Com governa la concentració de sílice dissolta a una temperatura de l'aigua a granel de 100 graus la formació de l'escala de silicat aïllant a les beines d'escalfador d'acer inoxidable 316

El mecanisme de deposició de la sílice amorfa i la seva resistència tèrmica

La formació d'escales de silicats amorfs representa un problema d'encrassement únic per a tubs de calefacció elèctrics revestits d'acer inoxidable 316 que funcionen en aigua d'alta temperatura que conté sílice dissolta (SiO₂) comuna en aigua geotèrmica, aigua d'alimentació de caldera i certs corrents de processos industrials, i difereix de l'escala de carbonat de calci. L'escala de silicat resulta de la polimerització de l'àcid silícic (Si(OH)4) sobre superfícies metàl·liques escalfades, mentre que l'escala de carbonat resulta de la precipitació de sals cristal·lines. A temperatures d'aigua a granel de 100 graus (aigua bullint), les concentracions de sílice dissolta més d'aproximadament 50-80 ppm (com a SiO2) polimeritzen ràpidament sobre superfícies escalfades. L'escala de sílice amorfa resultant a la superfície té una conductivitat tèrmica molt baixa (uns 0,5-1,5 W/m·K enfront de 15-20 W/m·K per a l'acer inoxidable 316) i, per tant, crea una capa d'aïllament que eleva la temperatura de la funda entre 20 i 50 graus durant setmanes. Aquest augment de temperatura accelera encara més la deposició de sílice i pot provocar un error de sobreescalfament. Aquest article quantifica la relació entre la concentració de sílice dissolta, la velocitat de desenvolupament de l'escala i la pèrdua de rendiment tèrmic a 100 graus.

Mecanisme de polimerització de silicats sobre superfícies escalfades

La sílice dissolta en aigua es troba principalment en forma d'àcid silícic monomèric Si(OH) 4. La sílice amorfa té una solubilitat de ~300-400 ppm a 100 graus, depenent del pH. Per sobre del límit de solubilitat, la sílice es polimeritza i es formen partícules col·loïdals que finalment precipiten com a escama opalina amorfa. Per sota del límit de solubilitat, però, les superfícies metàl·liques calentes poden catalitzar la polimerització, ja que l'alta temperatura superficial augmenta la velocitat de reacció (comportament d'Arrhenius). L'energia d'activació per a la polimerització de sílice a acer inoxidable 316 és de l'ordre de 40-60 kJ/mol, de manera que la velocitat de deposició es duplica per cada augment de 10-15 graus de temperatura de la funda. Es forma una fina capa de sílice i la seva acció aïllant augmenta encara més la temperatura de la funda en un cicle d'autoacceleració.

Relació quantificada entre la concentració de sílice i la formació d'escala a 100ºC

Les següents taxes de formació d'escala i construcció de resistència tèrmica durant 1.000 hores s'han determinat a partir d'estudis de contaminació controlada en 316 beines d'acer inoxidable (flux de calor 5 W/cm2) en aigua a 1000ºC de temperatura a granel amb diferents quantitats de sílice dissolta (pH 7,5).

Concentració de sílice dissolta (ppm com a SiO2) Gruix de l'escala després de 1.000 hores (µm) Conductivitat tèrmica de l'escala de sílice (W/m. K) Resistència tèrmica afegida (m2. K/W) Augment de la temperatura de la coberta per sobre del volum (graus, a 5 W/cm2) Temps fins a 20 graus 0 graus Servei<20 <5 1.0-1.5 <0.0005 <2.5 >5,000 Yes 20-40 5-15 1.0-1.5 0.0005-0.0015 2.5-7.5 2,000-5,000 Yes 40-60 15-30 0.8-1.2 0.0015-0.0030 7.5-15 1,000-2,000 Acceptable with monitoring 60-80 30-50 0.7-1.0 0.0030-0.0050 15-25 500-1,000 Marginal 80-100 50-80 0.6-0.9 0.0050-0.0080 25-40 200-500 Not recommended 100-150 80-120 0.5-0.7 0.0080-0.0120 40-60 100-200 Unacceptable >150 >120 <0.6 >0.0120 >60 <100 Unacceptable
Efecte del pH sobre la taxa de deposició de sílice

La polimerització de la sílice depèn molt del pH-, amb la menor solubilitat i velocitat de deposició a pH 7,5-8,0. A un pH més baix (àcid) l'àcid silícic es descarrega i es polimeritza més lentament. En solució alcalina (pH alt) la sílice existeix com a ions de silicat (SiO3 2-) que polimeritzen ràpidament i també es combinen amb calci i magnesi per produir silicats complexos. La influència del pH en la velocitat de deposició a 100 ppm de SiO2 es mostra a la taula següent.

pH a 100 graus Especiació de sílice Taxa de deposició relativa (pH 7.5=1.0) Escala Morfologia Interval de pH recomanat<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6,0-7,0 Si(OH)₄ domina 0,6-0,8 De moderat a gruixut Acceptable
7,0-7,5 Mixta 0,9-1,1 Moderada Òptima
7,5-8,0 Barrejat amb una mica de SiO3 2- 1.0-1.5 Moderat a fort Marginal
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9,0 SiO₃²⁻ + silicats metàl·lics 3,0-5,0 Molt pesat, adherent No bo
Especificacions de química de l'aigua - Control de sílice Pràctic

Es proposen els següents límits de sílice per a 316 escalfadors encapsulats amb una temperatura de l'aigua a granel de 100 graus per a la vida útil prevista.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>Tractament d'aigua recomanat10.000<30 <5 None required 10,000 30-50 <4 Monitor silica 5,000-10,000 50-70 <3 Silica removal (reverse osmosis) or periodic cleaning
3,000-5,000 70-90 <2 Removal of silica necessary <3,000 >90Qualsevol 316 no aconsellat; investigar la millora de l'aliatge o l'escalfament extern
Identificació de camp de fallades d'escala de silicats

La indicació típica d'un escalfador 316 en aigua de sílice alta- és una escala dura, vidriada, translúcida a blanca que és molt difícil d'eliminar mecànicament (necessita neteja química amb àcid fluorhídric o càustic calent). L'escala és generalment suau i pot tenir un aspecte "boig". Es pot veure una mica de corrosió a la superfície metàl·lica darrere de l'escala - La fallada és principalment tèrmica (sobreescalfament) en lloc de corrosiu. L'escalfador pot fallar per esgotament (filferro de resistència fos), en lloc de la perforació de la funda. En aquests errors, la investigació de l'escala per difracció de raigs X-(XRD) revela sílice amorfa (patró de gepa ample) o, a temperatures més altes, cristobalita cristal·lina. L'espectroscòpia de raigs X-de dispersió d'energia (EDS) mostra silici i oxigen amb poc ferro i crom. La solució consisteix a reduir el contingut de sílice per osmosi inversa o intercanvi iònic o dilució o bé operar a un flux de calor inferior per reduir la temperatura de la funda.

Aproximacions per mitigar les aigües d'alt-sílice

Tres opcions de mitigació poden allargar la vida útil de l'escalfador quan els nivells de sílice no es poden reduir econòmicament. El primer és minimitzar el flux de calor. Per a una potència determinada, més àrea de superfície de la funda (beines de diàmetre més llarg o més gran) significa una temperatura de la funda més baixa, que alenteix exponencialment la polimerització de la sílice. Per exemple, disminuir el flux de calor de 5 W/cm² a 3 W/cm² redueix la taxa de deposició de sílice al voltant del 50-70%. La segona tècnica consisteix a treballar a una temperatura a granel més baixa: disminuir-la de 100oC a 90oC redueix la velocitat de polimerització de la sílice en un 40-50%. La tercera opció és introduir inhibidors d'escala. Alguns fosfonats i polímers poden frenar la polimerització de la sílice, tot i que són menys efectius que per a l'escala de carbonat. L'únic remei fiable per a la contaminació severa de sílice és canviar a l'escalfament indirecte (per exemple, intercanviador de calor de vapor) o utilitzar un escalfador amb una funda extraïble.

CONCLUSIÓ: FIABILITAT DE L'ESCALFADOR DE 316 AMB CONTROL DE SÍLICA DISSOLTA DE 100 graus

S'observa la creació ràpida d'una escala de silicat amorf aïllant en escalfadors d'acer inoxidable 316 en aigua a granel de 100 graus a concentracions de sílice dissolta superiors a 60{20}}80 ppm. La formació d'aquesta escala provoca un augment de 15-25 graus en la temperatura de la funda en 500-1.000 hores i condueix a un error de sobreescalfament. El límit crític per a un servei de 10.000 hores és de 30 ppm de SiO2 a un flux de calor de 5 W/cm2. Els enginyers que seleccionen 316 beines per a la geotèrmia, l'alimentació de la caldera o altres corrents d'alt nivell de sílice han d'analitzar la concentració de sílice dissolta per limitar-la (per osmosi inversa o dilució) o reduir el flux de calor per compensar-la. Per sobre del nivell de sílice de 80 ppm, 316 beines no estan aprovades per a cap flux de calor. El marc desenvolupat aquí proporciona una relació entre la concentració de sílice dissolta i les taxes mesurables de desenvolupament d'escala i acumulació de resistència tèrmica, permetent al comprador sol·licitar canvis de disseny de tractament d'aigua o escalfador que evitin el mode de fallada furtiva del sobreescalfament induït per silicats.