Korrosionskontrolle in Kühltürmen

Kühltürme bieten eine effektive Methode zur Wärmeabfuhr und werden häufig für Raumklimatisierungs-, Kühl- und industrielle Kühlanwendungen verwendet. Die Kontrolle der Korrosion in Kühlwassersystemen ist eine große Herausforderung für viele Branchen auf der ganzen Welt.

In Kühlwasserkreisläufen sind Korrosions- und Kesselsteinprobleme nicht neu, aber anhaltende Trends in der Umweltgesetzgebung führen zu immer höheren Verdunstungsgraden und damit zu sehr hohen Restkonzentrationen verschiedener Spezies. Selbst wenn die verwendeten Wässer anfangs sauber und nicht korrosiv sind, werden sie daher aufgrund dieses Konzentrationseffekts korrosiv und ihre Tendenz, Ablagerungen und Biofouling zu induzieren, nimmt zu.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf Kühltürme, die Korrosionsprobleme, mit denen sie am häufigsten konfrontiert sind, und wie man sie verhindert.

Arten von Kühlturmkreisläufen

In einem geschlossenen Kreislauf ist das gesamte Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf eingeschlossen. Es besteht kein Kontakt zur Atmosphäre und somit keine Kontaminationsgefahr durch diese. Die Wärmeabfuhr erfolgt durch Leitung und Konvektion über einen Sekundärkreislauf und nicht direkt durch Verdunstung des Primärkreislaufwassers. Geschlossene Kreisläufe können nur in kleinen Anlagen, in Systemen mit hohem Durchfluss oder in Systemen mit einer Kältemaschine (Eiswassertank) verwendet werden.

Abbildung 1:Umlaufkühlsystem schließen
Quelle:Control of Corrosion in Cooling Waters, herausgegeben von J.D. Harston und F. Ropital

Am weitesten verbreitet sind offene Umlaufkühlsysteme, wie in Bild 2 dargestellt. Der halbgeschlossene Kreislauf wird von einer Speisewasserversorgung gespeist. Der Umlaufwasserdurchfluss wird durch Pumpen konstant gehalten. Das Wasser wird durch die heiße Prozessflüssigkeit in den Wärmetauschern erwärmt. Das heiße Wasser steht in den Kühltürmen in direktem Kontakt mit der Luft und wird sowohl durch diesen Kontakt als auch durch den Verlust latenter Verdunstungswärme gekühlt.

Abbildung 2:Offenes Umlaufkühlsystem
Quelle:Control of Corrosion in Cooling Waters, herausgegeben von J.D. Harston und F. Ropital

Probleme, die sich aus der Verwendung von unbehandeltem Wasser ergeben

Die drei Hauptprobleme in Kühlwasserkreisläufen sind Ablagerungen, Korrosion und Fouling. Diese Probleme sind eng miteinander verknüpft und Korrekturmaßnahmen, die ergriffen werden, um eines von ihnen zu behandeln, haben häufig Auswirkungen auf die anderen.

Skalierung

Es wird davon ausgegangen, dass Ablagerungen auftreten, wenn eine metallische oder andere Oberfläche von einer anhaftenden Mineralablagerung bedeckt wird. Das Unterscheidungsmerkmal gegenüber einer Ablagerung, die durch Sedimentation von Feststoffpartikeln aus der Flüssigkeit entsteht, ist die Tatsache, dass der Zunder an der Oberfläche haftet. Kalkablagerungen können das Einfangen von Schwebstoffen verbessern.

In einem wassergeführten Kühlkreislauf ist die Verkalkung im Wesentlichen auf die Bildung von Calciumcarbonat zurückzuführen. Der Zunder kann später andere Stoffe wie Tone, Algenreste oder Calciumsulfat enthalten, aber immer fällt zuerst Calciumcarbonat aus, da dessen Löslichkeit geringer ist.

Korrosion

Wässrige Korrosion von Metallen ist elektrochemischer Natur und beinhaltet zwei unabhängige Reaktionen. Die erste Reaktion entspricht der Oxidation des Metalls. Die zweite Reaktion ist eine Reduktion einiger Spezies im korrosiven Medium. Die Metalloxidationsreaktion ist anodisch und setzt positiv geladene Metallionen in die Lösung und Elektronen in das Metall frei, wie in der folgenden Formel gezeigt:

(M)_Metall --> (M ⁿ⁺ )_Lösung + nein ^-

Anschließend reduzieren die im Metall freigesetzten Elektronen in der nachfolgend beschriebenen kathodischen Reaktion ein Oxidationsmittel im korrosiven Medium:

(Ox ^+q )_Lösung + (ne ^- )_Metall --> (Rot ^q-n ) _Lösung

Je nach Medium und Werkstoff können unterschiedlichste Korrosionsarten auftreten. Bei Stahllegierungen sind die häufigsten Korrosionsarten gleichmäßige Korrosion, Lochfraßkorrosion, Spaltkorrosion und interkristalline Korrosion. Bei Kupferlegierungen können Korrosionsarten Entzinkung und Al- oder Ni-Verarmung umfassen.

Korrosionsverschmutzung durch Mikroorganismen

Mikroorganismen sind von Natur aus in allen Gewässern vorhanden. Wenn sie sich zu schnell vermehren, können sie zwei Arten von Problemen in Wasserkreisläufen verursachen:

• Biofouling , die sich auf die Ansammlung von Mikroorganismenkolonien auf Geräteoberflächen bezieht, was zur Bildung von Biofilmen führt.
• Biokorrosion, die sich auf den chemischen Angriff durch Mikroorganismen bezieht. Bei Metallen ist die Korrosion in der Regel auf Bakterien zurückzuführen.

In beiden Fällen können die Folgen der Vermehrung von Mikroorganismen erheblich sein, mit Effizienzverlust von Wärmetauschern, Verstopfung von Rohrleitungen, erhöhtem Gegendruck und sogar Leckage durch Durchbruchkorrosion.

Behandlung von Wasserkreisläufen

Ziel der vorgeschalteten Speisewasseraufbereitung ist es, die Eigenschaften des Rohwassers den Anforderungen des jeweiligen Kreislaufs anzupassen. Unabhängig von der Aufbereitung des Speisewassers ist es dennoch notwendig, dem Wasser im Kühlkreislauf Chemikalien zuzusetzen. Denn um den Erfolg der angewandten Behandlungsphilosophie sicherzustellen, bedarf es einer spezifischen Standortkonditionierung. Die üblichen chemischen Produkte sind Kesselsteinhemmer und -dispergiermittel, Korrosionshemmer und Biozide.

Ablagerungshemmung und/oder Dispergiermittelbehandlungen – Stabilisierung

Dabei werden Additive in den Kreislauf eingespritzt, um die Ausfällung von Calciumcarbonat, insbesondere an heißen Stellen, zu verhindern. Diese Produkte erhöhen entweder die Löslichkeitsgrenze oder halten das Wasser in einem Zustand der Übersättigung. Sie ermöglichen somit dem Kreislauf, bei einem höheren Konzentrationsverhältnis zu arbeiten.

Die beteiligten Hauptmechanismen sind:

• Sequestrierung/Komplexierung zur Bildung stabiler Moleküle mit Calcium- und Magnesiumionen
• Vergiftung von Kristallkernen
• Hemmung des Kristallwachstums
• Ein Dispersionseffekt, um die Keimbildungspartikel in einem Dispersionszustand nahe ihrer Löslichkeitsgrenze zu halten.

Stabilisierungsbehandlungen sind sehr beliebt, da sie den Betrieb bei "freiem pH" ermöglichen.

Der pH-Wert wird dann durch das CO- und Löslichkeitsgleichgewicht zwischen Wasser und Atmosphäre gesteuert und wird zu einer einfachen Funktion des M-Alkalinitätsniveaus (MA).

pH-Kontrolle

Die Löslichkeitsgrenze von CaCO3 ist pH-empfindlich, was sich direkt auf die Konzentration von Carbonationen auswirkt. Um eine CaCO3-Ausfällung zu verhindern, wird Säure in den Kreislauf eingespritzt, um den pH-Wert zu senken. Üblicherweise wird für diesen Zweck Schwefelsäure gewählt.

Tatsächlich hat die Zugabe von Säure zwei Wirkungen:Sie senkt den MA-Gehalt, indem sie HCO3-Ionen neutralisiert und CO2 bildet. Es senkt auch den pH-Wert, wenn das CO2 schneller entsteht, als es durch Entgasung aus dem Kreislauf entfernt wird.

Korrosionsinhibierungsbehandlungen

Wenn dem Kreislauf Korrosionsschutzmittel zugesetzt werden, bildet das Produkt dünne Adsorptionsfilme, die die Wärmeübertragung nicht behindern. Sie enthalten zwei Wirkstoffe, um sowohl die anodische als auch die kathodische Korrosionsreaktion zu hemmen.

Anodische Inhibitoren

Anodische Inhibitoren erhöhen die anodische Polarisation und verschieben das Korrosionspotential in die kathodische Richtung. Diese Substanzen verbinden sich mit den Metallkorrosionsprodukten zu einem völlig unlöslichen Salz. Bei einer rein anodischen Hemmung sind große Mengen an Inhibitor erforderlich. Dies kann nur in Kreisläufen mit sehr kleinem Volumen praktikabel sein, da jeder Inhibitormangel zu einem beschleunigten lokalisierten Angriff führen kann.

Kathodische Inhibitoren

Kathodische Inhibitoren verringern die Korrosion, indem sie die Reduktionsreaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Korrosionszelle verlangsamen. Diese Stoffe verbinden sich mit den Produkten der kathodischen Korrosionsreaktion wieder zu unlöslichen Verbindungen. Kathodische Inhibitoren sind mit geringeren Risiken verbunden als ihre anodischen Gegenstücke, da durch einen Abfall ihrer Konzentration keine lokale Korrosion induziert wird.

Organische Hemmstoffe

Die Wirkung organischer Inhibitoren hängt mit der Bildung eines kontinuierlichen adsorbierten Films zusammen, der elektrochemische Reaktionen an exponierten Oberflächen behindert. Der Film entsteht durch die physikalische oder chemische Adsorption polarer organischer Moleküle auf der Metalloberfläche, so dass die Wahl der Moleküle vom jeweiligen Metall abhängt.

Implementierung der Behandlung

Nachdem die Konditionierungsbehandlung definiert wurde, wird sie entsprechend den Besonderheiten des Standorts durchgeführt. Bei geschlossenen Kreisläufen werden die Konditionierungsprodukte beim Start eingespritzt. Außer bei versehentlichem Entleeren sind keine weiteren Zusätze erforderlich.

In offenen Kreislaufwassersystemen werden die Reagenzien, mit Ausnahme von nicht oxidierenden Bioziden, periodisch über Pumpen in das Zufuhrreservoir eingespritzt. In seltenen Fällen kommt die Schwerkraftinjektion zum Einsatz. Bei bestimmten kritischen Wärmetauschern können manchmal zusätzliche Punktbehandlungen erforderlich sein.

In den letzten Jahren werden Echtzeit-Korrosionsüberwachungssysteme eingesetzt, um die allgemeine Korrosionsrate sowie das Potenzial für lokalisierte oder Lochfraßkorrosion zu bewerten. Diese Systeme verwenden eine Kombination von Technologien, darunter elektrochemisches Rauschen (ECN), niederfrequente Impedanz (LFI) und harmonische Verzerrungsanalyse (HDA).