Quan s'utilitza una funda de titani com a escalfador per a un corrent concentrat d'osmosi inversa amb un alt nivell de sílice i clorur, com canvia la deposició d'escala de sílice el mecanisme de fallada de corrosió a sobreescalfament?

La compensació bàsica-del disseny d'escalfadors de titani en el servei de concentrat RO
Els corrents de concentrat de RO es caracteritzen per tenir clorurs elevats (10.000–50.000 ppm) i sílice més gran (50–200 ppm com a SiO2). El titani es va triar per la seva resistència a la corrosió dels clorurs. Tanmateix, a temperatures superiors als 70 graus, la sílice polimeritza i precipita com a escala amorfa a les superfícies escalfades. Aquesta escala de sílice afecta completament el procés de fallada. Vida útil de 3-5 anys per al titani sense escala a causa de la picada dels clorurs. L'escala serveix com a recobriment aïllant i provoca un sobreescalfament localitzat que provoca una cremada ràpida de la funda en mesos. Aquest mecanisme es veu afectat pel gruix de la paret: una paret més gruixuda s'escalfarà més a la superfície amb la mateixa densitat de potència, augmentant per tant la polimerització de la sílice i la creació d'escala. Aquesta transició de la corrosió a la fallada limitada a escala és important per dissenyar escalfadors per a aplicacions de concentrat RO.

Influència en la integritat mecànica: cinètica de la formació d'escala de sílice
La solubilitat de la sílice es redueix amb l'augment de la temperatura i augmenta amb l'augment del pH. Concentrat de RO a pH 7-8 i 70 graus, la concentració de saturació és d'uns 120 ppm de SiO2. Si la temperatura de la superfície de la funda de titani supera els 80 graus (a causa de la resistència elèctrica a través de la paret), la solubilitat local cau per sota de 80 ppm i es produeix la sobresaturació i la polimerització. La reacció és: Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorf) + 2H2O El temps d'inducció per a la producció d'escala de sílice està relacionat amb Arrhenius. A una temperatura superficial de 80 graus, es forma escala en 48 hores; a 90 graus, es forma en 8 hores. Per a una paret de titani d'1,0 mm en concentrat de RO a granel de 70 graus que treballa a 2,5 W/cm², la temperatura de la superfície és d'aproximadament 78 graus, just per sota del llindar d'escala ràpida. Per a un gruix de paret d'1,8 mm, la superfície arriba als 85 graus i entra en el règim d'escala ràpida. Un cop s'ha format una capa de sílice (conductivitat=1 W/m·K en comparació amb 17 W/m·K per al titani), la resistència tèrmica addicional augmenta encara més la temperatura de la superfície, fomentant més deposició d'escala. El mecanisme de fallada passa de la corrosió per picadura (anys) a la fuga tèrmica (mesos).

Efecte sobre el rendiment tèrmic: sobreescalfament i crema-
Una fina capa d'escala de sílice, de només 0,5 mm de gruix, aporta una resistència tèrmica $\\Delta T_{escala}=q \\times t_{scale} /k_{escala}$. A 2,5 W/cm², una capa de sílice de 0,5 mm produeix una caiguda de temperatura de 12,5 graus a l'escala. Això significa que la superfície exterior de titani ha d'estar 12,5 graus més calenta per oferir el mateix flux de calor. L'augment de la temperatura significa una escala molt més ràpida. La retroalimentació positiva continua fins que el cable de resistència interna supera el seu límit de 450 ºC, provocant una fallada d'aïllament de MgO i una cremada-de la funda. Les dades de camp dels escalfadors de concentrat RO mostren que una paret de titani d'1,2 mm amb una temperatura superficial inicial de 80 graus forma 0,3 mm d'escala de sílice en 500 hores elevant la superfície a 95 graus. L'escala augmenta exponencialment a 95 graus, arribant a 1,0 mm en 500 hores més, quan la temperatura del cable és de més de 450 graus i l'escalfador es trenca. La durada total des de l'inici net fins a la fallada és de 1.000 a 1.500 hores En comparació, la corrosió per picat triga de 8.000 a 10.000 hores a perforar la mateixa paret.

La síntesi de-compromisos: gestió del gruix de la paret i de l'escala
Concentració de sílice a granel (ppm SiO2)Gesssor de paret suggerit Mode d'error esperat Vida útil (hores) Fonament d'enginyeria < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Només picat lleu > 20.000 Sense escala substancial; s'aplica el disseny de corrosió convencional.
50 – 100 ppm 1,0 mm (-paret prima) El sobreescalfament a causa de l'escala de 3.000 a 5.000 La paret prima redueix la temperatura de la superfície i alenteix l'escala. Neteja normal.
De 100 a 150 ppmNo recomanat (tots els gruixos) Escalada ràpida Cremada-a < 1.500 No importa el gruix de la paret, no podeu evitar l'escalada. Afegiu antiincrustante o canvieu el procediment.
Neteja àcida setmanal, qualsevol 1,2 mm - 1,5 mm Neteja-controlada > 10.000 La neteja freqüent evita que l'incrustació provoqui embalatge tèrmic. La paret més gruixuda pot suportar l'erosió de la neteja.
6 Enginyeria de Prevenció i Neteja a Escala Beyond the Wall
El canvi en el mecanisme de fallada de la corrosió al sobreescalfament causat per l'escala de sílice fa que el control de la temperatura de la superfície sigui més important que l'admissió de corrosió en la determinació del gruix de la paret. La millor manera de tractar un concentrat d'OI alt en sílice és utilitzar una paret fina (1,0 mm) i anti-químics (fosfonats que impedeixen la polimerització de la sílice) o neteja àcida setmanal (àcid cítric al 2% a 50 graus durant 1 hora). 10-20 ppm anti-escalants que augmenten el temps d'inducció de la paret en un factor d'escala 05-1. per durar 5000+ hores. Si el gruix del recobriment és inferior a 0,2 mm, l'estat tèrmic es restaura mitjançant una neteja àcida, que dissol la sílice amorfa. Una paret gruixuda (1,8 mm) sense neteja falla més ràpidament que una paret prima amb neteja, ja que la temperatura superficial inicial més alta accelera l'escala més ràpid del que pot mantenir la freqüència de neteja.

Conclusions: quan es produeix l'escala, la corrosió no és el mecanisme de fallada dominant
L'escalfador de la funda de titani per al concentrat d'OI amb alt contingut de sílice i clorur transforma el mecanisme de fallada de la picada de clorur retardada (anys) a una cremada ràpida sobreescalfada-a través de (mesos) a causa de la deposició d'escala de sílice. Una paret més gruixuda agreuja la situació augmentant la temperatura de la superfície a la regió d'escala ràpida. L'alta concentració d'OI de sílice s'ha de manejar amb una paret fina (1,0 mm) i neteja àcida setmanal o injecció continuada d'anti-incrustante. També és important tenir en compte que com més gruixuda sigui la paret que no s'ha netejat, més ràpid fallarà en comparació amb una paret més prima que s'ha netejat, per tant, el gruix de la paret és un element suplementari per al control de l'escala. Quan especifiqueu escalfadors, proporcioneu al fabricant la concentració de sílice a granel (ppm) i la possibilitat de neteja àcida i sol·liciteu una estimació de la temperatura superficial per verificar que el funcionament serà inferior a 80 graus.