Keď sa titánový plášť použije ako ohrievač pre prúd koncentrátu reverznej osmózy s vysokým obsahom oxidu kremičitého a chloridov, ako sa usadzovanie oxidu kremičitého zmení na poruchový mechanizmus z korózie na prehriatie?

The basic trade-off in titanium heater design in RO concentrate service
Prúdy koncentrátu RO sa vyznačujú vysokým obsahom chloridov (10 000 – 50 000 ppm) a vyšším obsahom oxidu kremičitého (50 – 200 ppm ako SiO2). Titán bol vybraný pre svoju odolnosť voči korózii chloridmi. Avšak pri teplotách nad 70 stupňov oxid kremičitý polymerizuje a vyzráža sa ako amorfný povlak na zahriatych povrchoch. Tento oxid kremičitý úplne ovplyvňuje proces zlyhania. Životnosť 3-5 rokov pre titán bez vodného kameňa v dôsledku tvorby jamiek chloridmi. Vodný kameň slúži ako izolačný povlak a spôsobuje lokálne prehriatie vedúce k rýchlemu prepáleniu plášťa v priebehu mesiacov. Tento mechanizmus je ovplyvnený hrúbkou steny: hrubšia stena bude pri rovnakej hustote výkonu teplejšia na povrchu, čím sa zvýši polymerizácia oxidu kremičitého a tvorba vodného kameňa. Tento prechod od korózie k poruche obmedzenej mierou je dôležitý pre navrhovanie ohrievačov pre aplikácie RO koncentrátov.

Vplyv na mechanickú integritu: Kinetika tvorby oxidu kremičitého
Rozpustnosť oxidu kremičitého sa znižuje so zvyšujúcou sa teplotou a zvyšuje sa so zvyšujúcim sa pH. RO koncentrát pri pH 7-8 a 70 stupňoch je nasýtená koncentrácia asi 120 ppm Si02. Ak povrchová teplota titánového plášťa prekročí 80 stupňov (v dôsledku elektrického odporu cez stenu), lokálna rozpustnosť klesne pod 80 ppm a dôjde k presýteniu a polymerizácii. Reakcia je: Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorfný) + 2H2O Indukčný čas na výrobu kremičitých kameňov súvisí s Arrheniom. Pri povrchovej teplote 80 stupňov sa vodný kameň vytvorí za 48 hodín; pri 90 stupňoch sa vytvorí za 8 hodín. Pre 1,0 mm titánovú stenu v 70-stupňovom objemovom RO koncentráte pracujúcom pri 2,5 W/cm² je povrchová teplota približne 78 stupňov, tesne pod prahom rýchleho škálovania. Pri hrúbke steny 1,8 mm dosiahne povrch 85 stupňov a vstúpi do režimu rýchleho škálovania. Akonáhle sa vytvorí vrstva oxidu kremičitého (vodivosť=1 W/m·K v porovnaní so 17 W/m·K pre titán), dodatočný tepelný odpor ďalej zvyšuje povrchovú teplotu, čím podporuje väčšie usadzovanie vodného kameňa. Mechanizmus zlyhania sa pohybuje od bodovej korózie (roky) k tepelnému úniku (mesiace).

Vplyv na tepelný výkon: prehrievanie a prepálenie-
Tenká vrstva oxidu kremičitého, hrubá len 0,5 mm, prispieva k tepelnému odporu $\\Delta T_{scale}=q \\times t_{scale} /k_{scale}$. Pri 2,5 W/cm² poskytuje 0,5 mm vrstva oxidu kremičitého pokles teploty o 12,5 stupňa na stupnici. To znamená, že vonkajší povrch titánu musí byť o 12,5 stupňa teplejší, aby poskytoval rovnaký tepelný tok. Zvýšená teplota znamená oveľa rýchlejšie usadzovanie vodného kameňa. Pozitívna spätná väzba pokračuje, kým vnútorný odpor drôtu neprekročí hranicu 450 C, čo spôsobí zlyhanie izolácie MgO a prepálenie plášťa-. Terénne údaje ohrievačov koncentrátu RO ukazujú, že titánová stena s hrúbkou 1,2 mm s počiatočnou povrchovou teplotou 80 stupňov vytvorí 0,3 mm povlaku oxidu kremičitého v priebehu 500 hodín, čím sa povrch zdvihne na 95 stupňov. Stupňovanie sa zvyšuje exponenciálne pri 95 stupňoch a dosahuje 1,0 mm za ďalších 500 hodín, keď je teplota drôtu vyššia ako 450 stupňov a ohrievač sa rozbije. Celkové trvanie od čistého štartu po poruchu je 1 000 – 1 500 hodín V porovnaní s jamkovou koróziou trvá perforácia tej istej steny 8 000 až 10 000 hodín.

The trade{0}}off Synthesis: Wall Thickness and Scale Management
Koncentrácia sypkého oxidu kremičitého (ppm SiO2) Navrhovaná hrúbka steny Očakávaný režim poruchy Životnosť (hodiny) Zdôvodnenie konštrukcie jadra < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Len mierna jamka > 20 000 Žiadne výrazné škálovanie; platí konvenčná korózna konštrukcia.
50 – 100 ppm 1,0 mm (tenká{3}}stena)Prehriatie v dôsledku vodného kameňa 3 000 – 5 000 Tenká stena znižuje povrchovú teplotu a spomaľuje tvorbu vodného kameňa. Čistenie normálne.
100 až 150 ppmNeodporúča sa (všetky hrúbky)Rýchle škálovanie Prepálenie-až < 1 500 Nezáleží na tom, aká je hrúbka steny, lezeniu sa nevyhnete. Pridajte antiscalant alebo zmeňte postup.
Týždenné čistenie kyselinou, akékoľvek 1,2 mm – 1,5 mmČistenie-kontrolované > 10 000 Časté čistenie zabraňuje tepelnému úniku vodného kameňa. Hrubšia stena môže vydržať eróziu čistenia.
6 Prevencia vodného kameňa a technika čistenia Beyond the Wall
Posun v poruchovom mechanizme od korózie k prehriatiu spôsobenému usadzovaním oxidu kremičitého robí kontrolu povrchovej teploty dôležitejšou ako koróznu toleranciu pri určovaní hrúbky steny. Najlepším spôsobom, ako sa vysporiadať s RO koncentrátom s vysokým obsahom oxidu kremičitého, je použiť tenkú stenu (1,0 mm) a buď chemické anti-scalanty (fosfonáty, ktoré zabraňujú polymerizácii oxidu kremičitého) alebo týždenné čistenie kyselinou (2% kyselina citrónová pri 50 stupňoch po dobu 1 hodiny). 10-20 ppm anti-skalanty zvyšujú indukčný čas tvorby vodného kameňa o {0,10,1 krát 1}-násobok času. hod. Ak je hrúbka povlaku menšia ako 0,2 mm, tepelný stav sa obnoví čistením kyselinou, ktorá rozpustí amorfný oxid kremičitý. Hrubá stena (1,8 mm) bez čistenia zlyhá rýchlejšie ako tenká stena s čistením, pretože vyššia počiatočná povrchová teplota urýchľuje tvorbu vodného kameňa rýchlejšie, než stačí frekvencia čistenia.

Závery: Keď dôjde k tvorbe vodného kameňa, korózia nie je dominantným mechanizmom zlyhania
Ohrievač titánového plášťa pre koncentrát RO s vysokým obsahom oxidu kremičitého a chloridu transformuje mechanizmus zlyhania z oneskorenej tvorby chloridových jamiek (roky) na rýchle prepálenie prehriatím-(mesiace) v dôsledku usadzovania vodného kameňa. Hrubšia stena zhoršuje situáciu zvýšením povrchovej teploty do oblasti rýchleho škálovania. Vysoká koncentrácia oxidu kremičitého RO by sa mala riešiť pomocou tenkej steny (1,0 mm) a týždenného čistenia kyselinou alebo kontinuálneho vstrekovania anti-scalantu. Je tiež dôležité poznamenať, že čím je stena, ktorá nebola vyčistená, hrubšia, tým rýchlejšie zlyhá v porovnaní s tenšou stenou, ktorá bola vyčistená, a preto je hrúbka steny doplnkovým prvkom kontroly vodného kameňa. Pri špecifikácii ohrievačov dodajte výrobcovi objemovú koncentráciu oxidu kremičitého (ppm) a možnosť čistenia kyselinou a vyžiadajte si odhad povrchovej teploty, aby ste si overili, že prevádzka bude nižšia ako 80 stupňov.