Induktionszeit beim Kristallisationsfouling an ionenimplantierten Wärmeübertragerflächen

Abstract

Eine der größten Unsicherheiten bei der Auslegung von Wärmeübertragern ist bis heute das Auftreten von Ablagerungen. Insbesondere Kristallablagerungen verursachen in der industriellen Praxis regelmäßig Probleme. Neben den Prozessbedingungen beeinflussen auch die Eigenschaften der wärmeübertragenden Oberfläche maßgeblich den Ablagerungsvorgang.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Ablagerungsverhalten von CaSO4 untersucht. Hierbei wurde vor allem die Induktionszeit, d. h. der Zeitraum bis zur ersten Änderung des Wärmedurchgangs betrachtet. Der Einfluss der Oberfläche wurde durch gezielte Oberflächenmodifikation mittels Ionenimplantierung und Plasmabehandlung variiert. Es zeigte sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Elektronegativität der implantierten Ionen und der jeweiligen Induktionszeit. Keine Korrelation konnte dahingegen zwischen den gemessenen Oberflächenenergien der untersuchten Proben und der Induktionsperiode hergestellt werden.

Ein weiterer bisher nur wenig betrachteter Einflussfaktor auf das Ablagerungsverhalten ist der Kristallhabitus. Durch gezielte Variation des Kristallhabitus wurde nicht nur der Ablagerungsbeginn beeinflusst sondern auch das gesamte Foulingverhalten verändert. Schon geringste Mengen an Tri-Natriumcitrat verlängerten die Induktionszeit bei Calciumsulfat-Ablagerungen aus wässriger Lösung um das 4,6-fache. Bei Konzentrationen von 5% und 10% stellte sich sogar ein asymptotischer Foulingverlauf ein.

Until now, one of the main uncertainties in the design of heat exchangers is the appearance of fouling; in particular, crystal deposition which regularly causes problems in industrial practice. Two factors that substantially influence the deposition behavior are the process conditions, and the properties of the heat transferring surface. In this thesis the deposit behavior of CaSO4 was investigated. Primarily the induction time, the time period until the first change in the overall heat transfer coefficient occurs, was measured. The influence of the surface on the deposition process was varied by specific surface modifications by means of ion implantation and plasma treatment. A clear correlation between the electro negativity of the implanted ions and the particular induction time was recognized. No correlation however could be found between the measured surface energies of the examined samples and the induction period. Another factor influencing crystal disposition that has not been thoroughly investigated by other studies is the crystal habit. By a definite variation, of the crystal habit, not only the beginning of deposition was influenced, but also the complete fouling curve was changed. Even smallest quantities of tri sodium citrate prolonged the induction time of calcium sulfate out of watery solution by a factor of 4.6, and an asymptotic fouling factor was reached at concentrations of 5% and 10%.