Estrategias efectivas de control de corrosión para torres de refrigeración

Las torres de refrigeración proporcionan un método efectivo de rechazo de calor y se usan ampliamente para acondicionamiento de espacios, refrigeración y aplicaciones de enfriamiento industrial. El control de la corrosión en sistemas de agua de refrigeración es un gran desafío para muchas industrias en todo el mundo.

En circuitos de agua de refrigeración, los problemas de corrosión e incrustación no son nuevos, pero las tendencias continuas en la legislación ambiental están llevando a grados cada vez mayores de evaporación y, consecuentemente, a concentraciones residuales muy altas de varias especies. Por lo tanto, incluso si las aguas utilizadas son inicialmente limpias y no corrosivas, debido a este efecto de concentración, se vuelven corrosivas y su tendencia a inducir incrustación y bioincrustación aumenta.

En este artículo, examinaremos las torres de refrigeración, los problemas de corrosión que más comúnmente enfrentan y cómo prevenirlos.

Tipos de circuitos de torres de refrigeración

En un circuito cerrado, toda el agua de refrigeración está confinada en un circuito cerrado. No hay contacto con la atmósfera y, por tanto, no hay riesgo de contaminación por esta. El calor se elimina por conducción y convección a través de un circuito secundario y no directamente por evaporación del agua del circuito primario. Los circuitos cerrados solo pueden usarse en plantas de pequeño tamaño, en sistemas de alto caudal o en sistemas con una unidad de refrigeración (tanque de agua helada).

Los sistemas de recirculación de refrigeración abiertos, como se muestra en la Figura 2, son los más utilizados. El semicircuito cerrado se alimenta con agua de alimentación. El caudal de agua circulante se mantiene constante mediante bombas. El agua se calienta por el fluido de proceso caliente en los intercambiadores de calor. El agua caliente está en contacto directo con el aire en las torres de refrigeración, y se enfría tanto por este contacto como por pérdida de calor latente de evaporación.

Problemas derivados del uso de agua sin tratar

Los tres principales tipos de problemas en circuitos de agua de refrigeración son incrustación, corrosión e incrustación. Estos problemas están fuertemente interrelacionados y las acciones correctivas tomadas para tratar uno de ellos frecuentemente tienen repercusiones en los otros.

Incrustación

Se considera que ocurre incrustación cuando una superficie metálica u otra se cubre con un depósito mineral adherente. La característica distintiva comparada con un depósito producido por sedimentación de partículas sólidas del líquido es el hecho de que la incrustación se adhiere a la superficie. Los depósitos de incrustación pueden mejorar la captura de sólidos suspendidos.

En un circuito de refrigeración alimentado por agua, la incrustación es esencialmente debida a la formación de carbonato de calcio. La incrustación puede contener posteriormente otras sustancias, como arcillas, residuos de algas o sulfato de calcio, pero siempre es el carbonato de calcio el que precipita primero, ya que su solubilidad es menor.

Corrosión

La corrosión acuosa de metales es de naturaleza electroquímica e implica dos reacciones independientes. La primera reacción corresponde a la oxidación del metal. La segunda reacción es una reducción de alguna especie en el medio corrosivo. La reacción de oxidación del metal es anódica y libera iones metálicos cargados positivamente en la solución y electrones en el metal como se muestra en la fórmula siguiente:

(M)_metal → (Mⁿ⁺)_solución + ne^-

Subsecuentemente, los electrones liberados en el metal reducen un oxidante en el medio corrosivo en la reacción catódica descrita a continuación:

(Ox^+q)_solución + (ne^-)_metal → (Red^q-n)_solución

Una amplia variedad de modos de corrosión pueden ocurrir dependiendo del medio y materiales involucrados. Para aleaciones de acero, los modos de corrosión más comunes son corrosión uniforme, corrosión por picaduras, corrosión por grietas y corrosión intergranular. Para aleaciones de cobre, los modos de corrosión pueden incluir desincificación y depleción de Al o Ni.

Incrustación por corrosión inducida por microorganismos

Los microorganismos están presentes naturalmente en todas las aguas. Si proliferan demasiado rápido, pueden crear dos tipos de problemas en circuitos de agua:

• Bioincrustación, que se relaciona con la acumulación de colonias de microorganismos en superficies de equipos, llevando a la formación de biopelículas.
• Biocorrosión, que se relaciona con el ataque químico por microorganismos. En el caso de metales, la corrosión generalmente se debe a bacterias.

En ambos casos, las consecuencias de la proliferación de microorganismos pueden ser importantes, con pérdida de eficiencia de intercambiadores de calor, obstrucción de tuberías, aumento de presiones de retorno e incluso fugas por corrosión perforante.

Tratamiento de circuitos de agua

El propósito de los tratamientos de agua de alimentación upstream es modificar las propiedades del agua cruda para cumplir con los requisitos del circuito concernido. Independientemente del tratamiento del agua de alimentación, aún es necesario añadir productos químicos al agua en el circuito de refrigeración. Esto es porque se requiere un acondicionamiento específico del sitio para asegurar el éxito de la filosofía de tratamiento adoptada. Los productos químicos comunes son inhibidores de incrustación y dispersantes, inhibidores de corrosión y biocidas.

Tratamientos de inhibición de incrustación y/o dispersantes – Estabilización

En este proceso, se inyectan aditivos en el circuito para prevenir la precipitación de carbonato de calcio, particularmente en puntos calientes. Estos productos aumentan el límite de solubilidad o mantienen el agua en un estado de sobresaturación. Así, permiten que el circuito opere a una relación de concentración más alta.

Los principales mecanismos involucrados son:

• Secuestración/complejación para formar moléculas estables con iones de calcio y magnesio
• Envenenamiento de núcleos de cristal
• Inhibición del crecimiento de cristal
• Efecto de dispersión para mantener las partículas nucleantes en un estado de dispersión cercano a su límite de solubilidad.

Los tratamientos de estabilización son muy populares, ya que permiten operar a "pH libre".

El pH es entonces controlado por el CO₂, y el equilibrio de solubilidad entre el agua y la atmósfera, y se convierte en una simple función del nivel de M-alcalinidad (MA).

Control de pH

El límite de solubilidad de CaCO₃ es sensible al pH, que afecta directamente la concentración de iones carbonato. Para prevenir la precipitación de CaCO₃, se inyecta ácido en el circuito para bajar el pH. El ácido sulfúrico se elige usualmente para este propósito.

De hecho, la adición de ácido tiene dos efectos: disminuye el nivel de MA al neutralizar iones HCO₃⁻, formando CO₂. También baja el pH si el CO₂ se genera más rápidamente del que se elimina del circuito por desgasificación.

Tratamientos de inhibición de corrosión

Cuando se añade inhibidor de corrosión al circuito, el producto formará películas delgadas adsorbidas que no obstaculizan la transferencia de calor. Contienen dos agentes activos para impedir tanto las reacciones de corrosión anódica como catódica.

Inhibidores anódicos

Los inhibidores anódicos aumentan la polarización anódica y mueven el potencial de corrosión en dirección catódica. Estas sustancias se combinan con los productos de corrosión del metal para formar una sal completamente insoluble. Si la inhibición es puramente anódica, se necesitan grandes cantidades de inhibidor. Esto solo puede ser práctico en circuitos de muy pequeño volumen, ya que cualquier deficiencia de inhibidor puede llevar a un ataque localizado acelerado.

Inhibidores catódicos

Los inhibidores catódicos reducen la corrosión al ralentizar la tasa de reacción de reducción de la celda electroquímica de corrosión. Estas sustancias se combinan con los productos de la reacción de corrosión catódica para formar nuevamente compuestos insolubles. Los inhibidores catódicos implican menores riesgos que sus contrapartes anódicas, ya que la corrosión localizada no es inducida por una caída en su concentración.

Inhibidores orgánicos

El efecto de los inhibidores orgánicos está relacionado con la formación de una película adsorbida continua, que obstaculiza las reacciones electroquímicas en superficies expuestas. La película se forma por la adsorción física o química de moléculas orgánicas polares en la superficie del metal, de modo que la elección de moléculas depende del metal concernido.

Implementación del tratamiento

Después de que se ha definido el tratamiento de acondicionamiento, se implementa de acuerdo con las características específicas del sitio. Para circuitos cerrados, los productos de acondicionamiento se inyectan al inicio. No se necesitan adiciones adicionales excepto en caso de drenaje accidental.

En sistemas de recirculación de agua abiertos, los reactivos, excepto biocidas no oxidantes, se inyectan periódicamente mediante bombas en el depósito de alimentación. En casos raros, se emplea inyección por gravedad. Tratamientos puntuales adicionales pueden ser necesarios a veces en ciertos intercambiadores de calor críticos.

En años más recientes, se emplean sistemas de monitorización de corrosión en tiempo real para evaluar la tasa general de corrosión así como evaluar el potencial de corrosión localizada, o por picaduras. Estos sistemas usan una combinación de tecnologías, incluyendo ruido electroquímico (ECN), impedancia de baja frecuencia (LFI) y análisis de distorsión armónica (HDA).