saturaria d’acord amb el que es refredés. Existeixen pocs laboratoris al nostre país, que estiguin homologats per poder realitzar la presa de mostres i anàlisi.

Aquests conceptes es regulen per la següent normativa:

Presa de mostres:

Mostreig: s/ISO 5667-1 (UNE-EN 25667-1:1995).

Preparació i manipulació: s/ISO 5667-3 (UNE-EN 5667-3:1996).

Mètode d’anàlisi:

Per a l’O₂: ISO 5814 (UNE-EN 25814:1994)

Per capacitat àcida: ISO 9963-3 (UNE-EN 9963-3).

CÀLCULS DESGASIFICADOR TÈRMIC

D’acord amb el principi de conservació de l’energia, el resultat de sumar les energies entrants i sortints d’un sistema = 0. Això només és cert en un procés isentròpic (adiabàtic i sense exercir treball).

Balanc energètic:

Basant-nos en l’equilibri energètic d’un sistema (energia entrant = energia sortint) i en unes condicions constants d’operació del desgasificador: Pressió d’operació (P_d), amb valor d’Entalpia (H_d) i temperatura (T_d) que s’obté de les taules de vapor saturat, resultants del diagrama de Molliere, tenim:

Fluxos entrants:

Aigua desmineralitzada a desgasificar

• Cabdal d’aigua desmineralitzada a desgasificar (Q_a) en Tm/h a (T_a) ºC

Retorn de condensats

• Cabdal de condensats (Q_c) en Tm/h a (T_c) ºC

Vapor aportat

• Cabdal de vapor saturat (Q_v) en Tm/h, a Pressió (P_v) en kg/cm², amb una Entalpia (H_v) i una temperatura (T_v)ºC, obtingudes de les taules de vapor saturat.

Fluxos sortints:

Sortida d’incondensables

• Cabdal de vapor d’arrossegament (Q_i), en Tm/h que es correspon amb un 10% de vapor aportat al sistema (Q_v) sense condensador intern, o a l’1% de Q_v si hi ha condensador intern, a les condicions d’operació (H_d). Amb aquest vapor d’arrossegament s’expulsaran a l’exterior els gasos dissolts a l’aigua desmineralitzada (bàsicament O₂ i CO₂).

Aigua desgasificada

• Cabdal aigua desgasificada (Q_at), en Tm/h, que es correspon a la suma del Q_a + Q_c + el cabdal de vapor condensat, que serà el 99% si es disposa de condensador intern, o amb el 90% de Q_v si no es disposa. Aquest flux estarà a la temperatura d’operació del sistema (T_d) ºC

Un cop fixades les condicions d’operació, podem establir sistemes d’equacions, valent-nos de la seva interrelació pel sistema de balanç energètic. Així, podem calcular, per exemple, el cabdal de vapor necessari per desgasificar un cabdal d’aigua determinat, o determinar la quantitat de condensat que hem de retornar a un sistema per obtenir les condicions d’equilibri, o el cabdal d’aigua desgasificada, etc., a partir de l’equació bàsica del balanç d’energies:

Aigua desmin. Aportació + Retorn de condensats + vapor aportat = Aigua desgasificada + sortida d’incondensables + vapor d’arrossegament.

(Q_a x T_a) + (Q_c x T_c) + (Q_c x E_c) = (Q_i x H_d) + (Q_a+Q_c+(Q_v-Q_i) x T_d)

Exemple:

Volem desgasificar un cabdal d’aigua desmineralitzada (Q_a) = 10 Tm/h, que està saturada d’O₂ i es troba a una temperatura (T_a) = 20 ºC. El tractament es proposa amb un desgasificador tèrmic les condicions d’operació del qual s’estableixen a una pressió (P_d) = 0,21 kg/cm² man.

Qüestions:

Calcular el cabdal de vapor saturat a 6,5 kg/cm² man, necessari per realitzar la correcta eliminació d’O₂ i CO₂, per a una caldera acuotubular de 40 kg/cm² de pressió. Realitzar el càlcul per a les opcions de disposar o no de condensador intern i comentar el resultat.

Segons les normes per a aigües de calderes d’alta pressió, el contingut d’O₂ ha de ser < 0,02 ppm i el de CO₂, indetectable per anàlisi, per tant la tecnologia a utilitzar seria la de desgasificació tèrmica.

Per desenvolupar el càlcul utilitzarem les taules de vapor saturat i el balanç energètic indicat. Si fem un petit esquema, ens servirà d’ajuda.

(*) Valors extrets de les taules de vapor saturat.

Cas a): Amb condensador intern

(10 x 20) + (50 x 80) + (Q_v x 659,71) = (0,01 x Q_v) + ((10 + 50 + (0,99 x Q_v)) x 105)

Responent l’equació resulta un consum de vapor saturat a 6,5 kg/cm² de 10,37 Tm/h, i un cabdal d’aigua desgasificada de 70,26 Tm/h a 105 ºC. El cabdal d’incondensables (Q_i) serà de 0,1 Tm/h.

Cas b): Sense condensador intern

(10 x 20) + (50 x 80) + (Q_v x 659,71) = (0,1 x Q_v) + ((10 + 50 + (0,9 x Q_v)) x 105)

Responent l’equació resulta un consum de vapor saturat a 6,5 kg/cm² de 11,37 Tm/h, i un cabdal d’aigua desgasificada de 70,23 Tm/h a 105 ºC. El cabdal d’incondensables (Q_i) serà de 1,13 Tm/h.

Comparant ambdós resultats, s’observa que la inclusió d’un condensador intern, ens permet un estalvi de vapor de l’ordre del 10% en aquest cas.

• El cabdal de vapor d’arrossegament amb els incondensables és de l’ordre del 10% del cabdal de vapor d’aportació, quan no s’utilitza condensador intern. En cas d’utilitzar-lo, aquest consum es redueix a l’1%.

Bibliografia:

• Manual Tècnic de l’aigua (Degrémont)
• Elements d’Enginyeria Química (Vian Ocón)