Concepts avancés de traitement de l'eau de refroidissement (Partie 2)

Cet article examine la chimie générale des technologies de remplacement du phosphate qui se sont avérées efficaces dans de nombreuses applications.

Note de l'éditeur : Ceci est le premier d'une série en plusieurs parties par Brad Buecker, président de Buecker & Associates, LLC.

Lisez la partie 1 ici.

La première partie de cette série offrait un aperçu des programmes de traitement du tartre et des inhibiteurs de corrosion les plus importants depuis le milieu du siècle dernier. Le traitement a évolué de la chimie acide/chromate très efficace mais finalement dangereuse au traitement phosphate/phosphonate/zinc qui utilisait des réactions de précipitation « contrôlées » et un pH légèrement basique pour réduire le potentiel de corrosion et de tartre de l'eau de refroidissement. Ces derniers programmes peuvent être compliqués à contrôler, avec parfois une ligne fine entre les conditions de corrosion et d'entartrage. La photo ci-dessous d'un échangeur de chaleur à deux passes offre un exemple dramatique.

A l'entrée (les tubes inférieurs de cet échangeur), la corrosion était évidente. Du côté de la sortie la plus chaude (la moitié supérieure), le dépôt était gênant, comme cela est clairement visible. Le programme phosphate/phosphonate n'était pas particulièrement efficace pour atténuer la corrosion ou l'entartrage selon l'emplacement et la température à l'intérieur de l'échangeur de chaleur.

Dans cet article, nous examinerons la chimie générale des technologies de remplacement du phosphate qui se sont avérées efficaces dans de nombreuses applications ; avec moins d'incertitude que les traitements au phosphate/phosphonate et avec un impact environnemental réduit de la chimie des rejets.

Comme le lecteur s'en souviendra dans la partie 1, du point de vue du contrôle de la corrosion, les programmes de phosphate/phosphonate reposent largement sur le dépôt de produits de réaction pour inhiber les réactions anodiques et cathodiques. Une cellule de corrosion commune dans l'eau aérée est illustrée ci-dessous.

Bien que la corrosion par l'oxygène de l'acier au carbone soit probablement le mécanisme le plus courant, de nombreux autres mécanismes de corrosion sont possibles. Les limitations d'espace empêchent une discussion détaillée de la plupart de ces mécanismes dans cet article, mais j'espère souligner certains des plus importants dans un futur article sur l'ingénierie énergétique. Continuer avec le sujet principal ; le recours à la chimie de précipitation pour dépolariser les réactions anodiques et cathodiques peut souvent être très difficile, où des conditions variables peuvent entraîner d'autres problèmes tels que la formation de tartre illustrée à la figure 1. En conséquence, des programmes modernes ont vu le jour pour établir un film protecteur direct sur les surfaces métalliques. Les caractéristiques importantes de la ou des molécules organiques dans de nombreuses formulations sont des sites actifs qui se fixent directement aux surfaces métalliques avec la chaîne organique hydrophobe s'étendant vers l'extérieur.

Un composé avec lequel cet auteur est familier porte le nom chimique général d'inhibiteur d'amidon polyhydroxylé réactif (RPSI), (1) où les groupes contenant de l'oxygène actif sur les molécules se fixent à la surface métallique avec la partie organique protégeant le métal. Cette chimie et des technologies similaires ont considérablement gagné en popularité et en utilisation au cours de la dernière décennie, avec maintenant plusieurs milliers d'applications ou plus. Les résultats indiquent qu'une application correcte de la chimie, qui ne nécessite pas de concentrations élevées, peut souvent réduire les taux de corrosion de l'acier au carbone à moins de 1 mil par an (mpy, où un mil est de 0,001 pouce). Ceci est bien en deçà de la durée de vie projetée des composants typiques en acier au carbone.

Les données de la référence 1 indiquent également une bonne protection contre la corrosion des métaux en acier inoxydable de la série 300 contre les piqûres et les fissures de chlorure, ce qui soulève un sujet que cet auteur a prévu d'aborder. Pendant plusieurs années, j'ai été fortement impliqué dans la révision des spécifications de conception du traitement de l'eau pour les nouvelles centrales à cycle combiné. Dans de nombreux cas, la société d'ingénierie de conception spécifiait de l'acier inoxydable 304 ou 316 pour les tubes de condenseur à surface de vapeur, apparemment sans se soucier de la chimie de l'eau de refroidissement et des problèmes potentiels liés aux impuretés.

Un exemple principal est que les aciers inoxydables forment une couche d'oxyde qui protège le métal de base, mais où le chlorure à des concentrations suffisantes pénètre dans la couche d'oxyde et amorce des piqûres. Pendant des années, les limites maximales de chlorure recommandées pour ces aciers allaient de 500 ppm pour 304 SS à 3 000 ppm pour 316L (L signifie faible teneur en carbone) SS à température ambiante. Des recherches ont par la suite montré que ces limites étaient trop élevées, et un expert renommé en matériaux suggère respectivement 100 et 400 ppm pour des tubes propres. (2) Les dépôts augmentent le potentiel de corrosion. Certaines eaux d'appoint ont des niveaux de chlorure qui dépassent ces directives avant même d'être recyclées dans une tour de refroidissement. (3) La piqûre est un mécanisme de corrosion insidieux et est connue pour provoquer une défaillance en quelques mois, voire des semaines, de matériaux qui devraient durer des décennies. Un autre élément qui peut provoquer une corrosion sévère de l'acier inoxydable est le manganèse. Nous examinerons cette question dans un prochain article.

Deux plats à emporter principaux proviennent de cet exemple. Tout d'abord, les ingénieurs de conception pour les grands projets qui ont des systèmes d'eau et de fluides de processus doivent consulter ou avoir parmi leur personnel des experts en chimie et en corrosion qui peuvent sélectionner les matériaux appropriés. Il est généralement beaucoup plus facile de sélectionner les matériaux appropriés lors de la phase de conception que de traiter les problèmes opérationnels après l'installation. Deuxièmement, et d'une importance directe pour cette discussion, est que la chimie filmogène mise en évidence ci-dessus peut offrir une solution dans les installations existantes dans lesquelles le remplacement du matériau serait d'un coût prohibitif.

Un autre avantage de cette alternative moderne de traitement de l'eau de refroidissement est lié à l'environnement. Le phosphore est un élément nutritif primaire, et souvent limitant, pour la croissance microbiologique dans les systèmes de refroidissement et dans les masses d'eau réceptrices, y compris les bassins de rétention pour la purge des tours de refroidissement. Les deux figures suivantes de la référence 1 montrent une photo avant et après du bassin de rétention d'une installation industrielle, dans laquelle le traitement est passé d'un programme polyphosphate/zinc à un programme filmogène sans phosphore (non-P).

De tels résultats sont souvent un facteur moteur supplémentaire pour le changement de programme, en particulier dans les endroits où les réglementations environnementales limitent ou interdisent peut-être même les rejets de phosphore à partir de sources ponctuelles. (Le ruissellement agricole est une question différente qui ne peut être abordée ici.) En outre, les réglementations continuent de se durcir sur les rejets d'autres éléments et composés, qui dans ce cas incluent souvent le zinc ; un inhibiteur de corrosion courant dans les programmes de phosphate/phosphonate.

Comme indiqué dans la partie 1, les programmes de phosphate/phosphonate offrent une double fonction en tant que méthodes de contrôle de la corrosion et du tartre. Pour les programmes avancés non-P maintenant, les polymères avec des groupes actifs servent au contrôle du tartre. La figure 6 décrit la structure générale et les groupes actifs communs sur les polymères.

Ces composés fonctionnent via une variété de mécanismes pour contrôler la formation de tartre, notamment :

Un facteur souvent important pour le contrôle des dépôts est d'améliorer la capacité des polymères à pénétrer les dépôts. Cela est particulièrement vrai pour les matières organiques, y compris les huiles et les graisses, car ces composés lient les dépôts. Les tensioactifs peuvent aider à décomposer ces matériaux. Les tensioactifs non ioniques sont similaires aux détergents en ayant un groupe fonctionnel hydrophile (aimant l'eau) et une chaîne lipophile (aimant l'huile). Lorsque l'extrémité lipophile se lie aux huiles, l'extrémité hydrophile se fixe aux molécules d'eau pour éliminer l'huile. Les modifications structurelles des sites actifs lipophiles et hydrophobes permettent des propriétés spécialisées.

Des polymères de longueurs de chaîne variables sont disponibles, où une analyse approfondie des constituants de l'eau est nécessaire pour sélectionner la taille de la chaîne et les groupes actifs les plus efficaces. De plus, certains composés peuvent provoquer la formation de mousse et ces problèmes doivent être pris en compte lors de la sélection du produit. Et, bien sûr, des ajustements sur le terrain sont parfois nécessaires, car les tests en laboratoire peuvent différer de l'application réelle à grande échelle.

Des méthodes modernes sont disponibles pour déplacer le contrôle de la chimie de l'eau de recirculation au-delà des programmes compliqués de phosphate/phosphonate qui ont régné pendant quatre décennies. Cependant, la chimie ne peut pas être appliquée aveuglément ou sans surveillance, dans l'espoir que tous les problèmes seront instantanément résolus. Les cas sont bien connus où les coupons de corrosion indiquent de bonnes performances, mais où les emplacements dans le système deviennent fortement encrassés ou corrodés. Les effets de la température et d'autres facteurs peuvent être à l'œuvre dans ces endroits. Plus important encore, l'encrassement microbiologique peut complètement compenser tous les effets des inhibiteurs de tartre/corrosion. Le micro-encrassement est souvent le proverbial "gorille de 800 livres dans la pièce" lorsqu'il s'agit de difficultés d'eau de refroidissement. Dans les prochaines parties de la série, nous passerons en revue ces questions.

Cette discussion représente les bonnes pratiques d'ingénierie développées au fil du temps. Cependant, il est de la responsabilité des propriétaires d'usines, des exploitants et du personnel technique de mettre en œuvre des programmes fiables basés sur la consultation d'experts de l'industrie. De nombreux détails supplémentaires entrent dans la conception et l'utilisation ultérieure de ces technologies qui peuvent être décrites dans un seul article.

Les références

À propos de l'auteur : Brad Buecker est président de Buecker & Associates, LLC, conseil et rédaction technique/marketing. Plus récemment, il a occupé le poste de publiciste technique principal chez ChemTreat, Inc. Il a plus de quatre décennies d'expérience dans les secteurs de l'énergie et du traitement de l'eau industrielle, dont une grande partie dans la chimie de la production de vapeur, le traitement de l'eau, le contrôle de la qualité de l'air et les postes d'ingénierie des résultats avec City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) et Kansas City Power & Light Company (maintenant Evergy) La Cygne, Kansas station. Buecker est titulaire d'un BS en chimie de l'Iowa State University avec des cours supplémentaires en mécanique des fluides, en bilans d'énergie et de matériaux et en chimie inorganique avancée. Il est auteur ou co-auteur de plus de 250 articles pour diverses revues spécialisées techniques et a écrit trois livres sur la chimie des centrales électriques et le contrôle de la pollution de l'air. Il peut être contacté à [email protected].