في مبخر التفريغ -السائل-الصفري الذي يعالج محلول ملحي عالي-الكلوريد (100000 جزء في المليون) عند درجة حرارة 120 درجة، كيف يتحكم وجود الأكسجين في استقرار التخميل لغمد التيتانيوم؟

المقايضة الأساسية-في تصميم سخان التيتانيوم لمبخرات المياه المالحة ذات درجة الحرارة العالية
في مبخرات تفريغ -السائل-صفر (ZLD)، يتم تركيز مياه الصرف الصناعي بالقرب من التشبع لإنتاج محلول ملحي بتركيزات كلوريد تصل إلى 100,000-150,000 جزء في المليون عند درجات حرارة تشغيل تبلغ 100-120 درجة. ويفضل أن تكون السخانات الغاطسة المستخدمة في هذه الخدمة من التيتانيوم نظرًا لمقاومتها العامة المتميزة للتآكل في محاليل الكلوريد. ومع ذلك، فإن هذه الظروف القاسية تختبر حدود سلبية التيتانيوم. في المياه المالحة (19000 جزء في المليون Cl⁻ عند 30 درجة) يكون التيتانيوم سلبيًا إلى أجل غير مسمى، ولكن في وجود 100،000+ جزء في المليون من الكلوريد عند 120 درجة، تكون طبقة ثاني أكسيد التيتانيوم المنفعلة في حالة حيث يعتمد استقرارها بشكل حيوي على تركيز الأكسجين المذاب في المحلول الملحي. في الظروف المؤكسجة، يتم شفاء الطبقة السلبية-ذاتيًا بسرعة ويمكن لغمد التيتانيوم (1.0 مم) ذو سمك الجدار الرقيق أن يوفر خدمة متعددة-سنوات. يفشل الفيلم السلبي في ظروف نقص الأكسجين أو نزع الهواء ويمكن أن يحدث تأليب موضعي سريع وامتصاص الهيدروجين ويخترق جدارًا بقطر 2.5 مم في غضون أشهر. يعمل الأكسجين كمزيل الاستقطاب الكاثودي وينقل احتمالية التآكل إلى المنطقة السلبية. يتناول هذا التحليل العلاقة بين سلبية الأكسجين، ويقدم اقتراحات لسمك الجدار كدالة لتركيزات الأكسجين المذاب المتوقعة في خدمة مبخر ZLD.

تأثير السلامة الميكانيكية: ظروف نزع الهواء والتهوية للتخميل
يتم تخميل التيتانيوم بواسطة طبقة TiO2 مستقرة والتي يتم إعادة تخميلها بشكل مستمر في محاليل الكلوريد الهوائية عند درجات حرارة مرتفعة. التفاعل الكاثودي لسطح الفيلم السلبي هو تفاعل الاختزال للأكسجين المذاب (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻). مستوى الأكسجين المذاب اللازم للحفاظ على سلبية التيتانيوم من الدرجة 2 في 100000 جزء في المليون من محلول كلوريد عند 120 درجة هو في حدود 0.5 جزء في المليون. عند هذه العتبة، لا تزال احتمالية التآكل أعلى من احتمالية التنقر (~+300 mV مقابل Ag/AgCl)، في حين أن معدل التآكل الموحد أقل من 0.01 مم/سنة. أقل من 0.5 جزء في المليون من الأكسجين يتحول التفاعل الكاثودي إلى اختزال الماء (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-)، مما ينتج الهيدروجين على السطح. تنتقل احتمالية التآكل إلى المنطقة النشطة ويمكن أن تتخلل أيونات الكلوريد الفيلم السلبي المخترق. في ظل الظروف الخالية من الهواء (الأكسجين < 0.1 جزء في المليون) عند 120 درجة، يبلغ معدل التنقر المقاس في محلول ملحي عالي الكلوريد 0.5-1.0 مم سنويًا، مما يشير إلى أن جدار 1.5 مم يمكن أن يثقب خلال 18-36 شهرًا. والأهم من ذلك، أن الهيدروجين الناتج في المواقع الكاثودية يهاجر إلى شبكة التيتانيوم ويؤدي إلى التقصف، مما يؤدي إلى التشقق قبل حدوث الثقب. وبالتالي فإن السلامة الميكانيكية للغلاف لا تعتمد فقط على سمك الجدار، ولكن أيضًا على وجود كمية كافية من الأكسجين المذاب لدعم التفاعل الكاثودي الذي يبقي التيتانيوم في حالة سلبية.

التأثير على الأداء الحراري: استنفاد الأكسجين في الأسطح الساخنة
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 جزء في المليون وهو أمر غير ممكن عادةً في مبخرات ZLD منزوعة الهواء. وبالتالي، فإن الجدران الرقيقة لا تزيد من انتقال الحرارة فحسب، بل تخفض أيضًا درجة حرارة السطح، مما يحافظ على الغلاف في نظام درجة حرارة أقل وأكثر توافقًا مع الأكسجين.

ملخص المفاضلة-: تركيز الأكسجين كمضاعف لسماكة الجدار
توضح المصفوفة أدناه سمك جدار التيتانيوم المقترح لسخان المبخر ZLD لـ 100000 جزء في المليون من محلول ملحي كلوريد عند 120 درجة اعتمادًا على تركيز الأكسجين المذاب المحدد في تيار المحلول الملحي المعاد تدويره.

الأكسجين المذاب في محلول ملحي سائب (جزء في المليون عند 120 درجة) اقتراحات سمك جدار التيتانيوم (الدرجة 2) الاستقرار المتوقع وعمر الأساس المنطقي للهندسة السلبية FilmCore 2.0 جزء في المليون (مبخر مهوّى تمامًا ومفتوح مع رش الهواء) 1.0 مم - 1.2 مم ممتاز؛ > 5 سنوات يكون تركيز الأكسجين أعلى من الحد الحرج. فيلم سلبي مستقر. يعزز الجدار الرقيق نقل الحرارة ويقلل من درجة حرارة السطح. يسمح التآكل المسموح به بمقدار 0.05 مم/السنة بوجود حاجز أمان.
1.0 - 2.0 جزء في المليون (تهوية معتدلة، نظام شبه محكم الغلق) 1.4 مم - 1.6 مم جيد؛ 3 – 5 سنوات يقترب الأكسجين من العتبة الحرجة. يوفر الجدار السميك بدلًا للتآكل عند الغمس الغريب في الأكسجين. يوفر سمك الجدار المعتدل حلاً وسطًا بين الأداء الحراري وهامش التخميل.
انخفاض الأكسجين،{0}}تغذية منزوعة الهواء، دخول هواء منخفض 0.5 – 1.0 جزء في المليون 1.8 مم – 2.0 مم هامشي؛ 2 - 3 سنوات الأكسجين أعلى بقليل من المستوى الحرج. خطر الحفر مرتفع. الجدار السميك اللازم لبدل التآكل. يوصى به لرصد تقصف الهيدروجين. الجري عند مستوى الأكسجين هذا ليس جيدًا.
< 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.
إدارة الأكسجين وهندسة اختيار الدرجة خارج الجدار
يؤدي تصميم مبخر ZLD إلى العمل تحت الأكسجين المذاب المنخفض < 1 جزء في المليون. تم عرض ثلاثة حلول تكميلية لاستعادة سلبية التيتانيوم دون الحاجة إلى جدران سميكة بشكل غير عملي. أولاً، سيؤدي ضخ الهواء أو الأكسجين في حلقة إعادة تدوير المحلول الملحي إلى رفع تركيز الأكسجين إلى 2-3 جزء في المليون، وهو ما يكفي عادةً حتى بالنسبة لسخانات التيتانيوم ذات الجدران الرقيقة-. يكلف رش الهواء طاقة أقل مقارنة باستبدال السخانات بشكل متكرر. ثانيًا، يؤدي التغيير من التيتانيوم من الدرجة 2 إلى الدرجة 7 (Ti-0.15% Pd) إلى تقليل مستوى الأكسجين الحرج للسلبية من 0.5 جزء في المليون إلى أقل من 0.1 جزء في المليون. يعمل وجود البلاديوم كمحفز كاثودي، مما يسمح بتخفيض الهيدروجين عند انخفاض الجهد الزائد ويؤدي إلى تغيير احتمال التآكل إلى النطاق السلبي حتى في المحاليل الملحية المنزوعة الهواء. توضح البيانات الميدانية من مبخرات ZLD أن التيتانيوم من الدرجة 7 بسمك جدار يبلغ 1.2 مم يمكنه البقاء في المحاليل الملحية التي تحتوي على أكسجين منخفض يصل إلى 0.2 جزء في المليون لمدة 6-8 سنوات، بينما يفشل التيتانيوم من الدرجة 2 في أقل من عامين. ثالثًا، يساعد استخدام هيدروكسيد الصوديوم في الحفاظ على درجة حموضة قلوية قليلاً (8.5-9.5) مما يعمل على استقرار الفيلم السلبي ويقلل من الحاجة إلى الأكسجين. بالنسبة للصف 2 عند درجة حموضة 9، ينخفض ​​تركيز الأكسجين اللازم إلى 0.2 جزء في المليون، مما يسمح بجدران أرق حتى في الأنظمة التي يتم نزع الهواء منها جزئيًا.

الخلاصة:-سخانات رقيقة من التيتانيوم في محلول ملحي عالي الكلوريد تم تحقيقها من خلال التحكم في الأكسجين
في مبخر ZLD الذي يعالج 100.000 جزء في المليون من محلول كلوريد عند 120 درجة، يكون الأكسجين هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على استقرار التخميل لغمد التيتانيوم وسمك الجدار المطلوب. يوفر سخان التيتانيوم التقليدي بقطر 1.0-1.2 مم من الدرجة الثانية عمر خدمة قويًا لعدة سنوات عند مستويات الأكسجين المذاب التي تزيد عن 2 جزء في المليون. مع الأكسجين الذي يتراوح من 0.5 إلى 2 جزء في المليون، يجب زيادة سمك الجدار إلى 1.5 إلى 2.0 ملم لمراعاة التآكل بسبب زيادة خطر الحفر. لا يوجد سمك جدار واقعي من الدرجة الثانية يمنح حياة كافية أقل من 0.5 جزء في المليون من الأكسجين. الجواب هو إما إعادة إدخال الأكسجين (توفير الهواء) أو الترقية إلى التيتانيوم من الدرجة السابعة مع البلاديوم الذي سيظل سلبيًا حتى في الظروف الخالية من الهواء. تتمثل النصيحة الفنية لتركيبات مبخر ZLD الجديد في التصميم لتركيز الأكسجين المذاب بكميات كبيرة لا يقل عن 2 جزء في المليون عن طريق رش الهواء المتحكم فيه ثم تحديد التيتانيوم من الدرجة الثانية بسمك جدار يبلغ 1.2 مم. يوفر هذا المزيج الحد الأقصى لانتقال الحرارة، والحد الأدنى من تكلفة المواد وعمر السخان 5+ سنة. عند البحث عن عرض أسعار، قم بتوفير المستوى المقدر للأكسجين المذاب (جزء في المليون) ودرجة الحموضة للمحلول الملحي عند درجة حرارة العمل، نظرًا لأن هذه المعلمات أكثر أهمية لحياة التسخين من سمك الجدار وحده.