Steen- en slibvorming in koel- en ketelwater

Steenvorming treedt op wanneer de oplosbaarheid van een stof in het water overschreden wordt en deze wordt sterk beïnvloed door de pH, de temperatuur, de stroomsnelheid en de aanwezigheid van bepaalde componenten. Door kristallisatie kunnen ze een harde, dichte en aanhechtende laag vormen. De problemen die hieruit voortvloeien zijn corrosie en daling van het warmtewisselings-rendement.

Warmtewisseling

Een warmtewisselaar dient voor het afkoelen van industieel proceswater dat vervolgens wordt hergebruikt of wordt geloosd in het oppervlaktewater.
Het rendement van warmtewisseling wordt berekend door de wet van Fourier:

Q=λ/d.F.∆t

Waarbij Q = getransporteerde warmte
λ = warmtegeleidingscoëfficiënt
d= dikte van de wand
f= warmtewisselend oppervlak
∆t = temperatuursverschil tussen de 2 uitwisselende vloeistoffen.

De meeste factoren blijven constant behalve λ/d zal zich wijzigen afhankelijk van de dikte van de afzetting of steenvorming. Indien we de formule zouden invullen, merken we al snel dat het rendement door de steenvorming snel achteruit gaat met zelfs 80% indien we een steenvorming hebben van 0,1 mm dikte. Gezien meeste systemen beïnvloed worden door neerslagvorming spreekt men ook wel van Rf of de vervuilingsfactor waaronder systemen operatief zijn. De meeste warmtewisselaars worden bedreven met een Rf factor van 0,06 tot 1,12 m²K/W.
Rf = d/λg - λ/di en geeft de totale vervuilingsfactor weer.

Mechanismen van steenvorming

Steenvorming kan ontstaan door een aantal mechanismen die we hieronder kort bespreken.

De problemen bij steenvorming

Verzadiging of overschrijding van het oplosbaarheidproduct
Een aantal factoren spelen hierin een belangrijke rol:

• Deze treedt meestal op ten gevolge van indikking maar kan in bepaalde gevallen ook aangevoerd worden door het suppletiewater of door toediening van bepaalde coagulantia enz.
• Door zink-zouten die aan het water toegediend worden als corrosie-inhibitor waardoor het onoplosbare zn(OH)2 ontstaat.
• De temperatuur heeft meestal een grote invloed op het oplosbaarheidsproduct en de meeste stoffen hebben een inversietemperatuur.

Kiemvorming
Men spreekt zowel van homogene of heterogene kristalvorming maar het laatste is de meest voorkomende vorm omdat er steeds vreemde kiemen zoals gesuspendeerd stof, corrosieproducten enz. in het water aanwezig zijn. De voorwaarden eerdat kiemvorming kan optreden zijn:

• De kiem dient groot genoeg te zijn
• Er moeten zich een minimum aan moleculen in het rooster ingebouwd hebben zodat kristallisatie kan optreden

Contacttijd
De contacttijd tussen de oververzadigde oplossing en de kiemen is van groot belang. Soms is enkele seconden genoeg maar er kunnen ook enkele jaren overgaan eerdat neerslag optreedt.

Veranderingen in omgeving
In het beginstadium ontstaat er een poreuze massa die door verandering (dehydratatie) kan opgezet worden in een moeilijk te verwijderen neerslag.

Factoren die de steenvorming beïnvloeden

Er zijn 4 belangrijke fysio-chemische factoren die een grote invloed hebben op de steenvorming:

• pH-waarden: Het zijn voornamelijk de hoge pH waarden die de belangrijkste oorzaak kunnen vormen bij neerslagvorming zoals bij calciumcarbonaat, magnesiumsilicaat enz.
• Temperatuur: Vele steenvormende producten hebben een inversietemperatuur waarbij de oplosbaarheid toeneemt bij stijgende temperatuur tot het een kritisch punt bereikt en vervolgens opnieuw gaat afnemen. Voor calsiumsulfaat ligt de inversietemperatuur op ongeveer 50°C. Belangrijk hierbij is dat door dit effect gelokaliseerde steenvorming in buizen kan optreden daar waar de warmte uitwisseling plaats vindt.
• Stroomsnelheid: Een lage stroomsnelheid van minder dan 0,6 m/s resulteert in laminaire stroming waardoor de voorwaarden (temperatuur, pH, enz.) in de laminaire stromen verschillend kunnen zijn. Bij grote stroomsnelheden is het watervolume in de buis op alle plaatsen hetzelfde en treden dezelfde condities op.
• Corrosie: Door corrosie wordt de oppervlakte ruwheid groter waardoor neerslag zich beter kan hechten, anderzijds stijgt het aantal kiemen waardoor de kans op neerslagvorming groter wordt.

Stoffen die steenvorming veroorzaken

De meest gekende stoffen zijn calciumcarbonaat, calciumsulfaat, calciumfosfaat, magnesiumsilicaat, silicaten, ijzerverbindingen en zinkverbindingen. Deze worden hieronder in het kort besproken.

Calciumcarbonaat

De tendens tot de vorming van calciumcarbonaat aanslag wordt weergegeven volgens de Langlier of Ryznar-index hoewel de Langlier formule het meest gebruikt wordt. Deze indices geven slechts een indicatie vermits de neerslag vorming eveneens bepaald wordt door een aantal fysio-chemische factoren waarmee geen rekening gehouden wordt. Zo zal de oplosbaarheid van calciumcarbonaat laag zijn bij ijswater en temperaturen boven de 50°C. Ook bij hogere pH zal calciumcarbonaat neerslaan.

Calciumsulfaat

Dit product is in tegenstelling tot calciumcarbonaat beter oplosbaar en vormt het bij koelwatertemperaturen minder problemen. Toch dient men rekening te houden dat bij indikking in open recirculatiesystemen de oplosbaarheidsfactor overschreden wordt en toch calciumfosfaat zal neerslaan. Bovendien komt calciumsulfaat in verschillende vormen voor zoals gekende gips, hemihydraat en dihydraat). Algemeen stelt men dat het calciumgehalte hoger moet zijn dan 280 ppm en het sulfaatgehalte hoger dan 13000 ppm.

Calciumfosfaat

Calciumfosfaat heeft net zoals calciumcarbonaat een lage oplosbaarheid bij hoge temperaturen. Ook wordt deze minder oplosbaar wanneer de pH stijgt wat meestal het geval in koelwatersystemen. Eerdat neerslag ontstaat, dient er in het koelwater 80 tot 400 ppm calcium en 5 ppm fosfaat aanwezig te zijn.

Magnsesiumsilicaat

Magnesium komt algemeen in lagere concentraties en is beter oplosbaar dan calciumcarbonaat. Maar onder bepaalde omstandigheden kunnen kan er een zeer harde MgSiO3 steen ontstaan zoals bij een pH waarde die hoger ligt dan 7,8, bij hoge temperatuurfluxen en indien de verhouding Ca/Mg hoger is dan 1.

Silica

Steenvorming door silica is meestal zeer ongewoon maar kan toch voorkomen indien de concentratie van SiO2 groter wordt dan 150 ppm. Nochtans heeft een hoge pH waarde een positief effect op het verhinderen van steenvorming door silica maar de kans dat MgSiO3 wordt afgezet bij deze concentraties, verhoogt.

Ijzerverbindingen

IJzer in zijn tweewaardige vorm is goed oplosbaar maar onder invloed van aëratie, chlorering en ijzeroxiderende bacteriën wordt het tweewaardige ijzer omgezet in het minder oplosbare driewaardige ijzer (Fe(OH)3). Indien het water met fosfaten wordt behandeld kan er eveneens een onoplosbare FePO4 ontstaan en wordt dit probleem groter bij stijgende pH.

Zinkverbindingen

Zink kan neerslaan als Zn(OH)2 wanneer de pH boven 8,4 uitstijgt. Deze vormt geen aanhechtende neerslag maar kan wel spleetcorrosie veroorzaken.

Aluminiumzouten
Aluminium wordt soms in koelwater toegediend als coagulans maar komt uiteindelijk in de sliblaag terecht. Deeltjes worden opnieuw meegesleurd uit het slib en kunnen aluminiumverbindingen vormen met fosfaten en het AlPO4 vormen indien de concentratie van het aluminium in het circulatiewater oploopt tot 1 ppm.