Mejore el tratamiento de su torre de enfriamiento

La química respetuosa con el medio ambiente puede ofrecer una mejor protección contra la corrosión y las incrustaciones

Por Brad Buecker y Ray Post, ChemTreat

10 de junio de 2019

El agua de enfriamiento desempeña un papel esencial en las operaciones de proceso en muchas plantas. Para la mayoría de estas instalaciones, el sistema de refrigeración contiene una o más torres de refrigeración. Los metales utilizados en la torre, las tuberías de agua de refrigeración y los intercambiadores de calor pueden incluir acero al carbono, acero galvanizado, aleaciones de cobre y acero inoxidable. La protección de todos estos metales de la corrosión y la minimización de incrustaciones y ensuciamiento microbiológico en los sistemas de enfriamiento plantean desafíos continuos. Además de la dificultad, los operadores enfrentan restricciones emergentes en la descarga de una serie de impurezas en la purga de la torre de enfriamiento, que incluyen fósforo, zinc y otros metales, residuos de biocidas y sólidos disueltos y suspendidos. Este artículo examina la evolución de la química que proporciona una mejor protección contra la corrosión y el ensuciamiento, además de ser más respetuoso con el medio ambiente que los métodos de tratamiento anteriores.

Ensuciamiento microbiológico

A menudo, este es el problema más grave y problemático en los sistemas de agua de refrigeración (Figura 1). Incluso con agua dulce como fuente de maquillaje, este ensuciamiento puede ocurrir rápidamente. El riesgo ha empeorado aún más en muchas plantas que ahora han cambiado a agua alternativa de menor calidad, por ejemplo, efluentes de plantas de aguas residuales secundarias, para la composición de la planta. Dichos suministros pueden potencialmente introducir grandes cantidades de nutrientes (especies de nitrógeno y fósforo) y alimentos (compuestos orgánicos) en el agua de refrigeración, lo que aumenta el potencial de incrustaciones.

Durante décadas, las plantas han usado alguna forma de biocida oxidante como tratamiento central para el control microbiológico. El cloro gaseoso una vez fue la opción común debido al bajo costo, pero los problemas de seguridad influyeron en el movimiento hacia compuestos más seguros, al principio el blanqueador líquido. Sin embargo, muchos suministros de agua de reposición son levemente alcalinos, y los programas de tratamiento de torres de enfriamiento más comunes durante las últimas cuatro décadas se han basado en productos químicos alcalinos, y las condiciones alcalinas pueden hacer que los compuestos de cloro sean un poco ineficaces. Considere la reacción cuando el cloro se inyecta por primera vez en el agua:

Cl₂ + H₂O ⟺ HOCl_ac + HCl_ac (1)

 

El ácido hipocloroso, HOCl, es el agente asesino. A medida que aumenta el pH, HOCl se disocia cada vez más:

 

HOCl_ac ⟺ H⁺ _acOCl^- _ac (2)

El ion hipoclorito, OCl^-, es un agente asesino mucho menos poderoso que el HOCl.

Figura 1. Las incrustaciones graves pueden afectar al intercambiador de calor (izquierda) y al llenado de la torre (derecha) en un sistema de agua de refrigeración.

 

 

Una mejora común de esta química provino de la mezcla de lejía y un compuesto de bromo, generalmente bromuro de sodio (NaBr), para producir HOBr, el análogo de bromo al ácido hipocloroso. Es un oxidante efectivo y la disociación se produce a un pH más alto que el HOCl, produciendo más ácido no disociado efectivo. Ahora, sin embargo, otras alternativas son cada vez más populares debido a su facilidad de aplicación y mejor capacidad para matar microorganismos.

Un aspecto clave de cualquier programa es tratar el agua antes de que los organismos puedan asentarse en las superficies del sistema de enfriamiento. Los organismos que se adhieren y se multiplican rápidamente formarán una capa de limo para la protección y, dentro de esta película, se desarrollarán numerosas colonias microbianas, incluidas bacterias anaeróbicas como los reductores de sulfato cuyos subproductos metabólicos pueden inducir una corrosión grave (Figura 2).

Figura 2. Los subproductos metabólicos de bacterias anaeróbicas, como los reductores de sulfato, pueden causar picaduras.

Compuestos como la monocloramina (NH₂Cl) y la monobromamina (NH₂Br) han mostrado fuertes resultados en el ataque de colonias microbiológicas establecidas. Su eficiencia aparece debido a que los compuestos son oxidantes más débiles que el cloro o el bromo; no son consumidos por la capa de limo, sino que penetran en los microorganismos que se encuentran debajo para matarlos. La producción de los compuestos debe ocurrir in situ mezclando lejía, agua de dilución y sales de amonio justo antes de la inyección.

Mientras tanto, las hidantoínas, un grupo de compuestos conocidos desde hace mucho tiempo, ahora se están empleando de nuevas maneras. Las hidantoínas son estructuras de anillo; un producto común es 1-bromo-3-cloro-5,5-dimetilhidantoína.

Cuando este compuesto se disuelve en agua, libera cloro y bromo que luego sirven como biocida. Las hidantoínas halogenadas se fabrican típicamente como gránulos o tabletas. Normalmente, estos se cargan en un compartimiento conectado a un circuito de flujo lateral en el sistema de agua de refrigeración. El producto se disuelve lentamente y se introduce en el agua de refrigeración principal.

Se han desarrollado nuevos compuestos químicos donde las moléculas de hidantoína no halogenadas se encuentran en una solución líquida y se introducen por separado de un oxidante. La hidantoína sirve para estabilizar el oxidante y mejorar el tiempo de residencia en el agua de refrigeración. En contraste con las sales de amonio que pueden reaccionar vigorosamente si se ponen en contacto con la lejía sin una dilución adecuada, puede mezclar con seguridad la hidantoína líquida con la lejía en la línea de inyección. Estas formulaciones pueden incluir un biodispersante para romper la capa protectora de limo para permitir que el biocida entre en contacto con los organismos subyacentes.

El personal de la planta a menudo parece pasar por alto el uso de biocidas no oxidantes para complementar los compuestos oxidantes. Estos productos no oxidantes funcionan dañando la pared celular de los organismos o interfiriendo con los procesos metabólicos dentro de las células. La Tabla 1 enumera las propiedades de algunos de los no oxidantes más comunes.

Los no oxidantes son más persistentes y, por lo general, se alimentan por inyección al sistema de refrigeración solo de dos a tres veces por semana en combinación con los oxidantes. Debido a su persistencia, son más efectivos en patas muertas, sistemas de enfriamiento cerrados y bajo condiciones de colocación. Sin embargo, debe evaluar cuidadosamente las especies microbianas en el agua de refrigeración para determinar los biocidas no oxidantes más efectivos, ya que su acción se dirige a funciones metabólicas específicas. Siempre aplique compuestos antimicrobianos, ya sean oxidantes o no oxidantes, de acuerdo con las instrucciones de la etiqueta. Cuando se descargue a "aguas del estado", debe incorporarlos al permiso del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES). Además, al igual que con todos los productos químicos, la seguridad es un problema absolutamente crítico al manejar biocidas.

Control de corrosión e incrustaciones

Un aspecto crítico del diseño adecuado del equipo de tratamiento de agua y la selección del programa de química es obtener datos completos e, idealmente, históricos sobre la calidad del agua cruda. A menudo, los propietarios de las plantas y el personal técnico subestiman la importancia de los datos completos de agua cruda y preparan las especificaciones del proyecto con un análisis de agua incompleto (consulte: No arruine su programa de tratamiento de agua. https://www.chemicalprocessing.com/articles/2019/dont-foul-up-your-water-treatment-program/). Las aguas crudas suelen contener muchas impurezas, algunas de las cuales pueden combinarse para formar depósitos o influir en la corrosión. La tabla 2 enumera varias impurezas comunes y sus posibles consecuencias.

También es posible la deposición adicional de sales de silicato, sulfato y fluoruro, y otros compuestos.

Durante las últimas cuatro décadas, el núcleo del método de tratamiento de torre de enfriamiento más común ha sido la química inorgánica y de fosfato orgánico (también conocido como fosfonato) para controlar la formación de incrustaciones y la corrosión. La adición de zinc adicional proporcionó una mayor protección contra la corrosión. Sin embargo, los nuevos desarrollos están conduciendo a un cambio significativo.

Los programas de fosfato / fosfonato emergieron como la tecnología preferida con la eliminación gradual de los inhibidores de la corrosión basados ​​en cromato en la década de 1980 debido a preocupaciones ambientales. La química puede ser efectiva pero es mucho más compleja que el tratamiento con cromato. Los trastornos en la alimentación o el control de sustancias químicas o los cambios en la composición química del agua pueden provocar la deposición y la corrosión. Ahora, otro factor, la restricción cada vez mayor en la descarga de fósforo y zinc en la purga de la torre de enfriamiento, es impulsar una transición en los métodos de tratamiento. Muchas áreas del país controlan, al menos desde fuentes puntuales, la descarga de fósforo al medio ambiente porque es el nutriente limitante para la proliferación de algas tóxicas (Figura 3), como las que se producen en forma severa en la Florida.

Figura 3. El fósforo en la purga de agua de refrigeración es un nutriente clave para floraciones como esta. 

Fuente: Jesse Allen y Robert Simmon, Observatorio de la Tierra de la NASA.

Los nuevos programas sin fósforo / sin zinc no solo eliminan dichas descargas sino que también pueden proporcionar un beneficio adicional. Algunas sustancias químicas nuevas, por ejemplo, los inhibidores de almidón polihidroxi reactivos (RPSI), como FlexPro, ofrecen menos posibilidades de formación de incrustaciones y una mejor protección contra la corrosión que los programas de fosfato-fosfonato. A diferencia de los tratamientos con fosfato-fosfonato, que dependen de la deposición de productos como el fosfato de calcio, el fosfato de hierro y el hidróxido de zinc para la inhibición de la corrosión, un RPSI, por los grupos funcionales de las moléculas, en realidad forma una barrera superficial contra los metales.

En una base de libra por libra, el RPSI actualmente es competitivo con los métodos de tratamiento con fosfato / fosfonato. Además, mejora significativamente la protección contra la corrosión, más que inclinar la balanza en favor de la nueva química. Sin embargo, su aplicación, como la de cualquier otra tecnología nueva, requiere una evaluación cuidadosa de las condiciones del proceso para garantizar el éxito. El producto es sensible a las concentraciones excesivas de sulfato en el agua, aunque muestra excelentes resultados en la protección de las superficies metálicas de los cloruros. Algunos usuarios, al recortar las velocidades de alimentación a las condiciones ideales percibidas, han reducido demasiado la concentración, lo que, a su vez, permitió que se desarrollaran sitios de corrosión localizada. Han surgido dificultades en las aguas de enfriamiento con alta concentración de hierro (que pueden plantear problemas en muchas circunstancias). Aquí, las bacterias del hierro forman colonias negras y antiestéticas, particularmente si la alimentación del biocida es insuficiente. Estos depósitos proporcionan un ejemplo bastante desagradable de las consecuencias de un control microbiológico inadecuado. Otro tema importante es la ubicación de los cupones de corrosión para monitorear el desempeño del producto. En general, las tasas de corrosión aumentan con el aumento de la temperatura. Los cupones de corrosión colocados en lugares fríos del sistema pueden no indicar con precisión el rendimiento en otros puntos, en particular las superficies de los tubos del intercambiador de calor. Además, los sistemas que previamente han sufrido corrosión y oxidación probablemente requerirán una dosis significativamente más alta que la necesaria con sistemas nuevos y limpios.

Mantener la calma

Muchas plantas reconocen la necesidad de un tratamiento adecuado del agua de refrigeración. Después de todo, el ensuciamiento, incrustaciones y corrosión en un sistema de agua de refrigeración pueden costar a un sitio millones de dólares en pérdida de transferencia de calor y daños en el equipo. Hoy en día, factores adicionales como el impacto ambiental de las descargas aumentan aún más las apuestas. Por lo tanto, las instalaciones deben mantenerse al día sobre las opciones de tratamiento y reconsiderar sus programas.

BRAD BUECKER es un publicista técnico principal de ChemTreat, Glen Allen, Virginia. RAYMOND M. POST, PE, es el director de tecnología de refrigeración de ChemTreat, Glen Allen, Virginia. Envíelos por correo electrónico a Bradley.Buecker@chemtreat.com y RayP @ chemtreat .com.

Fuente: https://www.chemicalprocessing.com/articles/2019/improve-your-cooling-tower-treatment/?utm_source=hs_email&utm_medium=email&utm_content=73530904&_hsenc=p2ANqtz-_ZbL4cJdjzkcvpR60xTpuSwC39ZQaC_fb5Xgc4CpAK30dPADIrZ65MqtRNXlOfTsVN5DqCWCzfhC5pz1t6x4ktyut__Q&_hsmi=73530904

 

Nota:  . El ensuciamiento es la acumulación de material no deseado en superficies sólidas en detrimento de la función. Los materiales contaminantes pueden consistir en organismos vivos o una sustancia no viva (minerales o compuestos orgánicos). Fuente:https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-el-ensuciamiento-factor-de-ensuciamiento-definicion/ (27/10/2020)

Actualizado el 27/10/2020.