Efficiency of cold mitreh solution in removing scale from open circuit cooling systems

چکیده:

در بسیاری از دستگاه های صنعتی، مسئله ی انتقال حرارت یک موضوع مهم و تاثیر گذار در بازدهی آن دستگاه می باشد. فرایند تبادل گرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی از هم جدا شده اند در بسیاری از کاربردهای مهندسی روی می دهد. با توجه به کاربرد وسیع مبدل های حرارتی، تحقیق درباره آن ها سابقه ای طولانی دارد. بنابراین یافتن راه هایی برای بهبود طراحی و عملکرد مبدل های حرارتی و افزایش بازده انتقال حرارت در این مبدل ها از اهمیت بسیاری برخورددار است. البته این فعالیت ها با توجه به بحران انرژی به طور مستمر باید افزایش یابد. از جمله مشکلات بسیار مهم و پرهزینه ای که هر صنعت با آن روبروست بحث تشکیل رسوبات روی سطوح مبدل حرارتی در ضمن کار می باشد که باعث افزایش مقاومت در برابر انتقال حرارت بین دو سیال و ایجاد خوردگی در سیستم ها می باشد. در صنعت جهت کاهش این رسوبات از روش ها و مواد متفاوتی استفاده می شود که برخی از این مواد در راستای جلوگیری از ایجاد رسوب، برخی جهت رسوب برداری و برخی جهت ایجاد لایه های نازکی برای محافظت از فلز جداره استفاده می گردد.

هدف از پژوهش حاضر، بررسی میزان کارایی محلول میتره ی رسوب بردار MDA0102 در محیط آب صنعتی طبق استاندارد NACE در دو محیط کربنات کلسیم و سولفات کلسیم و مقایسه با اسید شویی می باشد. بر اساس این تحقیق، این محلول بر خلاف محلول های مورد استفاده در اسید شویی که خوردگی را به شدت افزایش می دهند، یک محلول غیر خورنده به نظر می رسد. همچنین نتایج حاصل از کوپن گذاری حاکی از این مسئله بود که وجود محلول رسوب بردار میتره با تشکیل یک لایه ی نازک روی سطح در حال انتقال حرارت از وقوع خوردگی بیشتر جلوگیری خواهد کرد. نتایج حاصل از آزمایشات آنالیز آب نشان دادند که مقدار ذرات جامد معلق و محلول در آب بعد از افزایش رسوب بردار بسیار بیشتر شده است که نشان از قدرت بسیار بالای این محلول در حل کردن رسوبات دارد. نکته مهم دیگر استفاده از پسماند این محلول در آبیاری فضای سبز است.

مقدمه

آب مایه حیات و تداوم زندگی موجودات زنده، وابسته به آن است. همچنین آب عامل اساسی در پیدایش اجتماعات و تمدنهای بشری است. امروزه حجم کل آب کره زمین که منبع زندگی تمام موجودات به شمار میرود از زمان تشکیل تاکنون، تقریبا ثابت و غیرقابل تغییر مانده است. این منابع آب حدود 4/5 میلیارد سال پیش به وجود آمده است. مقدار کل آب موجود در کره زمین 1650 میلیون کیلومتر مکعب است، که تقریبا 97 درصد از آن برای مصارف انسانی غیرقابل استفاده اند و تنها سه در صد منابع آب شیرین وجود دارد که در مجموع 78 درصد از منابع آب شیرین هم به طور مستقیم در دسترس نیستند به این دلیل که یا در یخچالها و سفره های آب زیرزمینی قرار دارند، یا اینکه آلوده شده اند. در یک قرن گذشته با افزایش جمعیت و بالا رفتن استاندارد زندگی، رشد اقتصادی و پیشرفتهای صنعتی و توسعه کشاورزی، مصرف آب افزایش یافته و این امر منجر به کاهش سرانه آب شده است. در حال حاضر مصرف آب سه برابر شده که از این مقدار 230 درصد ناشی از رشد جمعیت و بقیه نتیجه افزایش سرانه مصرف آب بوده است. در طول قرن گذشته بهره برداری از منابع آب جهان هفت برابر و مصارف صنعتی 30 برابر شده است و تقاضا بر آب هرسال 2/3 درصد افزایش می یابد. میزان متوسط بارش در ایران 248 میلیمتر یا 413 میلیارد مترمکعب است. این میزان یک سوم متوسط بارش در جهان است. به این ترتیب درحالی که یک درصد جمعیت جهان در ایران زندگی می کنند، سهم ایران از منابع آب تجدید پذیر فقط 36 صدم درصد است. از 413 مترمکعب بارش سالانه 269 مترمکعب هم به اشکال مختلف از دست میرود. با توجه به اینکه 92 درصد آب مصرفی در کشور مربوط به بخش کشاورزی است متوسط مصرف آب جهانی در بخش کشاورزی 70 درصد است که این آمار نشان می دهد ایران 22 درصد بیشتر از متوسط جهانی مصرف دارد. سالانه در کشور 95 میلیارد مترمکعب آب مصرف می شود که 92 درصد آن در بخش کشاورزی، 6 درصد در بخش شرب و خانگی روستایی و شهری، 1/5 درصد در بخش صنعت و 5 درصد در بخش عمومی و پارکها مصرف می شود. مصرف 92 درصد آب در بخش کشاورزی بسیار بالاست چرا که متوسط مصرف آب در جهان در بخش کشاورزی 70 درصد بوده و حتی برخی از کشورها موفق شده اند این مصرف را به 50 درصد کاهش دهند. متوسط مصرف آب در بخش شرب در جهان 10 تا 12 درصد است درحالی که در کشور این میزان 6 درصد است. اما مصرف آب در بخش صنعت بسیار پایین است که باید الگوی مصرف آب در بخش صنعت در اولویت قرار بگیرد منتها همین اتفاق باعث مشکلات عدیده ای در به وجود آمدن رسوب گردیده است که ضمن بررسی آن می بایستی نسبت به کنترل و پیشگیری از آن اقداماتی را مبذول داشت تا جایی که این تغییر نگرش منجربه تغییر الگو رفتاری گردد و پیشگیری از تشکیل رسوب و کنترل سختی جایگزین اسیدشویی گردد. رابطه مستقیم منابع آب و رسوب به طور مستقیم بر هم اثرگذار هستند بدین معنی که هر چه آب فراوان تر و در دسترس تر باشد کنترل و نگهداری از تاسیسات همراه با دانش فنی آسان تر شده و هزینه های جاری صنعتگران نیز کاهش میابد. حال با توجه به منابع آبی بسیار کم و سختی آب که به واسطه چاههای آهکی که بیشتر منابع آبی صنعت گران را در ایران تشکیل می دهد شایسته هست که کنترل و نگهداری با روشهای مدرن را جایگزین دستگاههای قدیمی کرده و ضمن بهره وری بالا در کلیه سیستمهای حرارتی و برودتی در حفظ تاسیسات در برابر خوردگی دقت بیشتری به عمل بیاوریم.

تعریف واژه رسوب:

زمانی که از آب به عنوان یک سیال حرارتی استفاده می شود، املاح و سختی موجود در آب بر اثر شوک دما جدا شده و بر روی سطوح نشست کرده و رسوب ایجاد می شود. این رسوبات از مهمترین عوامل فرسایش و خوردگی در تاسیسات حرارتی و برودتی هستند. وجود رسوبات علاوه بر ایجاد فرسایش و خوردگی، مقدار قابل توجهی از انرژی را نیز به دلیل عدم تبادل حرارت به هدر داده و راندمان تاسیسات را کاهش می دهد. اثر رسوب بر اتلاف انرژی موضوعی است که امروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است به طوری که سالیانه 45 میلیارد دلار هزینه اتلاف انرژی ناشی از رسوب در تمامی کشورها تخمین زده می شود که این رقم معادل 2 % تولید خالص جهان است.

مشکلات ایجاد رسوب در تاسیسات

 افزایش رسوبات مشکلات و معضلاتی را در پی دارد که از عمده ترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1. کاهش شدید انتقال حرارت سیستم
2. کاهش سرعت و میزان آب در گردش سیستم
3. خوردگی بویلرها و دیگر سیستمهای حرارتی
4. پایین آمدن کیفیت بخارآب تولیدی
5. اتلاف مواد شیمیایی
6. باقی گذاردن لکه روی محصولات و مواد غذایی و نساجی
7. افزایش میزان حرارت و انرژی مورد نیاز جهت عملکرد سرمایش و گرمایش
8. کاهش شدید راندمان سیستم جهت حذف رسوبات باقیمانده

مشکلاتی که بر اثر رسوب در برج خنک کننده - کولینگ تاور ایجاد می شود

1. کاهش راندمان تبخیر و کاهش ظرفیت برج خنک کن
2. گرفتگی و بسته شدن پکینگ کولینگ تاور
3. ایجاد رسوب در نازل برج خنک کننده و گرفتگی آن
4. گرفتگی لوله های متصل به برج خنک کننده
5. افزایش مصرف آب و برق در برج خنک کن

متصدیان تاسیسات با هر نوع سیستم تصفیه پس از مدتی با میزان قابل توجهی از رسوبات روبرو خواهند شد که ناگزیر از انحلال آنها هستند. از بین بردن رسوبات باقیمانده توسط اسید انجام خواهد شد. در صنایع مختلف از مواد شیمیایی گوناگونی استفاده میگردد، اما در روش کلی استفاده مشابهت فراوانی وجود دارد.

راه های از بین بردن رسوبات ایجاد شده

همانطور که در مباحث قبلی شرح داده شد جهت جلوگیری از ورود آب سخت و رسوب گذاری از روش های متفاوتی استفاده می شود که عدم کارایی کامل این روش ها باعث ایجاد رسوب و مضرات ناشی از آن می گردد. لذا بدیهی است که باید رسوبات ایجاد شده از سیستم زدوده شود. در زیر انواع روش ها را با یکدیگر مقایسه می کنیم.

1. اسیدشویی
2. روش های فیزیکی ( سیخ و مته زدن و...)
3. مواد شیمیایی غیراسیدی

معایب اسید شویی

از عمده ترین معایب استفاده از اسید که به عنوان آخرین راهکار کنترل رسوبات پذیرفته شده به موارد زیر میتوان اشاره کرد:

1. خطرات و عدم ایمنی مناسب برای مصرف کننده و ایجاد مسمومیتهای ناشی از گاز تولیدی هنگام استفاده
2. ایجاد خوردگی شدید در لوله و تاسیسات به علت مشکلات ناشی از عدم کنترل دقیق اسید حین و پس از شستشو که گاهی تا نابودی تاسیسات پس از چندین نوبت استفاده ادامه می یابد
3. عدم استاندارد و اطلاعات کافی و یکسان در مورد نحوه انتخاب مواد مورد نیاز، در سیستمهای مختلف و مقدار مصرف که منجر به بی نظمی در استفاده از آن در صنایع گوناگون شده است
4. تولید پسابهای آلوده و آلودگی شدید زیست محیطی با توجه به گسترش مصرف و نفوذ این مواد به سطح خاک و آبهای زیرزمینی
5. توقف کامل سیستم در حین اسید شویی
6. عدم رسوب برداری کامل تاسیسات

معایب روش های فیزیکی

از جمله معایب روش های فیزیکی رسوب برداری مانند سیخ زدن، مته زدن، فرچه کشیدن و... می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. رسوب برداری ناقص
2. دفرمه شدن(deformation) تاسیسات
3. خسارت و صدمات فیزیکی به سیستم ها
4. عدم وجود استاندارد عملکرد
5. توقف سیستم (shut down-overhaul)        

مواد شیمیایی غیراسیدی

این محصولات به خاطر صرفه جویی در انرژی، آب و افزایش بهره وری و کاهش استهلاک در نظر گرفته شده اند. این ماده بسیار ارزشمند با قدرت و ماندگاری بالا رسوبات قبلی سیستم را از بین برده و مهم تر این که سیستم را به مدت طولانی نسبت به رسوب گذاری جدید و خوردگی ایمن می سازد.

این ماده ها غیراسیدی و غیر خورنده اند و هیچ گونه زیانی بر تاسیسات و تجهیزات نخواهد داشت. این روش علاوه بر جلوگیری از هدر رفت انرژی از لحاظ اقتصادی نیز بسیار باصرفه می باشد.

برخی از مزایای مهم مواد شیمیایی غیر اسیدی

1. پیشگیری از تشکیل رسوب پیشگیری از ایجاد خوردگی
2. غیر اسیدی غیرخورنده
3. رسوب برداری بدون توقف سیستم رسوب برداری کامل تاسیسات
4. دوستدار محیط زیست گستره وسیع عملیاتی در صنعت

محلول معرفی شده رسوب بردار به این سیستم، یک رسوب بردار میتره سرد تولیدی شرکت آبریزان با نام MDA0102 است، تاکنون بارها جهت رسوب برداری در برج خنک کننده مدار باز مورد استفاده قرار گرفته اند. در این پروژه هدف، بررسی کارایی میزان عملکرد این رسوب بردار در محیط آب های صنعتی و مقایسه با اسید شویی و چگونگی بررسی این رفتارها نیز در محیط شبیه سازی شده با برج های خنک کننده مورد استفاده در صنایع، با مقایسه نتایج حاصل از تست های کوپن گذاری و آنالیز آب در حضور و عدم حضور رسوب بردار صورت گرفت.

روش انجام کار

شمای کلی پایلوت که یک برج خنک کننده با ظرفیت 80 لیتر و یک مدار گردش آب (مدار رک خوردگی) است خروجی مدار به ورودی برج خنک کننده و ورودی آن به خروجی برج خنک کننده متصل است.

شکل (1): شمای کلی پایلوت مورد استفاده در بررسی رسوب برداری با استفاده از MDA0102

برای بررسی رفتار و کارایی رسوب بردار تولیدی شرکت آبریزان با نام MDA0102، ابتدا نمونه ی آبی باید تهیه می شد که ترکیبات قابل ترسیب مانند کربنات کلسیم و منیزیم، فسفات کلسیم، سولفات کلسیم و منیزم و سیلیس به مقدار بالا در آن موجود باشد. متداول ترین آن ها نیز فسفات کلسیم و کربنات کلسیم است. برای این کار، یک نمونه آب سنگین یا آبی با سختی بالا که حاوی ذرات جامد زیادی است از آب رودخانه کارون برداشت گردید، بعد از پاک سازی و تمیز کردن سیستم خنک کننده، به آن وارد شد. هدف از این کار تنها ایجاد رسوب جهت آمادگی برای امر رسوب برداری می باشد، هیچ استاندارد خاصی برای ایجاد رسوب وجود ندارد و تنها جهت رسوب گذاری این کار انجام شده است تا یک حجم رسوب خاصی برای رسوب برداری فراهم گردد.

شکل (2): تهیه آب سنگین و تمیز کاری پایلوت پیش از شروع آزمایش

کوپن هایی از جنس آهن C1010 و مس جهت اندازه گیری نرخ خوردگی و کوپن رسوب گیری از جنس C1010 جهت اندازه گیری نرخ رسوب گذاری ابتدا وزن و سپس در رک خوردگی نصب گردیدند (شکل (3)).

شکل (3): اندازه گیری وزن سه کوپن خوردگی و رسوب گیری بر پایه آهن و مس برای آزمون

کوپن ها در یک دوره ی  یک ماهه در معرض جریان آب قرار گرفته و میزان خوردگی آن ها بر حسب mpy با روش اندازه گیری کاهش وزن کوپن ها بدست آمد.

به منظور بررسی نرخ رسوب گیری نیز از کوپن رسوب استفاده شده است.

آنالیز آب تازه ی ورودی به حوضچه برج خنک کننده و آنالیز XRD نیز انجام و خواص فیزیکی آن نیز اندازه گیری شد. بعد از رسوب برداری نیز آنالیز صورت گرفته است. عکس برداری نیز بر روی سطوحی که تشکیل رسوب بر روی آن ها وجود داشت، انجام شد. رسوب بردار مورد نظر در شرایط رسوب و ته نشینی مساوی ( آب سنگین، دما، کوپن های خوردگی و رسوب و ... ) به کار برده شد و کارایی و اثر گذاری آن با اسید شویی مقایسه شد.

بحث و نتایج

رسوب و ته نشینی ذرات جامد در آب در حال گردش در برج خنک کننده، خوردگی و رشد میکروبی و همچنین مواردی از این دست را می تواند به همراه داشته و باعث ایجاد مشکلات فنی متعدد در سیستم شده و حتی مسیر تولید را در صنایع تغییر دهد. این جامدات می توانند، جامدات محلول و جامدات معلق (جزئی که به وسیله ی صافی نگه داشته می شود)، باشند.

همانطور که قبلا گفته شد، برای بررسی رفتار و کارایی محلول رسوب بردار MDA0102، ابتدا نمونه ی آبی باید تهیه شود که ترکیبات قابل ترسیب مانند کربنات کلسیم و منیزیم، فسفات کلسیم، سولفات کلسیم و منیزم سیلیس به مقدار بالا در آن موجود باشد. آنچه هدف رسوب برداری است در واقع همان رسوبات کربنات و سولفات کلسیم و منیزیمی است که در بالا به آن اشاره شد. برای این کار یک نمونه آب سنگین یا آبی با سختی بالا که حاوی ذرات جامد زیادی است، بعد از پاک سازی و تمیز کردن سیستم خنک کننده به آن وارد شد این آب از رودخانه کارون تهیه گردید. سپس این آب مدتی در سیستم برج خنک کننده می ماند تا رسوب به میزان لازم در آن تشکیل شود. همانطور که در شکل زیر (شکل (4)) دیده می شود، رسوب مورد نیاز بعد از گذشت سه هفته مشهود شد. در ابتدا قبل از استفاده از رسوب بردار میتره MDA0102، رسوبات موجود در برج خنک کننده ی پایلوت مورد آنالیز شیمیایی قرار گرفتند. به منظور بررسی تعیین جنس رسوبات از آنالیز فازی XRD استفاده شد. آب چرخشی موجود در سیستم قبل از اضافه شدن رسوب بردار و بعد از اضافه شدن آن، مورد آنالیز شیمیایی قرار گرفت. همچنین بررسی سرعت خوردگی در کوپن های خوردگی از جنس آهن و مس و همچنین حجم رسوب تشکیل شده در حفره های کوپن رسوب گیری، و عکس برداری از سطوح مختلف برج خنک کننده، میزان حذف رسوب در برج خنک کننده با استفاده از رسوب بردار مورد نظر نیز انجام شد.

شکل (4): رسوب تشکیل شده در پایلوت بعد از استفاده از آب رودخانه در کولینگ تاور

اصولا جنس رسوبات فاکتور بسیار مهمی از لحاظ شدت چسبندگی به سطح فلز، ضریب انتقال حرارت و حل شوندگی توسط محلول های ضد رسوب تلقی می شود. شکل (5) نتایج آنالیز فازی رسوب مورد نظر را نشان می دهد.

شکل (5): نتایج آنالیز فازی XRD رسوب شکل گرفته در کولینگ تاور

همانگونه که از شکل بالا مشخص است کربنات کلسیم قسمت عمده ی محصول بالا را در بر می گیرد. وجود اکسیدهای آهن به همراه سولفید مس حاکی از وجود مقدار قابل توجهی اکسیژن و سولفور که هر دو عامل خوردگی هستند، دارد. کنده شدن لایه های اکسیدی روی سطح فلزات مس و آهن که هر دو در تماس مستقیم با آب هستند دور از انتظار نیست. سرعت حرکت آب همزمان است با تشکیل لایه های ترد و ورم اکسیدی روی سطح فلزات که نهایتا منجر به کنده شدن و شکل گیری این محصولات در مناطق و جداره های دیگر سیستم می شود. مخصوصا در مناطقی که دما بالاتر باشد شکل گیری این رسوبات بسیار ساده تر خواهد بود. همانگونه که از شکل بالا مشخص است اثری از رسوبات سیلیکاتی دیده نمی شود. در واقع این نتیجه دور از انتظار نبوده چرا که این رسوبات چسبندگی زیادی به سطح دارند و کنده شدن و حل کردن آنها کار آسانی نمی باشد.

حذف رسوب با اسید شویی

اسید شویی یکی از قدیمی ترین وسیله های بهبودسازی در صنعت برای حذف رسوبات است. اسید مورد استفاده، اسید هیدروکلریک است که با ترکیب 10 درصد برای شستشوی شیمیایی پایلوت استفاده شده است. این ترکیب یکی از ترکیبات معمول هست که در صنایع از این ماده به وفور جهت رسوب برداری استفاده می شود. همانطور که در آزمایشات و عکس های گرفته شده از بخش های مختلف برج و نرخ کاهش وزن کوپن ها و سرعت خوردگی در آن ها مشاهده می شود، به مقدار زیاد باعث خوردگی کوپن شده است زیرا اسید به شدت خورنده است و قادر است در لایه های غیر فعالی که اکسید فلز وجود دارد، نفوذ کرده و پیل های آنودیک موضعی برقرار سازد.

نتیجه گیری:

با توجه به نتایج و بحث های عنوان شده در این پژوهش می توان چنین بیان نمود که محلول میتره ی رسوب بردار MDA0102 علاوه بر رسوب برداری در حین عملکرد سیستم قادر به ایجاد یک لایه ی محافظ جهت پیشگیری از نشست رسوب بر روی برج خنک کننده و جلوگیری از خوردگی می باشد و می توان به عنوان محلول رسوب بردار غیر خورنده آن را شناخت. با توجه به موارد دیده شده در حین آزمایش این محلول طبیعی بر روی بدن انسان تاثیر سویی نداشته و مشکلات مربوط به ایمنی محیط کار را مرتفع نموده و علاوه بر رعایت موارد مربوط به حفاظت از محیط زیست، به دلیل وجود املاح معدنی قابل جذب گیاهان و ترکیبات هیدروکسیدی بر خلاف ترکیبات کربناتی و سیلیکاتی در پسماند این محلول، می توان با اضافه نمودن مواد کلر زدا میزان کلر آن را کم و برای فضای سبز از آن استفاده نمود. ولی استفاده از رسوب بردارهای معمول در صنعت ( اسید سولفوریک 10 درصد) جهت رسوب برداری درست است که می توان در این روش رسوب برداری انجام داد اما شدت تمیز کاری در این روش از میتره سرد پایین تر است و علاوه بر این شدت خوردگی در سیستم با این روش بسیار زیاد است.

شکل (6): عدم وجود رسوب در قسمت های مختلف برج خنک کننده پایلوت در نتیجه استفاده از رسوب بردار میتره MDA0102 و اسید شویی

شکل (7): تصویر مربوط به کوپن رسوب گیری بعد از اسید شویی

جدول (1): خواص فیزیکی آب درون برج خنک کننده پیش از اسید شویی

جدول (2): آنالیز شیمیایی آب بعد از اسید شویی

شکل (8): شماتیکی از خوردگی کوپن ها بعد از استفاده از رسوب بردار MDA0102

با همکاری دکتر رضا بهادری بیرگانی