مکانیزم خوردگی در برج خنک کننده به دلیل گرد آمدن عوامل اصلی مانند وجود محیط تر به واسطه حضور آب که لازمه و مقدمه تشکیل الکترولیت میباشد و استفاده از فلزات مختلف با پتانسیل های متفاوت در نقاط گوناگون سیستم خنک کننده از جمله مبدل ها، لوله ها و … که مکان مناسبی برای بروز واکنش های الکتروشیمیایی (اکسیداسیون و احیا) و تشکیل آند و کاتد می باشد شرایط تشکیل یک پیل الکترو شیمیایی و خوردگی را در سیستم خنک کننده را فراهم می سازد. قبلا در مطلب خوردگی در برج خنک کننده به توضیح کلی این پدیده پرداختیم ولی در این مطلب به بررسی دقیق مکانیزم خوردگی در برج خنک کننده می پردازیم.
همانطور که اشاره شد آب به عنوان الکترولیت و وجود فلزات مختلف در نقاط گوناگون سیستم خنک کننده شرایط تشکیل یک پیل الکتریکی را مهیا کرده و موجب بروز خوردگی می شود. از طرفی ورود اکسیژن، گازهای سولفور, میکرو ارگانیسم ها و گردو غبار از طریق هوا و دمای بالای آب چرخشی و تغییرات PH نیز به نوبه ی خود به خوردگی دامن زده و منجر به تشدید آن می گردد. اساسا، دونوع واکنش های اکسیداسیون و احیا و مهاجرت الکترونها از آند که محل تولید الکترون طی واکنش اکسیداسیون می باشد به کاتد که محل مصرف این الکترون ها می باشد علت اصلی وقوع پدیده ی خوردگی است. از طرفی آب و یا رطوبت هوا نیز بستر لازم را جهت حرکت یون های مثبت و منفی فراهم منماید و حلقه ی تشکیل مکانیزم خوردگی را تکمیل می کند.
واکنش آندی باعث بروز پدیده ی یونیزاسیون و کنده شدن اتم های فلز از سطح فلز می شود با توجه به فراهم بودن شرایط لازم جهت بروز پدیده خوردگی در سیستم های خنک کننده، این پدیده به اشکال مختلف مانند خوردگی شیاری، حفره ای و غیره اتفاق می افتد. خوردگی حفره ای در زیر لایه های رسوبی تشکیل شده در سطح فلز صورت می گیرد. به دلیل غلظت کم اکسیژن در زیر این لایه، یک آند مخلی تشکیل می شود و در محیط اطراف آن چون غلظت اکسیژن بیشتر است، یک کاتد محلی تشکیل می گردد. بنابر این فلز توسط این نوعی از مکانیزم خوردگی در برج خنک کننده که به آن خوردگی حفره ای می گویند، مورد حمله قرار می گیرد. خوردگی شیاری در شکاف ها و مناطق مرده ای که در آنها آب جریان ندارد اتفاق می افتد. حال ببینیم چگونه می توان از انواع مکانیزم خوردگی در برج خنک کننده جلوگیری نمود.
از آنجاییکه برای انجام پدیده ی خوردگی سه عامل اصلی ,آند , کاتد و الکترولیت مورد نیاز است اگر هرکدام از این عوامل به طریقی حذف شود خوردگی تشکیل نخواهد شد. بازدارنده های خوردگی، نیز مطابق با این مکانیزم عمل می کنند. این بازدارنده ها، مواد شیمیایی هستند که با تشکیل یک لایه نازک که اصطلاحا “لایه ی محافظ” نامیده می شود بر سطح آند و یا کاتد فرآیند خوردگی را کاهش داده و یا متوقف می نمایند.
وجود محیط تر به واسطه حضور آب که همان الکترولیت میباشد، استفاده از فلزات مختلف با پتانسیل های متفاوت در نقاط گوناگون سیستم خنک کننده از جمله مبدل ها، لوله ها و … که مکان مناسبی برای بروز واکنش های الکتروشیمیایی (اکسیداسیون و احیا) و تشکیل آند و کاتد می باشد شرایط تشکیل یک پیل الکترو شیمیایی و تکمیل مکانیزم خوردگی در برج خنک کننده را فراهم می سازد.
بازدارنده های خوردگی به دو دسته ی آندی و کاتدی تقسیم بندی می شوند. بازدارنده های کاتدی، یک لایه محافظ بر روی سطح کاتد تشکیل داده و مانع از رسیدن اکسیژن محلول در آب به سطح فلز می شوند. بازدارنده های آندی یک لایه محافظ بر روی سطح آند تشکیل می دهند و از این طریق واکنش های خوردگی کاهش می یابد.
انتخاب یک بازدارنده ی مناسب بستگی به پارامترهای طراحی سیستم خنک کننده و ترکیبات آب دارد و همچنین نوع فلزات به کار رفته در سیستم، شرایط تنش وارد بر سیستم، تمیز کاری و سرعت آب، همگی بر انتخاب یک بازدارنده مناسب، تاثیر گذار است. عوامل دیگری که بایستی در نظر گرفته شود شامل حد شاخص مورد نیاز برای آب ، PH ، اکسیژن محلول ، نمک ها و ترکیبات معلق در آب می باشد. حال، در ابتدا با مکانیزم خوردگی در برج خنک کننده آشنا شده و در ادامه به شرح بیشتر آن میپردازیم.
زمانی که فلز در تماس با آب قرار می گیرد, به دلیل یکنواخت نبودن ترکیبات موجود در فلز, نقاط کوچکی با پتانسیل الکتریکی کمتر (آندهای محلی) و تعداد نقاط زیادی با پتانسیل بیشتر (کاتد های محلی) بر روی سطح آن تشکیل می شود و سپس واکنش های الکتروشیمیایی شکل میگیرد.
زمانی که سطح فلز با آب که شامل اکسیژن محلول است تماس پیدا می کند واکنش های فوق انجام می شود. زمانی که رسوبات لجنی که اغلب متشکل از میکرو ارگانیسم ها می باشد به سطح فلز می چسبد یک شرایط هوازی در زیر رسوبات ایجاد می شود و باکتری احیا کننده سولفات رشد پیدا می کند. سپس واکنش خوردگی در بعضی نواحی به دلیل تولید سولفید هیدروژن پیشرفت پیدا می کند. جهت مطالعه ببشتر به مطلب ” کنترل PH آب برج خنک کننده ” مراجعه فرمایید.
http://badrantahvie.com/corrosion-mechanism-in-cooling-tower/
رسوب زدایی در برج خنک کننده به معنی راه های کنترل و جلوگیری از تشکیل رسوب در برج خنک کننده می باشد. همانطور که اشاره شد فرآیند رسوب گذاری به دلیل تبخیر آب و تجمیع املاح در آب برج خنک کن بوجود می آید ، در صورتی که از تشکیل و تجمیع رسوب جلوگیری نشود موجب آسیب به اجزای برج خنک کننده ، گرفتگی قطعات و سطوح انتقال حرارت در برج خنک کننده خواهد شد و در نتیجه بروی راندمان کولینگ تاور تأثیر می گذارد. در مطلب قبلی به بررسی رسوب در برج خنک کننده ، انواع و مراحل تشکیل آن پرداختیم و در این مطلب به بررسی روش های رسوب زدایی و جلوگیری از تشکیل رسوب می پردازیم زیرا بهترین اقدام پیشگیری از تشکیل رسوب می باشد.
–
به طور کلی بازدارنده های رسوب به سه روش زیر عمل می کنند:
· جلوگیری از تشکیل هسته کریستال
· جلوگیری از رشد کریستال
· جلوگیری از تجمع کریستال ها و تشکیل کریستال های بزرگتر
–
تشکیل هسته کریستال تنها در محلول های فوق اشباع انجام پذیر است. در محلول های غیر اشباع، ممانعت از تشکیل هسته رسوب و در نتیجه رسوب زدایی برج خنک کننده با کنترل PH محلول و تزریق اسید انجام می شود. در محلول های فوق اشباع ( غلیظ ) برای جلوگیری از رسوب و رسوب زدایی برج خنک کننده از بازدارنده های رسوب استفاده می شود. متداولترین بازدارنده های رسوب شامل پلی فسفات ها، فسفوناتها و پلی الکترولیت های سبک که گروه کربوکسیل دارند، می باشد.
–
تشکیل و رشد رسوب، از طریق نقاط فعالی که بروی کریستال های رسوب وجود دارد انجام می شود. بدین صورت که یونهای با بارمخالف بروی این نقاط فعال جذب شده و باعث رشد کریستال رسوب می شود و این روند ادامه دارد. مکانیسم عملکرد بازدارنده ها بدین صورت است که این بازدارنده ها به صورت انتخابی بروی این نقاط فعال رشد قرار گرفته و آنها را می پوشانند. بنابراین مانع از رشد کریستال های رسوب از طریق این نقاط می شوند.
–
نحوه عملکرد مکانیسم بازدارنده های رسوب در شکل دیده می شود. کریستال کربنات کلسیم در حالت نرمال به شکل مکعبی است. با افزودن بازدارنده ها شکل کریستال ها مانند شکل تغییر می کند که این تغییر شکل به دلیل جذب شدن مواد بازدارنده رسوب بروی نقاط فعال در سطح کریستال می باشد. در شکل نحوه تجمع کریستال های کربنات کلسیم را می بینیم. استفاده از بازدارنده ها مانع از تجمع کریستال ها شده و آنها را به صورت جداگانه نگه می دارد، در واقع در این حالت زمانی که مواد بازدارنده بر سطح کریستال جذب می شود کریستال ها همدیگر را دفع می کنند.
–
رسوب زدایی در برج خنک کن
–
بعضی از ترکیبات آلی مثل، لیگنین ها ( Lignins ) و تانین ها ( Tannins ) مدت زمان زیادی است که به عنوان بازدارنده های رسوب کربنات کلسیم و هیدروکسید روی و غیره شناخته شده اند. اگرچه این مواد معمولا اثرات بازدارندگی و رسوب زدایی برج خنک کننده را در حد کافی و پایدار نشان نمی دهند.
–
پلی فسفات ها از سال ۱۹۳۶ توسط Resonstein به عنوان بازدارنده رسوب کربنات کلسیم در سیستم های خنک کننده معرفی شدند. اگرچه تاثیرات بازدارندگی این مواد در مورد سیستم های خنک کننده ای که زمان ماند آب زیاد است و یا دما بالاست به دلیل هیرولیز شدن بازدارنده به نسبت اورتوفسفاتها کم می باشد.
–
اخیرا بعضی از محصولات آلی سنتزی، مثل پلیمرها، فسفوناتها و پلی اول فسفات استر ها، به عنوان بازدارنده های رسوبات کربنات کلسیم و فسفات کلسیم و غیره شناخته شده اند. این مواد بندرت هیدرولیزه شده و تاثیرات بازدارندگی پایداری را نشان می دهند.
–
رسوب زدایی در برج خنک کننده به معنی راه های کنترل و جلوگیری از تشکیل رسوب در برج خنک کننده می باشد. همانطور که اشاره شد فرآیند رسوب گذاری به دلیل تبخیر آب و تجمیع املاح در آب برج خنک کن بوجود می آید ، در صورتی که از تشکیل و تجمیع رسوب جلوگیری نشود موجب آسیب به اجزای برج خنک کننده ، گرفتگی قطعات و سطوح انتقال حرارت در برج خنک کننده خواهد شد و در نتیجه بروی راندمان برج خنک کننده تأثیر می گذارد.
–
متداولترین بازدارنده های رسوب در برج خنک کننده به شرح زیر است:
· فسفونات ها
· پلیمرها
· سایر بازدارنده ها
–
انواع بازدارنده هایی که برای هر نوع رسوب زدایی برج خنک کننده استفاده می شود در جدول زیر مشاهده می گردد.
–
|
نوع رسوب |
بازدارنده مناسب |
|
کربنات کلسیم |
فسفونات ها، هموپلیمرهای انیدرید مالئیک، همو پلیمر های اسید اکریلیک |
|
فسفات کلسیم و فسفات روی |
کوپلیمر و ترپلیمرهای اسید اکرلیک، کوپلیمرهای انیدرید مالئیک |
|
سیلیکات مگنزیوم |
کوپلیمر اسید اکریلیک، همو پلیمر آکریل آمید، کوپلیمر های انیدرید مالئیک |
|
سولفات کلسیم |
پلی فسفاتها، فسفوناتها و همو پلیمر های اسید اکریلیک |
–
عوامل موثر در تشکیل رسوب:
· کیفیت آب
عوامل زیادی نظیر غلظت یونهای تشکیل دهنده رسوب ( یون کلسیم، یون فسفات و غیره ) در آب، دما و PH آب در تشکیل رسوب تاثیر دارند. به طور کلی حلالیت رسوبها با کاهش PH افزایش می یابد. بنابراین میزان رسوب با کاهش PH کاهش می یابد، البته محدودیت هایی در این زمینه وجود دارد. به مطلب کنترل PH آب برج خنک کننده مراجعه فرمایید.
· دمای آب
به طور کلی حلالیت ترکیبات رسوب دهنده در آب، با افزایش دما کاهش می یابد. بنابراین میزان رسوب با افزایش دما در مبدل های حرارتی افزایش می یابد.
· سرعت آب
با افزایش سرعت آب، میزان رسوب کاهش می یابد. بنابراین تشکیل رسوب در قسمت هایی از سیستم خنک کننده که سرعت آب کم است و یا فضاهای مرده که آب جریان ندارد بیشتر است.
رسوب در برج خنک کننده به معنی تغلیظ و تجمیع املاح و ناخالصی های موجود در آب برج خنک کن می باشد. در برج خنک کننده، عمده خنک سازی توسط پدیده تبخیر انجام می شود که در حین انجام پدیده تبخیر تنها آب خالص به صورت بخار در می آید. بنابراین املاح و ناخالصیهای آب، در آب باقیمانده تغلیظ می گردد. در ادامه این مطلب برای روشن شدن مفهوم تغلیظ املاح و مواد جامد درون آب، ابتدا بایستی با مفهوم سیکل تغلیظ که با علامت ( C ) نشان داده می شود آشنا شویم و به بررسی انواع رسوب در برج خنک کننده و فرآیند تشکیل آن ها می پردازیم.
سیکل تغلیظ نسبت کنداکتیویته ( هدایت الکتریکی ) آب گرم ورودی به برج خنک کننده به کنداکتیویته آب جبرانی می باشد. به طور کلی کنداکتیویته بستگی به یونهای موجود در آب دارد. به طور مثال اگر غلظت یون کلراید در آب گرم ورودی به برج ۱۰۰ mg/lit باشد و غلظت آن در آب جبرانی ۲۰ mg/lit باشد، سیکل تغلیظ عدد ۵ خواهد بود. عملکرد برج خنک کننده با سیکل تغلیظ بالا، باعث دستیابی به بسیاری از فوائد اقتصادی و زیست محیطی می گردد و همچنین باعث کاهش هزینه های عملیات آبی در برج خنک کننده مانند کاهش مصرف آب برج خنک کننده ، کاهش آب جبرانی مورد نیاز و کاهش مصرف مواد شیمیایی می گردد. زمانی که سیستم در سیکل تغلیظ بالا کار می کند و آب جبرانی به برج نیز دارای مقادیر املاح زیاد است، همانطور که اشاره شد بنابر رابطه سیکل تغلیظ غلظت املاح و مواد جامد در آب چرخشی نیز زیاد خواهد شد. بنابراین، میزان رسوب در برج خنک کننده افزایش پیدا می کند و برای جلوگیری از تشکیل رسوب بایستی مواد شیمیایی که اصطلاحا به آنها ضد رسوب گفته می شود به آب تزریق می گردد.
در برج خنک کننده خنک سازی توسط پدیده تبخیر انجام می شود که در حین انجام پدیده تبخیر تنها آب خالص به صورت بخار در می آید. بنابراین املاح و ناخالصیهای آب، در آب باقیمانده تغلیظ می گردد که باعث تغلیظ و تجمیع املاح و ناخالصی های موجود در آب و تشکیل رسوب در برج خنک کننده می شود.
این مواد شیمیایی که مانع از تشکیل رسوبات در قسمت های مختلف سیستم خنک کننده به خصوص مبدل های حرارتی می گردند، بسیار گرانقیمت هستند، پس بایستی همواره میزان زیر آب برج خنک کننده که به منظور کاهش املاح آب چرخشی می باشد، کنترل شود. تشکیل رسوب در برج خنک کننده نه تنها باعث گرفتگی خطوط لوله دستگاه ها و مبدل های حرارتی می شود، همچنین باعث کاهش بازده حرارتی مبدل ها نیز می گردد.
ترکیباتی که معمولا به صورت رسوب در سیستم های خنک کننده مشاهده می شود به شرح زیر است:
· کربنات کلسیم
· فسفات کلسیم و فسفات روی
· سیلیکا و سیلیکات مگنزیم
· سولفات کلسیم
در یک محلول رقیق و غیراشباع، مواد حل شونده بصورت یونها، یونهای پیچیده و یا مولکول های تکی وجود دارد، در حالیکه در یک محلول غلیظ و فوق اشباع بعضی از این حل شونده ها با هم ترکیب شده و هسته های رسوب را تشکیل می دهند. پی اولین گام در تشکیل رسوب در برج خنک کننده ایجاد هسته رسوب می باشد. با توجه به شرایط موجود در محلول و اندازه این هسته ها ممکن است هسته ها دوباره در داخل محلول، حل شوند و یا اینکه به صورت یک کریستال رشد نماید.
میزان رشد کریستال بستگی به میزان نفوذ یونهای حل شده در آب در سطح کریستال و میزان قرارگرفتن این یونها در سطح کریستال دارد. نیروی محرکه لازم برای جذب یونها در سطح کریستال و در نتیجه رشد کریستال رسوب همان تفاوت غلظت حل شونده ها ( یونها ) مابین کریستال و بالک سیال می باشد. عواملی که در میزان نفوذ یونها در سطح کریستال تاثیر می گذارد شامل سرعت آب، دما و ویسکوزیته می باشد. کریستال هایی که تشکیل شده اند تمایل به تجمع با یکدیگر دارند و تشکیل کریستال های بزرگتری می دهند.
در مطلب بعدی ضمن معرفی انواع و مکانیزم های بازدارنده رسوب به بررسی اقدامات موثر در رسوب زدایی برج خنک کننده می پردازیم.