ES2317186T3 - Inhibicion de las incrustaciones y de la corrosion del agua refrigerante. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la inhibición de la corrosión de una sustancia metálica en un sistema acuoso de agua de refrigeración que contiene una concentración de SiO2 soluble superior a 200 mg/L, en el que dicho sistema acuoso de agua de refrigeración obtiene agua del agua de entrada de aporte, comprendiendo el procedimiento de la presente invención las siguientes etapas: a) Eliminación de los iones de dureza de dicha agua de entrada; b) Control de la conductividad de dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración de tal manera que dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración posee una conductividad de entre 10.000 µohms y 150.000 µohms; c) Elevación y mantenimiento del pH de dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración de tal manera que dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración posee un pH de 9,0 o superior; y d) Proporcionar una superficie metálica de transferencia de calor en dicho sistema y hacer contacto de manera cíclica con el agua de dicho sistema acuoso, en el que el pH aumenta la solubilidad de dicha sílice y controla la formación de incrustaciones de sílice o silicato en dicha superficie metálica de transferencia de calor.
Description
Inhibición de las incrustaciones y de la
corrosión del agua refrigerante.
La sílice es uno de los principales problemas de
incrustaciones y ensuciamiento en muchos procesos en los que se
utiliza agua. La sílice es difícil de tratar debido a que puede
tomar muchas formas químicas de baja solubilidad dependiendo de la
química del agua y de las condiciones de temperatura de la
superficie metálica. Por debajo de un pH de aproximadamente 9,0, la
sílice monomérica presenta una solubilidad limitada (de entre 125
mg/L y 180 mg/L
como SiO_{2}) y tiende a polimerizarse según estas concentraciones son superadas para formar sílice coloidal u oligomérica (amorfa) insoluble. A un pH superior, concretamente por encima de pH 9,0, la sílice es soluble a concentraciones incrementadas del ión silicato monomérico o en las formas multiméricas de la sílice. Puesto que la conversión puede ser lenta, todas estas formas pueden existir en cualquier momento. El ión silicato puede reaccionar con cationes polivalentes como magnesio y calcio por lo general presentes en aguas de procesos para producir sales con solubilidad muy limitada. Por lo tanto, es habitual que haya presente una mezcla de muchas formas: sílice coloidal monomérica y oligomérica; silicato de magnesio, silicato de calcio y otras sales de silicato. Al describir este sistema complejo, es una práctica habitual referirse a la mezcla meramente como sílice o como sílice y silicato. En la presente memoria estos términos se utilizan de manera intercambiable.
como SiO_{2}) y tiende a polimerizarse según estas concentraciones son superadas para formar sílice coloidal u oligomérica (amorfa) insoluble. A un pH superior, concretamente por encima de pH 9,0, la sílice es soluble a concentraciones incrementadas del ión silicato monomérico o en las formas multiméricas de la sílice. Puesto que la conversión puede ser lenta, todas estas formas pueden existir en cualquier momento. El ión silicato puede reaccionar con cationes polivalentes como magnesio y calcio por lo general presentes en aguas de procesos para producir sales con solubilidad muy limitada. Por lo tanto, es habitual que haya presente una mezcla de muchas formas: sílice coloidal monomérica y oligomérica; silicato de magnesio, silicato de calcio y otras sales de silicato. Al describir este sistema complejo, es una práctica habitual referirse a la mezcla meramente como sílice o como sílice y silicato. En la presente memoria estos términos se utilizan de manera intercambiable.
Para abordar tal problema, se han obtenido
procedimientos para controlar la deposición y el ensuciamiento de
sales de silicato o sílice en superficies en un proceso acuoso e
incluyen: 1) la inhibición de la precipitación del material del
agua de proceso; 2) la dispersión de material precipitado unas vez
que se ha formado en el agua en estado libre: 3) el mantenimiento
de un medio químico acuoso que soporta la formación de un incremento
de productos residuales de especies de sílice solubles; y 4) la
producción de una forma no adherente de precipitados de sílice en
el agua en estado libre. El mecanismo exacto mediante el que
funcionan procedimientos de inhibición de incrustaciones
específicos de las presente invención no se entiende del todo
bien.
En una aplicación industrial, la mayoría de
procedimientos de control de incrustaciones y corrosión utilizados
en los sistemas acuosos por lo general dependen de la adición de un
inhibidor de incrustaciones y corrosión conjuntamente con el
vertido controlado del agua del sistema para prevenir problemas de
incrustaciones y corrosión. A este respecto, los principales
potenciales de formación de incrustaciones son aportados por la
cantidad de dureza (calcio y magnesio) y los iones de sílice
aportados por el agua de entrada, mientras que el principal
potencial de corrosión resulta de la fuerza iónica o de la fuerza
electrolítica en el sistema acuoso.
Los procedimientos de tratamiento para minimizar
la corrosión por lo general han dependido más de la adición de
aditivos químicos que inhiben la corrosión a través de la supresión
de reacciones corrosivas que se producen bien sea en el ánodo o en
el cátodo presente en la superficie metálica, o de combinaciones de
aditivos químicos que inhiben reacciones tanto en el ánodo como en
el cátodo. Los inhibidores anódicos más comúnmente aplicados
incluyen cromato, molibdato, ortofosfato, nitrito y silicato
mientras que los inhibidores catódicos más comúnmente aplicados
incluyen polifosfato, zinc, fosfatos orgánicos y carbonato
cálcico.
En vista de la toxicidad y de la preocupación
medioambiental, el uso de inhibidores de corrosión de metales
pesados altamente efectivos, como cromato, han sido estrictamente
prohibidos y la mayoría de los procedimientos en la actualidad
dependen de un equilibrio de la formación de incrustaciones y las
tendencias corrosivas del agua del sistema y en la técnica se
denominan estrategias de tratamiento alcalino. Este equilibrio,
según se aplica en dichas estrategias de tratamiento, se define
mediante el control de la química del agua del sistema con índices
como LSI o Ryznar, y se utiliza conjuntamente con combinaciones de
aditivos inhibidores de incrustaciones y corrosión para inhibir la
formación de incrustaciones y optimizar la protección contra la
corrosión a máxima concentración de sólidos disueltos en el agua de
entrada. Sin embargo, estos procedimientos, todavía se encuentran
limitados por la concentración máxima de sílice y el potencial de
formación de incrustaciones de silicato. Además, las tasas de
corrosión son también considerablemente superiores a las disponibles
con el uso de metales pesados como cromato. Siguiendo estas líneas,
dado que el uso de cromato y otros metales pesados tóxicos ha sido
restringido, tal y como se ha indicado anteriormente, la protección
contra la corrosión por lo general se ha limitado a intervalos
óptimos de entre 2 mils/milésimas de pulgada por año (mpy) y 5
mils/milésimas de pulgada por año (mpy) para acero al carbono al
tratar calidades de agua de entrada típicas con procedimientos de
control de corrosión actuales de las presente invención. Las aguas
de entrada que cuentan con cantidades elevadas de sólidos disueltos
o que son blandas por naturaleza son incluso más difíciles de
tratar, y por lo general incluso tienen tasas de corrosión más
altas.
En un enfoque alternativo, un número
considerable de procedimientos para el control de incrustaciones
dependen de la adición de ácido a sistemas tratados para controlar
el pH y reducir los potenciales de incrustaciones a mayores
concentraciones de química en el agua de entrada. Este procedimiento
permite la conservación del agua mediante la modificación del agua
de entrada concentrada, mientras se mantiene el equilibrio de la
formación de incrustaciones y de las tendencias corrosivas del
agua. A pesar de tales ventajas, estos procedimientos tienen la
desventaja de ser propensos a tener un mayor riesgo de consecuencias
de incrustaciones y/o corrosión con desviaciones con el sistema de
control de acidez/pH. Además, hay un aumento general del potencial
de corrosión debido a la mayor fuerza iónica o electrolítica del
agua que resulta de la adición de iones ácidos que se encuentran
concentrados junto con los iones en el agua de entrada. Los
procedimientos de control de corrosión de pH más bajo dependen
además de productos residuales de aditivos químicos
considerablemente más altos para compensar las tendencias
corrosivas, pero están limitados en efectividad sin el uso de
metales pesados. La concentración de sílice debe aún ser controlada
a máximos productos residuales mediante el vertido del agua del
sistema para evitar las potenciales incrustaciones de sílice.
En un enfoque adicional, el agua de entrada es
pretratada para eliminar los iones de dureza en una pequeña
proporción de sistemas para controlar los potenciales de
incrustaciones de calcio y magnesio. Sin embargo, estas
aplicaciones han dependido todavía del control de los productos
residuales de sílice a niveles máximos de referencia anteriores a
través del vertido del agua para prevenir acumulaciones de
incrustaciones de sílice. La protección contra la corrosión también
es menos efectiva con agua reblandecida debido a la eliminación del
equilibrio de incrustaciones y de la tendencia de corrosión
proporcionada por la dureza natural en el agua de entrada.
ITME920002 se refiera al tratamiento de "aguas
naturales" para reducir la tasa de corrosión y el ensuciamiento
en sistemas que utilizan tales aguas, añadiendo sosa y cal para
precipitar sólidos de CaCO_{3} y MgCO_{3} del agua. La
referencia proporciona además un ejemplo para el tratamiento de agua
de mar en el que la conductividad aumenta con el tratamiento de
42.000 \muohms a 53.000 \muohms, el pH crece a 8,5 y, la
concentración de SiO_{2} parece decrecer tras el tratamiento de
13,2 ppm a 7,4 ppm. El procedimiento ha sido utilizado para
1,9-2,65 Ciclos de Concentración.
Por consiguiente, hay una necesidad importante
en la técnica de procedimientos que sean eficientemente operativos
para inhibir la formación de corrosión e incrustaciones que no
dependan del uso de metales pesados, una acidificación importante
y/o del vertido de agua que son conocidos y practicados en la
técnica anterior. También hay necesidad en la técnica de procesos
que, además de ser eficientes, sean extremadamente rentables y
medioambientalmente seguros. Entre los ejemplos de procesos que
probablemente se beneficiarían de tales procedimientos se incluyen
procesos de agua refrigerante, sistemas de torres refrigeradoras,
dispositivos de refrigeración por evaporación de agua,
refrigeración de lagos o estanques, y bucles de calentamiento y
refrigeración secundarios o cerrados. En cada uno de estos
procesos, se transfiere calor del agua o al agua. En los procesos de
refrigeración por evaporación de agua, se añade calor al agua y se
produce la evaporación de parte del agua. Conforme se evapora el
agua, se concentrará la sílice (o los silicatos) y si la
concentración de sílice sobrepasa su solubilidad, puede depositarse
formando bien sea un recubrimiento vítreo o unas incrustaciones
adherentes que por lo general pueden eliminarse únicamente mediante
un lavado químico o mecánico laborioso. Siguiendo estas líneas, en
algún punto en el proceso anteriormente indicado, se extrae calor
del agua, haciendo que cualquier silicato disuelto sea menos
soluble y que por lo tanto sea además probable que se acumule en las
superficies, requiriéndose así su eliminación. Por consiguiente, un
procedimiento de prevención del ensuciamiento de las superficies
con sílice o silicatos, que además permita el uso de niveles más
elevados de sílice/silicatos para el control de la corrosión
resultaría excepcionalmente ventajoso. A este respecto para el agua
refrigerante, desde hace mucho tiempo se ha deseado disponer de un
procedimiento de inhibición que permita utilizar sílice como un
inhibidor de corrosión no tóxico y respetuoso con el medio
ambiente.
Para abordar estas preocupaciones específicas,
la práctica actual en estos procesos particulares es limitar la
sílice o la concentración de silicato en el agua de manera que no se
produzca una deposición de estos componentes. Por ejemplo, en agua
refrigerante, la práctica aceptada es limitar la cantidad de sílice
o silicatos a aproximadamente 150 mg/l, expresados como SiO_{2}.
Según se indica, la mejor tecnología disponible del momento para el
control de sílice o silicatos en agua refrigerante consiste en
diversos polímeros de bajo peso molecular, diversas químicas de
fosfato orgánico, y combinaciones de los mismos. Sin embargo,
incluso con el uso de estos aditivos químicos, todavía la sílice se
encuentra limitada a 180 mg/L en la mayoría de las aplicaciones de
sistemas. Debido a que en muchas áreas de los EEUU y otras partes
del mundo el agua de aporte puede contener desde un valor de entre
50 mg/L y 90 mg/L de sílice, el agua refrigerante puede concentrarse
únicamente de 2 a 3 veces tales valores antes de que el riesgo de
deposición de sílice o silicato se vuelva demasiado grande. Un
procedimiento que permitiría una mayor reutilización o circulación
de esta agua refrigerante con limitación de sílice sería un gran
beneficio para estas áreas.
La presente invención concretamente aborda y
alivia las deficiencias en la técnica anteriormente identificadas.
A este respecto, la invención se refiere a unos procedimientos para
el control de problemas de ensuciamiento por sílice y silicato, así
como la corrosión de la metalurgia del sistema (es decir, sustratos
metálicos) en sistemas acuosos con altas concentraciones de sólidos
disueltos. Más concretamente, la invención se refiere a la
eliminación de iones de dureza del agua de entrada y al control de
los productos residuales químicos en el sistema acuoso para inhibir
la deposición de silicato de magnesio y de otras incrustaciones de
silicato y sílice en las superficies del sistema, y para inhibir la
corrosión de la metalurgia del sistema según la reivindicación 1. A
tal efecto, inesperadamente hemos descubierto que los difíciles
problemas de incrustaciones de sílice y silicato que se producen en
los sistemas acuosos cuando los productos residuales de sílice
superan los 200 mg/L como SiO_{2} o llegan hasta un valor de 4000
mg/L de acumulación de sílice (acumulación circulada a partir de
agua de entrada) pueden controlarse eliminando inicialmente los
iones de dureza (calcio y magnesio) del agua de aporte (es decir,
agua alimentada al sistema acuoso) utilizando procedimientos de
pretratamiento de las presentes invenciones conocidas en la
técnica, como por ejemplo a través del uso de resinas de intercambio
iónico, eliminación selectiva de iones con ósmosis inversa, ósmosis
inversa, eliminación electroquímica, precipitación química, o
evaporación/destilación. Preferentemente, los procedimientos de
pretratamiento de la presente invención mantendrán la dureza total
en el agua de aporte a un valor inferior al 20% del producto
residual de sílice de aporte (mg/L SiO_{2}), según se determina a
partir de un análisis inicial del agua de aporte. En algunas formas
de realización, el total de iones de dureza se mantendrá a un valor
inferior al 5% de los productos residuales de sílice de aporte.
Cuando el agua de aporte de entrada es blanda por naturaleza, con
una dureza inferior a 10 mg/L como CaCO_{3}, la eliminación en el
pretratamiento de los iones de dureza puede pasarse por alto en
algunos sistemas. Después de eso, se controla la conductividad (no
neutralizada) en el sistema acuoso de tal manera que la misma se
mantiene a un valor de entre 10.000 \muohms y 150.000 \muohms, y
preferentemente de entre 20.000 \muohms y 150.000 \muohms y se
eleva el pH del agua de entrada a un valor de pH de 9,0, y
preferentemente a un valor de pH de 9,6 o superior. En lo que
respecto a este último, el pH puede ajustarse por la adición de un
agente alcalino, como por ejemplo hidróxido de sodio, o simplemente
eliminando una parte del agua del sistema acuoso por medio de
técnicas o procesos tan bien conocidos como la evaporación y/o la
destilación.
En una aplicación relacionada, inesperadamente
hemos descubierto que la excesiva corrosión de acero al carbono,
cobre aleaciones de cobre y aleaciones de acero inoxidable en
sistemas acuosos debido a una alta fuerza iónica (potencial
electrolítico) aportada por agua de entrada con alto contenido de
sólidos disueltos o por sistemas altamente circulados (de entre
10.000 \muohms y 150.000 \muohms conductividad no neutralizada)
puede asimismo controlarse mediante procedimientos de la presente
invención. En tal contexto, los procedimientos de la presente
invención comprenden la eliminación de los iones de dureza (calcio y
magnesio) del agua de entrada de aporte utilizando procedimientos
de pretratamiento conocidos de las presentes invenciones, como por
ejemplo resinas de intercambio iónico, eliminación selectiva de
iones con ósmosis inversa, ósmosis inversa, eliminación
electroquímica, precipitación química, o evaporación/destilación.
Preferentemente, los procedimientos de pretratamiento de la
presente invención mantendrán el ratio de dureza total en el agua de
aporte a un valor inferior al 20%, y preferentemente a un valor por
lo menos inferior al 5%, del producto residual de sílice de aporte
(mg/L SiO_{2}), según se determina a partir del análisis inicial
del agua de entrada. Cuando el agua de aporte de entrada es blanda
por naturaleza, con una dureza inferior a 10 mg/L como CaCO_{3},
la eliminación en el pretratamiento de los iones de dureza puede
pasarse por alto en algunos sistemas. Después de eso, se controla
la conductividad (no neutralizada) en el sistema acuoso de tal
manera que la misma se mantiene a un valor de entre 10.000
\muohms y 150.000 \muohms, y preferentemente de entre 20.000
\muohms y 150.000 \muohms. A continuación se controla la
alcalinidad a un pH de 9,0 o superior, siendo más preferente en
algunas aplicaciones un pH de 9,6. Control de sílice soluble a una
concentración residual mínima de 200 mg/L como SiO_{2} para
soportar la inhibición de la corrosión. En lo que respecta a este
último, el SiO_{2} puede ajustarse por adición de un agente de
sílice/silicato, como por ejemplo silicato sódico, o simplemente
eliminando una parte del agua del sistema acuoso por medio de
técnicas o procesos tan bien conocidos como la evaporación y/o la
destilación.
\vskip1.000000\baselineskip
La descripción detallada que se presenta a
continuación tiene por objetivo describir la actual forma de
realización preferente de la invención, y no tiene por objeto
representar la única forma en la que la presente invención puede
construirse o utilizarse. La descripción presenta las funciones y
secuencias de etapas para la construcción y el funcionamiento de la
invención. Sin embargo, ha y que entender que diferentes formas de
realización pueden llevar a cabo las mismas funciones o funciones
equivalentes y secuencias que también están destinadas a estar
incluidas dentro del alcance de la invención.
De acuerdo con la presente invención, existen
procedimientos que se describen para la inhibición de incrustaciones
de sílice y silicato en sistemas acuosos y que proporcionan una
excepcional protección contra la corrosión metálica que comprenden
la eliminación de la dureza del agua de entrada de aporte antes de
ser alimentada al sistema acuoso y tras ello el control del sistema
acuoso dentro de unos intervalos de control de la química
especificados. Concretamente, son eliminados lo iones de dureza
(calcio y magnesio) del agua de entrada de aporte utilizando
procedimientos de pretratamiento conocidos en la técnica, que
incluyen procedimientos como por ejemplo resinas de intercambio
iónico, eliminación selectiva de iones con ósmosis inversa, ósmosis
inversa, eliminación electroquímica, precipitación química, o
evaporación/destilación. Preferentemente, los procedimientos de
pretratamiento mantendrán el ratio de dureza total en el agua de
aporte a un valor inferior al 20% del producto residual de sílice
de aporte (mg/L SiO_{2}). En una forma de realización más
preferente, los procedimientos de pretratamiento mantendrán el
total de los iones de dureza presentes en el agua de aporte a un
valor inferior al 20% del producto residual de sílice de aporte.
Como podrán entender los expertos en la materia, el producto
residual de sílice puede determinarse fácilmente utilizando técnicas
conocidas, y preferentemente se determinará previamente a la
aplicación de los procedimientos de la presente invención. Siguiendo
estas líneas, cuando el agua de aporte de entrada es blanda por
naturaleza, con una dureza inferior a 10 mg/L como CaCO_{3}, la
eliminación en el pretratamiento de los iones de dureza puede
pasarse por alto en algunos sistemas.
Se controla la conductividad (no neutralizada)
en el sistema acuoso de tal manera que la misma se mantiene a un
valor de entre aproximadamente 10.000 \muohms y aproximadamente
150.000 \muohms a través del control o la eliminación del vertido
extraído del sistema. En una forma de realización más preferente, la
conductividad se mantendrá a un valor de entre aproximadamente
20.000 \muohms y aproximadamente 150.000 \muohms. El nivel más
alto de fuerza iónica en este intervalo de control aumenta la
solubilidad de sales metálicas multivalentes que son menos solubles
a niveles más bajos de fuerza iónica de otros procedimientos. Este
parámetro de control residual también proporciona un control
indirecto de los productos residuales de sílice y alcalinidad (pH)
mediante la concentración de sílice y alcalinidad disponibles de
forma natural en el agua de entrada o mediante la adición de formas
agregadas de estos químicos.
El pH del sistema acuoso se mantiene a un valor
de 9,0 o superior según aporta la cumulación circulada de
alcalinidad a partir del agua de entrada o a través de la adición
suplementaria de un agregado de alcalinidad, como por ejemplo
hidróxido de sodio, al sistema cuando sea necesario. El pH mínimo
proporcionará un incremento de la solubilidad de la sílice y
control de las incrustaciones de silicato y soportará la protección
contra la corrosión para metales. Siguiendo estas líneas, en
determinadas formas de realización preferentes de la presente
invención, el pH puede elevarse y mantenerse a un nivel de 9,6 o
superior.
Los productos residuales de sílice (solubles) se
mantendrán en el sistema a niveles superiores a 200 mg/L aportados
por la acumulación circulada de sílice a partir del agua de entrada
o a través de la adición suplementaria de formas agregadas de la
sílice al sistema cuando sea necesario. En determinadas
aplicaciones, dichos niveles se mantendrán a valores superiores a
300 mg/L. El mínimo producto residual de sílice soluble soportará la
inhibición de la corrosión para metales, y más concretamente,
inhibirá la corrosión el acero al carbono a un valor inferior a 0,3
mpy e inferior a 0,1 mpy para el cobre, aleaciones de cobre y
aleaciones de acero inoxidable presentes en el sistema acuoso.
Con respecto a los mecanismos mediante los
cuales los procedimientos de la presente invención alcanzan de
manera efectiva sus resultados, la sílice del agua de entrada en
exceso (más allá de los productos residuales solubles obtenidos con
un control de pH específico) probablemente es adsorbida en forma de
precipitados no adherentes que forman la siguiente reacción con
pequeñas cantidades de metales (Ca, Mg, Fe, Al, Zn) o sólidos
introducidos por el agua de entrada o eliminados del aire por el
sistema de torres. Este es el resultado probable de la solubilidad
expandida de las especies monoméricas y multiméricas de la sílice
con los procedimientos de la presente invención que impiden la
polimerización de la sílice en exceso hasta que reacciona con estos
materiales de adsorción introducidos de manera incremental para
formar pequeñas cantidades de precipitados no adherentes. La
adsorción y la precipitación de ratios elevados de sílice en
cantidades pequeñas de sólidos como hidróxido de magnesio han sido
demostradas por las isotermas Freundlich, y es una experiencia
habitual en los proceso de precipitación química de tratamiento de
aguas. La pequeña cantidad de precipitado se elimina del agua en
circulación mediante decantación en la balsa de la torre o mediante
pérdidas por arrastre.
El control de las formaciones de incrustaciones
de dureza de solubilidad inferior y los sitios de nucleación
resultantes en las superficies de los sistemas de refrigeración se
controlan con los procedimientos de la presente invención descritos
en la presente memoria, mediante la eliminación en el pretratamiento
de la mayoría de los iones metálicos (de dureza) que forman las
incrustaciones y el control del agua del sistema en intervalos
superiores de control de fuerza iónica especificados. El nivel más
elevado de fuerza iónica en este intervalo de control aumenta la
solubilidad de las sales metálicas que forman las incrustaciones.
Dicha estrategia es adecuada para abordar una complicación
adicional en el control del ensuciamiento de sílice y silicato
provocado por el fenómeno de que la sílice coloidal tiende a ser
más soluble a medida que se eleva la temperatura, mientras que las
sales metálicas polivalentes del ión silicato tienden a ser menos
solubles con el aumento de la temperatura. Como resultado, el
control o la minimización de metales polivalentes en la solución
acuosa prohibirán la formación de las sales insolubles en
superficies de transferencia de calor, y estimularán un aumento de
la solubilidad de otras formas de sílice a temperaturas elevadas de
las superficies de transferencia de calor. De esta manera los
presentes procedimientos eliminan la potencial reacción de las
formas de sílice insolubles con incrustaciones de dureza o
acumulaciones de sales metálicas en las superficies del sistema y
sus sitios de nucleación que dan comienzo a las formaciones de
incrustaciones de sílice o silicato.
Los niveles más elevados de productos residuales
de sílice soluble y los niveles más elevados de pH mantenidos por
medio de los presentes procedimientos de la presente invención
proporcionan una polarización altamente efectiva (formación de
barrera contra la corrosión) y una excepcional protección contra la
corrosión para el acero al carbono, cobre, aleaciones de cobre y
metales de acero inoxidable (inferior a 0,3 mpy para acero suave, e
inferior a 0,1 mpy para cobre, aleaciones de cobre y acero
inoxidable). Las tasas de corrosión comparativas para el acero al
carbono en sistemas acuosos con los procedimientos existentes de las
presentes invenciones se encuentran de manera óptima en el
intervalo de entre 2 mpy y 5 mpy. Aunque no se entiende del todo
bien, se cree que varios mecanismos de inhibición de la corrosión
contribuyen a la protección contra la corrosión de metales
proporcionada pro los procedimientos de la presente invención, y la
sinergia tanto de las funciones de inhibición anódicas como
catódicas puede contribuir al proceso de inhibición de la
corrosión.
Un mecanismo inhibidor anódico de la corrosión
resulta del aumento de productos residuales de la sílice soluble
proporcionado por los presentes procedimientos, particularmente en
la forma multimérica. Los silicatos inhiben la corrosión acuosa
mediante hidrolización para formar partículas coloidales
negativamente cargadas. Estas partículas migran a los sitios
anódicos y se precipitan en las superficies metálicas en las que
reaccionan con los productos de corrosión de ión metálico. El
resultado es la formación de un gel autoreparador cuyo crecimiento
está autolimitado a través de la inhibición de una corrosión
adicional en la superficie metálica. A diferencia de la forma de
sílice monomérica normalmente encontrada en agua de entrada que no
consigue proporcionar una inhibición de la corrosión efectiva, los
procedimientos de la presente invención proporcionan tal efecto
beneficioso dependiendo de la presencia y del control de los
productos residuales de sílice soluble totales, con la conversión
de la sílice monomérica natural en formas multiméricas de sílice a
niveles mucho más elevados, por medio de la aplicación de los
intervalos de control combinados tal y como se ha indicado
anteriormente. A este respecto, la eliminación de la mayoría de los
iones de calcio y magnesio del agua de entrada es operativa para
prevenir la reacción y la adsorción de las formas de sílice
multiméricas en los precipitados de óxido de metal o sales
metálicas del agua de entrada, lo que se cree que se trata de una
importante contribución a la efectividad de este mecanismo de
inhibición de la corrosión que proporciona la presente invención. La
formación efectiva resultante y el control de los productos
residuales multiméricos de sílice con tales procedimientos de la
presente invención no han estado disponibles con anterioridad.
Además de un mecanismo anódico de inhibición de
la corrosión, se cree que también existe un mecanismo catódico de
inhibición. Dicha inhibición la produce el aumento de la
concentración del ión hidroxilo provisto de un intervalo de control
del pH superior utilizado en la práctica de la presente invención. A
este respecto, el hierro y el acero por lo general se consideran
pasivos a la corrosión en el intervalo de pH de entre 10 y 12. El
aumento de producto residual de los iones hidroxilo soporta el
equilibrio con el ión hidroxilo producido durante la reducción de
oxígeno en el cátodo, y aumenta la disponibilidad del ión hidroxilo
para reaccionar con hierro para formar hidróxido ferroso. Por
consiguiente, los precipitados de hidróxido ferroso se forman en la
superficie metálica debido a una muy baja solubilidad. El hidróxido
ferroso oxidará adicionalmente a óxido férrico, pero estos
productos de reacción de hierro permanecen insolubles a los niveles
de pH superiores que se obtienen mediante la implementación de los
procedimientos descritos en la presente memoria para polarizar o
formar una barrera que limita una corrosión adicional. En el
intervalo de pH de entre 9 y 10 (tal y como se utiliza en la
práctica de la presente invención) la reducción en el pretratamiento
de los iones de dureza (calcio y magnesio) en el agua de entrada
que pueda competir con esta reacción e interferir con la formación
de la barrera de la superficie metálica puede contribuir a la
pasivación del ión hidrófilo efectiva de las superficies
metálicas.
El aluminio y el acero galvanizado generalmente
pueden protegerse por el mecanismo inhibidor de corrosión del
silicato analizado en la presente memoria, pero las películas
protectoras pueden resultar desestabilizadas en interfaces
agua-aire-metal. Por lo tanto, el
acero, el cobre, las aleaciones de cobre, el acero inoxidable, la
fibra de vidrio y el plástico son materiales ideales para sistemas
acuosos para la aplicación de los procedimientos de la presente
invención.
La amplia mejoría en la protección contra la
corrosión proporcionada por los procedimientos de la presente
invención por lo general no puede obtenerse con los procedimientos
de la técnica anterior cuando utilizan niveles de productos
residuales de iones agresivos considerablemente superiores (por
ejemplo, cloruro y sulfato) y la mayor fuerza electrolítica o
iónica adjunta presente en el agua del sistema acuoso. Esto puede
resultar bien sea del uso de ácido para el control de las
incrustaciones y/o bien sea de la concentración de los iones del
agua de entrada en el sistema acuoso. Tal y como es conocido, las
tasas de corrosión por lo general aumentan proporcionalmente con el
aumento de la fuerza iónica. Por consiguiente, a través de la
capacidad de proteger los metales del sistema expuestos a este
potencial de la corrosión electrolítica incrementado, la oportunidad
de conservación del agua y de los beneficios medioambientales que
resultan de la eliminación de la descarga del sistema utilizada con
procedimientos anteriores para reducir la corrosión o los problemas
de incrustaciones en los sistemas acuosos puede llevarse a cabo
fácilmente a través de la práctica de los procedimientos descritos
en la presente memoria.
Además, los procedimientos de la presente
invención pueden proporcionar ventajosamente una eliminación gradual
de las acumulaciones de incrustaciones de dureza de las superficies
metálicas. Este beneficio se consigue a través tanto de la
eliminación en el pretratamiento de la mayoría de los iones
metálicos (de dureza) que forman las incrustaciones y el control
del agua del sistema en intervalos superiores de control de fuerza
iónica especificados. La solubilidad de las sales de dureza aumenta
mediante la fuerza iónica superior (conductividad) proporcionada
por los presentes procedimientos de la presente invención, que ha
sido determinada con agua con altas concentraciones de sólidos como
por ejemplo agua de mar, y puede contribuir al aumento de
solubilidad de las acumulaciones presentes en el medio acuoso así
tratado. Estudios realizados con muestras de material para ensayo
metálicas recubiertas con incrustaciones de dureza en sistemas
tratados demostraron una tasa de eliminación de acumulaciones
considerable para películas de incrustaciones de CaCO_{3} en diez
días. Probablemente sea necesario controlar la dureza del agua de
entrada a niveles inferiores específicos de productos residuales
para alcanzar una tasa óptima de eliminación de incrustaciones de
dureza.
Además, los presentes procedimientos
ventajosamente prohíben la propagación de microorganismos debido a
los niveles de sólidos disueltos y de pH más altos obtenidos. De
esta manera el potencial de ensuciamiento biológico se ve
considerablemente reducido. A este respecto, los procedimientos de
las presentes invenciones descritos en la presente memoria crean un
entorno químico que inhibe muchas especies microbiológicas que se
propagan en los intervalos de pH y química de sólidos disueltos
utilizados con estrategias de tratamiento anteriores. La reducción
de la descarga en el sistema acuoso también permite el uso de
biocidas residuales a dosis más efectivas y más económicas que
impiden el desarrollo de concentraciones problemáticas de cualquier
especie biológica que resulte resistente en el entorno acuoso
generado a través de la práctica de los procedimientos de la
presente invención descritos en la presente memoria.
Una ventaja adicional de los procedimientos de
la presente invención incluye la capacidad de los mismos para
proporcionar una temperatura de congelación inferior en el sistema
acuoso, comparable al agua del océano, y evitar potenciales daños
mecánicos motivados por la congelación y/o restricciones
operacionales para sistemas situados en climas de temperaturas de
congelación.
También, se pondrán de manifiesto para las
personas capacitadas en la técnica modificaciones y mejoras
adicionales de la presente invención. De esta manera, la particular
combinación de las partes y de las etapas descritas e ilustradas en
la presente memoria tiene por objeto representar únicamente
determinadas formas de realización de la presente invención, y no
pretende en modo alguno ser limitativa de dispositivos y
procedimientos alternativos de las presentes invenciones dentro del
espíritu y alcance de la invención. Por ejemplo, dado que los
procedimientos de la presente invención proporcionan tanto un
control de las incrustaciones de silicato como una inhibición de la
corrosión efectivos cuando se utilizan aguas de entrada con altas
concentraciones de sílice o sólidos disueltos, puede tolerarse una
amplia variación en la calidad del agua de entrada. De otra manera,
estas aguas de entrada podrían ser inaceptables y caras para su
utilización en tales sistemas acuosos. Además, tales modificaciones
pueden incluir, por ejemplo, el uso de otras químicas de tratamiento
de aguas convencionales junto con los procedimientos de la presente
invención, y podrían incluir otros inhibidores de incrustaciones,
como por ejemplo, fosfonatos, para controlar incrustaciones
diferentes a las de la sílice, inhibidores de corrosión, biocidas,
agentes dispersantes, agentes antiespumantes y similares. Por
consiguiente, la presente invención debería interpretarse de la
manera más amplia posible.
A modo ilustrativo, a continuación se describen
unos ejemplos no limitativos de un sistema de agua acuoso que ha
sido tratado con los procedimientos que conforman la presente
invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Se llevaron a cabo los siguientes ensayos
analíticos en un sistema de torres de refrigeración tratado con los
procedimientos de la presente invención para demostrar la eficacia
de la presente invención en controlar la solubilidad de la sílice y
las especies de silicato, y en prevenir la deposición de
incrustaciones de estas especies. Se analizaron, dos muestras de
cada uno de los siguientes: 1) agua de entrada cambiante; 2) el agua
del sistema tratado resultante; y 3) acumulaciones insolubles del
sumidero de la torre, para un total de seis muestras de diferentes
horizontes temporales operativos.
Aunque el mecanismo de acción exacto del proceso
no se entienda del todo bien, los procedimientos de la presente
invención minimizan la turbidez del agua tratada, lo que se
considera una demostración de un inhibidor de incrustaciones de
sílice y silicato efectivo. Los procedimientos que producen agua
tratada de menos de ocho unidades de turbidez nefelométrica (NTU)
se consideran mejoras con respecto a la tecnología disponible en la
actualidad. Las mediciones de turbidez (Tabla 1) llevadas a cabo
sobre muestras tomadas a partir de sistemas de refrigeración, antes
y después de la filtración a través de un filtro de 0,45 micrones,
ilustran una inhibición de silicato en agua tratada efectiva. Los
niveles de turbidez están muy por debajo de los de los sistemas de
torres de refrigeración típicos, en particular a tales
concentraciones elevadas (80 COC), e indican que los procedimientos
de la presente invención proporcionan una precipitación no adherente
controlada de la sílice en exceso y de otros materiales insolubles
que se introducen al sistema. Las superficies de intercambio de
calor limpias han confirmado que la precipitación de sílice del
procedimiento es no adherente. Las formas de sílice precipitada se
encuentran contenidas en el sumidero de la torre de refrigeración.
Sin embargo, el volumen de precipitado y acumulaciones eliminadas
en el sumidero de la torre resultaron no ser significativamente
superiores a los de los procedimientos de tratamiento anteriores
debido a la reducción de los precipitados de sal metálica
multivalente insolubles mediante la eliminación en el
pretratamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Los ensayos analíticos del agua de aporte y de
la torre de refrigeración llevados a cabo en la Tabla 2 y en la
Tabla 3 ilustran la efectividad de los procedimientos de la presente
invención en mantener niveles superiores de sílice soluble en el
sistema de torres de refrigeración cuando los parámetros son
controlados dentro de los intervalos de baja dureza de aporte y pH
especificados. Los productos residuales de sílice soluble se
encuentran presentes a 306 mg/L y 382 mg/L en estas muestras de
torre a los respectivos niveles de pH de 9,6 y 10,0. Los ciclos
inferiores de concentración (COC) para la sílice en estas muestras
de torre, comparado con los productos residuales circulados
superiores para químicas solubles (cloruro, alcalinidad,
conductividad), indican que se está precipitando la sílice en
exceso como material no adherente, y que se está acumulando en la
balsa de la torre. Esto lo confirma el aumento del ratio de las
formas de sílice encontradas en los análisis de lo acumulado en la
balsa de la torre. Las superficies de intercambio de calor y
metálicas del sistema se encontraban libres de sílice o de
acumulaciones de otras incrustaciones.
El análisis químico y microscópico de las
muestras de la acumulación del residuo acumulado en la balsa de la
torre de un sistema tratado por la presente metodología se muestran
en la Presentación 1 y en la Presentación 2. Ambos análisis ilustran
el ratio considerable de materiales de sílice en la acumulación. La
principal proporción de esta sílice es el resultado probable de la
adsorción de la sílice o de la reacción de la misma con precipitados
insolubles de metales multivalentes conforme se concentraban en el
agua de la torre. Las inspecciones visuales de los equipos de
transferencia de calor en el sistema tratado mediante este
procedimiento confirmaron que ha permanecido libre de sílice y de
acumulaciones de otras incrustaciones. Las eficiencias de
transferencia de calor en el sistema también se mantuvieron a
niveles del factor de ensuciamiento mínimos.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
Presentación
1
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Presentación
2
\hskip1,2cm6
Los datos en la Tabla 4 ilustran la efectividad
de los procedimientos de la presente invención en inhibir la
corrosión para el acero al carbono y los metales de cobre evaluado
mediante muestras de material para ensayo con pérdida de peso en el
sistema. No se observó ninguna picadura provocada por la corrosión
en las superficies de la muestra de material para ensayo. Las
inspecciones de los equipos y el ensayo de la superficie del tubo
intercambiador han confirmado una excelente protección contra la
corrosión. Las tasas de corrosión comparables para el acero al
carbono en esta calidad de agua con los procedimientos existentes de
las presentes invenciones se encuentran de manera óptima en el
intervalo de entre 2 mpy y 5 mpy.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Los datos en la Tabla 5 ilustran la eliminación
de incrustaciones de dureza (CaCO_{3}) de las superficies
metálicas en un sistema de torres tratado con los procedimientos de
la presente invención a través de la reducción de pérdida de peso
de la muestra de material para ensayo. Se pesaron muestras de
material para ensayo estándares que presentaban incrustaciones de
una película de CaCO_{3} antes y diez días después de la
exposición y la eliminación visible de la mayor parte del grosor de
las incrustaciones. La tasa de pérdida de peso de CaCO_{3}
demostrada proporcionará una eliminación gradual de las
acumulaciones de incrustaciones de dureza que se hayan producido en
un sistema previo al tratamiento con el procedimiento.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Claims (12)
1. Procedimiento para la inhibición de la
corrosión de una sustancia metálica en un sistema acuoso de agua de
refrigeración que contiene una concentración de SiO_{2} soluble
superior a 200 mg/L, en el que dicho sistema acuoso de agua de
refrigeración obtiene agua del agua de entrada de aporte,
comprendiendo el procedimiento de la presente invención las
siguientes etapas:
- a)
- Eliminación de los iones de dureza de dicha agua de entrada;
- b)
- Control de la conductividad de dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración de tal manera que dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración posee una conductividad de entre 10.000 \muohms y 150.000 \muohms;
- c)
- Elevación y mantenimiento del pH de dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración de tal manera que dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración posee un pH de 9,0 o superior; y
- d)
- Proporcionar una superficie metálica de transferencia de calor en dicho sistema y hacer contacto de manera cíclica con el agua de dicho sistema acuoso, en el que el pH aumenta la solubilidad de dicha sílice y controla la formación de incrustaciones de sílice o silicato en dicha superficie metálica de transferencia de calor.
2. Procedimiento según la reivindicación 1 para
el control de la formación de incrustaciones de sílice o silicato
en el sistema acuoso de agua de refrigeración siendo la sílice
aportada por el agua de entrada.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2
en el que en la etapa a), dichos iones de dureza incluyen iones de
calcio y magnesio.
4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2
en el que:
- \bullet
- Dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración contiene SiO_{2} soluble en exceso de 300 mg/L.
- \bullet
- En la etapa a), dichos iones de dureza son eliminados en cantidades iguales o inferiores al 20% del SiO_{2} presente en dicha agua de entrada, o
- \bullet
- En la etapa a), dichos iones de dureza son eliminados en cantidades iguales o inferiores al 5% del SiO_{2} presente en dicha agua de entrada.
5. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2
en el que en la etapa c):
- \bullet
- Dicho pH se mantiene a un valor de 9,6 o superior.
- \bullet
- Dicho pH es incrementado añadiendo un agente álcali;
- \bullet
- Dicho pH es elevado evaporando una parte de dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración; o
- \bullet
- Dicho pH es elevado destilando una parte de dicha agua del sistema acuoso de agua de refrigeración.
6. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2
en el que en la etapa a), dichos iones de dureza son eliminados por
medio de un procedimiento seleccionado de entre el grupo que
consiste de intercambio de iones, eliminación selectiva de iones
con ósmosis inversa, ósmosis inversa, eliminación electroquímica,
precipitación química, evaporación y destilación; preferentemente
dicho agente álcali comprende hidróxido de sodio.
7. Procedimiento según la reivindicación 1 en el
que en la etapa c), dicha agua de entrada comprende agua utilizada
en procesos de refrigeración, agua utilizada en sistemas de torres
de refrigeración, agua utilizada en dispositivos de refrigeración
por evaporación de agua, agua utilizada en la refrigeración de lagos
o estanques, agua utilizada para bucles de calentamiento y
refrigeración secundarios o cerrados.
8. Procedimiento según la reivindicación 2 en el
que dicho sustrato metálico se selecciona de entre el grupo que
consiste de acero al carbono, cobre, aleaciones de cobre y
aleaciones de acero inoxidable.
9. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2
en el que previamente a la etapa a), dichos procedimientos de la
presente invención comprenden la etapa: a) análisis de dicha agua de
entrada para determinar la concentración de SiO_{2} presente en
la misma.
10. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2
en el que en la etapa b), dicha conductividad de dicha agua del
sistema acuoso se controla de tal manera que dicha agua del sistema
acuoso de agua de refrigeración posee una conductividad de entre
20.000 \muohms y 150.000 \muohms.
11. Procedimiento según la reivindicación 1 en
el que dicha agua de entrada contiene sílice en una cantidad de 4000
mg/L o inferior.
12. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que en la etapa a) dichos iones de dureza son eliminados en
cantidades iguales o inferiores al 20% del SiO_{2} presente en
dicha agua de entrada.
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