Estratégias Eficazes de Controle de Corrosão para Torres de Resfriamento

Torres de resfriamento fornecem um método eficaz de rejeição de calor e são amplamente usadas para condicionamento de espaço, refrigeração e aplicações de resfriamento industrial. O controle de corrosão em sistemas de água de resfriamento é um grande desafio para muitas indústrias em todo o mundo.

Em circuitos de água de resfriamento, problemas de corrosão e incrustação não são novos, mas tendências contínuas na legislação ambiental estão levando a graus cada vez maiores de evaporação e consequentemente a concentrações residuais muito altas de várias espécies. Portanto, mesmo se as águas usadas são inicialmente limpas e não corrosivas, por causa deste efeito de concentração, elas se tornam corrosivas e sua tendência a induzir incrustação e bioincrustação aumenta.

Neste artigo, veremos torres de resfriamento, os problemas de corrosão que mais comumente enfrentam e como preveni-los.

Tipos de Circuitos de Torre de Resfriamento

Em um circuito fechado, toda a água de resfriamento é confinada em um loop fechado. Não há contato com a atmosfera e, portanto, nenhum risco de contaminação por esta. Calor é removido por condução e convecção via circuito secundário e não diretamente por evaporação da água do circuito primário. Circuitos fechados só podem ser usados em plantas de pequeno porte, em sistemas de alta vazão, ou em sistemas com unidade de refrigeração (tanque de água gelada).

Figura 1: Sistema de Resfriamento Recirculante Fechado
Fonte: Controle de Corrosão em Águas de Resfriamento, editado por J.D. Harston e F. Ropital

Sistemas de resfriamento recirculante aberto, como mostrado na Figura 2, são os mais amplamente usados. O circuito semi-fechado é alimentado por uma alimentação de água de alimentação. A vazão de água circulante é mantida constante por bombas. A água é aquecida pelo fluido de processo quente nos trocadores de calor. A água quente está em contato direto com o ar nas torres de resfriamento, e é resfriada tanto por este contato quanto por perda de calor latente de evaporação.

Figura 2: Sistema de Resfriamento Recirculante Aberto
Fonte: Controle de Corrosão em Águas de Resfriamento, editado por J.D. Harston e F. Ropital

Problemas Decorrentes do Uso de Água Não Tratada

Os três principais tipos de problemas em circuitos de água de resfriamento são incrustação, corrosão e incrustação biológica (fouling). Estes problemas são fortemente inter-relacionados e ações corretivas tomadas para tratar um deles frequentemente têm repercussões nos outros.

Incrustação (Scaling)

Incrustação é considerada ocorrer quando uma superfície metálica ou outra se torna coberta por um depósito mineral aderente. A característica distintiva comparada a um depósito produzido pela sedimentação de partículas sólidas do líquido é o fato de que a incrustação adere à superfície. Depósitos de incrustação podem aumentar o aprisionamento de sólidos suspensos.

Em um circuito de resfriamento alimentado por água, a incrustação é essencialmente devida à formação de carbonato de cálcio. A incrustação pode subsequentemente conter outras substâncias, como argilas, resíduos de algas, ou sulfato de cálcio, mas é sempre carbonato de cálcio que precipita primeiro, já que sua solubilidade é menor.

Corrosão

Corrosão aquosa de metais é eletroquímica em natureza e envolve duas reações independentes. A primeira reação corresponde à oxidação do metal. A segunda reação é uma redução de alguma espécie no meio corrosivo. A reação de oxidação do metal é anódica e libera íons metálicos positivamente carregados na solução e elétrons no metal, como mostrado na fórmula abaixo:

(M)_metal → (Mⁿ⁺)_solução + ne^-

Subsequentemente, os elétrons liberados no metal reduzem um oxidante no meio corrosivo na reação catódica descrita abaixo:

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

Uma ampla variedade de modos de corrosão pode ocorrer dependendo do meio e materiais concernidos. Para ligas de aço, os modos de corrosão mais comuns são corrosão uniforme, corrosão por pitting, corrosão por fresta e corrosão intergranular. Para ligas de cobre, modos de corrosão podem incluir deszinificação e depleção de Al ou Ni.

Incrustação por Corrosão Induzida por Micro-organismos

Micro-organismos estão presentes naturalmente em todas as águas. Se proliferarem muito rapidamente, podem criar dois tipos de problema em circuitos de água:

• Bioincrustação (Biofouling), que se relaciona ao acúmulo de colônias de micro-organismos em superfícies de equipamentos, levando à formação de biofilmes.
• Biocorrosão, que se relaciona a ataque químico por micro-organismos. No caso de metais, a corrosão é geralmente devida a bactérias.

Em ambos os casos, as consequências da proliferação de micro-organismos podem ser importantes, com perda de eficiência de trocadores de calor, obstrução de tubulações, aumento de contrapressões e até vazamento por corrosão de ruptura.

Tratamento de Circuitos de Água

O propósito dos tratamentos de água de alimentação a montante é modificar as propriedades da água bruta para atender aos requisitos do circuito concernido. Independentemente do tratamento da água de alimentação, ainda é necessário adicionar produtos químicos à água no circuito de resfriamento. Isso é porque um condicionamento específico do local é requerido para garantir o sucesso da filosofia de tratamento adotada. Os produtos químicos comuns são inibidores de incrustação e dispersantes, inibidores de corrosão, e biocidas.

Tratamentos de Inibição de Incrustação e/ou Dispersantes – Estabilização

Neste processo, aditivos são injetados no circuito para prevenir a precipitação de carbonato de cálcio, particularmente em pontos quentes. Estes produtos ou aumentam o limite de solubilidade ou mantêm a água em estado de super-saturação. Eles assim permitem que o circuito opere em uma razão de concentração mais alta.

Os principais mecanismos envolvidos são:

• Sequestração/complexação para formar moléculas estáveis com íons de cálcio e magnésio
• Envenenamento de núcleos de cristal
• Inibição de crescimento de cristal
• Efeito de dispersão para manter partículas nucleantes em estado de dispersão próximo ao seu limite de solubilidade.

Tratamentos de estabilização são muito populares, pois permitem operação em "pH livre".

O pH é então controlado pelo CO₂, e equilíbrio de solubilidade entre a água e a atmosfera, e torna-se uma função simples do nível de M-alcalinidade (MA).

Controle de pH

O limite de solubilidade de CaCO₃ é sensível ao pH, que afeta diretamente a concentração de íons carbonato. Para prevenir precipitação de CaCO₃, ácido é injetado no circuito para baixar o pH. Ácido sulfúrico é geralmente escolhido para este propósito.

Na verdade, a adição de ácido tem dois efeitos: diminui o nível de MA neutralizando íons HCO₃^-, formando CO₂. Também baixa o pH se o CO₂ é gerado mais rapidamente do que é removido do circuito por desgasificação.

Tratamentos de Inibição de Corrosão

Quando inibidor de corrosão é adicionado ao circuito, o produto formará filmes adsorvidos finos que não impedem a transferência de calor. Eles contêm dois agentes ativos para impedir tanto as reações de corrosão anódica quanto catódica.

Inibidores Anódicos

Inibidores anódicos aumentam a polarização anódica e movem o potencial de corrosão na direção catódica. Estas substâncias combinam com os produtos de corrosão do metal para formar um sal completamente insolúvel. Se a inibição é puramente anódica, grandes quantidades de inibidor são necessárias. Isso só pode ser prático em circuitos de volume muito pequeno, já que qualquer deficiência de inibidor pode levar a ataque localizado acelerado.

Inibidores Catódicos

Inibidores catódicos reduzem corrosão diminuindo a taxa de reação de redução da célula eletroquímica de corrosão. Estas substâncias combinam com os produtos da reação de corrosão catódica para novamente formar compostos insolúveis. Inibidores catódicos envolvem riscos menores que seus equivalentes anódicos, já que corrosão localizada não é induzida por uma queda em sua concentração.

Inibidores Orgânicos

O efeito de inibidores orgânicos está relacionado à formação de um filme adsorvido contínuo, que impede reações eletroquímicas em superfícies expostas. O filme é formado pela adsorção física ou química de moléculas orgânicas polares na superfície do metal, de modo que a escolha de moléculas depende do metal concernido.

Implementação do Tratamento

Após o tratamento de condicionamento ter sido definido, ele é então implementado de acordo com as características específicas do local. Para circuitos fechados, os produtos de condicionamento são injetados na inicialização. Nenhuma adição adicional é necessária exceto no evento de drenagem acidental.

Em sistemas de água recirculante aberta, os reagentes, exceto biocidas não-oxidantes, são injetados periodicamente via bombas no reservatório de alimentação. Em casos raros, injeção por gravidade é empregada. Tratamentos pontuais adicionais podem às vezes ser necessários em certos trocadores de calor críticos.

Em anos mais recentes, sistemas de monitoramento de corrosão em tempo real são empregados para avaliar a taxa geral de corrosão, bem como avaliar o potencial para corrosão localizada, ou por pitting. Estes sistemas usam uma combinação de tecnologias, incluindo ruído eletroquímico (ECN), impedância de baixa frequência (LFI) e análise de distorção harmônica (HDA).