Когда титановая оболочка используется в качестве нагревателя для потока концентрата обратного осмоса с высоким содержанием кремнезема и хлоридов, как отложение кремнезема меняет механизм отказа от коррозии к перегреву?

Основной компромисс-при выборе конструкции титанового нагревателя при использовании концентрата обратного осмоса
Потоки концентрата обратного осмоса характеризуются высоким содержанием хлоридов (10 000–50 000 частей на миллион) и повышенным содержанием кремнезема (50–200 частей на миллион в виде SiO2). Титан был выбран из-за его устойчивости к хлоридной коррозии. Однако при температуре выше 70 градусов кремнезем полимеризуется и выпадает в виде аморфной окалины на нагретых поверхностях. Эта накипь кремнезема полностью влияет на процесс разрушения. Срок службы 3-5 лет для титана без окалины из-за изъязвлений хлоридами. Окалина служит изолирующим покрытием и вызывает локальный перегрев, приводящий к быстрому прожогу оболочки в течение нескольких месяцев. На этот механизм влияет толщина стенки: более толстая стенка будет нагреваться на поверхности при той же плотности мощности, что увеличивает полимеризацию кремнезема и образование накипи. Этот переход от коррозии к разрушению, ограниченному накипью, важен для проектирования нагревателей для применений с концентратом обратного осмоса.

Влияние на механическую целостность: кинетика образования кремнеземной окалины
Растворимость кремнезема снижается с повышением температуры и увеличивается с повышением pH. Концентрат RO при pH 7-8 и температуре 70 градусов, концентрация насыщения составляет около 120 ppm SiO2. Если температура поверхности титановой оболочки превышает 80 градусов (из-за электрического сопротивления стенки), местная растворимость падает ниже 80 ppm и происходит пересыщение и полимеризация. Реакция следующая: Si(OH)4 (водн.) SiO2 (аморфный) + 2H2O Время индукции образования накипи кремнезема зависит от Аррениуса. При температуре поверхности 80 градусов накипь образуется за 48 часов; при 90 градусах формируется за 8 часов. Для титановой стенки толщиной 1,0 мм в объемном концентрате обратного осмоса при температуре 70 градусов и мощности 2,5 Вт/см² температура поверхности составляет примерно 78 градусов, что чуть ниже порога быстрого образования накипи. При толщине стенки 1,8 мм поверхность достигает 85 градусов и переходит в режим быстрого окалины. Как только образуется слой кремнезема (проводимость=1 Вт/м·К по сравнению с 17 Вт/м·К для титана), дополнительное термическое сопротивление еще больше увеличивает температуру поверхности, способствуя большему отложению накипи. Механизм разрушения варьируется от точечной коррозии (лет) до термического разгона (месяцы).

Влияние на тепловые характеристики: перегрев и перегорание-
Тонкий слой кварцевой накипи толщиной всего 0,5 мм обеспечивает термическое сопротивление $\\Delta T_{scale}=q \\times t_{scale} /k_{scale}$. При 2,5 Вт/см² слой кремнезема толщиной 0,5 мм обеспечивает падение температуры на 12,5 градусов по шкале. Это означает, что внешняя поверхность титана должна быть на 12,5 градусов горячее, чтобы обеспечить тот же тепловой поток. Повышенная температура означает гораздо более быстрое образование накипи. Положительная обратная связь продолжается до тех пор, пока внутреннее сопротивление провода не превысит предел в 450 C, что приведет к разрушению изоляции MgO и прогоранию оболочки-. Полевые данные нагревателей концентрата обратного осмоса показывают, что титановая стенка толщиной 1,2 мм с начальной температурой поверхности 80 градусов образует 0,3 мм кремнеземной окалины в течение 500 часов, поднимая поверхность до 95 градусов. Накипь увеличивается экспоненциально при 95 градусах, достигая 1,0 мм еще через 500 часов, когда температура проволоки превышает 450 градусов и нагреватель выходит из строя. Общая продолжительность от чистого запуска до отказа составляет 1000–1500 часов. Для сравнения, питтинговая коррозия занимает от 8000 до 10 000 часов, чтобы пробить ту же стенку.

Компромиссный-синтез: управление толщиной стенок и масштабированием
Концентрация объемного кремнезема (ppm SiO2) Рекомендуемая толщина стенки Ожидаемый срок службы в режиме отказа (часы) Основное инженерное обоснование < 50 ppm 1,0 мм – 1,2 мм Только легкая питтинговая коррозия > 20 000 Отсутствие существенного образования накипи; применяется традиционный антикоррозийный расчет.
50–100 ppm 1,0 мм (тонкая-стенка) Перегрев из-за окалины 3 000–5 000 Тонкая стенка снижает температуру поверхности и замедляет образование накипи. Уборка нормальная.
От 100 до 150 частей на миллионНе рекомендуется (любая толщина)Быстрое масштабирование Прожигание-через < 1500 Неважно, насколько толстая стена, вы не сможете избежать лазания. Добавьте антинакипин или замените процедуру.
Еженедельная кислотная очистка, любой размер 1,2–1,5 мм. Контролируемая очистка-> 10 000. Частая очистка предотвращает появление накипи, вызывающей термический выход. Более толстая стенка может выдержать эрозию очистки.
6. Технология предотвращения накипи и очистки за стеной
Сдвиг механизма разрушения от коррозии к перегреву, вызванный отложениями кремнезема, делает контроль температуры поверхности более важным, чем допуск на коррозию при определении толщины стенки. Лучший способ справиться с концентратом обратного осмоса с высоким содержанием кремнезема — использовать тонкие стенки (1,0 мм) и либо химические средства против-накипи (фосфонаты, которые предотвращают полимеризацию кремнезема), либо еженедельную кислотную очистку (2% лимонная кислота при 50 градусах в течение 1 часа). 10-20 средства против накипи- увеличивают время индукции образования накипи в 5–10 раз, позволяя стенке толщиной 1,0 мм прослужить 5000+ часов. Если толщина покрытия менее 0,2 мм, термическое состояние восстанавливают кислотной очисткой, растворяющей аморфный кремнезем. Толстая стенка (1,8 мм) без очистки выходит из строя быстрее, чем тонкая стенка с очисткой, поскольку более высокая начальная температура поверхности ускоряет образование окалины быстрее, чем выдерживает частота очистки.

Выводы: При возникновении накипи коррозия не является доминирующим механизмом разрушения.
Нагреватель с титановой оболочкой для концентрата обратного осмоса с высоким содержанием кремнезема и хлоридов преобразует механизм отказа от отсроченного хлоридного изъязвления (годы) к быстрому перегреву-(месяцы) из-за отложения кремнезема. Более толстая стенка усугубляет ситуацию, увеличивая температуру поверхности до области быстрого масштабирования. С высокой концентрацией диоксида кремния при обратном осмосении следует бороться с помощью тонкой стенки (1,0 мм) и еженедельной очистки кислотой или постоянного впрыска средства против-накипи. Также важно отметить, что чем толще неочищенная стена, тем быстрее она выйдет из строя по сравнению с более тонкой стенкой, которая была очищена, поэтому толщина стенки является дополнительным элементом для контроля накипи. При выборе нагревателей сообщите производителю объемную концентрацию кремнезема (ppm) и возможность кислотной очистки, а также запросите оценку температуры поверхности, чтобы убедиться, что рабочая температура будет ниже 80 градусов.