由布拉德·Buecker和普拉萨德Kalakodimi博士

埃斯特危象publico报做的se原en la航空杂志上他PPCHEM®杂志;PPCHEM®2021, 23 (5), 198 - 205;https://journal.ppchem.com/

Resumen

当然,热交换器是一个关键的组成部分权力和重型工业厂房。其中很多是水冷式,与源冷却塔冷却系统(通常称为公开)或有时直流冷却。“封闭”系统也存在,通常由主热交换器冷却,但其化学是明显不同于开放系统。成功的化学处理的各种各样的植物中冷却系统需要分析的许多因素,包括潜在的腐蚀,扩展,微生物污染、冶金系统、操作温度等,所有这些都在本文中进行了检查。还讨论了几种显著改善近年来化学治疗方案,改进,保持适当的传热和冷却系统的可靠性。

Introduccion

在蒸汽发电的植物,主要水冷热交换器是蒸汽表面冷凝器,除非,当然,植物有风冷冷凝器(ACC)。其他几个热交换器也存在,包括涡轮润滑油冷却器,轴承冷却水热交换器,氢冷却器。许多额外的热交换器是利用等大型工厂炼油厂,石化工厂等。广泛的设计是可能的:从壳管板框夹套系统等等。冷却系统可以打开或关闭。这些复杂的安排通常需要不同的治疗方法。此外,不同于现代发电厂,材料选择转向所有含铁金属冶金整个冷凝、给水/省煤器,锅炉,一些金属可能出现在工业系统。铜合金很常见在壳管热交换器管材料。

冷却系统性能影响因素

许多因素可以影响冷却系统和换热器性能和可靠性,一般表示图1中概述。

图1所示。corrosion-deposition-biofouling三角形。

这个图表表明,腐蚀、结垢、生物污染并不单独排斥。植物的化学处理程序需要考虑三个因素,事实上三角甚至可以扩展到包括环境问题[1]。在本文的第一部分中,我们将侧重于开放系统,主要提供的冷却塔。

打开冷却系统

并发问题的经典范例在图2中,可以看到显示多程tube-and-shell热交换器的冷却水当时对待传统的磷酸盐相关程序。

图2。多程换热器在磷酸项目前处理化学的变化。

在进口的热交换器(管底部的单元),腐蚀问题。在温暖的出口端(顶部),沉积和结垢。因此,这个项目并不是特别有效的减轻腐蚀或沉积取决于位置。稍后我们将回到这个例子。

从微生物的角度来看,冷却系统提供了一个理想的环境,温暖而潮湿,细菌增殖,形成殖民地。细菌可以生长在热交换器和冷却塔,真菌在冷却塔和木头,和藻类湿冷却塔组件暴露在阳光下。一个主要问题与微生物,尤其是一些细菌,是一旦他们解决表面,生物分泌多糖层(粘液)保护。这部电影会严重抑制传热,它还可以收集从水和淤泥厚增长,进一步降低热交换(参见图3)。生物膜传热限制更有效地比其他存款。此外,沉重的污垢可以大大降低流体流动,有时甚至完全阻塞。

图3。换热器管污染微生物和粘液。

在图1的另一个点头,最初的细菌形成的保护性粘液层存款允许厌氧和兼性细菌在蓬勃发展。这些微生物能产生酸和其他有害金属化合物直接攻击。微生物还存款建立细胞浓度,缺氧沉积导致这些位置下面成为暴露金属的阳极到其他领域。金属损失发生在阳极,点蚀的结果(见图4)。

图4。大型under-deposit腐蚀坑(删除了存款)不锈钢热交换器管。

当然,适当的化学控制以减少污染和可伸缩性是一个关键的方法来帮助保持热交换器的可靠性和性能,稍后我们将探索,但在其他壳管设计的一个好处是,在许多情况下,清除淤泥沉积和一些硬度由机械清洗化合物。机械清洗其他热交换器,例如板框单元(图5 b),可以更加困难,如果不是不可能的。

图5。一个单程板框式换热器的基本流程图。

图5 b。一个人从板框式换热器板。板的下部已经清洗水射流清洗,上部不清洁,表现出污垢,减少传热。

板块之间的窄间距提供了污垢和沉积的主要设置,如图5 b所示,盘子通常与波纹或类似的设计模式来提高流体湍流和热传递。即便如此,污垢和沉积不能完全阻碍了。

腐蚀/沉积问题的另一个非常重要的方面在热交换器壁表面,也称为皮肤的温度。散装而普遍增加冷却水温度的水通过换热器可以影响许多反应,额外的或更明显反应是可能的在金属表面,气温可能会明显高于在大体积的水。这是一个要考虑的因素在评估换热器设计、冶金、和化学治疗方案。

不要忘记你的冷却塔

冷却塔是一组热交换器容易腐蚀,缩放,尤其是污染。图6显示了冷却塔充满巨大的污染。在图6 b,长藻类线程挂在填补近冷却塔盆地。

图6 a。犯规冷却塔电影填补。

图6 b。严重的藻类的生长在一个冷却塔。

控制技术

治疗方法控制的“三巨头”问题解决了图1三角形这个杂志的作家在一篇文章[2]。事件回放:在上个世纪中叶,铬酸(阴极射线示波器₄^{2 -})加上硫酸腐蚀和规模控制饲料很受欢迎在许多冷却系统。铬酸盐被认为是阳极钝化剂,足够的剂量,它将形成一个完整的表层的铁铬酸(pseudo-stainless钢),可以完全保护。酸饲料保持冷却水内pH值6 5 - 7 0范围转换的碳酸氢盐离子(HCO₃^{- - - - - -})碱度有限公司₂逃,这是气体。减少碱度碳酸钙(CaCO潜力大大减少了₃)扩展,它通常是第一个矿床,否则沉淀没有治疗。铬酸盐/酸性化学非常简单和有效的;然而,环境问题与铬排放,特别是对六价铬的毒性(Cr^{6 +}),导致放弃这种方法。

然后进化磷酸盐化学治疗规模和防腐蚀。这些程序通常函数在一个温和碱性pH值范围约8日主,5,最大限度地减少腐蚀。化学也提供了额外的腐蚀保护,如磷酸反应与亚铁离子(Fe^{2 +})在阳极生产站点形成reaction-limiting存款,而磷酸钙(Ca₃(PO₄)₂)在当地的碱性环境沉淀阴极网站抑制电子转移。然而,即使小冷门磷酸项目可引起严重的磷酸钙污染,和一次,Ca₃(PO₄)₂沉积成为碳酸钙比例几乎一样大问题之前。治疗方法发展更为宽容的方法,有机磷酸盐(也称为膦酸酯)为骨干在许多情况下,与聚合物钙磷沉积控制补充。洛杉矶fosfonatos se unen洛depositos杜兰特苏formacion y alteran el crecimiento斯塔利拉雷西斯滕西亚y de la estructura cristalina。

即使有了这些改进,许多问题仍与磷酸/膦酸酯治疗,包括增加磷排放对环境的担忧。这些问题导致了先进方法与核心功能基于活性聚羟基淀粉化学抑制剂(RPSI)作为例证,例如,ChemTreat万搏manbext手机版FlexPro^®技术。由于许多活跃的站点上分子,这些化合物附着在贱金属,形成保护层。常见RPSI配方还包括先进的聚合物,由水晶修改和抑制结垢离子封存。图7显示了图2相同的换热器后FlexPro清洗和转换^®治疗。

图7。从图2在FlexPro热交换器^®化学。管基本上是免费的腐蚀和沉积。

大多数现代冷却塔化学处理程序运行在一个温和8的基本pH值范围内,主/ 5。氯气是微生物的主力治疗多年,虽然液体漂白剂(NaOCl)饲料气态氯取代许多植物由于安全原因。当添加氯水,下面的反应(Eq。(1))发生:

次氯酸(HOCl)是造成代理,和它的功能通过穿透细胞壁和细胞氧化内部组件。这种化合物的功效和杀伤力极大地受到pH值因为HOCl在水中的平衡性质,如情商所示。(2)。

OCl^{- - - - - -}是比HOCl较弱的抗微生物剂,可能是因为在OCl收费吗^{- - - - - -}离子不允许它有效地穿透细胞壁。次氯酸的离解急剧增加,pH值高于7,5。因为许多冷却塔规模/腐蚀处理程序运行在一个碱性pH值,氯化学一些应用程序可能不是最好的选择。氯效率进一步受到氨和有机物在水中,不可逆的化学反应和增加氯需求。

受欢迎的办法解决这个难题被溴化学,在氯氧化剂(漂白剂是常见的选择)和溴化钠(NaBr)混合在一个化妆水流,注入冷却水。这个化学产生次溴酸(HOBr)也有类似的杀戮权力HOCl但功能更有效地在图8碱性博士比较了离解HOCl和HOBr pH值的函数。

图8。离解HOCl和HOBr与pH值。

等设施炼油厂,化工厂,钢和造纸厂,食品和饮料工厂冷却系统等,往往与含有高有机物的海域,氮物种,或其他杂质,严重抑制传统氧化剂的性能。因此,ChemTreat研万搏manbext手机版究者改进和发展替代氧化农药可能在困难的冷却水中执行更有效。一个是monochloramine (NH)₂Cl)与精确的一代为每个应用程序。这种化合物是一种比氯或溴弱氧化剂,但研究和运行经验显示,化学在穿透比氯或溴更有效保护细菌粘液层消耗更强的氧化剂。

另一个选择是二氧化氯(ClO的专业解决方案₂)。这种化合物是一种选择性氧化剂,但即使是霍乱,它不与氨反应,积极与一些有机物反应低于氯。此外,化合物是不会受到博士现场二氧化氯代是必需的,因为大量的二氧化碳无法被安全地存储在容器或坦克。然而,大多数现代生产方法包括比过去的技术保障和安全检查。

对于那些工厂人员仍然希望使用漂白剂(次氯酸钠),但其冷却系统面临至少上面提到的一些挑战,卤素稳定剂的使用可能是一个不错的选择。这些产品通常包含卤素稳定器和bio-penetrant的组合。前者,顾名思义,稳定在溶液中氯和提供了一个控制释放。bio-penetrant艾滋病杀虫剂效果的不稳定保护黏液层允许访问底层生物氧化剂更好。

在一些植物,氧化剂饲料仅限于每天两个小时,这使微生物时间解决,形成殖民地从时期。因此,无氧化抗微生物剂的补充饲料可能每周的基础上可以非常有效地控制生物的生长。Nonoxidizers结合bio-penetrants降低整体氯的使用和不产生卤代有机副产品。下面的表1列出了一些最常见的nonoxidizers的属性。

手鼓1。无氧化杀菌剂。

仔细评估微生物物种的冷却水是必要的,以确定最有效的杀虫剂。不应使用抗菌化合物,甚至测试没有适当的监管机构的批准。他们必须被纳入工厂的排放许可证。同时,如同所有的化学品,安全与杀虫剂是一个至关重要的问题。安全数据表(SDS)指导方针应遵循这封信在处理这些产品。

关闭冷却水(CCW)治疗

许多植物有大量的热交换器,通常是嵌入在一个封闭的冷却水系统,拒绝热量的主要开放循环冷却系统(见图9)。

图9。一般主要open-recirculating的示意图和二次关闭冷却系统安排。

术语“封闭”冷却水系统有点用词不当,因为几乎所有系统有泄漏或小的损失,需要化妆。(如果发生严重的腐蚀,这些损失可能是巨大的。)对于系统的设计常常是一头槽水化妆和处理需求的变化。这样的安排可以让一些氧气进入冷却水,,当然,腐蚀电位的影响。

虽然可以利用水有不同的品质在公约体系中,一个共同的选择,和我们这里的重点,是表面处理冷凝或软化水。选择少冷凝在纯水最小化困难从结垢的可能性硬度化合物或腐蚀性药物如氯离子和硫酸盐。

公约系统的典型管道材料是碳钢,不锈钢或铜合金是常见的一种选择换热器管或板的板框交换机。其他金属包括铝或金属焊料中包含的配件在热交换器冷却线圈。当计划一个治疗计划,重要的是要知道整个系统冶金。

在阳极缓蚀剂缓慢反应,阴极,有时两个站点的电化学电池。很常见的治疗方法,基于成本和能力保护碳钢,亚硝酸盐应用通过注入亚硝酸钠(NaNO₂冷却回路)。碳钢是第一放在服务时,金属表面氧化层。而形成的氧化物涂层腐蚀机理,作为保护膜层下面的贱金属。然而,自然氧化层可以被机械破坏或渗透腐蚀的影响。亚硝酸盐形成铁钝化氧化膜在阳极,最终会覆盖整个钢铁表面。代表这个化学反应中概述Eq。(3)。

从这个等式指出一个重要方面是,亚硝酸盐反应产生氨,可以引入铜合金的腐蚀,特别是如果一个氧化元素或化合物如氧气也出现在水里。这些解决方案的pH值通常是调整一manx手机版系列8,5-11碱性化合物,如氢氧化钠或缓冲代理四硼酸钠,俗称硼砂。

一个关键概念对阳极抑制剂如亚硝酸盐是化学浓度应该不允许低于最小值。如果水平下降过低,阳极将开发在否则大阴极是什么环境下,建立本地化的网站非常强烈的腐蚀。穿墙让可能的结果。一个常见的亚硝酸盐浓度范围是500 - 1.500毫克∙L¹。作者与封闭的冷却系统无法维护,因为这个范围的重大泄漏。治疗被保护管道的其余部分从局部腐蚀。适当的应对这些问题是维修和更换腐蚀管道返回系统“封闭”状态。工厂管理并不总是同意这种哲学,因为任务的成本和复杂性。然而,大型泄漏需要大型化妆。过度喂养oxygen-saturated化妆传播腐蚀。

亚硝酸盐治疗的一个缺点是,化学作为营养对某些细菌,如Nitrobactera Agillis,将亚硝酸盐转化为硝酸盐(NO₃^{- - - - - -}),这反过来又可以产生大量粘液。作者布拉德Buecker曾经观察到nitrite-treated闭式冷却水系统在一家大型汽车组装厂,在微生物小口径的黏液限制流动冷却线圈的自动焊接设备。过热成为一个问题。此外,一些微生物,通过他们的代谢过程,产生酸和其他有害的副产品,可以直接攻击金属通过机制被称为微生物腐蚀(MIC)。

另一个腐蚀抑制剂的选择,虽然更贵,是钼酸(牛叫声₄^{2 -}),这是由添加钼酸钠(Na₂MoO₄冷却水)。铬酸盐、钼酸盐与铁结合形成钼酸亚铁(FeMoO的表层₄)。这种化合物提供良好的保护,尤其是对有害阴离子氯化物和硫酸盐。常见的剂量范围是200 - 1000毫克∙L¹,典型的9日推荐的pH值范围划分,0。亚硝酸盐、铬酸盐可以提供一个协同效应,混合的亚硝酸盐提高钼酸结合紧缩。通常在这种情况下,每个化学的控制范围是略低于如果单独使用。

其他保护方法是可用的,包括硅酸盐的保护和使用还原剂如肼保持被动的铁₃O₄碳钢(磁铁矿)层和氧化亚铜(铜₂O)对铜合金。然而,对于铜合金、唑化学通常是最好的选择。一个常见的唑组的成员,是tolyltriazole (TTA),其结构如图10所示。

图10。TTA的基本结构。

在利用基本的解决方案,这是常见的亚硝酸盐和钼酸manx手机版分子deprotonates(失去氢离子)和氮债券铜表面。有机化合物形成的环板膜保护贱金属。

《微生物控制

在一个封闭的系统,没有有机负荷,理论上条件不利的微生物污染。然而,正如已经指出的那样,污染问题可以在一些系统中,特别是那些使用某种形式的有机化合物,例如,唑类或分散剂,可以为微生物分解和提供食物。添加亚硝酸盐等营养,或其反应产物,硝酸,可能出现严重问题。如果系统利用水冷凝以外,其他微生物,如硫酸盐还原细菌可能激增。

因此,微生物的治疗是必要的,但与开放的冷却系统,氧化杀菌剂通常不使用在封闭系统。氧化剂可以与一些缓蚀剂如亚硝酸盐反应或介绍腐蚀性的物种,例如,氯,水。无氧化杀菌剂是首选,其中一些已经开放系统上面所讨论的。

结论

大型工业厂房通常有大量的热交换器,通常是许多不同的尺寸,设计和冶金。“一刀切”的化学程序不会为这些复杂的工作安排,和每个系统的深入分析是适合优化化学治疗方案。热交换器列表中包括冷却塔,这常常坐在远远的角落植物或最重要的建筑,那里往往是最小的注意,直到发生破坏。

当然,每个系统都是不同的,都有独特的治疗需求,和尽职调查是必要的,以确定使用这些方法的可行性。总是咨询你的设备手册和指南和接触水处理专业之前修改您的系统和治疗过程。

Referencias

1。Buecker B。,“Environmental Considerations in the Advancement of Cooling Treatment Technology”,水技术2021年,44 (3)。可以从https://www.watertechonline.com。

2。帖子,r . M。,Kalakodimi, R. P., and Buecker, B., “An Evolution in Cooling Water Treatment”,动力装置化学杂志2018年,20 (6),346。

洛杉矶奥特

布拉德Buecker(学士,Chemistry, Iowa State University, Ames, IA, USA) is a Senior Technical Publicist with ChemTreat. He has many years of experience in or affiliated with the power industry, much of it in steam generation chemistry, water treatment, air quality control, and results engineering positions with City Water, Light & Power (Springfield, IL, USA) and the Kansas City Power & Light Company’s (now Evergy) La Cygne, KS, USA, generating station. He also spent two years at a chemical manufacturing plant and an additional 11 years at two engineering firms. He is a member of the ACS, AIChE, ASME, AIST, AMPP (NACE), the Electric Utility Chemistry Workshop planning committee, and the Power-Gen International planning committee. Mr. Buecker has authored many articles and three books on power plant topics.

普拉萨德Kalakodimi(硕士,Physical Chemistry, Andhra University, Andhra Pradesh, India, Ph.D., Electrochemistry, Indian Institute of Science, Bangalore, India) received his Ph.D. in 2003. Dr. Kalakodimi is currently the Director of Applied Technology for ChemTreat, Inc., in Glen Allen, VA. Prior to joining ChemTreat, Dr. Kalakodimi served as the engineering technical leader at the GE India Technology Centre in Bangalore and as product manager for chemicals and monitoring solutions for GE Water. He has over 20 patent filings, 20 international publications, and various conference presentations.

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