Kuinka liuenneen piidioksidin pitoisuus 100 asteen bulkkiveden lämpötilassa säätelee eristävän silikaattikerroksen muodostumista 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetussa lämmittimen vaipassa

Amorfisen piidioksidin laskeutumisen mekanismi ja sen lämmönkestävyys

Amorfisen silikaattikiven muodostuminen edustaa ainutlaatuista likaantumisongelmaa 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyille sähkölämmitysputkille, jotka toimivat korkean lämpötilan vedessä, joka sisältää liuennutta piidioksidia (SiO₂), joka on yleistä geotermisessä vedessä, kattilan syöttövedessä ja tietyissä teollisissa prosessivirroissa, ja eroaa kalsiumkarbonaattihilseilystä. Silikaattihilse syntyy piihapon (Si(OH)4) polymeroitumisesta kuumennetuilla metallipinnoilla, kun taas karbonaattihilse syntyy kiteisten suolojen saostumisesta. Veden bulkkilämpötiloissa 100 astetta (kiehuva vesi) yli 50-80 ppm liuenneen piidioksidin pitoisuudet (SiO2:na) polymeroituvat nopeasti kuumennetuilla pinnoilla. Pinnalla olevalla amorfisella piidioksidikerroksella on erittäin alhainen lämmönjohtavuus (noin 0,5–1,5 W/m·K verrattuna 15–20 W/m·K ruostumattomaan 316-teräkseen), ja se muodostaa siten eristekerroksen, joka nostaa vaipan lämpötilaa 20–50 astetta viikkojen aikana. Tämä lämpötilan nousu nopeuttaa edelleen piidioksidin laskeutumista ja voi johtaa ylikuumenemishäiriöön. Tässä artikkelissa kvantifioidaan yhteys liuenneen piidioksidin pitoisuuden, asteikon kehittymisnopeuden ja lämpösuorituskyvyn heikkenemisen välillä 100 asteessa.

Silikaatin polymeroitumismekanismi kuumennetuilla pinnoilla

Veteen liuennut piidioksidi on pääasiassa monomeerisen piihapon Si(OH) 4 muodossa. Amorfisen piidioksidin liukoisuus on ~300-400 ppm 100 asteessa pH:sta riippuen. Liukoisuusrajan yläpuolella piidioksidi polymerisoituu ja muodostuu kolloidisia hiukkasia, jotka lopulta saostuvat amorfisena opaalihiukkasena. Liukoisuusrajan alapuolella kuumat metallipinnat voivat kuitenkin katalysoida polymeroitumista, koska korkea pintalämpötila nostaa reaktionopeutta (Arrhenius-käyttäytyminen). Aktivointienergia piidioksidipolymeroinnissa 316 ruostumattomaksi teräkseksi on luokkaa 40-60 kJ/mol, joten kerrostumisnopeus kaksinkertaistuu jokaista 10-15 astetta vaipan lämpötilan nousua kohti. Muodostuu ohut piidioksidikerros ja sen eristävä vaikutus nostaa entisestään vaipan lämpötilaa itsekiihtyvässä syklissä.

Kvantifioitu suhde piidioksidipitoisuuden ja kattilakiven muodostumisen välillä 100 C:ssa

Seuraavat kalkin muodostumisnopeudet ja lämmönkestävyyden rakentamisen nopeudet 1000 tunnin aikana on määritetty kontrolloiduilla likaantumistutkimuksilla 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan (lämpövirta 5 W/cm2) vedessä 1000C:n irtolämpötilassa eri määrillä liuennutta piidioksidia (pH 7,5).

Liuenneen piidioksidin pitoisuus (ppm SiO2:na) Asteikon paksuus 1 000 tunnin jälkeen (µm) Piidioksidiasteikon lämmönjohtavuus (W/m. K) Lisätty lämpövastus (m2. K/W) Vaipan lämpötilan nousu yli massa ( aste , 5 W/cm 0 astetta) Lämpötila 5 W/cm 0 astetta 100 asteen palvelu<20 <5 1.0-1.5 <0.0005 <2.5 >5,000 Yes 20-40 5-15 1.0-1.5 0.0005-0.0015 2.5-7.5 2,000-5,000 Yes 40-60 15-30 0.8-1.2 0.0015-0.0030 7.5-15 1,000-2,000 Acceptable with monitoring 60-80 30-50 0.7-1.0 0.0030-0.0050 15-25 500-1,000 Marginal 80-100 50-80 0.6-0.9 0.0050-0.0080 25-40 200-500 Not recommended 100-150 80-120 0.5-0.7 0.0080-0.0120 40-60 100-200 Unacceptable >150 >120 <0.6 >0.0120 >60 <100 Unacceptable
pH:n vaikutus piidioksidin laskeutumisnopeuteen

Piidioksidin polymeroituminen on hyvin pH{0}}riippuvaista, ja alhaisin liukoisuus ja kerrostumisnopeus on pH 7,5–8,0. Alemmalla pH:lla (hapan) piihappo on varautumatonta ja polymeroituu hitaammin. Emäksisessä liuoksessa (korkea pH) piidioksidi esiintyy silikaatti-ioneina (SiO3 2-), jotka polymeroituvat nopeasti ja yhdistyvät kalsiumin ja magnesiumin kanssa muodostaen monimutkaisia ​​silikaatteja. pH:n vaikutus kerrostumisnopeuteen 100 ppm SiO2:lla on esitetty alla olevassa taulukossa.

pH 100 asteessa Piidioksidin erittely Suhteellinen kerrostumisnopeus (pH 7.5=1.0) Asteikko Morfologia Suositeltu pH-alue<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6,0-7,0 Si(OH)4 hallitsee 0,6-0,8 Kohtalainen - paksu Hyväksyttävä
7,0-7,5 Sekoitettu 0,9-1,1 Keskitaso Optimaalinen
7,5-8,0 sekoitettu jonkin verran SiO3 2- 1.0-1.5 Keskitasoisesta raskaaseen Marginaali
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9,0 SiO₃²⁻ + metallisilikaatit 3,0-5,0 Erittäin raskas, tarttuva Ei hyvä
Vesikemian tekniset tiedot - Piidioksidin hallinta Käytännöllinen

Seuraavia piidioksidiraja-arvoja ehdotetaan 316 vaippaiselle lämmittimelle, joiden bulkkiveden lämpötila on 100 astetta aiotulla käyttöiällä.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>Suositeltu vedenkäsittely10 000<30 <5 None required 10,000 30-50 <4 Monitor silica 5,000-10,000 50-70 <3 Silica removal (reverse osmosis) or periodic cleaning
3,000-5,000 70-90 <2 Removal of silica necessary <3,000 >90 Kaikki 316 ei suositella; tutkia metalliseoksen parantamista tai ulkoista lämmitystä
Silikaattivaakavirheiden kenttätunnistus

Tyypillinen merkki 316-lämmittimestä korkeassa-piidioksidipitoisessa vedessä on kova, lasimainen, läpikuultava tai valkoinen hilse, jota on erittäin vaikea poistaa mekaanisesti (vaatii kemiallisen puhdistuksen fluorivetyhapolla tai kuumalla emäksisellä). Vaaka on yleensä sileä ja voi näyttää "hullulta". Asteikon takana olevalla metallipinnalla saattaa näkyä jonkin verran korroosiota - vika on lähinnä lämpö (ylikuumeneminen) eikä syövyttävä. Lämmitin voi epäonnistua palamisen (sulanut vastuslanka) vuoksi vaipan rei'ittämisen sijaan. Tällaisissa epäonnistumisissa asteikon röntgendiffraktiotutkimus (XRD) paljastaa amorfisen piidioksidin (leveä kohokuvio) tai korkeammissa lämpötiloissa kiteistä kristobaliittia. Energiaa hajottava röntgenspektroskopia (EDS) näyttää piitä ja happea, jossa on vähän rautaa ja kromia. Ratkaisu on vähentää piidioksidipitoisuutta joko käänteisosmoosilla tai ioninvaihdolla tai laimentamalla tai käyttää pienemmällä lämpövirralla vaipan lämpötilan alentamiseksi.

Lähestymistapoja korkean{0}}piidioksidin vesien lieventämiseksi

Kolme vaihtoehtoa lieventämiseksi voivat pidentää lämmittimen käyttöikää, kun piidioksiditasoja ei voida vähentää taloudellisesti. Ensimmäinen on minimoida lämpövirtaus. Tietyllä teholla suurempi vaipan pinta-ala (halkaisijaltaan suurempi tai suurempi vaippa) tarkoittaa alhaisempaa vaipan lämpötilaa, mikä hidastaa eksponentiaalisesti piidioksidin polymeroitumista. Esimerkiksi lämpövuon pienentäminen arvosta 5 W/cm² arvoon 3 W/cm² vähentää piidioksidin laskeutumisnopeutta noin 50-70 %. Toinen tekniikka on työskennellä alemmassa bulkkilämpötilassa: sen laskeminen 100 oC:sta 90 oC:een vähentää piidioksidin polymeroitumisnopeutta noin 40-50 %. Kolmas vaihtoehto on ottaa käyttöön kalkkikiven estäjiä. Jotkut fosfonaatit ja polymeerit voivat hidastaa piidioksidin polymeroitumista, vaikka ne ovatkin vähemmän tehokkaita kuin ne ovat karbonaattihilaan. Ainoa luotettava apu vakavaan piidioksidilikaantumiseen on siirtyä epäsuoraan lämmitykseen (esim. höyrylämmönvaihdin) tai käyttää irrotettavalla vaipalla varustettua lämmitintä.

PÄÄTELMÄ: 316 LÄMMITTIMEN LUOTETTAVUUS 100 asteen LIUKENNETUN PIISIOHJAUKSELLA

Eristävän amorfisen silikaattikerroksen nopeaa muodostumista 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyssä lämmittimessä havaitaan 100-asteisessa vedessä liuenneen piidioksidin pitoisuuksilla yli 60-80 ppm. Tämän hilseen muodostuminen aiheuttaa 15-25 asteen nousun vaipan lämpötilassa 500-1000 tunnissa ja johtaa ylikuumenemishäiriöön. Kriittinen raja 10 000 tunnin huoltoon on 30 ppm SiO2 5 W/cm2 lämpövirralla. Insinöörien, jotka valitsevat 316 vaippaa geotermistä, kattilasyöttöä tai muita korkean piidioksidin virtoja varten, on analysoitava liuenneen piidioksidin pitoisuus joko rajoittaakseen sitä (käänteisosmoosilla tai laimentamalla) tai vähentääkseen lämpövirtaa kompensoimiseksi. Yli 80 ppm piidioksiditason 316 vaippaa ei ole hyväksytty lämpövirtaukselle. Tässä kehitetty kehys tarjoaa suhteen liuenneen piidioksidin pitoisuuden ja mitattavissa olevien asteikon kehittymisnopeuksien ja lämmönkestävyyden kertymisen välillä, jolloin ostaja voi pyytää vedenkäsittelyn tai lämmittimen rakennemuutoksia, jotka välttävät silikaatin aiheuttaman ylikuumenemisen varkain.