Wanneer een titaniummantel wordt gebruikt als verwarming voor een concentraatstroom met omgekeerde osmose met een hoog silica- en chloridegehalte, hoe verandert de afzetting van silicaaanslag dan het faalmechanisme van corrosie in oververhitting?

De fundamentele afweging-in het ontwerpen van titaniumverwarmers bij RO-concentraatservice
RO-concentraatstromen worden gekenmerkt door hoge chloriden (10.000–50.000 ppm) en hogere silica (50–200 ppm als SiO2). Titanium werd gekozen vanwege zijn weerstand tegen chloridecorrosie. Bij temperaturen boven de 70 graden polymeriseert silica echter en slaat het neer als amorfe aanslag op verwarmde oppervlakken. Deze silicaaanslag heeft een volledige invloed op het faalproces. Levensduur 3-5 jaar voor titanium zonder aanslag als gevolg van putvorming door chloriden. De kalk dient als een isolerende coating en veroorzaakt plaatselijke oververhitting, wat binnen enkele maanden tot een snelle doorbranding van de mantel leidt. Dit mechanisme wordt beïnvloed door de wanddikte: een dikkere wand zal bij dezelfde vermogensdichtheid heter worden aan het oppervlak, waardoor de polymerisatie van silica toeneemt en er kalkaanslag ontstaat. Deze overgang van corrosie naar schaalbeperkt falen is belangrijk voor het ontwerpen van verwarmingstoestellen voor RO-concentraattoepassingen.

Invloed op mechanische integriteit: kinetiek van silica-schaalvorming
De oplosbaarheid van silica neemt af bij toenemende temperatuur en neemt toe bij toenemende pH. RO-concentraat bij pH 7-8 en 70 graden is de verzadigingsconcentratie ongeveer 120 ppm SiO2. Als de oppervlaktetemperatuur van de titaniummantel de 80 graden overschrijdt (als gevolg van de elektrische weerstand door de wand), daalt de lokale oplosbaarheid onder de 80 ppm en treden oververzadiging en polymerisatie op. De reactie is: Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorf) + 2H2O De inductietijd voor de productie van silica-aanslag is gerelateerd aan Arrhenius. Bij een oppervlaktetemperatuur van 80 graden vormt zich binnen 48 uur kalk; bij 90 graden vormt het zich in 8 uur. Voor een titaniumwand van 1,0 mm in 70 graden bulk RO-concentraat dat werkt op 2,5 W/cm², is de oppervlaktetemperatuur ongeveer 78 graden, net onder de drempel voor snelle schaling. Voor een wanddikte van 1,8 mm bereikt het oppervlak een hoek van 85 graden en komt in het snelle schaalregime terecht. Zodra een silicalaag is gevormd (geleidingsvermogen=1 W/m·K vergeleken met 17 W/m·K voor titanium), verhoogt de extra thermische weerstand de oppervlaktetemperatuur verder, waardoor meer kalkafzetting wordt gestimuleerd. Het faalmechanisme gaat van putcorrosie (jaren) naar thermische runaway (maanden).

Effect op thermische prestaties: oververhitting en doorbranden-
Een dunne silicalaag, slechts 0,5 mm dik, draagt ​​bij aan een thermische weerstand $\\Delta T_{schaal}=q \\times t_{schaal} /k_{schaal}$. Bij 2,5 W/cm² geeft een silicalaag van 0,5 mm een ​​temperatuurdaling van 12,5 graden over de hele schaal. Dat betekent dat het titaniumbuitenoppervlak 12,5 graden heter moet zijn om dezelfde warmtestroom te leveren. De hogere temperatuur betekent een veel snellere schaalvergroting. Positieve feedback gaat door totdat de interne weerstandsdraad de limiet van 450 °C overschrijdt, wat leidt tot falen van de MgO-isolatie en het doorbranden van de mantel-. Veldgegevens van RO-concentraatverwarmers laten zien dat een titaniumwand van 1,2 mm met een initiële oppervlaktetemperatuur van 80 graden binnen 500 uur 0,3 mm silica-aanslag vormt, waardoor het oppervlak tot 95 graden wordt verhoogd. De schaalvergroting neemt exponentieel toe bij 95 graden en bereikt 1,0 mm in nog eens 500 uur, wanneer de draadtemperatuur meer dan 450 graden bedraagt ​​en de verwarming kapot gaat. De totale duur van schone start tot falen is 1.000-1.500 uur. Ter vergelijking: putcorrosie duurt 8.000 tot 10.000 uur om dezelfde muur te perforeren.

De afweging-Synthese: wanddikte- en schaalbeheer
Concentratie van bulksilica (ppm SiO2) Aanbevolen wanddikte Verwachte faalwijze Levensduur (uren) Kern Technische reden < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Alleen milde putjes > 20.000 Geen substantiële schilfering; conventioneel corrosieontwerp is van toepassing.
50 – 100 ppm 1,0 mm (dunne-wand)Oververhitting door aanslag 3.000–5.000 Dunne wand verlaagt de oppervlaktetemperatuur en vertraagt ​​de aanslag. Normaal schoonmaken.
100 tot 150 ppmNiet aanbevolen (alle diktes)Snelle schaalvergroting Doorbranden-door < 1.500 Het maakt niet uit hoe dik de muur is, je ontkomt niet aan klimmen. Antiscalant toevoegen of procedure wijzigen.
Wekelijkse zuurreiniging, elke 1,2 mm – 1,5 mmReiniging-gecontroleerd > 10.000 Regelmatig reinigen voorkomt dat kalk de thermische overstroming veroorzaakt. Dikkere muren kunnen erosie van het schoonmaken verdragen.
6 Schaalpreventie en reinigingstechniek voorbij de muur
De verschuiving in het faalmechanisme van corrosie naar oververhitting veroorzaakt door silica-aanslag maakt de controle van de oppervlaktetemperatuur belangrijker dan de corrosietolerantie bij het bepalen van de wanddikte. De beste manier om met een RO-concentraat met een hoog silicagehalte om te gaan is het gebruik van een dunne wand (1,0 mm) en chemische anti{2}}scalants (fosfonaten die polymerisatie van silica voorkomen) of wekelijkse zure reiniging (2% citroenzuur bij 50 graden gedurende 1 uur).. 10-20 ppm anti-scalants verlengen de inductietijd van de kalkaanslag met een factor 5-10, waardoor een wand van 1,0 mm 5000+ uur meegaat. Als de coating minder dan 0,2 mm dik is, wordt de thermische toestand hersteld door zuurreiniging, waarbij het amorfe silica oplost. Een dikke wand (1,8 mm) zonder reiniging faalt sneller dan een dunne wand met reiniging, omdat de hogere initiële oppervlaktetemperatuur de aanslag sneller versnelt dan de reinigingsfrequentie kan bijhouden.

Conclusies: Wanneer er aanslag optreedt, is corrosie niet het dominante faalmechanisme
Verwarming met titaniummantel voor RO-concentraat met een hoog silica- en chloridegehalte transformeert het faalmechanisme van vertraagde chlorideputvorming (jaren) naar snelle oververhitte verbranding-(maanden) als gevolg van afzetting van silicaaanslag. Een dikkere wand verergert de situatie door de oppervlaktetemperatuur te verhogen tot in het snelle schaalgebied. Hoge silica-RO-concentraties moeten worden behandeld met een dunne wand (1,0 mm) en wekelijkse zuurreiniging of continue injectie van anti- scalant. Het is ook belangrijk op te merken dat hoe dikker de muur die niet is schoongemaakt, hoe sneller deze zal bezwijken in vergelijking met een dunnere muur die wel is schoongemaakt. Daarom is de wanddikte een aanvullend element voor schaalbeheersing. Wanneer u verwarmingstoestellen specificeert, geef dan aan de fabrikant de bulk-siliciumconcentratie (ppm) en de zuurreinigingsmogelijkheid door en vraag om een ​​schatting van de oppervlaktetemperatuur om te verifiëren dat de werking onder de 80 graden zal liggen.