در آب نمک صفر{{0}مایع-تخلیه اواپراتور تخلیه-با کلرید بالا (100000 ppm) در 120 درجه، حضور اکسیژن چگونه پایداری غیرفعال شدن غلاف تیتانیوم را کنترل می‌کند؟

مبادله اساسی-در طراحی بخاری تیتانیوم برای اواپراتورهای آب نمک با دمای بالا
در اواپراتورهای -مایع-صفر (ZLD)، فاضلاب صنعتی نزدیک به اشباع متمرکز می‌شود تا آب نمک با غلظت کلرید تا 100,000-150,000 ppm در دمای کاری 100{18}}120 درجه تولید کند. بخاری های غوطه وری مورد استفاده در این سرویس به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عمومی فوق العاده در محلول های کلرید، ترجیحا تیتانیوم هستند. با این حال، این شرایط شدید، محدودیت‌های انفعال تیتانیوم را آزمایش می‌کند. در آب شور (19000 ppm Cl- در 30 درجه) تیتانیوم به طور نامحدود غیرفعال است، اما در حضور 100،{13}} ppm کلرید در 120 درجه، لایه دی اکسید تیتانیوم غیرفعال در شرایطی است که پایداری آن به طور حیاتی به غلظت بریژن محلول وابسته است. در شرایط اکسیژن‌دار، فیلم غیرفعال به سرعت بهبود می‌یابد و یک غلاف تیتانیوم (1.0 میلی‌متر) با ضخامت دیواره نازک می‌تواند خدمات چند ساله ارائه دهد. فیلم غیرفعال در شرایط کمبود اکسیژن یا هوازدگی از کار می‌افتد و حفره‌های موضعی سریع و جذب هیدروژن ممکن است رخ دهد و دیواره 2.5 میلی‌متری را در عرض چند ماه بشکند. اکسیژن به عنوان یک دپلاریز کننده کاتدی عمل می کند و پتانسیل خوردگی را به ناحیه غیرفعال منتقل می کند. این تجزیه و تحلیل به رابطه بین انفعال اکسیژن می پردازد و پیشنهاداتی برای ضخامت دیواره به عنوان تابعی از غلظت اکسیژن محلول پیش بینی شده در سرویس تبخیرکننده ZLD ارائه می دهد.

تأثیر یکپارچگی مکانیکی: شرایط هوادهی و هوادهی برای غیرفعال سازی
تیتانیوم توسط یک لایه TiO2 پایدار غیرفعال می‌شود که به طور مداوم در محلول‌های کلرید هوادهی در دمای بالا مجدداً غیرفعال می‌شود. واکنش کاتدی سطح فیلم غیرفعال، واکنش کاهش اکسیژن محلول است (O2 + 2H2O + 4e-→ 4OH-). سطح اکسیژن محلول لازم برای حفظ انفعال تیتانیوم درجه 2 در 100000 پی پی ام آب نمک کلرید در دمای 120 درجه از مرتبه 0.5 پی پی ام است. در این آستانه، پتانسیل خوردگی همچنان بالاتر از پتانسیل حفره‌ای است (~{12}} mV در مقابل Ag/AgCl)، در حالی که نرخ خوردگی یکنواخت زیر 0.01 میلی‌متر در سال است. کمتر از 0.5 ppm اکسیژن، واکنش کاتدی به کاهش آب (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-) منتقل می‌شود و هیدروژن را در سطح تولید می‌کند. پتانسیل خوردگی به ناحیه فعال منتقل می‌شود و یون‌های کلرید می‌توانند به فیلم غیرفعال آسیب‌دیده نفوذ کنند. در شرایط هوادهی شده (اکسیژن < 0.1 ppm) در 120 درجه، میزان حفره های اندازه گیری شده در آب نمک کلرید بالا 0.5-1.0 میلی متر در سال است، که نشان می دهد یک دیوار 1.5 میلی متری می تواند در 18 تا 36 ماه سوراخ شود. به طور قابل توجهی، هیدروژن ایجاد شده در مکان های کاتدی به شبکه تیتانیوم مهاجرت می کند و منجر به شکنندگی می شود که باعث ایجاد ترک قبل از سوراخ شدن حفره می شود. بنابراین یکپارچگی مکانیکی غلاف نه تنها به ضخامت دیواره بستگی دارد، بلکه به وجود اکسیژن محلول کافی برای حمایت از واکنش کاتدی که تیتانیوم را در حالت غیرفعال نگه می‌دارد نیز بستگی دارد.

تأثیر بر عملکرد حرارتی: کاهش اکسیژن در سطوح داغ
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 که معمولاً در اواپراتورهای ZLD هوادهی شده امکان پذیر نیست. بنابراین، دیوارهای نازک‌تر نه تنها انتقال حرارت را افزایش می‌دهند، بلکه دمای سطح را نیز پایین می‌آورند و غلاف را در رژیم دمایی کمتر و سازگارتر با اکسیژن نگه می‌دارند.

سنتز تجارت{0}}خاموش: غلظت اکسیژن به عنوان ضریب ضخامت دیوار
ماتریس زیر ضخامت دیواره تیتانیوم پیشنهادی را برای یک بخاری تبخیرکننده ZLD برای 100000 پی پی ام آب نمک کلرید در 120 درجه بسته به غلظت اکسیژن محلول تعیین شده در جریان آب نمک در حال چرخش نشان می دهد.

اکسیژن محلول در آب نمک فله (ppm در 120 درجه) پیشنهادات ضخامت دیوار تیتانیوم (درجه 2) پایداری و طول عمر پیش بینی شده مهندسی هسته فیلم غیرفعال 2.0 ppm (اواپراتور کاملاً هوادهی، باز با پارگی هوا) 1.20 میلی متر اکسلنت > 5 سال غلظت اکسیژن بالاتر از آستانه بحرانی است. فیلم غیرفعال پایدار. دیواره نازک انتقال حرارت را افزایش می دهد و دمای سطح را به حداقل می رساند. میزان خوردگی 0.05 میلی متر در سال یک بافر ایمنی می دهد.
1.0 - 2.0 ppm (هوادهی متوسط، سیستم نیمه مهر و موم شده) 1.4 mm - 1.6 mm خوب. 3 تا 5 سال اکسیژن به آستانه بحرانی نزدیک می شود. دیواره ضخیم تر اجازه خوردگی را برای فرورفتگی عجیب در اکسیژن می دهد. ضخامت دیواره متوسط ​​بین عملکرد حرارتی و حاشیه غیرفعال سازشی ایجاد می کند.
اکسیژن کم، خوراک بدون هوادهی، ورودی هوا کم 0.5 – 1.0 ppm 1.8 mm – 2.0 mm Marginal; 2 تا 3 سال اکسیژن درست بالاتر از حد بحرانی. خطر حفره شدن زیاد است. دیوار ضخیم برای جلوگیری از خوردگی مورد نیاز است. برای نظارت بر شکنندگی هیدروژن توصیه می شود. دویدن در این سطح اکسیژن خوب نیست.
< 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.
مدیریت اکسیژن و مهندسی انتخاب درجه آن سوی دیوار
طراحی اواپراتور ZLD منجر به عملکرد تحت اکسیژن محلول کم کمتر از ppm 1 می شود. سه راه حل مکمل برای بازیابی انفعال تیتانیوم بدون نیاز به دیوارهای ضخیم غیرعملی نشان داده شده است. اول، حباب زدن هوا یا اکسیژن در حلقه چرخش آب نمک، غلظت اکسیژن را به 2 تا 3 پی پی ام می رساند، که معمولاً حتی برای بخاری های تیتانیوم با دیواره نازک- کافی است. پارگی هوا در مقایسه با تعویض مکرر بخاری ها هزینه کمتری دارد. ثانیاً، تغییر از درجه 2 به تیتانیوم درجه 7 (Ti-0.15% Pd) سطح بحرانی اکسیژن برای انفعال را از 0.5 ppm به کمتر از 0.1 ppm کاهش می دهد. وجود پالادیوم به عنوان یک کاتالیزور کاتدی عمل می‌کند و به کاهش هیدروژن اجازه می‌دهد تا با مازاد پتانسیل پایین‌تر ادامه یابد و منجر به تغییر پتانسیل خوردگی به محدوده غیرفعال حتی در آب نمک‌های هوادهی شده می‌شود. داده‌های میدانی از تبخیرکننده‌های ZLD نشان می‌دهد که تیتانیوم درجه 7 با ضخامت دیواره 1.2 میلی‌متر می‌تواند در آب نمک‌هایی با اکسیژن کمتر از 0.2 ppm به مدت 6 تا 8 سال زنده بماند، در حالی که تیتانیوم درجه 2 در کمتر از 2 سال از بین می‌رود. سوم، استفاده از هیدروکسید سدیم به حفظ pH کمی قلیایی (8.5-9.5) کمک می کند که فیلم غیرفعال را تثبیت می کند و نیاز به اکسیژن را به حداقل می رساند. برای درجه 2 در pH 9، غلظت اکسیژن لازم به 0.2 ppm کاهش می‌یابد، که اجازه می‌دهد دیواره‌های نازک‌تر حتی در سیستم‌های نیمه هوادهی شده نیز وجود داشته باشد.

نتیجه‌گیری: بخاری‌های تیتانیوم دیوار نازک- در آب نمک با کلرید بالا با کنترل اکسیژن به دست آمد
در اواپراتور ZLD که 100000 ppm آب نمک کلرید را در 120 درجه تصفیه می کند، اکسیژن عامل اصلی موثر بر پایداری غیرفعال شدن غلاف تیتانیوم و ضخامت دیواره مورد نیاز است. یک بخاری معمولی 1.0-1.2 میلی متری دیواری تیتانیوم درجه 2، عمر مفید چند ساله جامد را در سطوح اکسیژن محلول بالای 2 ppm ارائه می دهد. با اکسیژن 0.5 تا 2 ppm، ضخامت دیواره باید به 1.5 تا 2.0 میلی متر افزایش یابد تا به دلیل خطر افزایش حفره، میزان خوردگی در نظر گرفته شود. هیچ ضخامت دیواره درجه 2 واقع گرایانه ای وجود ندارد که عمر کافی زیر 0.5 ppm اکسیژن را بدهد. پاسخ یا بازگرداندن اکسیژن (جرقه هوا) یا ارتقاء به تیتانیوم درجه 7 با پالادیوم است که حتی در شرایط هوازدگی نیز غیرفعال می ماند. توصیه فنی برای نصب اواپراتورهای ZLD جدید این است که برای غلظت اکسیژن محلول فله حداقل 2 ppm توسط پارگی هوای کنترل شده طراحی شود و سپس تیتانیوم درجه 2 با ضخامت دیواره 1.2 میلی متر مشخص شود. این ترکیب حداکثر انتقال حرارت، حداقل هزینه مواد و عمر بخاری 5+ سال را فراهم می کند. هنگام جستجوی قیمت، سطح تخمینی اکسیژن محلول (ppm) و pH آب نمک را در دمای کار ارائه دهید، زیرا این پارامترها برای عمر بخاری مهمتر از ضخامت دیواره به تنهایی هستند.