Hur styr koncentrationen av upplöst kiseldioxid vid 100 graders bulkvattentemperatur bildandet av isolerande silikatskala på 316 värmemantel av rostfritt stål

Mekanismen för avsättning av amorf kiseldioxid och dess termiska motstånd

Bildandet av amorf silikatavlagringar representerar ett unikt nedsmutsningsproblem för 316 mantlade elektriska värmerör av rostfritt stål som arbetar i högtemperaturvatten innehållande löst kiseldioxid (SiO₂) som är vanligt i geotermiskt vatten, kokarmatarvatten och vissa industriella processströmmar, och skiljer sig från kalciumkarbonatavlagringar. Silikatbeläggning är ett resultat av polymerisation av kiselsyra (Si(OH)4) på ​​uppvärmda metallytor, medan karbonatbeläggning är ett resultat av utfällning av kristallina salter. Vid bulkvattentemperaturer på 100 grader (kokande vatten), polymeriserar koncentrationer av löst kiseldioxid mer än ungefär 50-80 ppm (som SiO2) snabbt på uppvärmda ytor. Den resulterande amorfa kiseldioxidskalan på ytan har mycket låg värmeledningsförmåga (cirka 0,5-1,5 W/m·K mot 15-20 W/m·K för 316 rostfritt stål), och skapar därför ett lager av isolering som höjer manteltemperaturen med 20-50 grader över veckor. Denna temperaturökning påskyndar kiseldioxidavsättningen ytterligare och kan leda till överhettningsfel. Den här artikeln kvantifierar sambandet mellan koncentrationen av löst kiseldioxid, hastigheten för skalutveckling och förlust av termisk prestanda vid 100 grader.

Mekanism för silikatpolymerisation på uppvärmda ytor

Den lösta kiseldioxiden i vatten är huvudsakligen i form av monomer kiselsyra Si(OH) 4. Amorf kiseldioxid har en löslighet på ~300-400 ppm vid 100 grader, beroende på pH. Över löslighetsgränsen polymeriserar kiseldioxid och kolloidala partiklar bildas som slutligen fälls ut som amorf opalinskala. Under löslighetsgränsen kan dock heta metallytor katalysera polymerisation, eftersom den höga yttemperaturen höjer reaktionshastigheten (Arrhenius-beteende). Aktiveringsenergin för silikapolymerisation till 316 rostfritt stål är i storleksordningen 40-60 kJ/mol, så att avsättningshastigheten fördubblas för varje 10-15 graders ökning av manteltemperaturen. Ett tunt kiseldioxidskikt bildas och dess isolerande verkan höjer manteltemperaturen ytterligare i en självaccelererande cykel.

Kvantifierat samband mellan kiseldioxidkoncentration och beläggningsbildning vid 100C

Följande hastigheter för beläggningsbildning och uppbyggnad av termiskt motstånd under 1 000 timmar har bestämts från kontrollerade nedsmutsningsstudier på 316 höljen av rostfritt stål (värmeflöde 5 W/cm2) i vatten vid 1000 C bulktemperatur med olika mängder löst kiseldioxid (pH 7,5).

Koncentration av upplöst kiseldioxid (ppm som SiO2) Skaltjocklek efter 1 000 timmar (µm) Termisk ledningsförmåga av kiseldioxid (W/m. K) Tillsatt värmeresistans (m2. K/W) Höljetemperaturökning över bulk (grad, vid 5 W/cm2) Rekommenderad temperatur för 20 timmars drifttemperatur) 10 graders servicetemperatur.<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
Effekt av pH på hastigheten för kiseldioxidavsättning

Polymerisation av kiseldioxid är mycket pH-beroende-, med lägst löslighet och avsättningshastighet vid pH 7,5–8,0. Vid lägre pH är (sur) kiselsyra oladdad och polymeriserar långsammare. I alkalisk lösning (högt pH) finns kiseldioxid som silikatjoner (SiO3 2-) som snabbt polymeriserar och även kombineras med kalcium och magnesium för att producera komplexa silikater. Inverkan av pH på avsättningshastigheten vid 100 ppm SiO2 anges i tabellen nedan.

pH vid 100 grader Silica Speciation Relativ avsättningshastighet (pH 7.5=1.0) Skala Morfologi Rekommenderat pH-intervall<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6,0-7,0 Si(OH)4 dominerar 0,6-0,8 Måttlig till tjock Acceptabel
7,0-7,5 Blandat 0,9-1,1 Måttlig Optimal
7,5-8,0 Blandat med lite SiO3 2- 1.0-1.5 Måttlig till tung Marginal
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9,0 SiO₃²⁻ + metallsilikater 3,0-5,0 Mycket tung, vidhäftande Inte bra
Vattenkemispecifikationer - Silica Control Praktisk

Följande kiseldioxidgränser föreslås för 316 mantlade värmare med bulkvattentemperatur på 100 grader för den avsedda livslängden.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>Rekommenderad vattenbehandling10 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 >90Alla 316 rekommenderas inte; undersöka legeringsuppgradering eller extern uppvärmning
Fältidentifiering av fel i silikatskala

Den typiska indikationen på en 316-värmare i vatten med hög -kiseldioxid är en hård, glasartad, genomskinlig till vit skala som är mycket svår att avlägsna mekaniskt (kräver kemisk rengöring med fluorvätesyra eller varm kaustik). Skalan är generellt jämn och kan ha ett "galet" utseende. Viss korrosion kan vara synlig på metallytan bakom skalan - fel är huvudsakligen termisk (överhettning) snarare än korrosiv. Värmaren kan misslyckas på grund av utbrändhet (smält motståndstråd), snarare än perforering av höljet. Vid sådana misslyckanden avslöjar röntgendiffraktionsundersökning (XRD) av skalan amorf kiseldioxid (brett puckelmönster) eller, vid högre temperaturer, kristallin kristobalit. Energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) visar kisel och syre med lite järn och krom. Lösningen är att minska kiseldioxidhalten antingen genom omvänd osmos eller jonbyte eller utspädning eller att arbeta med ett lägre värmeflöde för att sänka manteltemperaturen.

Tillvägagångssätt för att mildra höga-silicavatten

Tre alternativ för begränsning kan förlänga värmarens livslängd när kiseldioxidnivåerna inte kan minskas ekonomiskt. Det första är att minimera värmeflödet. För en given watt, betyder mer mantelyta (höljen med längre eller större diameter) en lägre manteltemperatur, vilket exponentiellt saktar ner kiseldioxidpolymerisationen. Till exempel minskar värmeflödet från 5 W/cm² till 3 W/cm² nedfallet av kiseldioxid med cirka 50-70 %. Den andra tekniken är att arbeta vid lägre bulktemperatur: genom att minska den från 100oC till 90oC minskar hastigheten för kiseldioxidpolymerisation med cirka 40-50%. Det tredje alternativet är att introducera skalinhibitorer. Vissa fosfonater och polymerer kan bromsa polymerisationen av kiseldioxid, även om de är mindre effektiva än de är för karbonatskala. Det enda tillförlitliga botemedlet för svår kiseldioxidpåväxt är att byta till indirekt uppvärmning (t.ex. ångvärmeväxlare) eller att använda en värmare med avtagbar mantel.

SLUTSATS: 316 VÄRMARE PÅLITLIGHET MED 100 graders UTLÖST SILICAKONTROLL

Snabbt skapande av en isolerande amorf silikatskala på 316 värmare med mantel av rostfritt stål observeras i 100 graders bulkvatten vid koncentrationer av löst kiseldioxid över 60-80 ppm. Bildandet av denna skala orsakar en ökning av manteltemperaturen med 15-25 grader inom 500-1 000 timmar och leder till överhettningsfel. Den kritiska gränsen för 10 000 timmars drift är 30 ppm SiO2 vid 5 W/cm2 värmeflöde. Ingenjörer som väljer 316 höljen för geotermisk värme, panntillförsel eller andra höga kiseldioxidströmmar måste analysera koncentrationen av löst kiseldioxid för att antingen begränsa den (genom omvänd osmos eller utspädning) eller minska värmeflödet för att kompensera. Över 80 ppm kiseldioxidnivå är 316 höljen inte godkända för något värmeflöde. Ramverket som utvecklats här ger ett samband mellan koncentrationen av löst kiseldioxid och de mätbara hastigheterna för skalutveckling och ackumulering av termisk motstånd, vilket gör det möjligt för köparen att begära vattenbehandling eller värmaredesignändringar som undviker smygfelsläget av silikatinducerad överhettning.