Zanieczyszczenia - Fouling

Wymiennik ciepła w elektrowni parowej , zabrudzony makrofoulingiem

Rurka skraplacza z pozostałościami biofoulingu (rozcięta)

Rurka skraplacza ze skalingiem węglanu wapnia (rozcięta)

Rurka mosiężna ze śladami korozji (rozcięta)

Relacje kosztów pomiędzy poszczególnymi rodzajami zanieczyszczeń

Zarastanie to nagromadzenie niepożądanego materiału na stałych powierzchniach. Materiały porastające mogą składać się z organizmów żywych ( porosty biologiczne ) lub substancji nieożywionych (nieorganicznych lub organicznych). Zanieczyszczanie jest zwykle odróżniane od innych zjawisk na powierzchni tym, że występuje na powierzchni elementu, systemu lub zakładu pełniącego określoną i użyteczną funkcję oraz że proces zarastania utrudnia lub zakłóca tę funkcję.

Inne terminy używane w literaturze do opisu zanieczyszczenia obejmują tworzenie się osadów, inkrustację, kruszenie, osadzanie, tworzenie się kamienia, tworzenie się kamienia, żużel i tworzenie szlamu. Ostatnie sześć terminów ma węższe znaczenie niż obrastanie w zakresie nauki i technologii obrastania, a także mają znaczenia poza tym zakresem; dlatego należy ich używać ostrożnie.

Zjawiska obrastania są powszechne i różnorodne, począwszy od obrastania kadłubów statków, powierzchni naturalnych w środowisku morskim ( fouling morski ), obrastania elementów przenoszących ciepło poprzez składniki zawarte w wodzie lub gazach chłodzących , a nawet powstawanie płytki nazębnej lub kamienia na zębach czy między innymi osady na panelach słonecznych na Marsie.

Ten artykuł jest poświęcony przede wszystkim zanieczyszczaniu przemysłowych wymienników ciepła, chociaż ta sama teoria ma ogólne zastosowanie do innych odmian zanieczyszczeń. W technologii chłodzenia i innych dziedzinach techniki rozróżnia się makrofouling i mikrofouling. Z tych dwóch mikro zanieczyszczenia są zwykle trudniejsze do uniknięcia i dlatego są ważniejsze.

Elementy podlegające zanieczyszczeniu

Przykłady elementów, które mogą podlegać obrastaniu i odpowiadające im skutki obrastania:

• Powierzchnie wymienników ciepła – zmniejsza sprawność cieplną, zmniejsza strumień ciepła, podwyższa temperaturę po stronie gorącej, obniża temperaturę po stronie zimnej, powoduje korozję podskładową, zwiększa zużycie wody chłodzącej;
• Rurociągi, kanały przepływowe – zmniejszają przepływ, zwiększają spadek ciśnienia, zwiększają ciśnienie wlotowe, zwiększają wydatek energii, mogą powodować oscylacje przepływu, zastoje w przepływie dwufazowym, kawitację; może zwiększyć prędkość przepływu w innym miejscu, może wywoływać wibracje, może powodować zablokowanie przepływu;
• kadłuby statków – wytwarzają dodatkowy opór , zwiększają zużycie paliwa, zmniejszają prędkość maksymalną;
• Turbiny – zmniejsza sprawność, zwiększa prawdopodobieństwo awarii;
• Panele słoneczne – zmniejsza generowaną energię elektryczną;
• Membrany odwróconej osmozy – zwiększają spadek ciśnienia, zwiększają wydatek energii, zmniejszają strumień, awarię membrany (w ciężkich przypadkach);
• Elektryczne elementy grzejne – podwyższa temperaturę elementu, zwiększa korozję, skraca żywotność;
• Lufy broni palnej - zwiększa ciśnienie w komorze; utrudnia załadunek ładowaczy odprzodowych
• Paliwo jądrowe w reaktorach wodnych ciśnieniowych – anomalia przesunięcia osiowego, może wymagać obniżenia mocy elektrowni;
• Dysze wtryskowe/rozpylające (np. dysza rozpylająca paliwo do paleniska) – niewłaściwa ilość wtryskiwana, zniekształcony strumień, niesprawność podzespołu, awaria podzespołu;
• Zwężki Venturiego , kryzy – niedokładny lub nieprawidłowy pomiar natężenia przepływu;
• Rurki Pitota w samolotach – niedokładne lub nieprawidłowe wskazanie prędkości samolotu;
• Elektrody świec zapłonowych w samochodach – przerwy w zapłonie silnika;
• Strefa produkcyjna złóż ropy naftowej i szybów naftowych – z czasem zmniejszona produkcja ropy naftowej ; zatykanie; w niektórych przypadkach całkowite zatrzymanie przepływu w ciągu kilku dni;
• Zęby – sprzyja chorobom zębów lub dziąseł, obniża estetykę;
• Organizmy żywe – odkładanie się nadmiaru minerałów (np. wapnia, żelaza, miedzi) w tkankach jest (czasem kontrowersyjnie) związane ze starzeniem się / starzeniem .

Zanieczyszczenia makro

Makroosady są powodowane przez grubą materię pochodzenia biologicznego lub nieorganicznego, na przykład odpady produkowane przemysłowo . Taka materia dostaje się do obiegu wody chłodzącej przez pompy wody chłodzącej ze źródeł takich jak otwarte morze , rzeki lub jeziora . W obiegach zamkniętych, takich jak chłodnie kominowe , przedostawanie się makroosadów do basenu chłodni jest możliwe przez otwarte kanały lub przez wiatr. Czasami części wewnętrzne wieży chłodniczej odrywają się i są przenoszone do obiegu wody chłodzącej. Substancje takie mogą zanieczyścić powierzchnie wymienników ciepła i spowodować pogorszenie odpowiedniego współczynnika przenikania ciepła . Mogą również tworzyć blokady przepływu, redystrybuować przepływ wewnątrz komponentów lub powodować uszkodzenia cierne .

Przykłady

• Odpady wytworzone przez człowieka;
• Odłączane wewnętrzne części komponentów;
• Narzędzia i inne „obce przedmioty” pozostawione przypadkowo po konserwacji;
• glony ;
• małże ;
• Liście , części roślin po całe pnie .

Mikrofouling

Jeśli chodzi o mikrofouling, rozróżnia się:

• Osadzanie się kamienia lub osadzanie się osadów, jako krystalizacja stałych soli , tlenków i wodorotlenków z roztworów wodnych (np. węglanu wapnia lub siarczanu wapnia)
• Zanieczyszczenia w postaci cząstek , tj. nagromadzenie cząstek, zwykle cząstek koloidalnych , na powierzchni
• Zanieczyszczenia korozyjne, tj. wzrost in situ osadów korozji , na przykład magnetytu na powierzchniach ze stali węglowej
• Zanieczyszczenie spowodowane reakcją chemiczną, na przykład rozkład lub polimeryzacja materii organicznej na powierzchniach grzewczych
• Zanieczyszczenia krzepnące - gdy składniki przepływającego płynu o wysokiej temperaturze topnienia zamarzają na przechłodzonej powierzchni
• Biofouling , jak osady bakterii i glonów
• Obrastanie złożone, w którym obrastanie obejmuje więcej niż jeden element obrastający lub mechanizm obrastania

Zanieczyszczenie opadowe

Nagromadzenie się kamienia wewnątrz rury zarówno zmniejsza przepływ cieczy przez rurę, jak i przewodność cieplną od cieczy do zewnętrznej powłoki rury. Oba efekty zmniejszają ogólną sprawność cieplną rury, gdy jest używana jako wymiennik ciepła .

Ekstremalne osadzanie się kamienia kotłowego

Zależność temperaturowa rozpuszczalności siarczanu wapnia (3 fazy) w czystej wodzie. Woda jest pod ciśnieniem, dzięki czemu może być utrzymywana w stanie ciekłym w podwyższonych temperaturach.

Osadzanie się kamienia lub osadzanie się osadów obejmuje krystalizację stałych soli , tlenków i wodorotlenków z roztworów . Są to najczęściej roztwory wodne, ale znane jest również niewodne zanieczyszczenie opadami atmosferycznymi. Osadzanie się osadów jest bardzo powszechnym problemem w kotłach i wymiennikach ciepła pracujących z twardą wodą i często powoduje osadzanie się kamienia .

Poprzez zmiany temperatury lub odparowanie rozpuszczalnika lub odgazowanie , stężenie soli może przekroczyć nasycenie , prowadząc do wytrącania się ciał stałych (zwykle kryształów).

Jako przykład równowagi między łatwo rozpuszczalnym wodorowęglanem wapnia - zawsze dominującym w naturalnej wodzie - a słabo rozpuszczalnym węglanem wapnia można zapisać następujące równanie chemiczne:

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

Powstający w tej reakcji węglan wapnia wytrąca się. Ze względu na zależność temperaturową reakcji i wzrastającą lotność CO ₂ wraz ze wzrostem temperatury, osadzanie się kamienia jest większe na cieplejszym wylocie wymiennika niż na wlocie chłodniejszego.

Ogólnie rzecz biorąc, zależność rozpuszczalności soli od temperatury lub obecności parowania będzie często siłą napędową zanieczyszczenia strącaniem. Ważnym rozróżnieniem są sole o „normalnej” lub „wstecznej” zależności rozpuszczalności od temperatury. Sole o „normalnej” rozpuszczalności zwiększają swoją rozpuszczalność wraz ze wzrostem temperatury, a tym samym zanieczyszczają powierzchnie chłodzące. Sole o rozpuszczalności „odwrotnej” lub „wstecznej” zanieczyszczają powierzchnie grzewcze. Przykładową zależność rozpuszczalności od temperatury pokazano na rysunku. Siarczan wapnia jest powszechnym osadem zanieczyszczającym powierzchnie grzewcze ze względu na jego rozpuszczalność wsteczną.

Zanieczyszczenia z opadów atmosferycznych mogą również wystąpić w przypadku braku ogrzewania lub parowania. Na przykład siarczan wapnia zmniejsza swoją rozpuszczalność wraz ze spadkiem ciśnienia. Może to prowadzić do zanieczyszczenia zbiorników i odwiertów na polach naftowych przez opady, zmniejszając z czasem ich produktywność. Zanieczyszczanie membran w systemach odwróconej osmozy może wystąpić z powodu zróżnicowanej rozpuszczalności siarczanu baru w roztworach o różnej sile jonowej . Podobnie, osadzanie się zanieczyszczeń może wystąpić z powodu zmian rozpuszczalności wywołanych przez inne czynniki, np. odparowywanie cieczy, zmiany potencjału redoks lub mieszanie niekompatybilnych strumieni cieczy.

Poniżej wymieniono niektóre z typowych przemysłowo faz osadów osadów zanieczyszczających obserwowane w praktyce, tworzące się z roztworów wodnych:

• Węglan wapnia ( kalcyt , aragonit zwykle w t > ~50 °C lub rzadko vateryt );
• Siarczan wapnia ( anhydryt , półwodny , gips );
• Szczawian wapnia (np. kamień piwny);
• Siarczan baru ( baryt );
• Wodorotlenek magnezu ( brucyt ); tlenek magnezu ( peryklaz );
• Krzemiany ( serpentyn , acmit , gyrolit , gehlenit , krzemionka amorficzna , kwarc , krystobalit , pektolit , ksonotlit );
• Wodorotlenki glinu ( bemit , gibbsyt , diaspora , korund );
• Glinokrzemiany ( ancyt , kankrynit , noselit );
• Miedź ( miedź metaliczna , kupryt , tenoryt );
• Fosforany ( hydroksyapatyt );
• Magnetyt lub ferryt niklowy (NiFe ₂ O ₄ ) z bardzo czystej wody o niskiej zawartości żelaza.

Szybkość osadzania przez opady często opisuje się następującymi równaniami:

Transport: ${\ Displaystyle {\ Frac {dm} {dt}} = k_ {t} (C_ {b}-C_ {i})}$

Krystalizacja powierzchniowa: ${\ Displaystyle {\ Frac {dm} {dt}} = {k_ {r}} (C_ {i}-C_ {e}) ^ {n1}}$

Ogólnie: ${\ Displaystyle {\ Frac {dm} {dt}} = k_ {d} (C_ {b}-C_ {e}) ^ {n2}}$

gdzie:

m - masa materiału (na jednostkę powierzchni), kg/m ²

t - czas, s

C _b - stężenie substancji w masie płynu, kg/m ³

C _i - stężenie substancji na granicy faz, kg/m ³

C _e - stężenie równowagowe substancji w warunkach granicy faz, kg/m ³

n1, n2 - kolejność reakcji odpowiednio dla reakcji krystalizacji i całego procesu osadzania, bezwymiarowa

k _t , k _r , k _d - kinetyczne stałe szybkości odpowiednio transportu, reakcji powierzchniowej i ogólnej reakcji osadzania; o wymiarze m/s (gdy n1 i n2 = 1)

Zanieczyszczenia cząsteczkowe

Zanieczyszczenie cząstkami zawieszonymi w wodzie („ surowy ”) lub w gazie przebiega według mechanizmu innego niż zarastanie osadowe. Proces ten jest zwykle najważniejszy dla cząstek koloidalnych , tj. cząstek mniejszych niż około 1 μm w co najmniej jednym wymiarze (ale które są znacznie większe niż wymiary atomowe). Cząsteczki są transportowane na powierzchnię przez szereg mechanizmów i tam mogą się przyczepiać np. poprzez flokulację lub koagulację . Należy zauważyć, że przyłączanie cząstek koloidalnych zazwyczaj wiąże się z siłami elektrycznymi, a zatem zachowanie cząstek jest sprzeczne z doświadczeniem ze świata makroskopowego. Prawdopodobieństwo przywiązania jest czasami określane jako „ prawdopodobieństwo utknięcia ”, P:

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

gdzie k _d i k _t są stałymi szybkości kinetycznej odpowiednio dla osadzania i transportu. Wartość P dla cząstek koloidalnych jest funkcją zarówno chemii powierzchni, geometrii, jak i lokalnych warunków termohydraulicznych .

Alternatywą dla prawdopodobieństwa przyklejenia jest zastosowanie stałej kinetycznej szybkości przyłączania, przy założeniu reakcji pierwszego rzędu:

${\ Displaystyle {\ Frac {dm} {dt}} = {k_ {a}} C_ {i}}$

a następnie współczynniki kinetyczne transportu i mocowania łączy się jako dwa procesy zachodzące szeregowo:

${\ Displaystyle k_ {d} = \ lewo ({\ Frac {1} {k_ {a}}} + {\ Frac {1} {k_ {t}}} \ prawej) ^ {-1}}$

${\ Displaystyle {\ Frac {dm} {dt}} = {k_ {d}} C_ {b}}$

gdzie:

• dm/dt to szybkość osadzania się cząstek, kg m ⁻² s ⁻¹ ,
• k _a , k _t i k _d są kinetycznymi stałymi szybkości osadzania, m/s,
• C, _I oraz C _b mają stężenie substancji zamulającej cząstek na powierzchni międzyfazowej oraz w masie cieczy, odpowiednio; kg m- ³ .

Będąc zasadniczo zjawiskiem chemii powierzchni , ten mechanizm zanieczyszczenia może być bardzo wrażliwy na czynniki, które wpływają na stabilność koloidalną, np . potencjał zeta . Maksymalną szybkość zanieczyszczenia obserwuje się zwykle, gdy cząstki zanieczyszczenia i podłoże wykazują przeciwny ładunek elektryczny lub w pobliżu punktu zerowego ładunku któregokolwiek z nich.

Cząstki większe niż te o wymiarach koloidalnych mogą również zanieczyszczać się np. przez sedymentację ("sedymentacja zanieczyszczenia") lub naprężenia w małych otworach.

Z czasem powstały osad powierzchniowy może twardnieć w procesach określanych zbiorczo jako „konsolidacja osadu” lub potocznie „starzenie”.

Typowe osady zanieczyszczeń cząstek stałych utworzone z zawiesin wodnych obejmują:

• Tlenki żelaza i tlenowodorotlenki żelaza ( magnetyt , hematyt , lepidokrokit , maghemite , getyt );
• Zanieczyszczenie osadem przez muł i inną stosunkowo grubą zawiesinę.

Zanieczyszczenie cząstkami aerozoli gazowych ma również znaczenie przemysłowe. Cząstki mogą być stałe lub ciekłe. Typowymi przykładami mogą być zanieczyszczenia przez gazy spalinowe lub zanieczyszczenie elementów chłodzonych powietrzem przez pył w powietrzu. Mechanizmy zostały omówione w artykule dotyczącym osadzania aerozolu .

Zanieczyszczenia korozyjne

Osady korozyjne powstają in situ w wyniku korozji podłoża . Odróżnia się je od osadów porastających, które tworzą się z materiału pochodzącego ex situ. Osady korozji nie powinny być mylone z osadami zanieczyszczenia utworzonymi przez produkty korozji wytworzone ex situ. Osady korozji będą zwykle miały skład związany ze składem podłoża. Również geometria powierzchni międzyfazowej tlenek metalu i tlenek-płyn może umożliwić praktyczne rozróżnienie między osadami korozji i zanieczyszczeń. Przykładem zanieczyszczenia korozyjnego może być tworzenie się osadu tlenku żelaza lub tlenowodorotlenku z korozji stali węglowej pod spodem. Zanieczyszczenia korozyjnego nie należy mylić z korozją zarastającą, tj. jakimkolwiek rodzajem korozji, która może być wywołana przez zarastanie.

Zanieczyszczenie reakcji chemicznej

Reakcje chemiczne mogą zachodzić w kontakcie związków chemicznych w płynie procesowym z powierzchniami wymiany ciepła. W takich przypadkach powierzchnia metaliczna czasami działa jak katalizator . Na przykład korozja i polimeryzacja występują w wodzie chłodzącej dla przemysłu chemicznego, która ma niewielką zawartość węglowodorów. Systemy w przetwórstwie ropy naftowej są podatne na polimeryzację olefin lub osadzanie frakcji ciężkich ( asfalteny , woski itp.). Wysokie temperatury ścianek rur mogą prowadzić do zwęglenia materii organicznej. Przemysł spożywczy, na przykład przetwórstwo mleka, również doświadcza problemów związanych z zanieczyszczeniem reakcjami chemicznymi.

Zanieczyszczanie w wyniku reakcji jonowej z wydzieleniem nieorganicznego ciała stałego jest powszechnie klasyfikowane jako osadzanie się osadu (nie w wyniku reakcji chemicznej).

Zanieczyszczenie krzepnięcia

Osadzanie się krzepnięcia występuje, gdy składnik przepływającego płynu „zamarza” na powierzchni, tworząc osad w postaci stałej osadu. Przykłady mogą obejmować krzepnięcie wosku (o wysokiej temperaturze topnienia) z roztworu węglowodorów lub stopionego popiołu (przenoszonego w spalinach pieca) na powierzchni wymiennika ciepła. Powierzchnia musi mieć temperaturę poniżej pewnego progu; dlatego mówi się, że jest przechłodzony w odniesieniu do temperatury krzepnięcia środka zamulającego.

Biofouling

Fragment śluzy w północnej Francji, porośnięty racicznicą

Biofouling lub obrastanie biologiczne to niepożądane gromadzenie się mikroorganizmów, alg i okrzemek , roślin i zwierząt na powierzchniach, na przykład kadłubach statków lub rurociągach i zbiornikach z nieoczyszczoną wodą. Może temu towarzyszyć korozja pod wpływem mikrobiologii (MIC).

Bakterie mogą tworzyć biofilmy lub śluzy. W ten sposób organizmy mogą agregować na powierzchni za pomocą hydrożeli koloidalnych wody i zewnątrzkomórkowych substancji polimerowych (EPS) ( polisacharydy , lipidy, kwasy nukleinowe itp.). Struktura biofilmu jest zwykle złożona.

Zanieczyszczenie bakteryjne może wystąpić w warunkach tlenowych (z tlenem rozpuszczonym w wodzie) lub beztlenowych (bez tlenu). W praktyce bakterie tlenowe preferują systemy otwarte, w których zarówno tlen, jak i składniki odżywcze są stale dostarczane, często w ciepłym i nasłonecznionym środowisku. Zanieczyszczenia beztlenowe częściej występują w systemach zamkniętych, gdy obecna jest wystarczająca ilość składników odżywczych. Przykładami mogą być bakterie redukujące siarczany (lub bakterie redukujące siarkę ), które wytwarzają siarczki i często powodują korozję metali żelaznych (i innych stopów). Z drugiej strony bakterie utleniające siarczki (np. Acidithiobacillus ) mogą wytwarzać kwas siarkowy i mogą brać udział w korozji betonu.

Racicznica jest przykładem większych zwierząt, które spowodowały powszechne porosty w Ameryce Północnej.

Zanieczyszczenie kompozytowe

Zanieczyszczenia kompozytowe są powszechne. Ten rodzaj zanieczyszczenia obejmuje więcej niż jeden zanieczyszczenia lub więcej niż jeden mechanizm zanieczyszczenia działający jednocześnie. Wiele zanieczyszczeń lub mechanizmów może oddziaływać ze sobą, powodując synergiczne zanieczyszczenie, które nie jest prostą sumą arytmetyczną poszczególnych składników.

Zanieczyszczenia na Marsie

NASA Mars Exploration Rovers ( Spirit and Opportunity ) doświadczyły (przypuszczalnie) abiotycznego zanieczyszczenia paneli słonecznych przez cząsteczki pyłu z atmosfery marsjańskiej. Część osadów została następnie spontanicznie usunięta . To ilustruje uniwersalną naturę zjawiska porastania.

Kwantyfikacja zanieczyszczenia

Najprostszym sposobem, aby określić ilościowo dość jednolite zanieczyszczeń jest przez podając średni depozyt powierzchni ładunkowej, czyli kg kaucji za m ² pola powierzchni. Szybkość zanieczyszczenia będzie wówczas wyrażona w kg/m ² s i jest otrzymywana przez podzielenie obciążenia powierzchni złoża przez efektywny czas pracy. Znormalizowany wskaźnik zanieczyszczenia (również w kg / m ² ) będzie dodatkowo uwzględnić stężenia substancji zamulającej w cieczy procesowej (kg / kg), a podczas operacji poprzedzających i jest przydatny do porównywania zanieczyszczenia stóp pomiędzy poszczególnymi systemami. Uzyskuje się go dzieląc stopień zarastania przez stężenie zamulacza. Stałą szybkości obrastania (m/s) można otrzymać dzieląc znormalizowaną szybkość obrastania przez gęstość masową płynu procesowego (kg/m ³ ).

Grubość osadu (μm) i porowatość (%) są również często używane do opisu ilości zanieczyszczeń. Względne zmniejszenie średnicy orurowania lub zwiększenie chropowatości powierzchni może być szczególnie interesujące, gdy przedmiotem zainteresowania jest wpływ zanieczyszczenia na spadek ciśnienia.

W urządzeniach do wymiany ciepła, gdzie głównym problemem jest często efekt zanieczyszczenia na wymianę ciepła, zanieczyszczenie można określić ilościowo poprzez wzrost oporu przepływu ciepła (m ² K/W) z powodu zanieczyszczenia (nazywanego „ odpornością na zanieczyszczenie ” ) lub przez rozwój współczynnika przenikania ciepła (W/m ² K) w czasie.

Jeśli głównym problemem jest korozja podnakładowa lub szczelinowa , należy zwrócić uwagę na niejednorodność grubości osadu (np. falistość osadu ), miejscowe zanieczyszczenie, upakowanie ograniczonych obszarów osadami, tworzenie się okluzji, „szczelin”, „osadzania guzki” lub stosy szlamu. Takie struktury osadu mogą tworzyć środowisko dla korozji podosadzającej materiału podłoża, np. atak międzykrystaliczny , wżery , pękanie korozyjne naprężeniowe lub zlokalizowane ubytki. Porowatość i przepuszczalność osadów prawdopodobnie wpłynie na prawdopodobieństwo wystąpienia korozji pod osadem. Ważny może być również skład osadu - nawet drobne składniki osadów mogą czasami powodować poważną korozję metalu pod spodem (np. wanad w osadach opalanych kotłów powodujący korozję na gorąco ).

Nie ma ogólnej zasady, ile depozytu można tolerować, zależy to od systemu. W wielu przypadkach nalot o grubości nawet kilku mikrometrów może być kłopotliwy. Osad o grubości rzędu milimetrów będzie problemem w prawie każdym zastosowaniu.

Postęp zanieczyszczenia z czasem

Osad na powierzchni nie zawsze rozwija się w miarę upływu czasu. W zależności od charakteru układu i lokalnych warunków termohydraulicznych na powierzchni można wyróżnić następujące scenariusze zanieczyszczenia:

• Okres indukcji . Czasami, gdy powierzchnia jest nowa lub bardzo czysta, obserwuje się prawie zerowy stopień zanieczyszczenia. Jest to często obserwowane w biofoulingu i zanieczyszczeniach opadowych. Po „okresie indukcji” zwiększa się stopień zanieczyszczenia.
• „Negatywne” zanieczyszczenie. Może się to zdarzyć, gdy stopień zanieczyszczenia jest określany ilościowo przez monitorowanie wymiany ciepła. Stosunkowo małe ilości osadu mogą poprawić przenoszenie ciepła w stosunku do czystej powierzchni i dawać wrażenie „ujemnego” stopnia zabrudzenia i ujemnej całkowitej ilości zabrudzenia. Negatywne osadzanie jest często obserwowane w warunkach wymiany ciepła wrzenia zarodków (osadzanie poprawia zarodkowanie pęcherzyków) lub wymuszonej konwekcji (jeśli osad zwiększa chropowatość powierzchni i powierzchnia nie jest już „hydraulicznie gładka”). Po początkowym okresie „kontroli chropowatości powierzchni” wskaźnik zanieczyszczenia zwykle staje się silnie dodatni.
• Zarastanie liniowe. Szybkość zanieczyszczenia może być stała w czasie. To częsty przypadek.
• Spadające fauny. W tym scenariuszu stopień zanieczyszczenia zmniejsza się z czasem, ale nigdy nie spada do zera. Grubość warstwy nie osiąga stałej wartości. Postęp zarastania można często opisać dwiema liczbami: początkową szybkością zarastania ( styczna do krzywej zarastania przy zerowym obciążeniu osadu lub w czasie zerowym) oraz szybkości porastania po długim okresie czasu ( ukośna asymptota do krzywej zarastania) .
• Asymptotyczne zanieczyszczenie. Tutaj stopień zanieczyszczenia zmniejsza się z czasem, aż w końcu osiągnie zero. W tym momencie grubość osadu pozostaje stała w czasie ( asymptota pozioma ). Ma to często miejsce w przypadku stosunkowo miękkich lub słabo przylegających osadów w obszarach szybkiego przepływu. Asymptota jest zwykle interpretowana jako obciążenie osadu, przy którym szybkość osadzania jest równa szybkości usuwania osadu.
• Przyspieszenie obrastania. W tym scenariuszu stopień zanieczyszczenia wzrasta z czasem; tempo odkładania się osadu przyspiesza z czasem (być może do momentu, w którym będzie ono ograniczone w transporcie). Pod względem mechanicznym ten scenariusz może wystąpić, gdy zanieczyszczenie zwiększa chropowatość powierzchni lub gdy powierzchnia osadu wykazuje większą skłonność do zanieczyszczenia chemicznego niż czysty metal znajdujący się pod spodem.
• Zanieczyszczenia huśtawki . W tym przypadku obciążenie zanieczyszczeniami generalnie wzrasta z czasem (często przy założeniu ogólnie liniowej lub opadającej szybkości), ale gdy przyjrzymy się bardziej szczegółowo, postęp zanieczyszczenia jest okresowo przerywany i przyjmuje postać krzywej piłokształtnej . Okresowe gwałtowne zmiany w widocznej ilości zanieczyszczeń często odpowiadają momentom wyłączania systemu, uruchamiania lub innym przejściowym stanom działania. Okresowe zmiany są często interpretowane jako okresowe usuwanie części osadu (być może ponowne zawieszenie osadu z powodu impulsów ciśnienia, odpryskiwanie z powodu naprężeń termicznych lub złuszczanie z powodu przejściowych zmian redoks). Postuluje się, że pomiędzy częściowo wykruszonymi osadami a powierzchnią wymiany ciepła występuje kożuch parowy. Możliwe są jednak inne przyczyny, np. uwięzienie powietrza wewnątrz osadów powierzchniowych podczas przestojów lub niedokładność pomiaru temperatury podczas stanów nieustalonych ("strumieniowanie temperatury").

Modelowanie zanieczyszczeń

Schematy procesu zarastania składającego się z jednoczesnego osadzania zamulenia i usuwania osadów.

Zanieczyszczanie systemu można modelować jako składające się z kilku kroków:

• Powstawanie lub wnikanie gatunków powodujących porost („pozyskiwanie zanieczyszczeń”);
• Transport zanieczyszczeń ze strumieniem płynu procesowego (najczęściej przez adwekcję );
• Transport zanieczyszczenia z większości płynu procesowego na powierzchnię zanieczyszczenia. Transport ten odbywa się często przez dyfuzję molekularną lub turbulentno-wirową , ale może również zachodzić w wyniku bezwładnościowego wybiegu/uderzenia, przechwytywania cząstek przez powierzchnię (dla cząstek o skończonych rozmiarach), elektroforezy , termoforezy , dyfuzyoforezy , przepływu Stefana (w kondensacji i parowaniu), sedymentacja , siła Magnusa (działająca na wirujące cząstki), efekt termoelektryczny i inne mechanizmy.
• Okres indukcji, tj. prawie zerowy wskaźnik obrastania w początkowym okresie obrastania (obserwowany tylko dla niektórych mechanizmów obrastania);
• Krystalizacja zanieczyszczenia na powierzchni (lub przyczepienie się cząstki koloidalnej lub reakcja chemiczna lub rozwój bakterii);
• Czasami autoretardacja porastania, tj. zmniejszenie (lub potencjalnie zwiększenie) szybkości krystalizacji/przyczepiania z powodu zmian warunków powierzchni spowodowanych przez osadzanie się porastania;
• Rozpuszczanie osadów (lub ponowne porywanie luźno związanych cząstek);
• Konsolidacja osadu na powierzchni (np. poprzez dojrzewanie Ostwalda lub zróżnicowaną rozpuszczalność w gradiencie temperatury) lub cementację , które powodują, że osad traci swoją porowatość i staje się z czasem bardziej wytrzymały;
• Depozyt odpryski , ścieranie erozja lub złuszczanie .

Osadzanie składa się z transportu na powierzchnię i późniejszego zamocowania. Usuwanie osadów odbywa się poprzez rozpuszczanie osadów, ponowne porywanie cząstek lub łuszczenie się osadów, zużycie erozyjne lub złuszczanie. Zanieczyszczanie wynika z wytwarzania zamulacza, osadzania się zamulenia, usuwania osadów i konsolidacji osadów.

Dla nowoczesnego modelu zanieczyszczenia polegającego na osadzaniu się z jednoczesnym ponownym porywaniem i konsolidacją osadu proces zanieczyszczenia można przedstawić za pomocą następującego schematu:

      [ stopa akumulacji depozytu ] = [ stopa deponowania ] - [ stopa ponownego poboru nieskonsolidowanego depozytu ]

      [ tempo akumulacji depozytu nieskonsolidowanego ] = [ tempo akumulacji depozytu ] - [ tempo ponownego zatrzymywania depozytu nieskonsolidowanego ] - [ tempo konsolidacji depozytu nieskonsolidowanego ]

Zgodnie z powyższym schematem podstawowe równania zanieczyszczeń można zapisać w następujący sposób (dla stanu ustalonego z przepływem, gdy stężenie pozostaje stałe w czasie):

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

gdzie:

• m jest masowym obciążeniem złoża (skonsolidowanego i nieskonsolidowanego) na powierzchni (kg/m ² );
• t jest czasem (s);
• k _d jest stałą szybkości osadzania (m/s);
• ρ jest gęstością płynu (kg/m ³ );
• C _m - ułamek masowy zanieczyszczenia w płynie (kg/kg);
• λ _r jest stałą szybkości ponownego porywania (1/s);
• m _R jest ładowanie masy usuwalnej (tj jednostkowym) ułamek powierzchni złoża (kg / m, ² ); oraz
• λ _c jest stałą szybkości konsolidacji (1/s).

Ten układ równań można scałkować (przyjmując, że m = 0 i m _r = 0 w t = 0) do postaci:

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

gdzie λ = λ _r + λ _c .

Model ten odtwarza zanieczyszczenia liniowe, opadające lub asymptotyczne, w zależności od względnych wartości k, λ _r i λ _c . Podstawowym obrazem fizycznym tego modelu jest dwuwarstwowy osad składający się ze skonsolidowanej warstwy wewnętrznej i luźnej nieskonsolidowanej warstwy zewnętrznej. Taki dwuwarstwowy osad jest często obserwowany w praktyce. Powyższy model łatwo upraszcza się do starszego modelu jednoczesnego osadzania i ponownego unoszenia (który pomija konsolidację), gdy λ _c =0. W przypadku braku konsolidacji, ten starszy model zawsze przewiduje asymptotyczne zanieczyszczenie, a postęp zanieczyszczenia można opisać jako:

${\ Displaystyle m (t) = m ^ {*} \ lewo (1-e ^ {- \ lambda _ {r} t} \ prawej)}$

gdzie m ^* jest maksymalnym (asymptotycznym) obciążeniem masowym osadu na powierzchni (kg/m ² ).

Uzun i in. (2019) zapewniają uproszczone podejście do szacowania zależnego od czasu wzrostu biofoulingu i jego wpływu na opór i zasilanie statku.

Ekonomiczne i środowiskowe znaczenie zanieczyszczeń

Zarastanie jest wszechobecne i generuje ogromne straty operacyjne, podobnie jak korozja. Na przykład, według szacunków straty spowodowane zanieczyszczeniem wymienników ciepła w krajach uprzemysłowionych wynoszą około 0,25% ich PKB . W innej analizie oszacowano (za 2006 r.) straty ekonomiczne spowodowane zanieczyszczeniem kotłów i turbin w chińskich przedsiębiorstwach użyteczności publicznej na 4,68 miliarda dolarów, co stanowi około 0,169% PKB kraju.

Straty wynikają początkowo z upośledzenia wymiany ciepła, uszkodzeń korozyjnych (w szczególności korozji podsadzanej i szczelinowej ), zwiększonego spadku ciśnienia, blokad przepływu, redystrybucji przepływu wewnątrz elementów, niestabilności przepływu, wywołanych wibracji (może prowadzić do innych problemów, np. zmęczenia ) , fretting , przedwczesna awaria elektrycznych elementów grzejnych i wiele innych, często nieoczekiwanych problemów. Ponadto należy uwzględnić koszty ekologiczne (ale zazwyczaj nie są) brane pod uwagę. Koszty ekologiczne wynikają ze stosowania biocydów w celu uniknięcia biofoulingu, ze zwiększonego wkładu paliwa w celu zrekompensowania zmniejszonej wydajności spowodowanej zanieczyszczeniem oraz zwiększonego zużycia wody chłodzącej w systemach chłodzenia z jednorazowym przepływem.

Na przykład, „normalne” zanieczyszczenia w konwencjonalnie opalanych 500 MW (netto energia elektryczna) elektrownia kont dla jednostek strat wyjściowych turbiny parowej 5 MW i więcej. W elektrowni jądrowej o mocy 1300 MW typowe straty mogą wynosić 20 MW i więcej (do 100%, jeśli elektrownia zostanie wyłączona z powodu degradacji komponentów wywołanej zanieczyszczeniem). W zakładach odsalania wody morskiej zanieczyszczenie może zmniejszyć uzyskany wskaźnik wydajności o dwucyfrowe wartości procentowe (uzyskany wskaźnik wydajności jest ekwiwalentem, który stawia masę wytworzonego destylatu w stosunku do pary użytej w procesie). Dodatkowe zużycie energii elektrycznej w lodówkach sprężarkowych jest również łatwe w zakresie dwucyfrowym. Oprócz kosztów operacyjnych wzrasta również koszt kapitałowy, ponieważ wymienniki ciepła muszą być projektowane w większych rozmiarach, aby skompensować straty w przenoszeniu ciepła spowodowane zanieczyszczeniem. Do wymienionych powyżej strat wyjściowych należy dodać koszt przestojów wymaganych do kontroli, czyszczenia i naprawy podzespołów (miliony dolarów dziennie przestoju w utraconych przychodach w typowej elektrowni) oraz koszt faktycznego wykonując tę ​​konserwację. Wreszcie, zanieczyszczenie jest często główną przyczyną poważnych problemów z degradacją, które mogą ograniczać żywotność komponentów lub całych roślin.

Kontrola zanieczyszczeń

Najbardziej podstawową i zwykle preferowaną metodą kontroli zanieczyszczeń jest zapobieganie przedostawaniu się zanieczyszczeń do obiegu wody chłodzącej. W elektrowniach parowych i innych dużych instalacjach przemysłowych technologii wodnej unika się makroosadów dzięki filtracji wstępnej i filtrom zanieczyszczeń wody chłodzącej . Niektóre zakłady stosują program wykluczania obcych obiektów (w celu wyeliminowania możliwości wprowadzenia niepożądanych materiałów, np. zapominania narzędzi podczas konserwacji). Monitorowanie akustyczne jest czasami wykorzystywane do monitorowania frettingu przez oderwane części. W przypadku mikrofoulingu, oczyszczanie wody osiąga się za pomocą rozbudowanych metod uzdatniania wody, mikrofiltracji , technologii membranowej ( odwrócona osmoza , elektrodejonizacja ) lub żywic jonowymiennych . Wytwarzanie produktów korozji w systemach wodociągowych jest często minimalizowane poprzez kontrolę pH płynu procesowego (zazwyczaj alkalizacja amoniakiem , morfoliną , etanoloaminą lub fosforanem sodu ), kontrolę tlenu rozpuszczonego w wodzie (na przykład przez dodanie hydrazyny ) lub dodanie inhibitorów korozji .

W przypadku układów wodnych w stosunkowo niskich temperaturach, stosowane środki biobójcze można sklasyfikować następująco: nieorganiczny chloru i bromu związki chloru i bromu tasaki , ozonu i tlenu tasaki, unoxidizable biocydy . Jednym z najważniejszych nieutleniających się biocydów jest mieszanina chlorometyloizotiazolinonu i metyloizotiazolinonu . Stosowane są również dibromo nitrylopropionamid i czwartorzędowe związki amoniowe . W przypadku podwodnych kadłubów statków stosuje się farby denne .

Chemiczne inhibitory zanieczyszczenia mogą zmniejszać zanieczyszczenie w wielu układach, głównie przez zakłócanie etapów krystalizacji, przyłączania lub konsolidacji procesu zanieczyszczenia. Przykładami układów wodnych są: czynniki chelatujące (np. EDTA ), długołańcuchowe aminy alifatyczne lub poliaminy (np. oktadecyloamina , helamina i inne aminy „błonotwórcze”), organiczne kwasy fosfonowe (np. kwas etidronowy ) lub polielektrolity (na przykład kwas poliakrylowy, kwas polimetakrylowy, zwykle o masie cząsteczkowej poniżej 10000). W przypadku kotłów opalanych dodatki aluminium lub magnezu mogą obniżać temperaturę topnienia popiołu i sprzyjać tworzeniu się osadów, które są łatwiejsze do usunięcia. Zobacz także chemikalia procesowe .

Magnetyczne uzdatnianie wody od lat pięćdziesiątych jest przedmiotem kontrowersji co do jego skuteczności w zwalczaniu zanieczyszczeń. Przeważa opinia, że ​​to po prostu „nie działa”. Niemniej jednak niektóre badania sugerują, że w pewnych warunkach może być skuteczny w zmniejszaniu gromadzenia się złogów węglanu wapnia.

Na poziomie projektu elementu zanieczyszczenie często (ale nie zawsze) można zminimalizować, utrzymując stosunkowo wysoką (na przykład 2 m/s) i jednolitą prędkość płynu w całym elemencie. Regiony stojące muszą zostać wyeliminowane. Komponenty są zwykle przeprojektowane, aby pomieścić zanieczyszczenia przewidywane między czyszczeniami. Jednak znaczne przeprojektowanie może być błędem projektowym, ponieważ może prowadzić do zwiększonego zanieczyszczenia z powodu zmniejszonych prędkości. Okresowe impulsy ciśnienia lub przepływ wsteczny mogą być skuteczne, jeśli zdolność jest starannie uwzględniona w czasie projektowania. W wytwornicach pary lub parownikach zawsze wbudowana jest funkcja wydmuchiwania w celu kontrolowania gromadzenia się nielotnych zanieczyszczeń, które powodują lub pogłębiają zanieczyszczenie. W przypadku niektórych zastosowań opcją są powierzchnie słabo zamulające (na przykład bardzo gładkie, z implantowanymi jonami lub o niskiej energii powierzchniowej, jak Teflon ). Nowoczesne komponenty muszą być zwykle zaprojektowane tak, aby ułatwić kontrolę elementów wewnętrznych i okresowe czyszczenie. Systemy monitorowania zanieczyszczeń on-line są przeznaczone do niektórych zastosowań, tak aby można było zastosować przedmuchiwanie lub czyszczenie przed koniecznością nieprzewidywalnego wyłączenia lub wystąpienia uszkodzeń.

Procesy czyszczenia chemicznego lub mechanicznego w celu usunięcia osadów i kamienia są zalecane, gdy zanieczyszczenie osiągnie punkt mający wpływ na działanie systemu lub początek znacznej degradacji spowodowanej zanieczyszczeniem (np. przez korozję). Procesy te obejmują trawienie kwasami i środkami kompleksującymi , czyszczenie strumieniem wody o dużej prędkości („nacinanie wodne”), recyrkulację („piaskowanie”) za pomocą metalowych, gąbczastych lub innych kulek lub napędzanie mechanicznych „kuli” do czyszczenia rur w trybie offline. Podczas gdy czyszczenie chemiczne powoduje problemy środowiskowe poprzez manipulowanie, nakładanie, przechowywanie i usuwanie chemikaliów, czyszczenie mechaniczne za pomocą krążących kulek czyszczących lub czyszczenie „pociskowe” w trybie offline może być bardziej przyjazną dla środowiska alternatywą. W niektórych zastosowaniach związanych z przenoszeniem ciepła, łagodzenie mechaniczne za pomocą dynamicznych wymienników ciepła ze skrobakami powierzchni jest opcją. Do wielu specyficznych zastosowań dostępne są również metody czyszczenia ultradźwiękowego lub ściernego .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Badania nad zanieczyszczeniem ropą naftową
• [1]