Control de incrustaciones en evaporadores: causas, limpieza y prevención
El control eficaz de incrustaciones es la diferencia entre un tren que mantiene su capacidad de diseño durante años y uno que pierde 15–30% en semanas: una capa de 1 mm de sulfato de calcio añade resistencia suficiente para recortar el servicio en esa proporción a ΔT constante (ilustrativo). Esta guía cubre la química de la incrustación, el diagnóstico, la limpieza y la prevención en todos los tipos de evaporador.
Conclusiones clave
- Una capa de 1 mm de CaSO4 puede recortar la capacidad 15–30% a ΔT constante (ilustrativo).
- Identifique primero el depósito: carbonato, sulfato, sílice y sales de sodio exigen respuestas distintas.
- El coeficiente global de transferencia (U) es su instrumento de alerta más temprano: siga su tendencia semanalmente.
- La prevención —siembra, antincrustante, pH, purga, ablandamiento aguas arriba— siempre supera la limpieza repetida.
- La circulación forzada y una densidad de suspensión correcta llevan la incrustación fuera de los tubos.
Qué es la incrustación y por qué mata la capacidad
La incrustación es un depósito duro y adherente de sales inorgánicas poco solubles que crece sobre las superficies de transferencia cuando el licor junto a la pared se sobresatura. Se distingue del lodo o de la cristalización suelta en otras partes del circuito: se forma exactamente donde el flujo de calor es mayor, donde menos puede permitirse un aislante. Es una capa de sólido de baja conductividad —aproximadamente 1–3 W/(m·K), frente a ~16 W/(m·K) del acero inoxidable— en serie con la ruta de transferencia, así que incluso capas finas dominan el presupuesto de resistencia.
La aritmética no perdona. El coeficiente global U combina resistencias de película, pared y ensuciamiento; añada una resistencia de ensuciamiento de 0.3–0.5 m²·K/kW y un U sano de 2000 W/(m²·K) se derrumba hacia 1200–1400 W/(m²·K) (ilustrativo, orden de magnitud). A área y ΔT constantes, el servicio cae en proporción. Los operadores entonces suben la temperatura del vapor —lo que empeora muchas incrustaciones— o aceptan capacidad perdida.
La incrustación también ataca vía la elevación del punto de ebullición (BPE): la diferencia entre el licor y su punto de ebullición crece al concentrarse, así que un efecto ensuciado y sobreconcentrado entrega menos ΔT efectivo por unidad de vapor. La energía por tonelada evaporada sube.
Química: identifique el depósito antes de pelear
| Familia | Especies clave | Comportamiento de solubilidad | Ubicación típica |
|---|---|---|---|
| Carbonato | CaCO3 (calcita, aragonito) | Inversa con la temperatura; precipita donde pH y temperatura suben juntos | Precalentadores, primeros efectos, paredes de baja velocidad |
| Sulfato de calcio | CaSO4 como yeso, hemihidrato, anhidrita | Retrógrada por encima de ~40–60 °C; inversión a fases más duras en salmuera caliente concentrada | Tubos de calandria, cámaras de flash, cuerpos de cristalizador |
| Sílice y silicatos | SiO2 polimerizado, silicatos de magnesio | La sílice amorfa polimeriza por encima de ~120–150 mg/L (según temperatura y pH); no se elimina por dilución | Paredes calientes, zonas de pH alto, efectos finales |
| Sales de sodio | NaCl, Na2SO4, Na2CO3 | Solubilidad normal; sólo se depositan al superar la saturación | Cuerpos de cristalizador, piernas barométricas, bombas |
| Silicatos de magnesio | Fases Mg–Si tipo serpentina | Se forman a pH elevado cuando coexisten Mg2+ y sílice; duros, adherentes, lentos al ácido | Paredes calientes de tubos en licores alcalinos |
El carbonato es el enemigo más amable: su solubilidad cae al subir la temperatura y al despojarse el CO2 del licor alcalino, por lo que se deposita en precalentadores y primeros efectos. Responde rápido a una limpieza ácida inhibida y se previene con dosificación modesta de ácido o antincrustante. Si la incrustación efervece vigorosamente en ácido clorhídrico diluido en el banco, probablemente sea carbonato.
El sulfato de calcio es el serio. La solubilidad del yeso (CaSO4·2H2O) alcanza su máximo cerca de 40 °C y luego declina, así que un evaporador caliente es territorio de sobresaturación garantizada. Peor: en salmuera concentrada el yeso puede invertir a hemihidrato y finalmente a anhidrita, fases más densas y duras que el ácido apenas toca. La incrustación de sulfato rara vez se redisolvió en servicio: hay que prevenirla o retirarla mecánicamente.
La sílice es la más obstinada. El SiO2 disuelto es estable por debajo de ~120–150 mg/L a pH moderado (regla práctica ilustrativa; la solubilidad real sube con temperatura y pH), pero una vez que empieza la polimerización forma un depósito vítreo unido covalentemente que ningún ácido rutinario ataca. Los silicatos de magnesio agravan el problema en licores alcalinos. Por eso la gestión de sílice es un problema de control —mantener el SiO2 disuelto bajo el umbral de polimerización y purgarlo— y no de limpieza.
Las sales de sodio se comportan distinto: su solubilidad es normal (sube con la temperatura), así que ensucian sólo cuando el licor se lleva más allá de la saturación. En un cristalizador eso es precisamente la intención; el arte está en hacer crecer los cristales en suspensión y no en las paredes.
Por qué vuelve tras cada lavado y cómo diagnosticarlo
Si la incrustación reaparece en semanas, el lavado nunca fue el problema: lo es la sobresaturación. Vuelve cuando al menos uno de cinco motores sigue sin atender: sobresaturación local en la pared —el licor que hierve contra una pared caliente se concentra en una microla capa; incluso un licor holgadamente por debajo de la saturación global puede estarlo en la pared si el flujo de calor es alto o la circulación pobre—; especies de solubilidad inversa, que se vuelven menos solubles o polimerizan al subir la temperatura, de modo que cada grado extra de vapor empuja más hacia la pared; cristales semilla y superficies rugosas, porque una superficie ya incrustada —o picada— nuclea crecimiento nuevo más rápido que el metal limpio; baja velocidad y zonas muertas, ya que la circulación forzada existe justamente para mantener los tubos llenos y suprimir la ebullición dentro de ellos (por debajo de ~2 m/s en tubos, ilustrativo, empieza la ebullición interna y el depósito), y una inmersión insuficiente sobre la bomba produce el mismo fallo; y factor de concentración sin control, pues si la purga no sigue el ritmo de dureza y sílice de la alimentación, el licor trepa hacia la saturación y cada pared se vuelve sitio de cristalización.
La conclusión incómoda: la limpieza quita el síntoma y sólo los cinco controles quitan la causa. Por eso el antincrustante solo rara vez rescata un tren mal diseñado u operado: ningún aditivo gana la carrera a la sobresaturación en la pared.
Diagnóstico con datos: calcule U normalizado cada semana y compárelo con la línea base limpia; una caída de más de ~10–15% (disparador ilustrativo) indica ensuciamiento material. 1. Separe la deriva de ΔT de la decadencia de U: si la temperatura del lado vapor sube con concentración constante, hay resistencia por ensuciamiento; si ΔT está estable pero la BPE subió, hay sobreconcentración, que es otro arreglo. 2. Localice el efecto: incrustación sólo en el primero apunta a especies dependientes de temperatura; en los finales, a especies dependientes de concentración; sólo en precalentadores, a carbonato. 3. Muestree y caracterice: efervescencia en ácido diluido (carbonato), hábito cristalino por microscopio o XRD (lascas de yeso frente a placas de anhidrita) y análisis de SiO2 y Mg. Media hora de caracterización ahorra semanas de química equivocada. 4. Audite el balance de agua: dureza (Ca2+, Mg2+), sulfato, sílice y alcalinidad frente a purga y factor de concentración, y calcule los índices de saturación a la temperatura real. 5. Revise el registro mecánico: rendimiento de la bomba de circulación, velocidad estimada en tubos y nivel sobre la succión.
Prevención: seis controles antes de recurrir a químicos
- Arregle primero la superficie: circulación forzada y siembra. Donde dominan sales de solubilidad inversa, mantenga la ebullición fuera de los tubos: el evaporador de circulación forzada los mantiene inundados a alta velocidad, de modo que la cristalización ocurre en la zona de ebullición del cuerpo o, mejor, sobre cristales semilla circulados cuya superficie total empequeñece la de las paredes. El control de densidad de suspensión (típicamente 10–25% en peso de sólidos en servicio de cristalización, ilustrativo) es el seguro más barato disponible.
- Dosifique antincrustante donde la química lo permita. Es un inhibidor de umbral que se adsorbe en las caras cristalinas en crecimiento y las distorsiona, retrasando la precipitación. Las dosis típicas son 1–10 mg/L (rango ilustrativo; confirme con el proveedor). Los productos de fosfonato y poliacrilato funcionan bien contra carbonato y sulfato moderado; ninguno vence la polimerización de sílice ni la cristalización masiva de sal de sodio.
- Controle el pH donde carbonato y sílice se compensan. Una dosificación modesta de ácido convierte la alcalinidad carbonatada en CO2 y mantiene el CaCO3 disuelto, pero empuja la sílice hacia la polimerización. El pH óptimo es un compromiso medido por licor, no un número de manual; registre ambos índices en cada valor de consigna candidato.
- Purgue con criterio. Una purga controlada mantiene calcio, sulfato y sílice bajo sus umbrales de sobresaturación en la pared. Dimensiónela desde el balance de masa, automatícela con señal de conductividad o densidad y, sobre todo, protégala de reducciones manuales puntuales. La mejora más barata suele ser reponer la purga que alguien recortó.
- Suavice aguas arriba. El ablandamiento cal-sosa, el intercambio iónico o la nanofiltración eliminan calcio y magnesio antes de que lleguen al tren. Para alimentaciones con sílice alta, el ablandamiento en caliente con coprecipitación de magnesio es el pretratamiento estándar. Cada mg/L de dureza retirado es un mg/L que no necesita antincrustante, purga ni limpieza.
- Diseñe el servicio de cristalización en el equipo. Cuando el evaporador también es cristalizador —sulfato de sodio, carbonato de sodio, servicios con cloruro— el cuerpo de vapor, el tubo de tiro y el lazo de remoción de finos deben diseñarse para el crecimiento controlado de cristales, no como añadido.
Las plantas que implantan juntos los puntos 1, 4 y 5 suelen extender los intervalos de limpieza de semanas a trimestres (ilustrativo) antes de gastar más capital.
Limpieza, solución de problemas y costo
| Método | Mejor contra | Ciclo típico | Precauciones clave |
|---|---|---|---|
| CIP ácido (cítrico o sulfámico inhibido) | CaCO3, yeso ligero | 12–48 h por efecto | Verificar metalurgia e inhibidor; nunca mezclar ácido con hipoclorito |
| CIP alcalino/complejante (NaOH con EDTA) | Sílice, silicatos de magnesio, película orgánica | 24–72 h | Manejo de pH alto; neutralización de efluente |
| Mecánico (varillado, cepillado, taladrado) | Sulfato duro y anhidrita en tubos | Pasa a días | Riesgo de dañar la pared; reglas de espacio confinado |
| Chorro de agua a alta presión (hasta ~1000 bar) | Depósitos densos y tenaces, tubos parcialmente bloqueados | Pasa a días | Zonas de exclusión; sólo operadores certificados |
Procedimiento CIP correcto: confirme depósito y metalurgia disolviendo una muestra en el químico candidato a la temperatura de limpieza y verificando cada parte húmeda contra la hoja de datos; aísle y asegure el efecto con bloqueo de accionamientos y venteo; llene y circule a la temperatura de diseño con caudal equivalente al de operación —un remojo estancado es una fracción de eficaz—; vigile pH y, en lavados ácidos, el calcio disuelto, y detenga cuando la curva se aplane, porque seguir circulando ácido gastado significa que el ácido empieza a trabajar sobre el acero; enjuague hasta pH neutro y neutralice el efluente según su permiso; y verifique la recuperación recalculando U en el primer turno. Si U recupera menos de ~90% de la línea base (ilustrativo), la resistencia restante es probablemente sulfato o sílice que esa química no toca: programe limpieza mecánica en lugar de repetir un lavado inútil. Registre masa retirada, volúmenes, tiempos y U antes y después: tras dos o tres ciclos ese registro es su modelo de velocidad de ensuciamiento.
Modos de falla frecuentes: capacidad que se desvanece en dos a cuatro semanas tras cada lavado (sobresaturación persistente por purga o velocidad perdidas); U del primer efecto cayendo rápido con los siguientes estables (incrustación por temperatura: inversión de yeso a anhidrita o carbonato con flujo alto); película vítrea que el ácido no toca (SiO2 polimerizado, a veces con silicato de magnesio); tubos que se incrustan sólo desde un aumento de producción (velocidad e inmersión bajo diseño, con ebullición dentro del tubo); incrustación que vuelve más rápido justo después de limpiar (superficies rugosas por limpieza agresiva que actúan como sitios de nucleación); paredes del cristalizador incrustadas con suspensión limpia (densidad de suspensión demasiado baja); y incrustación tras cambiar la fuente de agua o un reactivo (nueva carga de dureza, sulfato o sílice que alteró el balance).
| Elemento de costo | Planta sin control | Planta controlada | Base |
|---|---|---|---|
| Capacidad de evaporación perdida por ensuciamiento | 15–30% | <5% | Decadencia de U a ΔT constante (ilustrativo) |
| Frecuencia de limpieza química completa | Cada 2–6 semanas | Cada 3–6 meses | Experiencia de campo (ilustrativo) |
| Vapor por tonelada evaporada | Elevado 5–15% | Base | Subida de BPE más resistencia por ensuciamiento |
| Vida de los tubos | Reducida a la mitad por limpiezas agresivas | Vida de diseño | Daño mecánico y corrosión bajo depósito |
| Producción diferida, una parada de un mes | Todo el margen de la campaña | Rara vez necesaria | Un evento de ensuciamiento al año (ilustrativo) |
Dos merecen énfasis. Primera: la penalización energética es continua, porque una planta que opera 10% por debajo de su U limpio paga ese 10% en vapor cada hora. Segunda: el costo de producción diferida de una parada de emergencia empequeñece todo el presupuesto anual de limpieza en la mayoría de los sitios, lo que convierte el control de incrustaciones en un seguro de producción y no en un gasto operativo.
Preguntas frecuentes
¿Qué espesor de incrustación realmente importa?
La pérdida significativa de capacidad empieza mucho antes de que la incrustación sea visible. Una capa de 0.5 mm ya añade resistencia apreciable; a 1 mm de CaSO4 un tren típico pierde 15–30% del servicio de diseño a ΔT constante (ilustrativo). Como la conductividad de la incrustación es 5–15 veces menor que la del acero inoxidable, los depósitos finos dominan el presupuesto de resistencia: siga U semanalmente en lugar de esperar a verla.
¿Cómo elimino la incrustación de sílice?
Ningún químico lo hace de forma fiable en el sentido de «disolver y drenar». El SiO2 polimerizado es atacado lentamente por sosa caliente con agentes complejantes (por ejemplo NaOH con quelantes tipo EDTA), y aun así la remoción es parcial; la limpieza mecánica o con agua a alta presión suele terminar el trabajo. Por eso la sílice se gestiona manteniendo el SiO2 disuelto por debajo de su umbral de polimerización —del orden de 120–150 mg/L como regla— y no con química de limpieza.
¿Vale la pena la circulación forzada con un licor incrustante?
Para licores de solubilidad inversa y cristalizantes, normalmente sí. Mantiene los tubos inundados y rápidos (por encima de ~2 m/s, ilustrativo) y desplaza la ebullición y la cristalización al cuerpo de vapor, donde la superficie cristalina la aporta la suspensión y no la pared. Cuesta potencia de bombeo, pero las plantas convertidas desde circulación natural suelen reportar intervalos de limpieza que pasan de semanas a trimestres (ilustrativo).