Conceptos avanzados de tratamiento de agua de refrigeración (Parte 1)

Los problemas descritos aquí están conduciendo a un alejamiento sustancial de los programas tradicionales de tratamiento de incrustaciones/corrosión del agua de refrigeración.

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

Las instalaciones de energía y cogeneración tienen múltiples sistemas de enfriamiento para varios procesos de la planta, como condensación de vapor, control de temperatura del reactor químico, enfriamiento de cojinetes de equipos rotativos, enfriamiento de aceite lubricante y muchos otros.

Los sistemas de enfriamiento necesitan protección contra la corrosión, las incrustaciones y las incrustaciones microbiológicas para maximizar el rendimiento y evitar alteraciones que pueden detener parcial o completamente las operaciones de la planta. A continuación se muestra una representación de estos temas y su interdependencia.

Un cuarto factor, cada vez más importante, es el impacto ambiental potencial de la química del tratamiento del agua, especialmente con respecto a los productos químicos que pueden aparecer en la descarga de la planta. Es posible que ya no se permitan los programas de tratamiento que alguna vez fueron comunes, o que estén severamente restringidos debido a las regulaciones de descarga.

En esta serie, examinaremos los conceptos de tratamiento para minimizar estos problemas en las redes de enfriamiento, incluidos los sistemas de un solo paso, los sistemas abiertos de recirculación con torres de enfriamiento y los sistemas cerrados. Los programas de tratamiento han evolucionado significativamente en las últimas décadas, con investigaciones adicionales en curso.

Los problemas de tratamiento de agua más complejos generalmente ocurren en sistemas abiertos de recirculación, donde una torre de enfriamiento o una versión híbrida de la misma es el corazón del sistema. La Figura 2 describe la ruta de flujo básica de un sistema basado en una torre de enfriamiento.

Varios aspectos de estos sistemas mejoran, o tal vez la mejor palabra es exacerbar, el potencial de descamación, ensuciamiento y corrosión. Lo más importante es que la mayor parte de la transferencia de calor en una torre se produce a partir de la evaporación de una pequeña cantidad, quizás del 2 al 3 %, del agua de retorno caliente.

(Para aquellos interesados ​​en aprender más sobre el diseño de torres de enfriamiento y la transferencia de calor fundamental, las referencias 1-3 brindan información adicional. Una revisión de estas referencias será útil para comprender esta serie. Además, es un recurso maravilloso para obtener información detallada sobre el agua de enfriamiento y el sistema de enfriamiento. es el Cooling Technology Institute en www.cti.org.)

A medida que el agua se evapora, los sólidos disueltos y suspendidos se concentran, lo que aumenta el potencial de incrustación/corrosión del agua de refrigeración. Los sistemas abiertos de recirculación generalmente están equipados con controles de purga para purgar el agua concentrada y reemplazarla con agua nueva, pero la purga por lo general solo ofrece una solución parcial para el control de incrustaciones/corrosión.

Las torres de enfriamiento también son depuradores de aire altamente eficientes. Por lo tanto, eliminan el polvo, las partículas y los microbios transportados por el aire, los cuales también ingresan con el agua de reposición. Sin el tratamiento adecuado, el ambiente cálido y húmedo de los sistemas de enfriamiento permite un rápido crecimiento microbiológico que ensucia los componentes del sistema de enfriamiento, incluidos los intercambiadores de calor y el relleno de la torre de enfriamiento.

En gran medida, los métodos de tratamiento para el control de las incrustaciones y la corrosión han evolucionado juntos; y en las dos primeras partes de esta serie, examinaremos aspectos importantes de esta historia y el surgimiento de tecnologías más efectivas. Las entregas posteriores de esta serie examinarán las incrustaciones y el control microbiológicos, que suelen ser las principales preocupaciones del tratamiento del agua de refrigeración.

A mediados del siglo pasado, surgió un método de tratamiento de incrustaciones/corrosión muy confiable que ahora exploraremos rápidamente. Primero, considere que muchos sistemas en ese momento tenían una fuente de agua dulce como un lago, un embalse o posiblemente agua municipal tratada. Incluso estas fuentes prístinas aún contienen iones disueltos que, si se concentran en un sistema de torre de enfriamiento, pueden formar incrustaciones. Dos de los iones más comunes son el calcio (Ca2+) y la alcalinidad del bicarbonato (HCO3–), cuyo potencial de formación de incrustaciones aumenta con el aumento de la concentración y también de la temperatura.

Ca2+ + 2HCO3– + calor –> CaCO3 + CO2 + H2O Eq. 1

En aguas no tratadas, el CaCO3 suele ser el compuesto incrustante predominante. Este es el mismo depósito que se forma en las tuberías de agua caliente y los cabezales de ducha de las casas, y se lo denomina de manera algo incorrecta como "sarro de cal".

Una solución muy eficaz para reducir el potencial de formación de incrustaciones de CaCO3 es la adición de ácido sulfúrico para convertir la alcalinidad del bicarbonato en dióxido de carbono que escapa de la solución.

HCO3–(aq) + H2SO4 –> HSO42-(aq) + H2CO3 (aq) Eq. 2

H2CO3 (aq) ⇌ CO2 + H2O equiv. 3

La alimentación de ácido al agua de reposición o de enfriamiento para reducir la alcalinidad del bicarbonato demostró ser sencilla para el control de incrustaciones, aunque se conocen casos en los que un mal funcionamiento del sistema redujo considerablemente el pH del agua de enfriamiento y causó problemas.

Desde el punto de vista de la corrosión, el material principal para muchos sistemas de agua de refrigeración es el acero al carbono dulce, quizás con acero inoxidable o aleaciones de cobre como material para los tubos del intercambiador de calor. En consecuencia, a mediados del siglo pasado, un programa de tratamiento muy popular para sistemas abiertos de recirculación consistía en la alimentación de ácido sulfúrico para el control de incrustaciones (para establecer un rango de pH de 6,5 a 7,0) y el uso de cromato disódico (Na2Cr2O7) para el control de la corrosión. . Este último compuesto proporciona iones de cromato (CrO42-) que reaccionan con el acero al carbono para formar una capa de pseudo acero inoxidable que pasiva la superficie del metal. La protección de las superficies metálicas es el aspecto clave para el control de la corrosión, y volveremos a ese pensamiento más adelante.

En las décadas de 1970 y 1980, un creciente reconocimiento de la toxicidad del cromo hexavalente (Cr6+) condujo a la prohibición de la descarga de cromo al medio ambiente. Básicamente, esto eliminó el tratamiento con cromato para los sistemas abiertos de agua de refrigeración. El programa de reemplazo general fue bastante diferente, siendo un factor clave la operación a un pH levemente básico (generalmente alrededor de 8.0 o quizás un poco más alto) para ayudar con el control de la corrosión. La figura 3 ilustra el concepto fundamental de dicha química.

Los fosfatos de sodio, por ejemplo, el ortofosfato de trisodio (Na3PO4) y el hexametafosfato de sodio (NaPO3)6, que se convierte parcialmente en ortofosfato en el agua) fueron las primeras opciones para el control del pH. Sin embargo, los problemas de la deposición de fosfato de calcio (Ca3(PO4)2) se volvieron casi tan graves como los del carbonato de calcio anteriormente. Entonces, los programas evolucionaron para incluir el uso de fosfatos orgánicos, más comúnmente conocidos como fosfonatos. Las estructuras de varios de los más comunes se muestran a continuación.

Estos compuestos ayudaron a reducir la formación de incrustaciones mediante varios métodos, incluido el secuestro de iones y la modificación de cristales. ATMP se introdujo a principios de la década de 1970 para el control de incrustaciones de carbonato de calcio y sirvió como reemplazo de los polifosfatos. El compuesto exhibió propiedades inhibidoras de la corrosión de regulares a buenas en los rangos de pH alcalino de los (entonces nuevos) programas de fosfato-fosfonato, sin embargo, tiene una baja tolerancia a los oxidantes como el cloro, y también puede producir precipitados de fosfonato de calcio.

Los otros fosfonatos que se muestran en la Figura 4 se desarrollaron, en parte, para resistir la descomposición del biocida oxidante. Sin embargo, tenga en cuenta los grupos de ácido carboxílico (COOH) en PBTC y HPA. El carboxilato (COO–) es un grupo funcional clave para muchos dispersantes para el control de depósitos, como se describirá con más detalle en la Parte 2.

Los investigadores descubrieron que la química de fosfato/fosfonato también podría ayudar con el control de la corrosión. Dependiendo del producto de reacción, los precipitados de fosfato y polifosfato se depositarán en los sitios anódicos y catódicos de las celdas de corrosión y reducirán la corriente de corrosión.

La adición de una pequeña cantidad de zinc se hizo común, ya que forma un depósito de hidróxido de zinc (Zn(OH)2) en los cátodos que inhibe aún más la transferencia de electrones. Los refinamientos adicionales incluyeron el desarrollo de polímeros para controlar la precipitación de fosfato de calcio y otras deposiciones. Examinaremos algunos de estos polímeros en la próxima entrega.

Si bien los programas de fosfato/fosfonato han tenido éxito en muchas aplicaciones, la metodología puede tener fallas significativas. Como se mencionó anteriormente, el propósito principal de la química de control de la corrosión es proteger las superficies metálicas. Los precipitados inhibidores de la corrosión formados por la química no son muy adherentes y pueden eliminarse debido a desequilibrios de flujo u otros problemas. (4) Esto puede exponer algunas superficies a la corrosión localizada. Por el contrario, el exceso de alimentación química puede generar grandes depósitos de fosfato de calcio o quizás incluso de fosfonato de calcio. El control adecuado puede ser una proposición de "caminar sobre el filo de la navaja".

Una influencia cada vez mayor en la química del tratamiento es que se requiere que algunas instalaciones se repongan de otras fuentes además de los suministros de agua dulce. Una fuente de reposición cada vez más común, y en algunos lugares áridos, obligatoria, es la descarga de una planta de tratamiento de aguas residuales municipal, también conocida como Obras de Tratamiento de Propiedad Pública (POTW). A menudo, los efluentes de POTW contienen una concentración de fosfato significativa y variable, que puede tener un fuerte efecto en la química del agua de refrigeración y de servicio en las plantas industriales que lo componen.

Finalmente, una preocupación creciente es la descarga de fósforo a los cuerpos de agua naturales y los efectos que dicha descarga tiene sobre la proliferación de algas tóxicas.

Mucha gente piensa que estas floraciones de algas están confinadas a lugares cálidos como Florida o el Golfo de México, pero como indica la Figura 4, casi cualquier cuerpo de agua puede ser susceptible. En muchos lugares ahora, la descarga de fósforo está limitada, si no completamente prohibida. También está restringida la descarga de metales, incluidos el zinc y el cobre. Tales restricciones pueden eliminar por completo la opción del tratamiento químico con fosfato/fosfonato.

Los problemas descritos anteriormente están provocando un alejamiento sustancial de los programas tradicionales de tratamiento de incrustaciones/corrosión del agua de refrigeración. La Parte 2 brindará una descripción general de las tecnologías combinadas de formación de películas y polímeros que ofrecen un mejor control de la corrosión y los depósitos, mientras que al mismo tiempo reducen en gran medida el impacto ambiental potencial de la química de descarga.

Esta discusión representa conceptos generales para su consideración y no ofrece opiniones directas de ninguna compañía química de tratamiento de agua. Cada proyecto debe evaluarse individualmente, con una selección de programas de tratamiento basada en una evaluación cuidadosa del diseño del sistema y la química del agua de reposición.

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 de energía, o apoyando a las mismas, gran parte de ella en química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire y puestos de ingeniería de resultados con City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y la estación de 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].