Теплообменник в паровой электростанции, загрязнен макрозагрязнением |
Конденсатор трубка с остатками биообрастания () |
Трубка конденсатора с карбонатом кальция накипью (разрезана) |
Латунная трубка с коррозией следы (вскрытие) |
Соотношение между отдельными типами загрязнения |
Загрязнение - это накопление нежелательного материала на твердых поверхностях в функциональности. Загрязняющие материалы могут состоять либо из живых организмов (биообрастание ), либо из неживого вещества (неорганического или органического). Обрастание обычно отличается от других явлений поверхностного роста тем, что оно происходит на поверхности компонента, системы или установки.
Другие термины, используемая в литературе для описания засорения, включая образование отложений, образование, примеси, осаждение, образование окалины, образование накипи, шлакование и образование осадка. Последние шесть терминов имеют более узкое значение, чем загрязнение, в рамках этой науки и техники по обрастанию, а также значения за пределами области; поэтому их следует использовать с осторожностью.
Явления обрастания являются обычными и разнообразными, начиная с обрастания корпусов судов естественных поверхностей в морской среде (обрастание морской среды ), загрязнения теплопередающими компонентами через ингредиенты, содержащиеся в охлаждающей воды или газах, и даже образование налета или зубного камня на зубах или отложений на солнечных батареях на Марсе, среди других примеров.
Эта статья в первую очередь посвящена загрязнению промышленных теплообменников, хотя та же теория в целом применима к другим разновидностям загрязнения. В технологии охлаждения и других технических областях различают макрообрастание и микрообрастание. Из этих микроорганизмов обычно труднее предотвратить и поэтому более важно.
Примеры компонентов, которые могут быть подвержены загрязнению и соответствующим эффектам загрязнения:
Макро обрастание вызывается грубой значение либо биологического или неорганического происхождения, например промышленно произведенные отходы. Такое вещество попадает в контур охлаждающей воды через насосы охлаждающей воды из таких источников, как открытое море, реки или озера. В замкнутых контурах, таких как градирни, попадание макрообрастания в бассейн градирни возможно через открытые каналы или ветром. Иногда части внутренних устройств градирни отсоединяются и попадают в контур охлаждающей воды. Такие могут загрязнять поверхность теплообменников и ухудшение качества коэффициента теплопередачи. Они могут также создавать блокировку потока, перераспределять поток внутри компонентов или вызывать раздражение.
Что касается микрообрастания, различают:
Образование накипи или осаждения включает кристаллизацию твердых солей, оксидов и гидроксидов из растворов. Чаще всего это водные растворы, но известно и об образовании неводных осадков. Осадки - очень распространенная проблема в котлах и теплообменниках, работающих с жесткой водой, и часто приводит к образованию накипи.
из-за изменений температуры или испарения растворителя или дегазация, солей может быть насыщение, что приводит к осаждению твердых веществ (обычно кристаллов).
В качестве примера написания равновесия между легкорастворимым бикарбонатом кальция - всегда преобладающим в природной воде - и малорастворимым карбонатом кальция может быть следующее химическое уравнение:
Карбонат кальция, который образует из-за температурной зависимости и возрастания летучести CO 2 с повышением температуры, образование накипи выше на более горячем выходе из теплообменника, чем на более холодном входе.
Как зависимость, растворимости соли от температуры или наличия испарения будет определяться сила обрастания атмосферными осадками. Важное различие заключается между солями с «нормальной» или «ретроградной» зависимостью растворимости от температуры. Соли с «обратной» или «ретроградной» растворимостью будут загрязнять поверхность формы. ульфат кальция является обычным загрязняющим элементом при выпадении осадков на поверхностях, вызванных из-за его ретроградной растворимости.
Загрязнение осадками также может происходить в отсутствие сообщения или испарения. Например, сульфат кальция снижает свою растворимость при понижении давления. Это может к загрязнению пластов и скважин нефтяных месторождений атмосферными осадками, что со временем к снижению их продуктивности. Загрязнение мембран в системе обратного осмоса может происходить из-за разной растворимости сульфата бария в растворах с разной ионной силой. Точно так же осаждение может происходить из-за изменений растворимости, вызванных другими факторами, например, жидким миганием, дегазированием жидкости, изменениями окислительно-восстановительного потенциала или смешиванием несовместимых потоков текучей среды.
Вот некоторые из общепринятых в промышленности фаз осадочных отложений:
Скорость осаждения путем осаждения часто описывается уравнениями:
где:
Загрязнение частицами, взвешенными в воде («crud ») или в газе, происходит по механизму отличается от обрастания атмосферными осадками. Этот процесс обычно наиболее важен для коллоидных частиц размером менее 1 мкм по меньшей мере в одном измерении (но которые намного больше атомных размеров). Частицы переносятся на поверхность с помощью ряда механизмов, и там они могут прикрепляться, например, посредством флокуляции или коагуляции. Обратите внимание, что прикрепление коллоидных частиц обычно связано с электрическими частицами, таким образом, поведение частиц не соответствует опыту макроскопического мира. Вероятность прикрепления иногда упоминается как «вероятность прилипания », P:
где k d и k t - кинетические константы скорости осаждения и переноса соответственно. Значение P для коллоидных частиц является функцией химического состава поверхности, ее геометрии, так и местных теплогидравлических условий.
Альтернативное использование вероятности прилипания использование кинетической константы скорости прикрепления, предполагающей реакцию первого порядка:
, а затем кинетические коэффициенты переноса и прикрепления объединяются в виде двух процессов, происходящих последовательно:
где:
Являясь по существу явлением химии поверхности, этот механизм загрязнения может быть очень чувствительным к факторам, которые действуют на коллоидную стабильность, например, дзета-потенциал. Максимальная скорость загрязнения обычно наблюдается, когда частицы загрязнения и подложка имеют противоположный электрический заряд или около точки нулевого заряда любого из них.
Частицы большего размера, чем частицы коллоидного размера, также могут загрязняться, например, из-за седиментации («седиментационное загрязнение») или просачивания отверстий через небольшого размера.
Со временем образующийся поверхностный отложение может затвердеть в результате известных под общим названием «уплотнение отложений» или, в просторечии, «старение».
Обычные твердые отложения обрастания, образованные из водных суспензий, включают:
Загрязнение частицами из газовых аэрозолей <Распространенными примерами могут быть загрязнение дымовыми газами или загрязнение компонентов воздушным охлаждением пылью в воздухе. Обсуждаются механизмы в статье о осаждении аэрозоля.
Коррозионные отложения на месте в результате коррозии подложки отличаются от отложений загрязнения, которые образуются из материала образуются вне места., образующимися вне места. Коррозионные отложения обычно имеют c состав зависит от состава субстрата. Кроме того, геометрия раздела металл-оксид и оксид-жидкость может использовать практическое различие между отложениями коррозии и загрязнения. Примером коррозионного загрязнения может быть образование отложений оксида или оксигидроксида железа в результате коррозии углерода под ним. Коррозионное загрязнение не следует путать с коррозией обрастания, то есть с любыми видами загрязнения, которые могут быть вызваны загрязнением.
Химические реакции могут происходить при контакте химических веществ в технологической жидкости с поверхностями теплопередачи. В такой металлической поверхности иногда действует как катализатор. Например, коррозия и полимеризация происходит в охлаждающей воде для химической промышленности, имеющей незначительное содержание углеводородов. Системы переработки склонны к полимеризации олефинов или отложению нефти тяжелой фракции (асфальтенов, восков и т. Д.). Высокие температуры стенки могут привести к карбонизации проверить вещества. Пищевая промышленность, например переработка молока, также возникает проблема загрязнения из-за химически сталкивается.
Загрязнение в результате ионной реакции с выделением неорганического твердого вещества обычно классифицируется как осаждение (не химическое обрастание).
Загрязнение из-за затвердевания происходит, когда компонент текущей жидкости «замерзает» на поверхности, образуя твердый осадок. Примеры могут включать отверждение парафина (с высокой температурой плавления) из раствора углеводородов или расплавленной золы (переносимой в отходящем газе печи) на поверхность теплообменника. Поверхность должна иметь температуру ниже определенного порога; поэтому говорят, что он переохлажден по сравнению с точкой затвердевания загрязнителя.
Биообрастание или биологическим обрастанием, представляет собой нежелательное скопление микро- организмы, водоросли и диатомовые водоросли, растения и животные на поверхностях, например, на корпусах судов или в трубах и резервуарах с неочищенной водой. Это может сопровождаться коррозией, вызванной микробиологией (MIC).
Бактерии могут образовывать биопленки или слизи. Таким образом, организмы могут агрегировать на поверхностях, используя коллоидные гидрогели воды и внеклеточные полимерные вещества (EPS) (полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты и т. Д.). Структура биопленки обычно сложная.
Бактериальное обрастание может происходить как в аэробных (кислород, растворенный в воде), так и анаэробных (без кислорода) условиях. На практике аэробные бактерии предпочитают открытые системы, когда кислород и питательные вещества постоянно доставляются, часто в теплой и солнечной среде. Анаэробное загрязнение чаще возникает в закрытых системах при наличии достаточного количества питательных веществ. Примеры могут включать сульфатредуцирующие бактерии (или серовосстанавливающие бактерии ), которые производят сульфид и часто вызывают коррозию черных металлов (и других сплавов). С другой стороны, сульфидоокисляющие бактерии (например, Acidithiobacillus ) могут производить серную кислоту и могут участвовать в коррозии бетона.
Зебровые мидии служат примером более крупных животных, которые стали причиной массового загрязнения в Северной Америке.
Комбинированное загрязнение является обычным явлением. Этот тип загрязнения включает более одного загрязнителя или более одного механизма загрязнения, работающего одновременно. Множественные загрязняющие вещества или механизмы могут взаимодействовать друг с другом, приводя к синергетическому обрастанию, которое не является простой арифметической суммой отдельных компонентов.
NASA Марсоходы Mars Exploration (Spirit и Opportunity ) испытали (предположительно) абиотическое загрязнениесолнечными панели с частицами пыли из марсианской атмосферы. Некоторые из отложений воздействия спонтанно смылись. Это иллюстрирует универсальный характер явления засорения.
Самый простой способ количественной оценки достаточно однородного загрязнения - это определение средней нагрузки на поверхности поверхности. Скорость загрязнения будет выражаться в кг / мс, и она будет получена путем деления нагрузки на поверхности отложений на эффективное время работы. Нормализованная скорость загрязнения (также в кг / мс) будет включать в себя концентрацию загрязняющего вещества в технологической жидкости (кг / кг) во время предыдущих операций и полезна для сравнения скоростей загрязнения между различными системами. Его получают путем деления скорости загрязнения на концентрацию загрязнения вещества. Константу скорости загрязнения (м / с) можно получить, разделив нормированную скорость загрязнения на массовую плотность технологической жидкости (кг / м).
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 представляет интерес влияние на падение давления.
В теплообменном оборудовании, где основная проблема является влиянием загрязнения на теплопередачу, загрязнение можно количественно увеличить сопротивление потоку тепла (мК / Вт) из-за загрязнения (так называемого «загрязнением »), Или повреждение коэффициент теплопередачи (Вт / мК) со временем.
Если недоотложение или щелевая коррозия отметить наибольшую нагрузку, важно неравномерность толщины отложений (например, осадок волнистость ), локализованное засорение, набивка замкнутыми отложениями, создание окклюзий, «Щелей», «бугорков отложений» или иловых куч. Такие структуры отложений могут создать для коррозии материала подложки, например, межкристаллитного воздействия, точечной коррозии, коррозионного растрескивания под напряжением или локальных потерь. Пористость и проницаемость отложений, вероятно, будут влиять на вероятность коррозии недоотложения. Составлений также может быть значение - даже незначительные отложительные отложений могут иногда вызывать сильные коррозию основного металла (например, ванадий в отложениях топочных котлов, вызывая горячую коррозию ).
Нет общих правил относительно допустимой суммы депозита, это зависит от системы. Во многих случаях вызывает проблемы с толщиной даже в несколько микрометров. Отложения толщиной в миллиметр будут проблемой практически в любом приложении.
Отложения на поверхности не всегда развиваются устойчиво со временем. В зависимости от характера системы и местных теплогидравлических условий на поверхности могут быть следующие сценарии загрязнения:
Загрязнение системы можно смоделировать как состоящее из нескольких этапов:
Нанесение из транспортировки на поверхность и последующего крепления. Удаление отложений происходит либо путем отслаивания, либо путем отслаивания отложений, эрозионного износа или отслаивания. Загрязнение в результате образования загрязняющих веществ, их отложений, удаления отложений и их консолидации.
Для современной модели загрязнения, включающей отложение с одновременным повторным уносом и консолидацией отложений, обрастания может быть представлен процесс следующей схемой:
[скорость накопления отложений] = [скорость депонирования] - [скорость повторного уноса неконсолидированного депозита]
[скорость накопления неконсолидированного депозита] = [скорость депонирования] - [скорость повторного уноса неконсолидированного депозита] - [скорость консолидации неконсолидированного отложения]
Следуя приведенной выше схеме, основные уравнения загрязнения быть записаны следующим образом (для стационарных условий с потоком, когда используется постоянная во времени):
где:
Эта система систем может быть интегрирована (, что m = 0 и m r = 0 при t = 0) к форме:
где λ = λ r + λ c.
Эта модель воспроизводит линейное, падающее или асимптотическое загрязнение, в зависимости от относительных значений k, λ r и λ c. Физическая картина, лежащая в основе этой модели, представляет собой двухслойное месторождение, состоящее из консолидированного внешнего внутреннего слоя и рыхлого неконсолидированного слоя. Такой двухслойный осадок часто встречается на практике. Вышеупомянутая модель легко упрощается до более старой модели одновременного осаждения и повторного уноса (которая не учитывает консолидацию), когда λ c = 0. В отсутствие консолидации асимптотическое засорение всегда предполагает эту старую модель, и прогресс засорения можно описать как:
где m - максимальная (асимптотическая) массовая нагрузка отложения на поверхность (кг / м).
Узун и др. (2019) предлагают упрощенный подход для оценки зависящего от времени роста биообрастания и его влияния на сопротивление судна и мощность.
Обрастание повсеместно и приводит к огромным эксплуатационным потерям, мало чем отличается от коррозии. Например, согласно одной оценке, потери из-за загрязнения теплообменников в промышленно развитых странах составляют около 0,25% от их ВВП. Другой анализ 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.
Первоначально потери возникают из-за нарушения теплопередачи, коррозии повреждения (в частности, подотложения и щелевой коррозии ), увеличения перепада давления, закупорки потока, перераспределения потока внутри компоненты, нестабильность потока, индуцированные вибрации (возможно, приводящие к другим проблемам, например, усталость ), истирание, преждевременный выход из строя электрических нагревательных элементов и большое количество других часто непредвиденных проблем. Кроме того, следует учитывать экологические затраты (но обычно не учитываются). Экологические издержки возникают из-за использования биоцидов для предотвращения биообрастания, из-за увеличения расхода топлива для компенсации снижения производительности, вызванного загрязнением, и более широкого использования охлаждающей воды в прямоточные системы охлаждения.
Например, «нормальное» загрязнение на агрегате мощностью 500 МВт (полезная электрическая мощность) электростанции с обычным сжиганием учитывает потери на выходе паровой турбины . 5 МВт и более. На АЭС мощностью 1300 МВт типичные потери могут составлять 20 МВт и выше (до 100%, если станция останавливается из-за разрушения компонентов, вызванного загрязнением). На установках по опреснению морской воды засорение может снизить коэффициент увеличения производительности на двузначные проценты (коэффициент увеличения выхода является эквивалентом, который соотносит массу образовавшегося дистиллята с паром, используемым в процессе). Дополнительное потребление электроэнергии в охладителях, работающих с компрессором , также легко попадает в Двузначная область. 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, необходима стоимость времени простоя, необходимого для проверки, очистки и ремонта компонентов (миллионы в день простоя в виде упущенной выгоды на типичной электростанции), а также фактическая стоимость делает это обслуживание. Наконец, обрастание часто является основной причиной серьезных проблем деградации, которые могут ограничивать срок службы компонентов или всего оборудования.
Наиболее фундаментальным и обычно предпочтительным методом контроля загрязнения является предотвращение попадания загрязняющих веществ в контур охлаждающей воды. На паровых электростанциях и других крупных промышленных установках, использующих водную , предотвращается макрообрастание за счет предварительной фильтрации и охлаждающей воды. фильтры для мусора. На некоторых предприятиях применяется программа исключения посторонних предметов, нежелательных материалов, например, забыть инструменты во время обслуживания. Акустический мониторинг иногда используется для истирания отдельными частями. В микрообрастании очистка воды достигается с помощью обширных методов очистки воды, микрофильтрации, мембранной технологии (обратного осмоса, электроионизации ) или ионообменные смолы. Образование продуктов коррозии в системах водяных трубопроводов часто сводится к минимуму, контролируемому pH технологической жидкости (обычно подщелачивание аммиаком, морфолином, этаноламин или фосфат натрия ), контроль кислорода, раствор в воде (например, путем добавления гидразина ) или добавление ингибиторов коррозии.
Для водных систем при относительно низких температурах применяемые биоциды можно классифицировать следующим образом: неорганические хлорные и бромидные соединения, хлор и бромид расщепители, озоновые и кислородные расщепители, неокисляемые биоциды. Одним из наиболее важных неокисляемых биоцидов является смесь хлорметилизотиазолинона и метил -изотиазолинона. Применяются также дибромнитрилопропионамид и четвертичные аммониевые соединения. Для корпусов подводных кораблей наносятся краски днища.
может уменьшить загрязнение во многих системах, главным образом, препятствуя этапам кристаллизации, или консолидации процесса загрязнения. Примеры водных систем: хелатирующие агенты (например, EDTA ), длинноцепочечные алифатические амины или полиамины (например, геламин и другие «пленкообразующие» амины), органические фосфоновые кислоты (например, этидроновая кислота ) или полиэлектролиты (например, полиакриловая кислота, полиметакриловая кислота, обычно с молекулярной массой ниже 10000). В топочных котлах добавки алюминия или магния могут снизить температуру плавления и зарождения, которые легче удалить. См. Также технологические химикаты.
Магнитная очистка воды с 1950-х годов была предметом споров относительно ее эффективности для контроля загрязнения. Преобладает мнение, что это просто «не работает». Некоторые исследования показывают, что при определенных условиях это может быть эффективным для уменьшения накопления карбоната кальция.
На уровне проектирования компонентов загрязнение часто (но не всегда) можно минимизировать, поддерживая относительно высокий (например, 2 м / с) и равномерной скоростью жидкости по всему компоненту. Необходимо устранить застойные регионы. Компоненты обычно имеют избыточную конструкцию, чтобы избежать загрязнения, ожидаемого между чистками. Однако чрезмерное превышение конструкции может быть ошибкой, поскольку может привести к усилению загрязнения из-за пониженных скоростей. Периодические импульсы давления на линии или обратный поток могут быть эффективными, если возможности учтены во время проектирования. Продувка всегда находится в парогенераторах или испарителях для контроля накопления нелетучих примесей, которые вызывают или усугубляют загрязнения. Слабообрастающие поверхности (например, очень гладкие, имплантированные ионами или с низкой поверхностной энергией, такие как тефлон ) имеют оказанные для некоторых применений. Современные компоненты, как правило, должны быть спроектированы таким образом, чтобы упростить проверку внутренних устройств и периодическую очистку. Системы мониторинга разработки разработаны для некоторых применений, так что продувка или очистка может быть применены до того, как возникнет необходимость в непредсказуемой остановке или вызове системы.
Процессы химической или механической очистки для удаления отложений и накипи рекомендуются, когда загрязнение достигает точки, влияющей на характеристики системы, когда начинается самое ухудшение характеристик, вызванное загрязнением (например, из-за коррозии). Эти процессы включают травление кислот и комплексообразователями, очистку высокоскоростными водяными струями («водная струя»), рециркуляция («струйная очистка») 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 с химическими веществами, их применения, хранения и утилизации, механическая очистка с помощью циркулирующих чистящих шариков или автономной очистки «пулевого типа» может быть экологически чистой альтернативой. В некоторых приложениях теплопередачи механическое смягчение с помощью динамических скребковых теплообменников является опцией. Также для многих применений доступны ультразвуковые или абразивные методы очистки.