Sin título-1

TA
TRATAMIENTO DE AGUAS
Caso práctico:
optimización
del tratamiento del agua
de un circuito de
refrigeración mediante
el software Adic-ionic
Un circuito de refrigeración industrial basado en un sistema de enfriamiento evaporativo, con un
tratamiento químico antiincrustante deficiente, puede llevar a la disminución del rendimiento térmico
de la instalación debido a la formación de incrustaciones en las superficies de intercambio de calor.
Adiquimica presenta, a partir del estudio de un caso práctico real, Adic-ionic, una herramienta
informática que permite simular el comportamiento del agua y determinar las mejores condiciones de
funcionamiento de una instalación de refrigeración industrial.
J. Bodas, X. Cabré, O. Villanueva, A. Biurrarena y J. Ruiz
Adiquímica. S. A.
26 Industria Química
Septiembre 2013
CASO PRÁCTICO: OPTIMIZACIÓN DEL TRATAMIENTO DEL AGUA DE UN CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN MEDIANTE EL SOFTWARE ADIC-IONIC
INTRODUCCIÓN
Introducción general
Una de las principales consideraciones en el diseño de una
planta industrial es la optimización de todos los recursos con
el objetivo de minimizar el coste por unidad producida. En
el campo de la refrigeración industrial mediante sistemas de
enfriamiento evaporativo, la optimización se basa en una
solución de compromiso entre el mayor reaprovechamiento
posible del agua (siempre que a nivel térmico sea viable)
en el propio proceso de enfriamiento sin comprometer los
elementos del circuito debido a los fenómenos de corrosión
e incrustación de sales poco solubles asociados a la química
del agua y a la interacción con los elementos estructurales
del circuito.
En toda simulación de la química del agua en un proceso
de enfriamiento evaporativo se consideran el carbonato de
calcio (CaCO3), el fosfato de calcio (Ca3(PO4)2), el sulfato
de calcio (CaSO4), el carbonato de magnesio (MgCO3) y los
hidróxidos de zinc y magnesio (Zn(OH)2 y Mg(OH)2), como
susceptibles de precipitación en forma de incrustaciones.
Por otro lado, se consideran los iones cloruro (Cl-) y sulfato (SO42-) como principales responsables de los procesos de
corrosión de las líneas, ya que interfieren en la formación de
las capas protectoras de los aceros, ya sea con el cromo que
forma parte de la propia aleación o de los complejos formados a partir de las moléculas dosificadas con propiedades
anticorrosivas.
En la bibliografía son numerosas las referencias que indican, a modo de gráfico, cuáles son los niveles máximos
admisibles de cloruros en un agua en contacto con un metal
determinado (típicamente acero) según la temperatura de
la misma y la composición (en % de molibdeno respecto el
total de la aleación) [1, 3]. Por lo tanto, las características y
el tipo de materiales de una instalación limitan la calidad del
agua de recirculación de la misma en términos de velocidades admisibles de corrosión.
La precipitación de las sales poco solubles enumeradas
con anterioridad es algo más complejo de analizar. Poniendo como ejemplo el carbonato de calcio (CaCO3), la formación de precipitados es un fenómeno que depende de los
siguientes parámetros:
- Temperatura del agua. A diferencia de otras sales, el carbonato de calcio presenta solubilidad inversa, es decir, una
mayor temperatura del agua de recirculación lleva a una
menor solubilidad de dicha sal.
- pH del agua. Parámetro clave en la distribución de las especies carbónicas en un determinado tipo de agua. A mayor
pH del agua de recirculación, mayor proporción de ión carbonato (CO32-) y, por lo tanto, mayor riesgo de precipitación
del carbonato de calcio.
- Niveles de calcio (Ca) en el agua. En este caso la relación
es directa: a mayor concentración de calcio en el agua, mayor riesgo de precipitación del carbonato de calcio.
- Fuerza iónica (FI) del medio como función de la concentración (c) de todas las especies iónicas (n) y su carga eléctrica (z) en el agua (1). En una situación ideal se considera
que la fuerza iónica es igual a cero. En este caso la actividad
de un determinado ión, expresado como el producto de su
concentración por el factor de actividad asociado al ión (2)
[4] , toma el mismo valor que la concentración, es decir, el
factor de actividad vale 1.
1
FI = –––
2
n
∑c ·z
i
2
i
(1)
i=1
aion = ƒionact · [Ión]
(2)
En una situación real, la fuerza iónica toma un valor diferente de cero, y los factores de actividad (fz) para cada tipo
de ión (monovalente, divalente, trivalente y tetravalente) se
pueden aproximar matemáticamente a partir de distintos
modelos, como, por ejemplo, la ecuación de Davies (3) [4],
válida hasta fuerza iónica aproximadamente 0.2.
√FI
Log(ƒz) = - b · z2 · (––––––– - 0,2 · FI)
1 + √FI
(3)
Donde:
- b es una función de la temperatura del agua.
- z es la carga de la especie iónica considerada.
- FI es la fuerza iónica del medio calculada a partir de la
ecuación 1
En el rango válido de fuerza iónica del modelo -0, 0.2-, los
factores de actividad de las especies iónicas son inferiores a
la unidad. De esta forma, y retomando el ejemplo del carbonato de calcio, el producto de solubilidad del carbonato
de calcio es mayor a medida que la fuerza iónica del medio
aumenta (4).
aCa · aCO3
KpsCaCO3 = ––––––––––––––
ƒ Caact · ƒ CO3act
(4)
A partir del producto de solubilidad, se define el índice de
sobresaturación (ISS) como la relación entre el producto iónico en la situación actual respecto una situación teórica de
equilibrio (5). La solución puede presentar distintos estados
en función del valor del índice de sobresaturación respecto
una determinada sal: saturada si el ISS toma un valor de 1,
infrasaturada si el valor del ISS es inferior a 1, y sobresaturada si el ISS toma un valor superior a 1.
PI
ISS = ––––––
Kps
(5)
Industria Química 27
TRATAMIENTO DE AGUAS
Funcionamiento de una instalación de enfriamiento
evaporativo
CASO DE ESTUDIO
A nivel básico, un dispositivo de enfriamiento evaporativo
(torre de refrigeración o condensador evaporativo) enfría el
agua a partir de dos mecanismos principales [5]:
El caso de estudio se basa en un sistema de compresión
– expansión de amoníaco con el objetivo de mantener
una sala frigorífica a 5ºC para la conservación de alimentos que requieren almacenamiento en frío. Este centro de
distribución alimentario está ubicado en la zona del Vallès
(Cataluña). En el circuito, el amoníaco se comprime isotérmicamente a través de un sistema de compresores de doble
etapa con intercambio de calor entre etapas de compresión.
Posteriormente, el amoníaco (en fase líquida) se expande
adiabáticamente absorbiendo del ambiente -y, por lo tanto,
enfriándolo- el calor latente necesario para su vaporización.
El intercambio de calor en la etapa de compresión se realiza a través de un sistema de enfriamiento evaporativo que
retira el calor latente de condensación del amoníaco y el
calor sensible asociado a la propia compresión. En ningún
momento el agua de la instalación de refrigeración entra en
contacto directo con los productos almacenados.
El agua de aporte de dicho circuito de enfriamiento evaporativo presenta los caracteres analíticos que se muestran
en la Tabla 1.
El circuito presenta puntos de temperatura máxima de
agua alrededor de los 45ºC, y el material de construcción es
básicamente acero inoxidable AISI 304, con una tolerancia
aproximada a los cloruros de 700-800 mg/L a las condiciones de proceso.
- Transmisión de calor sensible debido al contacto que se
establece entre agua y aire. Este mecanismo puede suponer
alrededor de un 25% del total de calorías retiradas del agua
en el proceso.
- Evaporación. Como consecuencia de las leyes del equilibrio físico entre fases (en este caso líquido – vapor), si la
humedad relativa del aire es inferior al 100%, es decir, que
no se encuentra saturado en agua a una temperatura dada,
una cierta cantidad de agua se evapora debido al gradiente
de concentración, retirando de la masa global de agua el calor latente correspondiente al agua evaporada, traduciéndose en un enfriamiento global. El porcentaje de enfriamiento
debido a la evaporación, si bien es función de la época del
año y de la ubicación geográfica de la instalación, se acostumbra a estimar en un 75% del total de calorías retiradas.
Como consecuencia de la evaporación, el agua de recirculación aumenta su concentración en sales, lo cual puede
aumentar el riesgo de precipitación de sales poco solubles
y el aumento de los niveles de especies iónicas con propiedades relacionadas con los fenómenos de corrosión. Por
esta razón, se establece un régimen de funcionamiento de la
instalación basado en unas condiciones de estado pseudoestacionario a partir de la aplicación de un caudal de purga
en la instalación, que juntamente con un caudal de agua
de reposición no concentrada contribuyen a mantener el
índice de sobresaturación de una determinada sal (especie
limitante) por debajo de un valor máximo admisible.
A partir del funcionamiento descrito, se establece un balance de materia que se representa en la Figura 1.
Figura 1. Esquema de funcionamiento básico de una
instalación de enfriamiento evaporativo
28 Industria Química
Descripción del sistema
Antecedentes
Inicialmente, el circuito descrito operaba según los parámetros básicos de funcionamiento descritos en la Tabla 2, sin
tratamiento químico antiincrustante.
En estas condiciones de operación se detectó la presencia
de incrustaciones en los puntos de mayor temperatura del
circuito, que, una vez analizadas, revelaron un porcentaje
mayoritario de carbonato de calcio (CaCO3). Estas incrusta-
Tabla 1. Parámetros / composición agua de aporte al
condensador evaporativo
Parámetro
Valor
Unidades
pH
7,94
--
Conductividad
645
μS/cm
AlkM
2,3
meq/L
Calcio
38
mg Ca/L
Magnesio
18
mg Mg/L
Cloruros
129
mg Cl/L
Sulfatos
92
mg SO4/L
Fosfatos
0,01
mg PO4/L
Nitratos
35
mg NO3/L
Septiembre 2013
LA PREVENCIÓN DE ACCIDENTES GRAVES EN LAS OPERACIONES DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
ciones ocasionaban pérdidas en los rendimientos térmicos
de la instalación, llevando en algunos casos a aumentos no
aceptables de temperatura en las cámaras frigoríficas que
generaban alarmas en la sala de control del centro de distribución (Figura 2), con una media de 30.4 alarmas por mes.
A fin de solucionar la problemática descrita, se plantea un
estudio de alternativas de operación que:
Adic-ionic simula el comportamiento de un
determinado tipo de agua en un circuito de
enfriamiento evaporativo, prediciendo así el riesgo
de incrustación de sales poco solubles presente en el
sistema
- Optimice el consumo de agua de reposición en el circuito.
- Minimice el riesgo de formación de incrustaciones.
ADIC-IONIC
Adic-ionic es una potente herramienta informática que combina un algoritmo de resolución del sistema de ecuaciones
que describe los equilibrios químicos e iónicos en un determinado tipo de agua, y un sistema experto que recoge
la experiencia de Adiquímica en el sector del tratamiento
del agua. La aplicación tiene por objetivo recomendar, en
circuitos de refrigeración industrial, el producto(s) y la dosis
más adecuada para inhibir la formación de incrustaciones de
sales poco solubles en el sistema, controlar los fenómenos
de corrosión en las líneas de circulación de agua, y evitar el
desarrollo de poblaciones microbianas en zonas de riesgo.
Adic-ionic nace a partir de la evolución del software
CalcSatu [6], desarrollado por Adiquimica a finales de los
años 90. Esta nueva versión presenta una mejora importante en el motor de cálculo utilizado para la resolución de
los equilibrios químicos e iónicos entre las especies consideradas, así como actualizaciones importantes en las librerías
de las constantes de equilibrio que gobiernan la reacción
química entre especies; en base todo ello a nuevos datos
publicados recientemente en la literatura científica.
Adic-ionic simula el comportamiento de un determinado
tipo de agua en un circuito de enfriamiento evaporativo,
prediciendo así el riesgo de incrustación de sales poco solubles presentes en el sistema. De este modo, a partir de un
cálculo iterativo, Adic-ionic permite determinar el factor de
concentración óptimo de operación tal que minimice el consumo de agua de aporte en la instalación, manteniendo los
índices de sobresaturación por debajo de los límites máximos admisibles. Del mismo modo, y en función del tipo de
metal más restrictivo presente en el circuito, Adic-ionic también contempla la presencia de especies con efecto corrosivo
en el cálculo del factor de concentración óptimo de trabajo.
Adic-ionic ofrece la posibilidad de tres tipos de simulación
partiendo de la caracterización del agua de una instalación
determinada (Figura 3):
Tabla 2. Parámetros de funcionamiento del circuito de
enfriamiento evaporativo
Parámetro
Valor
Unidades
Factor de concentración
2,25
--
pH del agua de recirculación
8,87 (libre)
--
Salto térmico
7,5
o
C
Figura 2. Número de alarmas generadas por alta
temperatura en la sala refrigerada objeto de estudio
durante el año 2011. La línea discontinua indica la
media de incidencias por mes
Figura 3. Interfaz principal del software Adic-ionic;
introducción de datos de partida y selección del modo
de cálculo
- Agua de alimentación. Permite obtener la distribución
de las especies químicas del agua de partida. Además, se
calculan los índices de sobresaturación para cada una de las
sales consideradas.
- Simulación de torre de refrigeración a pH controlado. En
esta primera simulación del comportamiento del agua en
Industria Química 29
TRATAMIENTO DE AGUAS
Figura 4. Indicadores de la calidad del agua simulada
determinados por Adic-ionic
una instalación de enfriamiento evaporativo, se determina
la distribución de especies químicas cuando se opera a pH
constante mediante la adición de ácido sulfúrico.
- Simulación de torre a pH libre. En este caso se determina
la distribución de especies químicas en una instalación de
enfriamiento evaporativo sin adición de ácido para el control
del pH del agua de recirculación. Además, en este modo
de cálculo se calcula el pH al que evoluciona el agua del
circuito teniendo en cuenta las leyes de equilibrio físico con
la atmosfera, y la concentración de las especies presentes
debido a la evaporación como mecanismo de enfriamiento
principal.
Para los dos últimos modos de cálculo Adic-ionic ofrece
la posibilidad de simular el comportamiento del circuito de
refrigeración a un factor de concentración determinado, o
bien optimizar dicho valor atendiendo a los siguientes criterios:
- Mínimo consumo de agua de reposición en el circuito.
- Evitando el riesgo de precipitación de las sales poco solubles consideradas, manteniendo los índices de sobresaturación por debajo de los máximos valores admisibles.
- Manteniendo el nivel de especies corrosivas por debajo
del límite máximo aceptable en función de los materiales de
construcción del circuito.
Los resultados de toda simulación realizada con el software Adic-ionic se expresan en base a los siguientes puntos:
Figura 5. Distribución de especies químicas del agua
simulada por Adic-ionic
- Índices de sobresaturación de las distintas sales consideradas en términos de porcentaje respecto a los valores
máximos admisibles (representación gráfica)
- Indicadores principales de la calidad del agua, tales como el índice de Ryznar o el índice de Langelier, que determinan su carácter corrosivo o incrustante (Figura 4).
- Distribución especies químicas como resultado de la resolución del sistema de ecuaciones característico del sistema
(Figura 5).
- En el programa se incluye el cálculo del Índice relativo de
corrosión (IRC) desarrollado por Adiquímica. El IRC se basa
en una relación de variables que influyen directamente en el
carácter corrosivo del agua de la instalación.
Una vez determinado el modo de cálculo a partir del cual
se resolverá el sistema de ecuaciones característico, Adicionic lanza un asistente de cálculo del balance global de
materia del proceso (Figura 6). Para el cálculo se consideran
las diferencias existentes en el porcentaje de enfriamiento
debido a la evaporación respecto el total de calorías eliminadas del agua de recirculación para distintas épocas del año.
Finalmente, después de haber determinado el factor de
concentración óptimo en la instalación (a partir del cálculo
de los equilibrios químicos e iónicos), y de la resolución de
30 Industria Química
Septiembre 2013
LA PREVENCIÓN DE ACCIDENTES GRAVES EN LAS OPERACIONES DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
los balances de materia en el sistema, Adic-ionic lanza el
sistema experto que integra, a fin de proponer para el caso
de estudio concreto la mejor solución desde el punto de
vista del tratamiento del agua. El sistema experto parte de
los principales indicadores calculados por el programa y, juntamente con cuestiones relacionadas con la naturaleza del
circuito y las limitaciones en el uso de determinados productos, guía al usuario hasta la formulación de una propuesta
de tratamiento optimizada.
SIMULACIÓN INICIAL Y OBJETIVOS
Adic-ionic simula el comportamiento del agua de
recirculación de la instalación a las condiciones de
operación determinadas en la optimización con
dosificación de inhibidor
Figura 6. Cálculo del balance global de materia en
el proceso de enfriamiento evaporativo a partir del
asistente de Adic-ionic
Partiendo del agua de aporte cuya composición se detalla en
la Tabla 1, se realiza una primera simulación con el software
Adic-ionic, a fin de identificar los principales problemas asociados al régimen de operación inicial. Los resultados de esta
simulación se muestran en la Tabla 3.
El resultado de la simulación confirma que el mayor riesgo
asociado a la instalación en el actual régimen de funcionamiento es la precipitación de carbonato cálcico, con un
índice de sobresaturación de 60x respecto las condiciones
de saturación. Las demás sales consideradas, y el índice relativo de corrosión (indicador desarrollado por Adiquímica
para la evaluación del riesgo de corrosión en la instalación),
se mantienen en niveles aceptables.
El objetivo de este estudio es el planteamiento y evaluación de la viabilidad de una posible alternativa de operación
y tratamiento en base a las proyecciones del software AdicIonic para el sistema considerado.
SOLUCIÓN PROPUESTA
Se plantea seguir operando el circuito a pH libre debido a la
imposibilidad de dosificación de ácido sulfúrico en la instalación para mantener el pH controlado. Mediante el software
Adic-ionic, y partiendo del agua de aporte cuya composición
se detalla en la Tabla 1, se realiza una proyección a pH no
controlado a fin de determinar los ciclos de concentración
óptimos de trabajo (Tabla 4), la cual, a la dosis adecuada de
inhibidor, permita mantener el índice de sobresaturación del
carbonato de calcio por debajo del máximo valor admisible.
Adic-ionic simula el comportamiento del agua de recirculación de la instalación a las condiciones de operación determinadas en la optimización con dosificación de inhibidor.
La Tabla 5 muestra el efecto del tratamiento propuesto por
Adic-ionic en los porcentajes alcanzados de los índices de
sobresaturación máximos admisibles.
El módulo de recomendación de productos o Sistema Experto integrado en el programa determina que, a las condiciones a las que se mantiene el agua de recirculación, el
producto de tratamiento óptimo es el Adiclene 526 (producto formulado por Adiquimica, S.A.). Los niveles de dureza
calculados en el corriente de agua concentrada (>500 ppm
CaCO3), juntamente con el hecho que el pH no se mantiene
controlado, lleva a unos índices de sobresaturación de carbonato de calcio que limita considerablemente el producto
Tabla 3. Porcentajes alcanzados de los índices de
sobresaturación máximos admisibles de las sales poco
solubles consideradas, e índice relativo de corrosión (IRC)
calculados con el software Adic-ionic
Compuesto
% alcanzado ISS máximo
admisible
CaCO3
5937%
Mg(OH)2
0.4%
Zn(OH)2
0%
Ca3(PO4)2
3.9%
CaSO4
3.7%
MgCO3
0.5%
Parámetro
% alcanzado del máximo
admisible
IRC
80.5%
Tabla 4. Condiciones de operación determinadas por
Adic-ionic para la solución propuesta
Parámetro
Valor
Unidades
Factor de concentración
3
--
pH del agua de recirculación
8,94 (libre)
--
Industria Química 31
TRATAMIENTO DE AGUAS
Tabla 5. Porcentajes alcanzados de los índices de
sobresaturación máximos admisibles de las sales poco
solubles consideradas e índice relativo de corrosión para
la solución propuesta por el software Adic-ionic
Compuesto
% alcanzado ISS máximo
admisible
CaCO3
83.8%
Mg(OH)2
0.2%
Zn(OH)2
0%
Ca3(PO4)2
0.1%
CaSO4
1.3%
MgCO3
0,2%
Parámetro
% alcanzado del máximo
admisible
IRC
7.2%
de tratamiento a emplear. El Adiclene 526 no sólo inhibe
eficazmente la precipitación del carbonato de calcio sobre
las superficies de intercambio, sino que, además, incluye
en su formulación agentes anticorrosivos adecuados para
la protección de los materiales de la instalación de estudio.
Entre éstos, un inhibidor de corrosión específico para el cobre presente en los intercambiadores de calor del sistema.
Al comparar los resultados iniciales (Tabla 3) y los obtenidos al simular el tratamiento propuesto por Adic-ionic (Tablas 4 y 5), se puede observar que la utilización de Adiclene
526 no sólo permite reducir el porcentaje alcanzado del
índice máximo de sobresaturación del carbonato de calcio
respecto la situación inicial, sino que, además, lo consigue
incluso aumentando en un 33% el factor de concentración
de trabajo.
El tratamiento en base a Adiclene 526 propuesto por el
software Adic-ionic se implementó a inicios del año 2012,
llevando a una reducción considerable de la media de alarmas de alta temperatura en la sala por mes de aproximadamente 30 a 3-4 avisos (Figura 7). Cabe destacar que, como
consecuencia de tareas de ampliación del centro, durante
2012 la gran mayoría de las alarmas originadas por fallo tér-
Además de evitar las problemáticas derivadas de la
química del agua, Adic-ionic ha permitido establecer
un régimen de operación de la instalación que ha
supuesto un ahorro superior al 15% en el consuno
de agua de reposición respecto de la situación inicial
32 Industria Química
Figura 7. Número de alarmas por alta temperatura
generadas por mes durante el año 2012 en la sala
refrigerada objeto de estudio. La línea discontinua
roja señala la media de alarmas por mes del año 2011,
mientras que la línea discontinua negra señala la
media del 2012
mico fueron debidas a cortes eléctricos. Durante las paradas
por mantenimiento se inspeccionó el estado de los tubos de
circulación de agua en su punto de máxima temperatura,
revelando una ausencia de incrustaciones de carbonato de
calcio.
CONCLUSIONES
Adic-ionic es una herramienta de cálculo riguroso de los
equilibrios químicos e iónicos para un agua determinada.
Aplicada a situaciones reales, Adic-ionic permite simular el
comportamiento de dicha agua en un circuito de enfriamiento evaporativo, con el objetivo de predecir las condiciones
óptimas de funcionamiento de la instalación y el tratamiento
químico adecuado que minimicen el riesgo de formación de
incrustaciones y la ausencia de fenómenos de corrosión al
mayor factor de concentración posible. En el caso estudiado,
la implementación del tratamiento basado en Adiclene 526
(Adiquimica, S.A.) propuesto por el programa ha permitido
mantener el circuito en perfecto estado de funcionamiento.
Además de evitar las problemáticas derivadas de la química
del agua, Adic-ionic ha permitido establecer un régimen de
operación de la instalación que ha supuesto un ahorro superior al 15% en el consumo de agua de reposición respecto
de la situación inicial.
Bibliografía
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Septiembre 2013