Загрязнение

Эта статья о загрязнениях в технике. Чтобы узнать об использовании термина «фол» вне технологии, см. «Фол (значения)» . Информацию о загрязнении поверхностей мембран см. в разделе «Загрязнение мембраны» .

Не путать с охотничьей охотой .

Теплообменник паровой электростанции , загрязненный макрозагрязнениями

конденсатора Трубка с остатками биообрастания (разрезана)

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

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

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

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

Компоненты, подверженные загрязнению

поперечное сечение трубки конденсатора с карбоната кальция отложениями

поперечное сечение латунной трубки со коррозии следами

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

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

Макрозагрязнения

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

Примеры

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

Микрозагрязнения

По микрозагрязнениям различают:

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

Загрязнение осадками

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

Чрезмерное накопление накипи в котловых трубах

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Скорость осаждения осадками часто описывается следующими уравнениями:

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

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

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

где:

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

$t$ - время, с

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

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

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

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

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

Загрязнение частицами

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

$k_{d}=Pk_{t}$

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

Альтернативой использованию вероятности прилипания является использование кинетической константы скорости присоединения, предполагая реакцию первого порядка:

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

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

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

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

где:

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

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

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

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

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

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

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

Коррозионное загрязнение

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

Химическая реакция загрязнения

Химические реакции могут происходить при контакте химических веществ в технологической жидкости с поверхностями теплопередачи. В таких случаях металлическая поверхность иногда выступает катализатором . Например, коррозия и полимеризация происходят в охлаждающей воде для химической промышленности, которая имеет незначительное содержание углеводородов. Системы нефтепереработки склонны к полимеризации олефинов или отложению тяжелых фракций ( асфальтенов , восков и т. д.). Высокие температуры стенок труб могут привести к карбонизации органических веществ. Пищевая промышленность, например переработка молока, также возникают проблемы с загрязнением из-за химических реакций.

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

Затвердевающее загрязнение

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

Биообрастание

Основная статья: Биообрастание

Фрагмент шлюза канала на севере Франции, покрытый дрейссенами.

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

Бактерии могут образовывать биопленки или слизи. Таким образом, организмы могут агрегироваться на поверхностях с помощью коллоидных гидрогелей воды и внеклеточных полимерных веществ (ЭПС) ( полисахаридов , липидов, нуклеиновых кислот и др.). Структура биопленки обычно сложная.

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

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

Композитное загрязнение

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

Загрязнение на Марсе

НАСА Марсоходы ( Spirit и Opportunity ) испытали (предположительно) абиотическое загрязнение солнечных панелей частицами пыли из марсианской атмосферы. Часть отложений впоследствии самопроизвольно счистилась . Это иллюстрирует универсальный характер явлений загрязнения.

Количественная оценка загрязнения

Самый простой способ количественно оценить достаточно равномерное загрязнение — указать среднюю нагрузку на поверхность отложений, т. е. кг отложений на м2. ² площади поверхности. Тогда скорость загрязнения будет выражаться в кг/м. ² с, и получается путем деления поверхностной нагрузки отложения на эффективное время работы. Нормированная скорость загрязнения (также в кг/м ² s) дополнительно учитывает концентрацию загрязняющего вещества в технологической жидкости (кг/кг) во время предыдущих операций и полезен для сравнения скорости загрязнения между различными системами. Его получают путем деления скорости загрязнения на концентрацию загрязнителя. Константу скорости загрязнения (м/с) можно получить путем деления нормализованной скорости загрязнения на массовую плотность технологической жидкости (кг/м). ³ ).

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

В теплообменном оборудовании, где основной проблемой часто является влияние загрязнения на теплообмен, загрязнение можно определить количественно по увеличению сопротивления потоку тепла (м ² К/Вт) из-за загрязнения (так называемого « сопротивления загрязнению ») или из-за развития коэффициента теплопередачи (Вт/м ² К) со временем.

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

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

Прогресс загрязнения со временем

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

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

Моделирование загрязнения

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

Загрязнение системы можно смоделировать как состоящее из нескольких этапов:

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

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

Для современной модели загрязнения, предполагающей отложение с одновременным повторным уносом и консолидацией отложений, Процесс загрязнения можно представить следующей схемой:

  [скоростьдепозитнакопление] =[скоростьосаждение] -[скоростьповторное вовлечениенеконсолидированный депозит]

  [скоростьнакоплениенеконсолидированный депозит] =[скоростьосаждение] -[скоростьповторное вовлечениенеконсолидированный депозит] -[скоростьконсолидациянеконсолидированный депозит]

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

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

где:

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

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

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

где λ знак равно λ _р + λ _c .

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

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

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

Экономическое и экологическое значение загрязнения

Стоимостные соотношения между отдельными видами обрастания

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

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

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

Контроль загрязнения

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

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

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

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

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

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

См. также

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

Внешние ссылки

• Исследование загрязнения сырой нефтью
• [1]