Quando uma bainha de titânio é usada como aquecedor para um fluxo de concentrado de osmose reversa com alto teor de sílica e cloreto, como a deposição de incrustações de sílica altera o mecanismo de falha de corrosão para superaquecimento?

A compensação básica-no projeto do aquecedor de titânio no serviço de concentrado de RO
Os fluxos de concentrado de OR são caracterizados por altos teores de cloretos (10.000–50.000 ppm) e altos níveis de sílica (50–200 ppm como SiO2). O titânio foi escolhido por sua resistência à corrosão por cloretos. No entanto, em temperaturas acima de 70 graus, a sílica polimeriza e precipita como incrustações amorfas em superfícies aquecidas. Esta incrustação de sílica afeta completamente o processo de falha. Vida útil de 3-5 anos para titânio sem incrustações devido à corrosão por cloretos. A incrustação serve como um revestimento isolante e causa superaquecimento localizado, levando à rápida queima da bainha em meses. Este mecanismo é afetado pela espessura da parede: uma parede mais espessa ficará mais quente na superfície para a mesma densidade de potência, aumentando assim a polimerização da sílica e a criação de incrustações. Esta transição da corrosão para falha limitada em escala é importante para projetar aquecedores para aplicações de concentrado de OR.

Influência na integridade mecânica: cinética da formação de incrustações de sílica
A solubilidade da sílica diminui com o aumento da temperatura e aumenta com o aumento do pH. Concentrado de RO em pH 7-8 e 70 graus, a concentração de saturação é de cerca de 120 ppm de SiO2. Se a temperatura da superfície da bainha de titânio ultrapassar 80 graus (devido à resistência elétrica através da parede), a solubilidade local cai abaixo de 80 ppm e ocorrem supersaturação e polimerização. A reação é: Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorfo) + 2H2O O tempo de indução para a produção de escala de sílica está relacionado a Arrhenius. A uma temperatura superficial de 80 graus, a incrustação se forma em 48 horas; a 90 graus, forma-se em 8 horas. Para uma parede de titânio de 1,0 mm em concentrado de RO a granel de 70 graus trabalhando a 2,5 W/cm², a temperatura da superfície é de aproximadamente 78 graus, logo abaixo do limite de escala rápida. Para uma espessura de parede de 1,8 mm a superfície atinge 85 graus e entra no regime de escamação rápida. Uma vez formada uma camada de sílica (condutividade=1 W/m·K em comparação com 17 W/m·K para o titânio), a resistência térmica extra aumenta ainda mais a temperatura da superfície, incentivando mais deposição de incrustações. O mecanismo de falha passa de corrosão por pites (anos) para fuga térmica (meses).

Efeito no desempenho térmico: superaquecimento e queima-
Uma fina camada de incrustações de sílica, com apenas 0,5 mm de espessura, contribui para uma resistência térmica $\\Delta T_{scale}=q \\times t_{scale} /k_{scale}$. A 2,5 W/cm², uma camada de sílica de 0,5 mm proporciona uma queda de temperatura de 12,5 graus em toda a escala. Isso significa que a superfície externa do titânio deve estar 12,5 graus mais quente para fornecer o mesmo fluxo de calor. O aumento da temperatura significa um dimensionamento muito mais rápido. O feedback positivo continua até que o fio de resistência interna ultrapasse seu limite de 450°C, provocando falha no isolamento de MgO e queima da bainha-. Dados de campo de aquecedores concentrados de RO mostram que uma parede de titânio de 1,2 mm com uma temperatura superficial inicial de 80 graus forma 0,3 mm de incrustação de sílica em 500 horas, elevando a superfície a 95 graus. A escamação aumenta exponencialmente a 95 graus, atingindo 1,0 mm em mais 500 horas, quando a temperatura do fio é superior a 450 graus e o aquecedor quebra. A duração total desde o início limpo até a falha é de 1.000 a 1.500 horas. Em comparação, a corrosão por pite leva de 8.000 a 10.000 horas para perfurar a mesma parede.

A síntese-de contrapartida: espessura da parede e gerenciamento de escala
Concentração de sílica a granel (ppm SiO2)Espessura de parede sugerida Modo de falha esperado Vida útil (horas) Fundamentação de engenharia < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Apenas corrosão moderada > 20.000 Sem incrustações substanciais; aplica-se o projeto de corrosão convencional.
50 – 100 ppm 1,0 mm (parede{3}}fina)Superaquecimento devido à incrustação 3.000–5.000 Parede fina reduz a temperatura da superfície e retarda a incrustação. Limpeza normal.
100 a 150 ppmNão recomendado (todas as espessuras)Escalonamento rápido Queimadura-até < 1.500 Não importa a espessura da parede, você não pode evitar a escalada. Adicione anti-incrustante ou altere o procedimento.
Limpeza ácida semanal, qualquer 1,2 mm – 1,5 mmLimpeza-controlada > 10.000 A limpeza frequente evita que o calcário cause fuga térmica. Paredes mais espessas podem suportar a erosão da limpeza.
6 Prevenção de incrustações e engenharia de limpeza além da parede
A mudança no mecanismo de falha da corrosão para o superaquecimento causado pela incrustação de sílica torna o controle da temperatura da superfície mais importante do que a tolerância à corrosão na determinação da espessura da parede. A melhor maneira de lidar com concentrado de RO com alto teor de sílica é usar uma parede fina (1,0 mm) e anti-incrustantes químicos (fosfonatos que evitam a polimerização da sílica) ou limpeza ácida semanal (2% de ácido cítrico a 50 graus por 1 hora).. 10-20 anti{7}}ppm aumentam o tempo de indução de incrustação por um fator de 5 a 10, permitindo que uma parede de 1,0 mm dure 5000+ horas. Se a espessura do revestimento for inferior a 0,2 mm, o estado térmico é restaurado por limpeza ácida, que dissolve a sílica amorfa. Uma parede espessa (1,8 mm) sem limpeza falha mais rapidamente do que uma parede fina com limpeza, uma vez que a temperatura inicial da superfície mais elevada acelera a incrustação mais rapidamente do que a frequência de limpeza consegue acompanhar.

Conclusões: Quando ocorre incrustação, a corrosão não é o mecanismo de falha dominante
O aquecedor de bainha de titânio para concentrado de OR com alto teor de sílica e cloreto transforma o mecanismo de falha de corrosão retardada de cloreto (anos) em queima rápida de superaquecimento-durante (meses) devido à deposição de incrustações de sílica. Uma parede mais espessa agrava a situação, aumentando a temperatura da superfície na região de rápida expansão. Alta concentração de OR de sílica deve ser manuseada com uma parede fina (1,0 mm) e limpeza ácida semanal ou injeção contínua de anti-incrustante. Também é importante notar que quanto mais espessa for a parede que não foi limpa, mais rapidamente ela irá falhar em comparação com uma parede mais fina que foi limpa, portanto a espessura da parede é um elemento complementar ao controle de incrustações. Ao especificar aquecedores, forneça ao fabricante a concentração de sílica a granel (ppm) e a possibilidade de limpeza com ácido e solicite uma estimativa da temperatura da superfície para verificar se a operação estará abaixo de 80 graus.