Загрязнение

Накопление нежелательного материала на твердых поверхностях

Теплообменник паровой электростанции , загрязненный макрозагрязнениями

Трубка конденсатора с остатками биообрастания (разрезана)

Загрязнение – это накопление нежелательного материала на твердых поверхностях. Обрастающие материалы могут состоять либо из живых организмов ( биологическое обрастание ), либо из неживых веществ (неорганических или органических). Загрязнение обычно отличают от других явлений поверхностного роста тем, что оно происходит на поверхности компонента, системы или установки, выполняющей определенную и полезную функцию, и что процесс загрязнения препятствует или мешает этой функции.

Другие термины, используемые в литературе для описания загрязнения, включают образование отложений, корку, образование корки, отложение, накипь, образование накипи, шлакование и образование осадка. Последние шесть терминов имеют более узкое значение, чем загрязнение в рамках науки и техники, а также имеют значения за пределами этой области; поэтому их следует использовать с осторожностью.

Явления обрастания распространены и разнообразны: от загрязнения корпусов судов, естественных поверхностей в морской среде ( морское обрастание ), загрязнения компонентов теплопередачи ингредиентами, содержащимися в охлаждающей воде или газах, и даже образования зубного налета или зубного камня на зубах. или отложения на солнечных батареях на Марсе, среди других примеров.

Данная статья в первую очередь посвящена загрязнению промышленных теплообменников, хотя та же теория в целом применима и к другим разновидностям загрязнений. В технологии охлаждения и других областях техники различают макрозагрязнения и микрозагрязнения. Из этих двух микрозагрязнений обычно труднее предотвратить и, следовательно, они более важны.

Компоненты, подверженные загрязнению

поперечное сечение трубки конденсатора с отложениями карбоната кальция

поперечное сечение латунной трубки со следами коррозии

Примеры компонентов, которые могут подвергаться загрязнению, и соответствующие последствия загрязнения:

• Поверхности теплообменника – снижают тепловой КПД , уменьшают тепловой поток, повышают температуру на горячей стороне, снижают температуру на холодной стороне, вызывают коррозию под отложениями, увеличивают использование охлаждающей воды;
• Трубопроводы, проточные каналы – уменьшают поток, увеличивают перепад давления, увеличивают давление на входе, увеличивают затраты энергии, могут вызывать колебания потока, пробки в двухфазном потоке, кавитацию; может увеличить скорость потока в другом месте, может вызвать вибрацию, может вызвать закупорку потока; ^[1]
• Корпуса кораблей – создают дополнительное сопротивление , увеличивают расход топлива, снижают максимальную скорость; ^[2]
• Турбины – снижает эффективность, увеличивает вероятность отказа;
• Солнечные панели – уменьшают вырабатываемую электроэнергию;
• Мембраны обратного осмоса – увеличивает перепад давления, увеличивает энергозатраты, уменьшает поток, выход из строя мембраны (в тяжелых случаях); ^[3]
• Электрические нагревательные элементы – повышают температуру элемента, усиливают коррозию, сокращают срок службы;
• Стволы огнестрельного оружия - увеличивает давление в патроннике; затрудняет заряжание дульнозарядных устройств
• Ядерное топливо в водо-водяных реакторах – аномалия осевого смещения, ^[4] может потребоваться снижение мощности электростанции;
• Форсунки для впрыска/распыления (например, форсунки, распыляющие топливо в печь) – неправильное количество впрыскиваемого топлива, неправильная форма струи, неэффективность компонента, отказ компонента;
• Трубки Вентури , диафрагмы – неточное или неправильное измерение расхода;
• Трубки Пито в самолетах – неточное или неправильное указание скорости самолета;
• Электроды свечей зажигания в автомобилях – пропуски зажигания в двигателе; ^[5]
• Зона эксплуатации нефтяных пластов и нефтяных скважин – со временем снизилась добыча нефти ; закупорка; в некоторых случаях полная остановка кровотока в считанные дни; ^[6]
• Зубы – способствуют заболеванию зубов или десен, ухудшают эстетику;
• Живые организмы – отложение избыточных минералов (например, кальция, железа, меди) в тканях (иногда противоречиво) связано со старением / старением .

Макрозагрязнения

Макрозагрязнение вызвано грубыми веществами биологического или неорганического происхождения, например, отходами промышленного производства . Такие вещества попадают в контур охлаждающей воды через насосы охлаждающей воды из таких источников, как открытое море , реки или озера . В закрытых контурах, таких как градирни , попадание макрозагрязнений в бассейн градирни возможно через открытые каналы или ветром. Иногда части внутренних устройств градирни отсоединяются и попадают в контур охлаждающей воды. Такие вещества могут загрязнять поверхности теплообменников и вызывать ухудшение соответствующего коэффициента теплопередачи . Они также могут создавать блокировки потока, перераспределять поток внутри компонентов или вызывать повреждения из-за трения .

Примеры

• Искусственный мусор;
• Отдельные внутренние части компонентов;
• Инструменты и другие «посторонние предметы», случайно оставленные после ремонта;
• Водоросли ;
• Моллюски ;
• Листья , части растений вплоть до целых стволов .

Микрозагрязнения

Что касается микрозагрязнений, различают: ^[7]

• Отложения накипи или осаждение, например, кристаллизация твердых солей , оксидов и гидроксидов из водных растворов (например, карбоната кальция или сульфата кальция).
• Загрязнение частицами , т.е. скопление частиц, обычно коллоидных частиц, на поверхности.
• Коррозионное загрязнение, т. е. рост коррозионных отложений на месте , например магнетита, на поверхностях из углеродистой стали.
• Химические реакции загрязнения, например, разложение или полимеризация органических веществ на нагревательных поверхностях.
• Затвердевающее загрязнение - когда компоненты текущей жидкости с высокой температурой плавления замерзают на недогретой поверхности.
• Биологическое обрастание , например поселение бактерий и водорослей.
• Комбинированное засорение, при котором засорение включает в себя более одного загрязняющего вещества или механизма загрязнения.

Загрязнение осадками

Накопление известкового налета внутри трубы уменьшает поток жидкости через трубу и снижает теплопроводность от жидкости к внешней оболочке трубы. Оба эффекта снижают общий тепловой КПД трубы при использовании ее в качестве теплообменника .

Чрезмерное накопление накипи в котловых трубах

Температурная зависимость растворимости сульфата кальция (3 фазы) в чистой воде. Вода находится под давлением, поэтому ее можно поддерживать в жидком состоянии при повышенных температурах.

Образование накипи или осаждение обрастания включает кристаллизацию твердых солей , оксидов и гидроксидов из растворов . Чаще всего это водные растворы, но известны и неводные осадки. Загрязнение осадками является очень распространенной проблемой в котлах и теплообменниках, работающих на жесткой воде , и часто приводит к образованию известкового налета .

Из-за изменений температуры, испарения или дегазации растворителя концентрация солей может превысить насыщение , что приводит к осаждению твердых веществ (обычно кристаллов).

В качестве примера равновесия между легкорастворимым бикарбонатом кальция , всегда преобладающим в природной воде, и плохо растворимым карбонатом кальция можно записать следующее химическое уравнение:

${\displaystyle {\ce {\mathsf {{Ca(HCO3)2}_{(aqueous)}->{CaCO3(v)}+{CO2}\!{\uparrow }+H2O}}}}$

Карбонат кальция, образующийся в результате этой реакции, выпадает в осадок. Из-за температурной зависимости реакции и увеличения летучести CO ₂ с повышением температуры накипь выше на более горячем выходе теплообменника, чем на более холодном входе.

В общем, зависимость растворимости соли от температуры или наличия испарения часто является движущей силой загрязнения осадками. Важное различие проводится между солями с «нормальной» или «ретроградной» зависимостью растворимости от температуры. Соли с «нормальной» растворимостью увеличивают свою растворимость с повышением температуры и, таким образом, загрязняют охлаждающие поверхности. Соли с «обратной» или «ретроградной» растворимостью загрязняют поверхности нагрева. Пример температурной зависимости растворимости показан на рисунке. Сульфат кальция является распространенным осадком, загрязняющим поверхности нагрева из-за его ретроградной растворимости.

Загрязнение осадками может также происходить при отсутствии нагрева или испарения. Например, сульфат кальция снижает свою растворимость при понижении давления. Это может привести к обрастанию осадками пластов и скважин на нефтяных месторождениях, снижая со временем их продуктивность. ^[8] Загрязнение мембран в системах обратного осмоса может происходить из-за разной растворимости сульфата бария в растворах разной ионной силы . ^[3] Аналогичным образом, загрязнение осадками может произойти из-за изменений растворимости, вызванных другими факторами, например, испарением жидкости , дегазацией жидкости, изменениями окислительно-восстановительного потенциала или смешиванием потоков несовместимых жидкостей.

Ниже перечислены некоторые из наиболее распространенных в промышленности фаз отложений, загрязняющих осадки, которые, как наблюдалось на практике, образуются из водных растворов:

• Карбонат кальция ( кальцит , арагонит обычно при t > ~50 °С, реже ватерит );
• Сульфат кальция ( ангидрит , полугидрат , гипс );
• оксалат кальция (например, пивной камень);
• Сульфат бария ( барит );
• Гидроксид магния ( брусит ); оксид магния ( периклаз );
• Силикаты ( серпентин , акмит , гиролит , геленит , аморфный кремнезем , кварц , кристобалит , пектолит , ксонотлит );
• Гидроксиды оксидов алюминия ( бемит , гиббсит , диаспор , корунд );
• Алюмосиликаты ( анальцит , канкринит , нозелит );
• Медь (металлическая медь , куприт , тенорит );
• Фосфаты ( гидроксиапатит );
• Магнетит или феррит никеля (NiFe ₂ O ₄ ) из чрезвычайно чистой воды с низким содержанием железа. ^[9]

Скорость осаждения осадками часто описывается следующими уравнениями:

Транспорт: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}=k_{t}(C_{b}-C_{i})}$

Поверхностная кристаллизация: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{r}}(C_{i}-C_{e})^{n_{1}}}$

Общий: ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}=k_{d}(C_{b}-C_{e})^{n_{2}}}$

где:

${\displaystyle m}$- масса материала (на единицу площади поверхности), кг/м ²

${\displaystyle t}$- время, с

${\displaystyle C_{b}}$- концентрация вещества в объеме жидкости, кг/м ³

${\displaystyle C_{i}}$- концентрация вещества на границе раздела фаз, кг/м ³

${\displaystyle C_{e}}$- равновесная концентрация вещества в условиях границы раздела, кг/м ³

${\displaystyle n_{1},n_{2}}$- порядок реакции реакции кристаллизации и общего процесса осаждения соответственно безразмерный

${\displaystyle k_{t},k_{r},k_{d}}$- кинетические константы скорости переноса, поверхностной реакции и общей реакции осаждения соответственно; с размерностью м/с (при ) ${\displaystyle n_{1}=n_{2}=1}$

Загрязнение частицами

Загрязнение частицами, взвешенными в воде (« накипь ») или газе, происходит по механизму, отличному от загрязнения осадками. Этот процесс обычно наиболее важен для коллоидных частиц, т.е. частиц размером менее примерно 1 мкм по крайней мере в одном измерении (но которые намного больше атомных размеров). Частицы переносятся на поверхность с помощью ряда механизмов и там могут прикрепляться, например, путем флокуляции или коагуляции . Обратите внимание, что прикрепление коллоидных частиц обычно включает в себя электрические силы, и поэтому поведение частиц противоречит опыту макроскопического мира. Вероятность прикрепления иногда называют « вероятностью прилипания » : ^[7] ${\displaystyle P}$

${\displaystyle k_{d}=Pk_{t}}$

где и – кинетические константы скорости осаждения и транспорта соответственно. Значение для коллоидных частиц является функцией как химии поверхности, геометрии, так и местных теплогидравлических условий. ${\displaystyle k_{d}}$ ${\displaystyle k_{t}}$ ${\displaystyle P}$

Альтернативой использованию вероятности прилипания является использование кинетической константы скорости присоединения, предполагая реакцию первого порядка: ^{[10] [11]}

${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{a}}C_{i}}$

и тогда кинетические коэффициенты транспорта и прикрепления объединяются в два последовательно протекающих процесса:

${\displaystyle k_{d}=\left({\frac {1}{k_{a}}}+{\frac {1}{k_{t}}}\right)^{-1}}$

${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={k_{d}}C_{b}}$

где:

• ${\displaystyle {\frac {dm}{dt}}}$– скорость осаждения частиц, кг·м ^-2 ·с ^-1 ,
• ${\displaystyle k_{a},k_{t},k_{d}}$– кинетические константы скорости осаждения, м/с,
• ${\displaystyle C_{i}}$и – концентрация частиц загрязнителя на границе раздела и в объеме жидкости соответственно; кг·м ^-3 . ${\displaystyle C_{b}}$

Будучи по существу явлением химии поверхности , этот механизм загрязнения может быть очень чувствительным к факторам, влияющим на коллоидную стабильность, например, к дзета-потенциалу . Максимальная скорость загрязнения обычно наблюдается, когда частицы загрязнения и подложка имеют противоположный электрический заряд или находятся вблизи точки нулевого заряда любого из них.

Частицы, размеры которых превышают коллоидные, также могут загрязняться, например, в результате седиментации («седиментационное засорение») или продавливания через отверстия небольшого размера.

Со временем образовавшийся поверхностный отложения может затвердеть в результате процессов, известных под общим названием «консолидация отложений» или, в просторечии, «старение».

Обычные отложения твердых частиц, образующиеся из водных суспензий, включают:

• оксиды железа и оксигидроксиды железа ( магнетит , гематит , лепидокрокит , маггемит , гетит );
• Седиментационное загрязнение илом и другими относительно крупными взвесями.

Загрязнение частицами газовых аэрозолей имеет также промышленное значение. Частицы могут быть как твердыми, так и жидкими. Типичными примерами могут быть загрязнение дымовыми газами или загрязнение компонентов с воздушным охлаждением пылью в воздухе. Механизмы обсуждаются в статье об осаждении аэрозолей .

Коррозионное загрязнение

Коррозионные отложения образуются на месте в результате коррозии подложки . Их отличают от отложений обрастания, которые образуются из материала, полученного ex-situ. Коррозионные отложения не следует путать с отложениями загрязнения, образованными продуктами коррозии, образующимися на месте. Коррозионные отложения обычно имеют состав, соответствующий составу подложки. Кроме того, геометрия границ раздела металл-оксид и оксид-жидкость может позволить практически отличить отложения коррозии и загрязнения. Примером коррозионного загрязнения может быть образование отложений оксида или оксигидроксида железа в результате коррозии углеродистой стали под ним. Коррозионное загрязнение не следует путать с коррозией обрастания, т.е. с любым из типов коррозии, которая может быть вызвана загрязнением.

Химическая реакция загрязнения

Химические реакции могут происходить при контакте химических веществ в технологической жидкости с поверхностями теплопередачи. В таких случаях металлическая поверхность иногда выступает катализатором . Например, коррозия и полимеризация происходят в охлаждающей воде для химической промышленности, которая имеет незначительное содержание углеводородов. Системы нефтепереработки склонны к полимеризации олефинов или отложению тяжелых фракций ( асфальтенов , восков и т. д.). Высокие температуры стенок труб могут привести к карбонизации органических веществ. Пищевая промышленность, ^[12] например, переработка молока, ^{[13] [14]} также сталкивается с проблемами загрязнения в результате химических реакций.

Загрязнение в результате ионной реакции с выделением неорганического твердого вещества обычно классифицируется как загрязнение осаждением (а не загрязнение в результате химической реакции).

Затвердевающее загрязнение

Загрязнение в результате затвердевания происходит, когда компонент текущей жидкости «замерзает» на поверхности, образуя твердый отложения загрязнения. Примеры могут включать затвердевание воска (с высокой температурой плавления) из раствора углеводорода или расплавленной золы (переносящейся с отходящими газами печи) на поверхность теплообменника. Поверхность должна иметь температуру ниже определенного порога; поэтому говорят, что он переохлажден относительно точки затвердевания загрязняющего вещества.

Биообрастание

Фрагмент шлюза канала на севере Франции, покрытый дрейссенами.

Биологическое обрастание или биологическое обрастание — это нежелательное скопление микроорганизмов, водорослей и диатомовых водорослей , растений и животных на поверхностях, таких как корабли и корпуса подводных лодок, а также трубопроводах и резервуарах с неочищенной водой. Это может сопровождаться коррозией под микробиологическим воздействием (MIC).

Бактерии могут образовывать биопленки или слизи. Таким образом, организмы могут агрегироваться на поверхностях, используя коллоидные гидрогели воды и внеклеточные полимерные вещества (ЭПС) ( полисахариды , липиды, нуклеиновые кислоты и др.). Структура биопленки обычно сложная.

Бактериальное обрастание может происходить как в аэробных (при растворении кислорода в воде), так и в анаэробных (отсутствие кислорода) условиях. На практике аэробные бактерии предпочитают открытые системы, когда кислород и питательные вещества постоянно доставляются, часто в теплую и освещенную солнцем среду. Анаэробное загрязнение чаще происходит в закрытых системах, когда присутствует достаточное количество питательных веществ. Примеры могут включать сульфатредуцирующие бактерии (или сероредуцирующие бактерии ), которые производят сульфид и часто вызывают коррозию черных металлов (и других сплавов). С другой стороны , сульфид-окисляющие бактерии (например, Acidithiobacillus ) могут производить серную кислоту и участвовать в коррозии бетона.

Мидии-зебры служат примером более крупных животных, которые стали причиной широкомасштабного загрязнения в Северной Америке.

Композитное загрязнение

Композитное загрязнение является распространенным явлением. Этот тип загрязнения включает в себя более одного загрязняющего вещества или более одного механизма загрязнения ^[15] , работающего одновременно. Множество загрязнителей или механизмов могут взаимодействовать друг с другом, что приводит к синергетическому загрязнению, которое не является простой арифметической суммой отдельных компонентов. ^[16]

Загрязнение на Марсе

Марсоходы НАСА ( Spirit и Opportunity ) испытали (предположительно) абиотическое загрязнение солнечных панелей частицами пыли из марсианской атмосферы. ^[17] Некоторые из отложений впоследствии самопроизвольно счистились . Это иллюстрирует универсальный характер явлений загрязнения.

Количественная оценка загрязнения

Самый простой способ количественно оценить достаточно равномерное загрязнение – это указать среднюю нагрузку на поверхность отложений, т.е. кг отложений на м ² площади поверхности. Тогда скорость загрязнения будет выражаться в кг/м ² с и получается путем деления нагрузки на поверхность отложений на эффективное время работы. Нормализованная скорость загрязнения (также в кг/м ² с) дополнительно учитывает концентрацию загрязняющего вещества в технологической жидкости (кг/кг) во время предыдущих операций и полезна для сравнения скорости загрязнения между различными системами. Его получают путем деления скорости загрязнения на концентрацию загрязнителя. Константу скорости загрязнения (м/с) можно получить путем деления нормализованной скорости загрязнения на массовую плотность технологической жидкости (кг/м ³ ).

Толщина отложений (мкм) и пористость (%) также часто используются для описания степени загрязнения. Относительное уменьшение диаметра трубопровода или увеличение шероховатости поверхности может представлять особый интерес, когда влияние загрязнения на падение давления представляет интерес.

В теплообменном оборудовании, где основной проблемой часто является влияние загрязнения на теплообмен, загрязнение можно количественно оценить по увеличению сопротивления потоку тепла (м ² К/Вт) вследствие загрязнения (так называемое « сопротивление загрязнению ») . ), или путем изменения коэффициента теплопередачи (Вт/м ² К) со временем.

Если первостепенное значение имеет подотложенная или щелевая коррозия , важно обратить внимание на неравномерность толщины отложений (например, волнистость отложений ), локализованное обрастание, уплотнение ограниченных областей отложениями, образование окклюзий, «щелей», «отложений». бугорки», ^[18] или кучи ила. Такие депозитные структуры могут создавать среду для подотсадочной коррозии материала подложки, например, межкристаллитной атаки , точечной коррозии , коррозионного растрескивания под напряжением или локализованных потерь. Пористость и проницаемость отложений, вероятно, будут влиять на вероятность подотсадочной коррозии. Состав отложений также может иметь значение — даже незначительные компоненты отложений иногда могут вызывать сильную коррозию основного металла (например, ванадий в отложениях топящихся котлов вызывает горячую коррозию ).

Не существует общего правила относительно размера депозита, это зависит от системы. Во многих случаях отложения толщиной даже в несколько микрометров могут вызвать проблемы. Отложения толщиной в несколько миллиметров будут вызывать беспокойство практически в любом применении.

Прогресс загрязнения со временем

Отложения на поверхности не всегда развиваются устойчиво с течением времени. В зависимости от характера системы и местных термогидравлических условий на поверхности можно выделить следующие сценарии загрязнения:

• Индукционный период . Иногда скорость загрязнения, близкая к нулю, наблюдается, когда поверхность новая или очень чистая. Это часто наблюдается при биообрастании и загрязнении осадками. После «индукционного периода» скорость загрязнения увеличивается.
• «Отрицательное» загрязнение . Это может произойти, когда скорость загрязнения определяется количественно путем мониторинга теплопередачи. Относительно небольшие количества отложений могут улучшить теплообмен по сравнению с чистой поверхностью и создать видимость «отрицательной» скорости загрязнения и отрицательного общего количества загрязнения. Отрицательное загрязнение часто наблюдается в условиях теплопередачи с пузырьковым кипением (отложение улучшает зарождение пузырьков) или принудительной конвекции (если отложение увеличивает шероховатость поверхности и поверхность больше не является «гидравлически гладкой»). После начального периода «контроля шероховатости поверхности» степень загрязнения обычно становится сильно положительной.
• Линейное загрязнение . Скорость загрязнения может оставаться постоянной со временем. Это распространенный случай.
• Падающее загрязнение . В этом сценарии скорость загрязнения со временем снижается, но никогда не падает до нуля. Толщина отложений не достигает постоянного значения. Ход загрязнения часто можно описать двумя числами: начальной скоростью загрязнения ( касательной к кривой загрязнения при нулевой нагрузке отложений или нулевом времени) и скоростью загрязнения после длительного периода времени ( наклонная асимптота к кривой загрязнения). .
• Асимптотическое загрязнение . Здесь скорость загрязнения уменьшается со временем, пока, наконец, не достигнет нуля. В этот момент толщина отложения остается постоянной во времени (горизонтальная асимптота ). Это часто случается с относительно мягкими или плохо прилипающими отложениями в зонах быстрого течения. Асимптоту обычно интерпретируют как нагрузку отложений, при которой скорость осаждения равна скорости удаления отложений.
• Ускорение загрязнения . В этом сценарии скорость загрязнения со временем увеличивается; темпы накопления депозитов со временем ускоряются (возможно, до тех пор, пока не станут ограниченными транспортные средства). С механистической точки зрения этот сценарий может развиваться, когда загрязнение увеличивает шероховатость поверхности или когда поверхность отложения проявляет более высокую химическую склонность к загрязнению, чем чистый основной металл.
• Загрязнение качелей . Здесь нагрузка загрязнения обычно увеличивается со временем (часто предполагая в целом линейную или падающую скорость), но, если рассматривать более подробно, прогресс загрязнения периодически прерывается и принимает форму пилообразной кривой . Периодические резкие изменения кажущегося количества загрязнений часто соответствуют моментам остановки системы, запускам или другим переходным процессам в работе. Периодические изменения часто интерпретируются как периодическое удаление части отложений (возможно, повторное взвешивание отложений из-за импульсов давления, растрескивания из-за термических напряжений или отслаивания из-за окислительно-восстановительных переходных процессов). Предполагается, что между частично отколотыми отложениями и поверхностью теплопередачи возникает паровая подушка. Однако возможны и другие причины, например, захват воздуха внутри поверхностных отложений во время остановов или неточность измерения температуры во время переходных процессов («температурные потоки»). ^[19]

Моделирование загрязнения

Схема процесса загрязнения, состоящего из одновременного осаждения и удаления отложений.

Загрязнение системы можно смоделировать как состоящее из нескольких этапов:

• Образование или проникновение видов, вызывающих загрязнение («источник загрязнения»);
• перенос загрязняющих веществ с потоком технологической жидкости (чаще всего адвекционным );
• Транспорт загрязнений из объема технологической жидкости на поверхность загрязнения. Этот транспорт часто осуществляется путем молекулярной или турбулентно-вихревой диффузии , но может также происходить путем инерционного движения/удара, перехвата частиц поверхностью (для частиц с конечными размерами), электрофореза , термофореза , диффузиофореза , потока Стефана (при конденсации и испарении), седиментация , сила Магнуса (действующая на вращающиеся частицы), термоэлектрический эффект , ^{[20] [21]} и другие механизмы.
• Индукционный период, т. е. близкая к нулю скорость загрязнения в начальный период загрязнения ^[22] (наблюдается только для некоторых механизмов загрязнения);
• Кристаллизация загрязнений на поверхности (или прикрепление коллоидных частиц, или химическая реакция, или рост бактерий);
• Иногда самозамедление загрязнения, т.е. снижение (или потенциальное увеличение) скорости кристаллизации/присоединения из-за изменений в поверхностных условиях, вызванных отложениями загрязнения;
• Растворение отложений (или повторное унос слабо прикрепленных частиц);
• Консолидация отложений на поверхности (например, в результате оствальдовского созревания или разной растворимости в температурном градиенте) или цементация , что приводит к тому, что отложения теряют свою пористость и со временем становятся более вязкими;
• Растрескивание отложений , эрозионный износ или отслаивание .

Осаждение состоит из транспортировки на поверхность и последующего прикрепления. Удаление отложений происходит либо путем растворения отложений, повторного уноса частиц, либо путем отслаивания отложений, эрозионного износа или отслаивания. Загрязнение возникает в результате образования загрязнений, их осаждения, удаления и консолидации отложений.

Для современной модели обрастания, предполагающей отложение с одновременным повторным вовлечением и консолидацией отложений ^[23] , процесс обрастания можно представить следующей схемой:

      [ скорость накопления депозита ] = [ скорость депозита ] - [ скорость повторного вовлечения неконсолидированного депозита ]

      [ скорость накопления неконсолидированного депозита ] = [ скорость депонирования ] - [ скорость перевовлечения неконсолидированного депозита ] - [ скорость консолидации неконсолидированного депозита ]

Следуя приведенной выше схеме, основные уравнения загрязнения можно записать следующим образом (для установившихся условий с потоком, когда концентрация остается постоянной во времени):

${\displaystyle {\begin{cases}{dm/dt}=k_{d}C_{m}\rho -\lambda _{r}m_{r}(t)\\{dm_{r}/dt}=k_{d}C_{m}\rho -\lambda _{r}m_{r}(t)-\lambda _{c}\cdot m_{r}(t)\end{cases}}}$

где:

• m – массовая нагрузка отложения (сплошного и неконсолидированного) на поверхность (кг/м ² );
• t – время (с);
• k _d – константа скорости осаждения (м/с);
• ρ – плотность жидкости (кг/м ³ );
• C _м - массовая доля загрязнения в жидкости (кг/кг);
• λ _r – константа скорости повторного вовлечения (1/с);
• m _r – массовая нагрузка удаляемой (т. е. неконсолидированной) фракции поверхностного отложения (кг/м ² ); и
• λ _c – константа скорости консолидации (1/с).

Эту систему уравнений можно проинтегрировать (принимая, что m = 0 и m _r = 0 при t = 0) к виду:

${\displaystyle m(t)={{k_{d}C_{m}\rho } \over {\lambda }}\left(t\lambda _{c}+{{\lambda _{r}} \over {\lambda }}\left(1-e^{-\lambda t}\right)\right)}$

где λ знак равно λ _р + λ _c .

Эта модель воспроизводит либо линейное, падающее, либо асимптотическое загрязнение, в зависимости от относительных значений k, λ _r и λ _c . В основе этой модели лежит физическая картина двухслойного месторождения, состоящего из консолидированного внутреннего слоя и рыхлого неконсолидированного внешнего слоя. Такое двухслойное отложение часто наблюдается на практике. Вышеупомянутая модель легко упрощается до более старой модели одновременного осаждения и повторного вовлечения ^[24] (которая не учитывает консолидацию), когда λ _c =0. В отсутствие консолидации асимптотическое загрязнение всегда предвидится этой старой моделью, и прогресс загрязнения можно описать как:

${\displaystyle m(t)=m^{*}\left(1-e^{-\lambda _{r}t}\right)}$

где m ^* — максимальная (асимптотическая) массовая нагрузка отложения на поверхность (кг/м ² ).

Экономическое и экологическое значение загрязнения

Стоимостные соотношения между отдельными видами обрастания

Загрязнение повсеместно распространено и приводит к огромным эксплуатационным потерям, мало чем отличающимся от коррозии. Например, по одной из оценок, потери из-за загрязнения теплообменников в промышленно развитых странах составляют около 0,25% их ВВП . ^[25] Другой анализ ^[26] оценил (на 2006 год) экономические потери из-за загрязнения котлов и турбин на коммунальных предприятиях Китая в 4,68 миллиарда долларов, что составляет около 0,169% ВВП страны.

Потери первоначально возникают из-за нарушения теплопередачи, коррозионного повреждения (в частности, подотложений и щелевой коррозии ), повышенного перепада давления, блокировки потока, перераспределения потока внутри компонентов, нестабильности потока, наведенных вибраций (возможно, приводящих к другим проблемам, например, усталости ^{). 27]} ), истирание , преждевременный выход из строя электронагревательных элементов и большое количество других зачастую непредвиденных проблем. Кроме того, следует учитывать (но обычно не учитывают) экологические издержки. Экологические издержки возникают из-за использования биоцидов во избежание биообрастания, увеличения расхода топлива для компенсации снижения производительности, вызванного загрязнением, а также увеличения использования охлаждающей воды в прямоточных системах охлаждения.

Например, «обычное» загрязнение на энергоблоке электростанции мощностью 500 МВт (полезная электрическая мощность) с традиционным сжиганием приводит к потерям мощности паровой турбины 5 МВт и более. На атомной электростанции мощностью 1300 МВт типичные потери могут составлять 20 МВт и выше (до 100%, если станция отключается из-за деградации компонентов, вызванной загрязнением). На установках по опреснению морской воды засорение может снизить коэффициент полезного действия на двузначные проценты (коэффициент увеличения производительности является эквивалентом, который соотносит массу образующегося дистиллята с паром, используемым в процессе). Дополнительное потребление электроэнергии в компрессорных охладителях также легко измеряется двузначным числом. Помимо эксплуатационных затрат, также увеличиваются капитальные затраты , поскольку теплообменники должны быть спроектированы большего размера, чтобы компенсировать потери теплопередачи из-за загрязнения. К потерям мощности, перечисленным выше, необходимо добавить стоимость простоя, необходимого для проверки, очистки и ремонта компонентов (миллионы долларов в день останова в виде упущенной выгоды на типичной электростанции), а также стоимость фактического занимаюсь этим обслуживанием. Наконец, загрязнение часто является основной причиной серьезных проблем с деградацией, которые могут ограничить срок службы компонентов или целых установок.

Контроль загрязнения

Наиболее фундаментальным и обычно предпочтительным методом борьбы с загрязнением является предотвращение попадания загрязняющих веществ в контур охлаждающей воды. На паровых электростанциях и других крупных промышленных объектах водной техники макрозагрязнения можно избежать с помощью фильтров предварительной фильтрации и очистки воды от мусора . На некоторых заводах применяется программа исключения посторонних предметов (чтобы исключить возможность значительного попадания нежелательных материалов, например, забывания инструментов во время технического обслуживания). Акустический мониторинг иногда используется для контроля износа отсоединенных деталей. В случае микрозагрязнений очистка воды достигается обширными методами водоочистки, микрофильтрацией , мембранными технологиями ( обратный осмос , электродеионизация ) или ионообменными смолами . Образование продуктов коррозии в водопроводных системах часто сводится к минимуму за счет контроля pH технологической жидкости (обычно подщелачивание аммиаком , морфолином , этаноламином или фосфатом натрия ), контроля содержания кислорода, растворенного в воде (например, путем добавления гидразина) . ) или добавление ингибиторов коррозии .

Для водных систем при относительно низких температурах применяемые биоциды можно классифицировать следующим образом: неорганические соединения хлора и брома , расщепители хлора и брома , расщепители озона и кислорода , неокисляемые биоциды . Одним из наиболее важных неокисляемых биоцидов является смесь хлорметилизотиазолинона и метилизотиазолинона . Применяются также дибромнитрилопропионамид и четвертичные аммониевые соединения. Для подводных корпусов кораблей применяется окраска днища .

Химические ингибиторы загрязнения ^[28] могут уменьшить загрязнение во многих системах, главным образом, препятствуя стадиям кристаллизации, прикрепления или консолидации процесса загрязнения. Примерами водных систем являются: хелатирующие агенты (например, ЭДТА ), длинноцепочечные алифатические амины или полиамины (например, октадециламин, хеламин и другие «пленкообразующие» амины), органические фосфоновые кислоты (например, этидроновая кислота ). , или полиэлектролиты (например, полиакриловая кислота , ^[29] полиметакриловая кислота, обычно с молекулярной массой менее 10000). В котлах с пламенем добавки алюминия или магния могут снизить температуру плавления золы и способствовать образованию отложений, которые легче удалить. См. также технологические химикаты .

Магнитная обработка воды была предметом споров относительно ее эффективности в борьбе с загрязнением с 1950-х годов. Преобладает мнение, что это просто «не работает». ^[30] Тем не менее, некоторые исследования показывают, что при некоторых условиях это может быть эффективно для уменьшения накопления отложений карбоната кальция. ^[31]

На уровне конструкции компонента загрязнение часто (но не всегда) можно свести к минимуму, поддерживая относительно высокую (например, 2 м/с) и равномерную скорость жидкости по всему компоненту. Застойные регионы необходимо ликвидировать. Компоненты обычно проектируются с учетом возможного загрязнения между чистками. Однако значительное превышение конструкции может оказаться ошибкой проектирования, поскольку может привести к усилению загрязнения из-за снижения скорости. Периодические импульсы давления в сети или обратный поток могут быть эффективными, если эта возможность тщательно заложена во время проектирования. Возможность продувки всегда предусмотрена в парогенераторах или испарителях для контроля накопления нелетучих примесей, которые вызывают или усугубляют загрязнение. Поверхности с низким уровнем загрязнения (например, очень гладкие, с имплантацией ионов или с низкой поверхностной энергией, такие как тефлон ) являются вариантом для некоторых применений. Современные компоненты обычно должны быть спроектированы так, чтобы облегчить осмотр внутренних частей и периодическую очистку. Системы онлайн-мониторинга загрязнения предназначены для некоторых применений, поэтому продувку или очистку можно выполнить до того, как потребуется непредсказуемое отключение или произойдет повреждение.

Химические или механические процессы очистки для удаления отложений и накипи рекомендуются, когда загрязнение достигает точки, оказывающей влияние на производительность системы, или когда начинается значительная деградация, вызванная загрязнением (например, в результате коррозии). Эти процессы включают травление кислотами и комплексообразователями , очистку высокоскоростными струями воды («прокалывание водой»), рециркуляцию («струйную очистку») металлическими, губчатыми или другими шариками или использование автономных механических очистителей труб «пулевого типа». В то время как химическая очистка вызывает экологические проблемы из-за обращения, применения, хранения и утилизации химикатов, механическая очистка с помощью циркулирующих чистящих шариков или автономная очистка «пулевого типа» может быть более экологически чистой альтернативой. В некоторых приложениях теплопередачи возможно механическое смягчение с помощью динамических скребковых теплообменников . Также для многих конкретных применений доступны ультразвуковые или абразивные методы очистки.

Смотрите также

• Международная конвенция о контроле за вредными противообрастающими системами на судах
• Ингибирование отложений на нефтяных месторождениях
• Осаждение частиц
• Парогенератор (атомная энергетика)
• Очистка трубок

Рекомендации

1. Лёге, Исаак А.; Бентзон, Якоб Р.; Клингаа, Кристофер Г.; Вальтер, Йенс Х.; Анабараонье, Бенайя У.; Фосбёл, Филип Л. (февраль 2022 г.). «Прикрепление и отделение чешуи: роль гидродинамики и морфологии поверхности». Химико-технологический журнал . 430 : 132583. doi : 10.1016/j.cej.2021.132583 . hdl : 20.500.11850/517338 . S2CID  240007081.
2. «Загрязнение морской среды и его предотвращение»; подготовлено для Бюро кораблей, Военно-морского ведомства, Океанографического института Вудс-Хоул, США, Бюро кораблей Военно-морского ведомства, 1952 г. (pdf)
3. Шивон Франческа Э. Бурлаге, «Отложений и засорение твердыми частицами в мембранных системах фильтрации», Тейлор и Фрэнсис; 2001, ISBN 90-5809-242-9 (книги Google) 
4. Джошуа М. Хоукс, «Моделирование и исследование условий, приводящих к аномалии осевого смещения в реакторах с водой под давлением», магистерская диссертация Технологического института Джорджии, декабрь 2004 г. (pdf). Архивировано 17 сентября 2006 г. в Wayback Machine .
5. «Лица свечей зажигания», брошюра «Свечи зажигания Bosch 0307», часть 1 (pdf). Архивировано 29 декабря 2009 г. в Wayback Machine.
6. Г. А. Мансури «Физико-химические основы артериальной закупорки / обрастания. Прогнозирование и предотвращение». Департамент химической инженерии Иллинойского университета в Чикаго, онлайн-публикация, сентябрь 2001 г. (pdf). Архивировано 30 мая 2010 г. в Wayback Machine.
7. TR Bott, «Загрязнение теплообменников (монографии по химической технологии)», Elsevier Science, 1995.
8. Дж. Могадаси, Х. Мюллер-Штайнхаген, М. Джамиалахмади и А. Шариф, «Отложение накипи в пористых средах и их удаление путем впрыскивания ЭДТА», Серия международных симпозиумов ECI Engineering Conferences, Загрязнение и очистка теплообменника VII, 1 июля –6, 2007 г. – Томар, Португалия. (pdf) Архивировано 12 мая 2009 г. в Wayback Machine.
9. «Моделирование процессов осаждения и роста продуктов коррозии топлива PWR (5)», Технический отчет 1009734, Научно-исследовательский институт электроэнергетики, Пало-Альто, Калифорния, США, 2004.
10. Рукенштейн, Эли; Прив, Деннис К. (1973). «Скорость осаждения броуновских частиц под действием сил Лондона и двойного слоя». Журнал Химического общества, Faraday Transactions 2 . 69 : 1522. дои : 10.1039/F29736901522.
11. Боуэн, Брюс Д; Эпштейн, Норман (октябрь 1979 г.). «Осаждение мелких частиц в гладких каналах с параллельными пластинами». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 72 (1): 81–97. Бибкод : 1979JCIS...72...81B. дои : 10.1016/0021-9797(79)90184-X.
12. Гуд, Кайли Р.; Астериаду, Констанция; Роббинс, Филипп Т.; Фрайер, Питер Дж. (март 2013 г.). «Исследования загрязнения и очистки в пищевой промышленности и производстве напитков с разбивкой по типам очистки». Комплексные обзоры в области пищевой науки и безопасности пищевых продуктов . 12 (2): 121–143. дои : 10.1111/1541-4337.12000.
13. Чангани, SD; Бельмар-Бейни, Монтана; Фрайер, П.Дж. (май 1997 г.). «Технические и химические факторы, связанные с загрязнением и очисткой при переработке молока». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . 14 (4): 392–406. дои : 10.1016/S0894-1777(96)00141-0.
14. Садегинежад, Э.; Кази, С.Н.; Дахари, М.; Сафаи, Мохаммад Реза; Садри, Рад; Бадарудин А. (14 апреля 2014 г.). «Комплексный обзор загрязнения молока на нагретых поверхностях». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 55 (12): 1724–1743. дои : 10.1080/10408398.2012.752343. PMID  24731003. S2CID  32303762.
15. Хун Лу, «Композитное загрязнение поверхностей теплообменника», Nova Science Books, Нью-Йорк, 2007.
16. Лёге, Исаак А.; Анабараонье, Бенайя У.; Фосбёл, Филип Лолдруп (октябрь 2022 г.). «Механизмы роста композитных загрязнений: влияние субстратов на процессы отделения». Химико-технологический журнал . 446 : 137008. doi : 10.1016/j.cej.2022.137008 . S2CID  249223220.
17. Mars Pathfinder - Оседание пыли (MAE)
18. HM Herro (Nalco Chemical Company), «Коррозия, связанная с отложениями в промышленных системах водяного охлаждения», представлено на собрании Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов Corrosion '89, Новый Орлеан, Луизиана, 17–21 апреля 1989 г. ((pdf) ).
19. «Примеры снижения тепловых характеристик парогенератора», отчет TR-110018, Научно-исследовательский институт электроэнергетики, Пало-Альто, Калифорния, США, 1998 г. (аннотация). Архивировано 10 июля 2011 г. в Wayback Machine .
20. В. П. Брусаков, "Закон осаждения материалов на теплопередающие поверхности под действием термоэлектрических эффектов", Атомная энергия, Том 30, № 1, стр. 10-14, январь 1971.
21. Д.Х. Листер, «Продукты коррозии в энергосистемах». В: Загрязнение теплообменного оборудования», EF Somerscales и JG Knudsen (ред.), Hemisphere Pub. Corp., Вашингтон, округ Колумбия, США, 1981, стр. 135–200.
22. Варсингер, Дэвид М.; Тау, Эмили В.; Сваминатан, Джайчандер; Линхард В., Джон Х. (2017). «Теоретическая основа прогнозирования неорганического загрязнения при мембранной дистилляции и экспериментальная проверка с помощью сульфата кальция» (PDF) . Журнал мембранной науки . 528 : 381–390. дои : 10.1016/j.memsci.2017.01.031 . hdl : 1721.1/107916.
23. К.В. Тернер, С. Дж. Климас, «Моделирование влияния химии поверхности на засорение частицами в условиях кипения в потоке», «Процедуры загрязнения теплообменника: фундаментальные подходы и технические решения», 2001 г., 8–13 июля, Давос, Швейцария, Отчет AECL 12171 .
24. Керн, DO; Ситон, RE (1959). «Теоретический анализ термического загрязнения поверхности». Британская химическая инженерия . 4 (5): 258–262.
25. Х. Мюллер-Штайнхаген и А. П. Уоткинсон, «Загрязнение теплообменника - новые подходы к решению старой проблемы», Heat Transfer Engineering, 26 (2), 2005.
26. Сюй Чжи-Мин, ЧЖАН Чжун-Бин и ЯН Шань-Ранг, «Затраты из-за загрязнения коммунальных сетей в Китае», Серия международных симпозиумов ECI Engineering Conferences, Загрязнение и очистка теплообменника VII, 1–6 июля 2007 г. - Томар, Португалия. (pdf) Архивировано 12 мая 2009 г. в Wayback Machine.
27. Эрве БОДИНО и Тьерри СОЛЬЕ, «Засорение опорной пластины трубы французских парогенераторов», веб-страница Eurosafe. Архивировано 26 июля 2011 г. на Wayback Machine.
28. JC Cowan и DJ Weintritt, «Отложения накипи, образованные водой. Комплексное исследование предотвращения, контроля, удаления и использования минеральных накипи», Gulf Publishing Company, Хьюстон, Техас, 1976.
29. «Диспергенты для контроля загрязнения труб: Том 2: Краткосрочные испытания на АНО-2», отчет 1003144, Научно-исследовательский институт электроэнергетики, Пало-Альто, Калифорния, США, 2001 г. (аннотация). Архивировано 10 июля 2011 г. в Wayback Machine .
30. «Магнитная очистка воды. Архивировано 15 декабря 2011 г. в Wayback Machine », Технический бюллетень общественных работ 420-49-34, Инженерный корпус армии США, 15 июня 2001 г.
31. А. Шкатула, М. Баланда, М. Копец, «Магнитная обработка технической воды. Активация кремнезема». Евро. Физ. Ж.Прикладная физика, 1, вып. 18, с. 41-49, 2002 (аннотация) ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

Внешние ссылки

• Исследование загрязнения сырой нефтью
• [1]