Qual é a dureza total máxima (como CaCO₃) que um aquecedor de bainha de titânio grau 2 pode tolerar em salmoura geotérmica a 120 graus sem formar incrustações de silicato aderentes?
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As salmouras geotérmicas são ricas em cálcio, magnésio e outros minerais, bem como em sílica dissolvida (SiO2). A sílica polimeriza a 120 graus e co{3}}precipita com carbonatos e silicatos de cálcio e magnésio para formar incrustações tenazes nas superfícies do aquecedor de titânio. Ao contrário das incrustações de carbonato de cálcio, que podem ser dissolvidas com limpeza ácida, as incrustações à base de silicato-, como o silicato de cálcio e o silicato de magnésio, são resistentes à maioria dos ácidos e requerem remoção mecânica vigorosa. A maior dureza total (expressa como CaCO3) que pode ser tolerada pelo titânio Grau 2 sem a formação de incrustações de silicato aderentes é uma função do nível de sílica e da proporção de cálcio-para-magnésio. Para a salmoura geotérmica média com 200–400 ppm de SiO₂, a dureza geral máxima é de 500 ppm de CaCO₃. Acima desta temperatura a incrustação de silicato torna-se aderente em 500 horas e degrada rapidamente a transferência de calor.
O mecanismo de deposição de incrustações de silicato no titânio
A 120 graus, a sílica líquida (como H4SiO4) polimeriza em sílica coloidal e, eventualmente, em sílica amorfa. Na presença de íons cálcio e magnésio, incrustações de silicato precipitam diretamente na superfície quente do titânio. A taxa de precipitação cresce exponencialmente com a temperatura e a dureza geral. A incrustação é amorfa, dura e fortemente aderente por ligação química à camada de óxido de titânio. Ao contrário das incrustações de carbonato, as incrustações de silicato não são solúveis nos ácidos minerais usuais (HCl, H2SO4, HNO3) em quantidades seguras. Somente o ácido fluorídrico (HF) pode remover incrustações de silicato, mas o HF destrói fortemente o titânio e, portanto, a limpeza química não é viável. Após sua formação, a incrustação de silicato deve ser removida mecanicamente por raspagem ou jato de água de alta pressão, o que pode danificar a superfície do titânio.
Formação e Aderência de uma Escala Quantitativa em Função da Dureza Total
Descobriu-se que suas propriedades de incrustação eram diferentes por testes controlados em salmoura geotérmica simulada (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) com dureza total variável quantificada como ppm CaCO3 durante um período de 500 horas. Dureza total inferior a 200 ppm. A espessura da incrustação é de 20-50 µm. A incrustação é pulverulenta e não-aderente. Pode ser removido com jato de água. Na dureza de 200–400 ppm, a espessura da incrustação é de 50–100 µm, a incrustação é altamente tenaz e a remoção precisa ser escovada, com alguma corrosão na superfície detectada sob a incrustação. Com dureza de 400-600 ppm, a incrustação tem 100-200 μm de espessura, é dura, altamente adesiva, requer raspagem mecânica para ser removida e há corrosão abaixo da escala de 10-30 μm após 500 horas. A espessura da incrustação é de 200-400 µm, a incrustação de silicato aderente é formada em 100 horas, a corrosão sob a incrustação é de 50-100 µm e a perda de transferência de calor é substancial. Na dureza de 600-800 ppm a formação de incrustações é rápida e tenaz na dureza de 800 ppm. Risco de desempenho em 1.000-2.000 horas.
Tolerância à durezaEfeito da concentração de sílica e da relação Ca:Mg
Mais sílica significa que menos dureza total é permitida. Se a sílica for inferior a 100 ppm. A dureza máxima para incrustações não{3}}aderentes é de 800 ppm. O tipo de incrustação é principalmente carbonato de cálcio, que pode ser removido por limpeza ácida. A dureza máxima é de apenas 600 ppm. A sílica é de 100 a 200 ppm. A incrustação é uma mistura de carbonato-silicato e a remoção é feita por ácido + escovação. Sílica 200–300 ppm Dureza máxima 500 ppm A incrustação é rica em silicato e moderadamente aderente. A remoção requer apenas escovação mecânica. Para o titânio, a dureza máxima é de 400 ppm, com a sílica de 300-400 ppm. Forma-se incrustações de silicato duro e a remoção com HF não é recomendada. A sílica acima de 400 ppm proporciona uma dureza máxima de 300 ppm e forma severas incrustações de silicato que não são removidas sem danificar o tubo. A proporção de cálcio para magnésio também influencia a aderência das incrustações, com maior teor de magnésio produzindo incrustações de silicato de magnésio mais tenazes e limitando a dureza permitida em 20–30%.
Guia sobre gerenciamento de dureza e sílica para aquecedores geotérmicos de salmoura
A tabela a seguir fornece recomendações para controlar a formação de incrustações em aquecedores de revestimento de titânio Grau 2 em salmoura geotérmica a 120 graus em função da dureza total e da concentração de sílica.
Dureza total (ppm CaCO3) Concentração de silício (ppm) Tipo de incrustação Método de remoção Espessura de incrustação esperada após 1.000 horas (µm)<200 <200 Calcium carbonate Acid cleaning (5% HCl) <50
200–400 <200 Mixed carbonate-silicate Acid + brushing 50–100 200–400 200–300 Silicate-rich Mechanical brushing only 100–150 400–500 200–300 Hard silicate Mechanical (high-pressure water) 150–200 400–500 >300 Severe silicateNot detachable >200 >500 Qualquer Inaceitável para Grau 2 N/AN/A
Engenharia além da dureza e do controle de sílica
The grade of titanium does not effect the creation of the scale but influences the corrosion under the scale. Grade 7 (palladium-stabilized) is 2–3 times more resistant to under-scale pitting than Grade 2, meaning cleaning is not critical until a bit later in its service life. Wall thickness gives a corrosion allowance, 2.0 mm wall with mild under-scale pitting at 0.05 mm/year lasts 40 years. The tube surface finish affects scale adhesion, with electropolished surfaces (Ra < 0.3 µm) being easier to clean than as drawn surfaces. Mechanical scouring at flow velocities >1 m/s diminui o acúmulo de incrustações. Fosfonatos ou poliacrilatos são inibidores eficazes de incrustações para incrustações de carbonato, mas têm pouco efeito sobre incrustações de silicato. O amolecimento a montante (troca iônica ou amolecimento com cal) para reduzir a dureza geral para menos de 200 ppm é a opção mais confiável.
Formulação de especificação informada
Por exemplo, um aquecedor de revestimento de titânio Grau 2 em salmoura geotérmica a 120 graus requer uma análise completa da salmoura, incluindo dureza total como CaCO₃ e concentração de sílica. Se a dureza geral for > 400 ppm ou a sílica for > 250 ppm, especifique o amolecimento a montante para diminuir a dureza para < 200 ppm. Para dureza 200-400 ppm e sílica<200 ppm, indicate annual mechanical cleaning with nylon brush, never steel. Do not use HF or HCl to clean existing heaters with silicate scale, use a high pressure water jet at 5,000-10,000 psi to manually remove scale. Monitor heater power usage during operation; a 15% rise at constant flow shows scale accumulation and the need for cleaning. The engineer respects the limit of 500 ppm maximum total hardness for 250 ppm SiO₂ in order to avoid the formation of adherent silicate scale on Grade 2 titanium heaters in geothermal brine service.
