120 度の高塩化物 (100,000 ppm) 塩水を処理するゼロ-液体-放電蒸発器内で、酸素の存在はチタン シースの不動態化の安定性をどのように制御しますか?

高温ブライン蒸発器のチタン ヒーター設計における基本的なトレードオフ-
ゼロ-液体放電-（ZLD）蒸発器では、産業排水が飽和近くまで濃縮され、100-120 度の動作温度で最大 100,000-150,000 ppm の塩化物濃度のブラインが生成されます。このサービスで使用される浸漬ヒーターは、塩化物溶液中での一般的な耐食性に優れているため、チタンが望ましいです。しかし、こうした厳しい状況はチタンの不動態の限界を試すことになります。塩水 (30 度で 19,000 ppm Cl⁻) では、チタンは無期限に不動態ですが、120 度で 100,000+ ppm の塩化物が存在すると、不動態二酸化チタン層は、その安定性が塩水中の溶存酸素濃度に大きく依存する状態になります。酸素が存在する状態では、不動態皮膜は迅速に自己修復します。-肉厚の薄いチタン シース（1.0 mm）により、数年間の使用が可能です。-。酸素欠乏または脱気環境では不動態皮膜が機能しなくなり、急速に局所的な孔食や水素吸収が発生し、数か月で 2.5 mm の壁を突破する可能性があります。酸素は陰極減極剤として機能し、腐食電位を不動態領域に移します。この分析は、酸素と不動態性の関係に対処し、ZLD 蒸発器の使用における予測される溶存酸素濃度の関数として壁の厚さに関する提案を提供します。

機械的完全性への影響: 不動態化のための脱気および通気条件
チタンは安定した TiO2 膜によって不動態化され、高温で通気された塩化物溶液中で継続的に再不動態化されます。不動態皮膜表面の陰極反応は溶存酸素の還元反応（O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻）です。 120 度、100,000 ppm の塩化物塩水中でグレード 2 チタンの不動態を維持するために必要な溶存酸素レベルは、0.5 ppm 程度です。このしきい値では、腐食電位は依然として孔食電位 (~+300 mV 対 Ag/AgCl) を超えていますが、均一腐食速度は 0.01 mm/年未満です。酸素が 0.5 ppm 未満では、陰極反応は水の還元に移行し (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-)、表面に水素が生成されます。腐食電位が活性領域に移行し、塩化物イオンが損傷した不動態皮膜に浸透する可能性があります。 120 度の脱気環境 (酸素 < 0.1 ppm) では、高-塩化物塩水中で測定された孔食率は年間 0.5 ～ 1.0 mm であり、1.5 mm の壁に 18 ～ 36 か月で穴が開く可能性があることを示しています。さらに重要なことは、陰極位置で生成された水素がチタン格子に移動して脆化を引き起こし、孔食が起こる前に亀裂を誘発することです。したがって、シースの機械的完全性は、壁の厚さだけでなく、チタンを不動態に保つ陰極反応をサポートするのに十分な溶存酸素の存在にも依存します。

熱性能への影響: 高温表面での酸素欠乏
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 は通常、脱気 ZLD エバポレーターでは実現不可能です。したがって、壁が薄くなることで熱伝達が増加するだけでなく、表面温度も低下し、シースをより低く、より酸素と適合性の高い温度領域に保つことができます。

トレードオフの総合: -肉厚の乗数としての酸素濃度
以下のマトリックスは、再循環ブライン流中の決定された溶存酸素濃度に応じて、120 度で 100,000 ppm の塩化物ブライン用の ZLD 蒸発器ヒーターの推奨チタン壁厚を示しています。

バルクブライン中の溶存酸素 (120 度での ppm) チタン肉厚の提案 (グレード 2) 不動態フィルムの予測安定性と寿命 コアエンジニアリングの理論的根拠 2.0 ppm (完全に通気された、エアスパージ付きオープンエバポレーター) 1.0 mm – 1.2 mm 優れています。 > 5 年 酸素濃度が臨界閾値を超えています。安定した不動態皮膜。薄い壁により熱伝達が向上し、表面温度が最小限に抑えられます。 0.05 mm/年の腐食許容量により、安全性が確保されます。
1.0 – 2.0 ppm (適度な通気、半密閉システム) 1.4 mm – 1.6 mm 良好。 3 ～ 5 年 酸素が臨界値に達します。壁を厚くすることで、酸素への異常な浸漬に対する腐食許容量が得られます。適度な壁厚により、熱性能と不動態化マージンとの間で妥協が得られます。
低酸素、脱気飼料、空気侵入が少ない 0.5 ～ 1.0 ppm 1.8 mm ～ 2.0 mm 限界。- 2 ～ 3 年酸素が臨界レベルをわずかに上回る。穴あきの危険性が高いです。腐食代を確保するには厚肉が必要です。水素脆化モニタリングに推奨。この酸素レベルで走るのは良くありません。
< 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.
壁を超えた酸素管理とグレード選択エンジニアリング
ZLD エバポレーターの設計により、1 ppm 未満の低溶存酸素下でも機能します。非実用的な厚い壁を必要とせずに、3 つの相補的なソリューションがチタンの不動態を回復することが示されています。まず、空気または酸素をブライン再循環ループに吹き込むと、酸素濃度が 2 ～ 3 ppm になります。これは通常、薄壁のチタン ヒーターでも十分です。-エアスパージングは​​、ヒーターを頻繁に交換する場合と比較して、エネルギーコストが低くなります。第二に、グレード 2 からグレード 7 チタン (Ti-0.15% Pd) への変更により、不動態化の臨界酸素レベルが 0.5 ppm から 0.1 ppm 未満に減少します。パラジウムの存在は陰極触媒として機能し、より低い過電圧で水素の還元が進行することを可能にし、その結果、脱気された塩水中でも腐食電位が不動態範囲に変化します。 ZLD蒸発器からのフィールドデータは、壁厚1.2mmのグレード7チタンは0.2ppmの低酸素濃度の塩水中で6～8年間生存できる一方、グレード2チタンは2年未満で故障することを実証しています。第三に、水酸化ナトリウムの使用により、弱アルカリ性の pH (8.5 ～ 9.5) が維持され、不動態皮膜が安定化し、酸素の必要性が最小限に抑えられます。 pH 9 のグレード 2 では、必要な酸素濃度が 0.2 ppm に減少するため、部分的に脱気されたシステムでも壁を薄くすることができます。

結論: 酸素制御により高塩化物塩水中で薄肉チタンヒーターを実現-
100,000 ppm の塩化物ブラインを 120 度で処理する ZLD 蒸発器では、酸素がチタン シースの不動態化の安定性と必要な壁の厚さに影響を与える主な要因です。従来の 1.0- 壁厚 1.2 mm のグレード 2 チタン ヒーターは、2 ppm を超える溶存酸素レベルでも数年間の確実な耐用年数を実現します。酸素が 0.5 ～ 2 ppm の場合、孔食の危険性が高まるため、腐食代を考慮して壁の厚さを 1.5 ～ 2.0 mm に増やす必要があります。酸素 0.5 ppm 以下で適切な寿命を与える現実的なグレード 2 の壁厚はありません。答えは、酸素を再導入する (エア スパージング) か、脱気状態でも不動態を維持するパラジウムを含むグレード 7 チタンにアップグレードするかのいずれかです。新しい ZLD エバポレーター設置の技術的アドバイスは、制御されたエア スパージングによってバルク溶存酸素濃度が少なくとも 2 ppm になるように設計し、壁厚 1.2 mm のグレード 2 チタンを指定することです。この組み合わせにより、最大の熱伝達、最小の材料コスト、そして 5+ 年のヒーター寿命が実現します。見積もりを求める場合は、使用温度でのブラインの推定溶存酸素レベル (ppm) と pH を提供してください。これらのパラメータは壁の厚さだけよりもヒーターの寿命にとって重要であるためです。