سیستم خنک کننده آب برای عملکرد بهینه و مناسب در اکثر فرآیند های تولید صنعتی مورد نیازمند است. تمامی پالایشگاه ها، کارخانجات فولادسازی، پتروشیمی ها، کارخانجات تولیدی، صنایع غذایی، برج های ساختمانی، تولیدات مواد شیمیایی و تاسیسات الکتریکی برای پیشبرد اهدافشان، نیازمند سیستم خنک کننده آب هستند. سیستم های خنک کننده آب با عملیات انتقال حرارتی از سیال گرم به آبی که به بیرون هدایت می شود، گرما و فشار را کنترل می کنند. دمای آب گرم شده به کمک دستگاه های خنک کننده ثانوی و یا با جایگزینی جریان ترمیمی پایین آورده می شود و مجدد مورد استفاده قرار می گیرد.
عوامل متعددی که آب را مایع خنک کننده ی ایده آل میکند به شرح زیر است:
ویژگی های اصلی سیستم های خنک کننده
هدایت: معیاری از توانایی انتقال جریان الکتریکی آب است که در سیستم خنک کننده، هدایت آب نشان دهنده ی مقدار ماده معدنی محلول در آب است. برنامه های بهسازی آب سیستم خنک کننده محدوده مشخصی از هدایت بهره وری دارد.
pH: کنترل pH برای بهسازی آب اکثر سیستم های خنک کننده ضروری است. به طور کلی، زمانی که pH پایینتر از محدوده پیشنهادی باشد، میزان خوردگی فلز افزایش می یابد و با بالاتر رفتن pH از محدوده پیشنهادی نیز احتمال رسوبگذاری افزایش می یابد. علاوه بر این اثربخشی اکثر بایوسایدها به pH بستگی دارد و تغییرات pH منجر به بروز و گسترش مشکلات میکروبی می شود.
قلیاییت: در سیستم خنک کننده، قلیاییت ناشی از یون های کربنات و بی کربنات حائز اهمیت است. قلیاییت در سیستم به عنوان بافر عمل می کند و خصلت اسیدی یا بازی را کنترل می نماید. ازآنجایی که افزایش pH نشان دهنده ی افزایش قلیاییت و کاهش آن نشان دهنده کاهش قلیاییت است، این دو با یکدیگر رابطه ی مستقیمی دارند. اگرpH و قلیاییت پایینتر از محدوده پیشنهادی قرار گیرند، احتمال خوردگی افزایش می یابد و در قلیاییت بالاتر از محدوده پیشنهادی نیز رسوبگذاری محتمل تر می شود. زمانی که در سیستم مشکلات رسوبی و خوردگی وجود داشته باشد، جرم گرفتگی نیز از مشکلات دیگر سیستمی خواهد بود.
سختی: مقادیر یون های کلسیم و منیزیم، سختی آب را تشکیل می دهند که به طور کلی میزان سختی، تمایل به رسوبگذاری در سیستم های خنک کننده را پیشبینی می کند.
انواع سیستم های خنک کننده
حرارت منتقل شده به آب سیستم های مبدل حرارتی باید در محیط آزاد شود که این کار وظیفه ی سیستم خنک کننده است. سه نوع سیستم خنک کننده اصلی وجود دارد:
سیستم یک بارگذر: در یک سیستم یک بارگذر، آب از منبع اصلی وارد می شود، از سیستم خنک کننده عبور می کند، عملیات خنک کاری را انجام می دهد و در نهایت به مخزن دریافت کننده آب بعدی منتقل می شود. محفاظت سیستم به کمک تزریق مقادیر کمی ماده شیمیایی امکان پذیر خواهد بود.
سیستم گردشی باز: از آنجایی که در سیستم های گردشی باز محتوای آب به دلیل تبخیر مداوم در حال تغییر است، مواد شیمیایی بیشتری برای حفاظت مورد استفاده قرار می گیرد. زیراکه عوامل رسوب زا و خورنده همچنین مواد بهسازی طی این تبخیر، تغلیظ می شوند. بنابراین پس از تزریق مقادیر ابتدایی، تزریقات مداوم ماده شیمیایی می تواند مقدار ماده ی مورد نیاز جهت حفاظت در این سیستم ها را تامین کند.
سیستم گردشی بسته: در این سیستم ها آب در یک مدار بسته با تبخیر اندک در حال گردش است. بیولوژی و ویژگی های شیمیایی آب در این سیستم ها تحت تاثیر عوامل بیرونی قرار نمی گیرد لذا اجزای تشکیل دهنده ی آب نسبتا ثابت باقی می ماند. در حالت ایده آل، مواد شیمیایی بهسازی آب به میزان ناچیزی هدر خواهند رفت.
خوردگی
خوردگی فرآیندی الکتروشیمیایی است که طی آن فلز به عدد اکسایش طبیعی اش باز می گردد. به عنوان مثال فولاد فلز رایجی است که در سیستم های خنک کننده آب مورد استفاده قرار می گیرد و بسیار مستعد خوردگی است. خوردگی باعث کاهش ضخامت فلز و نفوذ سیال از دیواره لوله ها می شود که این امر منجر به نشتی سیالات فرآیند به درون خنک کننده آب و بالعکس می گردد.
مواد ضدخوردگی در سیستم های باز به شرح زیر هستند:
فسفات استیبلایز شده: این ماده ترکیبی از ارتوفسفات، پلی فسفات، و فسفونات هایی است که از خوردگی سیستم های فولادی جلوگیری می کند. ارتوفسفات از طریق حفاظت آندی و پلیفسفات با حفاظت کاتدی از حفاظت خوردگی را انجام می دهند. اصل اساسی در موفقیت برنامه حفاظت به پلیمرهای پایدارکننده کلسیم فسفات بستگی دارد.
آلکالاین زینک: در این ماده، زینک با ارتوفسفات، فسفونات یا پلی فسفات (ویا ترکیبی از این ها) همراه است و از خوردگی حفاظت میکند. پلیمرهایی که برای فسفات استیبلایز شده یا آل- اُرگانیک مورد استفاده قرار می گیرند، برای پایدار کردن زینک سیستم های خنک کننده استفاده می شوند و از آنجایی که پلیمرها باعث پایداری زینک و فسفات می شوند، این مواد می توانند در شرایط بازی محدوده pH تا 9 بهره وری داشته باشند.
مواد بازی پایه فسفات: در برخی مناطق، محدودیت های زیست محیطی تنها اجازه ی استفاده از فسفات در دزهایی پایینتر از فسفات های پایدارشده سنتی را می دهند همچنین برخی کارخانه ها اجازه ی استفاده از اسید و زینک را برای کنترل pH و خوردگی را ندارند لذا در این موارد استفاده از مواد بازی پایه فسفات، به دلیل عملیاتی بودن در دزهای پایین فسفات و قلیاییت و pH بالاتر کاربردی هستند.
آل- اُرگانیک: این ترکیبات با هدف حفاظت از خوردگی، کنترل رسوبگذاری و دیسپرس کنندگی سیستم ها طراحی شده اند و این در حالیست که هیچ ماده ی ضدخوردگی معدنی از جمله زینک یا فسفات در آن به کار نرفته است. مواد آل-اُرگانیک ترکیبی از فسفونات ها، تری آزول و پلیمرهای پایدارکننده هستند. حفاظت آندی و کاتدی به کمک فسفونات ها در قلیاییت وpH های بازی تا 5/8 انجام میشود.
مواد ضدخوردگی در سیستمهای بسته به شرح زیر هستند:
نیتریت بیس: نیتریت یک ماده ضدخوردگی آندی و اکسنده است که بیشترین تاثیرگذاری و کمترین قیمت را برای کنترل خوردگی فولاد دارد. نیتریت، فیلم پسیو کننده γFe2O3
تشکیل می دهد و برای فرآیند پسیویشن نیازی به حضور اکسیژن ندارد.
مولیبدات بیس: مولیبدات به عنوان ماده ضدخوردگی آندی و اکسید کننده طبقه بندی می شود. مولیبدات در حضور اکسیژن واکنش می دهد و لایه محافظ اکسیدی روی سطح فلزات آهنی تشکیل می دهد. پس از تشکیل یون های فروس در آند، این ترکیبات با یون های مولیبدات وارد واکنش شده و کمپلکس غیرمحافظ فروس مولیبدات را تشکیل می دهد. این کمپلکس با استفاده از اکسیژن محلول، اکسید شده و کمپلکس نامحلول و محافظت کننده فریک مولیبدات را تشکیل می دهد.
مواد ضدخوردگی فلزات زرد: مس و آلیاژهای مس، گروه پرمصرف بعدی در سیستم های خنک کننده آب هستند. آلیاژهای مس هدایت گرمایی بالای دارد و در صورتی که سیال سیستم با نوع فلز سازگار باشد، کاربرد دارد. آلیاژهای مس در مقایسه با کربن استیل در برابر خوردگی ناشی از نفوذ اکسیژن، مقاوم تر هستند. عوامل اکسنده مانند هالوژن ها، می توانند آلیاژهای مس را به خورندگی بیشتر سوق دهند. آلیاژهای مس به دلیل مقاومت بیشترشان در برابر خوردگی، در مقایسه با کربن استیل به طور چشمگیری محصولات خوردگی کمتری تولید می کنند.
ته نشینی
رسوبها از مشکلات رایج سیستم های خنک کننده هستند که از ته نشینی مواد معدنی (وقتی غلظت یون ها از نقطه ی حلالیت بحرانی فراتر رفته باشد) ناشی می گردد. رسوبات عموما لایه سخت و چسبناکی را به وجود می آورند که انتقال حرارتی را به تاخیر می اندازد.
فائولینگ: از ته نشینی جامدات معلق درآب فائولینگ تشکیل می گردد لذا از رسوبگذاری متمایز است. رسوبگذاری فرآیندی شیمیایی است که از ته نشینی ترکیبات نامحلول ناشی می گردد در حالی که فائولینگ عمدتا فرآیندی فیزیکی است که ناشی از ته نشینی ذرات معلق است. با گسترش فائولینگهای، سرعت حرکت آب کاهش یافته و فشار پمپ نیز افزایش می یابد. مواد ته نشین شده همچنین هدایت گرمایی پایینتری در مقایسه با فلزات دارند که منجر به افت انتقال حرارتی می گردد.
انواع مواد ته نشین شده ی رایج در سیستم های خنک کننده عبارت اند از:
رسوبات معدنی: ته نشینی یون های نامحلول در آب
مواد معلق: ته نشینی ذرات نامحلول در محیط هایی با جریان پایین آب
محصولات خوردگی: ته نشینی مواد نامحلول حاصل از خوردگی دیواره ها
نشت سیستمی: ته نشینی فائولانت های آلی حاصل از خنک کاری سیستمی
میکروارگانیسم های سیستم خنک کننده
باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها و تک سلولی ها رایجترین میکروارگانیزم ها در سیستم های خنک کننده هستند. این میکروارگانیزم ها باعث بروز مشکلاتی در سیستم های خنک کننده آب می شوند.
باکتری ها: بزرگترین گروه میکروارگانیزم های مشکل ساز هستند. شرکت نالکو باکتری های موجود در سیستم های خنک کننده را عموما به چهار گروه طبقه بندی کرده است و عبارت اند از:
جلبک: لایه های سبزرنگ و ضخیم لجن که کف برج های خنک کننده یا سطح حوضچه ها تشکیل می شوند، اغلب جلبک هستند. جلبکها برای رشد نیاز به نور خورشید دارند لذا در سطوح باز برج خنک کننده، حوضچه ها و دریاچه ها مشاهده می شوند. اولین مشکل ناشی از حضور جلبک ها، گرفتگی سطح سیستم خنک کننده است که کاهش عملکردی برج خنک کننده را در بر دارد.
تک سلولی ها: این میکروارگانیزم های تک سلولی متحرک از ذرات معلق آب مانند باکتری ها تغذیه می کنند. حضور این تک سلولی ها در سیستم های خنک کننده، نشان دهنده ی آلودگی های میکروبی شدید است.
قارچ ها: مخمرها و کپک ها از جمله قارچ هایی هستند که درسیستم های خنک کننده آب وجود دارند و در مکان های غوطه ور در آب کمتر از مکان های نمناک رشد می کنند. رشد این میکروارگانیزم ها منجر به تولید لجن های سخت و لاستیک مانند روی سطوح می شود.
روش های کنترل بیولوژیکی
کنترل رشد بیولوژیکی در سیستم های خنک کننده نیازمند مدیریتی همه جانبه بر ویژگی های شیمیایی، فیزیکی و عملکردی سیستم است. از آنجایی که استفاده از بایوسایدها برای سایر موجودات زنده سمی است، هر روش کنترلی دیگری که بتواند مصرف بایوساید را کاهش دهد، با ارزش خواهد بود.
بایوسایدهای اکسنده: عملکرد اصلی بایوسایدهای اکسنده، اکسیدکردن میکروارگانیزم هاست. تاکنون هیچ میکروارگانیزمی در برابر بایوسایدهای اکسنده مقاومت نشان نداده است. اکسنده ها برای همه ی گونه های میکروارگانیزم سیستم خنک کننده از جمله باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها، و مخمرها موثر هستند.
بایوسایدهای غیراکسنده: گروه بزرگی از ترکیبات آلی هستند که با غیرفعال کردن آنزیم های سلولی، محصور کردن پروتئینهای سلولی و یا از بین بردن دیواره ی سلولی، در متابولیسم میکروارگانیزم ها تداخل ایجاد می کنند.
دیسپرسنت و بایودیسپرسنت- بایودیسپرسنت ها کنترل میکروبی سیستم های خنک کننده را بهبود بخشیده و جنبه مهمی از برنامه های کنترل زیستی هستند. این ترکیبات باعث نابودی میکروارگانیزم ها نمی شوند بلکه با شکستن فیلم های محافظ، باکتری ها را معلق کرده و آنها را در معرض تماس بایوسایدها قرار می دهند. دیسپرسنت ها نیز از چسبیدن میکروارگانیزم ها به سطح مبدل حرارتی ممانعت می کنند. اولین ویژگی بایودیسپرسنت ها توانایی آنها در تمیز نگه داشتن سطح سیستم است. بایودیسپرسنت ها عموما سورفکتانت های غیریونی هستند ولی گاها سورفکتانت های آنیونی نیز در آنها به کار می رود. این ترکیبات به منظور افزایش کارایی بایوسایدهای اکسنده و غیر اکسنده به سیستم تزریق می گردند.
دیسپرسنت روغن: دیسپرسنتهای روغن ترکیبی از مواد شیمیایی هستند که لکه های روغن را به قطرات کوچکتر تقسیم می کنند. با این وجود، دیسپرسنت های روغن قادر به کاهش مقدار روغن موجود نمی باشند.
