Pour une tige chauffante en titane fonctionnant dans une saumure à 30 % de chlorure de calcium à 100 degrés avec une impureté de magnésium de 2 %, quelle est la dureté maximale autorisée de l'eau (en CaCO₃) pour empêcher le tartre préférentiel d'hydroxyde de magnésium ?

À 100 degrés dans une saumure à 30 % de chlorure de calcium (CaCl 2 ) avec 2 % d'impuretés de magnésium (sous forme de MgCl 2 ), les tartres d'hydroxyde de magnésium (Mg(OH) 2 ) précipitent préférentiellement sur le carbonate de calcium ou le sulfate de calcium. L'hydroxyde de magnésium est particulièrement peu soluble à des températures élevées et forme une couche dure et adhérente sur les surfaces chauffantes en titane. La balance a une faible conductivité thermique (1-2 W/mK), ce qui entraîne une surchauffe locale. La dureté globale (en CaCO3) autorisée pour empêcher le tartre préférentiel de l'hydroxyde de magnésium est de 200 ppm. Avec ce réglage, l'épaisseur du tartre est de 0,2 mm en 500 heures et le transfert de chaleur est réduit de 30 à 50 %.

Mécanisme préférentiel de formation de tartre d’hydroxyde de magnésium

At high temperature brine Mg2+ hydrolysis: Mg2+ + 2H2O ->Mg(OH)2 + 2H+. Cette réaction est endothermique et plus la température est élevée, plus elle se déroule rapidement. La réduction de l'eau favorise le pH local à la surface du titane chauffée, favorisant ainsi la précipitation du Mg(OH)2. Les ions calcium précipitent le carbonate de calcium et le tartre de sulfate de calcium, mais ceux-ci sont moins adhérents et peuvent être plus facilement éliminés. Si la dureté de l'eau est supérieure à 200 ppm, le tartre est principalement composé de Mg(OH)2 même avec 2 % d'impuretés de magnésium. à mesure que l'échelle se dilate, des cristaux semblables à des plaques-s'emboîtent, créant une couche résistante.

Échelle quantitative de formation en fonction de la dureté de l'eau

Des tests contrôlés dans une saumure synthétique (30 % CaCl2, 2 % MgCl2, 100 degrés) pendant 500 heures avec une dureté totale variée (exprimée en ppm CaCO3) ont établi ce qui suit. Épaisseur de la calamine 10-30 µm Carbonate de calcium avec un minimum de Mg(OH) 2 Élimination réalisable par lavage à l'acide Réduction du transfert de chaleur 5-15 % Dureté < 100 ppm À 100-200 ppm, l'épaisseur de la calamine est de 30 à 70 µm, la calamine est un mélange de carbonate et de Mg(OH)₂, l'élimination se fait par brossage plus acide et la réduction du transfert de chaleur est de 15 à 30 %. 200-300 ppm Seuil critique Épaisseur de la calamine 60-120 µm Type de calamine Mg(OH)2 dominant, haute adhérence Élimination Raclage mécanique Réduction du transfert de chaleur 25-45 % À une dureté de 300-500 ppm, l'épaisseur de la calamine est de 100-200 µm, c'est de l'hydroxyde de magnésium dur, il est très difficile à éliminer, la réduction de la transmission thermique est de 40-60 %. Si la concentration est supérieure à 500 ppm, l'épaisseur du tartre est supérieure à 200 µm, un tartre important se produit et la réduction du transfert de chaleur est supérieure à 60 %.

Effet de la concentration et de la température en magnésium sur la tolérance à la dureté

La dureté maximale autorisée de l’eau diminue avec l’augmentation de la concentration en magnésium. Pour une échelle de 0,1 mm et 1 % d'impureté de magnésium, la dureté acceptable est de 300 ppm. La dureté autorisée descend à 200 ppm à 2% de magnésium. À 3 % de magnésium, la dureté admissible diminue à 150 ppm. À 5 % de magnésium, la dureté autorisée n'est que de 80 ppm. La température influence également le seuil, la dureté admissible à 2 % de magnésium étant de 350 ppm à 80 degrés. La dureté autorisée à 100 degrés C est de 200 ppm. 120 ppm correspond à une dureté correcte à 120 degrés C sous pression. La dureté admissible à 140 degrés est de 80 ppm.

Contrôle de la dureté de l'eau dans les saumures de magnésium-chlorure de calcium contaminé : un guide

Le tableau suivant indique la dureté de l'eau maximale acceptable recommandée pour une saumure à 30 % de CaCl2 avec 2 % d'impuretés de magnésium à 100 degrés. Les recommandations sont basées sur l’épaisseur de tartre souhaitée et la fréquence de nettoyage.

Épaisseur de tartre souhaitée après 500 heures (µm) Dureté de l'eau maximale autorisée (ppm CaCO₃) Composition de tartre Méthode de nettoyage recommandée<30 (low scaling) <100 Calcium carbonate Acid cleaning (5% HCl) 30–70 (moderate) 100–200 Mixed carbonate/Mg(OH)₂ Acid + brushing 70–120 (high) 200–250 Mg(OH)₂ dominant Mechanical scraping >120 (severe) >250 Mg(OH)₂ dur Non recommandé Ingénierie au-delà du contrôle de la dureté de l'eau

La qualité du titane a peu d’influence sur l’évolution du tartre ; néanmoins, le grade 7 présente une résistance supérieure à la corrosion sous-. L'épaisseur de la paroi offre une marge de transfert de chaleur ; La paroi de 2,0 mm avec une échelle de 0,3 mm a une transmission thermique réduite mais toujours utilisable. Les surfaces électropolies (Ra < 0,3 µm) minimisent l'adhérence du tartre et facilitent son retrait. Les polyacrylates et les phosphonates sont des inhibiteurs de tartre efficaces pour le carbonate de calcium, mais pas très efficaces pour l'hydroxyde de magnésium. Le pH de la saumure doit être maintenu en dessous de 7,5, car un pH plus élevé accélère la précipitation du Mg(OH)₂. Un nettoyage périodique à l'acide avec 5 % d'acide chlorhydrique à 50 degrés pendant 2 heures peut dissoudre le tartre de carbonate de calcium, mais le Mg(OH) 2 n'est pas facilement dissous.

Élaborer une-spécification bien informée

La dureté globale de l'eau doit être inférieure à 100 ppm dans une saumure à 30 % de chlorure de calcium à 100 degrés avec 2 % d'impuretés de magnésium pour éviter le tartre préférentiel de l'hydroxyde de magnésium pour une tige chauffante en titane. Utilisez de l'eau adoucie pour la saumure-. Vérifiez la dureté chaque semaine par titrage. Si la dureté est supérieure à 200 ppm, précipiter le magnésium en élevant le pH à 9,5 avec de la chaux et filtrer avant remise en service. Pour les appareils de chauffage existants avec échelle Mg(OH)2, utilisez 10 % d'acide citrique à 70 degrés pendant 4 heures suivi d'un brossage mécanique. Le tartre d'hydroxyde de magnésium adhérent ne se forme pas pour réduire le transfert de chaleur et provoquer une surchauffe localisée en contrôlant la dureté de l'eau à moins de 200 ppm.