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传热金属表面腐蚀结垢行为模拟及防腐阻垢技术研究

乔宁  
【摘要】: 传热金属表面腐蚀与结垢问题广泛存在于工业生产的多种过程中,严重妨碍换热设备的正常运行,造成巨大的能源浪费和经济损失,是一个经过长期研究而至今未能很好解决的问题。现有防腐阻垢技术基本上以添加缓蚀剂、阻垢剂和杀生剂为基础,对环境敏感并容易引起二次污染。本工作以实验室模拟试验和数值分析方法为基础,对传热金属表面的结垢和腐蚀问题进行了研究,结合计算机技术建立了循环冷却水系统模拟分析软件。并根据对传热面腐蚀结垢的机理分析,进行了改善传热面耐蚀、阻垢性能的研究。 在收集了实际生产运行数据、模拟实验数据和总结经验公式基础上,对碳钢在循环冷却水系统中的腐蚀行为进行了模拟研究。建立了氯离子、pH值、碱度、钙离子、硫酸根离子、溶解固体量(TDS)六种水质参数的动力学模型。以此为基础,利用离子联合作用公式推导了碳钢均匀腐蚀速率的数学模型,利用实验室数据确定了模型指前系数并进行了校正。 自制实验室污垢热阻测试仪器,在相同条件下利用人工硬水对不同的传热面材质进行了对比试验,得出污垢热阻随时间的变化关系。结果表明,材料表面特性对污垢形成有较大影响,材料的表面能越低,污垢沉积量越小。考察了传热表面温度、溶液pH值、碱度、硬度等影响因素对结垢行为的影响,分析了CaCO3在传热面结垢机理。提出了适用于CaCO3污垢的析晶-颗粒沉积混合污垢模型。以Hasson模型为基础,通过溶液离子和离子对平衡进行的校正,建立了析晶沉积速率模型。引入颗粒污垢沉积速率数学模型和污垢脱除数学模型,模拟了在析晶-颗粒沉积-脱除机制共同作用下的CaCO3垢生成过程。 以建立的腐蚀速率、结垢速率数学模型和水质参数动力学模型为基础,利用Flash为开发环境,以ActionScript为编程语言设计开发了一套循环冷却水系统模拟软件。软件以动画模拟循环冷却水系统运行过程,以坐标图形式反映系统运行期间水质参数的变化规律,并可对传热面的腐蚀与结垢进行预测。 通过对传热结垢、腐蚀机理的研究,探讨了通过表面无机膜的制备,以降低材料表面能的方法改善碳钢、不锈钢的防腐、阻垢性能的技术。采用溶胶-凝胶法在304不锈钢表面制备了锐钛矿晶型的TiO2膜;采用化学镀镍和溶胶-凝胶法在A3钢表面制备了Ni3P-TiO2膜层;采用溶胶-凝胶法在A3钢和304不锈钢表面制备了Si02膜。研究了催化剂、DMF添加剂、溶胶混配方式、烧结工艺等对成膜效果的影响,优化了各种无机膜制备工艺。测定了无机膜层的附着力、耐蚀、抗垢和杀菌性能。试验结果表明,在金属材料表面制备无机膜层可大大提高其防腐、阻垢性能。其中TiO2膜因其具有光催化性能,使其耐蚀性、抗垢和杀菌性能均优于Si02膜,且其制备工艺较简便,膜层附着力强,具有实际的应用价值。


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