Bagaimanakah Kepekatan Silika Terlarut pada Suhu Air Pukal 100 darjah Mentadbir Pembentukan Skala Silikat Penebat pada Sarung Pemanas Keluli Tahan Karat 316

Mekanisme pemendapan silika amorf dan rintangan habanya

Pembentukan skala silikat amorf mewakili masalah kekotoran yang unik untuk 316 tiub pemanasan elektrik bersarung keluli tahan karat yang beroperasi dalam air suhu tinggi yang mengandungi silika terlarut (SiO₂) yang biasa dalam air geoterma, air suapan dandang dan aliran proses industri tertentu, dan berbeza daripada penskalaan kalsium karbonat. Skala silikat terhasil daripada pempolimeran asid silisik (Si(OH)4) pada permukaan logam yang dipanaskan, manakala skala karbonat terhasil daripada pemendakan garam kristal. Pada suhu air pukal 100 darjah (air mendidih), kepekatan silika terlarut lebih daripada kira-kira 50-80 ppm (sebagai SiO2) cepat terpolimer pada permukaan yang dipanaskan. Skala silika amorfus yang terhasil pada permukaan mempunyai kekonduksian terma yang sangat rendah (kira-kira 0.5-1.5 W/m·K berbanding 15-20 W/m·K untuk keluli tahan karat 316), dan dengan itu mencipta lapisan penebat yang meningkatkan suhu sarung sebanyak 20-50 darjah selama beberapa minggu. Peningkatan suhu ini mempercepatkan lagi pemendapan silika dan boleh menyebabkan kegagalan terlalu panas. Artikel ini mengukur hubungan antara kepekatan silika terlarut, kadar pembangunan skala dan kehilangan prestasi terma pada 100 darjah .

Mekanisme pempolimeran silikat pada permukaan yang dipanaskan

Silika terlarut dalam air terutamanya dalam bentuk asid silisik monomerik Si(OH) 4. Silika amorf mempunyai keterlarutan ~300-400 ppm pada 100 darjah , bergantung kepada pH. Di atas had keterlarutan, polimer silika dan zarah koloid terbentuk yang akhirnya memendakan sebagai skala opalin amorf. Di bawah had keterlarutan, bagaimanapun, permukaan logam panas boleh memangkinkan pempolimeran, kerana suhu permukaan yang tinggi meningkatkan kadar tindak balas (tingkah laku Arrhenius). Tenaga pengaktifan untuk pempolimeran silika kepada keluli tahan karat 316 adalah pada urutan 40-60 kJ/mol, supaya kadar pemendapan berganda untuk setiap peningkatan 10-15 darjah dalam suhu sarung. Lapisan silika nipis terbentuk dan tindakan penebatnya meningkatkan lagi suhu sarung dalam kitaran pecutan sendiri.

Hubungan kuantitatif antara kepekatan silika dan pembentukan skala pada 100C

Kadar pembentukan skala dan binaan rintangan haba berikut selama 1,000 jam telah ditentukan daripada kajian pengotoran terkawal pada 316 sarung keluli tahan karat (fluks haba 5 W/cm2) dalam air pada suhu pukal 1000C dengan jumlah silika terlarut yang berbeza (pH 7.5).

Kepekatan Silika Terlarut (ppm sebagai SiO2) Ketebalan Skala selepas 1,000 jam (µm) Skala Silika Kekonduksian Terma (W/m. K) Rintangan Terma Ditambah (m2. K/W) Suhu Sarung Meningkat Melebihi Pukal (darjah , pada 5 W/cm2) Masa hingga 200 W/cm2) Suhu untuk 20 W/cm2 Suhu untuk 20 W/cm2. Perkhidmatan<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
Kesan pH terhadap Kadar Pemendapan Silika

Pempolimeran silika sangat bergantung kepada pH-, dengan keterlarutan dan kadar pemendapan terendah pada pH 7.5–8.0. Pada pH yang lebih rendah (berasid) asid silisik tidak bercas dan mempolimer dengan lebih perlahan. Dalam larutan alkali (pH tinggi) silika wujud sebagai ion silikat (SiO3 2-) yang cepat berpolimer dan juga bergabung dengan kalsium dan magnesium untuk menghasilkan silikat kompleks. Pengaruh pH ke atas kadar pemendapan pada 100 ppm SiO2 diberikan dalam jadual di bawah.

pH pada 100 darjah Spesiasi Silika Kadar Pemendapan Relatif (pH 7.5=1.0) Skala Morfologi Disyorkan Julat pH<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6.0-7.0 Si(OH)₄ menguasai 0.6-0.8Sederhana hingga tebal Boleh Diterima
7.0-7.5 Campuran 0.9-1.1 Sederhana Optimum
7.5-8.0 Bercampur dengan beberapa SiO3 2- 1.0-1.5 Marginal sederhana hingga berat
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9.0 SiO₃²⁻ + logam silikat 3.0-5.0 Sangat berat, melekat Tidak bagus
Spesifikasi Kimia Air - Kawalan Silika Praktikal

Had silika berikut dicadangkan untuk 316 pemanas bersarung dengan suhu air pukal 100 darjah untuk hayat perkhidmatan yang dimaksudkan.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>Rawatan Air yang disyorkan10,000<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 >90Mana-mana 316 tidak dinasihatkan; menyiasat peningkatan aloi atau pemanasan luaran
Pengenalpastian Medan Kegagalan Skala Silikat

Petunjuk tipikal pemanas 316 dalam air silika-tinggi ialah skala keras, berkaca, lut sinar kepada putih yang sangat sukar untuk dialih keluar secara mekanikal (memerlukan pembersihan kimia dengan asid hidrofluorik atau kaustik panas). Skalanya biasanya licin dan mungkin kelihatan 'gila'. Beberapa kakisan mungkin kelihatan pada permukaan logam di belakang skala - kegagalan terutamanya haba (terlalu panas) dan bukannya menghakis. Pemanas mungkin gagal akibat keletihan (wayar rintangan cair), dan bukannya penembusan sarung. Dalam kegagalan sedemikian, penyiasatan X-ray difraksi (XRD) skala mendedahkan silika amorfus (corak bonggol lebar) atau, pada suhu yang lebih tinggi, kristal cristobalite. Spektroskopi sinar X-penyebaran tenaga (EDS) menunjukkan silikon dan oksigen dengan sedikit besi dan kromium. Penyelesaiannya adalah untuk mengurangkan kandungan silika sama ada melalui osmosis terbalik atau pertukaran ion atau pencairan atau beroperasi pada fluks haba yang lebih rendah untuk menurunkan suhu sarung.

Pendekatan untuk Mengurangkan-Perairan Silika Tinggi

Tiga pilihan untuk mitigasi boleh memanjangkan hayat pemanas apabila tahap silika tidak dapat dikurangkan secara ekonomi. Yang pertama adalah untuk meminimumkan aliran haba. Untuk watt tertentu, lebih banyak luas permukaan sarung (sarung diameter yang lebih panjang atau lebih besar) bermakna suhu sarung yang lebih rendah, yang secara eksponen melambatkan pempolimeran silika. Sebagai contoh, mengurangkan fluks haba daripada 5 W/cm² kepada 3 W/cm² mengurangkan kadar pemendapan silika sekitar 50-70%. Teknik kedua ialah bekerja pada suhu pukal yang lebih rendah: menurunkannya daripada 100oC kepada 90oC mengurangkan kadar pempolimeran silika sebanyak kira-kira 40-50%. Pilihan ketiga ialah memperkenalkan perencat skala. Sesetengah fosfonat dan polimer boleh melambatkan pempolimeran silika, walaupun ia kurang berkesan berbanding skala karbonat. Satu-satunya ubat yang boleh dipercayai untuk kekotoran silika yang teruk ialah beralih kepada pemanasan tidak langsung (cth penukar haba wap) atau menggunakan pemanas dengan sarung boleh tanggal.

KESIMPULAN: KEBOLEHPERCAYAAN PEMANAS 316 DENGAN KAWALAN SILIKA LARUT 100 darjah

Penciptaan pantas skala silikat amorfus penebat pada pemanas bersarung keluli tahan karat 316 diperhatikan dalam air pukal 100 darjah pada kepekatan silika terlarut melebihi 60-80 ppm. Pembentukan skala ini menyebabkan peningkatan 15-25 darjah suhu sarung dalam masa 500-1,000 jam dan membawa kepada kegagalan terlalu panas. Had kritikal untuk perkhidmatan 10,000 jam ialah 30 ppm SiO2 pada fluks haba 5 W/cm2. Jurutera yang memilih 316 sarung untuk geoterma, suapan dandang atau aliran silika tinggi yang lain mesti menganalisis kepekatan silika terlarut untuk sama ada mengehadkannya (melalui osmosis terbalik atau pencairan) atau mengurangkan fluks haba untuk mengimbangi. Di atas paras silika 80 ppm, 316 sarung tidak diluluskan untuk sebarang aliran haba. Rangka kerja yang dibangunkan di sini menyediakan hubungan antara kepekatan silika terlarut dan kadar pembangunan skala yang boleh diukur dan pengumpulan rintangan haba, membolehkan pembeli meminta rawatan air atau perubahan reka bentuk pemanas yang mengelakkan mod kegagalan senyap daripada pemanasan terlampau akibat silikat.