Lorsqu'une gaine en titane est utilisée comme élément chauffant pour un flux de concentré d'osmose inverse à haute teneur en silice et en chlorure, comment le dépôt de tartre de silice modifie-t-il le mécanisme de défaillance de la corrosion à la surchauffe ?

Le compromis de base-dans la conception du chauffage en titane dans le service de concentré RO
Les flux de concentré RO sont caractérisés par une teneur élevée en chlorures (10 000 à 50 000 ppm) et une teneur plus élevée en silice (50 à 200 ppm en SiO2). Le titane a été choisi pour sa résistance à la corrosion due aux chlorures. Cependant, à des températures supérieures à 70 degrés, la silice polymérise et précipite sous forme de tartre amorphe sur les surfaces chauffées. Cette calamine de silice affecte complètement le processus de défaillance. Durée de vie de 3-5 ans pour le titane sans tartre dû aux piqûres par les chlorures. Le tartre sert de revêtement isolant et provoque une surchauffe localisée conduisant à une brûlure rapide de la gaine en quelques mois. Ce mécanisme est affecté par l'épaisseur de la paroi : une paroi plus épaisse chauffera plus en surface pour la même densité de puissance, augmentant ainsi la polymérisation de la silice et la création de tartre. Cette transition de la corrosion à une défaillance limitée par le tartre est importante pour la conception de réchauffeurs pour les applications de concentrés RO.

Influence sur l'intégrité mécanique : cinétique de formation de tartre de silice
La solubilité de la silice diminue avec l'augmentation de la température et augmente avec l'augmentation du pH. Concentré RO à pH 7-8 et 70 degrés, la concentration de saturation est d'environ 120 ppm SiO2. Si la température de surface de la gaine en titane dépasse 80 degrés (en raison de la résistance électrique à travers la paroi), la solubilité locale descend en dessous de 80 ppm et une sursaturation et une polymérisation se produisent. La réaction est la suivante : Si(OH)4 (aq) SiO2 (amorphe) + 2H2O Le temps d'induction pour la production de tartre de silice est lié à Arrhenius. À une température de surface de 80 degrés, le tartre se forme en 48 heures ; à 90 degrés, il se forme en 8 heures. Pour une paroi en titane de 1,0 mm dans un concentré RO en vrac à 70 degrés fonctionnant à 2,5 W/cm², la température de surface est d'environ 78 degrés, juste en dessous du seuil de détartrage rapide. Pour une épaisseur de paroi de 1,8 mm, la surface atteint 85 degrés et entre dans le régime de détartrage rapide. Une fois qu'une couche de silice s'est formée (conductivité=1 W/m·K contre 17 W/m·K pour le titane), la résistance thermique supplémentaire augmente encore la température de surface, favorisant ainsi un dépôt de tartre plus important. Le mécanisme de défaillance passe de la corrosion par piqûre (années) à l’emballement thermique (mois).

Effet sur les performances thermiques : surchauffe et brûlure-
Une fine couche de tartre de silice, de seulement 0,5 mm d'épaisseur, contribue à une résistance thermique $\\Delta T_{scale}=q \\times t_{scale} /k_{scale}$. À 2,5 W/cm², une couche de silice de 0,5 mm entraîne une baisse de température de 12,5 degrés sur l'échelle. Cela signifie que la surface extérieure du titane doit être 12,5 degrés plus chaude pour fournir le même flux thermique. L’augmentation de la température signifie une mise à l’échelle beaucoup plus rapide. La rétroaction positive continue jusqu'à ce que le fil de résistance interne dépasse sa limite de 450 C, déclenchant une défaillance de l'isolation MgO et une brûlure de la gaine-. Les données de terrain des réchauffeurs de concentré RO montrent qu'une paroi de titane de 1,2 mm avec une température de surface initiale de 80 degrés forme 0,3 mm de tartre de silice en 500 heures, élevant la surface à 95 degrés. L'entartrage augmente de façon exponentielle à 95 degrés, atteignant 1,0 mm en 500 heures supplémentaires, lorsque la température du fil est supérieure à 450 degrés et que le chauffage se brise. La durée totale du démarrage propre jusqu'à la panne est de 1 000 à 1 500 heures. En comparaison, la corrosion par piqûres prend 8 000 à 10 000 heures pour perforer le même mur.

La synthèse des compromis : gestion de l'épaisseur des parois et de l'échelle
Concentration de silice en vrac (ppm SiO2) Épaisseur de paroi suggérée Mode de défaillance prévu Durée de vie (heures) Justification d'ingénierie du noyau < 50 ppm 1,0 mm – 1,2 mm Piqûres légères uniquement > 20 000 Pas de tartre substantiel ; la conception conventionnelle contre la corrosion s’applique.
50 à 100 ppm 1,0 mm (paroi mince-)Surchauffe due au tartre 3 000 à 5 000 La paroi mince abaisse la température de surface et ralentit le tartre. Nettoyage normal.
100 à 150 ppmDéconseillé (toutes épaisseurs)Mise à l'échelle rapide Brûlure-jusqu'à < 1 500 Peu importe l'épaisseur du mur, vous ne pouvez pas éviter de grimper. Ajouter un antitartre ou modifier la procédure.
Nettoyage acide hebdomadaire, n'importe quel 1,2 mm – 1,5 mmNettoyage-contrôlé > 10 000 Un nettoyage fréquent empêche le tartre de provoquer un emballement thermique. Un mur plus épais peut supporter l’érosion du nettoyage.
6 Ingénierie de prévention et de nettoyage à grande échelle au-delà du mur
Le passage du mécanisme de rupture de la corrosion à la surchauffe provoquée par l'entartrage de silice rend le contrôle de la température de surface plus important que la tolérance à la corrosion dans la détermination de l'épaisseur de la paroi. La meilleure façon de traiter un concentré RO à haute teneur en silice est d'utiliser une paroi mince (1,0 mm) et soit des antitartre chimiques - (phosphonates qui empêchent la polymérisation de la silice), soit un nettoyage acide hebdomadaire (2 % d'acide citrique à 50 degrés pendant 1 heure). Les antitartre . 10-20 ppm augmentent le temps d'induction du tartre d'un facteur de 5 à 10, permettant à une paroi de 1,0 mm de durer 5000+ heures. Si le revêtement a une épaisseur inférieure à 0,2 mm, l'état thermique est rétabli par un nettoyage acide qui dissout la silice amorphe. Une paroi épaisse (1,8 mm) sans nettoyage se détériore plus rapidement qu'une paroi mince avec nettoyage, car la température de surface initiale plus élevée accélère le détartrage plus rapidement que la fréquence de nettoyage ne peut suivre.

Conclusions : En cas d'entartrage, la corrosion n'est pas le mécanisme de défaillance dominant
Le chauffage à gaine en titane pour concentré RO riche en silice et en chlorure transforme le mécanisme de défaillance de la piqûre de chlorure retardée (années) à une surchauffe rapide-(mois) en raison du dépôt de tartre de silice. Une paroi plus épaisse aggrave la situation en augmentant la température de surface dans la région de mise à l'échelle rapide. Une concentration élevée de silice RO doit être manipulée avec une paroi mince (1,0 mm) et un nettoyage acide hebdomadaire ou une injection continue d'antitartre -. Il est également important de noter que plus le mur qui n’a pas été nettoyé est épais, plus il se brisera rapidement par rapport à un mur plus fin qui a été nettoyé. L’épaisseur de la paroi est donc un élément supplémentaire pour le contrôle du tartre. Lors de la spécification des appareils de chauffage, fournissez au fabricant la concentration en vrac de silice (ppm) et la possibilité de nettoyage acide et demandez une estimation de la température de surface pour vérifier que le fonctionnement sera inférieur à 80 degrés.