Загрязнение

Накопление нежелательного материала на твердых поверхностях

Теплообменник на паровой электростанции , загрязненный макрозагрязнениями

Конденсаторная трубка с остатками биообрастания (разрезана)

Обрастание — это накопление нежелательных материалов на твердых поверхностях. Обрастающие материалы могут состоять как из живых организмов ( биообрастание , органика), так и из неживых веществ (неорганика). Обрастание обычно отличается от других явлений поверхностного роста тем, что оно происходит на поверхности компонента, системы или растения, выполняющего определенную и полезную функцию, и что процесс обрастания затрудняет или мешает этой функции.

Другие термины, используемые в литературе для описания загрязнения, включают образование отложений, инкрустацию, крошение, осаждение, образование накипи, шлакование и образование шлама. Последние шесть терминов имеют более узкое значение, чем загрязнение в рамках науки и технологии загрязнения, и они также имеют значения за пределами этой сферы; поэтому их следует использовать с осторожностью.

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

Эта статья в первую очередь посвящена загрязнению промышленных теплообменников, хотя та же теория в целом применима и к другим видам загрязнений. В технологии охлаждения и других технических областях проводится различие между макрозагрязнением и микрозагрязнением. Из этих двух видов микрозагрязнение обычно сложнее предотвратить, и поэтому оно важнее.

Компоненты, подверженные загрязнению

Поперечное сечение трубки конденсатора с отложениями карбоната кальция

сечение латунной трубки со следами коррозии

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

• Поверхности теплообменника – снижают тепловую эффективность , уменьшают тепловой поток, повышают температуру на горячей стороне, снижают температуру на холодной стороне, вызывают коррозию под отложениями, увеличивают использование охлаждающей воды;
• Трубопроводы, каналы потока – уменьшают поток, увеличивают перепад давления, увеличивают давление на входе, увеличивают расход энергии, могут вызывать колебания потока, закупорку в двухфазном потоке, кавитацию; могут увеличивать скорость потока в другом месте, могут вызывать вибрации, могут вызывать блокировку потока; ^[1]
• Корпуса кораблей – создают дополнительное сопротивление , увеличивают расход топлива, снижают максимальную скорость; ^[2]
• Турбины – снижают эффективность, увеличивают вероятность отказа;
• Солнечные панели – уменьшают вырабатываемую электроэнергию;
• Мембраны обратного осмоса – увеличивают перепад давления, увеличивают расход энергии, уменьшают поток, выход мембраны из строя (в тяжелых случаях); ^[3]
• Электронагревательные элементы – повышают температуру элемента, усиливают коррозию, сокращают срок службы;
• Стволы огнестрельного оружия - увеличивают давление в камере; затрудняют заряжание для дульнозарядных орудий.
• Ядерное топливо в реакторах с водой под давлением – аномалия осевого смещения ^[4] , может потребоваться снижение мощности электростанции;
• Форсунки впрыска/распыления (например, форсунка, распыляющая топливо в печь) — неправильное количество впрыскиваемого топлива, деформированная струя, неэффективность компонента, отказ компонента;
• Трубки Вентури , диафрагмы – неточное или неправильное измерение расхода;
• Трубки Пито в самолетах – неточное или неправильное показание скорости самолета;
• Электроды свечей зажигания в автомобилях – пропуски зажигания в двигателе; ^[5]
• Зона добычи нефти из нефтяных пластов и нефтяных скважин – снижение добычи нефти со временем; закупорка; в некоторых случаях полная остановка потока в течение нескольких дней; ^[6]
• Зубы – способствует заболеванию зубов и десен, ухудшает эстетику;
• Живые организмы – отложение избыточных минералов (например, кальция, железа, меди) в тканях (иногда спорно) связано со старением / сенесценцией .

Макро загрязнение

Макрозагрязнение вызывается грубыми веществами биологического или неорганического происхождения, например, промышленными отходами . Такие вещества попадают в контур охлаждающей воды через насосы охлаждающей воды из таких источников, как открытое море , реки или озера . В замкнутых контурах, таких как градирни , попадание макрозагрязнения в бассейн градирни возможно через открытые каналы или ветром. Иногда части внутренних частей градирни отделяются и переносятся 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 фреттинг-коррозии .

Примеры

• Техногенные отходы;
• Отдельные внутренние части компонентов;
• Инструменты и другие «посторонние предметы», случайно оставленные после технического обслуживания;
• Водоросли ;
• Моллюски ;
• Листья , части растений вплоть до целых стволов .

Микрозагрязнение

Что касается микрозагрязнений, то различают: ^[7]

• Образование накипи или осадочных отложений, возникающих в результате кристаллизации твердых солей , оксидов и гидроксидов из водных растворов (например, карбоната кальция или сульфата кальция)
• Загрязнение частицами , т.е. накопление частиц, как правило, 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
• Затвердевание — когда компоненты текущей жидкости с высокой температурой плавления замерзают на недогретой поверхности.
• Биологическое обрастание , например, поселения бактерий и водорослей.
• Сложное загрязнение, при котором загрязнение включает в себя более одного загрязняющего вещества или механизма загрязнения.

Загрязнение осадками

Образование накипи внутри трубы снижает поток жидкости через трубу и снижает теплопроводность от жидкости к внешней оболочке трубы. Оба эффекта снижают общую тепловую эффективность трубы при использовании в качестве теплообменника .

Чрезмерное образование накипи на трубах котла

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

Образование накипи или загрязнение осадками включает кристаллизацию твердых солей , оксидов и гидроксидов из растворов . Чаще всего это водные растворы, но известно также и загрязнение неводными осадками. Загрязнение осадками является очень распространенной проблемой в котлах и теплообменниках, работающих с жесткой водой , и часто приводит к образованию известкового налета .

Из-за изменения температуры, испарения растворителя или дегазации концентрация солей может превысить насыщение , что приведет к выпадению 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:

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

Образующийся в ходе этой реакции карбонат кальция выпадает в осадок. Из-за температурной зависимости реакции и возрастающей летучести CO ₂ с ростом температуры, накипь выше на более горячем выходе теплообменника, чем на более холодном входе.

В целом, зависимость растворимости соли от температуры или наличия испарения часто будет движущей силой загрязнения осадками. Важное различие заключается в солях с «нормальной» или «ретроградной» зависимостью растворимости от температуры. Соли с «нормальной» растворимостью увеличивают свою растворимость с ростом температуры и, таким образом, загрязняют охлаждающие поверхности. Соли с «обратной» или «ретроградной» растворимостью загрязняют нагревательные поверхности. Пример температурной зависимости растворимости показан на рисунке. Сульфат кальция является распространенным загрязняющим осадком нагревательных поверхностей из-за его ретроградной растворимости.

Загрязнение осадками может также происходить при отсутствии нагрева или испарения. Например, сульфат кальция снижает свою растворимость при снижении давления. Это может привести к загрязнению осадками резервуаров и скважин на нефтяных месторождениях, снижая их производительность со временем. ^[8] Загрязнение мембран в системах обратного осмоса может происходить из-за дифференциальной растворимости сульфата бария в растворах с различной ионной силой . ^[3] Аналогично, загрязнение осадками может происходить из-за изменений растворимости, вызванных другими факторами, например, вскипанием жидкости , дегазацией жидкости, изменениями окислительно-восстановительного потенциала или смешиванием несовместимых потоков жидкости.

Ниже перечислены некоторые из распространенных в промышленности фаз загрязнения осадков, образование которых из водных растворов наблюдается на практике:

• Карбонат кальция ( кальцит , арагонит обычно при t > ~50 °C, или редко 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 осадков 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, кг/м ³

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

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

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

Загрязнение твердыми частицами

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

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

где и — константы кинетической скорости осаждения и переноса соответственно. Значение для коллоидных частиц является функцией как химии поверхности, геометрии, так и локальных термогидравлических условий. ${\displaystyle k_{d}}$ ${\displaystyle k_{t}}$ ${\displaystyle P}$

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

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

и затем кинетические коэффициенты переноса и присоединения объединяются как два процесса, происходящих последовательно:

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

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

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 загрязняющих частиц на границе раздела и в объеме жидкости соответственно; кг·м ⁻³ . ${\displaystyle C_{b}}$

Будучи по сути явлением поверхностной химии , этот механизм загрязнения может быть очень чувствителен к факторам, которые влияют на коллоидную стабильность, например, дзета-потенциалу . Максимальная скорость загрязнения обычно наблюдается, когда загрязняющие частицы и субстрат демонстрируют противоположный электрический заряд или близки к точке нулевого заряда любого из них.

Частицы, размеры которых превышают коллоидные, также могут загрязняться, например, путем осаждения («седиментационное загрязнение») или процеживания через отверстия небольшого размера.

Со временем образующиеся поверхностные отложения могут затвердевать в результате процессов, известных как «консолидация отложений» или, в просторечии, «старение».

К наиболее распространенным отложениям загрязняющих частиц, образующимся из водных суспензий, относятся:

• оксиды железа и оксигидроксиды железа ( магнетит , гематит , лепидокрокит , маггемит , гетит );
• Загрязнение отложениями ила и других относительно крупных взвешенных веществ.

Загрязнение частицами из газовых аэрозолей также имеет промышленное значение. Частицы могут быть как твердыми, так и жидкими. Обычными 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 создаются in-situ в результате коррозии подложки . Их следует отличать от отложений загрязнения, которые образуются из материала, возникшего ex-situ. Коррозионные отложения не следует путать с отложениями загрязнения, образованными продуктами коррозии, образовавшимися ex-situ. Коррозионные отложения обычно имеют состав, связанный с составом подложки. Кроме того, геометрия интерфейсов металл-оксид и оксид-жидкость может позволить провести практическое различие между коррозионными и отложениями загрязнения. Примером коррозионного загрязнения может быть образование отложений оксида железа или оксигидроксида из-за коррозии углеродистой стали под ними. Коррозионное загрязнение не следует путать с коррозией загрязнения, т. е. любым из типов коррозии, которые могут быть вызваны загрязнением.

Химическая реакция загрязнения

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

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

Затвердевание загрязнений

Загрязнение затвердеванием происходит, когда компонент текущей жидкости «замерзает» на поверхности, образуя твердый осадок загрязнения. Примерами могут служить затвердевание воска (с высокой температурой плавления) из углеводородного раствора или расплавленной золы (переносимой отходящими газами печи) на поверхности теплообменника. Поверхность должна иметь температуру ниже определенного порога; поэтому говорят, что она переохлаждена относительно точки затвердевания загрязняющего вещества.

Биообрастание

Фрагмент шлюза на канале в Северной Франции, покрытый зебровыми дрейссенами

Биологическое обрастание или биологическое обрастание — это нежелательное накопление микроорганизмов, водорослей и диатомовых водорослей , растений и животных на поверхностях, таких как корпуса кораблей и подводных лодок, или трубопроводы и резервуары с неочищенной водой. Это может сопровождаться микробиологически обусловленной коррозией (МВК).

Бактерии могут образовывать биопленки или слизи. Таким образом, организмы могут агрегировать на поверхностях, используя коллоидные гидрогели воды и внеклеточных полимерных веществ (ЭПС) ( полисахариды , липиды, нуклеиновые кислоты и т. д.). Структура биопленки обычно сложная.

Бактериальное обрастание может происходить как в аэробных (с растворенным в воде кислородом), так и в анаэробных (без кислорода) условиях. На практике аэробные бактерии предпочитают открытые системы, когда постоянно поставляются и кислород, и питательные вещества, часто в теплой и освещенной солнцем среде. Анаэробное обрастание чаще происходит в закрытых системах, когда присутствует достаточное количество питательных веществ. Примерами могут служить сульфатредуцирующие бактерии (или серовосстанавливающие бактерии ), которые производят сульфид и часто вызывают коррозию черных металлов (и других сплавов). Сульфидокисляющие бактерии (например, Acidithiobacillus ), с другой стороны, могут производить серную кислоту и могут участвовать в коррозии бетона.

Дрейссены-зебры служат примером крупных животных, вызывающих обширные загрязнения в Северной Америке.

Композитное загрязнение

Составное загрязнение является обычным явлением. Этот тип загрязнения включает в себя более одного загрязнителя или более одного механизма загрязнения ^[15], работающих одновременно. Несколько 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 NASA Mars Exploration Rovers ( Spirit и Opportunity ) столкнулись (предположительно) с абиотическим загрязнением солнечных панелей частицами пыли из марсианской атмосферы. ^[17] Некоторые из отложений впоследствии самопроизвольно очистились . Это иллюстрирует универсальную природу явления загрязнения.

Количественная оценка загрязнения

Самый простой способ количественной оценки достаточно равномерного загрязнения — это указание средней поверхностной нагрузки отложений, т. е. кг отложений на м ² площади поверхности. Скорость загрязнения затем будет выражена в кг/м ² с и получена путем деления поверхностной нагрузки отложений на эффективное время работы. Нормализованная скорость загрязнения (также в кг/м ² с) будет дополнительно учитывать концентрацию загрязняющего вещества в технологической жидкости (кг/кг) во время предыдущих операций и полезна для сравнения скоростей загрязнения между различными системами. Она получается путем деления скорости загрязнения на концентрацию загрязняющего вещества. Константа скорости загрязнения (м/с) может быть получена путем деления нормализованной скорости загрязнения на массовую плотность технологической жидкости (кг/м ³ ).

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

В теплообменном оборудовании, где основной проблемой часто является влияние загрязнения на теплопередачу, загрязнение можно количественно оценить по увеличению сопротивления потоку тепла (м2К ^/ Вт) из-за загрязнения (так называемое « сопротивление загрязнению ») или по изменению коэффициента теплопередачи (Вт/м2К ⁾ с течением времени.

Если коррозия под отложениями или щелями является основной проблемой, важно отметить неравномерность толщины отложений (например, волнистость отложений ), локализованное загрязнение, заполнение ограниченных областей отложениями, создание окклюзии, «щелей», «бугорков отложений» ^[18] или шламовых куч. Такие структуры отложений могут создавать среду для коррозии под отложениями материала подложки, например, межкристаллитное воздействие , питтинг , коррозионное растрескивание под напряжением или локализованные потери. Пористость и проницаемость отложений, вероятно, повлияют на вероятность коррозии под отложениями. Состав отложений также может быть важен — даже незначительные компоненты отложений иногда могут вызывать сильную коррозию основного металла (например, ванадий в отложениях котлов с подогревом, вызывающий горячую коррозию ).

Не существует общего правила относительно допустимого размера отложений, это зависит от системы. Во многих случаях отложения толщиной даже в несколько микрометров могут быть проблемными. Отложения толщиной в миллиметр будут вызывать беспокойство практически в любом применении.

Прогресс загрязнения с течением времени

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

• Период индукции - Иногда наблюдается почти нулевая скорость обрастания, когда поверхность новая или очень чистая. Это часто наблюдается при биообрастании и обрастании осадками. После "периода индукции" скорость обрастания увеличивается.
• «Отрицательное» загрязнение — может возникнуть, когда скорость загрязнения количественно определяется путем мониторинга теплопередачи. Относительно небольшое количество отложений может улучшить теплопередачу относительно чистой поверхности и создать видимость «отрицательной» скорости загрязнения и отрицательного общего количества загрязнения. Отрицательное загрязнение часто наблюдается в условиях теплопередачи с пузырьковым кипением (отложения улучшают зарождение пузырьков) или принудительной конвекции (если отложения увеличивают шероховатость поверхности и поверхность больше не является «гидравлически гладкой»). После начального периода «контроля шероховатости поверхности» скорость загрязнения обычно становится резко положительной.
• Линейное загрязнение - Скорость загрязнения может быть постоянной с течением времени. Это распространенный случай.
• Падающее загрязнение - В этом сценарии скорость загрязнения уменьшается со временем, но никогда не падает до нуля. Толщина отложений не достигает постоянного значения. Прогресс загрязнения часто можно описать двумя числами: начальной скоростью загрязнения ( касательная 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 не достигнет нуля. В этой точке толщина отложений остается постоянной во времени (горизонтальная асимптота ). Это часто бывает в случае относительно мягких или плохо прилипающих отложений в областях быстрого потока. Асимптота обычно интерпретируется как нагрузка отложений, при которой скорость отложения равна скорости удаления отложений.
• Ускоряющееся загрязнение - В этом сценарии скорость загрязнения увеличивается со временем; скорость накопления отложений ускоряется со временем (возможно, пока не станет ограниченной транспортировкой). Механистически этот сценарий может развиваться, когда загрязнение увеличивает шероховатость поверхности или когда поверхность отложений проявляет более высокую химическую склонность к загрязнению, чем чистый лежащий под ней металл.
• Качающееся загрязнение - здесь нагрузка загрязнения обычно увеличивается со временем (часто предполагая, что в целом скорость линейная или падает), но, если рассмотреть более подробно, прогресс загрязнения периодически прерывается и принимает форму пилообразной кривой . Периодические резкие изменения в видимом количестве загрязнения часто соответствуют моментам остановок системы, запусков или других переходных процессов в работе. Периодические изменения часто интерпретируются как периодическое удаление части отложений (возможно, повторное взвешивание отложений из-за импульсов давления, отслоение из-за термических напряжений или отслоение из-за переходных процессов окисления-восстановления). Было высказано предположение, что паровая подушка происходит между частично отслоившимися отложениями и поверхностью теплопередачи. Однако возможны и другие причины, например, захват воздуха внутри поверхностных отложений во время остановок или неточность измерений температуры во время переходных процессов («температурный поток»). ^[19]

Моделирование загрязнения

Схемы процесса загрязнения, состоящие из одновременного осаждения загрязняющих веществ и удаления отложений.

Загрязнение системы можно смоделировать как процесс, состоящий из нескольких этапов:

• Образование или проникновение видов, вызывающих загрязнение («источник загрязнения»);
• Перенос загрязняющих веществ потоком технологической жидкости (чаще всего путем адвекции );
• Транспорт загрязняющих веществ из объема технологической жидкости к загрязняющей поверхности. Этот транспорт часто осуществляется посредством молекулярной или турбулентно-вихревой диффузии , но может также происходить посредством инерционного выбега/удара, перехвата частиц поверхностью (для частиц с конечными размерами), электрофореза , термофореза , диффузиофореза , потока Стефана (при конденсации и испарении), седиментации , силы Магнуса (действующей на вращающиеся частицы), термоэлектрического эффекта , ^{[20] [21]} и других механизмов.
• Индукционный период, т. е. близкая к нулю скорость загрязнения в начальный период загрязнения ^[22] (наблюдается только для некоторых механизмов загрязнения);
• Кристаллизация загрязняющих веществ на поверхности (или присоединение коллоидных частиц, или химическая реакция, или рост бактерий);
• Иногда самозамедление загрязнения, т. е. снижение (или потенциальное повышение) скорости кристаллизации/присоединения из-за изменений в состоянии поверхности, вызванных отложениями загрязнения;
• Растворение отложений (или повторный унос слабо прикрепленных частиц);
• Уплотнение отложений на поверхности (например, посредством созревания Оствальда или дифференциальной растворимости в градиенте температур) или цементация , которые приводят к потере пористости отложений и повышению их вязкости со временем;
• Отслаивание , эрозионный износ или расслоение отложений .

Отложение состоит из транспортировки на поверхность и последующего прикрепления. Удаление отложений происходит либо путем растворения отложений, повторного захвата частиц, либо путем скалывания отложений, эрозионного износа или отслаивания. Загрязнение происходит в результате образования загрязняющих веществ, их отложения, удаления отложений и консолидации отложений.

Для современной модели загрязнения, включающей осаждение с одновременным вторичным захватом и консолидацией осадка ^[23] , процесс загрязнения можно представить следующей схемой:

      [скорость накопления осадка] = [скорость осаждения] - [скорость повторного уноса неконсолидированного осадка]

      [скорость накопления неконсолидированного осадка] = [скорость осаждения] - [скорость повторного захвата неконсолидированного осадка] - [скорость консолидации неконсолидированного осадка]

Следуя вышеприведенной схеме, основные уравнения загрязнения можно записать следующим образом (для стационарных 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 отложений (консолидированных и неконсолидированных) на поверхность (кг/м ² );
• t — время (с);
• k _d — константа скорости осаждения (м/с);
• ρ – плотность жидкости (кг/м ³ );
• С _м - массовая доля загрязняющих веществ в жидкости (кг/кг);
• λ _r — константа скорости повторного уноса (1/с);
• m _r – массовая нагрузка удаляемой (т.е. неконсолидированной) фракции поверхностного осадка (кг/м ² );
• 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 = λ _r + λ _c .

Эта модель воспроизводит либо линейное, либо падающее, либо асимптотическое загрязнение в зависимости от относительных значений k, λ _r и λ _c . Основная физическая картина для этой модели представляет собой двухслойное отложение, состоящее из консолидированного внутреннего слоя и рыхлого неконсолидированного внешнего слоя. Такое двухслойное отложение часто наблюдается на практике. Вышеуказанная модель легко упрощается до более старой модели одновременного осаждения и повторного уноса ^[24] (которая пренебрегает консолидацией), когда λ _c = 0. При отсутствии консолидации асимптотическое загрязнение всегда предвосхищается этой старой моделью, и прогресс загрязнения можно описать следующим образом:

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

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

Экономическое и экологическое значение загрязнения

Соотношения затрат между отдельными типами загрязнений

Загрязнение повсеместно 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% от их ВВП . ^[25] Другой анализ ^[26] оценил (на 2006 год) экономические потери из-за загрязнения котлов и турбин в коммунальных службах Китая в 4,68 млрд долларов, что составляет около 0,169% от ВВП страны.

Первоначально потери возникают из-за ухудшения теплопередачи, коррозионного повреждения (в частности, коррозии под отложениями и щелевой коррозии ), повышенного падения давления, блокировок потока, перераспределения потока внутри компонентов, нестабильности потока, вызванных вибраций (возможно, приводящих к другим проблемам, например, усталости ^[27] ), фреттинг-коррозии , преждевременного выхода из строя электронагревательных элементов и большого количества других часто непредвиденных проблем. Кроме того, следует (но обычно не учитывается) учитывать экологические издержки. Экологические издержки возникают из-за использования биоцидов для предотвращения биообрастания, из-за повышенного расхода топлива для компенсации снижения производительности, вызванного загрязнением, и повышенного использования охлаждающей воды в прямоточных системах охлаждения.

Например, «нормальное» загрязнение на традиционном блоке электростанции мощностью 500 МВт (чистая электрическая мощность) приводит к потерям мощности паровой турбины в 5 МВт и более. На атомной электростанции мощностью 1300 МВт типичные потери могут составлять 20 МВт и более (до 100%, если станция останавливается из-за деградации компонентов, вызванной загрязнением). На опреснительных установках морской воды загрязнение может снизить коэффициент усиления выходной мощности на двузначные проценты (коэффициент усиления выходной мощности является эквивалентом, который устанавливает массу полученного дистиллята по отношению к пару, используемому в процессе). Дополнительное потребление электроэнергии в компрессорных охладителях также легко находится в двузначной области. В дополнение к эксплуатационным расходам также увеличиваются капитальные затраты , поскольку теплообменники должны быть спроектированы в больших размерах, чтобы компенсировать потери теплопередачи из-за загрязнения. К потерям на выходе, перечисленным выше, нужно добавить стоимость простоя, необходимого для проверки, очистки и ремонта компонентов (миллионы долларов в день простоя в виде потерянного дохода на типичной электростанции), и стоимость фактического выполнения этого обслуживания. 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 контроля загрязнения является предотвращение попадания загрязняющих видов в контур охлаждающей воды. На паровых электростанциях и других крупных промышленных установках водной технологии макрозагрязнение предотвращается с помощью предварительной фильтрации и фильтров для мусора охлаждающей воды . Некоторые заводы используют программу исключения посторонних предметов (чтобы исключить возможность заметного попадания нежелательных материалов, например, забывания инструментов во время обслуживания). Акустический мониторинг иногда используется для контроля за истиранием отсоединенными частями. В случае микрозагрязнения очистка воды достигается с помощью обширных методов водоподготовки, микрофильтрации , мембранной технологии ( обратный осмос , электродеионизация ) или ионообменных смол . Образование продуктов коррозии в системах водопроводов часто сводится к минимуму путем контроля pH технологической жидкости (обычно подщелачиванием аммиаком , морфолином , этаноламином или фосфатом натрия ), контроля растворенного в воде кислорода (например, путем добавления гидразина ) или добавления 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 важнейших неокисляемых биоцидов является смесь хлорметилизотиазолинона и метилизотиазолинона . Также применяются дибромнитрилопропионамид и четвертичные аммониевые соединения. Для подводных корпусов судов применяются краски для днища .

Химические ингибиторы загрязнения ^[28] могут уменьшить загрязнение во многих системах, в основном, вмешиваясь в стадии кристаллизации, прикрепления или консолидации процесса загрязнения. Примерами для 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 ниже 10000). Для котлов с огневым нагревом добавки алюминия или магния могут понизить температуру плавления золы и способствовать образованию отложений, которые легче удалить. См. также технологические химикаты .

Магнитная обработка воды была предметом споров относительно ее эффективности для контроля загрязнения с 1950-х годов. Преобладающее мнение заключается в том, что она просто «не работает». ^[30] Тем не менее, некоторые исследования показывают, что она может быть эффективна при некоторых условиях для уменьшения накопления отложений карбоната кальция. ^[31]

На уровне проектирования компонентов загрязнение часто (но не всегда) можно минимизировать, поддерживая относительно высокую (например, 2 м/с) и равномерную скорость жидкости по всему компоненту. Необходимо устранить застойные области. Компоненты обычно проектируются с запасом, чтобы компенсировать ожидаемое загрязнение между чистками. Однако значительное избыточное проектирование может быть ошибкой проектирования, поскольку может привести к увеличению загрязнения из-за снижения скоростей. Периодические импульсы давления в сети или обратный поток могут быть эффективными, если эта возможность тщательно заложена во время проектирования. Возможность продувки всегда включена в парогенераторы или испарители для контроля накопления нелетучих примесей, которые вызывают или усугубляют загрязнение. Поверхности с низким уровнем загрязнения (например, очень гладкие, имплантированные ионами или с низкой поверхностной энергией, такие как тефлон ) являются вариантом для некоторых применений. Современные компоненты, как правило, должны быть спроектированы для простоты осмотра внутренних частей и периодической очистки. Системы оперативного мониторинга загрязнения разработаны для некоторых сфер применения таким образом, чтобы можно было выполнить продувку или очистку до того, как возникнет необходимость в непредсказуемом отключении или возникнет повреждение.

Химические или механические процессы очистки для удаления отложений и накипи рекомендуются, когда загрязнение достигает точки, влияющей на производительность системы или начинается значительная деградация, вызванная загрязнением (например, коррозией). Эти процессы включают травление кислотами и комплексообразующими агентами , очистку высокоскоростными струями воды («водяное копье»), рециркуляцию («взрывную очистку») металлическими, губчатыми или другими шариками или приведение в движение 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 очищающих шариков или автономная очистка «пулевого типа» может быть экологически более чистой альтернативой. В некоторых применениях теплопередачи механическое смягчение с помощью динамических скребковых теплообменников является опцией. Также для многих конкретных применений доступны ультразвуковые или абразивные методы очистки.

Смотрите также

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

Ссылки

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. «Обрастание морских судов и его предотвращение»; подготовлено для Бюро по судоходству, Военно-морского департамента, Океанографического института Вудс-Хоул, США, Военно-морского департамента. Бюро по судоходству, 1952. (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. на Wayback Machine
5. "Spark Plug Faces", брошюра "Bosch Spark Plugs 0307", часть 1 (pdf) Архивировано 29.12.2009 на Wayback Machine
6. GA Mansoori "Физико-химические основы артериальной закупорки/засорения. Прогнозирование и профилактика". Кафедра химической инженерии, Иллинойсский университет в Чикаго, электронная публикация, сентябрь 2001 г. (pdf) Архивировано 30 мая 2010 г. на Wayback Machine
7. TR Bott, «Загрязнение теплообменников (монографии по химической инженерии)», Elsevier Science, 1995.
8. J. Moghadasi, H. Müller-Steinhagen, M. Jamialahmadi и A. Sharif, «Отложение накипи в пористой среде и ее удаление путем инъекции EDTA», Серия международных симпозиумов ECI Engineering Conferences, Загрязнение и очистка теплообменников VII, 1–6 июля 2007 г. — Томар, Португалия. (pdf) Архивировано 12 мая 2009 г. в Wayback Machine
9. «Моделирование процессов отложения 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. doi :10.1039/F29736901522.
11. Боуэн, Брюс Д.; Эпштейн, Норман (октябрь 1979 г.). «Осаждение мелких частиц в гладких параллельных пластинчатых каналах». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 72 (1): 81–97. Bibcode : 1979JCIS...72...81B. doi : 10.1016/0021-9797(79)90184-X.
12. Гуд, Кайли Р.; Астериаду, Констанция; Роббинс, Филлип Т.; Фрайер, Питер Дж. (март 2013 г.). «Исследования загрязнения и очистки в пищевой промышленности и производстве напитков, классифицированные по типу очистки». Комплексные обзоры по пищевой науке и безопасности пищевых продуктов . 12 (2): 121–143. doi :10.1111/1541-4337.12000.
13. Чангани, SD; Белмар-Бейни, MT; Фрайер, PJ (май 1997). «Инженерные и химические факторы, связанные с загрязнением и очисткой при переработке молока». Experimental Thermal and Fluid Science . 14 (4): 392–406. doi :10.1016/S0894-1777(96)00141-0.
14. Садегинежад, Э.; Кази, СН; 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. doi :10.1080/10408398.2012.752343. PMID  24731003. S2CID  32303762.
15. Хонг Лу, «Композитное загрязнение поверхностей теплообменников», Nova Science Books, Нью-Йорк, 2007.
16. Лёге, Исаак А.; Анабараонье, Бенайя У.; Фосбёль, Филип Лолдруп (октябрь 2022 г.). «Механизмы роста композитных загрязнений: влияние субстратов на процессы отсоединения». Chemical Engineering Journal . 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 охлаждения воды», Доклад на встрече Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов «Коррозия '89», Новый Орлеан, Луизиана, 17–21 апреля 1989 г. ((pdf).
19. «Исследования случаев ухудшения тепловых характеристик парогенератора», отчет TR-110018, Научно-исследовательский институт электроэнергетики, Пало-Альто, Калифорния, США, 1998 (аннотация). Архивировано 10 июля 2011 г. на Wayback Machine .
20. В. П. Брусаков, «Закон осаждения материалов на теплопередающих поверхностях под действием термоэлектрических эффектов», Атомная энергия, т.30, №1, с.10-14, январь 1971 г.
21. DH Lister, «Продукты коррозии в энергогенерирующих системах». В: Загрязнение теплообменного оборудования», EF Somerscales и JG Knudsen (ред.), Hemisphere Pub. Corp., Вашингтон, округ Колумбия, США, 1981, стр. 135-200.
22. Warsinger, David M.; Tow, Emily W.; Swaminathan, Jaichander; Lienhard V, John H. (2017). «Теоретическая основа для прогнозирования неорганического загрязнения при мембранной дистилляции и экспериментальная проверка с сульфатом кальция» (PDF) . Journal of Membrane Science . 528 : 381–390. doi : 10.1016/j.memsci.2017.01.031 . hdl :1721.1/107916.
23. CW Turner, SJ Klimas, «Моделирование влияния химии поверхности на загрязнение частиц в условиях кипения потока», Труды конференции «Загрязнение теплообменников: фундаментальные подходы и технические решения», 2001 г., 8–13 июля, Давос, Швейцария, отчет AECL 12171.
24. Керн, DO; Ситон, RE (1959). «Теоретический анализ термического поверхностного загрязнения». British Chemical Engineering . 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-Ран, «Затраты из-за загрязнения коммунальных служб в Китае», Серия международных симпозиумов ECI Engineering Conferences, Загрязнение и очистка теплообменников VII, 1–6 июля 2007 г. — Томар, Португалия. (pdf) Архивировано 12 мая 2009 г. на Wayback Machine
27. Эрве БОДИНО и Тьерри СОЛЬЕ, «Засорение опорной пластины труб во французских парогенераторах», веб-страница Eurosafe. Архивировано 26 июля 2011 г. на Wayback Machine.
28. Дж. К. Коуэн и Д. Дж. Вайнтритт, «Отложения накипи, образованные водой. Комплексное исследование профилактики, контроля, удаления и использования минеральной накипи», Gulf Publishing Company, Хьюстон, Техас, 1976.
29. "Диспергенты для контроля засорения труб: Том 2: Краткосрочные испытания в ANO-2", Отчет 1003144, Научно-исследовательский институт электроэнергетики, Пало-Альто, Калифорния, США, 2001 (аннотация) Архивировано 10 июля 2011 г. на 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. A. Szkatula, M. Balanda, M. Kopec, "Магнитная обработка промышленной воды. Активация кремнезема". Eur. Phys. J.Applied Physics, 1, т. 18, стр. 41-49, 2002 (аннотация) ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

Внешние ссылки

• Исследование загрязнения сырой нефтью
• [1]