desaireador mecanico - ensayos de colegas - jmlopezp01
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Desaireador Mecanico
DISEO Y FABRICACIN DE UN DESAIREADOR MECNICO PARA UNA
CALDERA DE VAPOR
1. Introduccin
Uno de los puntos importantes en el tratamiento interno del agua de un
generador de vapor, es sin lugar a dudas, el tema: incrustacin. Ante las
exigencias impuestas por el creciente desarrollo alcanzado por la industria ha
trado como consecuencia la necesidad de ejercer controles cada vez ms
estrictos sobre los procesos incrustantes y corrosivos a que da lugar el agua
destinada a la alimentacin de generadores de vapor, destinadas a comunicar
al agua los valores qumicos necesarios para lograr su estabilizacin,
independientemente de que haya sufrido tratamientos externos parciales o
totales.
La desaireacin mecnica eficiente reduce el oxgeno disuelto a niveles muy
bajos.
Los principales problemas de los gases en el agua en una caldera de vapor
son los siguientes:
Aparicin en el sistema pre-caldera y caldera por la presencia de oxgeno
disuelto en el agua de alimentacin.
Corrosin en la lnea de vapor condensado por la presencia de anhdrido
carbnico debido a la descomposicin trmica en caldera de carbonatos y
bicarbonatos.
Incrustaciones por presencia de dureza en el agua de alimentacin.
Se pueden dar algunas soluciones a estos problemas: tratamiento propuesto
Prevencion de la corrosion en caldera mediante la aplicacin del producto
qumicos como sulfito catalizado que asegura un secuestro casi instantneo de
oxgeno. Su control se realiza mediante la determinacin de sulfito residual
libre en el agua de caldera debiendo estar comprendido entre 30 y 40 ppm.
Prevencion de la corrosion en el circuito de vapor condensado mediante la
aplicacin del producto quimico, compuesto por una mezcla de aminas para
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neutralizar el bajo pH del condensado. Su control es sencillo mediante la
determinacin del pH del condensado, el cual debe estar comprendido entre
8,3 - 9.
Prevencion de incrustaciones en el interior de caldera mediante la aplicacin
del producto quimico para evitar incrustaciones producidas por dureza en el
agua de aporte, produciendo una precipitacin controlada que eliminaremos
en la purga.
Las ventajas del programa de tratamiento
Eliminacin total del oxigeno evitando su efecto corrosivo sobre el circuito.
Eliminacin del dixido de carbono evitando la aparicin de picaduras.
Ajuste del pH en el agua de alimentacin al recuperar condensado.
Prevencin de las incrustaciones mejorando el rendimiento energtico de la
caldera.
Ahorro de agua, optimizando la purga en caldera.
2. Operacin de la caldera
La mayora de las Industrias y muchos establecimientos comerciales necesitan
vapor. El vapor es empleado en las fabricas textiles para producir, formar y
teir los productos. Las tintoreras emplean vapor para planchar la ropa. Las
compaas empacadoras y de alimentos emplean vapor para cocinar y
procesar alimentos. Las panaderas preparan el pan con vapor. Las
cerveceras emplean vapor para producir la cerveza. Las calderas son
frecuentemente empleadas para calentar agua en hoteles, hospitales,
lavanderas y grandes construcciones. Este opera muchas de las turbinas
empleadas para producir energa elctrica. Como regla general, las grandes
fbricas u operaciones industriales, son los mas adecuados lugares que hay
para buscar uno o mas generadores de vapor en operacin.
2.1. Produccin de vapor
La mayora de las calderas o generadores de vapor tienen muchas cosas en
comn. Normalmente en el fondo esta la cmara de combustin o el horno en
donde es mas econmico introducir el combustible a travs del quemador en
forma de flama. El quemador es controlado automticamente para pasar
solamente el combustible necesario para mantener la presin en el vapor
deseada. La flama o el calor es dirigido o distribuido a las superficies de
calentamiento, que normalmente son tubos, fluxes o serpentines. En algunos
diseos el agua fluye a travs de los tubos o serpentines y el calor es aplicado
por fuera, este diseo es llamado Calderas de tubo de agua. En otros
diseos de calderas, los tubos o fluxes estn sumergidos en el agua y el calor
pasa en el interior de los tubos, estas son llamadas Calderas de tubos de
humo. Si el agua es sujeta tambin a contacto con el humo o gases calientes
mas de una vez, la caldera es de doble, triple o mltiples pasos.
El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua se vaporiza y es
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El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua se vaporiza y es
colectada en una o varias cmaras o tambores. El tamao del tambor
determina la capacidad de produccin de vapor. En la parte superior del
tambor de vapor se encuentra la salida o el llamado Cabezal de vapor, desde
donde el vapor es conducido por tuberas a los puntos de uso. En la parte
superior del hogar mecnico se encuentra una chimenea de metal o de ladrillo,
la cual conduce hacia fuera los productos de la combustin como gases. En el
fondo de la caldera, normalmente opuesto del hogar mecnico, se encuentra
una vlvula de salida llamada purga de fondo. Por esta vlvula salen del
sistema la mayora del polvo, lodos y otras sustancias no deseadas, que son
purgadas de la caldera.
En conjunto a la caldera existen mltiples controles de seguridad, para aliviar la
presin si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua
es demasiado bajo o para automatizar el control de nivel del agua. Un tubo de
vidrio con una columna de agua generalmente se incluye , para mostrarle al
operador el nivel interno del agua en la caldera.
2.2. Agua de alimentacin a la caldera
El agua de alimentacin a la caldera es comnmente almacenado en un
tanque, con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera, una
vlvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, una bomba de alta
presin empuja el agua hacia adentro de la caldera, se emplean bombas de
presin debido a que generalmente las calderas operan a presiones mucho
mas elevadas que las que encontramos en los tanques de agua. Vapor limpio
es agua pura en forma de gas, cuando el vapor se enfra se condensa y es
agua pura, normalmente conocida como condensados. Normalmente estos
condensados contienen una gran cantidad de calor que puede ser empleada.
Estos condensados son casi perfectos como make-up o alimentacin a la
caldera una vez que ha sido desgasificada para eliminar los gases disueltos
como el oxigeno.
Esto siempre y cuando es posible si los condensados son retornados a la
caldera y
colectados en un tanque conocido como tanque de condensados. Cuando el
condensado es recuperado en un tanque de este tipo, generalmente se elimina
del diseo el tanque del make-up .
En algunas instalaciones, el retorno de condensados puede llegar a ser del
99% casi supliendo el agua de make-up. A mayor porcentaje de recuperacin
de condensados ser menor el agua de alimentacin a la caldera o make-up.
Hay otras instalaciones que probablemente requieran emplear el 100% de
make-up, esto puede ser por varias razones, como que el condensado no se
puede recuperar o que el condensado esta contaminado por alguna parte del
proceso.
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proceso.
2.3. Presiones en la de caldera
La temperatura y la presin en la operacin de cada caldera definitivamente
estn
relacionadas, como se muestra en la siguiente tabla:
A presin atmosfrica normal el agua tiene un punto de ebullicin a 100C, a
mayor presin el punto de ebullicin se incrementa, hasta alcanzar un mximo
punto de ebullicin a 374C a una presin de 3200 libras/pulgada2 (220.63
bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como liquido.
2.4. Capacidades de caldera
Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de vapor que ellas
pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta temperatura. Las
calderas mas grandes producen 1000,000 de libras por hora o son
catalogadas en base a 1 caballo de fuerza o caballo vapor caldera por cada
34.5 libras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra definicin es 1
caballo de fuerza por cada 10 pies2 de superficie de calentamiento en una
caldera de tubos de agua o 12 pies2 de superficie de calentamiento en una
caldera de tubos de humo.
3. Control de la calidad de agua
3.1. Consideraciones en el agua de alimentacin
Las calderas necesitan pre tratamiento externo en la alimentacin del agua o
make-up dependiendo del tipo de caldera, la presin de operacin, o del
sistema total. Tratamiento qumico interno es necesario, dependiendo del
tratamiento externo del agua. El tratamiento externo del agua reduce la
dosificacin de productos qumicos y los costos totales de operacin. Esta
publicacin esta enfocada principalmente a la reduccin de Dureza Total en el
agua mediante equipos de intercambio inico. Los Slidos Disueltos Totales y
la Alcalinidad son tambin muy importantes.
3.2. Control de slidos disueltos totales
Cuando el agua es evaporada y se forma vapor, los minerales o slidos
disueltos y suspendidos en el agua, permanecen dentro de la caldera. El agua
de reposicin contiene una carga normal de minerales disueltos, estos hacen
que se incrementen los slidos disueltos totales dentro de la caldera. Despus
de un periodo de tiempo los slidos disueltos totales (TDS) alcanzan niveles
crticos dentro de la caldera. Estos niveles en calderas de baja presin se
recomienda que no excedan 3500 ppm (partes por milln o miligramos por
litro). TDS por encima de este rango pueden causar espuma, lo que va a
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litro). TDS por encima de este rango pueden causar espuma, lo que va a
generar arrastres de altos contenidos de TDS en las lneas de vapor, las
vlvulas y las tramas de vapor. El incremento en los niveles de TDS dentro de
la caldera es conocido como ciclos de concentracin, este termino es
empleado muy seguido en la operacin y control de la caldera. El agua de
alimentacin que contiene 175 ppm de TDS puede ser concentrada hasta 20
veces para alcanzar un mximo de 3500 ppm. Para explicar mejor los ciclos de
concentracin empleamos el siguiente ejemplo, si nosotros tenemos 20
botellas de un galn, cada una de ellas contiene 175 ppm de TDS y 19 de
estas botellas
es evaporado, dejando el contenido de slidos de 175 ppm de cada uno
dentro de la ultima botella de agua, la mezcla de las sales de las 19 botellas
con la ultima botella de agua nos dar como resultado 20 ciclos de
concentracin. Recordemos que la mxima cantidad recomendada de slidos
disueltos totales TDS en una caldera de baja presin es de 3500 ppm. En
calderas de mayores presiones de operacin los lmites de TDS disminuyen en
relacin a la presin de operacin. En el tema Sumario de la Calidad del
Agua (adelante en esta seccin) encontraremos la Tabla A en donde se ilustra
este factor.
Para controlar los niveles mximos permisibles de TDS, el operador debe de
abrir en forma peridica la vlvula de purga de la caldera. La purga es el
primer paso para el control del agua en la caldera y esta debe de ser en
periodos o intervalos de tiempo. La frecuencia es dependiendo la cantidad de
TDS en el agua de reposicin y de la cantidad de agua de reposicin
introducida. En calderas grandes o ms crticas las purgas deben de ser
automticas o continuas.
3.3. Control de alcalinidad
Adicionalmente al control de los ciclos de concentracin de los TDS, la
alcalinidad debe de ser considerada con mucha precaucin. Los niveles de
alcalinidad cuando se tienen calderas de baja presin, no deben de exceder
las 700 ppm. La presencia de alcalinidad por encima de los 700 ppm puede
resultar en un rompimiento de los bicarbonatos produciendo carbonatos y
liberando CO2 (dixido de carbono) libre en el vapor. La presencia de CO2 en
el vapor generalmente se tiene como resultado un vapor altamente corrosivo,
causando daos por corrosin en las lneas de vapor y retorno de
condensados.
El nivel de alcalinidad generalmente controla el total de ciclos de concentracin
en la caldera. Si el agua de reposicin contiene 70 ppm de alcalinidad total en
una caldera que no deba de exceder la concentracin de 700 ppm se podr
operar a 10 ciclos de concentracin (700 ppm / 70 ppm = 10 ciclos).
Revisando el ejemplo previo si se considera que esta caldera no debe de
exceder los 3500 ppm de TDS en el interior de la caldera, y si el agua de
reposicin tiene 175 ppm de TDS esto significa que en base a TDS el agua
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puede operar a 20 ciclos de concentracin (3500 ppm / 175 ppm = 20 ciclos).
Pero si nosotros basamos nuestros ciclos de concentracin en los TDS, la
alcalinidad en el interior de la caldera alcanzara los 1400 ppm (70 ppm de
alcalinidad X 20 ciclos = 1400 ppm), se exceder el lmite de los 700. Por lo
tanto la purga en la caldera en este ejemplo deber de ser realizada en base a
la alcalinidad y no en base a los TDS. Debe de ser obvio que es mejor tener
menor purga en la caldera o mayor nmero de ciclos de concentracin (la
purga se convierte en perdida de calor y energa) por lo tanto en
algunas ocasiones un Dealcalinizador debe de ser empleado. La reduccin de
la
alcalinidad puede hacer que el control de la purga y los ciclos de concentracin
se realice en base a los niveles de TDS.
La dealcalinizacin es un proceso por el cual el agua suavizada es pasada
hacia una unidad que contiene resina aninica. La resina aninica remueve
aniones como sulfatos, nitratos, carbonatos y bicarbonatos, estos aniones son
reemplazados por cloruros. Sal (cloruro de sodio) es empleada para regenerar
la resina aninica cuando esta se satura. La necesidad de emplear agua
suavizada en el equipo Dealcalinizador es por el peligro de precipitacin de
carbonato de calcio y de hidroxido de magnesio en la cama del
Dealcalinizador. Por lo cual, la cama de intercambio inico del anin obstruir
con materia suspendida. Esto es por que la resina del Dealcalinizador es mas
ligera que la convencional de un suavizador, por lo tanto el retrolavado es
mucho menor y este es insuficiente para remover la materia suspendida.
Emplear un suavizador como pre tratamiento sirve adems de eliminar la
dureza del agua como proteccin al Dealcalinizador.
La concentracin permitida en el interior de la caldera de TDS al igual que de
alcalinidad va disminuyendo a medida que la capacidad de las caldera de
presin se va incrementando. Esto se puede observar en la Tabla A incluida en
el sumario de calidad de agua.
3.4. Control de dureza total
La dureza del agua es debida principalmente a la presencia de cationes de
calcio y magnesio. El fierro y el manganeso deberan ser incluidos en la
definicin de dureza, pero debido a la cantidad de estos constituyentes en la
mayora de las aguas crudas son pequeas, se considera solo los cationes ya
citados. En la mayora de las aguas naturales el calcio excede al magnesio
(generalmente la proporcin calcio magnesio es de 2:1).
Clasificacin ppm
Suave 0 75
Poco dura 75 150
Dura 150 300
Agua muy dura ms de 300
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Hasta ahora hemos descrito en pocas palabras lo correspondiente a la
concentracin de TDS y alcalinidad dentro de la caldera, el tratamiento y efecto
de la dureza total en el agua debe de ser revisada al detalle.
La formacin de incrustacin en las superficies de la caldera es el problema
mas serio encontrado en la generacin de vapor.
La primera causa de la formacin de incrustacin, es debido al hecho de que
la solubilidad de las sales decrece a medida de que se incrementa la
temperatura aumentando la facilidad de precipitacin. Consecuentemente, la
alta temperatura (y presin) en la operacin de las calderas, las sales se
vuelven mas insolubles, la precipitacin o incrustacin aparece. Esta
incrustacin puede ser prevenida de ser formada en las calderas mediante el
empleo de un tratamiento externo. (suavizador). Como sea para alcanzar un
alto grado de eficiencia, se recomienda el control de la duraza antes de entrar
a la caldera, el suavizador en si mismo es un medio muy adecuado para
proteger a la caldera de incrustacin. El uso de tratamiento internos (productos
qumicos), son empleados como complementos, para mantener un control de la
incrustacin en la caldera altamente efectivo. En todos los casos, se tendr un
pequeo remanente de dureza en el agua de alimentacin a la caldera, incluso
en el agua suavizada, adems de encontrar otras sales presentes. Por lo tanto
el uso productos qumicos para el tratamiento de la caldera es necesario. La
presencia de incrustacin en la caldera es equivalente a extender una pequea
capa de aislamiento a lo largo y en toda el rea de calentamiento, esta
material aislante trmico va a retardar y/o impedir la transferencia del calor,
causando prdidas de eficiencia en la caldera, por lo tanto incrementa el
consumo de energa.
Adems, mas importante que el efecto de prdida en la transferencia de calor
e incremento en consumo de energa, es que la incrustacin puede causar un
sobre calentamiento en el metal de los tubos de la caldera, generando fallas de
rompimiento en los tubos. Este problema requiere una costosa reparacin
adems de tener que sacar a la caldera del servicio. En las calderas modernas
con alta eficiencia de transferencia de calor, la presencia e incluso
extremadamente delgada de incrustacin, puede causar una muy seria
elevacin de la temperatura en los tubos de metal. La cubierta de incrustacin
retarda el flujo de calor del horno hacia el agua para generar vapor, esta
resistencia al calor resulta en un rpido incremento en la temperatura del metal
al punto en donde se presenta la falla. El posible dao causado en la caldera
no es solo costoso, adems es muy peligroso debido a que la caldera opera a
presin.
3.5. Sumario de la calidad de agua
Se da a continuacin en resumen la calidad del agua en TDS (slidos disueltos
totales) ,alcalinidad y dureza.
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totales) ,alcalinidad y dureza.
Slidos Disueltos Totales (TDS)
La concentracin mxima de TDS en una caldera de baja presin es 3500
ppm.
Alcalinidad
La concentracin mxima de alcalinidad en una caldera de baja presin es
700 ppm.
Dureza
La dureza mxima permitida en cualquier caldera, debe de ser prcticamente
cero ppm.
Obviamente en la presente tabla, se indica que a mayor presin en una
caldera, el proceso y la necesidad de tener mejor calidad de agua es
necesario.
4. Control del oxigeno disuelto
4.1. Objetivos del control del oxigeno disuelto
Los buenos resultados del tratamiento de agua en sistemas cerrados como
calderas de vapor, sistemas de calentamiento y enfriamiento de agua tienen
tres requerimientos fundamentales que deben ser conocidos:
La concentracin de oxigeno disuelto debe ser controlado para reducir la
probable de clulas de oxigeno corrosivo y puede resultar perforaciones en la
superficie.
El pH debe ser mantenido lo suficientemente alto para minimizar la corrosin
general del acero, pero tampoco tan alto porque podra producirse ataques
custicos.
Un sistema de tratamiento externo debe tener lugar para minimizar el ingreso
de disueltos y slidos en suspensin y/o un sistema de tratamiento interno
debe ser usado para el control de estas partculas.
El valor especificado por la mayora de fabricantes, la concentracin de
oxigeno en el agua de alimentacin de calderas o sistemas cerrados
calentamiento, enfriamiento deben ser mantenidos por debajo de 5 10 ppb.
Conseguir este bajo nivel de oxigeno debe de requerirse de la combinacin de
mtodos mecnicos y qumicos.
4.2. Qumica del oxigeno disuelto
El oxigeno disuelto es una medida de la cantidad de oxigeno, usualmente
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El oxigeno disuelto es una medida de la cantidad de oxigeno, usualmente
considerado como un gas, que esta disuelto en un lquido tal como el agua. El
oxigeno es esencial para la vida y es el elemento ms comn que toma parte
en las reacciones qumicas. Es esta reaccin de corrosin que abastece la
principal necesidad de rastrearlo por medio de los analizadores de oxigeno
disuelto. El oxigeno disuelto puede ser considerado como el sustento
necesario para los procesos de corrosin a comenzar.
El oxigeno el altamente corrosivo cuando esta disuelto en agua.
Mecnicamente los depsitos de xidos de metal duros y porosos tiene
pequea fuerza y forma rpidamente la presencia de agua y oxigeno, el
aspecto ms serio de la corrosin de oxigeno es que ocurre clulas que
pueden producir perforaciones (concavidades). La perforacin (concavidad) es
una concentraciones de corrosin en una pequea rea del total de la
superficie del metal que efectivamente taladra un pequeo xido de metal
llenado en el metal. El hoyo perforado que puede producir fallas aun solo
cuando una cantidad de metal ha sido perdida y la proporcin de corrosin es
baja. La corrosin progresar dentro de la caldera de vapor de uso industrial a
menos que el oxigeno disuelto pueda ser virtualmente eliminado. No controlar
eventualmente resulta reparaciones costosas o equipos fallados y reemplazos
consecuentes.
4.3. Extraccin del oxigeno disuelto
La extraccin en sistemas de vapor y agua es de muy importancia. El primer
paso es tpicamente por desaireacin mecnica que es econmico y abastece
la eliminacin de otros gases corrosivos tales como el dixido de carbono y el
amoniaco.
El otro sera a travs del uso de la desaireacin qumica utilizando elementos
qumicos (secuestrantes qumicos), que resulta un incremento de costos ya que
su forma de eliminacin es a travs de purgas continuas. Esto se realiza por
medio de monitoreos, equipos diseados para monitorear continuamente las
partes por milln (ppm) de oxigeno disuelto, dixido de carbono y otros gases;
el rango depender de cada tipo de equipo permitiendo el control en el
condensador, vlvulas y accesorios.
El rango del sensor de medida del oxigeno disuelto es una clula
electroqumica similar a una batera que produce una corriente elctrica cuando
el oxigeno esta presente. Con el uso apropiado del electrodo seleccionado en
contacto con un electrolito se produce una reaccin qumica que usa los
electrones de las molculas de oxigeno producido por una corriente galvnica
directamente proporcional a la concentracin de oxigeno presente.
4.4. Medicin de las ppm del oxigeno disuelto
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5. Desaireacin
Desaireacin o desgasificacin?
Suelen usarse estos trminos para definir el equipo que elimina los gases
disueltos en el agua para alimentacin de calderas.
Sin embargo, para clasificar el uso del equipo se emplea:
DESAIREADOR O DESAIREADOR CALENTADOR, cuando se trata de
eliminar tanto oxigeno como el dixido de carbono mediante por calentamiento
por vapor.
DESGAFISICADOR, es el trmino usado para el equipo que elimina solo
dixido de carbono y que va instalado entre los......
Se conocen como desairadores aquellos dispositivos mecnicos empleados
para liberar los gases contenidos en el agua de alimentacin (aire, oxigeno,
anhdrido carbnico y otros gases).
Su funcionamiento consiste en dividir el agua de alimentacin en finas gotitas,
calentndolas a continuacin para transformarlas en vapor dentro del
desaireador y separar el aire, el anhdrido carbnico y otros gases del vapor a
medida que este se va condensando. En los desaireadores el fluido calorfico
acostumbra ser el vapor, a presiones comprendidas entre valores altos hasta
otros inferiores a la presin atmosfrica.
Un calentador de agua de alimentacin del tipo abierto o de contacto directo
puede desempear la funcin de desaireador con tal de que el agua se
caliente a una temperatura suficientemente alta para que se desprendan los
gases contenidos en ella, las cuales se hacen salir por el purgador del
calentador.
Los desaireadores mas modernos son calentadores de agua de alimentacin
del tipo de contacto directo. Estos aparatos pueden construirse para producir
agua con contenidos muy bajos de oxigeno y otros gases.
La distincin entre u desaireador propiamente tal y un calentador de agua de
alimentacin del tipo de contacto directo, que acte de desaireador, esta en el
bajo contenido de oxigeno producido por este ltimo.
Los equipos desaireadores del agua de alimentacin de las centrales trmicas
pueden ser del tipo de bandeja y del tipo de atomizacin. Algunas veces se
desgasifican aguas muy corrosivas sometindolas en fro a presiones
absolutas muy bajas. Para el servicio de agua caliente de los edificios la
desgasificacin puede llevarse a cabo por calentamiento si que el agua y el
vapor entren en contacto.
Un precalentador de agua de alimentacin del tipo de mezcla o de contacto
directo pueden realizar la funcin de desgasificador, con tal de que el agua se
calienta a una temperatura suficientemente alta para que se desprenda los
gases contenidas en ella. Realmente, los desgasificadores modernos son
precalentadores del agua de alimentacin, del tipo de contacto directo.
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5.1. Generalidades
Despus del pretratamiento, se debe desairear el agua del sistema de
suministro. La desaireacin mecnica elimina gases del agua, principalmente
el oxigeno, reducindolo a un nivel aceptable (0.005 a 0.040 ppm dependiendo
del equipo usado), para poder utilizar el agua en el sistema de la caldera. Se
trata de eliminar tanto oxigeno como sea posible, debido a sus propiedades
fuertemente corrosivas.
El oxigeno es un elemento muy activo. En pequeas cantidades puede causar
corrosin grave en las lneas de suministro, economizadores, partes internas
de l a caldera, equipos movidos por vapor y tuberas de retorno del
condensado. La velocidad de corrosin del oxigeno disuelto en el agua se
duplica por cada 10C (18F) de aumento de temperatura. Cuando el oxigeno
y el dixido de carbono se encuentran juntos, la velocidad de corrosin
resultante puede ser de 10 a 14 % mayor que la suma de velocidades de
corrosin de los dos gases actuando por separado. La combinacin de
oxigeno y amoniaco es muy corrosiva para las aleaciones a base de cobre.
5.2. Mecanismos de corrosin
La corrosin es un proceso electroqumico. El hierro se disuelve en los nodos,
desprendiendo electrones que son consumidos por el oxigeno en el ctodo
(Ver en la figura). A un pH de aproximadamente 7,0, las reacciones de la mitad
de la pila son como sigue:
Figura Mecanismo de una pila de corrosin.
La penetracin en el rea andica depende del tamao relativo de las reas
catdicas y andicas. Por ejemplo, con un rea andica pequea y un rea
catdica grande, se produce una disolucin concentrada del hierro en el nodo
para proveer de electrones al ctodo ms grande. El resultado es una picadura
profunda en el nodo. Las condiciones que favorecen la formacin de reas
andicas relativamente pequeas son: diferenciales de concentracin de
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oxigeno bajo reas de acumulacin de lodos, fatiga localizada y roturas en la
capa pasiva de magnetita de la superficie del acero.
La figura muestra la corrosin de oxigeno localizada bajo un tubrculo tpico.
La figura muestra la picadura de una superficie metlica similar, despus de
retirar todos los fangos y xido el hierro acumulados.
5.3. Desaireacin mecnica
La desaireacin mecnica es la reduccin fsica de gases disueltos en el
agua. La meta principal es eliminar oxigeno (O2) del suministro de agua de la
caldera, pero tambin el dixido de carbono (CO2) y el amoniaco (NH3) se
pueden reducir por desaireacin.
5.3.1. Consideraciones fisicoqumicas
La desaireacin mecnica esta influida por las siguientes consideraciones
fisicoqumicas:
Ionizacin.- El grado de desaireacin posible para los gases depende del
estado de ionizacin de dichos gases. El oxigeno no se ioniza, por eso se
elimina fcilmente. El dixido de carbono y el amoniaco se ionizan, como
muestran las ecuaciones siguientes:
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3
NH3 + H2O NH4OH NH4+ + OH
Solo se pueden eliminar la parte de los gases (CO2 y NH3) que permanece en
forma molecular, no ionizada. Sin embargo, puesto que la ionizacin es un
estado de equilibrio, aadiendo cidos minerales al cido carbnico y un alcal
al amoniaco, este equilibrio se desplazar para formar CO2 y NH3.
As, un desgasificador situado despus de un intercambio catinico que
funciona en el ciclo de Hidrgeno, puede reducir la alcalinidad de carbonato
eliminando el CO2 del agua de proceso. Esta operacin es bastante eficiente
y reduce el hasta 5 a 10 ppm en una unidad del tipo soplador, y hasta
prcticamente 0 ppm en una unidad de vaco. Si se conectar el
desgasificador antes de que el agua fuera acidificada por el intercambiador
catinico con ciclo de hidrgeno, la eficiencia de eliminacin sera muy
deficiente.
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Figura - Equilibrio entre el O2 del aire y el O2 del agua
Presin parcial relativa.- El agua solo disolver un gas libre (no ionizado) hasta
el punto en el cual se alcance una presin de equilibrio entre la presin parcial
del gas en el agua y la presin parcial del gas en la atmsfera circundante.
El aire contiene 29% de oxigeno y 71% de nitrgeno. La presin parcial
ejercida por el oxigeno en el aire es 1/5 de la atmosfrica (21% / 100%). Por lo
tanto, el agua rodeada de aire disolver oxigeno hasta el punto en el cual el
oxigeno del agua ejerza una presin parcial de 1/5 de la atmosfrica (Figura)
Figura Desplazamiento del equilibrio
Como muestra la figura, a 21C (70F) y a la presin atmosfrica, esto
equivale a 9 ppm aproximadamente de oxigeno. En la desgasificacin, el
equilibrio entre el oxigeno del agua y de la atmsfera circundante se altera
deliberadamente. Esto se consigue rodeando el agua con una atmsfera de
vapor que contiene poco o ningn oxigeno.
Temperatura.- A medida que se eleva la temperatura del agua hasta su punto
de saturacin (ebullicin), todos los gases libres (no ionizados) tericamente
se hacen insolubles. La figura xx describe grficamente la solubilidad del
oxigeno en funcin de la temperatura. En la prctica la eliminacin de los
gases no ocurre. Si el agua en la fase lquida coexiste con agua en estado de
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gases no ocurre. Si el agua en la fase lquida coexiste con agua en estado de
vapor, el lquido estar ligeramente ms fro que el vapor. Como resultado,
algunos gases permanecen disueltos en la fase acuosa.
Figura xx solubilidad del oxigeno en agua pura
Agitacin.- Se puede efectuar una eliminacin ms completa de los gases
atrapados descomponiendo la corriente en gotitas pequeas e impidiendo que
estas gotitas se aglomeren. Las gotitas se pueden calentar ms fcilmente; la
interfase vapor/lquido se romper repetidamente, reduciendo por tanto la
tendencia de los gases a permanecer disueltos en la fase lquida ms fra. En
una gotita pequea, los gases atrapados tienen que recorrer una distancia
menor para salir del agua. El vapor puede lavar con ms efectividad las
gotitas. Finalmente, al romperse y reformarse continuamente las gotitas de
agua, los gases atrapados tendrn mayor tendencia a desprenderse del agua
(figura)
Figura Eliminacin de gas de las gotitas de agua
Extraccin del gas.- Los gases desprendidos del agua tiene que ser extraidos
fsicamente, o se disolvern otra vez. Esto se consigue haciendo pasar vapor
sobre las gotitas y alejando el vapor cargado de oxigeno del agua desaireada.
5.3.2. Principios de la desaireacin mecnica
Una unidad efectiva de desaireacin tiene que lograr lo siguiente:
1. Calentar el suministro de agua a la temperatura correspondiente a la presin
de vapor dentro de la unidad.
2. Hervir y lavar vigorosamente el agua calentada con vapor libre de oxigeno
que elimine cualquier traza restante de oxigeno y otros gases no
condensables.
3. Mantener las presiones parciales de oxigeno y dixido de carbono a los
niveles ms bajos posibles en los lugares donde la atmsfera de vapor haga
contacto con el agua, especialmente donde el agua desaireada se separa del
vapor.
4. Retirar continuamente los gases no condensables del espacio interior del
desaireador, mediante procedimientos adecuados de ventilacin.
5.3.3. Tipos de desaireadores mecnicas
Los equipos de desaireacin estn diseados para calentar el agua a la
temperatura del vapor saturado a la presin dentro del desaireador y para
reducir el oxigeno del suministro de agua hasta 0,007 0.04 ppm. Si el
calentador esta garantizado para reducir el oxigeno del agua hasta 0,007 ppm
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calentador esta garantizado para reducir el oxigeno del agua hasta 0,007 ppm
o menos, se conoce comnmente como desaireador. Si slo est garantizado
para reducir el oxigeno hasta 0,04 ppm, se denomina calentador de
desaireacin. Los desaireadores pueden ser de tipo pulverizador, bandeja o
atomizador.
5.3.3.1. Desaireador pulverizador
La figura xx muestra un desaireador tpico tipo pulverizador. El suministro de
agua entra en el sector calentador de primera fase por las vlvulas
vaporizadoras de resorte. Estas vlvulas aumentan el rea superficial del agua
que entra al recipiente, mejorando la transferencia de calor y la emisin al
sector calentador de primera fase viene de la seccin de lavado de segunda
fase y contiene trazas de oxigeno. El agua que entra es calentada rpidamente
y ms del 95% de los gases no condensables pasan a la atmsfera, junto con
una pequea cantidad de vapor. La mayora del vapor que entra en esta
seccin se condensa al calentarse el agua de suministro.
El agua de reposicin que sale del sector calentador de primera fase contiene
solamente trazas de oxigeno y gases no condensables. Entra en la seccin de
lavado de segunda fase, donde se mezcla ntimamente y enrgicamente con un
gran exceso de vapor sin oxigeno que entra a esta fase. En esta fase se
calienta ms el agua hasta que la diferencia entre su temperatura y la del vapor
que entra no es ms de 0,6 a 2C (1 a 4F). A medida que el vapor y el agua
asciende por esta seccin de lavado con deflectores, la presin reducida hace
que el agua suministrada calentada empiece a hervir. Esta seccin violenta
separa las molculas restantes de gas del agua y el flujo de vapor las arrastra
a la seccin de calentamiento de primera fase. Ahora el agua totalmente
desaireada cae a la seccin de almacenaje.
Figura Calentador de desaireacin tipo pulverizador.
5.3.3.2. Desaireador de bandeja
La figura xx muestra un desaireador de bandeja. En esta unidad, el agua es
pulverizada en la seccin de desaireaccin de la misma manera que en la
unidad tipo pulverizador. Tambin aqu el agua se caliente hasta que su
temperatura no se diferencia de la del vapor ms de 0,6 a 2C (1 a 4F),
eliminndose aproximadamente el 95% del oxigeno y del dixido de carbono
libres.
A continuacin el agua cae sobre una serie de bateas distribuidas y despus
cae uniformemente sobre las series de bandejas colocadas directamente
debajo. El agua cae en cascada por las series de bandeja formando pelculas
delgadas y uniformes. El vapor libre de gases entra en el calentador al nivel
ms bajo de las bandejas donde se pone en contacto con el agua desaireada.
El vapor circula entonces a travs de las bandejas, removiendo las trazas
finales de los gases no condensables. Entonces asciende a la prxima
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bandeja superior, donde de nuevo circula a travs de las mismas. Este
proceso se repite en cada nivel de bandejas.
Finalmente el vapor sube hasta la seccin del precalentador, acarreando todas
las trazas de gases residuales. La mezcla de vapor y gases no condensables
pasa al condensador con respiradero, donde la mayor parte del vapor se
condensa y cae de nuevo a los colectores de distribucin.
Figura Calentador de desaireacin tipo bandeja.
5.3.3.3. Desaireador atomizador
La figura xx, muestra un desaireador tpico tipo atomizador. El agua pasa
primero por el condensador con respiradero, despus entra en la cmara de
calentamiento donde es pulverizada en una atmsfera de vapor.
La pulverizacin se consigue en las vlvulas de resorte que distribuye el agua
en forma de partculas pequeas de tamao uniforme, hasta que su
temperatura no se diferencia de la del vapor ms de 1,1 a 1,7C (2 a 3F).
Esta agua precalentada se dirige ahora al atomizador y cae sobre el chorro de
vapor a alta velocidad, que la atomiza en partculas infinitesimales o neblina
pesada. Al salir del atomizador, el agua desaireada cae a la seccin de
almacenaje donde permanece disponible para su uso como suministro de la
caldera o del proceso.
El vapor entra al principio en el equipo por el atomizador y adquiere gran
velocidad al pasar por una abertura limitada. Despus de atomizar
completamente el agua precalentada, el vapor circula por la seccin de
calentamiento donde es calentado prcticamente en su totalidad. Una pequea
cantidad (aprox. De 1 a 2%) pasa al condensador con respiradero con los
gases atrapados de oxigeno y dixido de carbono. All el vapor se condensa y
los gases no condensables salen a la atmsfera. El vapor condensado
contiene algo de oxigeno y dixido de carbono que entran de nuevo a la
solucin en el condensador con respiradero. Este condensado pasa a la
seccin de calentamiento para ser completamente desaireado al pasar sobre
el atomizador.
Figura Calentador de desaireacin tipo atomizador.
5.4. Desaireacion qumica
La desaireacin mecnica puede reducir el nivel de oxigeno a menos de 0.007
ppm. Sin embargo, teniendo en cuenta el potencial corrosivo del oxigeno, es
mejor eliminar todas las trazas del mismo. Esto se consigue con eliminadores
qumicos que reaccionan con el oxigeno libre, formando compuestos oxidados
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inofensivos. Los productos de la reaccin se retiran despus purgando la
caldera o ventilando el sistema.
Hay un nmero de especies qumicas que rpidamente reaccionan con el
oxigeno, varios de estos son adecuados para actuar como un oxigeno
rastreador. Esto dentro de dos categoras que son los sulfitos y las bases
dbiles, incluyendo la hidracina y sus sustitutos.
5.4.1. Eliminadores qumicos del oxigeno
La eliminacin de oxigeno es la reaccin directa o indirecta entre las
molculas de oxigeno contenidas en el agua de suministro o de la caldera y el
compuesto qumico eliminador. Estos eliminadores son agentes reductores
que reaccionan directamente con el oxigeno. Los productos de reaccin se
extraen el sistema de purga o de ventilacin de la caldera. La eliminacin
qumica del oxigeno es la ltima oportunidad para impedir que entre oxigeno
en la caldera.
Sulfito sdico
Para muchas aplicaciones de calderas industriales, el sulfito sdico constituye
un eliminador de oxigeno fcilmente controlable. La tabla muestra los sulfitos
residuales tpicos del agua de caldera transportados a diversos presiones de
operacin.
El sulfito sdico (Na2SO3) reacciona directamente con el oxigeno disuelto.
2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4
Hacen falta aproximadamente 8 ppm de sulfito sdico puro reaccionar con 1
ppm de oxigeno disuelto.
Tabla Sulfitos residuales del agua de la caldera recomendados para la
eliminacin con oxigeno a diversas presiones de operacin.
Presin de la Caldera
bares (PSI) Residuales de SO2-2
ppm
10 (150)
20 (300)
40 (600)
60 (900)
80 (1200)
100 (1500) 30 a 50
30 a 40
20 a 30
10 a 15
no se recomienda
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no se recomienda
no se recomienda
El sulfito puede estar catalizado o sin catalizar. Las pruebas a temperatura
ambiente indican que, con un catalizador adecuado, el sulfito sdico reduce el
contenido de oxigeno del agua desde la saturacin a cero en menos de 30
segundos. En las mismas condiciones, el sulfito sdico ordinario reduce el
contenido de oxigeno solamente en un 30% aproximadamente en 10 minutos.
Las velocidades de reaccin del sulfito sdico, catalizado o sin catalizar,
aumentan con la temperatur. Incluso a las temperaturas de salida tpicas de un
calentador de desaireacin de 99 a 120C (210 a 250F), el sulfito catalizado
es preferible al sulfito sin catalizar para los tiempos de reaccin tan cortos de
que se dispone en los sistemas de suminsitro de agua de las calderas.
El tiempo de reaccin es muy importante. La reaccin corrosiva del oxigeno
con superficies de acero mojadas a las temperaturas del agua de suministro
superiores a 150C (300F) ser ms rpida que las reacciones entre el sulfito
y el oxigeno. Es imperativo eliminar el oxigeno antes de que el agua de
suministro llegue a los calentadores a alta temperatura, a los economizadores
o al metal de la misma caldera. Para evitar el paso del oxigeno corrosivo al
vapor, hay que desactivar el oxigeno qumicamente antes de que el agua de
suministro entre en el tambor de la caldera.
La sal de cobalto, un catalizador comn, acelera la reaccin del sulfito a baja
temperatura. Este catalizador tiene la desventaja de que se puede desactivar o
precipitar en presencia de fosfatos, quelatos o soluciones con un pH de 9 a
ms.
Los siguientes son algunas de las desventajas asociadas con el uso del sulfito
sdico:
El sulfito sdico aade slidos al agua de la caldera. Esto puede aumentar la
cantidad de purga necesaria. La purga es una prdida directa de energa y
aumenta los costos de tratamiento del agua, literalmente es dinero que se va
por el desage.
El sulfito sdico no se puede usar en la atemperacin por rociado porque los
slidos aportados por el sulfito se depositan en el supercalentador y la turbina.
Adems, puesto que hay que introducir el sulfito sdico despus del punto de
salida de la atemperacin, todos los componentes situados aguas arriba de
este punto sufriran la corrosin por oxigeno que exige costosas reparaciones.
Aunque se recomienda el uso del sulfito sdico en unidades de 100 Kg/cm2
(1500 PSI), la descomposicin del sulfito comienza a 40 Kg/cm2 (600 PSI)
aproximadamente y alcanza valores considerables para la pureza del vapor a
60 Kg/cm2 (900 PSI). Los productos de descomposicin son H2S y SO2, los
cuales son gases corrosivos a menos que se neutralicen rpidamente.
El sulfito sdico acta principalmente como eliminador de oxigeno;
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El sulfito sdico acta principalmente como eliminador de oxigeno;
generalmente no esta reconocido como agente de pasivacin.
Adems, no se recomienda el sulfito sdico (ni el bisulfito sdico lquido) para
las aplicaciones siguientes:
Sistemas de calderas con programas de fosfatos coordinados.
Sistemas de condensado. El sulfito no es voltil y aade slidos al
condensado.
Calderas paradas con supercalentadores sin drenaje. El sulfito aade slidos
al agua, causando depsitos en el supercalentador.
El sulfito como eliminador de oxigeno en el agua de suministro es una prctica
extendida en la industria que no suele causar problemas, cuando se siguen las
directrices establecidas.
Hidracina
La hidracina (N2H4) se puede usar a todas las presiones de operacin y
cuando se usa el agua de suministro pata atemperar el vapor. La hidracina
reacciona directamente con el oxigeno como sigue:
N2H4 + O2 2 H2O + N2
La reaccin directa con el oxigeno prosigue con la relativa lentitud a
temperaturas inferiores a 150C (300F). Sin embargo, la velocidad es muy
sensible a la presencia de catalizadores homogneos (solubles)y
heterogneos (insolubles). Por ejemplo, la reaccin de la hidracina con el
oxigeno puede proseguir a una velocidad aceptable a temperaturas tan bajas
como 65C (150F) en presencia de catalizadores heterogneos tales como
superficies de acero dulce o cobre. Un mecanismo propuesto para esta
catlisis sigue estas reacciones generales:
4 Fe3O4 + O2 6 Fe2O3
6 Fe2O3 + N2H4 4 Fe3O4 + 2 H2O + N2
En presencia del cobre o de sus aleaciones, la reaccin sera:
2 Cu2O + O2 4 CuO
4 CuO + N2H4 2 Cu2O + 2 H2O + N2
A temperaturas del agua o del vapor de la caldera superiores a 260C (500F),
la hidracina se descompone formando amoniaco, nitrgeno y a veces
hidrgeno por medio de una de las reacciones siguientes a de ambas:
3 N2H4 + calor 4 NH3 + N2
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N2H4 + calor N2 + 2 H2
La hidracina tambin fomenta la pasivacin del metal hasta cierto punto.
Existe hidracina en forma catalizada. Las pruebas realizadas han demostrado
que la hidracina catalizada es un eliminador de oxigeno ms eficaz a
temperaturas bastante inferiores a las normales en el agua de suministro de la
caldera, pero no muestra ninguna ventaja significativa a temperaturas
elevadas.
La hidracina tambin tiene desventajas:
Uno de los productos de descomposicin de la hidracina es el amoniaco
(NH3). El amoniaco a concentraciones superiores a 0,3 ppm ataca las
aleaciones de cobre en presencia del oxigeno.
Se sospecha que la hidracina es carcinognica para los seres humanos; por
lo tanto se debe evitar la exposicin tanto como sea posible. Para ello hay que
usar sistemas cerrados de suministro. Los estudios realizados muestran que
cuando se manipula la hidracina en sistemas cerrados o ventilados, se pueden
controlar las concentraciones hasta menos de 0,1 ppm en el aire.
A bajas temperaturas, la hidracina reacciona lentamente. Si, como en el caso
de algunas centrales trmicas, se suministra la hidracina al pozo de
condensado, se necesitan dosis muy altas para proteger totalmente el sistema.
La reaccin lenta implica la posibilidad de ataque por oxigeno, incluso con la
hidracina introducida en el sistema.
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