Ensuciamiento - Fouling

Intercambiador de calor en una planta de energía de vapor , ensuciado por macroincrustaciones
Tubo del condensador con residuos de bioincrustación (abierto)
Tubo del condensador con incrustaciones de carbonato de calcio (abierto)
Tubo de latón con rastros de corrosión (abierto)
Relaciones de costos entre los tipos individuales de incrustaciones

El ensuciamiento es la acumulación de material no deseado en superficies sólidas. Los materiales de incrustación pueden consistir en organismos vivos ( bioincrustación ) o una sustancia no viva (inorgánica u orgánica). El ensuciamiento generalmente se distingue de otros fenómenos de crecimiento superficial en que ocurre en la superficie de un componente, sistema o planta que realiza una función definida y útil y que el proceso de ensuciamiento impide o interfiere con esta función.

Otros términos utilizados en la bibliografía para describir el ensuciamiento incluyen formación de depósitos, incrustaciones, enlucido, deposición, incrustaciones, formación de incrustaciones, escorias y formación de lodos. Los últimos seis términos tienen un significado más limitado que ensuciar dentro del alcance de la ciencia y la tecnología del ensuciamiento, y también tienen significados fuera de este alcance; por lo tanto, deben usarse con precaución.

Los fenómenos de ensuciamiento son comunes y diversos y van desde el ensuciamiento de los cascos de los barcos, las superficies naturales en el medio marino ( ensuciamiento marino ), el ensuciamiento de los componentes de transferencia de calor a través de los ingredientes contenidos en el agua o los gases de enfriamiento , e incluso el desarrollo de placa o cálculos en los dientes. o depósitos en paneles solares en Marte, entre otros ejemplos.

Este artículo está dedicado principalmente al ensuciamiento de los intercambiadores de calor industriales, aunque la misma teoría es generalmente aplicable a otras variedades de ensuciamiento. En la tecnología de refrigeración y otros campos técnicos, se hace una distinción entre macro incrustaciones y micro incrustaciones. De los dos, el microincrustante es el que suele ser más difícil de prevenir y, por lo tanto, más importante.

Componentes sujetos a ensuciamiento

Ejemplos de componentes que pueden estar sujetos a ensuciamiento y los efectos correspondientes de ensuciamiento:

  • Superficies del intercambiador de calor : reduce la eficiencia térmica, disminuye el flujo de calor, aumenta la temperatura en el lado caliente, disminuye la temperatura en el lado frío, induce corrosión debajo del depósito, aumenta el uso de agua de refrigeración;
  • Tuberías, canales de flujo: reduce el flujo, aumenta la caída de presión, aumenta la presión aguas arriba, aumenta el gasto de energía, puede causar oscilaciones de flujo, taponamiento en el flujo de dos fases, cavitación; puede aumentar la velocidad del flujo en otros lugares, puede inducir vibraciones, puede causar bloqueo del flujo;
  • Cascos de barcos: crea resistencia adicional , aumenta el uso de combustible, reduce la velocidad máxima;
  • Turbinas : reduce la eficiencia, aumenta la probabilidad de fallas;
  • Paneles solares: disminuye la energía eléctrica generada;
  • Membranas de ósmosis inversa : aumenta la caída de presión, aumenta el gasto de energía, reduce el flujo, falla de la membrana (en casos severos);
  • Elementos calefactores eléctricos : aumenta la temperatura del elemento, aumenta la corrosión, reduce la vida útil;
  • Barriles de armas de fuego : aumenta la presión de la recámara; carga de cestas para avancarga
  • Combustible nuclear en reactores de agua a presión : anomalía de compensación axial, puede ser necesario reducir la potencia de la central eléctrica;
  • Boquillas de inyección / aspersión (p. Ej., Una boquilla que rocía combustible en un horno): cantidad incorrecta inyectada, chorro mal formado, ineficiencia de los componentes, fallas de los componentes;
  • Tubos venturi , placas de orificio : medición inexacta o incorrecta del caudal;
  • Tubos de Pitot en aviones: indicación inexacta o incorrecta de la velocidad del avión;
  • Electrodos de bujías en automóviles: fallo de encendido del motor;
  • Zona de producción de depósitos de petróleo y pozos de petróleo : disminución de la producción de petróleo con el tiempo; taponamiento en algunos casos, la interrupción completa del flujo en cuestión de días;
  • Dientes: promueve la enfermedad de los dientes o las encías, disminuye la estética;
  • Organismos vivos: la deposición de minerales en exceso (por ejemplo, calcio, hierro, cobre) en los tejidos está (a veces de manera controvertida) relacionada con el envejecimiento / senescencia .

Ensuciamiento macro

La macroincrustación es causada por materia gruesa de origen biológico o inorgánico, por ejemplo, desechos producidos industrialmente . Dicha materia ingresa al circuito de agua de refrigeración a través de las bombas de agua de refrigeración de fuentes como mar abierto , ríos o lagos . En circuitos cerrados, como torres de enfriamiento , es posible la entrada de macroincrustaciones en la cuenca de la torre de enfriamiento a través de canales abiertos o por el viento. A veces, partes de las partes internas de la torre de enfriamiento se desprenden y se transportan al circuito de agua de enfriamiento. Estas sustancias pueden ensuciar las superficies de los intercambiadores de calor y pueden provocar el deterioro del coeficiente de transferencia de calor correspondiente . También pueden crear bloqueos de flujo, redistribuir el flujo dentro de los componentes o causar daños por fricción .

Ejemplos de
  • Residuos artificiales;
  • Partes internas separadas de componentes;
  • Herramientas y otros "objetos extraños" dejados accidentalmente después del mantenimiento;
  • Algas ;
  • mejillones ;
  • Hojas , partes de plantas hasta troncos enteros .

Micro incrustaciones

En cuanto a las microincrustaciones, se distinguen entre:

  • Incrustaciones por incrustaciones o precipitaciones, como la cristalización de sales sólidas , óxidos e hidróxidos de soluciones acuosas (p. Ej., Carbonato de calcio o sulfato de calcio)
  • Ensuciamiento de partículas , es decir, acumulación de partículas, típicamente partículas coloidales , en una superficie
  • Incrustaciones por corrosión, es decir, crecimiento in situ de depósitos de corrosión , por ejemplo, magnetita en superficies de acero al carbono
  • Ensuciamiento de reacciones químicas, por ejemplo, descomposición o polimerización de materia orgánica en superficies de calentamiento
  • Ensuciamiento de solidificación: cuando los componentes del fluido que fluye con un alto punto de fusión se congelan en una superficie subenfriada
  • Biofouling , como asentamientos de bacterias y algas
  • Ensuciamiento compuesto, en el que el ensuciamiento implica más de un ensuciamiento o mecanismo de ensuciamiento

Ensuciamiento por precipitación

La acumulación de cal dentro de una tubería reduce el flujo de líquido a través de la tubería y reduce la conducción térmica desde el líquido a la carcasa exterior de la tubería. Ambos efectos reducirán la eficiencia térmica general de la tubería cuando se use como intercambiador de calor .
Acumulación extrema de sarro en la tubería de la caldera
Dependencia de la temperatura de la solubilidad del sulfato de calcio (3 fases) en agua pura. El agua se presuriza para que pueda mantenerse en estado líquido a temperaturas elevadas.

Las incrustaciones o incrustaciones por precipitación implican la cristalización de sales sólidas , óxidos e hidróxidos a partir de soluciones . En la mayoría de los casos, se trata de soluciones acuosas, pero también se conocen incrustaciones por precipitación no acuosa. El ensuciamiento por precipitación es un problema muy común en las calderas e intercambiadores de calor que operan con agua dura y, a menudo, produce cal .

A través de cambios de temperatura, o evaporación o desgasificación del solvente , la concentración de sales puede exceder la saturación , dando lugar a una precipitación de sólidos (generalmente cristales).

Como ejemplo, el equilibrio entre el bicarbonato de calcio fácilmente soluble - siempre predominante en el agua natural - y el carbonato de calcio poco soluble , se puede escribir la siguiente ecuación química:

El carbonato de calcio que se forma a través de esta reacción precipita. Debido a la dependencia de la temperatura de la reacción y al aumento de la volatilidad del CO 2 al aumentar la temperatura, la formación de incrustaciones es mayor en la salida más caliente del intercambiador de calor que en la entrada más fría.

En general, la dependencia de la solubilidad de la sal con respecto a la temperatura o la presencia de evaporación será a menudo la fuerza impulsora del ensuciamiento por precipitación. La distinción importante es entre sales con dependencia "normal" o "retrógrada" de la solubilidad de la temperatura. Las sales con la solubilidad "normal" aumentan su solubilidad al aumentar la temperatura y, por lo tanto, ensucian las superficies de enfriamiento. Las sales con solubilidad "inversa" o "retrógrada" ensuciarán las superficies de calentamiento. En la figura se muestra un ejemplo de la dependencia de la temperatura de la solubilidad. El sulfato de calcio es un incrustante de precipitación común de superficies de calentamiento debido a su solubilidad retrógrada.

El ensuciamiento por precipitación también puede ocurrir en ausencia de calentamiento o vaporización. Por ejemplo, el sulfato de calcio disminuye su solubilidad al disminuir la presión. Esto puede provocar el ensuciamiento por precipitación de los reservorios y pozos en los campos petroleros, disminuyendo su productividad con el tiempo. El ensuciamiento de las membranas en los sistemas de ósmosis inversa puede ocurrir debido a la solubilidad diferencial del sulfato de bario en soluciones de diferente fuerza iónica . De manera similar, el ensuciamiento por precipitación puede ocurrir debido a cambios de solubilidad inducidos por otros factores, por ejemplo, evaporación súbita del líquido, desgasificación del líquido, cambios de potencial redox o mezcla de corrientes de fluidos incompatibles.

A continuación se enumeran algunas de las fases industrialmente comunes de los depósitos de incrustaciones por precipitación que se observan en la práctica que se forman a partir de soluciones acuosas:

La tasa de deposición por precipitación a menudo se describe mediante las siguientes ecuaciones:

Transporte:
Cristalización superficial:
En general:

dónde:

m - masa del material (por unidad de superficie), kg / m 2
t - tiempo, s
C b - concentración de la sustancia en la mayor parte del fluido, kg / m 3
C i - concentración de la sustancia en la interfaz, kg / m 3
C e - concentración de equilibrio de la sustancia en las condiciones de la interfaz, kg / m 3
n1, n2 - orden de reacción para la reacción de cristalización y el proceso de deposición general, respectivamente, adimensional
k t , k r , k d - constantes de velocidad cinética para el transporte, la reacción de superficie y la reacción de deposición general, respectivamente; con la dimensión de m / s (cuando n1 y n2 = 1)

Ensuciamiento de partículas

El ensuciamiento por partículas suspendidas en agua (" suciedad ") o en gas progresa por un mecanismo diferente al ensuciamiento por precipitación. Este proceso suele ser más importante para partículas coloidales , es decir, partículas menores de aproximadamente 1 µm en al menos una dimensión (pero que son mucho más grandes que las dimensiones atómicas). Las partículas son transportadas a la superficie por varios mecanismos y allí pueden adherirse, por ejemplo, por floculación o coagulación . Tenga en cuenta que la unión de partículas coloidales generalmente implica fuerzas eléctricas y, por lo tanto, el comportamiento de las partículas desafía la experiencia del mundo macroscópico. La probabilidad de apego a veces se denomina " probabilidad de adherencia ", P:

donde k d y k t son las constantes de velocidad cinética para la deposición y el transporte, respectivamente. El valor de P para las partículas coloidales es una función tanto de la química de la superficie, la geometría y las condiciones termohidráulicas locales .

Una alternativa al uso de la probabilidad de adherencia es utilizar una constante de velocidad de adherencia cinética, asumiendo la reacción de primer orden:

y luego los coeficientes cinéticos de transporte y unión se combinan como dos procesos que ocurren en serie:

dónde:

  • dm / dt es la tasa de deposición de las partículas, kg m −2 s −1 ,
  • k a , k t y k d son las constantes de velocidad cinética para la deposición, m / s,
  • C i y C b son la concentración del incrustante de partículas en la interfase y en el fluido a granel, respectivamente; kg m −3 .

Siendo esencialmente un fenómeno químico de superficie , este mecanismo de ensuciamiento puede ser muy sensible a factores que afectan la estabilidad coloidal, por ejemplo, el potencial zeta . Por lo general, se observa una tasa de ensuciamiento máxima cuando las partículas de ensuciamiento y el sustrato exhiben carga eléctrica opuesta, o cerca del punto de carga cero de cualquiera de ellos.

Las partículas más grandes que las de dimensiones coloidales también pueden ensuciarse, por ejemplo, por sedimentación ("ensuciamiento por sedimentación") o por filtración en aberturas de pequeño tamaño.

Con el tiempo, el depósito superficial resultante puede endurecerse mediante procesos conocidos colectivamente como "consolidación de depósitos" o, coloquialmente, "envejecimiento".

Los depósitos de suciedad de partículas comunes que se forman a partir de suspensiones acuosas incluyen:

El ensuciamiento por partículas de aerosoles gaseosos también tiene importancia industrial. Las partículas pueden ser sólidas o líquidas. Los ejemplos comunes pueden ser el ensuciamiento por los gases de combustión o el ensuciamiento de los componentes refrigerados por aire por el polvo en el aire. Los mecanismos se discuten en el artículo sobre la deposición de aerosoles .

Incrustaciones por corrosión

Los depósitos de corrosión se crean in situ por la corrosión del sustrato . Se distinguen de los depósitos de incrustaciones, que se forman a partir de material que se origina ex-situ. Los depósitos de corrosión no deben confundirse con depósitos de incrustaciones formados por productos de corrosión generados ex situ. Los depósitos de corrosión normalmente tendrán una composición relacionada con la composición del sustrato. Además, la geometría de las interfaces metal-óxido y óxido-fluido puede permitir una distinción práctica entre la corrosión y los depósitos de incrustaciones. Un ejemplo de incrustaciones por corrosión puede ser la formación de un depósito de óxido de hierro u oxihidróxido a partir de la corrosión del acero al carbono que se encuentra debajo. El ensuciamiento por corrosión no debe confundirse con la corrosión por ensuciamiento, es decir, cualquiera de los tipos de corrosión que pueden ser inducidos por el ensuciamiento.

Ensuciamiento por reacción química

Pueden ocurrir reacciones químicas por contacto de las especies químicas en el fluido del proceso con superficies de transferencia de calor. En tales casos, la superficie metálica actúa a veces como catalizador . Por ejemplo, la corrosión y la polimerización se producen en el agua de refrigeración para la industria química que tiene un contenido menor de hidrocarburos. Los sistemas en el procesamiento del petróleo son propensos a la polimerización de olefinas o al depósito de fracciones pesadas ( asfaltenos , ceras, etc.). Las temperaturas elevadas de la pared del tubo pueden provocar la carbonización de la materia orgánica. La industria alimentaria, por ejemplo el procesamiento de leche, también experimenta problemas de ensuciamiento por reacciones químicas.

El ensuciamiento a través de una reacción iónica con desprendimiento de un sólido inorgánico se clasifica comúnmente como ensuciamiento por precipitación (no ensuciamiento por reacción química).

Ensuciamiento de solidificación

El ensuciamiento por solidificación se produce cuando un componente del fluido que fluye se "congela" sobre una superficie formando un depósito sólido de ensuciamiento. Los ejemplos pueden incluir la solidificación de cera (con un alto punto de fusión) a partir de una solución de hidrocarburo, o de cenizas fundidas (transportadas en el gas de escape de un horno) sobre una superficie de intercambiador de calor. La superficie debe tener una temperatura por debajo de un cierto umbral; por lo tanto, se dice que está subenfriado con respecto al punto de solidificación del incrustante.

Biofouling

Un fragmento de la esclusa de un canal en el norte de Francia, cubierto con mejillones cebra

La bioincrustación o incrustación biológica es la acumulación indeseable de microorganismos, algas y diatomeas , plantas y animales en superficies, por ejemplo, cascos de barcos o tuberías y depósitos con agua sin tratar. Esto puede ir acompañado de corrosión influenciada microbiológicamente (MIC).

Las bacterias pueden formar biopelículas o lodos. Así, los organismos pueden agregarse en superficies utilizando hidrogeles coloidales de agua y sustancias poliméricas extracelulares (EPS) ( polisacáridos , lípidos, ácidos nucleicos, etc.). La estructura de la biopelícula suele ser compleja.

El ensuciamiento bacteriano puede ocurrir en condiciones aeróbicas (con oxígeno disuelto en agua) o anaeróbicas (sin oxígeno). En la práctica, las bacterias aeróbicas prefieren los sistemas abiertos, cuando tanto oxígeno como nutrientes se entregan constantemente, a menudo en ambientes cálidos y soleados. El ensuciamiento anaeróbico ocurre con mayor frecuencia en sistemas cerrados cuando hay suficientes nutrientes presentes. Los ejemplos pueden incluir bacterias reductoras de sulfato (o bacterias reductoras de azufre ), que producen sulfuro y a menudo causan corrosión de metales ferrosos (y otras aleaciones). Las bacterias oxidantes de sulfuro (p. Ej., Acidithiobacillus ), por otro lado, pueden producir ácido sulfúrico y pueden participar en la corrosión del hormigón.

Los mejillones cebra sirven como ejemplo de animales más grandes que han causado incrustaciones generalizadas en América del Norte.

Ensuciamiento compuesto

El ensuciamiento compuesto es común. Este tipo de incrustaciones implica más de una incrustación o más de un mecanismo de incrustación trabajando simultáneamente. Las múltiples incrustaciones o mecanismos pueden interactuar entre sí dando como resultado una incrustación sinérgica que no es una simple suma aritmética de los componentes individuales.

Ensuciamiento en Marte

Los vehículos de exploración de Marte de la NASA ( Spirit and Opportunity ) experimentaron (presumiblemente) un ensuciamiento abiótico de los paneles solares por las partículas de polvo de la atmósfera marciana. Posteriormente, algunos de los depósitos se limpiaron espontáneamente . Esto ilustra la naturaleza universal de los fenómenos de incrustaciones.

Cuantificación de incrustaciones

La forma más sencilla de cuantificar el ensuciamiento bastante uniforme es indicando la carga superficial promedio del depósito, es decir, kg de depósito por m 2 de superficie. La tasa de ensuciamiento se expresará entonces en kg / m 2 s, y se obtendrá dividiendo la carga de la superficie del depósito por el tiempo de funcionamiento efectivo. La tasa de ensuciamiento normalizada (también en kg / m 2 s) tendrá en cuenta adicionalmente la concentración del ensuciamiento en el fluido del proceso (kg / kg) durante las operaciones anteriores y es útil para comparar las tasas de ensuciamiento entre diferentes sistemas. Se obtiene dividiendo la tasa de incrustaciones por la concentración de incrustaciones. La constante de tasa de ensuciamiento (m / s) se puede obtener dividiendo la tasa de ensuciamiento normalizada por la densidad de masa del fluido de proceso (kg / m 3 ).

El espesor del depósito (μm) y la porosidad (%) también se utilizan a menudo para la descripción de la cantidad de suciedad. La reducción relativa del diámetro de la tubería o el aumento de la rugosidad de la superficie pueden ser de particular interés cuando el impacto del ensuciamiento sobre la caída de presión es de interés.

En los equipos de transferencia de calor, donde la preocupación principal es a menudo el efecto de las incrustaciones en la transferencia de calor, las incrustaciones se pueden cuantificar mediante el aumento de la resistencia al flujo de calor (m 2 K / W) debido a las incrustaciones (denominado " resistencia a las incrustaciones " ), o por el desarrollo del coeficiente de transferencia de calor (W / m 2 K) con el tiempo.

Si la corrosión por debajo de los depósitos o las grietas es la principal preocupación, es importante observar la falta de uniformidad del espesor del depósito (p. Ej., Ondulación del depósito ), incrustaciones localizadas, empaquetamiento de regiones confinadas con depósitos, creación de oclusiones, "grietas", "depósitos tubérculos "o pilas de lodos. Tales estructuras de depósito pueden crear un entorno para la corrosión por debajo del depósito del material del sustrato, por ejemplo, ataque intergranular , picaduras , agrietamiento por corrosión bajo tensión o desperdicio localizado. La porosidad y la permeabilidad de los depósitos probablemente influirán en la probabilidad de corrosión por debajo del depósito. La composición del depósito también puede ser importante: incluso los componentes menores de los depósitos a veces pueden causar una corrosión severa del metal subyacente (por ejemplo, vanadio en los depósitos de las calderas encendidas que causan corrosión en caliente ).

No existe una regla general sobre la cantidad de depósito que se puede tolerar, depende del sistema. En muchos casos, un depósito de unos pocos micrómetros de espesor puede resultar problemático. Un depósito en un espesor de rango milimétrico será motivo de preocupación en casi cualquier aplicación.

Progreso del ensuciamiento con el tiempo

El depósito en una superficie no siempre se desarrolla de manera constante con el tiempo. Se pueden distinguir los siguientes escenarios de ensuciamiento, según la naturaleza del sistema y las condiciones termohidráulicas locales en la superficie:

  • Periodo de inducción . A veces, se observa una tasa de ensuciamiento casi nula cuando la superficie es nueva o muy limpia. Esto se observa a menudo en las incrustaciones biológicas y las precipitaciones. Después del "período de inducción", aumenta la tasa de ensuciamiento.
  • Ensuciamiento "negativo". Esto puede ocurrir cuando la tasa de ensuciamiento se cuantifica monitoreando la transferencia de calor. Cantidades relativamente pequeñas de depósitos pueden mejorar la transferencia de calor, en relación con la superficie limpia, y dar la apariencia de una tasa de ensuciamiento "negativa" y una cantidad total de ensuciamiento negativa. El ensuciamiento negativo se observa a menudo bajo condiciones de transferencia de calor de ebullición nucleada (el depósito mejora la nucleación de burbujas) o convección forzada (si el depósito aumenta la rugosidad de la superficie y la superficie ya no es "hidráulicamente lisa"). Después del período inicial de "control de la rugosidad de la superficie", la tasa de ensuciamiento generalmente se vuelve muy positiva.
  • Ensuciamiento lineal. La tasa de incrustaciones puede ser constante con el tiempo. Este es un caso común.
  • Caída de incrustaciones. En este escenario, la tasa de incrustaciones disminuye con el tiempo, pero nunca llega a cero. El espesor del depósito no alcanza un valor constante. El progreso del ensuciamiento se puede describir a menudo con dos números: la tasa de ensuciamiento inicial (una tangente a la curva de ensuciamiento con carga de depósito cero o tiempo cero) y la tasa de ensuciamiento después de un largo período de tiempo (una asíntota oblicua a la curva de ensuciamiento) .
  • Ensuciamiento asintótico. Aquí, la tasa de ensuciamiento disminuye con el tiempo, hasta que finalmente llega a cero. En este punto, el espesor del depósito permanece constante con el tiempo (una asíntota horizontal ). Este es a menudo el caso de depósitos relativamente blandos o poco adherentes en áreas de flujo rápido. La asíntota se suele interpretar como la carga del depósito a la que la tasa de deposición es igual a la tasa de eliminación del depósito.
  • Ensuciamiento acelerado. En este escenario, la tasa de incrustaciones aumenta con el tiempo; la tasa de acumulación de depósitos se acelera con el tiempo (tal vez hasta que se limite el transporte). Mecánicamente, este escenario puede desarrollarse cuando el ensuciamiento aumenta la rugosidad de la superficie, o cuando la superficie del depósito exhibe una mayor propensión química al ensuciamiento que el metal subyacente puro.
  • Ensuciamiento de balancín . Aquí, la carga de ensuciamiento generalmente aumenta con el tiempo (a menudo asumiendo una tasa generalmente lineal o descendente), pero, cuando se mira con más detalle, el progreso del ensuciamiento se interrumpe periódicamente y toma la forma de una curva de diente de sierra . Las variaciones bruscas periódicas en la cantidad aparente de suciedad a menudo corresponden a los momentos de paradas del sistema, arranques u otros transitorios en funcionamiento. Las variaciones periódicas a menudo se interpretan como la eliminación periódica de parte del depósito (quizás resuspensión del depósito debido a pulsos de presión, desconchado debido a tensiones térmicas o exfoliación debido a transitorios redox). Se ha postulado que la capa de vapor se produce entre los depósitos parcialmente desconchados y la superficie de transferencia de calor. Sin embargo, son posibles otras razones, por ejemplo, atrapamiento de aire dentro de los depósitos de la superficie durante las paradas, o inexactitud de las mediciones de temperatura durante los transitorios ("flujo de temperatura").

Modelado de incrustaciones

Esquemas del proceso de incrustaciones que consisten en la deposición y eliminación de depósitos simultáneos de incrustaciones.

El ensuciamiento de un sistema se puede modelar como consistente en varios pasos:

  • Generación o ingreso de la especie que causa incrustaciones ("origen de incrustaciones");
  • Transporte de suciedad con la corriente del fluido del proceso (la mayoría de las veces por advección );
  • Transporte de incrustaciones desde la mayor parte del fluido de proceso hasta la superficie de incrustaciones. Este transporte es a menudo por difusión molecular o turbulenta , pero también puede ocurrir por inercia / impactación, intercepción de partículas por la superficie (para partículas con tamaños finitos), electroforesis , termoforesis , difusioforesis , flujo de Stefan (en condensación y evaporación), sedimentación , fuerza de Magnus (que actúa sobre partículas en rotación), efecto termoeléctrico y otros mecanismos.
  • Período de inducción, es decir, una tasa de ensuciamiento casi nula en el período inicial de ensuciamiento (observado solo para algunos mecanismos de ensuciamiento);
  • Cristalización de incrustaciones en la superficie (o unión de la partícula coloidal, reacción química o crecimiento bacteriano);
  • A veces, autoretardo de incrustaciones, es decir, reducción (o potencialmente mejora) de la tasa de cristalización / fijación debido a cambios en las condiciones de la superficie causados ​​por el depósito de incrustaciones;
  • Disolución del depósito (o re-arrastre de partículas unidas sueltas);
  • La consolidación del depósito en la superficie (p. Ej., A través de la maduración de Ostwald o la solubilidad diferencial en el gradiente de temperatura) o la cementación , lo que explica que el depósito pierda su porosidad y se vuelva más tenaz con el tiempo;
  • Depósito de desprendimiento , desgaste por erosión o exfoliación .

La deposición consiste en el transporte a la superficie y su posterior fijación. La eliminación de los depósitos se realiza mediante la disolución de los depósitos, el arrastre de partículas o el desprendimiento de los depósitos, el desgaste erosivo o la exfoliación. El ensuciamiento resulta de la generación de incrustaciones, la deposición de incrustaciones, la eliminación de depósitos y la consolidación de depósitos.

Para el modelo moderno de ensuciamiento que implica depósito con reentrenamiento y consolidación simultáneos de depósitos, el proceso de ensuciamiento se puede representar mediante el siguiente esquema:

      [tasa de acumulación de depósitos] = [tasa de depósito] - [tasa de reintegración del depósito no consolidado]

      [tasa de acumulación de depósito no consolidado] = [tasa de depósito] - [tasa de reintegración de depósito no consolidado] - [tasa de consolidación de depósito no consolidado]

Siguiendo el esquema anterior, las ecuaciones básicas de ensuciamiento se pueden escribir de la siguiente manera (para condiciones de estado estacionario con flujo, cuando la concentración permanece constante con el tiempo):

dónde:

  • m es la carga másica del depósito (consolidado y no consolidado) en la superficie (kg / m 2 );
  • t es el tiempo (s);
  • k d es la constante de velocidad de deposición (m / s);
  • ρ es la densidad del fluido (kg / m 3 );
  • C m - fracción de masa de suciedad en el fluido (kg / kg);
  • λ r es la constante de velocidad de reentrenamiento (1 / s);
  • m r es la carga de masa de la fracción removible (es decir, no consolidada) del depósito superficial (kg / m 2 ); y
  • λ c es la constante de velocidad de consolidación (1 / s).

Este sistema de ecuaciones se puede integrar (tomando m = 0 ym r = 0 en t = 0) a la forma:

donde λ = λ r + λ c .

Este modelo reproduce un ensuciamiento lineal, descendente o asintótico, según los valores relativos de k, λ r y λ c . La imagen física subyacente de este modelo es la de un depósito de dos capas que consta de una capa interna consolidada y una capa externa suelta no consolidada. En la práctica, a menudo se observa un depósito de dos capas de este tipo. El modelo anterior se simplifica fácilmente al modelo anterior de deposición y reentrenamiento simultáneos (que descuida la consolidación) cuando λ c = 0. En ausencia de consolidación, este modelo más antiguo siempre anticipa el ensuciamiento asintótico y el progreso del ensuciamiento puede describirse como:

donde m * es la carga de masa máxima (asintótica) del depósito en la superficie (kg / m 2 ).

Uzun y col. (2019) proporcionan un enfoque simplificado para estimar el crecimiento de bioincrustaciones dependiente del tiempo y su efecto sobre la resistencia y la potencia de los barcos.

Importancia económica y medioambiental de las incrustaciones

El ensuciamiento es omnipresente y genera enormes pérdidas operativas, no muy diferente a la corrosión. Por ejemplo, una estimación calcula que las pérdidas debidas al ensuciamiento de los intercambiadores de calor en las naciones industrializadas representan aproximadamente el 0,25% de su PIB . Otro análisis estimó (para 2006) la pérdida económica debida al ensuciamiento de calderas y turbinas en los servicios públicos de China en 4.680 millones de dólares, lo que equivale aproximadamente al 0,169% del PIB del país.

Las pérdidas resultan inicialmente de una transferencia de calor deficiente, daños por corrosión (en particular corrosión por debajo de los depósitos y grietas ), mayor caída de presión, bloqueos del flujo, redistribución del flujo dentro de los componentes, inestabilidades del flujo, vibraciones inducidas (que posiblemente conduzcan a otros problemas, por ejemplo, fatiga ) , desgaste , falla prematura de los elementos calefactores eléctricos y una gran cantidad de otros problemas a menudo no anticipados. Además, los costos ecológicos deben ser considerados (pero generalmente no). Los costos ecológicos surgen del uso de biocidas para evitar la bioincrustación, del aumento de la entrada de combustible para compensar la producción reducida causada por la contaminación y un mayor uso de agua de refrigeración en los sistemas de refrigeración de un solo paso.

Por ejemplo, "normal" ensuciamiento en un convencionalmente dispararon 500 MW (neto de energía eléctrica) de la central eléctrica cuentas unitarios para las pérdidas de potencia de la turbina de vapor de 5 MW y más. En una central nuclear de 1.300 MW , las pérdidas típicas podrían ser de 20 MW o más (hasta el 100% si la central se apaga debido a la degradación de los componentes inducida por el ensuciamiento). En las plantas de desalinización de agua de mar , el ensuciamiento puede reducir la relación de producción ganada en porcentajes de dos dígitos (la relación de producción ganada es un equivalente que pone la masa de destilado generado en relación con el vapor utilizado en el proceso). El consumo eléctrico adicional en los refrigeradores operados por compresor también se encuentra fácilmente en el área de dos dígitos. Además de los costos operativos, también aumenta el costo de capital porque los intercambiadores de calor deben diseñarse en tamaños más grandes para compensar la pérdida de transferencia de calor debido a la suciedad. A las pérdidas de producción enumeradas anteriormente, es necesario agregar el costo del tiempo de inactividad requerido para inspeccionar, limpiar y reparar los componentes (millones de dólares por día de apagado en ingresos perdidos en una planta de energía típica) y el costo de haciendo este mantenimiento. Por último, las incrustaciones son a menudo una causa fundamental de graves problemas de degradación que pueden limitar la vida útil de los componentes o de las plantas enteras.

Control de incrustaciones

El método más fundamental y generalmente preferido para controlar las incrustaciones es evitar la entrada de especies incrustantes en el circuito de agua de refrigeración. En centrales eléctricas de vapor y otras grandes instalaciones industriales de agua tecnología , macro ensuciamiento se evita por medio de pre- filtración agua de enfriamiento y filtros de escombros . Algunas plantas emplean un programa de exclusión de objetos extraños (para eliminar la posibilidad de una introducción destacada de materiales no deseados, por ejemplo, olvidar herramientas durante el mantenimiento). El monitoreo acústico a veces se emplea para monitorear el desgaste de partes desprendidas. En el caso de las microincrustaciones, la purificación del agua se logra con métodos extensivos de tratamiento de agua, microfiltración , tecnología de membranas ( ósmosis inversa , electrodesionización ) o resinas de intercambio iónico . La generación de productos de corrosión en los sistemas de tuberías de agua a menudo se minimiza controlando el pH del fluido del proceso (típicamente alcalinización con amoníaco , morfolina , etanolamina o fosfato de sodio ), control de oxígeno disuelto en agua (por ejemplo, mediante la adición de hidrazina ), o adición de inhibidores de corrosión .

Para sistemas de agua a temperaturas relativamente bajas, los biocidas aplicados pueden clasificarse de la siguiente manera: compuestos inorgánicos de cloro y bromuro , cortadores de cloro y bromuro , cortadores de ozono y oxígeno , biocidas no oxidables . Uno de los biocidas no oxidables más importantes es una mezcla de clorometilisotiazolinona y metilisotiazolinona . También se aplican dibromitrilopropionamida y compuestos de amonio cuaternario . Para los cascos de barcos submarinos se aplican pinturas de fondo .

Los inhibidores de incrustaciones químicas pueden reducir las incrustaciones en muchos sistemas, principalmente al interferir con las etapas de cristalización, unión o consolidación del proceso de incrustaciones. Ejemplos de sistemas de agua son: agentes quelantes (por ejemplo, EDTA ), aminas alifáticas de cadena larga o poliaminas (por ejemplo, octadecilamina , helamina y otras aminas "formadoras de película"), ácidos fosfónicos orgánicos (por ejemplo, ácido etidrónico ) o polielectrolitos (por ejemplo, ácido poliacrílico , ácido polimetacrílico, normalmente con un peso molecular inferior a 10000). Para las calderas encendidas, los aditivos de aluminio o magnesio pueden reducir el punto de fusión de las cenizas y promover la creación de depósitos que son más fáciles de eliminar. Consulte también productos químicos de proceso .

El tratamiento magnético de agua ha sido objeto de controversia en cuanto a su eficacia para el control de las incrustaciones desde la década de 1950. La opinión predominante es que simplemente "no funciona". Sin embargo, algunos estudios sugieren que puede ser eficaz en algunas condiciones para reducir la acumulación de depósitos de carbonato de calcio.

En el nivel de diseño de componentes, el ensuciamiento a menudo (pero no siempre) se puede minimizar manteniendo una velocidad de fluido relativamente alta (por ejemplo, 2 m / s) y uniforme en todo el componente. Es necesario eliminar las regiones estancadas. Los componentes normalmente están sobrediseñados para adaptarse a las incrustaciones previstas entre limpiezas. Sin embargo, un sobrediseño significativo puede ser un error de diseño porque puede conducir a un aumento de la suciedad debido a velocidades reducidas. Los pulsos de presión periódicos en línea o el reflujo pueden ser efectivos si la capacidad se incorpora cuidadosamente en el momento del diseño. La capacidad de purga siempre se incorpora a los generadores de vapor o evaporadores para controlar la acumulación de impurezas no volátiles que causan o agravan las incrustaciones. Las superficies con poca suciedad (por ejemplo, muy lisas, implantadas con iones o de baja energía superficial como el teflón ) son una opción para algunas aplicaciones. Por lo general, se requiere que los componentes modernos estén diseñados para facilitar la inspección de los componentes internos y la limpieza periódica. Los sistemas de monitoreo de incrustaciones en línea están diseñados para alguna aplicación, de modo que se pueda aplicar soplado o limpieza antes de que sea necesario un apagado impredecible o se produzcan daños.

Se recomiendan procesos de limpieza química o mecánica para la eliminación de depósitos e incrustaciones cuando el ensuciamiento alcanza el punto de afectar el rendimiento del sistema o el inicio de una degradación significativa inducida por el ensuciamiento (por ejemplo, por corrosión). Estos procesos comprenden decapado con ácidos y agentes complejantes , limpieza con chorros de agua de alta velocidad ("punción de agua"), recirculación ("voladura") con metal, esponja u otras bolas, o propulsión de limpiadores de tubos mecánicos "tipo bala" fuera de línea. Mientras que la limpieza química causa problemas medioambientales a través de la manipulación, aplicación, almacenamiento y eliminación de productos químicos, la limpieza mecánica mediante bolas de limpieza circulantes o la limpieza "tipo bala" fuera de línea puede ser una alternativa más respetuosa con el medio ambiente . En algunas aplicaciones de transferencia de calor, la mitigación mecánica con intercambiadores de calor dinámicos de superficie raspada es una opción. También se encuentran disponibles métodos de limpieza ultrasónicos o abrasivos para muchas aplicaciones específicas.

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Referencias

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