Kiedy osłona tytanowa jest używana jako podgrzewacz strumienia koncentratu odwróconej osmozy o dużej zawartości krzemionki i chlorków, w jaki sposób osadzanie się kamienia krzemionkowego zmienia mechanizm uszkodzenia z korozji na przegrzanie?

Podstawowy kompromis-w konstrukcji grzejnika tytanowego w przypadku koncentratu RO
Strumienie koncentratów RO charakteryzują się wysoką zawartością chlorków (10 000–50 000 ppm) i wyższą zawartością krzemionki (50–200 ppm w przeliczeniu na SiO2). Tytan został wybrany ze względu na jego odporność na korozję chlorkową. Jednakże w temperaturach powyżej 70 stopni krzemionka polimeryzuje i wytrąca się w postaci amorficznej kamienia na ogrzanych powierzchniach. Ta skala krzemionkowa całkowicie wpływa na proces awarii. Żywotność 3-5 lat dla tytanu bez osadu spowodowanego wżerami pod wpływem chlorków. Zgorzelina służy jako powłoka izolacyjna i powoduje miejscowe przegrzanie, prowadzące do szybkiego przepalenia powłoki w ciągu kilku miesięcy. Na mechanizm ten wpływa grubość ścianki: grubsza ściana będzie się nagrzewać bardziej na powierzchni przy tej samej gęstości mocy, zwiększając w ten sposób polimeryzację krzemionki i tworzenie się kamienia. To przejście od korozji do awarii ograniczonej skalą jest ważne przy projektowaniu grzejników do zastosowań w koncentracie RO.

Wpływ na integralność mechaniczną: kinetyka tworzenia się kamienia krzemionkowego
Rozpuszczalność krzemionki zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i wzrasta wraz ze wzrostem pH. Koncentrat RO o pH 7-8 i temperaturze 70 stopni, stężenie nasycenia wynosi około 120 ppm SiO2. Jeżeli temperatura powierzchni powłoki tytanowej przekracza 80 stopni (ze względu na opór elektryczny przechodzący przez ściankę), lokalna rozpuszczalność spada poniżej 80 ppm i następuje przesycenie i polimeryzacja. Reakcja jest następująca: Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorficzny) + 2H2O Czas indukcji wytwarzania kamienia krzemionkowego jest zależny od Arrheniusa. Przy temperaturze powierzchni wynoszącej 80 stopni kamień tworzy się w ciągu 48 godzin; w temperaturze 90 stopni tworzy się w ciągu 8 godzin. W przypadku ścianki tytanowej o grubości 1,0 mm w koncentracie RO o stężeniu 70 stopni, pracującym przy 2,5 W/cm², temperatura powierzchni wynosi około 78 stopni, tuż poniżej progu szybkiego osadzania się kamienia. Dla grubości ścianki 1,8 mm powierzchnia osiąga 85 stopni i wchodzi w tryb szybkiego skalowania. Po utworzeniu warstwy krzemionki (przewodność=1 W/m·K w porównaniu do 17 W/m·K w przypadku tytanu), dodatkowy opór cieplny jeszcze bardziej zwiększa temperaturę powierzchni, zachęcając do większego osadzania się kamienia. Mechanizm awarii przechodzi od korozji wżerowej (lata) do niestabilności termicznej (miesiące).

Wpływ na wydajność cieplną: przegrzanie i przepalenie-
Cienka warstwa krzemionki o grubości zaledwie 0,5 mm zapewnia opór cieplny $\\Delta T_{skala}=q \\times t_{skala} /k_{skala}$. Przy 2,5 W/cm² warstwa krzemionki o grubości 0,5 mm daje spadek temperatury o 12,5 stopnia w skali. Oznacza to, że zewnętrzna powierzchnia tytanu musi być o 12,5 stopnia cieplejsza, aby zapewnić taki sam strumień ciepła. Podwyższona temperatura oznacza znacznie szybsze skalowanie. Dodatnie sprzężenie zwrotne utrzymuje się do momentu, gdy wewnętrzny przewód oporowy przekroczy granicę 450°C, co powoduje awarię izolacji MgO i przepalenie-osłony. Dane terenowe dotyczące grzejników koncentratu RO pokazują, że tytanowa ścianka o grubości 1,2 mm i początkowej temperaturze powierzchni 80 stopni tworzy w ciągu 500 godzin 0,3 mm kamienia krzemionkowego, podnosząc powierzchnię do 95 stopni. Skalowanie wzrasta wykładniczo przy 95 stopniach, osiągając 1,0 mm w ciągu kolejnych 500 godzin, gdy temperatura drutu przekracza 450 stopni i nastąpi uszkodzenie grzejnika. Całkowity czas od czystego uruchomienia do awarii wynosi 1000–1500 godzin. Dla porównania, korozja wżerowa potrzebuje od 8 000 do 10 000 godzin, aby przebić tę samą ścianę.

Synteza kompromisu: zarządzanie grubością ścian i skalą
Stężenie krzemionki luzem (ppm SiO2) Sugerowana grubość ścianki Oczekiwany tryb awarii Żywotność (godziny) Uzasadnienie techniczne rdzenia < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Tylko łagodne wżery > 20 000 Brak znacznych zgorzelin; zastosowanie ma konwencjonalna konstrukcja antykorozyjna.
50–100 ppm 1,0 mm (cienka-ścianka)Przegrzanie na skutek kamienia 3 000–5 000 Cienka ściana obniża temperaturę powierzchni i spowalnia osadzanie się kamienia. Sprzątanie normalne.
100 do 150 ppmNiezalecane (wszystkie grubości)Szybkie skalowanie-Przepalenie < 1500 Nie ma znaczenia, jak gruba jest ściana, nie da się uniknąć wspinaczki. Dodaj środek zapobiegający osadzaniu się kamienia lub zmień procedurę.
Cotygodniowe czyszczenie kwasem, dowolne 1,2 mm – 1,5 mmCzyszczenie-kontrolowane > 10 000 Częste czyszczenie zapobiega powstawaniu kamienia i niekontrolowanej utracie ciepła. Grubsza ściana może wytrzymać erozję podczas czyszczenia.
6 Zapobieganie osadzaniu się kamienia i inżynieria czyszczenia za ścianą
Przesunięcie mechanizmu uszkodzenia z korozji na przegrzanie spowodowane osadzaniem się krzemionki sprawia, że ​​kontrola temperatury powierzchni przy określaniu grubości ścianki jest ważniejsza niż naddatek na korozję. Najlepszym sposobem radzenia sobie z koncentratem RO o wysokiej zawartości krzemionki jest użycie cienkościennego (1,0 mm) i chemicznych środków antyskalujących- (fosfoniany, które zapobiegają polimeryzacji krzemionki) lub cotygodniowego czyszczenia kwasem (2% kwas cytrynowy w temperaturze 50 stopni przez 1 godzinę).. 10-20 Ppm-antyskalanty zwiększają czas indukcji kamienia 5-10-krotnie, dzięki czemu ścianka o grubości 1,0 mm może przetrwać 5000+ godz. Jeżeli powłoka ma grubość mniejszą niż 0,2 mm, stan termiczny przywraca się poprzez czyszczenie kwasem, które rozpuszcza amorficzną krzemionkę. Gruba ściana (1,8 mm) bez czyszczenia ulega uszkodzeniu szybciej niż cienka ściana po czyszczeniu, ponieważ wyższa początkowa temperatura powierzchni przyspiesza osadzanie się kamienia szybciej, niż jest w stanie utrzymać częstotliwość czyszczenia.

Wnioski: W przypadku wystąpienia kamienia korozja nie jest dominującym mechanizmem uszkodzeń
Tytanowy grzejnik płaszczowy do koncentratu RO o wysokiej zawartości krzemionki i chlorków przekształca mechanizm awarii z opóźnionego wżera chlorkowego (lata) w szybkie przegrzanie-przez (miesiące) z powodu osadzania się kamienia krzemionkowego. Grubsza ściana pogarsza sytuację, zwiększając temperaturę powierzchni w obszarze szybkiego osadzania się kamienia. Wysokie stężenie krzemionki RO powinno być usuwane za pomocą cienkościennej (1,0 mm) i cotygodniowego czyszczenia kwasem lub ciągłego wstrzykiwania środka zapobiegającego-skalantowi. Należy również zauważyć, że im grubsza ściana, która nie została oczyszczona, tym szybciej ulegnie zniszczeniu w porównaniu z cieńszą ścianą, która została oczyszczona, dlatego grubość ściany jest dodatkowym elementem kontroli kamienia. Określając grzejniki, należy podać producentowi stężenie krzemionki w masie (ppm) i możliwość czyszczenia kwasem oraz poprosić o szacunkową temperaturę powierzchni, aby sprawdzić, czy temperatura pracy będzie niższa niż 80 stopni.