120 Derecede Yüksek-Klorürlü (100.000 ppm) Brine İşlemi Yapan Sıfır-Sıvı-Deşarjlı Evaporatörde, Oksijenin Varlığı Titanyum Kılıfın Pasivasyon Stabilitesini Nasıl Kontrol Ediyor?

Yüksek sıcaklıktaki tuzlu su buharlaştırıcıları için titanyum ısıtıcı tasarımında-temel taviz
Sıfır-sıvı-deşarjlı (ZLD) buharlaştırıcılarda endüstriyel atık su, 100-120 derecelik çalışma sıcaklıklarında 100.000-150.000 ppm'ye kadar klorür konsantrasyonuna sahip tuzlu sular üretmek için doygunluğa yakın bir yerde yoğunlaştırılır. Bu hizmette kullanılan daldırma ısıtıcılar, klorür çözeltilerindeki olağanüstü genel korozyon direncinden dolayı tercihen titanyumdur. Ancak bu ağır koşullar titanyumun pasifliğinin sınırlarını zorluyor. Tuzlu suda (30 derecede 19.000 ppm Cl⁻) titanyum süresiz olarak pasiftir, ancak 120 derecede 100,000+ ppm klorür varlığında pasif titanyum dioksit tabakası, stabilitesinin hayati derecede tuzlu sudaki çözünmüş oksijen konsantrasyonuna bağlı olduğu bir durumdadır. Oksijenli koşullarda pasif film kendiliğinden hızlı bir şekilde iyileşir ve ince duvar kalınlığına sahip titanyum kılıf (1,0 mm) birkaç yıl boyunca hizmet verebilir. Pasif film, oksijenin yetersiz olduğu veya havasının alındığı durumlarda başarısız olur ve hızlı lokalize çukurlaşma ve hidrojen emilimi meydana gelebilir ve birkaç ay içinde 2,5 mm'lik bir duvarı delebilir. Oksijen katodik depolarizatör olarak çalışır ve korozyon potansiyelini pasif alana kaydırır. Bu analiz, oksijen-pasifliği arasındaki ilişkiyi ele alır ve ZLD buharlaştırıcı hizmetinde öngörülen çözünmüş oksijen konsantrasyonlarının bir fonksiyonu olarak duvar kalınlığına ilişkin öneriler sağlar.

Mekanik Bütünlük Etkisi: Pasivasyon için Havalandırmalı ve Havalandırmalı Koşullar
Titanyum, yüksek sıcaklıklarda havalandırılmış klorür çözeltilerinde sürekli olarak yeniden pasifleştirilen kararlı bir TiO2 filmi ile pasifleştirilir. Pasif film yüzeyinin katodik reaksiyonu, çözünmüş oksijenin (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻) indirgenme reaksiyonudur. 120 derecede 100.000 ppm klorürlü tuzlu su içinde Grade 2 titanyumun pasifliğini sürdürmek için gerekli çözünmüş oksijen seviyesi 0,5 ppm düzeyindedir. Bu eşikte, korozyon potansiyeli hâlâ çukurlaşma potansiyelinin üzerindedir (~+300 mV - Ag/AgCl), tek biçimli korozyon hızı ise 0,01 mm/yılın altındadır. 0,5 ppm oksijenin altında katodik reaksiyon suyun (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-) indirgenmesine kaydırılır ve yüzeyde hidrojen üretilir. Korozyon potansiyeli aktif alana kayar ve klorür iyonları, tehlikeye giren pasif filme nüfuz edebilir. 120 derecede havası alınmış koşullar altında (oksijen < 0,1 ppm), yüksek-klorürlü tuzlu suda ölçülen çukurlaşma oranı yılda 0,5–1,0 mm'dir; bu, 1,5 mm'lik bir duvarın 18–36 ay içinde delinebileceğini gösterir. Daha da önemlisi, katodik konumlarda oluşturulan hidrojen, titanyum kafesine göç eder ve kırılganlaşmaya yol açar, bu da çukurlaşma deliğinden önce çatlamaya neden olur. Bu nedenle kılıfın mekanik bütünlüğü yalnızca duvar kalınlığına değil aynı zamanda titanyumu pasif durumda tutan katodik reaksiyonu desteklemek için yeterli miktarda çözünmüş oksijenin varlığına da bağlıdır.

Termal Performansa Etkisi: Sıcak Yüzeylerde Oksijen Tükenmesi
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, havası alınmış ZLD buharlaştırıcılarda genellikle mümkün değildir. Böylece daha ince duvarlar sadece ısı iletimini arttırmakla kalmaz, aynı zamanda yüzey sıcaklığını da düşürerek kılıfı daha düşük ve oksijenle daha uyumlu bir sıcaklık rejiminde tutar.

Takasın Sentezi-: Duvar Kalınlığının Çarpanı Olarak Oksijen Konsantrasyonu
Aşağıdaki matris, devridaim yapan tuzlu su akışında belirlenen çözünmüş oksijen konsantrasyonuna bağlı olarak 120 derecede 100.000 ppm klorürlü tuzlu su için bir ZLD buharlaştırıcı ısıtıcısı için önerilen titanyum duvar kalınlığını gösterir.

Toplu Tuzlu Suda Çözünmüş Oksijen (120 derecede ppm)Titanyum Duvar Kalınlığı Önerileri (Sınıf 2)Pasif Filmin Tahmini Kararlılığı ve Ömrü Çekirdek Mühendisliği Mantığı 2,0 ppm (tamamen havalandırmalı, hava püskürtmeli açık buharlaştırıcı) 1,0 mm – 1,2 mm Mükemmel; > 5 yıl Oksijen konsantrasyonu kritik eşiğin üzerindedir. Kararlı pasif film. İnce duvar, ısı transferini artırır ve yüzey sıcaklığını en aza indirir. 0,05 mm/yıllık korozyon toleransı bir güvenlik tamponu sağlar.
1,0 – 2,0 ppm (orta düzeyde havalandırma, yarı-kapalı sistem) 1,4 mm – 1,6 mm İyi; 3 – 5 yıl Oksijen kritik eşiğe yaklaşıyor. Daha kalın duvar, oksijene tuhaf bir şekilde dalma için korozyona izin verir. Orta duvar kalınlığı, termal performans ile pasivasyon marjı arasında bir uzlaşma sağlar.
Düşük oksijen,-havası giderilmiş besleme, düşük hava girişi 0,5 – 1,0 ppm 1,8 mm – 2,0 mm Marjinal; 2 – 3 yıl Oksijen kritik seviyenin hemen üzerinde. Çukurlaşma tehlikesi yüksektir. Korozyon payı için kalın duvar gereklidir. Hidrojen kırılganlığının izlenmesi için önerilir. Bu oksijen seviyesinde koşmak iyi değil.
< 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.
Duvarın Ötesinde Oksijen Yönetimi ve Sınıf Seçim Mühendisliği
ZLD evaporatör tasarımı, düşük çözünmüş oksijen < 1 ppm altında çalışmasını sağlar. Pratik olmayan kalın duvarlara ihtiyaç duymadan titanyum pasifliğini geri kazanmak için üç tamamlayıcı çözüm gösterilmiştir. İlk olarak, tuzlu su devridaim döngüsüne hava veya oksijen köpürtülmesi, oksijen konsantrasyonunu 2–3 ppm'ye kadar getirecektir; bu, genellikle ince-cidarlı titanyum ısıtıcılar için bile yeterlidir. Hava püskürtme, ısıtıcıların sık sık değiştirilmesiyle karşılaştırıldığında daha az enerjiye mal olur. İkinci olarak, Derece 2'den Derece 7 titanyuma (Ti-%0,15 Pd) geçiş, pasiflik için kritik oksijen seviyesini 0,5 ppm'den 0,1 ppm'nin altına düşürür. Paladyumun varlığı katodik bir katalizör olarak çalışır, hidrojenin indirgenmesinin daha düşük aşırı potansiyelde ilerlemesine izin verir ve havası alınmış tuzlu sularda bile korozyon potansiyelinin pasif aralığa değişmesine neden olur. ZLD buharlaştırıcılarından alınan saha verileri, 1,2 mm et kalınlığına sahip 7. Derece titanyumun, 0,2 ppm kadar düşük oksijen içeren tuzlu sularda 6-8 yıl boyunca hayatta kalabileceğini, 2. Derece titanyumun ise 2 yıldan daha kısa sürede başarısız olduğunu göstermektedir. Üçüncüsü, sodyum hidroksit kullanımı, pasif filmi stabilize eden ve oksijen ihtiyacını en aza indiren hafif alkalin pH'ın (8,5-9,5) korunmasına yardımcı olur. pH 9'da Derece 2 için gerekli oksijen konsantrasyonu 0,2 ppm'ye düşer ve kısmen havası alınmış sistemlerde bile daha ince duvarlara izin verir.

Sonuç: Yüksek Klorürlü Tuzlu Suda İnce-Duvarlı Titanyum Isıtıcılar, Oksijen Kontrolüyle Elde Edildi
120 derecede 100.000 ppm klorürlü tuzlu suyu işleyen bir ZLD evaporatöründe, oksijen, titanyum kılıfın pasivasyon stabilitesini ve gereken duvar kalınlığını etkileyen temel faktördür. Geleneksel 1,0-1,2 mm duvarlı Grade 2 titanyum ısıtıcı, 2 ppm'nin üzerindeki çözünmüş oksijen seviyelerinde çok yıllık sağlam bir hizmet ömrü sunar. 0,5 ila 2 ppm oksijen ile, artan çukurlaşma tehlikesi nedeniyle korozyon payını hesaba katmak için duvar kalınlığı 1,5 ila 2,0 mm'ye artırılmalıdır. 0,5 ppm oksijenin altında yeterli ömrü sağlayacak gerçekçi bir 2. Derece duvar kalınlığı yoktur. Cevap ya oksijeni yeniden vermek (hava püskürtme) ya da havasız koşullarda bile pasif kalacak olan paladyumlu 7. Sınıf titanyuma yükseltmektir. Yeni ZLD evaporatör kurulumları için teknik tavsiye, kontrollü hava püskürtme yoluyla en az 2 ppm'lik toplu çözünmüş oksijen konsantrasyonuna göre tasarlamak ve ardından 1,2 mm duvar kalınlığıyla Grade 2 titanyum belirlemektir. Bu kombinasyon maksimum ısı transferi, minimum malzeme maliyeti ve 5+ yıllık ısıtıcı ömrü sağlar. Fiyat teklifi ararken, çalışma sıcaklığındaki tahmini çözünmüş oksijen seviyesini (ppm) ve tuzlu suyun pH'ını belirtin; çünkü bu parametreler ısıtıcı ömrü açısından yalnızca duvar kalınlığından daha önemlidir.