Když je titanové pouzdro použito jako ohřívač pro proud koncentrátu reverzní osmózy s vysokým obsahem křemíku a chloridu, jak usazování křemičitého kamene změní mechanismus selhání z koroze na přehřátí?

Základní kompromis-provedení titanového ohřívače ve službě RO koncentrátu
Proudy koncentrátu RO se vyznačují vysokým obsahem chloridů (10 000–50 000 ppm) a vyšším obsahem oxidu křemičitého (50–200 ppm jako SiO2). Titan byl vybrán pro svou odolnost vůči chloridové korozi. Avšak při teplotách nad 70 stupňů oxid křemičitý polymeruje a vysráží se jako amorfní úsady na zahřátých površích. Tato vrstva oxidu křemičitého zcela ovlivňuje proces selhání. Životnost 3-5 let pro titan bez kotelního kamene kvůli důlkové korozi chloridy. Vodní kámen slouží jako izolační povlak a způsobuje lokální přehřátí vedoucí k rychlému propálení pláště během měsíců. Tento mechanismus je ovlivněn tloušťkou stěny: silnější stěna bude při stejné hustotě výkonu na povrchu tepleji, čímž se zvýší polymerace oxidu křemičitého a tvorba vodního kamene. Tento přechod od koroze k poruše omezeného rozsahu je důležitý pro navrhování ohřívačů pro aplikace RO koncentrátů.

Vliv na mechanickou integritu: Kinetika tvorby křemičitého kamene
Rozpustnost oxidu křemičitého se snižuje se zvyšující se teplotou a zvyšuje se se zvyšujícím se pH. RO koncentrát při pH 7-8 a 70 stupních, koncentrace nasycení je asi 120 ppm Si02. Pokud povrchová teplota titanového pláště překročí 80 stupňů (v důsledku elektrického odporu skrz stěnu), lokální rozpustnost klesne pod 80 ppm a dojde k přesycení a polymeraci. Reakce je: Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorfní) + 2H2O Doba indukce pro výrobu okují oxidu křemičitého souvisí s Arrheniem. Při povrchové teplotě 80 stupňů se vodní kámen vytvoří za 48 hodin; při 90 stupních se tvoří za 8 hodin. U titanové stěny o tloušťce 1,0 mm v 70stupňovém RO koncentrátu pracujícím při 2,5 W/cm² je povrchová teplota přibližně 78 stupňů, těsně pod prahem rychlého usazování. Při tloušťce stěny 1,8 mm dosáhne povrch 85 stupňů a přejde do režimu rychlého škálování. Jakmile se vytvoří vrstva oxidu křemičitého (vodivost=1 W/m·K ve srovnání s 17 W/m·K u titanu), dodatečný tepelný odpor dále zvyšuje povrchovou teplotu a podporuje větší usazování vodního kamene. Mechanismus selhání se pohybuje od důlkové koroze (roky) k tepelnému úniku (měsíce).

Vliv na tepelný výkon: Přehřívání a propálení-
Tenká vrstva oxidu křemičitého o tloušťce pouze 0,5 mm přispívá k tepelnému odporu $\\Delta T_{scale}=q \\times t_{scale} /k_{scale}$. Při 2,5 W/cm² poskytuje 0,5mm vrstva oxidu křemičitého pokles teploty na stupnici o 12,5 stupňů. To znamená, že vnější povrch titanu musí být o 12,5 stupně teplejší, aby poskytoval stejný tepelný tok. Zvýšená teplota znamená mnohem rychlejší tvorbu vodního kamene. Pozitivní zpětná vazba pokračuje, dokud vnitřní odporový drát nepřekročí limit 450 C, což způsobí selhání izolace MgO a propálení pláště{14}. Terénní údaje ohřívačů koncentrátu RO ukazují, že titanová stěna o tloušťce 1,2 mm s počáteční povrchovou teplotou 80 stupňů vytvoří 0,3 mm oxidu křemičitého během 500 hodin, čímž se povrch zvedne na 95 stupňů. Měřítko se zvyšuje exponenciálně při 95 stupních a dosahuje 1,0 mm za dalších 500 hodin, když je teplota drátu vyšší než 450 stupňů a ohřívač se rozbije. Celková doba od čistého startu do selhání je 1 000 až 1 500 hodin. Pro srovnání, důlková koroze trvá 8 000 až 10 000 hodin, než prorazí stejnou stěnu.

The Trade{0}}off Synthesis: Wall Thickness and Scale Management
Koncentrace hromadného oxidu křemičitého (ppm SiO2) Navrhovaná tloušťka stěny Očekávaný režim poruchy Životnost (hodiny) Zdůvodnění konstrukce jádra < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Pouze mírná důlková tvorba > 20 000 Žádné podstatné usazování; platí konvenční korozní provedení.
50 – 100 ppm 1,0 mm (tenká-stěna)Přehřátí vlivem vodního kamene 3 000 – 5 000 Tenká stěna snižuje povrchovou teplotu a zpomaluje tvorbu vodního kamene. Čištění normální.
100 až 150 ppmNedoporučuje se (všechny tloušťky)Rychlé škálování Burn-přes < 1 500 Nezáleží na tom, jak silná je stěna, lezení se nevyhnete. Přidejte antiscalant nebo změňte postup.
Týdenní čištění kyselinou, jakékoli 1,2 mm – 1,5 mmČištění-kontrolované > 10 000 Časté čištění zabraňuje tepelnému úniku vodního kamene. Silnější stěna může snést erozi při čištění.
6 Prevence vodního kamene a technika čištění Beyond the Wall
Posun v mechanismu selhání od koroze k přehřátí způsobenému usazováním oxidu křemičitého činí kontrolu povrchové teploty důležitější než přídavek na korozi při určování tloušťky stěny. Nejlepším způsobem, jak se vypořádat s RO koncentrátem s vysokým obsahem oxidu křemičitého, je použít tenkou stěnu (1,0 mm) a buď chemické anti-scalanty (fosfonáty, které zabraňují polymeraci oxidu křemičitého) nebo týdenní čištění kyselinou (2% kyselina citrónová při 50 stupních po dobu 1 hodiny). 10-20 ppm anti-skalanty zvyšují dobu indukce vodního kamene o {0,10, 1krát 10}-násobek stěny. hod. Pokud má povlak tloušťku menší než 0,2 mm, tepelný stav se obnoví čištěním kyselinou, která rozpustí amorfní oxid křemičitý. Silná stěna (1,8 mm) bez čištění selže rychleji než tenká stěna s čištěním, protože vyšší počáteční povrchová teplota urychluje tvorbu vodního kamene rychleji, než stačí frekvence čištění.

Závěry: Když dojde k okujení, koroze není dominantním mechanismem selhání
Titanový plášťový ohřívač pro RO koncentrát s vysokým obsahem oxidu křemičitého a chloridů přeměňuje mechanismus selhání ze zpožděného prohlubování chloridů (roky) na rychlé přehřátí-propálení (měsíce) v důsledku usazování vodního kamene. Silnější stěna zhoršuje situaci zvýšením povrchové teploty do oblasti rychlého škálování. Vysoká koncentrace oxidu křemičitého RO by měla být řešena tenkostěnnou (1,0 mm) a týdenním čištěním kyselinou nebo kontinuálním vstřikováním anti-scalantu. Je také důležité poznamenat, že čím silnější je stěna, která nebyla vyčištěna, tím rychleji se porouchá ve srovnání s tenčí stěnou, která byla vyčištěna, a proto je tloušťka stěny doplňkovým prvkem pro kontrolu měřítka. Při specifikaci ohřívačů dodejte výrobci celkovou koncentraci oxidu křemičitého (ppm) a možnost čištění kyselinou a požádejte o odhad povrchové teploty, abyste ověřili, že provoz bude pod 80 stupňů.