В изпарител с нулево-течно-разреждане, третиращ солен разтвор с високо-хлорид (100 000 ppm) при 120 градуса, как присъствието на кислород контролира стабилността на пасивация на титанова обвивка?

Фундаментален компромис-в конструкцията на титанов нагревател за високотемпературни изпарители за солен разтвор
В изпарителите с нулево{0}}течно-изпускане (ZLD) промишлените отпадъчни води се концентрират близо до насищане, за да се получат солеви разтвори с концентрации на хлорид до 100 000-150 000 ppm при работни температури от 100-120 градуса. Потопяемите нагреватели, използвани в тази услуга, за предпочитане са от титан поради изключителната обща устойчивост на корозия в хлоридни разтвори. Тези тежки обстоятелства обаче поставят на изпитание границите на пасивността на титана. В солена вода (19 000 ppm Cl⁻ при 30 градуса) титанът е пасивен за неопределено време, но в присъствието на 100,000+ ppm хлориди при 120 градуса, пасивният слой от титанов диоксид е в състояние, при което стабилността му жизненоважно зависи от концентрацията на разтворен кислород в саламура. В кислородни условия пасивният филм само-заздравява бързо и титаниева обвивка (1,0 mm) с тънка дебелина на стената може да осигури много-годишна работа. Пасивният филм се проваля при условия на недостиг на кислород или обезвъздушаване и може да настъпи бърз локализиран питинг и абсорбция на водород и да пробие стена от 2,5 mm за няколко месеца. Кислородът работи като катоден деполяризатор и измества корозионния потенциал в пасивната зона. Този анализ разглежда връзката между кислород-пасивност и дава предложения за дебелината на стената като функция на прогнозираните концентрации на разтворен кислород в обслужването на ZLD изпарител.

Въздействие върху механичната цялост: обезвъздушени и аерирани условия за пасивация
Титанът се пасивира от стабилен TiO2 филм, който се пасивира непрекъснато в аерирани хлоридни разтвори при повишени температури. Катодната реакция на повърхността на пасивния филм е реакцията на редукция на разтворения кислород (O₂ + 2H2O + 4e⁻ → 4OH⁻). Необходимото ниво на разтворен кислород за поддържане на пасивността на титан от клас 2 в 100 000 ppm хлориден солев разтвор при 120 градуса е от порядъка на 0,5 ppm. При този праг потенциалът на корозия все още е над потенциала на питинг (~+300 mV спрямо Ag/AgCl), докато равномерната скорост на корозия е под 0,01 mm/година. Под 0,5 ppm кислород катодната реакция се измества към редукция на вода (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-), произвеждайки водород на повърхността. Корозионният потенциал се измества в активната зона и хлоридните йони могат да проникнат в компрометирания пасивен филм. При деаерирани условия (кислород < 0,1 ppm) при 120 градуса, измерената скорост на питинг във високо-хлориден саламура е 0,5–1,0 mm на година, което показва, че стена от 1,5 mm може да се перфорира за 18–36 месеца. По-важното е, че водородът, създаден в катодните места, мигрира в титановата решетка и води до крехкост, което предизвиква напукване преди питинг перфорацията. Следователно механичната цялост на обвивката зависи не само от дебелината на стената, но и от наличието на достатъчно разтворен кислород за поддържане на катодната реакция, която поддържа титана в пасивно състояние.

Влияние върху термичните характеристики: Изчерпване на кислорода при горещи повърхности
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, което обикновено не е осъществимо в обезвъздушени ZLD изпарители. По този начин по-тънките стени не само увеличават топлопреминаването, но и понижават повърхностната температура, поддържайки обвивката в по-нисък и по-съвместим с кислорода температурен режим.

Синтез на компромис-: Концентрацията на кислород като множител на дебелината на стената
Матрицата по-долу показва препоръчителната дебелина на титаниевата стена за нагревател на изпарител ZLD за 100 000 ppm хлориден солев разтвор при 120 градуса в зависимост от определената концентрация на разтворен кислород в рециркулиращия солен разтвор.

Разтворен кислород в насипен солев разтвор (ppm при 120 градуса) Предложения за дебелина на титаниевата стена (степен 2) Прогнозна стабилност и живот на пасивния FilmCore Инженерна обосновка 2,0 ppm (напълно аериран, отворен изпарител с разпръскване на въздух) 1,0 mm – 1,2 mm Отлично; > 5 години Концентрацията на кислород е над критичния праг. Стабилно пасивно фолио. Тънката стена подобрява преноса на топлина и намалява температурата на повърхността. Допускането на корозия от 0,05 mm/година дава предпазен буфер.
1,0 – 2,0 ppm (умерена аерация, полу-затворена система) 1,4 mm – 1,6 mm Добро; 3 – 5 години Кислородът наближава критичния праг. По-дебелата стена дава възможност за корозия при странно потапяне в кислород. Умерената дебелина на стената осигурява компромис между топлинна ефективност и граница на пасивация.
Ниско съдържание на кислород, де{0}}деаерирана храна, ниско проникване на въздух 0,5 – 1,0 ppm 1,8 mm – 2,0 mm Маргинално; 2 – 3 години Кислород малко над критичното ниво. Опасността от ядене е голяма. Необходима е дебела стена за защита от корозия. Препоръчва се за мониторинг на водородна крехкост. Бягането при това ниво на кислород не е добро.
< 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.
Управление на кислорода и инженерство за избор на степен отвъд стената
Дизайнът на ZLD изпарителя води до функциониране при ниско съдържание на разтворен кислород < 1 ppm. Показани са три допълващи се решения за възстановяване на пасивността на титан без необходимост от непрактично дебели стени. Първо, пускането на мехурчета с въздух или кислород в кръга за рециркулация на саламура ще доведе концентрацията на кислород до 2–3 ppm, което обикновено е достатъчно дори за тънкостенни титаниеви нагреватели. Разпръскването на въздух струва по-малко енергия в сравнение с честата смяна на нагревателите. Второ, промяната от степен 2 на титан от степен 7 (Ti-0,15% Pd) намалява критичното ниво на кислород за пасивност от 0,5 ppm до по-малко от 0,1 ppm. Наличието на паладий работи като катоден катализатор, позволявайки редуцирането на водорода да протича при по-нисък свръхнапрежение и да доведе до промяна на корозионния потенциал до пасивен диапазон дори в деаерирани солеви разтвори. Полевите данни от изпарители ZLD показват, че титан от клас 7 с дебелина на стената от 1,2 mm може да оцелее в саламура с ниско съдържание на кислород от 0,2 ppm за 6–8 години, докато титан от клас 2 се проваля за по-малко от 2 години. Трето, използването на натриев хидроксид помага за поддържане на леко алкално pH (8,5–9,5), което стабилизира пасивния филм и минимизира необходимостта от кислород. За Степен 2 при pH 9 необходимата концентрация на кислород намалява до 0,2 ppm, което позволява по-тънки стени дори в частично деаерирани системи.

Заключение: Тънкостенни{0}}титаниеви нагреватели в солен разтвор с високо съдържание на хлорид, постигнати чрез контрол на кислорода
В ZLD изпарител, обработващ 100 000 ppm хлориден солен разтвор при 120 градуса, кислородът е основният фактор, влияещ върху стабилността на пасивиране на титановата обвивка и необходимата дебелина на стената. Конвенционален 1,0-1,2 mm стенен титанов нагревател клас 2 осигурява солиден многогодишен експлоатационен живот при нива на разтворен кислород над 2 ppm. При кислород от 0,5 до 2 ppm, дебелината на стената трябва да се увеличи до 1,5 до 2,0 mm, за да се отчете допустимото корозионно действие поради повишената опасност от образуване на питинг. Няма реалистична дебелина на стената от клас 2, която да осигури достатъчен живот под 0,5 ppm кислород. Отговорът е или да се въведе отново кислород (разпръскване на въздух) или да се надстрои до степен 7 на титан с паладий, който ще остане пасивен дори при деаерирани условия. Техническият съвет за нови изпарителни инсталации ZLD е да се проектира за концентрация на разтворен кислород в насипно състояние от най-малко 2 ppm чрез контролирано разпръскване на въздух и след това да се посочи титан от клас 2 с дебелина на стената 1,2 mm. Тази комбинация осигурява максимален пренос на топлина, минимални разходи за материали и живот на нагревателя от 5+ години. Когато търсите оферта, предоставете очакваното ниво на разтворен кислород (ppm) и pH на солевия разтвор при работна температура, тъй като тези параметри са по-важни за живота на нагревателя, отколкото дебелината на стената сама по себе си.