Kako koncentracija raztopljenega silicijevega dioksida pri temperaturi vode v razsutem stanju 100 stopinj vpliva na nastanek izolacijskega silikatnega kamna na grelnih plaščih iz nerjavečega jekla 316

Mehanizem nanosa amorfnega silicijevega dioksida in njegova toplotna odpornost

Tvorba amorfnega silikatnega kamna predstavlja edinstven problem umazanije za 316 električnih grelnih cevi, oplaščenih iz nerjavečega jekla, ki delujejo v visokotemperaturni vodi, ki vsebuje raztopljen silicijev dioksid (SiO₂), ki je običajen v geotermalni vodi, napajalni vodi kotla in nekaterih industrijskih procesnih tokovih, in se razlikuje od nabiranja vodnega kamna kalcijevega karbonata. Silikatni kamen nastane zaradi polimerizacije silicijeve kisline (Si(OH)4) na segretih kovinskih površinah, medtem ko karbonatni kamen nastane zaradi izločanja kristalnih soli. Pri temperaturah vode v razsutem stanju 100 stopinj (vrela voda) koncentracije raztopljenega silicijevega dioksida, večje od približno 50-80 ppm (kot SiO2), hitro polimerizirajo na segretih površinah. Nastali amorfni silicijev dioksid na površini ima zelo nizko toplotno prevodnost (približno 0,5–1,5 W/m·K v primerjavi s 15–20 W/m·K za nerjaveče jeklo 316) in tako ustvari plast izolacije, ki čez tedne zviša temperaturo plašča za 20–50 stopinj. To povišanje temperature dodatno pospeši odlaganje silicijevega dioksida in lahko povzroči okvaro zaradi pregrevanja. Ta članek kvantificira povezavo med koncentracijo raztopljenega silicijevega dioksida, stopnjo razvoja vodnega kamna in izgubo toplotne učinkovitosti pri 100 stopinjah.

Mehanizem polimerizacije silikata na ogrevanih površinah

Raztopljen silicijev dioksid v vodi je večinoma v obliki monomerne silicijeve kisline Si(OH) 4. Amorfni silicijev dioksid ima topnost ~300-400 ppm pri 100 stopinjah, odvisno od pH. Nad mejo topnosti se silicijev dioksid polimerizira in nastanejo koloidni delci, ki se na koncu oborijo kot amorfne opaline. Pod mejo topnosti pa lahko vroče kovinske površine katalizirajo polimerizacijo, saj visoka površinska temperatura poveča hitrost reakcije (Arrheniusovo vedenje). Aktivacijska energija za polimerizacijo silicijevega dioksida v nerjavno jeklo 316 je reda 40-60 kJ/mol, tako da se stopnja nanašanja podvoji za vsakih 10-15 stopinj dviga temperature plašča. Oblikuje se tanka plast silicijevega dioksida in njeno izolacijsko delovanje še dodatno zviša temperaturo plašča v samopospeševalnem ciklu.

Kvantificirano razmerje med koncentracijo kremena in nastajanjem vodnega kamna pri 100C

Naslednje stopnje nastajanja vodnega kamna in ustvarjanja toplotne odpornosti v 1000 urah so bile določene iz nadzorovanih študij obraščanja na 316 plaščih iz nerjavečega jekla (toplotni tok 5 W/cm2) v vodi pri 1000C skupni temperaturi z različnimi količinami raztopljenega silicijevega dioksida (pH 7,5).

Koncentracija raztopljenega silicijevega dioksida (ppm kot SiO2) Debelina lestvice po 1000 urah (µm) Toplotna prevodnost silicijevega dioksida (W/m. K) Dodana toplotna upornost (m2. K/W) Dvig temperature plašča nad količino (stopinja, pri 5 W/cm2) Čas do dviga temperature za 20 stopinj (ure) Priporočeno za 100-stopinjsko storitev<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
Vpliv pH na hitrost usedanja silicijevega dioksida

Polimerizacija silicijevega dioksida je zelo odvisna od pH -, z najnižjo topnostjo in stopnjo usedanja pri pH 7,5–8,0. Pri nižjem pH (kislem) je silicijeva kislina nenaelektrena in polimerizira počasneje. V alkalni raztopini (visok pH) kremen obstaja kot silikatni (SiO3 2-) ioni, ki hitro polimerizirajo in se tudi kombinirajo s kalcijem in magnezijem, da nastanejo kompleksni silikati. Vpliv pH na hitrost nanašanja pri 100 ppm SiO2 je podan v spodnji tabeli.

pH pri 100 stopinjah silicijevega dioksida Speciacija Relativna stopnja usedanja (pH 7.5=1.0) Lestvica Morfologija Priporočeno območje pH<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6,0-7,0 Prevladuje Si(OH)₄ 0,6-0,8 Zmerno do gosto Sprejemljivo
7,0-7,5 Mešano 0,9-1,1 Zmerno Optimalno
7,5-8,0 Pomešan z nekaj SiO3 2- 1.0-1.5 Zmerno do težko Mejno
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9,0 SiO₃²⁻ + kovinski silikati 3,0-5,0 Zelo težko, oprijemljivo Ni dobro
Specifikacije kemije vode - Praktični nadzor silicijevega dioksida

Naslednje mejne vrednosti silicijevega dioksida so predlagane za 316 oplaščene grelnike s temperaturo vode v razsutem stanju 100 stopinj za predvideno življenjsko dobo.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>Priporočena priprava vode 10.000<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 >90Katero koli 316 ni priporočljivo; raziščite nadgradnjo zlitine ali zunanje ogrevanje
Identifikacija napak silikatnega kamna na terenu

Tipična indikacija grelnika 316 v vodi z visoko-silicijevim dioksidom je trda, steklasta, prosojna do bela obloga, ki jo je zelo težko mehansko odstraniti (potrebno je kemično čiščenje s fluorovodikovo kislino ali vročo jedko). Lestvica je na splošno gladka in ima lahko "ponorel" videz. Nekaj ​​korozije je lahko vidno na kovinski površini za lestvico - okvara je predvsem toplotna (pregrevanje) in ne jedka. Grelnik lahko odpove zaradi pregorevanja (staljena odporna žica) in ne zaradi perforacije plašča. Pri takšnih okvarah preiskava lestvice z rentgensko difrakcijo (XRD) razkrije amorfni silicijev dioksid (vzorec široke grbe) ali, pri višjih temperaturah, kristalni kristobalit. Energijsko disperzivna rentgenska spektroskopija (EDS) kaže silicij in kisik z malo železa in kroma. Rešitev je zmanjšanje vsebnosti silicijevega dioksida z reverzno osmozo ali ionsko izmenjavo ali redčenjem ali delovanje pri nižjem toplotnem toku za znižanje temperature plašča.

Pristopi k ublažitvi visoke{0}}silicijeve vode

Tri možnosti za ublažitev lahko podaljšajo življenjsko dobo grelnika, kadar ravni silicijevega dioksida ni mogoče ekonomsko zmanjšati. Prvi je zmanjšati pretok toplote. Za določeno moč večja površina plašča (daljši ali večji premer plašča) pomeni nižjo temperaturo plašča, kar eksponentno upočasni polimerizacijo kremena. Na primer, zmanjšanje toplotnega toka s 5 W/cm² na 3 W/cm² zmanjša stopnjo usedanja silicijevega dioksida za približno 50-70 %. Druga tehnika je delo pri nižji nasipni temperaturi: znižanje s 100 °C na 90 °C zmanjša stopnjo polimerizacije silicijevega dioksida za približno 40-50 %. Tretja možnost je uvedba zaviralcev vodnega kamna. Nekateri fosfonati in polimeri lahko upočasnijo polimerizacijo silicijevega dioksida, čeprav so manj učinkoviti kot pri karbonatnem kamnu. Edino zanesljivo zdravilo za močno umazanijo s silicijevim dioksidom je preklop na posredno ogrevanje (npr. parni izmenjevalnik toplote) ali uporaba grelnika z odstranljivim plaščem.

ZAKLJUČEK: ZANESLJIVOST GRELNIKA 316 S 100-stopinjskim NADZOROM RAZTOPLJENEGA KREMENA

Hitro nastajanje izolacijskega amorfnega silikatnega kamna na 316 grelnikih, obloženih z nerjavečim jeklom, je opaziti v 100-stopinjski razsuti vodi pri koncentracijah raztopljenega silicijevega dioksida nad 60-80 ppm. Tvorba te lestvice povzroči zvišanje temperature plašča za 15-25 stopinj v 500-1000 urah in vodi do okvare zaradi pregrevanja. Kritična meja za 10.000 ur delovanja je 30 ppm SiO2 pri toplotnem toku 5 W/cm2. Inženirji, ki izbirajo 316 plaščev za geotermalne vire, dovod kotlov ali druge tokove z visoko vsebnostjo silicijevega dioksida, morajo analizirati koncentracijo raztopljenega silicijevega dioksida, da jo omejijo (z reverzno osmozo ali redčenjem) ali zmanjšajo toplotni tok za kompenzacijo. Nad 80 ppm silicijevega dioksida plašči 316 niso odobreni za noben toplotni tok. Okvir, razvit tukaj, zagotavlja razmerje med koncentracijo raztopljenega silicijevega dioksida in merljivimi stopnjami razvoja vodnega kamna in kopičenjem toplotnega upora, kar kupcu omogoča, da zahteva obdelavo vode ali spremembe zasnove grelnika, ki se izognejo prikritemu načinu odpovedi pregrevanja, ki ga povzroči silikat.