2.5 Efecto de la velocidad de flujo en la corrosión
2.5.1 Electrodo de Cilindro Rotatorio (ECR)
Los procesos de corrosión pueden acelerar considerablemente en condiciones ambientales extremas, tales como alta temperatura, alta presión y el flujo de fluido turbulento. Cuando la solución de un problema de corrosión de campo, un
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investigador a menudo tiene que volver al laboratorio y reproducir las mismas (o similares) las duras condiciones en un entorno controlado. Recrear una condición de flujo de fluido en general plantea un desafío más grande para el investigador. Sistemas de bucle de flujo de laboratorio requieren a menudo compleja (es decir, caro) de fontanería, mantenimiento, y de calibración para mover de forma fiable y reproducible de fluido más allá de una muestra de metal. Pero la necesidad de este tipo de equipo de laboratorio a gran escala a menudo se puede evitar mover la muestra de metal con respecto al fluido en su lugar. Un instrumento conveniente para mover rápidamente una muestra de metal con respecto a un fluido es el electrodo de cilindro rotatorio (ECR).Este aparato incluye un electrodo rotatorio y una unidad de control (ver figura 2.18) capaz de ajustar con precisión la velocidad de rotación de un eje orientado verticalmente.
Figura 2.18 ECR PINE (a) Rotor del ECR y unidad de control, (b) punta del ECR (fácilmente desmontable para sustituir la muestra de metal).
Una punta especial capaz de contener una muestra de metal en forma cilíndrica está montada en el extremo inferior del eje (vástago). La punta se forma principalmente de materiales químicamente inertes y eléctricamente aislantes (tales como teflón o KEL-F), pero enterrado dentro de la punta es un vástago de metal que proporciona estabilidad mecánica y también el contacto eléctrico con la muestra cilíndrica de metal (ver figura 2.18 b).
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La transición de flujo laminar a turbulento se produce justo por encima de 20 rpm, cuando el número de Reynolds superior a 200. Vale la pena señalar que esta transición se produce a una velocidad de rotación relativamente pequeña, haciendo del ECR una herramienta ideal para el estudio de flujo turbulento a baja velocidad-precisamente la condición que se encuentra con frecuencia en las infraestructuras de canalización. Mayores velocidades turbulentas también son fácilmente accesibles a tasas de rotación más altas. (PINE Research Instrumentation, 2007)
Cuando el ECR se sumerge y se hace girar en una solución de prueba, las condiciones hidrodinámicas generadas, incluso a velocidades de rotación bajas, en general son bastante turbulentas (Gabe, 1974). Esto hace que al ECR una prueba ideal para el estudio de los procesos corrosión a baja velocidad, pero en condiciones turbulentas. La transición entre flujo laminar y flujo turbulento, ocurre a bajas velocidades de rotación. Esta transición ocurre a un número de Reynolds de 200 (38 RPM aprox.), esto para un cilindro de 0.012 m inmerso en un fluido, en este caso agua pura (Poulson, 1983). La velocidad lineal se estima convirtiendo las RPM a metros por segundo como se muestra en la tabla 2.10.
Tabla 2.10 Cálculos hidrodinámicos para un típico electrodo de cilindro rotatorio en agua.
Velocidad de rotación (RPM)* Velocidad de la superficie (m/s)*
1000 0.62832
3000 1.88496
5000 3.1416
* Estas cantidades suponen un ECR PINE con diámetro exterior 1.2 cm en agua a 25 ºC.
Relaciones empíricas
A medida que aumenta la velocidad de rotación del cilindro el patrón de flujo se interrumpe, los patrones de flujo celulares, conocidos como "vórtices de Taylor", aparecen y la condición turbulenta desarrolla. Estos vórtices mejoran la transferencia de masa, cantidad de movimiento y la transferencia de calor en el
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electrodo rotatorio (Gabe, 1974; Gabe et al., 1983). En 1954, unos investigadores publicaron lo que ahora se considera como el estudio básico de las características de transferencia de masa del ECR (Eisenberg et al., 1954).
Con la ecuación propuesta por Eisenberg et al., (Eisenberg et al., 1954) para el ECR, es posible calcular la densidad de corriente catódica o corriente catódica limitante debido a la reducción de una especie i (ilim,i). La ecuación es:
…... (2.28)
Donde:Esta expresión indica una relación directa de la densidad de corriente límite calculada (ilim,i) a la velocidad periférica del ECR (uECR), a una potencia de 0,7.
(Galván R. et al., 2011)
El flujo turbulento en el ECR puede traer materia desde la solución a la superficie del cilindro, y también puede llevar materia lejos de la superficie. En el contexto de un estudio de corrosión, la velocidad de transporte de masa hacia y desde la superficie del metal es a menudo el factor que regula la velocidad de corrosión. Un ejemplo familiar sería un proceso de corrosión que está limitada por la forma rápido que se puede transportar el oxígeno de la solución a la superficie del metal. Por lo tanto, si un proceso de corrosión está limitada por el transporte de masa, se espera que la corriente limite pueda variar linealmente con la velocidad de rotación elevada a la potencia 0,7 (ω0.7). Cabe notar que este comportamiento puede ser
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verificado simplemente mediante la realización de un conjunto de mediciones a diferentes velocidades de rotación sin tomar en cuenta en la ecuación de Eisenberg (2.28).
Por ejemplo, considere una serie de mediciones de Rp realizadas en un rango de velocidades de rotación (ver figura 2.19). Como la velocidad de rotación aumenta, también lo hace la corriente. Un gráfico log/log, de corriente límite contra la velocidad de rotación revelará si la corriente observada es limitada por el transporte de masa (ver figura 2.20).
Figura 2.19 Ejemplo de mediciones de Rp medidas a varias velocidades de rotación.
Figura 2.20 Diagrama logarítmico para analizar procesos de corrosión limitados por el
transporte de masa.
Si la pendiente de una recta que pasa por los puntos en este grafico se encuentra cerca de 0.7, entonces esta es una buena evidencia de que el proceso de corrosión se ve limitado por el transporte de masa. (PINE Research Instrumentation, 2006)