Care este duritatea totală maximă (ca CaCO₃) pe care o poate tolera un încălzitor cu înveliș de titan de gradul 2 în saramură geotermală la 120 de grade fără a forma o scară de silicat aderent?

Saramurile geotermale sunt bogate in calciu, magneziu si alte minerale, precum si silice dizolvata (SiO2). Siliciul polimerizează la 120 de grade și co-precipită cu carbonați și silicați de calciu și magneziu pentru a forma depuneri tenace pe suprafețele încălzitoarelor de titan. Spre deosebire de calcarul de carbonat de calciu, care poate fi dizolvat prin curățarea acidă, solzii pe bază de silicat-cum ar fi silicatul de calciu și silicatul de magneziu sunt rezistente la majoritatea acizilor și necesită îndepărtarea mecanică forțată. Cea mai mare duritate totală (exprimată ca CaCO3) care poate fi tolerată de titanul de gradul 2 fără formarea de solzi de silicat aderente este o funcție de nivelul de silice și raportul calciu-la-magneziu. Pentru saramura geotermală medie cu 200–400 ppm SiO₂ duritatea totală maximă este de 500 ppm CaCO₃. Peste această temperatură, scara de silicat devine aderentă în 500 de ore și degradează rapid transferul de căldură.

Mecanismul depunerii scarilor de silicat pe titan

La 120 de grade silice lichidă (ca H4SiO4) polimerizează la silice coloidală și eventual la silice amorfă. În prezența ionilor de calciu și magneziu, solzii de silicat sunt precipitați direct pe suprafața fierbinte a titanului. Rata precipitațiilor crește exponențial cu temperatura și duritatea generală. Scara este amorfă, dură și puternic aderă prin legarea chimică la stratul de oxid de titan. Spre deosebire de solzii de carbonat, solzii de silicați nu sunt solubili în acizii minerali obișnuiți (HCl, H2SO4, HNO3) în cantități sigure. Numai acidul fluorhidric (HF) poate îndepărta solzii de silicat, dar HF distruge puternic titanul și, prin urmare, curățarea chimică nu este viabilă. După formarea sa, calcarul de silicat trebuie îndepărtat mecanic prin răzuire sau printr-un jet de apă la presiune ridicată, ceea ce poate deteriora suprafața de titan.

Formarea și aderarea unei scări cantitative în funcție de duritatea totală

Proprietățile lor de scară s-au dovedit a fi diferite prin testarea controlată în saramură geotermală simulată (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) cu duritate totală variabilă cuantificată ca ppm CaCO3 pe o perioadă de 500 de ore. Duritate totală mai mică de 200 ppm. Grosimea scalei este de 20-50 µm Scala este pulverulentă și nu-aderă. Poate fi îndepărtat prin spălare cu apă. La o duritate de 200–400 ppm, grosimea calcarului este de 50–100 µm, scara este foarte tenace și îndepărtarea necesită periere, cu o anumită gravare a suprafeței detectată sub scară. La o duritate de 400-600 ppm, cântarul are o grosime de 100-200 μm, dur, foarte adeziv, necesită răzuire mecanică pentru îndepărtare și există o coroziune sub scară de 10-30 μm după 500 de ore. Grosimea calamului este de 200-400 µm, scara de silicat care aderă se formează în 100 de ore, stropirea sub scara este de 50-100 µm, iar pierderea prin transfer de căldură este substanțială. La o duritate de 600-800 ppm, formarea depunerilor este rapidă și tenace la o duritate de 800 ppm. Perf risc în 1.000-2.000 de ore.

Toleranță la duritate Efectul concentrației de silice și raportului Ca:Mg

Mai multă silice înseamnă că este permisă o duritate totală mai mică. Dacă silicea este mai mică de 100 ppm. Duritatea maximă pentru scara ne-aderentă este de 800 ppm. Tipul de calcar este în principal carbonat de calciu, care poate fi îndepărtat prin curățare acidă. Duritatea maximă este de numai 600 ppm. Silica este de 100 până la 200 ppm. Calcarul este amestecat de carbonat-silicat, iar îndepărtarea se face prin acid + periere. Silice 200–300 ppm Duritate maximă 500 ppm Scara este bogată în silicați și moderat aderență. Îndepărtarea necesită doar periere mecanică. Pentru titan duritatea maximă este de 400 ppm, cu silice 300-400 ppm. Se formează calcar de silicat dur și nu se recomandă îndepărtarea cu HF. Siliciul peste 400 ppm dă o duritate maximă de 300 ppm și forme severe de calcar de silicat care nu este îndepărtat fără deteriorarea tubului. Raportul dintre calciu și magneziu influențează, de asemenea, aderența la calcar, cu un conținut mai mare de magneziu producând solzi mai tenace de silicat de magneziu și limitând duritatea admisibilă cu 20-30%.

Ghid privind duritatea și managementul silicei pentru încălzitoarele geotermale de saramură

Următorul tabel oferă recomandări pentru controlul formării calcarului pe încălzitoarele cu manta de titan de gradul 2 în saramură geotermală la 120 de grade, în funcție de duritatea totală și concentrația de silice.

Duritate totală (ppm CaCO3) Concentrație de siliciu (ppm) Tipul de scară Metodă de îndepărtare Grosimea așteptată a scării după 1.000 de ore (µm)<200 <200 Calcium carbonate Acid cleaning (5% HCl) <50
200–400 <200 Mixed carbonate-silicate Acid + brushing 50–100 200–400 200–300 Silicate-rich Mechanical brushing only 100–150 400–500 200–300 Hard silicate Mechanical (high-pressure water) 150–200 400–500 >300 Severe silicateNot detachable >200 >500 Orice inacceptabil pentru gradul 2 N/AN/A
Inginerie dincolo de duritatea și controlul silicei

The grade of titanium does not effect the creation of the scale but influences the corrosion under the scale. Grade 7 (palladium-stabilized) is 2–3 times more resistant to under-scale pitting than Grade 2, meaning cleaning is not critical until a bit later in its service life. Wall thickness gives a corrosion allowance, 2.0 mm wall with mild under-scale pitting at 0.05 mm/year lasts 40 years. The tube surface finish affects scale adhesion, with electropolished surfaces (Ra < 0.3 µm) being easier to clean than as drawn surfaces. Mechanical scouring at flow velocities >1 m/s scade acumularea de calcar. Fosfonații sau poliacrilații sunt inhibitori eficienți ai solzii de carbonat, dar au un efect redus asupra solzii de silicați. Înmuierea în amonte (schimb de ioni sau înmuiere cu var) pentru a reduce duritatea totală la mai puțin de 200 ppm este cea mai sigură opțiune.

Formulare informată a specificațiilor

De exemplu, un încălzitor de înveliș de titan de gradul 2 în saramură geotermală la 120 de grade necesită o analiză completă a saramurii, inclusiv duritatea totală ca CaCO₃ și concentrația de silice. Dacă duritatea totală este > 400 ppm sau silicea este > 250 ppm, specificați înmuierea în amonte pentru a reduce duritatea la < 200 ppm. Pentru duritate 200-400 ppm și silice<200 ppm, indicate annual mechanical cleaning with nylon brush, never steel. Do not use HF or HCl to clean existing heaters with silicate scale, use a high pressure water jet at 5,000-10,000 psi to manually remove scale. Monitor heater power usage during operation; a 15% rise at constant flow shows scale accumulation and the need for cleaning. The engineer respects the limit of 500 ppm maximum total hardness for 250 ppm SiO₂ in order to avoid the formation of adherent silicate scale on Grade 2 titanium heaters in geothermal brine service.