El ensuciamiento es la acumulación de material no deseado en superficies sólidas. Los materiales incrustantes pueden consistir en organismos vivos ( biofouling ) 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 literatura para describir el ensuciamiento incluyen formación de depósitos, incrustaciones, trituración, deposición, incrustaciones, formación de incrustaciones, escoria y formación de lodos. Los últimos seis términos tienen un significado más limitado que ensuciamiento dentro del alcance de la ciencia y la tecnología de ensuciamiento, y también tienen significados fuera de este alcance; por lo tanto, deben usarse con precaución.
Los fenómenos de incrustación son comunes y diversos, y van desde la incrustación de los cascos de los barcos, las superficies naturales del medio marino ( marine fouling ), la incrustación de los componentes de transferencia de calor a través de ingredientes contenidos en el agua o los gases de refrigeración , e incluso el desarrollo de placa o cálculo 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 distingue entre macroincrustaciones y microincrustaciones. De los dos, el microfouling es el que suele ser más difícil de prevenir y por tanto más importante.
Ejemplos de componentes que pueden estar sujetos a incrustaciones y los efectos correspondientes de las incrustaciones:
La macroincrustación es causada por materia gruesa de origen biológico o inorgánico, por ejemplo, desechos producidos industrialmente . Estas materias entran en el circuito de agua de refrigeración a través de las bombas de agua de refrigeración procedentes de fuentes como mar abierto , ríos o lagos . En circuitos cerrados, como las torres de refrigeración , la entrada de macroincrustaciones en el depósito de la torre de refrigeración es posible a través de canales abiertos o por el viento. A veces, partes del interior de la torre de refrigeración se desprenden y son transportadas al circuito de agua de refrigeración. Estas sustancias pueden ensuciar las superficies de los intercambiadores de calor y 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 .
En cuanto a las microincrustaciones, se distingue entre: [7]
La incrustación por incrustación o precipitación implica la cristalización de sales , óxidos e hidróxidos sólidos a partir de soluciones . Generalmente se trata de soluciones acuosas, pero también se conocen incrustaciones por precipitación no acuosas. La contaminación por precipitaciones es un problema muy común en calderas e intercambiadores de calor que funcionan con agua dura y, a menudo, produce cal .
Mediante cambios de temperatura, o por evaporación o desgasificación del disolvente , la concentración de sales puede superar la saturación , dando lugar a una precipitación de sólidos (normalmente cristales).
Como ejemplo del 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 reacción con la temperatura y al aumento de la volatilidad del CO 2 al aumentar la temperatura, la incrustación 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 la temperatura o la presencia de evaporación será a menudo la fuerza impulsora del ensuciamiento por precipitación. La distinción importante es entre sales con una dependencia de la solubilidad "normal" o "retrógrada" de la temperatura. Las sales con 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 calefactoras. En la figura se muestra un ejemplo de la dependencia de la solubilidad con la temperatura. El sulfato de calcio es un ensuciador de precipitación común en las superficies de calefacción 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 que las precipitaciones contaminen los yacimientos y pozos en los campos petroleros, disminuyendo su productividad con el tiempo. [8] La contaminación 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 . [3] De manera similar, la contaminación por precipitación puede ocurrir debido a cambios de solubilidad inducidos por otros factores, por ejemplo, evaporación instantánea del líquido , desgasificación del líquido, cambios en el 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 a partir de soluciones acuosas:
La tasa de deposición por precipitación a menudo se describe mediante las siguientes ecuaciones:
dónde:
El ensuciamiento por partículas suspendidas en agua (" crud ") o en gas progresa mediante un mecanismo diferente al ensuciamiento por precipitación. Este proceso suele ser más importante para partículas coloidales , es decir, partículas menores que 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 mediante varios mecanismos y allí pueden fijarse, por ejemplo, mediante floculación o coagulación . Tenga en cuenta que la unión de partículas coloidales normalmente 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 apego " : [7]
donde y son las constantes de velocidad cinética para la deposición y el transporte, respectivamente. El valor de para partículas coloidales es función tanto de la química de la superficie, como de la geometría y las condiciones termohidráulicas locales.
Una alternativa al uso de la probabilidad de adherencia es utilizar una constante de velocidad de fijación cinética, asumiendo la reacción de primer orden: [10] [11]
y luego los coeficientes cinéticos de transporte y fijación se combinan como dos procesos que ocurren en serie:
dónde:
Al ser esencialmente un fenómeno de química superficial , este mecanismo de incrustación puede ser muy sensible a factores que afectan la estabilidad coloidal, por ejemplo, el potencial zeta . Generalmente se observa una tasa máxima de incrustación cuando las partículas de incrustación y el sustrato exhiben carga eléctrica opuesta, o cerca del punto de carga cero de cualquiera de ellos.
Las partículas mayores que las de dimensiones coloidales también pueden obstruirse, por ejemplo, por sedimentación ("incrustación por sedimentación") o por esfuerzo 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 partículas comunes formados a partir de suspensiones acuosas incluyen:
La contaminación por partículas de aerosoles de gas también tiene importancia industrial. Las partículas pueden ser sólidas o líquidas. Los ejemplos comunes pueden ser la contaminación por gases de combustión o la contaminación de componentes enfriados por aire por el polvo en el aire. Los mecanismos se analizan en el artículo sobre deposición de aerosoles .
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 los 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 contaminación por corrosión puede ser la formación de un depósito de óxido de hierro u oxihidróxido debido a la corrosión del acero al carbono que se encuentra debajo. La incrustación por corrosión no debe confundirse con la corrosión por incrustación, es decir, cualquiera de los tipos de corrosión que pueden ser inducidas por la incrustación.
Pueden ocurrir reacciones químicas al contacto de las especies químicas en el fluido del proceso con las 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 de procesamiento de petróleo son propensos a la polimerización de olefinas o a la deposición de fracciones pesadas ( asfaltenos , ceras, etc.). Las altas temperaturas de la pared del tubo pueden provocar la carbonización de la materia orgánica. La industria alimentaria, [12] por ejemplo el procesamiento de leche, [13] [14] también experimenta problemas de incrustaciones debido a reacciones químicas.
El ensuciamiento a través de una reacción iónica con un desprendimiento de un sólido inorgánico se clasifica comúnmente como ensuciamiento por precipitación (no ensuciamiento por reacción química).
La incrustación por solidificación ocurre cuando un componente del fluido que fluye se "congela" sobre una superficie formando un depósito sólido de incrustación. Los ejemplos pueden incluir la solidificación de cera (con un alto punto de fusión) a partir de una solución de hidrocarburos, o de cenizas fundidas (transportadas en los gases de escape de un horno) sobre la superficie de un intercambiador de calor. La superficie debe tener una temperatura por debajo de cierto umbral; por lo tanto, se dice que está subenfriado con respecto al punto de solidificación del incrustante.
El biofouling o incrustación biológica es la acumulación indeseable de microorganismos, algas y diatomeas , plantas y animales en superficies, como cascos de barcos y submarinos, o tuberías y depósitos con agua no tratada. Esto puede ir acompañado de corrosión influenciada microbiológicamente (MIC).
Las bacterias pueden formar biopelículas o limos. Así, los organismos pueden agregarse sobre superficies utilizando hidrogeles coloidales de agua y sustancias poliméricas extracelulares (EPS) ( polisacáridos , lípidos, ácidos nucleicos, etc.). La estructura de la biopelícula suele ser compleja.
La contaminación bacteriana puede ocurrir en condiciones aeróbicas (con oxígeno disuelto en agua) o anaeróbicas (sin oxígeno). En la práctica, las bacterias aeróbicas prefieren los sistemas abiertos, donde se suministra constantemente oxígeno y nutrientes, a menudo en ambientes cálidos e iluminados por el sol. 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 estar implicadas en la corrosión del hormigón.
Los mejillones cebra sirven como ejemplo de animales más grandes que han causado incrustaciones generalizadas en América del Norte.
Las incrustaciones compuestas son comunes. Este tipo de incrustación implica que más de un incrustante o más de un mecanismo de incrustación [15] funcionen simultáneamente. Los múltiples ensuciadores o mecanismos pueden interactuar entre sí dando como resultado un ensuciamiento sinérgico que no es una simple suma aritmética de los componentes individuales. [dieciséis]
Los vehículos de exploración de Marte de la NASA ( Spirit y Opportunity ) experimentaron (presumiblemente) contaminación abiótica de los paneles solares por partículas de polvo de la atmósfera marciana. [17] Posteriormente, algunos de los depósitos se limpiaron espontáneamente . Esto ilustra la naturaleza universal de los fenómenos de incrustación.
La forma más sencilla de cuantificar la incrustación bastante uniforme es estableciendo la carga superficial promedio del depósito, es decir, kg de depósito por m 2 de superficie. La tasa de incrustación se expresará entonces en kg/m 2 s y se obtendrá dividiendo la carga superficial del depósito por el tiempo efectivo de funcionamiento. La tasa de incrustación normalizada (también en kg/m 2 s) tendrá en cuenta adicionalmente la concentración de incrustación en el fluido del proceso (kg/kg) durante las operaciones anteriores y es útil para comparar las tasas de incrustación entre diferentes sistemas. Se obtiene dividiendo la tasa de incrustación por la concentración de incrustación. La constante de la tasa de incrustación (m/s) se puede obtener dividiendo la tasa de incrustación normalizada por la densidad de masa del fluido del proceso (kg/m 3 ).
El espesor del depósito (μm) y la porosidad (%) también se utilizan a menudo para describir la cantidad de incrustaciones. La reducción relativa del diámetro de la tubería o el aumento de la rugosidad de la superficie puede ser de particular interés cuando lo que interesa es el impacto de la incrustación en la caída de presión.
En los equipos de transferencia de calor, donde la principal preocupación suele ser el efecto de la incrustación en la transferencia de calor, la incrustación se puede cuantificar mediante el aumento de la resistencia al flujo de calor (m 2 K/W) debido a la incrustación (denominada " resistencia a la incrustación ") . ), o por el desarrollo del coeficiente de transferencia de calor (W/m 2 K) con el tiempo.
Si la principal preocupación es la corrosión debajo del depósito o en grietas , es importante tener en cuenta 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", [18] o montones de lodos. Tales estructuras de depósito pueden crear un ambiente para la corrosión bajo depósito del material del sustrato, por ejemplo, ataque intergranular , picaduras , fisuración por corrosión bajo tensión o desperdicio localizado. La porosidad y la permeabilidad de los depósitos probablemente influirán en la probabilidad de corrosión debajo del depósito. La composición de los depósitos también puede ser importante: incluso los componentes menores de los depósitos a veces pueden causar una corrosión severa del metal subyacente (por ejemplo, el vanadio en los depósitos de calderas encendidas causa corrosión en caliente ).
No existe una regla general sobre cuánto depósito se puede tolerar, depende del sistema. En muchos casos, un depósito de incluso unos pocos micrómetros de espesor puede resultar problemático. Un depósito de un espesor del rango milimétrico será motivo de preocupación en casi cualquier aplicación.
El depósito sobre una superficie no siempre se desarrolla de manera constante con el tiempo. Se pueden distinguir los siguientes escenarios de incrustación, dependiendo de la naturaleza del sistema y de las condiciones termohidráulicas locales en la superficie:
El ensuciamiento de un sistema se puede modelar como si consta de varios pasos:
El depósito consiste en el transporte a la superficie y posterior fijación. La eliminación de los depósitos se realiza mediante disolución del depósito, re-arrastre de partículas o desconchado del depósito, desgaste erosivo o exfoliación. La incrustación resulta de la generación de incrustaciones, deposición de incrustaciones, eliminación de depósitos y consolidación de depósitos.
Para el modelo moderno de incrustación que implica deposición con re-arrastre y consolidación simultáneos del depósito, [23] el proceso de incrustación se puede representar mediante el siguiente esquema:
[tasa de acumulación de depósitos] = [tasa de depósito] - [tasa de reincorporación de depósitos no consolidados]
[tasa de acumulación de depósitos no consolidados] = [tasa de deposición] - [tasa de reincorporación de depósitos no consolidados] - [tasa de consolidación de depósitos no consolidados]
Siguiendo el esquema anterior, las ecuaciones básicas de contaminación se pueden escribir de la siguiente manera (para condiciones de estado estacionario con flujo, cuando la concentración permanece constante con el tiempo):
dónde:
Este sistema de ecuaciones se puede integrar (tomando que m = 0 y m r = 0 en t = 0) a la forma:
donde λ = λ r + λ c .
Este modelo reproduce incrustaciones lineales, descendentes o asintóticas, dependiendo de 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 se observa a menudo un depósito de dos capas de este tipo. El modelo anterior se simplifica fácilmente al modelo anterior de deposición y re-arrastre simultáneos [24] (que ignora la consolidación) cuando λ c =0. En ausencia de consolidación, este modelo anterior siempre anticipa el ensuciamiento asintótico y el progreso del ensuciamiento se puede describir como:
donde m * es la carga de masa máxima (asintótica) del depósito en la superficie (kg/m 2 ).
La contaminación es omnipresente y genera enormes pérdidas operativas, similares a la corrosión. Por ejemplo, una estimación sitúa las pérdidas debidas a la contaminación de los intercambiadores de calor en los países industrializados en alrededor del 0,25% de su PIB . [25] Otro análisis [26] estimó (para 2006) las pérdidas económicas debidas a la contaminación de calderas y turbinas en los servicios públicos de China en 4,68 mil millones de dólares, lo que representa aproximadamente el 0,169% del PIB del país.
Las pérdidas inicialmente resultan de una mala transferencia de calor, daños por corrosión (en particular corrosión por debajo de los depósitos y en grietas ), aumento de la 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 [ 27] ), inquietudes , fallas prematuras de los elementos calefactores eléctricos y una gran cantidad de otros problemas a menudo imprevistos. Además, los costos ecológicos deberían considerarse (aunque normalmente no se consideran). Los costes ecológicos surgen del uso de biocidas para evitar la bioincrustación, del aumento del aporte de combustible para compensar la reducción de la producción causada por la incrustación y del mayor uso de agua de refrigeración en los sistemas de refrigeración de un solo paso.
Por ejemplo, la contaminación "normal" en una unidad de central eléctrica de 500 MW (potencia eléctrica neta) alimentada convencionalmente representa 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 y más (hasta el 100% si la central se apaga debido a la degradación de los componentes inducida por la contaminación). En las plantas desalinizadoras de agua de mar , el ensuciamiento puede reducir el ratio de producción ganada en porcentajes de dos dígitos (el ratio 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 las neveras portátiles con compresor también se sitúa fácilmente en la zona de los dos dígitos. Además de los costes operativos, también aumentan los costes de capital porque los intercambiadores de calor tienen que diseñarse en tamaños más grandes para compensar la pérdida de transferencia de calor debido a la contaminación. 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 parada en pérdida de ingresos en una planta de energía típica) y el costo de la producción real. haciendo este mantenimiento. Finalmente, la incrustación es a menudo la causa fundamental de graves problemas de degradación que pueden limitar la vida útil de componentes o plantas enteras.
El método más fundamental y generalmente preferido para controlar la incrustación es evitar la entrada de especies incrustantes en el circuito de agua de refrigeración. En las centrales eléctricas de vapor y otras grandes instalaciones industriales de tecnología hidráulica se evitan las macroincrustaciones mediante prefiltración y filtros de residuos de agua de refrigeración . Algunas plantas emplean un programa de exclusión de objetos extraños (para eliminar la posibilidad de introducción destacada de materiales no deseados, por ejemplo, olvido de herramientas durante el mantenimiento). A veces se emplea la monitorización acústica para controlar la fricción de las piezas desprendidas. En el caso del microfouling, la purificación del agua se consigue con amplios métodos de tratamiento del agua, microfiltración , tecnología de membranas ( ósmosis inversa , electrodosionización ) 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 del oxígeno disuelto en el agua (por ejemplo, mediante la adición de hidracina ), o adición de inhibidores de corrosión .
Para sistemas de agua a temperaturas relativamente bajas, los biocidas aplicados se pueden clasificar de la siguiente manera: compuestos inorgánicos de cloro y bromuro , disgregadores de cloro y bromuro , disgregadores 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 dibrom, nitrilopropionamida y compuestos de amonio cuaternario . Para los cascos submarinos de barcos se aplican pinturas de fondo .
Los inhibidores químicos de incrustaciones [28] pueden reducir la incrustación en muchos sistemas, principalmente al interferir con los pasos de cristalización, unión o consolidación del proceso de incrustación. Ejemplos de sistemas de agua son: agentes quelantes (por ejemplo, EDTA ), aminas o poliaminas alifáticas de cadena larga (por ejemplo, octadecilamina, helamina y otras aminas "filmógenas"), ácidos fosfónicos orgánicos (por ejemplo, ácido etidrónico ) , o polielectrolitos (por ejemplo, ácido poliacrílico , [29] ácido polimetacrílico, generalmente con un peso molecular inferior a 10000). Para 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. Véase también productos químicos de proceso .
El tratamiento magnético del agua ha sido objeto de controversia en cuanto a su eficacia para el control de incrustaciones desde la década de 1950. La opinión predominante es que simplemente "no funciona". [30] Sin embargo, algunos estudios sugieren que puede ser eficaz en algunas condiciones para reducir la acumulación de depósitos de carbonato de calcio. [31]
En el nivel de diseño del componente, la incrustación a menudo (pero no siempre) se puede minimizar manteniendo una velocidad del 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 la suciedad que se anticipa entre limpiezas. Sin embargo, un sobrediseño significativo puede ser un error de diseño porque puede provocar un aumento de la contaminación debido a la reducción de las velocidades. Los pulsos de presión en línea periódicos 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 la contaminación. Las superficies con poca contaminación (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 las partes internas y la limpieza periódica. Los sistemas de monitoreo de incrustaciones en línea están diseñados para algunas aplicaciones, de modo que se pueda aplicar soplado o limpieza antes de que sea necesario un apagado impredecible o que se produzcan daños.
Se recomiendan procesos de limpieza químicos o mecánicos para la eliminación de depósitos e incrustaciones cuando la contaminación llega al punto de afectar el rendimiento del sistema o comienza una degradación significativa inducida por la contaminación (por ejemplo, por corrosión). Estos procesos comprenden el decapado con ácidos y agentes complejantes , la limpieza con chorros de agua de alta velocidad ("punción de agua"), la recirculación ("granallado") con bolas de metal, esponjas u otras, o la propulsión de limpiadores de tubos mecánicos "tipo bala" fuera de línea. Mientras que la limpieza química causa problemas medioambientales debido a la manipulación, aplicación, almacenamiento y eliminación de productos químicos, la limpieza mecánica mediante bolas de limpieza circulares o la limpieza fuera de línea "tipo bala" 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.
