U isparivaču s nultim-tekućim-pražnjenjem koji tretira slanu otopinu s visokim-kloridom (100.000 ppm) na 120 stupnjeva, kako prisutnost kisika kontrolira stabilnost pasivacije titanijskog omotača?

Temeljni kompromis-u dizajnu grijača od titana za visokotemperaturne isparivače slane vode
U isparivačima s nultim{0}}ispuštanjem-tekućine (ZLD), industrijska otpadna voda koncentrira se blizu zasićenja kako bi se proizvela slana otopina s koncentracijom klorida do 100.000-150.000 ppm na radnoj temperaturi od 100-120 stupnjeva. Uranjajući grijači koji se koriste u ovoj usluzi po mogućnosti su od titana zbog njegove izvanredne opće otpornosti na koroziju u otopinama klorida. Ove teške okolnosti, međutim, testiraju granice titanove pasivnosti. U slanoj vodi (19 000 ppm Cl⁻ na 30 stupnjeva) titan je neograničeno pasivan, ali u prisutnosti 100,000+ ppm klorida na 120 stupnjeva, sloj pasivnog titan dioksida je u stanju u kojem njegova stabilnost bitno ovisi o koncentraciji otopljenog kisika u slanoj vodi. U uvjetima oksigenacije pasivni film brzo samo-zacjeljuje, a omotač od titana (1,0 mm) tanke debljine stijenke može pružiti više-godišnju uslugu. Pasivni film otkazuje u okolnostima nedostatka kisika ili deaeracije i može doći do brze lokalizirane pitinga i apsorpcije vodika i probijanja stijenke od 2,5 mm u roku od nekoliko mjeseci. Kisik djeluje kao katodni depolarizator i pomiče potencijal korozije u pasivno područje. Ova analiza bavi se odnosom između kisika i pasivnosti i daje prijedloge za debljinu stijenke kao funkciju predviđenih koncentracija otopljenog kisika u ZLD isparivaču.

Utjecaj na mehanički integritet: odzračeni i prozračni uvjeti za pasivizaciju
Titan je pasiviran stabilnim TiO2 filmom koji se kontinuirano ponovno pasivira u gaziranim otopinama klorida na povišenim temperaturama. Katodna reakcija površine pasivnog filma je reakcija redukcije otopljenog kisika (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻). Potrebna razina otopljenog kisika za održavanje pasivnosti titana 2. stupnja u slanoj otopini klorida od 100 000 ppm na 120 stupnjeva je reda veličine 0,5 ppm. Na ovom pragu, potencijal korozije je još uvijek iznad potencijala pitinga (~+300 mV u odnosu na Ag/AgCl), dok je ujednačena stopa korozije ispod 0,01 mm/god. Ispod 0,5 ppm kisika katodna reakcija se pomiče u redukciju vode (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-), stvarajući vodik na površini. Potencijal korozije pomiče se u aktivno područje i kloridni ioni mogu prodrijeti kroz ugroženi pasivni film. U uvjetima deaeracije (kisik < 0,1 ppm) na 120 stupnjeva, izmjerena stopa pitinga u visoko-kloridnoj slanoj vodi je 0,5–1,0 mm godišnje, što ukazuje da se stijenka od 1,5 mm može probušiti za 18–36 mjeseci. Što je još značajnije, vodik stvoren na katodnim mjestima migrira u rešetku titana i dovodi do krtosti, što uzrokuje pucanje prije rupičaste perforacije. Mehanička cjelovitost plašta stoga ne ovisi samo o debljini stijenke, već i o prisutnosti dovoljno otopljenog kisika za podržavanje katodne reakcije koja održava titan u pasivnom stanju.

Utjecaj na toplinsku izvedbu: gubitak kisika na vrućim površinama
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 što obično nije izvedivo u deaeriranim ZLD isparivačima. Dakle, tanje stijenke ne samo da povećavaju prijenos topline, već također snižavaju površinsku temperaturu, održavajući plašt u nižem temperaturnom režimu koji je više kompatibilan s kisikom.

Sinteza kompromisa-: koncentracija kisika kao multiplikator debljine stijenke
Matrica u nastavku prikazuje predloženu debljinu stjenke od titana za grijač isparivača ZLD za 100 000 ppm slane vode klorida na 120 stupnjeva, ovisno o utvrđenoj koncentraciji otopljenog kisika u recirkulirajućoj struji slane vode.

Otopljeni kisik u masnoj slanoj vodi (ppm na 120 stupnjeva) Prijedlozi debljine stijenke titana (2. stupanj) Predviđena stabilnost i životni vijek Passive FilmCore Inženjersko obrazloženje 2,0 ppm (potpuno prozračen, otvoreni isparivač s prskanjem zraka) 1,0 mm – 1,2 mm Izvrsno; > 5 godina Koncentracija kisika je iznad kritičnog praga. Stabilan pasivni film. Tanka stijenka poboljšava prijenos topline i smanjuje površinsku temperaturu. Dodatak korozije od 0,05 mm/godišnje daje sigurnosni tampon.
1,0 – 2,0 ppm (umjereno prozračivanje, polu-zatvoreni sustav) 1,4 mm – 1,6 mm Dobro; 3 – 5 godina Kisik se približava kritičnom pragu. Deblja stjenka omogućuje koroziju za slučajno uranjanje u kisik. Umjerena debljina stijenke osigurava kompromis između toplinskih svojstava i granice pasivizacije.
Nizak sadržaj kisika, hrana bez zraka, nizak ulazak zraka 0,5 – 1,0 ppm 1,8 mm – 2,0 mm Marginalno; 2 – 3 godine Kisik malo iznad kritične razine. Opasnost od izbočenja je velika. Debeli zid je potreban za zaštitu od korozije. Preporuča se za praćenje vodikove krtosti. Trčanje na ovoj razini kisika nije dobro.
< 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.
Inženjering za upravljanje kisikom i odabir razreda Beyond the Wall
Dizajn ZLD isparivača funkcionira pri niskoj razini otopljenog kisika < 1 ppm. Prikazana su tri komplementarna rješenja za vraćanje pasivnosti titana bez potrebe za nepraktično debelim zidovima. Prvo, ubacivanje mjehurića zraka ili kisika u krug recirkulacije slane vode dovest će koncentraciju kisika do 2–3 ppm, što je obično dovoljno čak i za grijače od titana s tankim stijenkama. Raspršivanje zraka košta manje energije u usporedbi s čestom zamjenom grijača. Drugo, promjena titana s Grade 2 na Grade 7 (Ti-0,15% Pd) smanjuje kritičnu razinu kisika za pasivnost s 0,5 ppm na manje od 0,1 ppm. Prisutnost paladija djeluje kao katodni katalizator, dopuštajući da se redukcija vodika nastavi pri nižem prenaponu i rezultira promjenom potencijala korozije u pasivno područje čak i u slanim otopinama bez zraka. Terenski podaci iz ZLD isparivača pokazuju da titan stupnja 7 s debljinom stjenke od 1,2 mm može preživjeti u slanoj vodi s niskim sadržajem kisika od 0,2 ppm 6-8 godina, dok titan stupnja 2 otkazuje za manje od 2 godine. Treće, korištenje natrijevog hidroksida pomaže u održavanju blago alkalnog pH (8,5–9,5) koji stabilizira pasivni film i minimizira potrebu za kisikom. Za stupanj 2 pri pH 9 potrebna koncentracija kisika smanjuje se na 0,2 ppm, dopuštajući tanje stijenke čak iu sustavima s djelomičnom deaeracijom.

Zaključak: Tanko{0}}grijači od titana u slanoj vodi s visokim sadržajem klorida postignuti kontrolom kisika
U ZLD isparivaču koji obrađuje 100.000 ppm kloridne slane vode na 120 stupnjeva, kisik je glavni čimbenik koji utječe na stabilnost pasivizacije titanijskog omotača i potrebnu debljinu stijenke. Konvencionalni titanski grijač od 1,0-1,2 mm zida Grade 2 pruža solidan višegodišnji radni vijek pri razinama otopljenog kisika iznad 2 ppm. S kisikom od 0,5 do 2 ppm, debljina stjenke treba se povećati na 1,5 do 2,0 mm kako bi se uzela u obzir dopuštena korozija zbog povećane opasnosti od udubljenja. Ne postoji realna debljina stijenke stupnja 2 koja bi omogućila odgovarajući život ispod 0,5 ppm kisika. Odgovor je ili ponovno uvođenje kisika (ispuhivanje zraka) ili nadogradnja na titan stupnja 7 s paladijem koji će ostati pasivan čak i u uvjetima bez zraka. Tehnički savjet za nove instalacije isparivača ZLD je da se projektira koncentracija otopljenog kisika u masi od najmanje 2 ppm kontroliranim raspršivanjem zraka i zatim odredi titan Grade 2 s debljinom stijenke od 1,2 mm. Ova kombinacija osigurava maksimalni prijenos topline, minimalne troškove materijala i vijek trajanja grijača od 5+ godina. Kada tražite ponudu, navedite procijenjenu razinu otopljenog kisika (ppm) i pH slane vode na radnoj temperaturi, budući da su ti parametri važniji za vijek trajanja grijača od same debljine stijenke.