Quando una guaina di titanio viene utilizzata come riscaldatore per un flusso di concentrato di osmosi inversa con alto contenuto di silice e cloruro, in che modo la deposizione di incrostazioni di silice modifica il meccanismo di guasto dalla corrosione al surriscaldamento?

Il compromesso di base-nella progettazione del riscaldatore in titanio nel servizio di concentrati RO
I flussi di concentrati RO sono caratterizzati da un elevato contenuto di cloruri (10.000–50.000 ppm) e da un elevato contenuto di silice (50–200 ppm come SiO2). Il titanio è stato scelto per la sua resistenza alla corrosione da cloruri. Tuttavia, a temperature superiori a 70 gradi la silice polimerizza e precipita come scaglia amorfa su superfici riscaldate. Questa scala di silice influenza completamente il processo di cedimento. Durata utile di 3-5 anni per il titanio senza incrostazioni dovute alla vaiolatura da cloruri. Le incrostazioni fungono da rivestimento isolante e causano un surriscaldamento localizzato che porta ad una rapida bruciatura della guaina in pochi mesi. Questo meccanismo è influenzato dallo spessore della parete: una parete più spessa sarà più calda in superficie a parità di densità di potenza, aumentando quindi la polimerizzazione della silice e la creazione di incrostazioni. Questa transizione dalla corrosione al guasto limitato su scala è importante per la progettazione di riscaldatori per applicazioni di concentrati RO.

Influenza sull'integrità meccanica: cinetica della formazione di incrostazioni di silice
La solubilità della silice diminuisce con l'aumentare della temperatura e aumenta con l'aumentare del pH. Concentrato RO a pH 7-8 e 70 gradi, la concentrazione di saturazione è di circa 120 ppm SiO2. Se la temperatura superficiale della guaina di titanio supera gli 80 gradi (a causa della resistenza elettrica attraverso la parete) la solubilità locale scende al di sotto di 80 ppm e si verificano sovrasaturazione e polimerizzazione. La reazione è: Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorfo) + 2H2O Il tempo di induzione per la produzione di incrostazioni di silice è correlato ad Arrhenius. Ad una temperatura superficiale di 80 gradi, le incrostazioni si formano in 48 ore; a 90 gradi si forma in 8 ore. Per una parete di titanio da 1,0 mm in un concentrato RO sfuso a 70 gradi che funziona a 2,5 W/cm², la temperatura superficiale è di circa 78 gradi, appena al di sotto della soglia di ridimensionamento rapido. Per uno spessore della parete di 1,8 mm la superficie raggiunge gli 85 gradi ed entra nel regime di ridimensionamento rapido. Una volta che si è formato uno strato di silice (conduttività=1 W/m·K rispetto a 17 W/m·K del titanio), la resistenza termica aggiuntiva aumenta ulteriormente la temperatura superficiale, incoraggiando una maggiore deposizione di calcare. Il meccanismo di guasto passa dalla corrosione per vaiolatura (anni) all’instabilità termica (mesi).

Effetto sulle prestazioni termiche: surriscaldamento e bruciatura-through
Un sottile strato di scaglie di silice, spesso solo 0,5 mm, contribuisce alla resistenza termica $\\Delta T_{scale}=q \\times t_{scale} /k_{scale}$. A 2,5 W/cm² uno strato di silice di 0,5 mm dà un calo di temperatura di 12,5 gradi su tutta la scala. Ciò significa che la superficie esterna del titanio deve essere 12,5 gradi più calda per fornire lo stesso flusso di calore. L'aumento della temperatura significa un ridimensionamento molto più rapido. Il feedback positivo continua finché il filo della resistenza interna non supera il limite di 450°C, provocando il guasto dell'isolamento di MgO e la bruciatura della guaina-. I dati sul campo dei riscaldatori per concentrati RO mostrano che una parete di titanio di 1,2 mm con una temperatura superficiale iniziale di 80 gradi forma 0,3 mm di scaglia di silice entro 500 ore elevando la superficie a 95 gradi. Le incrostazioni aumentano esponenzialmente a 95 gradi, raggiungendo 1,0 mm in altre 500 ore, quando la temperatura del filo supera i 450 gradi e il riscaldatore si rompe. La durata totale dall'avvio pulito al cedimento è di 1.000-1.500 ore. In confronto, la corrosione per vaiolatura impiega dalle 8.000 alle 10.000 ore per perforare la stessa parete.

La sintesi del compromesso-: spessore delle pareti e gestione della scala
Concentrazione di silice sfusa (ppm SiO2) Spessore della parete suggerito Modalità di guasto prevista Durata di servizio (ore) Fondamenti fondamentali della progettazione < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Solo vaiolatura lieve > 20.000 Nessuna scalatura sostanziale; si applica la progettazione convenzionale contro la corrosione.
50 – 100 ppm 1,0 mm (parete sottile-)Surriscaldamento dovuto al calcare 3.000–5.000 La parete sottile abbassa la temperatura superficiale e rallenta la formazione di calcare. Pulizia normale.
Da 100 a 150 ppmNon consigliato (tutti gli spessori)Ridimensionamento rapido Brucia-fino a < 1.500 Non importa quanto sia spesso il muro, non puoi evitare di arrampicarti. Aggiungere antincrostante o modificare la procedura.
Pulizia settimanale con acido, qualsiasi 1,2 mm – 1,5 mm Pulizia-controllata > 10.000 Una pulizia frequente impedisce al calcare di causare instabilità termica. La parete più spessa può sopportare l'erosione della pulizia.
6 L'ingegneria della prevenzione e della pulizia va oltre il muro
Lo spostamento del meccanismo di rottura dalla corrosione al surriscaldamento causato dalle incrostazioni di silice rende il controllo della temperatura superficiale più importante della tolleranza alla corrosione nella determinazione dello spessore della parete. Il modo migliore per gestire un concentrato di RO ad alto contenuto di silice è utilizzare una parete sottile (1,0 mm) e antincrostanti chimici (fosfonati che impediscono la polimerizzazione della silice) o pulizia settimanale con acido (acido citrico al 2% a 50 gradi per 1 ora). Gli antincrostanti . 10-20 ppm aumentano il tempo di induzione del disincrostante di un fattore 5-10, consentendo a una parete di 1,0 mm di durare 5000+ ore. Se lo spessore del rivestimento è inferiore a 0,2 mm, lo stato termico viene ripristinato mediante pulizia acida, che scioglie la silice amorfa. Una parete spessa (1,8 mm) senza pulizia si deteriora più velocemente di una parete sottile con pulizia, poiché la temperatura superficiale iniziale più elevata accelera la formazione di calcare più velocemente di quanto la frequenza di pulizia possa tenere il passo.

Conclusioni: Quando si verificano incrostazioni, la corrosione non è il meccanismo di guasto dominante
Il riscaldatore con guaina in titanio per concentrato RO ad alto contenuto di silice e cloruro trasforma il meccanismo di guasto da vaiolatura ritardata del cloruro (anni) a combustione surriscaldata rapida-through (mesi) a causa della deposizione di incrostazioni di silice. Un muro più spesso aggrava la situazione aumentando la temperatura superficiale nella regione di rapido ridimensionamento. Un'elevata concentrazione di RO di silice deve essere gestita con una parete sottile (1,0 mm) e una pulizia settimanale con acido o un'iniezione continua di anti-incrostante. È anche importante notare che quanto più spessa è la parete che non è stata pulita, tanto più velocemente si romperà rispetto a una parete più sottile che è stata pulita, quindi lo spessore della parete è un elemento supplementare per il controllo del calcare. Quando si specificano i riscaldatori, fornire al produttore la concentrazione di silice sfusa (ppm) e la possibilità di pulizia con acido e richiedere una stima della temperatura superficiale per verificare che il funzionamento sarà inferiore a 80 gradi.