Fouling - Fouling

Trocador de calor em uma usina a vapor , contaminado por macro incrustação
Tubo de condensador com resíduos de bioincrustação (corte aberto)
Tubo de condensador com incrustação de carbonato de cálcio (corte aberto)
Tubo de latão com traços de corrosão (corte aberto)
Relações de custo entre os tipos individuais de incrustação

A incrustação é o acúmulo de material indesejado em superfícies sólidas. Os materiais incrustantes podem consistir em organismos vivos ( bioincrustação ) ou uma substância não viva (inorgânica ou orgânica). A incrustação é geralmente diferenciada de outros fenômenos de crescimento de superfície porque ocorre na superfície de um componente, sistema ou planta desempenhando uma função definida e útil e que o processo de incrustação impede ou interfere nessa função.

Outros termos usados ​​na literatura para descrever a incrustação incluem formação de depósito, incrustação, crudding, deposição, incrustação, formação de incrustações, escória e formação de lamas. Os últimos seis termos têm um significado mais restrito do que fouling dentro do escopo da ciência e tecnologia de fouling, e eles também têm significados fora desse escopo; portanto, eles devem ser usados ​​com cautela.

Fenômenos de incrustação são comuns e diversos, variando de incrustação em cascos de navios, superfícies naturais no ambiente marinho ( incrustação marinha ), incrustação de componentes de transferência de calor por meio de ingredientes contidos na água de resfriamento ou gases e até mesmo o desenvolvimento de placa ou cálculo nos dentes ou depósitos em painéis solares em Marte, entre outros exemplos.

Este artigo é principalmente dedicado à incrustação de trocadores de calor industriais, embora a mesma teoria seja geralmente aplicável a outras variedades de incrustação. Na tecnologia de resfriamento e em outros campos técnicos, é feita uma distinção entre macro e microincrustação. Das duas, a microincrustação é a que geralmente é mais difícil de prevenir e, portanto, mais importante.

Componentes sujeitos a incrustação

Exemplos de componentes que podem estar sujeitos a incrustação e os efeitos correspondentes de incrustação:

  • Superfícies do trocador de calor - reduz a eficiência térmica, diminui o fluxo de calor, aumenta a temperatura no lado quente, diminui a temperatura no lado frio, induz à corrosão sob o depósito, aumenta o uso de água de resfriamento;
  • Tubulação, canais de fluxo - reduz o fluxo, aumenta a queda de pressão, aumenta a pressão a montante, aumenta o gasto de energia, pode causar oscilações de fluxo, lentidão no fluxo de duas fases, cavitação; pode aumentar a velocidade do fluxo em outro lugar, pode induzir vibrações, pode causar bloqueio do fluxo;
  • Cascos de navio - cria resistência adicional , aumenta o uso de combustível, reduz a velocidade máxima;
  • Turbinas - reduz a eficiência, aumenta a probabilidade de falha;
  • Painéis solares - diminui a energia elétrica gerada;
  • Membranas de osmose reversa - aumenta a queda de pressão, aumenta o gasto de energia, reduz o fluxo, falha da membrana (em casos graves);
  • Elementos de aquecimento elétrico - aumenta a temperatura do elemento, aumenta a corrosão, reduz a vida útil;
  • Canos de arma de fogo - aumenta a pressão da câmara; dificulta o carregamento de muzzleloaders
  • Combustível nuclear em reatores de água pressurizada - anomalia de deslocamento axial, pode ser necessário diminuir a taxa da usina;
  • Bicos de injeção / pulverização (por exemplo, um bico pulverizando um combustível em um forno) - quantidade injetada incorreta, jato malformado, ineficiência do componente, falha do componente;
  • Tubos de Venturi , placas de orifício - medição imprecisa ou incorreta da taxa de fluxo;
  • Tubos de Pitot em aviões - indicação imprecisa ou incorreta da velocidade do avião;
  • Eletrodos de vela de ignição em carros - falha de ignição do motor;
  • Zona de produção de reservatórios de petróleo e poços de petróleo - diminuição da produção de petróleo com o tempo; conectando; em alguns casos, a paralisação completa do fluxo em questão de dias;
  • Dentes - promove doenças nos dentes ou gengivas, diminui a estética;
  • Organismos vivos - a deposição de minerais em excesso (por exemplo, cálcio, ferro, cobre) nos tecidos está (às vezes de forma controversa) ligada ao envelhecimento / senescência .

Macro incrustação

Incrustação é causada por macro grosseiro questão de qualquer origem biológica ou inorgânico, por exemplo produzido industrialmente refugo . Essa matéria entra no circuito de água de resfriamento por meio das bombas de água de resfriamento de fontes como mar aberto , rios ou lagos . Em circuitos fechados, como torres de resfriamento , a entrada de macro incrustação na bacia da torre de resfriamento é possível através de canais abertos ou pelo vento. Às vezes, as partes internas da torre de resfriamento se destacam e são carregadas para o circuito de água de resfriamento. Essas substâncias podem sujar as superfícies dos trocadores de calor e causar a deterioração do coeficiente de transferência de calor relevante . Eles também podem criar bloqueios de fluxo, redistribuir o fluxo dentro dos componentes ou causar danos por atrito .

Exemplos
  • Recusa sintética;
  • Partes internas destacadas de componentes;
  • Ferramentas e outros "objetos estranhos" acidentalmente deixados após a manutenção;
  • Algas ;
  • Mexilhões ;
  • Folhas , partes de plantas até troncos inteiros .

Microincrustação

Quanto à microincrustação, as distinções são feitas entre:

  • Descamação ou incrustação por precipitação, como cristalização de sais sólidos , óxidos e hidróxidos de soluções de água (por exemplo, carbonato de cálcio ou sulfato de cálcio)
  • Incrustação de partículas , ou seja, acúmulo de partículas, normalmente partículas coloidais , em uma superfície
  • Incrustação por corrosão, ou seja, crescimento in-situ de depósitos de corrosão , por exemplo, magnetita em superfícies de aço carbono
  • Incrustação por reação química, por exemplo, decomposição ou polimerização de matéria orgânica em superfícies de aquecimento
  • Incrustação de solidificação - quando os componentes do fluido que flui com um alto ponto de fusão congelam em uma superfície sub-resfriada
  • Biofouling , como assentamentos de bactérias e algas
  • Incrustação composta, em que a incrustação envolve mais de um mecanismo de incrustação ou incrustação

Incrustação de precipitação

O acúmulo de calcário dentro de um tubo reduz o fluxo de líquido através do tubo, bem como reduz a condução térmica do líquido para o revestimento externo do tubo. Ambos os efeitos reduzirão a eficiência térmica geral do tubo quando usado como um trocador de calor .
Acúmulo extremo de incrustação no tubo de caldeira
Dependência da temperatura da solubilidade do sulfato de cálcio (3 fases) em água pura. A água é pressurizada de forma que pode ser mantida no estado líquido em temperaturas elevadas.

A incrustação ou incrustação por precipitação envolve a cristalização de sais sólidos , óxidos e hidróxidos de soluções . Estas são mais frequentemente soluções de água, mas a incrustação de precipitação não aquosa também é conhecida. A incrustação por precipitação é um problema muito comum em caldeiras e trocadores de calor que operam com água dura e geralmente resulta em calcário .

Por meio de mudanças de temperatura, ou evaporação ou desgaseificação do solvente , a concentração de sais pode exceder a saturação , levando à precipitação de sólidos (geralmente cristais).

Como exemplo, o equilíbrio entre o bicarbonato de cálcio prontamente solúvel - sempre prevalecente na água natural - e o carbonato de cálcio pouco solúvel , a seguinte equação química pode ser escrita:

O carbonato de cálcio que se forma por meio dessa reação precipita. Devido à dependência da temperatura da reação e ao aumento da volatilidade do CO 2 com o aumento da temperatura, a incrustação é maior na saída mais quente do trocador de calor do que na entrada do resfriador.

Em geral, a dependência da solubilidade do sal na temperatura ou presença de evaporação será frequentemente a força motriz para a incrustação por precipitação. A distinção importante é entre sais com dependência "normal" ou "retrógrada" da solubilidade na temperatura. Os sais com a solubilidade "normal" aumentam sua solubilidade com o aumento da temperatura e, portanto, sujam as superfícies de resfriamento. Sais com solubilidade "inversa" ou "retrógrada" sujarão as superfícies de aquecimento. Um exemplo da dependência da solubilidade com a temperatura é mostrado na figura. O sulfato de cálcio é uma contaminação comum por precipitação de superfícies de aquecimento devido à sua solubilidade retrógrada.

A incrustação de precipitação também pode ocorrer na ausência de aquecimento ou vaporização. Por exemplo, o sulfato de cálcio diminui sua solubilidade com a diminuição da pressão. Isso pode levar à precipitação de incrustação de reservatórios e poços em campos de petróleo, diminuindo sua produtividade com o tempo. A incrustação de membranas em sistemas de osmose reversa pode ocorrer devido à solubilidade diferencial do sulfato de bário em soluções de diferentes forças iônicas . Da mesma forma, a incrustação de precipitação pode ocorrer devido a alterações de solubilidade induzidas por outros fatores, por exemplo, flashing de líquido, desgaseificação de líquido, alterações de potencial redox ou mistura de fluxos de fluidos incompatíveis.

O seguinte lista algumas das fases industrialmente comuns de depósitos de incrustação de precipitação observados na prática para se formar a partir de soluções aquosas:

A taxa de deposição por precipitação é frequentemente descrita pelas seguintes equações:

Transporte:
Cristalização de superfície:
Geral:

Onde:

m - massa do material (por unidade de área de superfície), kg / m 2
t - tempo, s
C b - concentração da substância na massa do fluido, kg / m 3
C i - concentração da substância na interface, kg / m 3
C e - concentração de equilíbrio da substância nas condições da interface, kg / m 3
n1, n2 - ordem de reação para a reação de cristalização e o processo geral de deposição, respectivamente, adimensional
k t , k r , k d - constantes de velocidade cinética para o transporte, a reação de superfície e a reação de deposição geral, respectivamente; com a dimensão de m / s (quando n1 e n2 = 1)

Sujidade de partículas

A incrustação por partículas suspensas na água (" crud ") ou no gás progride por um mecanismo diferente da incrustação por precipitação. Este processo é geralmente mais importante para partículas coloidais , ou seja, partículas menores do que cerca de 1 μm em pelo menos uma dimensão (mas que são muito maiores do que as dimensões atômicas). As partículas são transportadas para a superfície por vários mecanismos e aí podem se fixar, por exemplo, por floculação ou coagulação . Observe que a fixação de partículas coloidais normalmente envolve forças elétricas e, portanto, o comportamento da partícula desafia a experiência do mundo macroscópico. A probabilidade de apego às vezes é chamada de " probabilidade de aderência ", P:

onde k d e k t são as constantes de taxa cinética para deposição e transporte, respectivamente. O valor de P para partículas coloidais é uma função da química da superfície, da geometria e das condições termohidráulicas locais .

Uma alternativa ao uso da probabilidade de aderência é usar uma constante de taxa de fixação cinética, assumindo a reação de primeira ordem:

e então os coeficientes cinéticos de transporte e fixação são combinados como dois processos que ocorrem em série:

Onde:

  • dm / dt é a taxa de deposição por partículas, kg m −2 s −1 ,
  • k a , k t e k d são as constantes de taxa cinética para deposição, m / s,
  • C i e C b são a concentração da partícula incrustante na interface e no fluido a granel, respectivamente; kg m -3 .

Sendo essencialmente um fenômeno de química de superfície , este mecanismo de incrustação pode ser muito sensível a fatores que afetam a estabilidade coloidal, por exemplo, potencial zeta . Uma taxa máxima de incrustação é geralmente observada quando as partículas de incrustação e o substrato exibem carga elétrica oposta, ou perto do ponto de carga zero de qualquer um deles.

Partículas maiores do que aquelas de dimensões coloidais também podem sujar, por exemplo, por sedimentação ("incrustação de sedimentação") ou deformação em aberturas de pequeno tamanho.

Com o tempo, o depósito de superfície resultante pode endurecer por meio de processos conhecidos coletivamente como "consolidação de depósito" ou, coloquialmente, "envelhecimento".

Os depósitos de incrustação particulados comuns formados a partir de suspensões aquosas incluem:

A incrustação por partículas de aerossóis de gás também é de importância industrial. As partículas podem ser sólidas ou líquidas. Os exemplos comuns podem ser incrustação por gases de combustão ou incrustação de componentes resfriados a ar por poeira no ar. Os mecanismos são discutidos em artigo sobre deposição de aerossol .

Incrustação de corrosão

Os depósitos de corrosão são criados in-situ pela corrosão do substrato . Eles se distinguem dos depósitos de incrustação, que se formam a partir de material originário ex-situ. Os depósitos de corrosão não devem ser confundidos com depósitos de incrustação formados por produtos de corrosão gerados ex-situ. Os depósitos de corrosão normalmente terão composição relacionada à composição do substrato. Além disso, a geometria das interfaces metal-óxido e óxido-fluido pode permitir a distinção prática entre os depósitos de corrosão e incrustação. Um exemplo de incrustação por corrosão pode ser a formação de um depósito de óxido de ferro ou oxihidróxido a partir da corrosão do aço carbono por baixo. A incrustação por corrosão não deve ser confundida com a corrosão por incrustação, ou seja, qualquer um dos tipos de corrosão que podem ser induzidos por incrustação.

Incrustação de reação química

As reações químicas podem ocorrer no contato das espécies químicas no fluido do processo com as superfícies de transferência de calor. Em tais casos, a superfície metálica às vezes atua como um catalisador . Por exemplo, a corrosão e a polimerização ocorrem na água de resfriamento para a indústria química, que possui um teor mínimo de hidrocarbonetos. Os sistemas de processamento de petróleo estão sujeitos à polimerização de olefinas ou deposição de frações pesadas ( asfaltenos , ceras, etc.). As altas temperaturas da parede do tubo podem levar à carbonização da matéria orgânica. A indústria de alimentos, por exemplo, processamento de leite, também experimenta problemas de incrustação por reações químicas.

A incrustação por meio de uma reação iônica com a evolução de um sólido inorgânico é comumente classificada como incrustação por precipitação (não incrustação por reação química).

Sujidade de solidificação

A incrustação de solidificação ocorre quando um componente do fluido que flui "congela" em uma superfície, formando um depósito de incrustação sólido. Os exemplos podem incluir a solidificação da cera (com um alto ponto de fusão) a partir de uma solução de hidrocarboneto, ou da cinza fundida (transportada em um gás de exaustão de forno) sobre uma superfície de trocador de calor. A superfície precisa ter uma temperatura abaixo de um certo limite; portanto, é dito que está sub-resfriado em relação ao ponto de solidificação do agente incrustante.

Bioincrustação

Um fragmento de uma eclusa de canal no norte da França, coberto com mexilhões-zebra

Biofouling ou incrustação biológica é o acúmulo indesejável de microrganismos, algas e diatomáceas , plantas e animais em superfícies, por exemplo, cascos de navios ou tubulações e reservatórios com água não tratada. Isso pode ser acompanhado por corrosão influenciada microbiologicamente (MIC).

As bactérias podem formar biofilmes ou limos. Assim, os organismos podem agregar em superfícies usando hidrogéis coloidais de água e substâncias poliméricas extracelulares (EPS) ( polissacarídeos , lipídeos, ácidos nucléicos, etc.). A estrutura do biofilme é geralmente complexa.

A incrustação bacteriana pode ocorrer em condições aeróbicas (com oxigênio dissolvido na água) ou anaeróbicas (sem oxigênio). Na prática, as bactérias aeróbias preferem sistemas abertos, quando oxigênio e nutrientes são fornecidos constantemente, geralmente em ambientes quentes e iluminados pelo sol. A incrustação anaeróbica ocorre mais frequentemente em sistemas fechados quando nutrientes suficientes estão presentes. Os exemplos podem incluir bactérias redutoras de sulfato (ou bactérias redutoras de enxofre ), que produzem sulfeto e frequentemente causam corrosão de metais ferrosos (e outras ligas). Bactérias oxidantes de sulfeto (por exemplo, Acidithiobacillus ), por outro lado, podem produzir ácido sulfúrico e podem estar envolvidas na corrosão do concreto.

Os mexilhões-zebra são um exemplo de animais maiores que causaram incrustações generalizadas na América do Norte.

Incrustações compostas

Incrustações compostas são comuns. Este tipo de incrustação envolve mais de um foulant ou mais de um mecanismo de incrustação trabalhando simultaneamente. Os múltiplos foulants ou mecanismos podem interagir uns com os outros, resultando em uma incrustação sinérgica que não é uma simples soma aritmética dos componentes individuais.

Sujidade em Marte

Os Rovers de Exploração de Marte da NASA ( Spirit and Opportunity ) experimentaram (presumivelmente) incrustação abiótica de painéis solares por partículas de poeira da atmosfera marciana. Alguns dos depósitos subsequentemente limpos espontaneamente . Isso ilustra a natureza universal dos fenômenos de incrustação.

Quantificação de incrustação

A maneira mais direta de quantificar a incrustação razoavelmente uniforme é declarando a carga média da superfície do depósito, ou seja, kg de depósito por m 2 de área de superfície. A taxa de incrustação será então expressa em kg / m 2 s, e é obtida dividindo a carga da superfície do depósito pelo tempo de operação efetivo. A taxa de incrustação normalizada (também em kg / m 2 s) será responsável adicionalmente pela concentração de incrustante no fluido de processo (kg / kg) durante as operações anteriores e é útil para a comparação das taxas de incrustação entre sistemas diferentes. É obtido dividindo a taxa de incrustação pela concentração de incrustação. A constante de taxa de incrustação (m / s) pode ser obtida dividindo a taxa de incrustação normalizada pela densidade de massa do fluido de processo (kg / m 3 ).

A espessura do depósito (μm) e a porosidade (%) também são frequentemente utilizadas para a descrição da quantidade de incrustação. A redução relativa do diâmetro da tubulação ou aumento da rugosidade da superfície pode ser de particular interesse quando o impacto da incrustação na queda de pressão é de interesse.

Em equipamentos de transferência de calor, onde a preocupação principal é muitas vezes o efeito da incrustação na transferência de calor, a incrustação pode ser quantificada pelo aumento da resistência ao fluxo de calor (m 2 K / W) devido à incrustação (denominado " resistência à incrustação " ), ou pelo desenvolvimento do coeficiente de transferência de calor (W / m 2 K) com o tempo.

Se o sub-depósito ou corrosão em fendas for uma preocupação primária, é importante observar a não uniformidade da espessura do depósito (por exemplo, ondulação do depósito ), incrustação localizada, empacotamento de regiões confinadas com depósitos, criação de oclusões, "fendas", "depósito tubérculos ", ou pilhas de lodo. Tais estruturas de depósito podem criar ambiente para corrosão de sub-depósito do material de substrato, por exemplo, ataque intergranular , corrosão por pite , corrosão sob tensão ou desperdício localizado. A porosidade e a permeabilidade dos depósitos provavelmente influenciarão a probabilidade de corrosão do sub-depósito. A composição do depósito também pode ser importante - mesmo os componentes menores dos depósitos às vezes podem causar corrosão severa do metal subjacente (por exemplo, vanádio em depósitos de caldeiras queimadas, causando corrosão a quente ).

Não existe uma regra geral sobre quanto depósito pode ser tolerado, depende do sistema. Em muitos casos, um depósito mesmo com alguns micrômetros de espessura pode ser problemático. Um depósito na faixa de milímetros de espessura será motivo de preocupação em quase todas as aplicações.

Progresso da incrustação com o tempo

O depósito em uma superfície nem sempre se desenvolve de forma constante com o tempo. Os seguintes cenários de incrustação podem ser distinguidos, dependendo da natureza do sistema e das condições termohidráulicas locais na superfície:

  • Período de indução . Às vezes, uma taxa de incrustação quase nula é observada quando a superfície é nova ou muito limpa. Isso é frequentemente observado em incrustação biológica e incrustação por precipitação. Após o "período de indução", a taxa de incrustação aumenta.
  • Sujeira "negativa". Isso pode ocorrer quando a taxa de incrustação é quantificada pelo monitoramento da transferência de calor. Quantidades relativamente pequenas de depósito podem melhorar a transferência de calor, em relação à superfície limpa, e dar uma aparência de taxa de incrustação "negativa" e quantidade total de incrustação negativa. A incrustação negativa é frequentemente observada sob condições de transferência de calor por ebulição nucleada (o depósito melhora a nucleação da bolha) ou convecção forçada (se o depósito aumentar a rugosidade da superfície e a superfície não for mais "hidraulicamente lisa"). Após o período inicial de "controle de rugosidade da superfície", a taxa de incrustação geralmente se torna fortemente positiva.
  • Incrustação linear. A taxa de incrustação pode ser constante com o tempo. Este é um caso comum.
  • Queda de incrustação. Nesse cenário, a taxa de incrustação diminui com o tempo, mas nunca cai a zero. A espessura do depósito não atinge um valor constante. O progresso da incrustação pode ser frequentemente descrito por dois números: a taxa de incrustação inicial (uma tangente à curva de incrustação no carregamento de depósito zero ou tempo zero) e a taxa de incrustação após um longo período de tempo (uma assíntota oblíqua à curva de incrustação) .
  • Incrustação assintótica. Aqui, a taxa de incrustação diminui com o tempo, até que finalmente chega a zero. Neste ponto, a espessura do depósito permanece constante com o tempo (uma assíntota horizontal ). Este é frequentemente o caso de depósitos relativamente macios ou pouco aderentes em áreas de fluxo rápido. A assíntota é geralmente interpretada como o carregamento do depósito em que a taxa de deposição é igual à taxa de remoção do depósito.
  • Acelerando incrustações. Nesse cenário, a taxa de incrustação aumenta com o tempo; a taxa de acúmulo de depósitos acelera com o tempo (talvez até que se torne limitado pelo transporte). Mecanicamente, este cenário pode se desenvolver quando a incrustação aumenta a rugosidade da superfície ou quando a superfície do depósito exibe maior propensão química à incrustação do que o metal puro subjacente.
  • Balanço de incrustação . Aqui, o carregamento de incrustação geralmente aumenta com o tempo (muitas vezes assumindo uma taxa geralmente linear ou decrescente), mas, quando analisado com mais detalhes, o progresso de incrustação é interrompido periodicamente e assume a forma de uma curva em dente de serra . As variações agudas periódicas na quantidade de incrustação aparente muitas vezes correspondem aos momentos de desligamentos do sistema, inicializações ou outros transientes em operação. As variações periódicas são frequentemente interpretadas como a remoção periódica de algum do depósito (talvez ressuspensão do depósito devido a pulsos de pressão, fragmentação devido a tensões térmicas ou esfoliação devido a transientes redox). A inertização de vapor foi postulada para ocorrer entre os depósitos parcialmente fragmentados e a superfície de transferência de calor. No entanto, outras razões são possíveis, por exemplo, aprisionamento de ar dentro dos depósitos de superfície durante desligamentos ou imprecisão das medições de temperatura durante transientes ("fluxo de temperatura").

Modelagem de incrustação

Esquema do processo de incrustação que consiste na deposição simultânea de incrustante e remoção de depósito.

A incrustação de um sistema pode ser modelada como consistindo em várias etapas:

  • Geração ou ingresso da espécie que causa a incrustação ("sourcing foulant");
  • Transporte de incrustantes com o fluxo do fluido do processo (mais frequentemente por advecção );
  • Transporte de incrustação da maior parte do fluido de processo para a superfície de incrustação. Este transporte é frequentemente por difusão molecular ou turbulento-redemoinho , mas também pode ocorrer por inércia inércia / impacção, interceptação de partículas pela superfície (para partículas com tamanhos finitos), eletroforese , termoforese , difusioforese , fluxo de Stefan (em condensação e evaporação), sedimentação , força Magnus (atuando em partículas giratórias), efeito termoelétrico e outros mecanismos.
  • Período de indução, ou seja, uma taxa de incrustação quase nula no período inicial de incrustação (observado apenas para alguns mecanismos de incrustação);
  • Cristalização suja na superfície (ou fixação da partícula coloidal, ou reação química, ou crescimento bacteriano);
  • Algumas vezes autoretardamento de incrustação, isto é, redução (ou potencialmente aumento) da taxa de cristalização / fixação devido a mudanças nas condições de superfície causadas pelo depósito de incrustação;
  • Dissolução do depósito (ou re-arrastamento de partículas fracamente aderidas);
  • Consolidação de depósitos na superfície (por exemplo, através do amadurecimento de Ostwald ou solubilidade diferencial no gradiente de temperatura) ou cimentação , que é responsável pelo depósito perdendo sua porosidade e se tornando mais tenaz com o tempo;
  • Descamação do depósito , desgaste por erosão ou esfoliação .

A deposição consiste no transporte para a superfície e posterior fixação. A remoção do depósito ocorre por meio da dissolução do depósito, re-arrastamento das partículas ou fragmentação do depósito, desgaste erosivo ou esfoliação. A incrustação resulta da geração de incrustação, deposição de incrustação, remoção de depósitos e consolidação de depósitos.

Para o modelo moderno de incrustação envolvendo deposição com re-arrastamento e consolidação de depósito simultâneo, o processo de incrustação pode ser representado pelo seguinte esquema:

      [taxa de acumulação de depósito] = [taxa de deposição] - [taxa de re-arrastamento de depósito não consolidado]

      [taxa de acumulação de depósito não consolidado] = [taxa de deposição] - [taxa de re-arrastamento de depósito não consolidado] - [taxa de consolidação de depósito não consolidado]

Seguindo o esquema acima, as equações básicas de incrustação podem ser escritas como segue (para condições de estado estacionário com fluxo, quando a concentração permanece constante com o tempo):

Onde:

  • m é o carregamento em massa do depósito (consolidado e não consolidado) na superfície (kg / m 2 );
  • t é tempo (s);
  • k d é a constante da taxa de deposição (m / s);
  • ρ é a densidade do fluido (kg / m 3 );
  • C m - fração de massa do agente incrustante no fluido (kg / kg);
  • λ r é a constante de taxa de re-arrastamento (1 / s);
  • m r é a carga de massa da fração removível (isto é, não consolidada) do depósito superficial (kg / m 2 ); e
  • λ c é a constante da taxa de consolidação (1 / s).

Este sistema de equações pode ser integrado (considerando que m = 0 e m r = 0 em t = 0) na forma:

onde λ = λ r + λ c .

Este modelo reproduz a incrustação linear, decrescente ou assintótica, dependendo dos valores relativos de k, λ r e λ c . A imagem física subjacente para este modelo é a de um depósito de duas camadas consistindo em uma camada interna consolidada e uma camada externa não consolidada solta. Esse depósito de duas camadas é frequentemente observado na prática. O modelo acima simplifica prontamente para o modelo mais antigo de deposição simultânea e re-arrastamento (que negligencia a consolidação) quando λ c = 0. Na ausência de consolidação, a incrustação assintótica é sempre antecipada por este modelo mais antigo e o progresso da incrustação pode ser descrito como:

onde m * é o carregamento de massa máximo (assintótico) do depósito na superfície (kg / m 2 ).

Uzun et al. (2019) fornecem uma abordagem simplificada para estimar o crescimento de bioincrustação dependente do tempo e seu efeito na resistência e potência do navio.

Importância econômica e ambiental da incrustação

A incrustação é onipresente e gera enormes perdas operacionais, semelhantes à corrosão. Por exemplo, uma estimativa coloca as perdas devido à incrustação de trocadores de calor em países industrializados em cerca de 0,25% de seu PIB . Outra análise estimou (para 2006) a perda econômica devido à incrustação de caldeiras e turbinas nas concessionárias da China em 4,68 bilhões de dólares, o que é cerca de 0,169% do PIB do país.

As perdas resultam inicialmente de transferência de calor prejudicada, danos de corrosão (em particular sub-depósito e corrosão em fendas ), queda de pressão aumentada, bloqueios de fluxo, redistribuição de fluxo dentro de componentes, instabilidades de fluxo, vibrações induzidas (possivelmente levando a outros problemas, por exemplo, fadiga ) , irritação , falha prematura de elementos de aquecimento elétrico e um grande número de outros problemas muitas vezes inesperados. Além disso, os custos ecológicos devem ser (mas normalmente não são) considerados. Os custos ecológicos surgem do uso de biocidas para evitar a bioincrustação, do aumento da entrada de combustível para compensar a redução da produção causada pela incrustação e do aumento do uso de água de resfriamento em sistemas de resfriamento de passagem única.

Por exemplo, a incrustação "normal" em uma unidade de estação de energia de 500 MW (energia elétrica líquida) acionada convencionalmente é responsável por perdas de saída da turbina a vapor de 5 MW e mais. Em uma estação de energia nuclear de 1.300 MW , as perdas típicas podem ser de 20 MW ou mais (até 100% se a estação for desligada devido à degradação de componentes induzida por incrustação). Em usinas de dessalinização de água do mar , a incrustação pode reduzir a taxa de saída ganha em porcentagens de dois dígitos (a taxa de saída ganha é um equivalente que coloca a massa do destilado gerado em relação ao vapor usado no processo). O consumo elétrico extra em resfriadores operados por compressor também está facilmente na área de dois dígitos. Além dos custos operacionais, também o custo de capital aumenta porque os trocadores de calor devem ser projetados em tamanhos maiores para compensar a perda de transferência de calor devido à incrustação. Para as perdas de produção listadas acima, é necessário adicionar o custo do tempo de inatividade necessário para inspecionar, limpar e reparar os componentes (milhões de dólares por dia de interrupção na receita perdida em uma usina elétrica típica), e o custo de realmente fazendo essa manutenção. Finalmente, a incrustação é frequentemente a causa raiz de problemas graves de degradação que podem limitar a vida útil de componentes ou de plantas inteiras.

Controle de incrustação

O método mais fundamental e geralmente preferido de controlar a incrustação é evitar a entrada das espécies incrustantes no circuito de água de resfriamento. Em estações de energia a vapor e outras grandes instalações industriais de tecnologia de água , a macroincrustação é evitada por meio de filtros de resíduos de água de pré- filtragem e resfriamento . Algumas fábricas empregam um programa de exclusão de objetos estranhos (para eliminar a possibilidade de introdução saliente de materiais indesejados, por exemplo, esquecimento de ferramentas durante a manutenção). O monitoramento acústico às vezes é empregado para monitorar o desgaste por partes destacadas. No caso de microincrustação, a purificação da água é obtida com métodos extensivos de tratamento de água, microfiltração , tecnologia de membrana ( osmose reversa , eletrodeionização ) ou resinas de troca iônica . A geração de produtos de corrosão nos sistemas de tubulação de água é muitas vezes minimizada pelo controle do pH do fluido do processo (normalmente alcalinização com amônia , morfolina , etanolamina ou fosfato de sódio ), controle do oxigênio dissolvido na água (por exemplo, por adição de hidrazina ), ou adição de inibidores de corrosão .

Para sistemas de água em temperaturas relativamente baixas, os biocidas aplicados podem ser classificados como segue: cloro inorgânico e compostos de brometo , clivadores de cloro e brometo , clivadores de ozônio e oxigênio , biocidas não oxidáveis . Um dos biocidas não oxidáveis ​​mais importantes é uma mistura de clorometil-isotiazolinona e metil- isotiazolinona. Também são aplicados nitrilopropionamida dibrom e compostos de amônio quaternário . Para cascos de navios subaquáticos, são aplicadas tintas de fundo .

Os inibidores químicos de incrustação podem reduzir a incrustação em muitos sistemas, principalmente interferindo nas etapas de cristalização, fixação ou consolidação do processo de incrustação. Exemplos de sistemas de água são: agentes quelantes (por exemplo, EDTA ), aminas alifáticas de cadeia longa ou poliaminas (por exemplo, octadecilamina , helamina e outras aminas "formadoras de filme"), ácidos fosfônicos orgânicos (por exemplo, ácido etidrônico ) , ou polieletrólitos (por exemplo, ácido poliacrílico , ácido polimetacrílico, geralmente com um peso molecular inferior a 10.000). Para caldeiras queimadas, os aditivos de alumínio ou magnésio podem diminuir o ponto de fusão das cinzas e promover a criação de depósitos que são mais fáceis de remover. Veja também produtos químicos de processo .

O tratamento magnético de água tem sido objeto de controvérsia quanto à sua eficácia no controle de incrustações desde a década de 1950. A opinião prevalecente é que simplesmente "não funciona". No entanto, alguns estudos sugerem que pode ser eficaz em algumas condições para reduzir o acúmulo de depósitos de carbonato de cálcio.

No nível de projeto do componente, a incrustação pode frequentemente (mas nem sempre) ser minimizada mantendo uma velocidade de fluido relativamente alta (por exemplo, 2 m / s) e uniforme em todo o componente. As regiões estagnadas precisam ser eliminadas. Os componentes são normalmente superdimensionados para acomodar a incrustação prevista entre as limpezas. No entanto, um sobredimensionamento significativo pode ser um erro de projeto porque pode levar a incrustações aumentadas devido a velocidades reduzidas. Pulsos de pressão on-line periódicos ou refluxo podem ser eficazes se a capacidade for cuidadosamente incorporada no momento do projeto. A capacidade de purga é sempre incorporada aos geradores de vapor ou evaporadores para controlar o acúmulo de impurezas não voláteis que causam ou agravam a incrustação. Superfícies de baixa incrustação (por exemplo, muito lisas, implantadas com íons ou de baixa energia superficial como o Teflon ) são uma opção para algumas aplicações. Normalmente, é necessário que os componentes modernos sejam projetados para facilitar a inspeção dos componentes internos e a limpeza periódica. Os sistemas de monitoramento de incrustação on-line são projetados para algumas aplicações, de forma que o sopro ou a limpeza possam ser aplicados antes que um desligamento imprevisível seja necessário ou ocorram danos.

Os processos de limpeza química ou mecânica para a remoção de depósitos e incrustações são recomendados quando a incrustação atinge o ponto de afetar o desempenho do sistema ou o início de degradação induzida por incrustação significativa (por exemplo, por corrosão). Esses processos compreendem decapagem com ácidos e agentes complexantes , limpeza com jatos de água de alta velocidade ("punção de água"), recirculação ("explosão") com metal, esponja ou outras bolas, ou impulsionando limpadores de tubos mecânicos off-line "tipo bala". Enquanto a limpeza química causa problemas ambientais através do manuseio, aplicação, armazenamento e descarte de produtos químicos, a limpeza mecânica por meio de bolas de limpeza circulantes ou limpeza off-line do tipo "bala" pode ser uma alternativa ambientalmente mais amigável . Em algumas aplicações de transferência de calor, a mitigação mecânica com trocadores de calor de superfície raspada dinâmica é uma opção. Também métodos de limpeza ultrassônicos ou abrasivos estão disponíveis para muitas aplicações específicas.

Veja também

Referências

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