冷却塔の腐食制御
冷却塔は効果的な熱除去方法を提供し、スペース調整、冷凍、産業用冷却用途に広く使用されています。冷却水システムの腐食の制御は、世界中の多くの産業にとって主要な課題です。
冷却水回路では、腐食とスケーリングの問題は新しいものではありませんが、環境法制の継続的な傾向により、蒸発の度合いがますます大きくなり、その結果、さまざまな種の残留濃度が非常に高くなります。したがって、使用する水が最初はきれいで腐食性がない場合でも、この濃縮効果により腐食性になり、スケーリングや生物付着を誘発する傾向が高まります。
この記事では、冷却塔、それらが最も一般的に直面する腐食の問題、およびそれらを防ぐ方法について見ていきます。
冷却塔回路の種類
閉回路では、すべての冷却水が閉ループに閉じ込められます。大気との接触がないため、大気による汚染のリスクがありません。熱は、一次回路の水の蒸発によって直接ではなく、二次回路を介した伝導と対流によって除去されます。閉回路は、小規模プラント、高流量システム、または冷凍ユニット (氷水タンク) を備えたシステムでのみ使用できます。
図 1:再循環冷却システムを閉じる
出典:J.D. Harston および F. Ropital が編集した Control of Corrosion in Cooling Waters
図 2 に示すように、開放型再循環冷却システムが最も広く使用されています。セミクローズド回路は、給水供給によって供給されます。ポンプにより循環水の流量を一定に保ちます。水は、熱交換器内の高温のプロセス流体によって加熱されます。温水は冷却塔内の空気と直接接触し、この接触と蒸発潜熱の損失の両方によって冷却されます。
図 2:再循環冷却システムを開く
出典:J.D. Harston および F. Ropital が編集した Control of Corrosion in Cooling Waters
未処理水の使用から生じる問題
冷却水回路の主な 3 つのタイプの問題は、スケーリング、腐食、ファウリングです。これらの問題は相互に強く関連しており、そのうちの 1 つを処理するために講じられた是正措置が、他の問題に影響を与えることがよくあります。
スケーリング
スケーリングは、金属または他の表面が付着した鉱物堆積物で覆われると発生すると考えられています。液体から固体粒子が沈降したデポジットとの違いは、スケールが表面に付着することです。スケールの堆積物は、懸濁物質の捕捉を強化する可能性があります。
水供給冷却回路では、スケーリングは本質的に炭酸カルシウムの形成によるものです。スケールには、粘土、藻類の残留物、硫酸カルシウムなどの他の物質が含まれる場合がありますが、溶解度が低いため、最初に沈殿するのは常に炭酸カルシウムです。
腐食
金属の水による腐食は、本質的に電気化学的であり、2 つの独立した反応を伴います。最初の反応は、金属の酸化に相当します。 2 番目の反応は、腐食性媒体中のいくつかの種の還元です。金属の酸化反応は陽極であり、以下の式に示すように、正に帯電した金属イオンを溶液に放出し、電子を金属に放出します。
(M)メタル --> (M n+ )解決策 +ね -
続いて、金属内で解放された電子は、以下に説明するカソード反応で腐食性媒体内の酸化剤を還元します。
(牛 +q )解決策 + (ne - )メタル --> (レッド q-n ) 解決策
関連する媒体や材料に応じて、多種多様な腐食モードが発生する可能性があります。合金鋼の場合、最も一般的な腐食モードは、均一腐食、孔食、隙間腐食、および粒界腐食です。銅合金の場合、腐食モードには、脱亜鉛および Al または Ni の枯渇が含まれます。
微生物による腐食汚れ
微生物はすべての水に自然に存在します。増殖が速すぎると、水循環に 2 種類の問題が発生する可能性があります。
- 生物付着 これは、機器の表面に微生物コロニーが蓄積し、バイオフィルムが形成されることに関連しています。
- 生物腐食 これは、微生物による化学的攻撃に関連しています。金属の場合、腐食は一般にバクテリアによるものです。
どちらの場合も、熱交換器の効率の低下、配管の閉塞、背圧の上昇、さらには貫通腐食による漏れなど、微生物の増殖の結果が重要になる可能性があります。
水回路の処理
上流の給水処理の目的は、関連する回路の要件を満たすように原水の特性を変更することです。給水の処理に関係なく、冷却回路内の水に化学薬品を追加する必要があります。これは、採用された治療理念を確実に成功させるために、特定の部位のコンディショニングが必要なためです。一般的な化学製品は、スケール防止剤と分散剤、腐食防止剤、殺生物剤です。
スケール抑制および/または分散剤処理 – 安定化
このプロセスでは、特にホットポイントでの炭酸カルシウムの沈殿を防ぐために、添加剤が回路に注入されます。これらの製品は、溶解限界を高めるか、水を過飽和状態に維持します。したがって、それらは回路がより高い濃度比で動作することを可能にします.
関連する主なメカニズムは次のとおりです。
- カルシウムおよびマグネシウムイオンと安定した分子を形成するための隔離/錯化
- 結晶核の中毒
- 結晶成長の抑制
- 核形成粒子を溶解限界に近い分散状態に維持する分散効果
安定化処理は、「フリー pH」で操作できるため、非常に人気があります。
その後、pH は CO と、水と大気の間の溶解平衡によって制御され、M アルカリ度 (MA) の単純な関数になります。
pH コントロール
CaCO3 の溶解限界は pH の影響を受けやすく、炭酸イオンの濃度に直接影響します。 CaCO3 の沈殿を防ぐために、回路に酸を注入して pH を下げます。通常、この目的には硫酸が選択されます。
実際、酸の添加には 2 つの効果があります。HCO3- イオンを中和して CO2 を形成することにより、MA レベルを低下させます。 CO2 が脱ガスによって回路から除去されるよりも急速に生成される場合、pH も低下します。
腐食抑制処理
腐食防止剤を回路に添加すると、製品は熱伝達を妨げない薄い吸着膜を形成します。陽極腐食反応と陰極腐食反応の両方を妨げるために、2 つの活性剤が含まれています。
陽極抑制剤
陽極阻害剤は、陽極分極を増加させ、腐食電位を陰極方向に移動させます。これらの物質は金属腐食生成物と結合して、完全に不溶性の塩を形成します。阻害が純粋に陽極である場合、大量の阻害剤が必要です。インヒビターの欠乏は局所的な攻撃の加速につながる可能性があるため、これは非常に少量の回路でのみ実用的です。
陰極抑制剤
陰極抑制剤は、電気化学的腐食セルの還元反応速度を遅くすることによって腐食を減らします。これらの物質は、陰極腐食反応の生成物と結合して、再び不溶性化合物を形成します。陰極抑制剤は、濃度の低下によって局所的な腐食が誘発されないため、陽極抑制剤よりもリスクが低くなります。
有機阻害剤
有機阻害剤の効果は、露出した表面での電気化学反応を妨げる連続的な吸着膜の形成に関連しています。この膜は、極性有機分子が金属表面に物理的または化学的に吸着することによって形成されるため、分子の選択は関係する金属に依存します。
処理の実装
コンディショニング処理が定義された後、サイトの特定の機能に従って実行されます。閉回路の場合、コンディショニング製品は起動時に注入されます。偶発的な排水の場合を除いて、追加の必要はありません。
開放型再循環水システムでは、非酸化性殺生物剤を除く試薬は、定期的にポンプを介して給水タンクに注入されます。まれに、重力注入が採用されます。特定の重要な熱交換器では、追加のポイント処理が必要になる場合があります。
最近では、リアルタイムの腐食監視システムを使用して、全体的な腐食速度を評価し、局部的な腐食または孔食の可能性を評価しています。これらのシステムは、電気化学ノイズ (ECN)、低周波インピーダンス (LFI)、高調波歪み解析 (HDA) などの技術を組み合わせて使用します。
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