Trong thiết bị bay hơi thải không-lỏng-xử lý nước muối có hàm lượng clorua cao-chloride (100.000 ppm) ở 120 độ, sự hiện diện của oxy kiểm soát độ ổn định thụ động của vỏ bọc titan như thế nào?

Sự cân bằng cơ bản-trong thiết kế bộ gia nhiệt titan cho thiết bị bay hơi nước muối ở nhiệt độ cao
In the zero-liquid-discharge (ZLD) evaporators, industrial wastewater is concentrated near saturation to produce brines with chloride concentrations up to 100,000-150,000 ppm at operating temperatures of 100-120℃. The immersion heaters used in this service are preferably titanium due to its outstanding general corrosion resistance in chloride solutions. These severe circumstances, however, test the limits of titanium's passivity. In saltwater (19,000 ppm Cl⁻ at 30℃) titanium is indefinitely passive, but in the presence of 100,000+ ppm chlorides at 120℃, the passive titanium dioxide layer is in a condition where its stability is vitally dependent on the dissolved oxygen concentration in the brine. In oxygenated conditions the passive film self-heals quickly and a titanium sheath (1.0 mm) of thin wall thickness can provide multi-year service. The passive film fails in oxygen-starved or deaerated circumstances and rapid localized pitting and hydrogen absorption can occur and breach a 2.5 mm wall in a matter of months. Oxygen works as a cathodic depolarizer and shifts the corrosion potential into the passive area. This analysis addresses the relationship between oxygen-passivity, and provides suggestions for wall thickness as a function of projected dissolved oxygen concentrations in ZLD evaporator service.

Tác động đến tính toàn vẹn cơ học: Điều kiện khử khí và sục khí cho quá trình thụ động
Titan bị thụ động hóa bởi màng TiO2 ổn định, màng này được tái thụ động liên tục trong dung dịch clorua sục khí ở nhiệt độ cao. Phản ứng catốt của bề mặt màng thụ động là phản ứng khử của oxy hòa tan (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻). Mức oxy hòa tan cần thiết để duy trì tính thụ động của titan loại 2 trong nước muối clorua 100.000 ppm ở 120 độ là khoảng 0,5 ppm. Ở ngưỡng này, khả năng ăn mòn vẫn cao hơn khả năng tạo vết rỗ (~+300 mV so với Ag/AgCl), trong khi tốc độ ăn mòn đồng đều là dưới 0,01 mm/năm. Dưới 0,5 ppm oxy, phản ứng catốt chuyển sang khử nước (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-), tạo ra hydro trên bề mặt. Khả năng ăn mòn chuyển sang vùng hoạt động và các ion clorua có thể thấm vào màng thụ động bị tổn thương. Trong điều kiện khử khí (oxy < 0,1 ppm) ở 120 độ, tốc độ rỗ đo được trong nước muối clorua-cao là 0,5–1,0 mm mỗi năm, cho thấy rằng bức tường 1,5 mm có thể thủng trong 18–36 tháng. Quan trọng hơn, hydro được tạo ra ở các vị trí catốt sẽ di chuyển vào mạng titan và dẫn đến hiện tượng giòn, gây ra vết nứt trước khi thủng lỗ rỗ. Do đó, tính toàn vẹn cơ học của vỏ bọc không chỉ phụ thuộc vào độ dày thành mà còn phụ thuộc vào lượng oxy hòa tan đủ để hỗ trợ phản ứng catốt giữ titan ở trạng thái thụ động.

Ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt: Sự suy giảm oxy ở bề mặt nóng
The temperature differential across the titanium sheath causes a local oxygen concentration gradient. The solubility of dissolved oxygen diminishes as brine is heated over the sheath surface. At bulk brine temperatures of 120 °C the equilibrium oxygen solubility at 1 atm is ~2 ppm. At the titanium surface, the local oxygen solubility is reduced to around 1.5 ppm, where it may reach 125-130°C due to electrical resistance through the wall. This difference is generally not enough to result in loss of passivity. However, the surface temperature can be higher than 140 C when the heater works with high power density (>3.5 W/cm 2 ) or with thick wall (>1.8 mm), where oxygen solubility is less than 1 ppm. Even at these temperatures, a bulk oxygen content of 2 ppm may not be enough to keep the sheath surface passive. Finite element modeling of oxygen transport indicates that a 1.2 mm wall at a surface temperature of 128°C consumes oxygen at the cathodic surface at a rate that can be sustained by diffusion from the bulk if the bulk concentration is greater than 1.5 ppm. A 2.0 mm wall at a surface temperature of 142°C necessitates a bulk oxygen concentration of >3 ppm, điều này thường không khả thi trong thiết bị bay hơi ZLD đã khử khí. Do đó, thành mỏng hơn không chỉ làm tăng khả năng truyền nhiệt mà còn làm giảm nhiệt độ bề mặt, giữ cho vỏ bọc ở chế độ nhiệt độ tương thích với oxy thấp hơn và nhiều hơn.

Tổng hợp sự cân bằng-: Nồng độ oxy là hệ số của độ dày của tường
Ma trận dưới đây cho thấy độ dày thành titan được đề xuất cho bộ gia nhiệt thiết bị bay hơi ZLD cho nước muối clorua 100.000 ppm ở 120 độ tùy thuộc vào nồng độ oxy hòa tan được xác định trong dòng nước muối tuần hoàn.

Oxy hòa tan trong nước muối số lượng lớn (ppm ở 120 độ) Đề xuất về độ dày thành titan (Cấp 2) Độ ổn định dự đoán và tuổi thọ của lõi màng thụ động Cơ sở lý luận về kỹ thuật 2,0 ppm (được sục khí hoàn toàn, thiết bị bay hơi mở có phun không khí) 1,0 mm – 1,2 mm Xuất sắc; > 5 năm Nồng độ oxy cao hơn ngưỡng tới hạn. Phim thụ động ổn định. Tường mỏng tăng cường truyền nhiệt và giảm thiểu nhiệt độ bề mặt. Mức cho phép ăn mòn 0,05 mm/năm mang lại mức đệm an toàn.
1,0 – 2,0 ppm (sục khí vừa phải, hệ thống bán kín) 1,4 mm – 1,6 mm Tốt; 3 – 5 năm Oxy đạt ngưỡng tới hạn. Thành dày hơn tạo ra khả năng chống ăn mòn khi nhúng vào oxy một cách lẻ tẻ. Độ dày thành vừa phải mang lại sự cân bằng giữa hiệu suất nhiệt và biên độ thụ động.
Lượng oxy thấp, nguồn cấp dữ liệu đã khử khí, lượng không khí lọt vào thấp 0,5 – 1,0 ppm 1,8 mm – 2,0 mm Biên; 2 – 3 nămOxy vừa trên mức tới hạn. Nguy cơ rỗ rất cao. Tường dày cần thiết để chống ăn mòn. Được khuyến nghị để theo dõi độ giòn hydro. Chạy ở mức oxy này là không tốt.
< 0.5 ppm (deaerated, e.g. closed loop with oxygen scavengers)Not recommended (any thickness) Unstable; < 18 months Passivity is not sustainable. Pitting and hydrogen embrittlement will occur independent of wall thickness Reintroduction of oxygen or other material (such as titanium-palladium Grade 7 or zirconium) is necessary.
Kỹ thuật quản lý oxy và lựa chọn lớp ngoài tường
Thiết kế thiết bị bay hơi ZLD dẫn đến hoạt động trong điều kiện lượng oxy hòa tan thấp <1 ppm. Ba giải pháp bổ sung được chứng minh là có thể khôi phục tính thụ động của titan mà không cần đến những bức tường dày quá mức thực tế. Đầu tiên, việc sục khí hoặc oxy vào vòng tuần hoàn nước muối sẽ nâng nồng độ oxy lên tới 2–3 ppm, mức này thường đủ ngay cả đối với-máy sưởi titan có thành mỏng. Việc phun khí tốn ít năng lượng hơn so với việc thay thế máy sưởi thường xuyên. Thứ hai, sự thay đổi từ titan cấp 2 sang cấp 7 (Ti-0,15% Pd) làm giảm nồng độ oxy tới hạn đối với thụ động từ 0,5 ppm xuống dưới 0,1 ppm. Sự có mặt của palladium hoạt động như một chất xúc tác catốt, cho phép quá trình khử hydro diễn ra ở mức điện thế thấp hơn và dẫn đến sự thay đổi khả năng ăn mòn thành phạm vi thụ động ngay cả trong nước muối đã khử khí. Dữ liệu thực địa từ thiết bị bay hơi ZLD chứng minh rằng titan Loại 7 với độ dày thành 1,2 mm có thể tồn tại trong nước muối có hàm lượng oxy thấp tới 0,2 ppm trong 6–8 năm, trong khi titan Loại 2 thất bại trong vòng chưa đầy 2 năm. Thứ ba, việc sử dụng natri hydroxit giúp duy trì độ pH hơi kiềm (8,5–9,5) giúp ổn định màng thụ động và giảm thiểu nhu cầu oxy. Đối với Lớp 2 ở pH 9, nồng độ oxy cần thiết giảm xuống 0,2 ppm, cho phép các bức tường mỏng hơn ngay cả trong các hệ thống khử khí một phần.

Kết luận: Lò sưởi bằng titan-có thành mỏng trong nước muối có hàm lượng clorua cao đạt được nhờ kiểm soát oxy
Trong thiết bị bay hơi ZLD xử lý nước muối clorua 100.000 ppm ở 120 độ, oxy là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định thụ động của vỏ titan và độ dày thành yêu cầu. Máy sưởi titan loại 2 treo tường 1,0-1,2 mm thông thường mang lại tuổi thọ sử dụng ổn định trong nhiều năm ở mức oxy hòa tan trên 2 ppm. Với nồng độ oxy từ 0,5 đến 2 ppm, độ dày thành nên tăng lên 1,5 đến 2,0 mm để tính đến khả năng chống ăn mòn do nguy cơ rỗ tăng lên. Không có độ dày thành cấp 2 thực tế nào có thể mang lại tuổi thọ thích hợp dưới 0,5 ppm oxy. Câu trả lời là cung cấp lại oxy (xả khí) hoặc nâng cấp lên titan cấp 7 với palladium sẽ vẫn thụ động ngay cả trong điều kiện khử khí. Lời khuyên kỹ thuật cho việc lắp đặt thiết bị bay hơi ZLD mới là thiết kế để có nồng độ oxy hòa tan số lượng lớn ít nhất là 2 ppm bằng cách phun không khí có kiểm soát và sau đó chỉ định titan Loại 2 có độ dày thành 1,2 mm. Sự kết hợp này mang lại khả năng truyền nhiệt tối đa, chi phí vật liệu tối thiểu và tuổi thọ của lò sưởi là 5+ năm. Khi tìm kiếm báo giá, hãy cung cấp mức oxy hòa tan (ppm) và độ pH ước tính của nước muối ở nhiệt độ làm việc, vì các thông số này quan trọng hơn đối với tuổi thọ của lò sưởi hơn là chỉ riêng độ dày thành.