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Mar 31, 2023

Conceptos avanzados de tratamiento de agua de refrigeración (Parte 6)

Nota del editor: esta es la última entrega de una serie de seis partes de Brad

Nota del editor: esta es la última entrega de una serie de seis partes de Brad Buecker, presidente de Buecker & Associates, LLC.

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En partes anteriores de esta serie, examinamos muchos problemas relacionados con el tratamiento primario del agua de refrigeración en plantas industriales y de energía. Sin embargo, la mayoría de las plantas grandes tienen una serie de sistemas de agua cerrados que brindan enfriamiento auxiliar a equipos tales como cojinetes de bombas, enfriadores de aceite lubricante, enfriadores de hidrógeno del generador, etc.

Estos subsistemas son fundamentales para el funcionamiento de la planta, y el bajo rendimiento o la falla de un sistema cerrado pueden potencialmente cerrar la planta. En esta entrega, examinaremos varios de los aspectos más importantes del tratamiento cerrado del agua de refrigeración.

El término agua de refrigeración "cerrada" es un poco engañoso, ya que muchos sistemas experimentan fugas o pequeñas pérdidas que requieren compensación. (Si se ha producido una corrosión grave, estas pérdidas pueden ser significativas). Además, los sistemas suelen tener un tanque de cabeza para la introducción de maquillaje y para manejar los cambios en la demanda, que es otra fuente de infiltración de oxígeno. Cabe destacar que algunos sistemas cerrados se enfrían por aire, lo que se aproxima más completamente al estado "cerrado".

Si bien es posible utilizar agua con diferentes calidades en los sistemas CCW, una opción frecuente, y el enfoque de este artículo, es el agua condensada o desmineralizada que se trata dentro del sistema.

El material de tubería típico para redes CCW es acero al carbono. Las aleaciones de cobre, el acero inoxidable o, en ocasiones, el titanio son las opciones habituales para los tubos de intercambiador de calor o las placas en un intercambiador de placas y marcos.

Al planificar un programa de tratamiento, es importante conocer la metalurgia del sistema completo.

En los sistemas con agua de alta pureza, la formación de incrustaciones no suele ser un problema, sino que la corrosión es el problema principal. (El ensuciamiento microbiológico también puede ser problemático, lo que exploraremos más adelante en este artículo). Los mecanismos de corrosión más comunes, muchos de los cuales se describieron para los sistemas de recirculación abiertos en entregas anteriores de esta serie, incluyen:

De manera similar a los sistemas abiertos de recirculación a mediados del siglo pasado, el cromato era muy popular para el control de la corrosión en sistemas cerrados. Una vez iniciado el tratamiento, el cromato eventualmente formará lo que se ha denominado una capa de "pseudoacero inoxidable" sobre el acero al carbono que es bastante protectora. Sin embargo, los problemas de toxicidad del cromo hexavalente (Cr6+) llevaron a su eliminación de casi todas las aplicaciones de agua de refrigeración.

El nitrito de sodio (NaNO2) ha sido un reemplazo común para el cromato. El compuesto es económico y seguro de manejar, y por lo general incluye un agente acondicionador de pH o tampón como hidróxido de sodio o tetraborato de sodio para mantener el pH dentro de un rango de 8,5 a 10,5. (2)

El nitrito promueve la formación de una capa pasiva de óxido de hierro sobre la superficie del metal.

9Fe(OH)2 + NO2 → 3Fe3O4 + NH4 + 2OH + 6H2O Eq. 1

9Fe(OH)2 + NO2 → 3(Fe2O3) + NH4 + 2OH + 3H2O Ec. 2

El nitrito reacciona primero en los ánodos y, por esta razón, se lo conoce comúnmente como un inhibidor "peligroso", porque si los residuos caen por debajo de los límites del umbral, se puede desarrollar una pequeña cantidad de ánodos en un entorno catódico grande. Entonces pueden ocurrir picaduras rápidas. Un rango residual de nitrito generalmente seguro es de 500 a 1000 ppm para inhibir la corrosión general y las picaduras, pero cada aplicación debe monitorearse y controlarse cuidadosamente. Si las fugas del sistema impiden la capacidad de mantener residuos adecuados, probablemente se deba detener el tratamiento hasta que se reparen las fugas.

Según la experiencia de este autor en el tratamiento con nitrito para sistemas cerrados, la introducción de nuevos productos químicos fue sencilla: una carga semanal de nitrito de sodio granular mezclado con tampón de pH en los alimentadores de macetas.

La alimentación por lotes se realiza abriendo la cubierta superior, vertiendo la cantidad medida de producto químico sólido, volviendo a cerrar la cubierta y luego valvulando el alimentador durante varios minutos para garantizar que los sólidos se disuelvan y se transporten a la estela de agua de refrigeración.

Un dispositivo auxiliar que puede incluirse en la estela es un filtro de partículas. Incluso con el tratamiento químico adecuado, es probable que se produzca cierta corrosión del metal, especialmente en la red de tuberías de acero al carbono, que suele ser grande. En general, el 90% o más de los productos de corrosión del acero existen como partículas, no como hierro disuelto. Estas partículas pueden asentarse en áreas de bajo flujo y lugares de alta transferencia de calor, es decir, intercambiadores de calor. La filtración de flujo lateral eliminará muchas partículas y reducirá la deposición dentro del sistema de enfriamiento.

Una preocupación con el nitrito es que es un nutriente excelente para algunas bacterias como Nitrobactera agilis, que puede crecer rápidamente al convertir el nitrito en nitrato y luego ensuciar los sistemas de enfriamiento. Por ejemplo, el autor una vez formó parte de un equipo de inspección que visitó una planta de ensamblaje de automóviles, donde las bacterias nitrificantes habían obstruido parcialmente los pequeños tubos serpenteantes de agua de refrigeración en las soldadoras automáticas. Los posibles remedios incluyen un cambio a un inhibidor de corrosión diferente o alimentación suplementaria de un biocida no oxidante.

El molibdato de sodio (Na2MoO4) es una alternativa al nitrito. La evidencia sugiere que el molibdato actúa de manera similar al cromato y se adsorbe en la superficie del acero al carbono en los ánodos y luego continúa formando una capa protectora.

Fe2+ ​​+ MoO42- → FeMoO4↓ Ec. 3

La investigación también indica que el molibdato también actúa como un inhibidor de picaduras por su capacidad de acumularse dentro de la zona ácida de una picadura y bloquear el proceso de corrosión. Un rango de control común para el molibdato es aproximadamente 1/3 del nitrito. Aunque el molibdato es un oxianión, algunas investigaciones, que han sido debatidas, sugieren que el compuesto requiere oxígeno disuelto residual para ser completamente efectivo. Puede entrar suficiente oxígeno a través de la reposición de agua de refrigeración para proporcionar la cantidad necesaria. Al igual que con el nitrito, las formulaciones de molibdato suelen incluir un tampón de pH para establecer condiciones moderadamente alcalinas en el agua de refrigeración.

El molibdato es un químico costoso y los costos pueden ser prohibitivos en algunas aplicaciones. Se han desarrollado programas que emplean tanto nitrito como molibdato, que actúan sinérgicamente y reducen la concentración de cualquiera de los químicos cuando se utilizan solos.

Control de corrosión de aleación de cobre

Las aleaciones de cobre han sido la elección principal para los tubos de intercambiadores de calor durante muchos años, ya que el cobre tiene excelentes propiedades de transferencia de calor. Si bien el cobre es un metal más noble que el hierro, es posible una corrosión significativa en ciertos entornos. La combinación de oxígeno disuelto y amoníaco puede ser particularmente corrosiva. Los azoles se emplean comúnmente para proteger las aleaciones de cobre, a través de la química de formación de películas. La figura 4 ilustra el efecto general.

Los átomos de nitrógeno en las moléculas de azol se unen con los átomos de cobre en la superficie del metal. Los anillos orgánicos en forma de placa forman una barrera para proteger el metal del fluido a granel. Algunos azoles comunes se enumeran a continuación.

Benzotriazol

El 1,2,3-benzotriazol (BZT – C6H5N3) es el compuesto que se muestra en la Figura 4. Es el azol más fundamental.

toliltriazol

El toliltriazol (TTA – C7H7N₃) es similar a BZT pero con un grupo metilo agregado al anillo orgánico.

El grupo metilo ayuda a orientar la molécula para establecer una película de barrera más uniforme. Hay otras variaciones de azol disponibles, incluidos los compuestos resistentes a los halógenos diseñados para su uso en sistemas abiertos de recirculación donde se emplean biocidas oxidantes para el control microbiológico.

Otro de los primeros azoles es el 2-mercaptobenzotiazol (MBT), que tiene dos grupos de azufre en el anillo de nitrógeno. Uno de los átomos de azufre también se une con el cobre para formar una película pasiva gruesa.

Una concentración de azol tan baja como 1-2 ppm puede ser suficiente para el control de la corrosión, pero es posible que se necesiten niveles más altos según el diseño y las condiciones del sistema.

Los sistemas de refrigeración sujetos a condiciones de baja temperatura suelen incluir etilenglicol o propilenglicol para evitar la congelación. "Tanto los fosfatos como los nitritos son [aceptables] como inhibidores de la corrosión de aleaciones ferrosas, [y] los azoles son [efectivos] para inhibir la corrosión de aleaciones de cobre". (2) Un problema con el glicol, como ocurre con otros equipos, incluidos los automóviles, es que, con el tiempo, la sustancia química se descompone en ácidos orgánicos que reducen el pH y aumentan el potencial de corrosión. En consecuencia, la medición regular del pH es importante para los sistemas de refrigeración tratados con glicol (y los sistemas sin glicol).

Como se señaló anteriormente, algunos productos químicos para el control de la corrosión, y en particular el nitrito, pueden servir como nutrientes para los microorganismos. Una posible solución, cuando sea posible, es cambiar de nitrito a molibdato, ya que este último no es un nutriente microbiológico. Sin embargo, el molibdato no tiene propiedades biocidas. Los gastos y otros factores pueden no permitir tal cambio. Los biocidas oxidantes normalmente no se utilizan para controlar los microbios en sistemas cerrados, ya que pueden causar corrosión y también desactivar los productos químicos de tratamiento, especialmente el nitrito. Muchos de los no oxidantes que examinamos en la Parte 5 de esta serie pueden ser efectivos para atacar microorganismos. Un inconveniente potencial es que la mayoría se desactivan por el pH alcalino, pero algunos pueden atacar a los organismos rápidamente antes de una descomposición significativa. La consulta con un proveedor de productos químicos confiable es importante para seleccionar la opción del producto químico y la dosis. Los análisis para determinar los organismos presentes dentro del sistema son importantes para cualquier esfuerzo de este tipo.

Los kits de campo están disponibles para monitorear las concentraciones residuales de los inhibidores de corrosión estándar. La instrumentación de sobremesa, como la espectrofotometría UV-VIS, ofrece lecturas precisas.

Debido a que el crecimiento microbiano ocurre con frecuencia en sistemas cerrados, el monitoreo regular puede detectar la aparición de incrustaciones. La prueba de inmersión en portaobjetos es sencilla y no requiere equipos de laboratorio exóticos. Las pruebas especializadas pueden proporcionar información valiosa sobre numerosos microorganismos, incluidas las bacterias reductoras de sulfato (SRB), las bacterias nitrificantes y las bacterias desnitrificantes. (2)

Común para el monitoreo de la corrosión es la instalación de un bastidor de derivación de cupones de corrosión, con cupones que tienen la misma metalurgia que en la red de enfriamiento.

Una característica principal del diseño correcto es la orientación del cupón. Como es evidente en la Figura 7, la orientación es con el flujo de agua a lo largo y no contra el cupón. Esta configuración ayuda a minimizar las corrientes de Foucault. La tubería se puede configurar para contener múltiples cupones que se pueden extraer en diferentes intervalos para evaluar con mayor precisión el efecto del tiempo en las tasas de corrosión.

Una técnica de control de la corrosión indirecta pero eficaz es el control del hierro, que también se puede realizar mediante espectrofotometría UV-VIS. Sin embargo, debido a que el 90% o más de los productos de corrosión del acero generalmente existen como partículas de óxido de hierro, el procedimiento de prueba requiere un proceso de digestión de 30 minutos para convertir las partículas de hierro en forma disuelta. La concentración total de hierro proporciona datos valiosos sobre la eficacia del tratamiento anticorrosivo. (3).

Los sistemas de agua de refrigeración cerrados son una parte integral de muchas plantas industriales. El descuido de la química del sistema puede conducir a problemas graves que pueden provocar el cierre total o parcial de la planta. Por el contrario, en ocasiones, los materiales del sistema pueden estar sobreespecificados. El autor ayudó una vez con un proyecto de resolución de problemas en el que la línea troncal principal de un sistema enfriado por aire era una tubería de hierro dúctil con un revestimiento interno de cemento cubierto con un revestimiento de betún. Durante el arranque del sistema, cuando las condiciones alcanzaron la carga máxima de calor, el betún se desprendió y obstruyó el intercambiador de calor y los filtros de entrada a las bombas de circulación. Hubiera sido mejor una tubería de hierro dúctil simple con tratamiento con uno de los inhibidores de corrosión mencionados anteriormente.

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].