Effectieve Corrosiebeheersstrategieën voor Koeltorens

Koeltorens bieden een effectieve methode van warmteafvoer en worden wijd gebruikt voor ruimteconditionering, koeling en industriële koeltoepassingen. De controle van corrosie in koelwatersystemen is een grote uitdaging voor veel industrieën over de hele wereld.

In koelwatercircuits zijn corrosie- en schaalproblemen niet nieuw, maar gaande trends in wetgeving op milieugebied leiden tot steeds grotere mate van verdamping en daarmee tot zeer hoge residuele concentraties van diverse soorten. Daarom, zelfs als de gebruikte water initieel schoon en niet-corrosief zijn, worden ze door dit concentratie-effect corrosief en neigt hun neiging om schaalvorming en biofouling te induceren toe te nemen.

In dit artikel bekijken we koeltorens, de corrosieproblemen die ze het meest vaak tegenkomen, en hoe ze te voorkomen.

Typen Koeltorencircuits

In een gesloten circuit is al het koelwater in een gesloten lus opgesloten. Er is geen contact met de atmosfeer en dus geen risico op besmetting door de laatste. Warmte wordt verwijderd door geleiding en convectie via een secundair circuit en niet direct door verdamping van het primaire circuitwater. Gesloten circuits kunnen alleen gebruikt worden in kleine installaties, in systemen met hoge doorstroomsnelheid, of in systemen met een koeleenheid (ijs watertank).

Open hercirculerende koelsystemen, zoals getoond in Figuur 2, zijn het meest wijd gebruikt. Het half-gesloten circuit wordt gevoed door een voedwatervoorziening. Het circulerende waterstroomsnelheid wordt constant gehouden door pompen. Het water wordt verhitt door het hete procesfluid in de warmtewisselaars. Het hete water is in direct contact met de lucht in de koeltorens, en wordt gekoeld zowel door dit contact als door verlies van latente warmte van verdamping.

Problemen door Gebruik van Onbehandeld Water

De drie hoofdtypen problemen in koelwatercircuits zijn schaalvorming, corrosie en fouling. Deze problemen zijn sterk onderling gerelateerd en correctieve acties genomen om er een van te behandelen hebben vaak gevolgen voor de anderen.

Schaalvorming

Schaalvorming wordt geacht plaats te vinden wanneer een metalen of ander oppervlak bedekt wordt door een aanhangende mineraalaafzetting. Het onderscheidende kenmerk ten opzichte van een afzetting geproduceerd door sedimentatie van vaste deeltjes uit de vloeistof is het feit dat de schaal aan het oppervlak hecht.

In een water-gevoed koelcircuit is schaalvorming essentieel te wijten aan de vorming van calciumcarbonaat. De schaal kan daarnaast andere stoffen bevatten, zoals klei, algenresten of calciumsulfaat, maar het is altijd calciumcarbonaat dat het eerst uitvalt, aangezien de oplosbaarheid ervan lager is.

Corrosie

Aqueous corrosie van metalen is electrochemisch van aard en omvat twee onafhankelijke reacties. De eerste reactie correspondeert met oxidatie van het metaal. De tweede reactie is een reductie van enige soort in het corrosieve medium. De metaaloxidatiereactie is anodisch en geeft positief geladen metaalionen in de oplossing en elektronen in het metaal vrij, zoals getoond in de onderstaande formule:

(M)_metaal → (Mⁿ⁺)_oplossing + ne^-

Daarna reduceren de in het metaal vrijgekomen elektronen een oxidant in het corrosieve medium in de kathodische reactie zoals hieronder beschreven:

(Ox^+q)_oplossing + (ne^-)_metaal → (Red^q-n)_oplossing

Een wijd scala aan corrosiemodi kan optreden, afhankelijk van het medium en de betrokken materialen. Voor staallegeringen zijn de meest voorkomende corrosiemodi uniforme corrosie, pittingcorrosie, klemcorrosie en intergranulaire corrosie. Voor koperlegeringen kunnen corrosiemodi dezincificatie en Al of Ni uitputting omvatten.

Corrosie Fouling Geïnduceerd door Micro-organismen

Micro-organismen zijn van nature aanwezig in alle wateren. Als ze te snel prolifereren, kunnen ze twee typen problemen in watercircuits creëren:

• Biofouling, wat betreft de accumulatie van micro-organisme kolonieën op apparatuuroppervlakken, wat leidt tot de vorming van biofilms.
• Biocorrosie, wat betreft chemische aanval door micro-organismen. In het geval van metalen is de corrosie over het algemeen te wijten aan bacteriën.

In beide gevallen kunnen de gevolgen van de proliferatie van micro-organismen belangrijk zijn, met verlies van efficiëntie van warmtewisselaars, obstructie van buizen, verhoogde terugdruk en zelfs lekkage door doorbraakcorrosie.

Behandeling van Watercircuits

Het doel van de voorafgaande voedwaterbehandelingen is om de eigenschappen van het rawwater aan te passen om aan de eisen van het betrokken circuit te voldoen. Ongeacht de behandeling van het voedwater, is het nog steeds nodig om chemicaliën toe te voegen aan het water in het koelcircuit. Dit is omdat een specifieke locatieconditionering vereist is om het succes van de gekozen behandelfilosofie te garanderen. De veelvoorkomende chemische producten zijn schaalremmers en dispersanten, corrosieremmers en biociden.

Schaalremming en/of Dispersant Behandelingen – Stabilisatie

In dit proces worden additieven in het circuit geïnjecteerd om de uitvalling van calciumcarbonaat te voorkomen, met name in hete punten. Deze producten verhogen de oplosbaarheidsgrens of houden het water in een toestand van oververzadiging. Ze stellen het circuit dus in staat om te opereren bij een hogere concentratieratio.

De belangrijkste betrokken mechanismen zijn:

• Sequestratie/complexatie om stabiele moleculen te vormen met calcium- en magnesiumionen
• Vergiftiging van kristalkernen
• Remming van kristalgroei
• Een dispersie-effect om de kernvormende deeltjes in een toestand van dispersie dicht bij hun oplosbaarheidsgrens te houden.

Stabilisatiebehandelingen zijn erg populair, aangezien ze operatie bij "vrije pH" toestaan.

De pH wordt dan gecontroleerd door de CO, en oplosbaarheidsevenwicht tussen het water en de atmosfeer, en wordt een eenvoudige functie van het M-alkalinitetsniveau (MA).

pH-controle

De oplosbaarheidsgrens van CaCO3 is gevoelig voor de pH, wat direct de concentratie van carbonaationen beïnvloedt. Om CaCO3-uitvalling te voorkomen, wordt zuur in het circuit geïnjecteerd om de pH te verlagen. Zwavelzuur wordt meestal hiervoor gekozen.

In feite heeft de toevoeging van zuur twee effecten: het verlaagt het MA-niveau door HCO3- ionen te neutraliseren, vormend CO2. Het verlaagt ook de pH als de CO2 sneller gegenereerd wordt dan het uit het circuit wordt verwijderd door ontgassing.

Corrosieremmingsbehandelingen

Wanneer corrosieremmer aan het circuit wordt toegevoegd, vormt het product dunne geadsorbeerde films die de warmteoverdracht niet hinderen. Ze bevatten twee actieve agenten om zowel de anodische als kathodische corrosiereacties te belemmeren.

Anodische Remmers

Anodische remmers verhogen de anodische polarisatie en verplaatsen het corrosiepotentiaal in de kathodische richting. Deze stoffen combineren met de metaalcorrosieproducten om een volledig onoplosbaar zout te vormen. Als remming puur anodisch is, zijn grote hoeveelheden remmer nodig. Dit kan alleen praktisch zijn in heel kleine volume circuits, aangezien elk remmertekort kan leiden tot versnelde gelokaliseerde aanval.

Kathodische Remmers

Kathodische remmers verminderen corrosie door de reductiereactiesnelheid van de electrochemische corrosiecel te vertragen. Deze stoffen combineren met de producten van de kathodische corrosiereactie om opnieuw onoplosbare verbindingen te vormen. Kathodische remmers omvatten lagere risico's dan hun anodische tegenhangers, aangezien gelokaliseerde corrosie niet geïnduceerd wordt door een daling in hun concentratie.

Organische Remmers

Het effect van organische remmers is gerelateerd aan de vorming van een continue geadsorbeerde film, die elektrochemische reacties aan blootgestelde oppervlakken belemmert. De film wordt gevormd door de fysieke of chemische adsorptie van polaire organische moleculen op het metaaloppervlak, zodat de keuze van moleculen afhangt van het betrokken metaal.

Implementatie van Behandeling

Nadat de conditioneringsbehandeling is gedefinieerd, wordt deze geïmplementeerd in overeenstemming met de specifieke kenmerken van de locatie. Voor gesloten circuits worden de conditioneringsproducten bij opstart geïnjecteerd. Geen verdere toevoegingen zijn nodig, behalve in het geval van ongelukkige afloop.

In open hercirculerende watersystemen worden de reagentia, uitgezonderd niet-oxidiserende biociden, periodiek via pompen in het voedreservoir geïnjecteerd. In zeldzame gevallen wordt zwaartekrachtinjectie gebruikt. Additionele puntbehandelingen zijn soms nodig in bepaalde kritische warmtewisselaars.

In recentere jaren worden real-time corrosiemonitoringssystemen ingezet om de algemene corrosiesnelheid te beoordelen alsmede het potentieel voor gelokaliseerde, of pitting, corrosie te evalueren. Deze systemen gebruiken een combinatie van technologieën, inclusief elektrochemische ruis (ECN), lage-frequentie impedantie (LFI) en harmonische vervormingsanalyse (HDA).