I en nul-flydende-udledningsfordamper, der behandler høj-klorid (100.000 ppm) saltlage ved 120 grader. Hvordan styrer tilstedeværelsen af ​​ilt passiveringsstabiliteten af ​​en titaniumskede?

Grundlæggende afvejning-af titaniumvarmerdesign til højtemperaturbrinefordampere
I fordampere med nul-væske-udledning (ZLD) koncentreres industrispildevand nær mætning for at producere saltlage med kloridkoncentrationer på op til 100.000-150.000 ppm ved driftstemperaturer på 100-120 grader. Dykvarmerne, der anvendes i denne tjeneste, er fortrinsvis titanium på grund af dets enestående generelle korrosionsbestandighed i chloridopløsninger. Disse alvorlige omstændigheder tester dog grænserne for titaniums passivitet. I saltvand (19.000 ppm Cl⁻ ved 30 grader) er titanium passivt på ubestemt tid, men i nærværelse af 100,{13}} ppm chlorider ved 120 grader, er det passive titaniumdioxidlag i en tilstand, hvor dets stabilitet er afgørende afhængig af koncentrationen af ​​opløst oxygen i saltvandet. Under iltede forhold heler den passive film sig selv-hurtigt, og en titaniumkappe (1,0 mm) med tynd vægtykkelse kan give flere-års service. Den passive film svigter under iltsultede eller afluftede omstændigheder, og hurtig lokaliseret grubetæring og brintabsorption kan forekomme og bryde en 2,5 mm væg i løbet af få måneder. Oxygen fungerer som en katodisk depolarisator og flytter korrosionspotentialet ind i det passive område. Denne analyse omhandler forholdet mellem ilt-passivitet og giver forslag til vægtykkelse som funktion af forventede opløst iltkoncentrationer i ZLD-fordamperservice.

Mekanisk integritetspåvirkning: Afluftede og luftede betingelser for passivering
Titanium passiveres af en stabil TiO2-film, som kontinuerligt repassiveres i luftede chloridopløsninger ved forhøjede temperaturer. Den katodiske reaktion af den passive filmoverflade er reduktionsreaktionen af ​​det opløste oxygen (O₂ + 2H2O + 4e⁻ → 4OH⁻). Det nødvendige niveau af opløst oxygen for at opretholde passivitet af grad 2 titanium i 100.000 ppm chloridsaltlage ved 120 grader er af størrelsesordenen 0,5 ppm. Ved denne tærskel er korrosionspotentialet stadig over pitpotentialet (~+300 mV vs. Ag/AgCl), mens den ensartede korrosionshastighed er under 0,01 mm/år. Under 0,5 ppm oxygen forskydes den katodiske reaktion til reduktion af vand (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-), hvilket producerer hydrogen ved overfladen. Korrosionspotentialet skifter ind i det aktive område, og chloridioner kan trænge igennem den kompromitterede passive film. Under afluftede omstændigheder (ilt < 0,1 ppm) ved 120 grader er den målte pitting rate i høj-chloridsaltlage 0,5-1,0 mm om året, hvilket indikerer, at en 1,5 mm væg kan perforere i løbet af 18-36 måneder. Mere væsentligt er det, at det brint, der dannes på katodiske steder, migrerer ind i titanium-gitteret og fører til skørhed, som inducerer revnedannelse før hullets perforering. Den mekaniske integritet af kappen afhænger derfor ikke kun af vægtykkelsen, men også af tilstedeværelsen af ​​tilstrækkeligt opløst oxygen til at understøtte den katodiske reaktion, der holder titanium i en passiv tilstand.

Indflydelse på termisk ydeevne: Iltsvind på varme overflader
The temperature differential across the titanium sheath causes a local oxygen concentration gradient. The solubility of dissolved oxygen diminishes as brine is heated over the sheath surface. At bulk brine temperatures of 120 °C the equilibrium oxygen solubility at 1 atm is ~2 ppm. At the titanium surface, the local oxygen solubility is reduced to around 1.5 ppm, where it may reach 125-130°C due to electrical resistance through the wall. This difference is generally not enough to result in loss of passivity. However, the surface temperature can be higher than 140 C when the heater works with high power density (>3.5 W/cm 2 ) or with thick wall (>1.8 mm), where oxygen solubility is less than 1 ppm. Even at these temperatures, a bulk oxygen content of 2 ppm may not be enough to keep the sheath surface passive. Finite element modeling of oxygen transport indicates that a 1.2 mm wall at a surface temperature of 128°C consumes oxygen at the cathodic surface at a rate that can be sustained by diffusion from the bulk if the bulk concentration is greater than 1.5 ppm. A 2.0 mm wall at a surface temperature of 142°C necessitates a bulk oxygen concentration of >3 ppm, hvilket typisk ikke er muligt i afluftede ZLD-fordampere. Således øger tyndere vægge ikke kun varmetransmissionen, men sænker også overfladetemperaturen, hvilket holder kappen i et lavere og mere iltkompatibelt temperaturregime.

Syntese af afvejningen-: Iltkoncentration som en multiplikator af vægtykkelse
Matrixen nedenfor viser den foreslåede titanium-vægtykkelse for en ZLD-fordampervarmer til 100.000 ppm chloridbrine ved 120 grader afhængigt af den bestemte opløste oxygenkoncentration i den recirkulerende brinestrøm.

Opløst ilt i bulk saltlage (ppm ved 120 grader) Forslag til vægtykkelse af titanium (grad 2) Forudsagt stabilitet og levetid for passiv filmkerneteknik Begrundelse 2,0 ppm (fuldstændig luftet, åben fordamper med luftindblæsning) 1,0 mm – 1,2 mm Fremragende; > 5 år Iltkoncentrationen er over den kritiske tærskel. Stabil passiv film. Tynd væg øger varmeoverførslen og minimerer overfladetemperaturen. Korrosionsgodtgørelse på 0,05 mm/år giver en sikkerhedsbuffer.
1,0 – 2,0 ppm (moderat beluftning, semi-forseglet system) 1,4 mm – 1,6 mm Godt; 3 – 5 år Ilt nærmer sig kritisk tærskel. Den tykkere væg giver en korrosionsgodtgørelse for det ulige dyk i ilt. Moderat vægtykkelse giver et kompromis mellem termisk ydeevne og passiveringsmargin.
Lavt iltindhold, af-beluftet foder, lavt luftindtrængning 0,5 – 1,0 ppm 1,8 mm – 2,0 mm Marginal; 2 – 3 år Ilt lige over kritisk niveau. Faren for pitting er høj. Tyk væg nødvendig for korrosionsgodtgørelse. Anbefales til overvågning af brintskørhed. At løbe på dette iltniveau er ikke godt.
< 0.5 ppm (deaerated, e.g. closed loop with oxygen scavengers)Not recommended (any thickness) Unstable; < 18 months Passivity is not sustainable. Pitting and hydrogen embrittlement will occur independent of wall thickness Reintroduction of oxygen or other material (such as titanium-palladium Grade 7 or zirconium) is necessary.
Oxygen Management og Grade Selection Engineering Beyond the Wall
ZLD-fordamperdesign resulterer i at fungere under lavt opløst oxygen < 1 ppm. Tre komplementære løsninger er vist for at genvinde titaniumpassivitet uden behov for upraktisk tykke vægge. For det første vil boblende luft eller ilt ind i saltvandsrecirkulationskredsløbet bringe iltkoncentrationen op på 2-3 ppm, hvilket normalt er tilstrækkeligt selv for tyndvæggede titaniumvarmere. Luftindblæsning koster mindre energi sammenlignet med hyppig udskiftning af varmelegemerne. For det andet reducerer ændringen fra grad 2 til grad 7 titanium (Ti-0,15% Pd) det kritiske oxygenniveau for passivitet fra 0,5 ppm til mindre end 0,1 ppm. Tilstedeværelsen af ​​palladium fungerer som en katodisk katalysator, der tillader reduktion af hydrogen at forløbe ved et lavere overpotentiale og resulterer i en ændring af korrosionspotentialet til det passive område selv i afluftede saltlage. Feltdata fra ZLD-fordampere viser, at Grade 7 titanium med 1,2 mm vægtykkelse kan overleve i saltlage med så lave som 0,2 ppm oxygen i 6-8 år, mens Grade 2 titanium svigter på mindre end 2 år. For det tredje hjælper brugen af ​​natriumhydroxid med at opretholde en let alkalisk pH (8,5-9,5), som stabiliserer den passive film og minimerer behovet for ilt. For grad 2 ved pH 9 reduceres den nødvendige oxygenkoncentration til 0,2 ppm, hvilket tillader tyndere vægge selv i delvist afluftede systemer.

Konklusion: Tynde-væggede titaniumvarmere i saltlage med højt kloridindhold opnået ved iltkontrol
I en ZLD-fordamper, der behandler 100.000 ppm chloridsaltlage ved 120 grader, er oxygen den vigtigste faktor, der påvirker stabiliteten til passivering af titaniumkappen og den krævede vægtykkelse. En konventionel 1,0-1,2 mm væg Grade 2 titaniumvarmer leverer en solid flerårig levetid ved niveauer af opløst ilt over 2 ppm. Med ilt på 0,5 til 2 ppm bør vægtykkelsen øges til 1,5 til 2,0 mm for at tage højde for korrosionsmængden på grund af den øgede fare for grubetæring. Der er ingen realistisk Grade 2 vægtykkelse, der vil give tilstrækkelig levetid under 0,5 ppm oxygen. Svaret er enten at genindføre ilt (luftsprængning) eller opgradere til Grade 7 titanium med palladium, som vil forblive passivt selv under afluftede forhold. Det tekniske råd til nye ZLD-fordamperinstallationer er at designe til en bulk opløst oxygenkoncentration på mindst 2 ppm ved kontrolleret luftgennemblæsning og derefter specificere Grade 2 titanium med en 1,2 mm vægtykkelse. Denne kombination giver den maksimale varmeoverførsel, minimale materialeomkostninger og en varmelegemelevetid på 5+ år. Når du søger et tilbud, skal du angive det estimerede niveau af opløst ilt (ppm) og pH i brine ved arbejdstemperatur, da disse parametre er vigtigere for varmeapparatets levetid end vægtykkelse alene.