Conceptos avanzados de tratamiento de agua de refrigeración (Parte 2)

Esta entrega examina la química general de las tecnologías de reemplazo de fosfato que han demostrado su eficacia en muchas aplicaciones.

Nota del editor: Esta es la primera de una serie de varias partes de Brad Buecker, presidente de Buecker & Associates, LLC.

Lea la Parte 1 aquí.

La Parte 1 de esta serie ofreció una descripción general de los programas de tratamiento de inhibidores de corrosión/incrustaciones de agua de refrigeración más destacados desde mediados del siglo pasado. El tratamiento evolucionó desde la química del ácido/cromato muy eficaz pero en última instancia peligrosa al tratamiento con fosfato/fosfonato/zinc que utilizaba reacciones de precipitación "controladas" y un pH levemente básico para reducir la corrosión y el potencial de formación de incrustaciones del agua de refrigeración. Estos últimos programas pueden ser complicados de controlar, a veces con una línea muy fina entre las condiciones de corrosión y descamación. La foto de abajo de un intercambiador de calor de dos pasos ofrece un ejemplo dramático.

En el extremo de entrada (los tubos inferiores de este intercambiador), la corrosión era evidente. En el lado de salida más caliente (la mitad superior), la deposición era problemática, como se ve claramente. El programa de fosfato/fosfonato no fue particularmente efectivo para mitigar la corrosión o la formación de incrustaciones según la ubicación y la temperatura dentro del intercambiador de calor.

En esta entrega, examinaremos la química general de las tecnologías de reemplazo de fosfato que han demostrado su eficacia en muchas aplicaciones; con menos incertidumbre que los tratamientos con fosfato/fosfonato, y con un impacto ambiental reducido debido a la química de descarga.

Como recordará el lector de la Parte 1, desde el punto de vista del control de la corrosión, los programas de fosfato/fosfonato se basan en gran medida en la deposición de productos de reacción para inhibir las reacciones anódicas y catódicas. A continuación se muestra una celda de corrosión común en agua aireada.

Si bien la corrosión por oxígeno del acero al carbono es probablemente el mecanismo más común, son posibles muchos otros mecanismos de corrosión. Las limitaciones de espacio impiden una discusión detallada de la mayoría de estos mecanismos en este artículo, pero espero resumir algunos de los más importantes en un futuro artículo de Power Engineering. Continuando con el tema principal; confiar en la química de precipitación para despolarizar las reacciones anódicas y catódicas a menudo puede ser muy desafiante, donde las condiciones variables pueden conducir a otros problemas, como la formación de incrustaciones que se muestra en la Figura 1. En consecuencia, han surgido programas modernos para establecer una película protectora directa sobre superficies metálicas. Las características importantes de la(s) molécula(s) orgánica(s) en muchas formulaciones son los sitios activos que se adhieren directamente a las superficies metálicas con la cadena orgánica hidrofóbica que se extiende hacia el exterior.

Un compuesto con el que este autor está familiarizado se conoce con el nombre químico general de inhibidor de almidón polihidroxi reactivo (RPSI), (1) donde los grupos que contienen oxígeno activo en las moléculas se adhieren a la superficie del metal con la porción orgánica protegiendo el metal. Esta química y tecnologías similares han crecido significativamente en popularidad y uso durante la última década, con varios miles de aplicaciones o más. Los resultados indican que la aplicación adecuada de la química, que no requiere altas concentraciones, a menudo puede reducir las tasas de corrosión del acero al carbono a menos de 1 mil por año (mpy, donde un mil es 0,001 pulgadas). Esto está dentro de la vida útil proyectada de los componentes típicos de acero al carbono.

Los datos de la Referencia 1 también indican una buena protección contra la corrosión de los metales de acero inoxidable de la serie 300 contra las picaduras y el agrietamiento por cloruro, lo que plantea un tema que este autor ha estado planeando abordar. Durante varios años, estuve muy involucrado en la revisión de las especificaciones de diseño de tratamiento de agua para nuevas centrales eléctricas de ciclo combinado. En numerosos casos, la firma de ingeniería de diseño especificaría acero inoxidable 304 o 316 para los tubos del condensador de superficie de vapor, aparentemente sin pensar en la química del agua de enfriamiento y los problemas potenciales de las impurezas.

Un ejemplo principal es que los aceros inoxidables forman una capa de óxido que protege el metal base, pero donde el cloruro en concentraciones suficientes penetrará la capa de óxido e iniciará la picadura. Durante años, los límites máximos de cloruro recomendados para estos aceros oscilaron entre 500 ppm para 304 SS y 3000 ppm para 316L (L significa bajo contenido de carbono) SS a temperatura ambiente. La investigación ha demostrado posteriormente que estos límites eran demasiado altos, y un destacado experto en materiales sugiere 100 y 400 ppm, respectivamente, para tubos limpios. (2) Los depósitos aumentan el potencial de corrosión. Algunas aguas de reposición tienen niveles de cloruro que exceden estas pautas incluso antes de ser cicladas en una torre de enfriamiento. (3) Las picaduras son un mecanismo de corrosión insidioso y se sabe que causan fallas en meses y, a veces, incluso semanas en materiales que deberían durar décadas. Otro elemento que puede causar una corrosión severa del acero inoxidable es el manganeso. Examinaremos ese tema en un próximo artículo.

Dos conclusiones principales provienen de este ejemplo. En primer lugar, los ingenieros de diseño de proyectos importantes que tienen sistemas de agua y fluidos de proceso necesitan consultar o tener en el personal expertos en química y corrosión que puedan seleccionar los materiales correctos. Por lo general, es mucho más fácil seleccionar los materiales adecuados en la fase de diseño que lidiar con los problemas operativos después de la instalación. En segundo lugar, y de importancia directa para esta discusión, es que la química de formación de películas destacada anteriormente puede ofrecer una solución en las instalaciones existentes en las que el reemplazo del material sería prohibitivo en términos de costos.

Otro beneficio de esta alternativa moderna de tratamiento de agua de refrigeración está relacionado con el medio ambiente. El fósforo es un nutriente primario y, a menudo, limitante para el crecimiento microbiológico en los sistemas de enfriamiento y en los cuerpos de agua receptores, incluidos los estanques de retención para la purga de la torre de enfriamiento. Las siguientes dos figuras de la Referencia 1 muestran una foto de antes y después del estanque de retención en una instalación industrial, en la que se cambió el tratamiento de un programa de polifosfato/zinc a un programa de formación de película sin fósforo (sin P).

Resultados como estos son a menudo un factor impulsor adicional para el cambio de programa, particularmente en lugares donde las regulaciones ambientales limitan o incluso prohíben la descarga de fósforo de fuentes puntuales. (La escorrentía agrícola es un tema diferente que no se puede abordar aquí). Además, las regulaciones continúan endureciéndose sobre la descarga de otros elementos y compuestos, que en este caso a menudo incluye zinc; un inhibidor de corrosión común en los programas de fosfato/fosfonato.

Como se describió en la Parte 1, los programas de fosfato/fosfonato brindan una doble función como métodos de control de la corrosión y de las incrustaciones. Para los programas no P avanzados ahora, los polímeros con grupos activos sirven para el control de incrustaciones. La Figura 6 describe la estructura general y los grupos activos comunes en los polímeros.

Estos compuestos funcionan a través de una variedad de mecanismos para controlar la formación de incrustaciones, que incluyen:

Un factor a menudo importante para el control de depósitos es mejorar la capacidad de los polímeros para penetrar en los depósitos. Esto es especialmente cierto para los compuestos orgánicos, incluidos los aceites y las grasas, ya que estos compuestos unen los depósitos. Los tensioactivos pueden ayudar a descomponer estos materiales. Los tensioactivos no iónicos son similares a los detergentes porque tienen un grupo funcional hidrofílico (amante del agua) y una cadena lipófila (amante del aceite). Como el extremo lipófilo se une a los aceites, el extremo hidrofílico se une a las moléculas de agua para eliminar el aceite. Las modificaciones estructurales de los sitios activos lipofílicos e hidrofóbicos permiten propiedades especializadas.

Están disponibles polímeros de longitudes de cadena variables, donde es necesario un análisis exhaustivo de los constituyentes del agua para seleccionar el tamaño de la cadena y los grupos activos más eficientes. Además, algunos compuestos pueden causar la formación de espuma, y ​​estos problemas deben tenerse en cuenta durante la selección del producto. Y, por supuesto, a veces son necesarios ajustes de campo, ya que las pruebas de laboratorio pueden diferir de la aplicación real a gran escala.

Hay métodos modernos disponibles para llevar el control de la química del agua recirculante más allá de los complicados programas de fosfato/fosfonato que dominaron durante cuatro décadas. Sin embargo, la química no se puede aplicar a ciegas o sin supervisión, con la expectativa de que todos los problemas se resuelvan instantáneamente. Son bien conocidos los casos en los que los cupones de corrosión indican un buen rendimiento, pero las ubicaciones dentro del sistema se ensucian o corroen mucho. Los efectos de la temperatura y otros factores pueden estar actuando en estos lugares. Aún más importante, el ensuciamiento microbiológico puede compensar por completo cualquier efecto de los inhibidores de incrustaciones/corrosión. La microincrustación es a menudo el proverbial "gorila de 800 libras en la habitación" cuando se trata de dificultades con el agua de enfriamiento. En las próximas partes de la serie, revisaremos estos temas.

Esta discusión representa una buena práctica de ingeniería desarrollada con el tiempo. Sin embargo, es responsabilidad de los propietarios de la planta, los operadores y el personal técnico implementar programas confiables basados ​​en consultas con expertos de la industria. Se incluyen muchos detalles adicionales en el diseño y el uso posterior de estas tecnologías que se pueden esbozar en un solo artículo.

Referencias

Acerca del autor: Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, consultoría y redacción técnica/mercadeo. Más recientemente, se desempeñó como publicista técnico sénior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia en las industrias de tratamiento de agua industrial y energía, o apoyando a las mismas, gran parte de ella en puestos de química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire e ingeniería de resultados. con City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y la estación La Cygne, Kansas de Kansas City Power & Light Company (ahora Evergy). Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, balances de energía y materiales y química inorgánica avanzada. Es autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas comerciales técnicas y ha escrito tres libros sobre química de centrales eléctricas y control de la contaminación del aire. Se le puede contactar en [email protected].