Acondicionamiento quimico utilizado para proteger de la corrosion e incrustacion los sistemas de agua de enfriamiento

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(1)--. .. D. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO. .. ~. FACULTAO DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN. "ACONDICIONAMIENTO QUIMICO UTILIZADO PARA PROTEGER DE LA CORROSION E INCRUSTACION LOS SISTEMAS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO". T QUE. s. E PARA. OBTENER. s. 1 EL. TITULO. DE. INGENIERA QUIMICA PRESENTA. ELSA GABRI ELA SERRANO MORALES ASESOR: M. EN C. RICARDO PARAMONT HERNANDEZ GARCIA.. CUAUTITLAN IZCALLI, EOO. DE MEX.. TESIS GON FALLA DE Oi!IGeN. 19~.

(2) UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor..

(3) FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN UNVAO 11( IA -111AClllN .llCOlAll DEPARTAMEHTO DE EXAICENES PROFESS.ONALES. "J'."fl'#l.Po\DAl.I ,\JAQONAL A"IY.1PJ'IA l>l.. ASUHT01. YOTOS APRD8ATORIOS. .''~'\CJUcp. C'ciua••:;""•"'"'. Olt.,. :J AJ: ICE ICELLER TORRF..S DJRECTDR DE LA FES-CUAUTlTLAN. P R E. S E N T E. '•!'1-..... ,.,. •. AT·N•. o•. "'"''"''°""'..•. lnQ. R•f-••1 Rodr1ou•a C•b•llD• D911•rta-nta de E • • - . , . • Prof••ion•l•• de la F.E.s. - c.. ;J•f• del. Con b••• •n •1 art .. 20 c:t.l R•o••-nto Ge.,.ral de E••-..--. per•lti.a• CQ9Unlcar a u•t•d que revl••.c»• la TESIS TIT......ADA•. Acondicionamiento Qu1mico Utilizado para Proteger de la Corrosión e lncrustaci6n los Sistemas de Agua de Enfriamiento.. que pr•••nta 2.!-...,. pasante• Elsa Gabriel a Serrano Morales "'1••ro de cu•ntas 8411293-0 para obtener el TITULO dma Ingeniera qutmica Con•lcterando que dicha te•l• r.Une lo• requisito• nece•arlo• para ••r dtscutld• •n •1 EXAl'IEN PROFESIONAL carr•apondi•nt•• otorQ•ttt0• nu•etro VOTO APRDSATCJRJO.. A T E N T A " E N T E • •pQR " ' RAZA HABLARA EL ESPlRITUCuautltlan l•c.•llt. Ecta .. d• ,,.,.. • a Rafael. --1..J.... d•. At1osto. d•. 19'9_6_. Sampere Morale~ ~~lv. Plt.ESX DENTE. 1.Q.H.. VOCAL. SECRETAKIO. M M.. Plt1 MEll SUPLENTE. I.Q.. Hargerit• Alonso Espinos?',.... .• ¿,¿~,.../. SEGUNDO SUPLENTE. I.Q.. Gilberto A.. en C en C.. E11g1o Post,pr Rivero~@'#.i..e.0' Ricardo P. Hern.tndez Ga~,.,...... Amaya Ventura. ~. ....---. ,. --~7""""~----~.

(4) DEDICATORIAS :. A mi madre. por el apoyo brindado todos estos afies de estudio y esfuerzo. por todo su cariilo y comprensión, por lo que soy y puedo llegar a ser. A m.i esposo Hidalgo. por todo el amor, por sus palabras en los momentos dificiles. por todos tos aftas que hemos compartido juntos, y por todo lo bueno y malo que me hizo aprender junto a él. A mi amiga Silvia._ por ta ayuda que en muchos momentos nos brindamos. por la gran amistad que nos 1118Dticne unidas y por que sé que siempre contaré contigo.. AGRADECIM:IENTOS :. A Dios, por todo Jo que me ha brindado y por estar siempre conmigo. Gracias. Al profesor M. en C. Ricardo Paramont Hernández García. que me brindó su tiempo y. apoyo para lograr este trabajo; y por la gran amistad que nos une, gracias. A los sinodales por el tiempo empleado en la lectura y revisión de este trabajo.. A todas las personas, familiares y amigos que de alguna u otu manera contribuyeron a la realización de este trabajo. Gracias..

(5) INDICE. INTRODUCCION.................................................................................................. . OBJETIVOS............................................................................................................ CAPITULO 1 •. VI. SISTEMAS DE ENFRIAl\IIENTO............................................. 1. 1.1 Tipos de Sistemas de Enfiiatlliento..................................................... 1. t .1 Sistemas de Enfriamiento de un Soto Paso........................................... 1.1.2 Sistemas de Enfriamiento de Recirculación Cerrada.................. l .1.3 Sistemas de Enfriamiento de Recirculación Abierta.................... 2 2 2 3. 1.1.4. Tipos de Torres........................................................................ 4. 1.1.4.1 Tones de Enfriamiento de Tiro Natural...................... 4 1.1.4.2 Torres de Enftiamiento de Tiro Mecánico................... 7 12 17 18 18 18 1.3.3 Ensuciamiento ........................................................................... 19. 1.2 Batanee de Agua en un Sistema de Torre de Enfriamiento........................ 1.2. l Factores que Limitan los Ciclos de Concentración..................... 1.3 Problemas presentes en Jos Sistemas de Enfriamiento............................... 1.3.1 Corrosión.................................................................................. 1.3.2 Incrustación............................................................................... CAPITULO D. CORROSION .............................................................................. 2.1 Celda de Corrosión.................................................................................. 2.2 Tipos de Corrosión............................................................................ 2.2.1 Corrosión Uniforme............................................................................... 2.2.2 Corrosión Localizada .................•............•.••...•.....•••• ;................. 20 20 23. 24 24. 2.2.2.1 Corrosión Macroscópica.............................................. 24 2.2.2.2 Corrosión Microscópica.............................................. 32. 2.3. Polarización.............................................................................................. 34. 2.4 Otros Factores que afectan la Corrosión................................................... 36 2.5 Control de la Corrosión........................................................................... 2.6 lnhi'bidores de Corrosión........................................................................... 2.6.1 lnhibidores Anódicos................................................................. 2.6.2 Inhl'bidores Catódicos................................................................ 2.6.3 lnhibidores Orgánicos................................................................ 2.6.3.1 Inhloidores de Cobre ................................................... 2.6.4 Consideraciones Prácticas ........................................................... 2. 7 Mec:lición de Corrosión.............................................................................. 39 39 40 43 45 45 47. 49. 2. 7.1 Cupones.................................................................................... 49 2.7.2 Medición Eléctrica..................................................................... 49 2.7.3 Calidad del Agua ....................................................................... 50. CAPITULO ID. INCRUSTACION INORGANICA••....••..••••.......•••••...••.....•..••... 51 3.1 Incrustación ............................................,................................................ 51.

(6) 3.2 3.3 3.4 3.5. 3.6. 3.1.1 Sobresaturación. ....................................................................... 52 3.1.2 Nucleación................................................................................ 52 3.1.3 Tiempo Adecuado de Contacto .••••...•....•....••..••••..•••••..•.•.. : ••••••• ; 53 3.1.4 Forniación de Inc:rustación ......................................... ;.............. 53 Otros Factores que Influyen en la Depositación ........................... ~ .. ~~·...'.;.. 53 Incrustaciones más comunes ...................................................... .-... :...-...... 56 Indices de Incrustación ............................................................... ~ .. :.:.;........ 62 Control de tncrustación............................................................ .'~. 65 3.5.1 lnluDidores de lnCTUstación............................................. c.• ; ...... _65 3.5.1.1 lnhibición Thresbold (Umbral) .......................... ;;;;;; .• ;.-.-65 · - . 3.5.1.2 Modificadores de Cristal.....•............•••.••••..•... : .•::.....:.: 66 :' 3.~. ~ .3 Agentes Secuestrantes y Quelantes:··············--''.·,:;; •• ;._;~: 67 :·- · . Tipos de Inhibidores ...................................•....•....•.•••.••.•...•.••••.• ; ........... ;.:68.3.6.1 Compuestos Fósforo-Orgánicos ..•.........•...•••..•..••••.•••••• ;;;.;.;; •.. ;'. _-69: 3.6.2 Fosfatos Inorgánicos ...................................................... ~:.-;-.·~~.;;.~·,74·· 3.6.3 Orgánicos Naturales .................................................::.; •• ~;';,•.: .• :· 75 u. ••• ; ••••••. ·. CAPl~~~ci=!~~-~~-~-~~~-~~-~~~~-~~-~-~~~~~~::::::::::::::::::g:!:l::::~:~~4.2 Fuentes y Tipos de Ensuciantes ............................................. ;....... ~~... ~ .. ~··. 79 4.3 Ensuciamiento Microbiológico o Biocnsuciamiento .................... :~~;<;:;·... .:;.;.· 81. !:~:; ~~:;:¡.;~::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.-.·::·:::::.':-::-.·: ~:;. 4.3.2.1 Clasificación.............•..................••.•..••.•.......••,.;...."··;· 83 4.3.3 Hongos ........................................•...........•......••..•...•••.• : ••• ; •.• , •• ;.- 85. 4.4 Mecanismo del Bioensuciamiento ......................................................... ;..; 88 -. 4.S Control del Bioensuciamiento .................................................................. 89 4.5.1 Biocidas Oxidantes ..............•............••.....•.....•.......••••..••...•.• ; •••.. 91 4.5.2 Biocidas No Oxidantes .............................................................. 97 4.5.3 lnhl'bidores de Ensuciamiento ..............................................-...... 102 4.5.3.l Dispersantes ........................•.............•••.•••••••••..•••...•.•. 102 4.5.3.2 Fluidizantes de Lodos (Floculantes) •.......•....••••.•.••••.••• 104 4.5.3.3 Surfactantes............................................................... 105 4.6 Cálculo del Factor de Limpieza y Grado de Ensuciamiento ...................... 109. CAPITULO V. ACONDICIONAJ\IIENTO QUIJ\HC0 ....................................... 110 5 .1 Antecedentes ...........................................................•...•...•....•.•••••..•.••••••.• 11 O S.2 Mejoras en los Tratamientos de Agua Ll'bres de Cromato ......................... 113 5.3 Aplicación del Tratamiento Qulmico ........................................................ 119 5 .3 .1 lnbibidor de Corrosión e Incrustación. .......................... ; ..~ ......... 119 5.3.2 Biodispersante........................................................................... 120 5.3.3 Biocida ................................•........•...•.•••..••••..•••..••••.•••••..•••• .-...... 121 5.4 Condiciones y Problemas de Operación. ...•.....•...•..•.•••••••.••••.••..•••.•••••••.•••. 122 5.5 Servicios...............................•.................................•••••.•.•...••... ;.;•••.••••..... 130. ··--·-··--'-~----------·---------. ............ ·.

(7) CONCLUSIONES ........•..••...•...•....•....•••..•••.•..••••...•••.•...•....•••.••.....••.•••.••......•••..••.••..• 131 BIBLIOGRAFIA..........••......•.•.••...••..•••..•••.......•.•.•.•..•••.•••••.•••.•.•..•.•..••.•••..••.....•.••.••.. 132. i. ¡ ! 1. 1-. 1. í i-. .•l. t' '. ~. 'T -·~-·--·--~--------------.

(8) INTRODUCCION. En el presente siglo y durante el desarrollo industrial en el mundo. se han venido utilizando las torres de enfriamiento. con objeto de enfriar aquellas panes de un proceso que necesiten tener una temperatura controlada. Para tal efecto se requirió de la presencia del agua como elemento primordial o medio transmisor del calor. La necesidad de tnantener los sistemas y procesos a temperaturas controladas se originó en problemas sencillos como el de enfriar una simple chumacera en un molino de minas y otros un poco más complicados como los de mantener dentro de control ~s temperaturas criticas de algún proceso químico.. Los sistemas de enfriamiento elementales se desarrollaron desde un simple paso de agua a través del equipo o proceso problema. donde el agua no tenia la in1ponancía que tiene en la actualidad: por consiguiente no era costoso utilizarla en un solo p11so. Posteriormente .. al irse escaseando los mantos acuiferos que se utilizaban para tal propósito. se fue haciendo necesario implantar sistemas que permitieran utilizar el agua de una manera más eficiente al poderla recircular varias veces a traves de los equipos de intercambio de calor dándole enfriamiento al agua de diferentes maneras. como por ejemplo:. se. En una pileta o cisterna de gran capacidad ton1aba el agua de un e~tremo de la nüsnia .. se pasaba a través de Jos equipos y se retornaba al extremo opuesto de la pileta. Este procedimiento 11egó a funcionar relativan1ente bien cuando se tenia baja carga ténnica en el agua. pero cuando ésta aumentaba al incrementarse la capacidad de los equipos o de la nñsrna fábrica .. el tiempo de residencia de la pileta no era suficiente para enfriar el agua. por lo cual perdía su capacidad de enfriamiento .. linútando la operación de los equipos. El problema anterior se .. solucionó" mediante la instalación de tubos aspersores en la linea de descarga a la pileta. Esto consistía en que el agua que re.b-'Tesaba a la pileta se proyectaba por pequeños orificios o toberas en el tubo que impulsaban el agua caliente hacia arriba de tal manera que en su viaje tenia contacto con las corrientes de aire naturales que permitían enfriar el agua con mayor facilidad y así mismo dar mayor capacidad de enfriamiento a ]os equipos. Con esta medida el agua se empezó a concentrar en cuanto a1 contenido de sa1es .. ya que al existir el enfriamiento de ésta con las corrientes de aire se provoca el fenómeno de la evaporación. la cual ocurre al tener una diferencial de temperaturas entre el agua de retomo a la pileta y el agua que cae dentro de ella: en este proceso e1 agua caliente en su viaje a través del aire es enfriada por él mismo provocando de esta manera una evaporación instantánea. Al presentarse Ja evaporación. la concentración de las sales en el agua que permanece en la pileta aumenta. y se desarrollan los fenómenos inherentes al caso. como son: aumento en el pH. incremento en la alcalinidad y abatinñento de los.

(9) productos de solubilidad de diferentes compuestos presentes en el agua tales como carbonatos, sulfatos , silicatos. fosfatos .. etc. Este fenómeno empezó • ocasionar problemas en los equipos de transferencia de calor.. ya que al incurrir en la precipitación y depositación de sales.. éstos equipos se fueron ensuciando o incrustando, bajando con ello su eficiencia basta llegar en ocasiones al taponamiento completo de los pasos de agua. así como al taponamiento total de las toberas de aspersión en las piletas. Lo anterior provocó un• situación sumamente conflictiva para los depanamentos de manteni.nüento de las industrias. debido a que los costos por la limpieza de los equipos presentaron un aumento considerable. ya que en muchas ocasiones se veían obligados a tener equipos de intercambio de calor de repuesto .. pues tenían que instalar uno nuevo mientras hacían limpieza en el que se había ensuciado.. El aho costo de operación que se tuvo con estas medidas provocó la inquietud de desarrollar la ingeniería hacia la solución de los problemas prevalecientes; por ello se fabricaron diferentes tipos de sistemas de enfriamiento enfocados a resolver.. conjuntamente con la aplicación de productos quimicos adecuados .. la problemática mencionada. Hasta la fecha .. la ingeniería y la práctica nos han llevado al desarrollo de tres tipos de sistemas de enfriamiento,. que son: 1) Sistemas de enfriamiento de un solo paso. 2) Sistemas de enfriamiento de recirculación cerrada. 3) Sistemas de enfriamiento de recircu1ación abierta. Independientemente del tamano y tipo de torre de enfriamiento utilizada. Jos problemas que se presentan en los sistemas son bastante similares. puesto que dependen del tipo de agua que se emplea. de Jas impurezas que contiene. de las condiciones de intercambio de calor presentes : asi como de los materiales que se emplean en la construcción de los equipos de intercan1bio de calor y de la misma torre de enfriamiento.. Los principales problemas encontrados en los sistemas de enfriamiento son: t.-Corrosión: Es un proceso electroquimico que ataca a los materiales expuestos al agua en Ja presencia de agentes corrosivos específicos : tales como ácidos. oxigeno o bacterias. Bajo cienas condiciones especificas puede manifestarse como una pérdida de metal uniforme o localizada. sin embargo. la forma de corrosión más común e indeseable en un sistema de agua de enfriamiento es el ataque Jocalizado conocido como "pitting.. ocasionado o por una celda de aereación diferencial o por depósitos bacteriológicos. Un ataque bacteriológico severo causa fallas prematuras en el metal así como una reducción en la transf"erencia de calor..

(10) 2.-Incnistación: Es la precipitación de sales densas adherentes a las superficies metálicas de los equipos. tuberías e intercambiadores de calor. debido a altos valores de pH y a la evaporación del agua. que provoca que el contenido de sales se acerque a tos limites de solubilidad. lo cual aunado a las altas temperaturas manejadas en intercambiadores o equipos criticos. provocan su precipitación. depositándose y disminuyendo así la eficiencia de la transferencia de calor. 3.-Ensuciamiento: Se clasifica como ensuciamiento general o ensuciamiento microbiológico. El ensuciamiento general se debe a la presencia de sólidos suspendidos en el agua de repuesto y de recirculación. que sedimentan en áreas de bajo flujo y en superficies de intercambio de calor de alta temperatura. El ensuciamiento microbiológico se refiere a un depósito amorfo. no cristalino que se deriva del crecimiento de microorganismos tales como algas. bongos. levaduras. etc .• los cuales pueden crecer en todas las superficies de intercambio de calor bajo condiciones propicias de temperatura. luz solar. oxigeno disuelto. etc. Los tres tipos de sistemas de agua de enfrianliento exhiben todos estos problemas de alguna forn1a. aunque cada uno de ellos presentan problemas específicos que estan asociados con su diseño y operación.. El objetivo de un tratamiento fisico-quimico a un sistema de enfrianüento. es prevenir la corrosión. incrustación. y el crecimiento microbiológico. Por ello los programas de tratamiento químico se basan en inhibidores de corrosión. de incrustación y de ensuciamiento. los cuales pueden aplicarse solos o combinados. l.-. La Corrosión es controlada por medio de un manejo apropiado del pH del sistema en combinación con un inhibidor de corrosión específico dosificado continua1nente. Los inhlbidores de corrosión crean una barrera protectora entre la superficie del metal y el medio ambiente corrosivo; el pH del sistema de enfriamiento no solamente indica si el agua de enfriamiento tiene una tendencia corrosiva o incrustante. sino también ayuda a inhibir la corrosión al controlar la formación de la película de carbonato de calcio en el sitio catódico de la superficie del metal. Los inhibidores de corrosión son sustancias que disminuyen efectivamente la velocidad de corrosión cuando son agregados al sistema; estos son identificados de acuerdo a su función en:. a). b). Jnhibidores anódicos o pasi,·os. Forman una capa de óxido protectora en la superficie metálica. Son considerados los mejores inhibidores porque pueden ser utilizados a bajas concentraciones. Jnliibidores catódicos o precipitantes. Los cuales forman precipitados insolubles.. m.

(11) 2 ..-. La Incrustación es controlada por medio de un manejo apropiado del pH del sistema en combinación con una dosificación continua de químicos. los cuales inhiben la fonnación de incrustaciones o las dispersan después de fonnadas. Estos quinlicos generalmente caen dentro de las siguientes categorías:. a). Secuesrrantes o anti-precipitantes. Son aquellos que modifican o distorsionan la estructura cristalina de los iones formadores de incrustaciones. por lo que previenen la nucleación y el crecimiento molecular de la incrustación.. b). Dispersantes. En este caso se emplean polímeros aniónicos o no iónicos. Los primeros previenen la aglomeración de panículas suspendidas por repulsión de carga o por distorsión del cristal y .. los segundos reducen la tensión superficial de las partículas.. 3 ..- El Ensuciamiento es controlado generalmente por el uso continuo o intennitente de polímeros dispersantes junto con un programa de control microbiológico basado generalmente en la cloración. Los tipos de compuestos quúnicos que se utilizan son los que se mencionan a continuación: a). PoHmeros dispersantes. Los cuales no solamente mantienen la materia suspendida sino que además penetran y redispersan la materia depositada.. b). C/oración. Se emplea cloro gaseoso o hipoclorito de sodio o calcio liquidas de tal manera que se tengan residuales de entre 0.5 a l mg/1 de cloro libre en el agua de recirculación.. e). Dispersantes o Biocidas. Para evitar el crecimiento microbiológico y tenerlo controlado. es necesario la adición de biocidas. Jos cuales se eligen en base a su efectividad en monandad mediante análisis microbiológicos efectuados con el fin de conocer cual es la especie de tnicroorganismos sobrevivientes en el sistema que cause problemas. Se utilizan como complemento de la cloración cuando la actividad del cloro se ve reducida. Los dispersantes son por lo general surfactantes no iónicos que al actuar junto con el cloro penetran y dispersan los microorganismos permitiendo la acción letal del biocida y evitando el enquistamiento de masas orgánicas que mediante éste fenómeno generan resistencia a los biocidas.. La elección de un tratamiento químico adecuado requiere de un conocimiento previo de las características de diseño de Jos sistemas de enfriamiento. de las caracteristicas de operación y de la química del agua.. todo esto con el fin de evitar los paros no programados de las plantas en operación; así como el deterioro prematuro de tos equipos de intercambio de calor y del sistema de recirculación. ocasionados por ensuciamiento y corrosión. El resultado neto de estos problemas provoca un aumento en el costo de producción o en su defecto. una reducción en la capacidad de producción..

(12) Una vez que se ha elegido el tratamiento químico adecuado para el tipo de sistema a tratar. es conveniente realizar servicios de apoyo encaminados a optimizar Ja dosificación. eficiencia y resultados del tratamiento. para mantener en buen estado los equipos y obtener con ello una eficiente transferencia de calor. Este trabajo pretende dar a conocer las caracteristicas principales de Jos diferentes tipos de tratamientos químicos que se han venido utilizando basta la fecha: así como las ventajas y desventajas que han presentado en Jos sistemas de enfriamiento. Así tnismo puede servir como material de consulta para todas aquellas personas involucradas en los procesos de tratamiento de aguas que deseen conocer los últimos avances de Ja química en esta área..

(13) OBJETIVOS Evaluar las ventajas y desventajas de Jos diferentes tratamientos qufmicos que se han empleado a través de los años con la finalidad de mejorar el funcionamiento de los sistemas de enfriamiento especificando los ültiinos avances que se han logrado en este. campo. Describir los tipos de sistemas de enfriamiento que existen y los problemas a que se ven sujetos si los tratamientos qUinúcos se emplean de manera inadecuada..

(14) CAPITULOI SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO. En la mayor pane de Jos procesos industriales existe Ja necesidad de remover calor de diversas corrientes de proceso o equipos. Esta transferencia de calor se lleva a cabo mediante un aumento en la temperatura del medio de enfriamiento.. El agua es el medio más comúnmente utilizado para remover el calor en exceso de aJguna corriente; esto es debido a su abundancia en la naturaleza. las propiedades fisicas que Csta presenta , asi como las ventajas económicas y de manejo que tiene sobre otros medios. Para los sistemas que utilizan agua como medio de enfiiamiento. et intercambio de calor. provoca que ésta aumente su temperatura y dicho incremento hace variar tanto las características del agua, como de las sales contenidas en ella. Este cambio ro las caractcristicas del agua hace posible el surgimiento de los tres problemas. potenciales presentes en un sistema de enfriamiento, los cuales son: a) Corrosión. b) Incrustación. e) Ensuciamiento Microbiológico.. De aqui surge la necesidad de contar con un programa de tratamiento efectivo y bim diseftado para minimizar los problemas que se pueden presentar y de esta manera lograr una mayor eficiencia en la operación del equipo y un mayor apro\'ecbamiento del agua..

(15) 1.1. TIPOS DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO. Los sistemas de enftiamiento con agua se pueden utilizar en servicios cuya temperatura final sea superior a la tcmperatW'a ambiente. En estos sistemas. la remoción del calor de tos equipos o procesos se lleva a cabo por tres tipos diferentes de sistemas de enftiamiento. [31 l) Sistemas de enfriamiento de un solo paso. 2) Sistemas de enfriamiento de recirculación cen-ada. 3) Sistemas de enli"iamiento de recirculaclón a bien a.. 1.1.1) SISTEMAS DE ENFRJA.'l.UENTO DE UN SOLO PASO. En estos sistemas, el agua de enfiiamiento pasa a través del equipo de intercambio de calor una sola vez. antes de descargarla a la corriente de desecho. Estos sistemas son los más simples y utilizan volúmenes relativamente grandes de agua. por lo que son colocados donde existe agua dispomblc a una temperatura baja, en grandes cantidades y a bajo costo; ta fuente de suministro de agua es de pozos. rio~ mares y lagos en los cuales el único costo involucrado es el que representa el bombeo. [2]. Por lo general, el único tratanllento externo aplic:ado a las aguas utilizadas en estos sistemas.. tomadas de rios y lagos, es un tamizado para remover objetos grandes que puedan dai\ar bombas y equipos intercambiadores de calor. [17] En estos sistemas la evaporación es despreciable. por lo que las características del agua a la entrada y salida son prácticamente las mismas. 1.1.2) SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE RECIRCULACJON CERRADA.. Estos sistemas son producto de la evolución tecnológica. En ellos. el agua que circula a uavés de un circuito cerrado está sujeta a enfriamiento y calentamiento alterno sin tener contacto con el aire. El calor absorbido por el agua en el sistema cctTado es transferido por un equipo de intercambio de calor al agua de recirculación de un segundo sistema que puede ser un sistema de un solo paso. de recirculación abierta (donde el calor es disipado a la atmósfel"a) o un sistema de aire de cnfiiamiento o de refrigeración. C13) Frecuentemente el agua que se utiliza como repuesto puede ser suavizada para remover los depósitos de dureza; puede ser filtrada para remover sólidos suspendidos o condensada dependiendo de las características del sistema. Al utilizar agua de aha calidad se mejora la operación del sistema, y se minimiza el ensuciamiento de los intercambiadores asf como otras fallas mccanicas; por ello, es necesario analizarla periódicamente para controlar el material residual del uatamicuto químico aplicado. 2.

(16) Estos sistemas son menos susceptibles al ensuciamiento microbiológico de algas y baba. que tos sistemas abienosJ2] Como estos sistemas tienen muy poca evaporación. Jos minerales que contiene el agua no se concentran. reduciendo así los problemas de incrustación. Además, se reducen drásticamente tos problemas de corrosión. ya que el agua de recirculación no se satura continuamente con oxígeno debido a que requieren muy poca agua de repuesto. excepto cuando han ocunido fugas en los sellos (empaques) de las bombas o cuando el agua ha sido drenada para pernútir la limpieza o reparación del sistema. Esto proporciona un mejor control de las temperaturas del agua de enfriamiento a través de Jos equipos productores de calor. Los sistemas cerrados de enfriamiento son muy utilizados para el enfriamiento de motores de gas y compresores. Los motores diesel y máquinas estacionarias usan generalmente sistemas de radiador similares a Jos sistemas de enfriamiento de los automóviles: también se utilizan en sistemas de agua helada de aire acondicionado para transferir el enfiiamiento al refrigerante.. que a su vez enfría el aire en las unidades lavadoras de aire. [J3] 1.1.3). SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE RECIRCULACION ABIERTA.. Debido al creciente interés sobre la conservación del agua. se ha establecido una gran demanda de programas de reutilización de la misma. La industria se enfoca cada vez más a Jos sistemas de recirculación. donde el agua de enfriamiento pueda ser usada una y otra vez. En un sistema de recircuJación abierta se incorpora una torre de enfriamiento o un estanque de evaporación para disipar el calor retirado del proceso o del producto. Este tipo de sistema diseñado para proporcionar un íntimo contacto entre el agua y el aire de enfriam.icnto .. toma agua de la cisterna de la torre de enfiiamiento. que al pasar a través del equipo de proceso que necesita enfiiarse. toma calor del mismo y lo transpona a la torre de enfiiamiento. El 31:-TUa al salir de la torre se enfría liberando el calor a la atmósfera por medio de la aereación ocasionando evaporación. El calor es disipado primordia.Imente por evaporación aunque también ocurren ocasionalmente pérdidas de calor sensible (enfriamiento directo del agua por el aire). (:?] En este proceso el agua está continuamente en reuso (puesto que al regresar al equipo de proceso se repite el ciclo). como en un sistema cerrado. solo que en este sistema se utilizan grandes cantidades de agua de repuesto que se agregan continuamente para reemplazar el agua que se pierde por Ja evaporación. por fugas y Ja que es descargada intencionalmente (por medio de Ja purea) para mantener un nivel aceptable de sales en el agua de recirculación. ( 18) En este tipo de sistema a dif'erencia de Jos de un solo paso. se concentran Jos iones y sólidos en el agua de recirculación; esta concentración ocurre porque los vapores que dejan la torre de enfriamiento no contienen sólidos suspendidos o disueltos. pero el agua de repuesto que 3.

(17) reemplaza el agua perdida por evaporación si los contiene. por lo que los sólidos deben ser controlados en el agua de recirculación a concentraciones más bajas que la de saturación para prevenir que se presenten problemas tales como ensuciamiento e incrustación. 1.1.4) TIPOS DE TORRES El tipo de equipo más comúnmente utilizado para disipar el calor por medio del agua es la torre de enfriamiento. [2] La remoción de calor se logra principalmente por la evaporación de una parte del agua de. enfriamiento y las torres están diseñadas para optimizar el contacto intimo entre el agua y el aire. ocurriendo en pequeñas proporciones pérdidas de calor sensible. La Figura 1.1 ilustra los componentes de una torre de enfriamiento tipica.C2J El agua se distribuye uniformemente en la parte superior de la torre y cae posteriormente en forma de llu\'ia a través del aire. Se usan empaques y rellenos de varios tipos para incrementar el contacto agua y aire. Las torres de enfriamiento pueden clasificarse en dos tipos: 1.1.4. l) Torres de Tiro Natural 1.1 .4 .2) T erres de Tiro Mecánico. J.J.4.1 Torres de E11friomientu de Tiro ,,,·uturaL Las torres de tiro natural hiperbólicas y/o atmosféricas son llamadas de esa manera debido a su forma. la cual pen:nite un óptimo flujo de aire y una estabilidad estructural aceptable: están diseñadas para aprovechar la diferencia de temperatura entre el aire ambiente y el aire caliente que está dentro de la torre provocando asi su movimiento. Este diseno crea un efecto de chimenea que hace que el aire frío en la pane baja de la torre empuje hacia afuera el aire caliente por la parte superior de la torre. [2] Estas torres deben ser altas (mayori;:s de 500 ft. 6 152.4 m.) para inducir el flujo de aire adecuado. el cual puede ser: a) Tiro Natural a Contraflujo. En este diseño el relleno se localiza dentro del cuerpo. b). Tiro Natural a Flujo Cruzado. Este diseño se caracteriza porque el relleno es externo al cuerpo formando un anillo alrededor de la base.. Estas torres mostradas en la Figura 1.2 (a) y (b). están restringidas a ta localización geográfica donde las condiciones del clima sean apropiadas; además trabajan mucho mejor.

(18) FLV.JO DE AlRE. VEt<TIL.AOOR -. -_c.ue1ERTA. EMPAQUE Y. --. ~PORTES.. FL.WO. OE. -----<••~. ,,. l\lRE / PERS IAt.IAS. c.. -. DE. /. /. FLUJO ~CE. 4'.IRE. --. N\EBLA.. FIGURA 1.1. Componcules de una Torre de Enfriamienlo Tipica 1ii.

(19) A). Tiro N•tural • Con1ranujo. EM~A.t>" ~. """"" C:.A.\..IE>&TE. A\1lE. F \..UlO t>E.. .. \RE. B) Tiro N•tural a Flujo Cruzado. FIGURAJ.2. To~ de Enfriamiento de Tiro Natunl 131. 6.

(20) cuando Ja diferencia entre el agua fría y la temperatura de bulbo húmedo es igual o mayor que la diferencia entre la temperatura del agua caliente y la del agua fria. Las principales ventajas de las torres de tiro natural son: 1... No tienen ventiladores. por Jo que no hay gastos de operación y manteninücnto. además de que se en.frian sin necesidad de ellos ya que su funcionamiento se ve afectado por la velocidad del '.iento. 2.- Requieren menos espacio que una unidad de tiro mecánico de la misma capacidad.. 1.1.-1.2 Torres de Enfriamiento de Tiro ..tlecóniC'o. Las torres de enfriamiento de tiro mecánico utilizan ventiladores para hacer pasar el aire a través de ella. Este fenómeno acelera el proceso de enfriamiento e incrementa la eficiencia de la torre al aumentar Ja velocidad del aire sobre las gotas de agua que caen a través del cuerpo de Ja unidad: además pueden evaporar una cantidad mayor de agua que las torres de tiro natural del mismo tamailo. Las torres de tiro mecánico dependiendo de la localización del ventilador se subdividen a su vez en dos tipos: a) Torres de Tiro Forzado. En estas torres. el aire se introduce en la pane inferior de la torre por medio de un ventilador. pasa a contracorriente a través del empaque de la misma produciendo un intimo mezclado del aire con el agua y sale por la parte superior. La mayoría de las torres de tiro forzado son diseñadas a contraflujo. b) Torres de Tiro lIJducido.. Estas torres tienen el ventilador en lo alto de la torre para jalar el aire a través de Ja misma;. estas torres tienden a ser más ,grandes que las de tiro forzado. Se clasifican a su vez en dos tipos: a) Tiro Inducido a Contraflujo. Estas torres proporcionan mejores condiciones de transferencia de calor. porque el aire más frío entra en contacto con el agua más fria: debido a que el ventiJador se coloca en la pane inferior y el aire se mueve de manera ascendente en sentido opuesto al flujo descendente del agua. b) Tiro Inducido de Flujo Cruzado. En las torres de flujo cruzado el aire fluye perpendicularmente a través del flujo descendente del agua: (este diseño proporciona una trayectoria más fácil para el aire). Estas torres tienen generalmente un sistema de alimentación por gravedad donde el agua se distribuye en una superficie que contiene orificios distribuidos de.

(21) manera unifbrme. y que está cubiena de tal manera que retarda el crecimiento de algas. Estas torres tienen la ventaja de poseeer un patrón aerodinámico más sencillo y eficiente. es decir, es mayor el flujo de aire que se consigue en éstas con la misma cantidad de energía utilizada para el ventilador. comparándola con las torres a contraflujo. Las Figuras 1.3 a 1.5. muestran los diferentes tipos de torres de enfriamiento mencionadas. En las torres de enfriamiento evaporativas de flujo cruzado y a contraflujo. la velocidad de calor transferido a la atmósfera depende de: a) El área superficial del agua en contacto con el aire. b) La velocidad relativa del aire durante el contacto con el agua. e) El tiempo de contacto aire-agua. d) La diferencia entre Ja temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de entrada del agua de enfriamiento.. Un factor que debe totnarse en cuenta es evitar Ja recirculación del aire caliente descargado. el cual reduce grandemente el funcionamiento de la torre..

(22) tii ELIMIN ..OORE'5 DE --'-llE~L.a.. RELLENO. --ENTRA Do\ OE. AIRE. FIGUltA 1.3. Torre de Enfri•micnto de Tiro t~orzado. IJ.I. 9.

(23) ,. .... ¡·. º. -~---. i. 1. C¡:¡ /V I. ~¡s. r .,: ,. g~E. ... ?o~. i. ~. l¡. ,.. '. "0-1. -. ¡;. i•. ~. •. ~. o. :!i. o. Q,. a.. Q,. ~. Q,. Q,. 1. i 1. 1. 1. ,,,. t. 1. (. "'""',.,.,,. ". !:o~. 1. 1. 1. :. i, ____. 1. \. 1. 1. 1. o. r t. ..~. 1. V:. 1110. -z ..,. ,. o ,.,,. ;t ~. ,._. "~.,. \. SI. r ~. l·~---rt---n. ec : : \-----u---1s-·--v "'~• e t Jl____n_____ y __ 0__... lo C '~-- - -- -.Lf.[f-lS[E-- -~. V O • ee ...-- -. '."-----o· . t---u-·- .-r1= -- ---v------v---o_. a .. e , :' ____ n ~ -[}- -~-rT • C ,----LF-- ·- ---vl ' V .:. e\:\1\ :\ \ : \. ¡¡. ~. ....~. 5e:. "'. ~ ,.~ ~. ~.

(24) ~ALtOP-.. DE AIRE. t t. .~IGUllA. t.5 Torre de Enírianiicnto de Tiro Inducido Flujo Cruzado 121. 11.

(25) 1.2. BALANCE DE AGUA EN UN SISTEMA DE TORRE DE ENFRIAl\llENTO. En todos Jos sistemas de enfriamiento de recirculación abiena. el principal mecanismo de enfriamiento es la evaporación. la cual a su vez es un mecanismo de concentración; se pierden aproximadamente 1000 BTU del agua por cada libra de agua que se evapora. Esto también puede establecerse en función de Ja diferencia de temperatura entre el agua caliente que entra a Ja torre por Ja pane superior y el agua fria que sale de Ja torre por Ja pane inferior. es decir. por cada 1 OºF (5.S"C) de diferencia de temperatura se evapora t % del total de agua recirculada. Pl Esto en forma de ecuación se podría expresar de la siguiente nianera: % Evaporación ( 1 O) %. Evaporación (S.S). = =. AT (ºF) AT ("C). Esta evaporación estará en función del agua recirculada: expresada en volumen tendríamos: Evaporación ( 1 O) Evaporación (S.S) =. AT ("F) x ("C) x. ~T. recirculación recirculación. donde: .6.T = Diferencia de temperatura entre Ja corriente de agua caliente que entra a la torre (pane superior) y Ja corriente de agua fria que sale de Ja torre (pane inferior). Por ejemplo: Una tares opera con una diferencia de temperatura (AT) de JS ªF y circulan 1000 gpm. por lo que deberá perder l S gpm de agua debido a Ja evaporación. La evaporación se verá también afectada por las condiciones prevalecientes en el aire ambiente; es decir. la evaporación es limitada por Ja temperatura de bulbo húmedo o por Ja humedad relativa. Por lo que. si el aire ambiente está muy húmedo la e\'aporación será mayor y por Jo tanto se logrará un mejor enfriamiento del agua. Las torres de enfriamiento son diseñadas para enfriar agua a ciena temperatura y bajo cienas condicione:s. La temperatura de bulbo húmedo del aire es Ja temperatura más baja a la cual el agua podría enfriarse mediante una torre de enfiiamiento evaporativa. [2] No resulta práctico diseñar una torre de enfriamiento para desarrollar una temperatura del agua enfriada (cisterna) igual a la temperatura de bulbo húmedo. La diferencia entre la temperatura del agua de Ja cisterna y la temperatura de bulbo húmedo se conoce como Apros.im•ciónJ2l Las torres se diseñan generalmente con una aproximación de 7 a 1SºF (-13.88 a -9.44ºC). La diferencia de temperatura entre el agua caliente de retorno y el agua de la cisterna se denomina ..rango de enfriamiento.. (A Generalmente el rango de enfriamiento está cercano a JO - 25ªF (-12.22 a 3.88"C), pero puede alcanzar Jos 40ªF ( 4.44ºC) en algunos sistemas.. n-. 12.

(26) Las torres están provistas de empaque o relleno. tos cuales mejoran el contacto intimo entre el aire y el agua. Debido a que et agua evaporada es pura. los minerales contenidos en el agua recirculante permanecen en ella. lo cual la vuelve más concentrada que el agua de repuesto. Ciertas gotas de agua muy fmas que se mezclan con el aire de recirculación o que son arrastradas por éste. son conocidas como pérdidas por viento o arrastre. esto limita el grado de concentración. Las pérdidas por arrastre varian con et tipo de tone. pero tas consideradas típicas basadas en el flujo de recirculación son: Estanques de aspersión = Torres atmosféricas Torres de tiro tnecánico =. 1.0 - S.0°/o 0.3 - 1.0°/o 0.05 - 0.3o/o. La concentración de los sólidos en el agua de recircutación se debe a que al evaporarse pane del agua. estos sólidos tendrán menor volumen de agua en la cual disolverse. El término empleado para indicar el grado de concentración o el nivel de sólidos del agua de recirculación con respecto al agua de repuesto se conoce como Ciclos de Concentroci6n. Ciclos de Concentración (CR). =. Ión espccjfico en el ªBYª rccjrculante. = .b:1lJ.... Ión especifico en el agua de repuesto. (1). BD. Puesto que el cloro es un ión que permanece soluble en el agua de repuesto como en la de recirculación,. los ciclos de concentración se expresan como: Ciclos de Contentración (CR) = Cloro recjrculante = Cloro repuesto. ~. Clr. Este ti:rmino se emplea para evitar una sobresaturación con respecto al carbonato de calcio y para controlar la fonnación del sulfato, del silicato de calcio y del silicato de magnesio. La Figura 1.6 nos muestra tos ténninos empleados para realizar el cálculo de los ciclos de. concentración en una torre de enfriamiento. Aguo de Rep,,ato. El agua que se pierde en un sistema de enfriamiento por cualquier causa. deberá reponerse por agua fresca. por lo que la cantidad de agua necesaria para reponer las pérdidas totales es: Agua de repuesto. MU. Evaporación + Pérdidas por arrastre E + BD. (2). 13.

(27) Si se conoce la temperatura de la torre. puede estimarse la cantidad de agua que se pierde · por evaporación. Si la relación de concentración es tambien conocida, entonces el agua de repuesto puede calcularse utilizándose la siguiente ecuación: MU=. E. ~. X. (3). CR-1. Esta expresión fue desarrollada al considerar los balances de agua de la torre de enfriamiento como sigue: CR. -. (1). MU/BD. MU -. BD +E. E. X~. (2). sustituyendo BD - MU/CR en (:?) tenemos: MU-MU/CR +E (MU) (CR) = MU + (E) (CR) (MU) (CR) - MU = (E) (CR) MU (CR-1) - (E)(CR). MU. (3). CR-1. ,-. FIGURA 1.6. c•tculos B6sicos ea una Torre de Enrrtamleato 131. 14.

(28) Purga. La purga remueve una porción del agua de recircutación concentrada. la cual es reemplazada por agua de repuesto fresca, asegurando con esto una disminución de ta concentración de sólidos en el sistema. La cantidad de purga necesaria para limitar los ciclos de concentración a un valor detenninado se puede calcular con ta siguiente fórmula: Ciclos de Concentración. =. '}~. E. +. %BD. donde: %E Pérdidas por evaporación expresadas como porcentaje de flujo de recircutación. %BD = Pérdidas combinadas por purga y arrastre expresadas corno porcentaje de flujo de recirculación. Esta expresión se obtiene de: MU= BD +E. sustituyendo MU= (CR) (BD) (CR) (BD) = BD + E (CR) (BD) - BD = E BD(CR-1) =E. (2). en (2) tenemos:. BD. =. ~. (4). CR-1. Para el cálculo de los ciclos de concentración máximos a los cuales se puede trabajar en un sistema de enfriamiento deben tomarse en cuenta las características del agua de repuesto como son el contenido de cloruros. magnesio o sil.ice: debido a que la sil.ice es un compuesto incrastante que no puede ser remo,ido por medios químicos. se debe tomar en consideración la solubilidad de la n1isma._ ya sea en forma de sílice o en forma de silicato de magnesio. Los factores que determinan Ja elección de los ciclos de concentración para un sistema de enfiiamiento son: et diseño de la torre. las características del agua de repuesto. los parámetros de operación y el programa de tratamiento químico. La Figura 1. 7 muestra la relación típica existente entre ciclos de concentración. volumen de agua de repuesto y volumen de agua de purga presentes en una torre de enfriamiento.. IS.

(29) Tasa de circulación Pérdida por evaporación Pérdidas por arrastre. FIGURA 1.7. 10,000 m3/hr. 200 m.3Jbr. 10 m3/hr.. Relación Tfpic• entre Ciclos de Concentración,. Volumen de Agua de Repuesto y Volumen de Aaua de Purga en un Slslema de A11ua de Enfriamienlo 1131. 16.

(30) 1.2.1) FAcrORES QUE LIM:ITAN LOS CICLOS DE CONCENTRACJON. A) Limitaciones Químicas Debido a que las diversas sales existentes en el agua de recirculación tienen limites de solubilidad .. es decir. permanecen solubles mientras no excedan estos limites. es necesario controlar la concentración de éstas de tal manera que no los rebasen. de Jo contrario tendrán tendencia a precipitar y consecuentemente a fonnar incrustaciones. Para mantener estas sales solubles es necesario limitar los cicJos de concentración.. con Jo cual se previene la sobresaturación del agua de recircutación o se mantiene dentro de un rango en el cual. no existan riesgos de incrustación de acuerdo al tratamiento químico empleado.. B) Linútaciones Físicas Las pérdidas por arrastre y otras pérdidas de agua no intencionales pueden en ocasiones ser suficientes para limitar los ciclos de concentración: cuando esto no sucede. es necesario hacer purgas programadas para Jograrlo. Mediante la purga se remueve una porción de agua de recirculación concentrada. la cual se reemplaza con agua fresca; esto disminuye Ja concentración de sólidos en el sistema. Se pueden usar purgas continuas o intermitentes, pero la purga continua es mejor, ya que se logra un régimen casi permanente.. 17.

(31) 1.3. PROBLEMAS PRESENTES EN LOS SISTEMAS DE ENFRIAJ\llENTO. Debido a la extensa reutilización del agua en los sistemas de enfriamiento de recirculación abiena se intensifica el potencial de los tres problemas principales que son: Corrosión.. Incrustación y Ensuciamiento. 1.3.1). CORROSION. La corrosión se define como pérdida del metal base en un sistema; es un proceso. electroquímico donde el flujo de electrones va del ánodo al cátodo y la pérdida del metal acune en el ánodo. Este proceso se controla al reducir o detener el flujo de electrones mediante un tratamiento químico adecuado. La corrosión de un metal ferroso forma productos de óxido de fierro. los cuales al acumularse ocasionan una reducción en la capacidad de transporte de las lineas requiriendo limpiezas químicas o mecánicas caras; aunado a esto se presentan problemas de depositación causados por la acumulación de estos productos de corrosión. Además éstos pueden desprenderse y redepositarse en otro lado creando otra celda de corrosión. La causa principal del fenómeno de la corrosión en estos sistemas es la cantidad de oxígeno disuelto en el agua de recirculación. debido a que el agua está en contacto directo con el aire, constantemente se está saturando con oxigeno.. por Jo que seria incosteable usar productos secuestrantes de oxígeno, razón por la cual se utilizan inlu"bidores de corrosión cuya fimción es evitar el contacto entre et electrolito (agua) que contiene el oxígeno y el metal del sistema mediante Ja formación de una película. 1.3.2). INCRUSTACION. Las causas principales de ta fonnación de incrustaciones en un sistema de enfriamiento son pH"s altos y/o cuando se exceden los limites de solubilidad de las sales presentes. Los depósitos que se presentan pueden ser inorgánicos (cuando las sales exceden los lúnites de solubilidad) o lodosos (cuando se asientan sólidos suspendidos); ambos restringen la transferencia de calor en el sistema. El contra t de ta. fonnación de incrustación en superficies de transferencia de calor es necesario para la operación eficiente del sistema. El uso de poli.fosfatos, fosfatos orgánicos o polímeros orgánicos (derivados de Jos acritatos o acrilamidas) puede reducir grandemente la dcpositación. Los niveles de dosificación varían desde 1 a S ppm.. dependiendo de las condiciones del sistema.. 18.

(32) Las incrustaciones que comúnmente se presentan son sales de calcio y magnesio combinadas con aniones, tales como. carbonatos, sulfatos y sílice. 1.3.3). ENSUCIAMIENTO MICROBIOLOGICO. Los depósitos formados como un resultado de Ja actividad microbiológica son particularmente problemáticos en estos sistemas: puesto que el crecimiento microbiológico que llega a desarrollarse por las condiciones propicias que se manejan en estos sistemas tales como, temperatura. luz solar, oxígeno disuelto, etc.; causa ensuciamiento de los equipos, impide la transferencia de calor e induce a la conosión microbiológica (l\11C). restringiendo el flujo. Los agentes oxidantes tales como cloro o bromo han sido utilizados para el control núcrobiológic:o, ya sea solos o combinados con agentes no oxidantes. La frecuencia y duración del tratamiento varía dependiendo de Ja naturaleza del sistema y de Ja fuente de agua. Para disedar un programa de control deben considerarse las restricciones ambientales. El fin de un tratamiento fisico-químico. es prevenir Ja corrosión. incrustación y el crecimiento núcrobiológico. para evitar los paros no programados de Jos equipos de proceso; mediante Ja aplicación de inhibidores de corrosión. incrustación y biocidas.. 19.

(33) CAPITULOll CORROS ION La corrosión es un proceso electroquímico que ataca a los materiales expuestos al agua en la. presencia de agentes corrosivos específicos. tales como ácidos. oxigeno o bacterias. Bajo cienas condiciones especificas puede manifestarse como una pérdida de metal uniforme o localizada. sin embargo. la forma de corrosión más común e indeseable en un sistema de enfriamiento es et ataque localizado conocido como "pitting" ocasionado o por una celda de aireación diferencial o por depósitos bacteriológicos. En sistemas de agua de enfriamiento causa dos problemas básicos; el primero de ellos y más obvio es la falla de equipo con el resultante costo de reemplazo y pérdidas de operación; el segundo es que la eficiencia de la planta disminuye debido a pérdidas de transferencia de calor. también como resultado de ensuciamiento en et intercambiador de calor causado por la acumulación de productos de conosión. 2.1. CELDA DE CORROSION. Para que se produzca la corrosión. se requiere la presencia de todos los componentes de una celda electroquímica. Estos componentes son un a.nodo. un cátodo. un circuito externo o conexión entre el ánodo y el cátodo y un circuito interno o solución conductora (electrólito) entre el ánodo y el cátodo. [~] La oxidación (eliminación de electrones) o disolución del metal se produce en la pane llamada área anódica (ánodo) 9 que en consecuencia adquiere una carga negativa. La reducción (consumo de electrones) o depósitos de metal se produce en el área catódica (cátodo) 9 que en consecuencia tiene carga positiva. Una diferencia eléctrica de potencial existe entre estos sitios y un flujo de corriente a través de la solución del ánodo al cátodo. 20.

(34) Esto es acampa.fiado por el flujo de electrones desde et ánodo al cátodo a través del metal.. Las reacciones que se producen durante la corrosión se dividen por conveniencia en aquellas que tienen lugar en el ánodo y las que se llevan a cabo en el cátodo. En las áreas anódicas del acero. la reacción de oxidación típica que libera iones Fe2+ a la solución es: Fe. ---> Fe2+. -+-. 2 e-. En el ánodo si no hay oxigeno presente y el pH es lo suficientemente alto. se precipita el hidróxido ferroso: Fe:!+. +. 2 OH-. --->. Fe(OH)~. En agua que contenga oxígeno • el Fe2+ se convierte a Fe3+ 4 Fe2+. +. 4 tt+. + 02 (ac). --->. 4 Fe:!~ +. ::? H20. que a su vez puede precipitar como hidróxido férrico en el ánodo. Fe3+. +. 3 OH-. --->. Fe(OH); (s). El Fe(OH)3 es ligeramente soluble en las aguas donde los valores de pH son superiores a S o 6 mientras que el Fc(OH)2 es mucho más soluble. El precipitado Fe(OHh se deshidrata para formar óxido férrico (Fe2 0 3 ) que tiene el conocido color rojo de la herrumbre. La reacción catódica primaria en sistemas de enfriamiento es:. 1/2 O:. +. H:O. +. 2e-. --->. 2 OH'"". La producción de iones hidróxido crea un alto pH localizado en el cátodo. La reacción de reducción del oxígeno controla la velocidad de corrosión en sistemas de enfriamiento; la velocidad de difusión del oxigeno es generalmente el factor li.mltante. Otra importante reacción catódica es:. H, 21.

(35) A valores de pH neutrales o mayores, la concentración de los iones hidrógeno es demasiado pequefta para que esta reacción contribuya significativamente en la velocidad de corrosión. Sin embargo, cuando el pH disminuye, es la reacción más importante (pH cercano a 4).. °"~"'~. {E,\c¡_c.\r-o\~\o). o .. 01('". FlGVRAl.1. Tipica Celda de Corrosión llBl. Una de las causas más comunes de corrosión debida a celdas galvánicas de concentración es la presencia de diferentes concentraciones de oxígeno disuelto o de iones hidrógeno en diferentes puntos de la superficie metálica. Cuando está causada por oxígeno disuelto. a menudo se conoce como "corrosión por oúgeoadón diferencial". Las áreas comunes a este tipo de corrosión son entre superficies metálicas y debajo de diversoso tipos de adherencias superficiales como depósitos. La reacción en una celda de aireación diferencial procede a manera de igualar las. concentraciones de oxígeno; puesto que no se produce oxígeno ni en la reacción del á.nodo ni en la del cátodo. la corrosión se lleva a cabo en forma de reducir la concentración más alta de oxigeno. El oxigeno participa en la reacción catódica para formar agua:. ,-.

(36) Asi pues 9 la parte del metal en contacto con la mayor concentración de oxigeno constituirá el cátodo y el metal en contacto con la menor concentración de oxigeno será el ánodo y se corroerá. 2.2. TIPOS DE CORROSION. La corrosión se presenta de diferentes fonnas 9 su clasificación se basa en alguno de los tres factores siguientes: 1.- Naturaleza del medio corrosivo: La corrosión puede ser clasificada como "bú.meda" donde es necesario un liquido o mezclae o ••seca·• que involucra una reacción con gases o vapores a alta temperatura. 2.- Mecanismo de corrosión: Se hace una diferencia entre los tipos de corrosión que involucran alguna clase especifica de reacciones electroquimicas o químicas directas. 3.- Apan"encfa del metal corroido: La corrosión puede ser uniforme donde el metal se corroe a la misma velocidad sobre la superficie; o localizada en la cual sólo pequeñas áreas son afectadas. Este tipo de corrosión se divide en macroscópica y microscópica.[11] En esta última la cantidad de metal disueho es mínima y puede ocurrir un daño considerable en él aunque no sea visible para el ojo humano. La forma macroscópica tal como la picadura puede iniciarse como un defecto estructural y crecer corroyendo el material.. En base a la última clasificacióne los diversos tipos de corrosión son los mostrados en el cuadro sinóptico siguiente : CORROS ION UNIFORME. LOCALIZADA Macroscópica. f\.1jcrosc6pica.. Gálvanica Erosión Agrietamiento Picaduras Exfoliación Lixiviación Selectiva. lntcrgranular Por esfuerzo y agrietamiento. 23.

(37) De acuerdo a esta clasificación9 los tipos de corrosión son mostrados en la Figura 2.2. 2.2.1). CORROSION UNIFORME. La corrosión wllforme es probablemente la forma de corrosión tnás comün que puede ser. fácilmente reconocida. Se caracteriza normalmente por una reacción química o electroquímica que procede uniformemente sobre la superficie expuesta; (111 dos capas superficiales del metal son convenidas en productos de corrosión y el espesor de la sección disminuye de manera uniforme hasta que falla. Para que se produzca este tipo de corrosión es necesario que se formen sitios anódicos y catódicos en la superficie del metal. Estos sitios se desarrollan generalmente por: 1) Superficies irregulares obtenidas por moldeado. laminado y otras operaciones de trabajo en metales. 2) Esfuerzos localizados por soldadura u otro trabajo. 3) Diferencias en ta composición o tamaño de grano del metal. 4) Impurezas en el metal. S) Diferencias en el ambiente local. Ej: temperatura. oxígeno 9 concentración de sales~ etc. 2.2.2). CORROSION LOCALIZADA. Este tipo de corrosión puede ser definida como remoción selectiva de metal por corrosión a áreas especialmente pequeñas o zonas en una superficie metálica en contacto con un ambiente corrosivo. usualmente un liquido.(11) Ocurre cuando los sitios anódicos pennanecen estacionarios. por lo que se vuelve un problema industrial más serio que el anterior. Dentro de esta categoría se encuentran los siguientes tipos de corrosión: 2.2.2. l. Corrosión !\1acroscópica. Corrosión Ga/\·ánica Una forma especializada de corrosión es Ja corros1on galvánica que ocurre cuando dos metales diferentes en contacto (o conectados por un conductor eléctrico) están expuestos a una solución conductora.ll:?J La fuerza impulsora o electromotriz es la diferencia de potencial eléctrico (mv) que se desarrolla entre los dos metales. La velocidad de corrosión galvánica se '\'e influenciada por los tipos de metales que están conectados. La Tabla 2.1 lista las series galvánicas de metales y aleaciones comunes encontradas frecuentemente en sistemas de agua..

(38) -. no~\c. 5t .... c.o..,-.o~\:>n. '°"°"'"'~\;o. c-s.... Ma\.~\ mó.~. C.a~a.. fü'~~ ~ .. \e.e.\.;". ~ Uft,~a .. .-na.. ~. ~. Ero&\~". ~ª'"~"':e.a.. !'\da.\ o. -. no ....._\.a.\. ~ Gr"': e.t.~. Mi. .. E"'-fr.o\"\ac.\Ór"\. t>tc.o.Ó"31t.C"O.. •?t\;.\:.~ng. _t'b~~cz.n.o.. .. .,,C.k\tc.o-....... ~. \n\a.r~c-o.nu.\o..-. ~~ /. ~. t:."J(.~ ...-.a.c.\~I'\. S-..\cr.c.livo... FIGURA2.2. '. '. C.o.--co~Ón. P='I" E."b~~n.o ~ ~~..'t.d:.o..""'CU"llº. C.o.-c-a~\~n. t><'r ~°'\:t~°'. Tipos de Corrosión 1u1. 25.

(39) TABLA2.1. SERIE GALVANICA DE METALES Y ALEACIONES (25) Ex.tremo Anódlco o Activo (corroído). Magnesio Aleaciones de M•gnealo Zinc Acero Galvanizado Aluminio i 100 Aluminio 6053 Alelad Cadmio Aluminio 2024 (4.5% Cu, 1.5% Mg, 0.11% Mn) Acero Dulce Hierro Forjado Fundición NI-Resistente Acero Inoxidable 13% Cr Tipo 410 (activo) Acero Inoxidable 1 B-8, Tipo 304 (activo) Acero Inoxidable 18-8, 3% Mo, Tipo 316 (activo) Soldadura 50-60 Plomo-Eatai'lo. Plomo Eatat'lo Metal Muntz Brone9 al Magneaio Bronce Naval Nlquel (activo) 76% NI, 16% Cr, 7% Fe (lnconel) (activo) Latón Amarillo Admlralty Bronce al Aluminio Latón Rojo Cobre Bronce al Silicio 5% Zn. 20% NI, resto Cu (Ambrac) Aleaciones Cobr-NCquol 70;30. 88% Cu, 2% Zn, 10% Sn (comp. bronce G) 88% Cu, 3% Zn. 6·5% Sn, 1·5% Pb (comp. bronce M) Níquel (paalvo) 76% Ni, 16% Cr. 7% Fe (lnconel) (paalvo) Acero Inoxidable 18·1!!1, Tipo 304 (pasivo) Acero Inoxidable 18·8, 3% Mo, Tipo 316 (paalvo) Plata Grafito Extremo Cat6dlco, Noble o Pasivo (prct.gldo). º"'. Platino. 26.

(40) La Serie Galvánica es una lista de metales y aleaciones arreglados de acuerdo con sus potenciales relativos de electrodo en un medio especifico, que se presenta en el orden de su tendencia a corroerse (o pasar a la solución). [22] Los metales se enlistan en grupos y en general es seguro utilizar los metales dentro de un grupo (o sea, sin que ninguno de ellos presente una corrosión significativa). Si los metales de grupos separados se conectan en una situación en que se forme una celda de corrosión. el metal que aparece más arriba en la lista se corroerá. Por lo general. mientras más separados estén los metales. mayor será el potencial de corrosión porque la diferencia de potencial entre ellos será también mayor.. En Ja posición más alta se les menciona como metales "activos" (anódicos) y en Ja posición nlás baja se les conoce como metales nobles o "pasivos" (catódicos). Estos metales se hacen activos (más sujetos a la corrosión) cuando están presentes en un medio que carece de oxigeno (posición más alta en Ja lista}: son pasivos (menos sujetos a la corrosión) cuando se encuentran en un medio donde hay oxígeno presente (posición inferior en la lista}. Cuando dos metales de la serie están en contacto con una solución. la velocidad de corrosión del metal más activo (anódico) aumenta y Ja velocidad de corrosión del metal más noble (catódico) disminuye. [18] La velocidad de corrosión depende entonces de los metales que están en contacto, de las áreas de superficie anódica o catódica relativa (es un área mucho mayor del metal noble. comparado al metal activo. lo que acelerará el ataque y viceversa) y de la conductividad del electrolito. Los sitios anódicos y catódicos se desarrollan en una superficie metálica por dif"erentes razones 9 entre ellas: 1.- Impurezas o inclusiones en el metal. 2.- Esfuerzos localizados 3.- Discontinuidades en Ja superficie 4.- Dif"erencias en condiciones ambientales locales. taJes como temperatura. oxigeno o concentración de sales. Otro factor que debe ser considerado al utilizar Ja serie galvánica es el concepto llamado "efecto de área" .. el cual hace referencia al tamaño del ánodo y del cátodo. ya que cuando se tiene un cátodo más largo se produce una velocidad de corrosión más alta .. con un cátodo más pequeño una velocidad de corrosión más baja. con un ánodo largo se tiene una pérdida de metal por corrosión uniforme y con un ánodo pequeño un ataque tipo picadura.. La corrosión galvánica puede ser controlada por el uso de ánodos de sacrificio. [ 18] Este es un método común para controlar la corrosión en intercambiado res de calor. Conosión-Erosión Es el aumento en Ja velocidad de destrucción del metal debido a condiciones fisicas y químicas; ocurre cuando una fuerza fisica es aplicada a la superficie del metal. Se identifica 27.

(41) por ranuras y hoyos redondos los cuales generalmente son lisos. [12) Se incrementa por las altas velocidades de agua y sólidos suspendidos; se localiza frecuentemente en superficies donde el agua cambia de dirección. La cavilación y corrosión por fricción o roce son formas especiales de Ja corrosión-erosión. La cavitación se produce por ta formación y ruptura de burbujas de vapor en la superficie dinámica de contacto metal-liquido; el movimiento de vibración entre una superficie y un liquido es tal que se aplican repetidas cargas a Ja superficie. produciendo esfuerzos muy altos cuando se forman burbujas y chocan regularmente. (22) Estps choques producen impactos de alto esfuerzo que eliminan gradualmente partículas de la superficie. formando de manera eventual profundos agujeros sobre la superficie. depresiones y marcas tipo 'iruela. (como en los impulsores de bombas o en las caras posteriores de las hélices). La corrosión por fricción o roce se produce por un movimiento relativamente pequeño (como el que produce la vibración) de dos sustancias en contacto. de las que una o ambas son metales. causando daño mecánico a uno y otro o a ambos y conduce por lo general a la forniación de una serie de picaduras en la cara de contacto del metal.. Los residuos que forma el óxido del metal llenan por lo general las picaduras de forma que éstas sólo son visibles después de elinlinar los productos de corrosión; es minimizada al utilizar materiales más duros. diseñados para reducir la fricción.. Agn·eramiento Este tipo de corrosión ocUITe en un medio ambiente más agresivo: se presenta en empaquetaduras. juntas dobladas. rivetes. etc.~ y se crea debido a depósitos sucios. productos de corrosión~ tierra y otros sólidos. etc. Se atribuye a uno o más de los siguientes factores: a) Cambios en la acidez de la ,grieta. b) Escasez de oxigeno en la grieta. e) Propagación de especies iónicas nocivas en la grieta. d) Agotamiento de un inhibidor en la grieta. Algunos materiales son más susceptibles que otros~ por ejemplo~ el ácero inoxidable y el titanio para que sean más resistentes a Ja corrosión requieren que se les forme una película de óxido. Estos materiales pueden ser aleados para mejorar su resistencia y mantener limpia Ja superficie. por lo que se utilizan para combatir este problema. Las aleaciones al acero al carlx:Sn y aluminio son altamente susceptibles debido a que las películas de óxido son destruidas por altas concentraciones de doro a bajos valores de pH. Por esta razón. se emplean inhibidores anódicos para formar las películas que protejan a estos materiales. 28.

(42) Para prevenir este tipo de corrosión es necesario evitar en las torres de enfriamiento que se formen depósitos en Ja superficie del metal; los cuales pueden formarse por sólidos suspendidos, tales como nrcilJa. silice o por especies precipitantes como sales de calcio.. Corrosión por picadura (pirring) El tipo más común de corrosión localizada es la picadura (pitting), en la cual pequeños volúmenes de metal son removidos por corrosión de cienas áreas en la superficie para producir cráteres o picaduras. Estas cavidades pueden o no llenarse con productos de corrosión. [ 18) Los productos de corrosión pueden formar capas que las cubran; éstas capa son descritas como nódulos o tubérculos. La Tubenul•ción es el resultado de una serie de circunstancias que causa que varios. procesos de corrosión produzcan una estructura parecida a un embudo invenido única en las superficies de acero. [8] La estructura de un tubérculo tipico está compuesta de varias formas de óxido de fierro y productos de corrosión en forma laminar~ porque la porción interna está hueca. En el área anódica se producen los iones metálicos. tales como los iones hidróxido o carbonato que al elevar el pH fomentan que el fierro se redeposite en esta área: este mecanismo continua hasta que se forma una picadura. la cual al llenarse con compuestos de fierro porosos fonna un tubérculo debido a que los productos de corrosión son más voluminosos que el metal original. Con el tubérculo. el ambiente acuático es alto en cloruros y sulfatos y bajos en oxigeno pasivante: lo que ocasiona la formación de celdas de oxigeno diferencial y de concentración. Este tipo de cotTosión es común en sistemas que no se han tratado adecuadamente. Los tubérculos incrementan grandemente 13 resistencia al flujo de agua. restringiendo la capacidad de transpone; los más grandes se liberan periódicamente depositándose en los conductos criticas tales como: intercambiadores de calor. etc. Los tubérculos de fierro son 11amados algunas veces nódulos. porque la apariencia fisica que presentan es diferente a un tubérculo. En sistemas de agua de enfriamiento. los nódulos son generalmente un montón de depósitos blandos. El nódulo también está constituido de varios estados de oxidación del fierro (como un tubérculo). donde la capa externa está en contacto con el agua de enfriamiento. que será Fe(OH)J mientras que la capa interna será una mezcla de Fe203 y Feo. La corrosión por picadura ocurre generalmente en metales que son cubiertos con una. delgada capa protectora. frecuentemente invisible. la cual puede ser formada durante la fabricación o producida al reaccionar con el ambiente; se presenta en magnesio. aluminio. titanio. acero inoxidable y cobre en tos casos donde la película superficial se ha desarrollado; adetnás de que puede presentarse en fierro. acero. plomo y otros metales. 29.