Мистерията на белите люспи
Вана за никелиране на Watts, работеща при pH 4,0-4,5 и 55 градуса, образува твърда бяла-сива скала върху тръбите на потапящия нагревател. Скалата е никелов карбонат-NiCO₃ – съединение, което не трябва да се образува при общото рН на ваната. Никеловият карбонат се утаява само над pH 6 в насипен разтвор. Въпреки това се образува упорито върху повърхността на нагревателя, което изисква механично отстраняване на котления камък на всеки 4-6 седмици.
Парадоксът се обяснява с химията на повърхността на нагревателя. Стената на горещата тръба-при 80-95 градуса за метален нагревател създава локализирана среда, коренно различна от тази в насипната баня. Повишената температура на стената прогонва разтворения въглероден диоксид, като локално повишава рН. Едновременно с това горещата повърхност ускорява окисляването на органичните добавки, произвеждайки карбонатни йони. Комбинацията от локално повишено pH и локално повишена концентрация на карбонат създава условия, при които никеловият карбонат се утаява директно върху повърхността на тръбата, въпреки че обемната баня е далеч от насищане.
PTFE топлообменник с по-ниска температура на стената намалява както отделянето на CO₂, така и допълнителното окисление, което предизвиква утаяването. Степента на образуване на котлен камък от никелов карбонат е намалена със 70-90%.
Механизмът на локализираните валежи
Ваната с никел Watts съдържа никелов сулфат, никелов хлорид, борна киселина и органични добавки. Ваната е наситена с разтворен въглероден диоксид от атмосферата и от разлагането на органични добавки. Разтворимостта на CO₂ намалява с повишаване на температурата. При температура на стената от 80-95 градуса на метален нагревател CO₂ се отделя от разтвора, образувайки газови мехурчета, които се отделят от повърхността.
Загубата на CO₂ измества карбонат-бикарбонатното равновесие, изразходвайки водородни йони и локално повишавайки pH на повърхността на тръбата. pH в граничния слой може да достигне 6-7, въпреки че общото pH е 4,0-4,5.
Едновременно с това горещата повърхност ускорява окислителното разлагане на органичните добавки. Разлагането произвежда карбонатни йони като страничен продукт. Локално повишената концентрация на карбонат се комбинира с локално повишеното pH, за да надвиши продукта на разтворимост на никелов карбонат. NiCO₃ се утаява върху повърхността на тръбата, където образува твърда, прилепнала скала.
Слоят от котлен камък изолира тръбата, което води до по-нататъшно повишаване на температурата на стената, тъй като системата за управление увеличава потока на пара, за да компенсира намаления пренос на топлина. По-високата температура на стената ускорява отделянето на CO₂ и разлагането на добавките, ускорявайки скоростта на мащабиране в само-засилваща се обратна връзка.
| Параметър за мащабиране | Нагревател от неръждаема стомана (температура на стената 85 градуса) | PTFE топлообменник (температура на стената 60 градуса) |
|---|---|---|
| Разтворимост на CO₂ при температура на стената | Ниска (CO₂ отстранен от разтвора) | Умерено (CO₂ се задържа до голяма степен) |
| Локално pH на повърхността на тръбата | 6-7 | 4.5-5.0 |
| Скорост на разграждане на добавката | високо | ниско |
| Локална карбонатна концентрация | Повишени | Почти насипно състояние |
| Скорост на утаяване на NiCO₃ (относителна) | 1.0 (базова линия) | 0.1-0.3 |
| Честота на отстраняване на накип | 4-6 седмици | 6-12 месеца |
| Цикъл за обратна връзка | Ускоряване (накип изолира, повишава температурата на стените) | Минимална (малко котлен камък, стабилна температура на стената) |
PTFE температурен ефект на стената
Стената на PTFE тръбата работи при приблизително 60 градуса -25 градуса по-хладна от металния еквивалент. Тази по-ниска температура е ключът към предотвратяването на котлен камък. При 60 градуса разтворимостта на CO₂ е значително по-висока отколкото при 85 градуса. По-малко CO₂ се отделя от разтвора. Локалното повишаване на pH в граничния слой е минимално - може би 0,5 pH единици, а не 2-3 единици.
По-ниската температура също намалява скоростта на разлагане на добавките. На повърхността на тръбата се произвеждат по-малко карбонатни йони. Комбинацията от почти -обемно pH и почти-обемна концентрация на карбонат поддържа разтвора на повърхността на тръбата под границата на разтворимост на никелов карбонат. Валежи не се появяват.
Повърхностната енергия на PTFE също допринася. Кристалите от никелов карбонат, които се зараждат-може би поради временно нарушение на процеса-прилепват слабо към повърхността на нискоенергийния-PTFE и лесно се отделят от нормалната циркулация на ваната. Те не образуват твърдата, механично залепнала нагар, която характеризира замърсяването на металния нагревател.
Оперативна и икономическа изгода
Намаляването на образуването на котлен камък от никелов карбонат удължава интервала между почистванията на нагревателя от месечно на годишно или по-дълго. Годишните часове за поддръжка за отстраняване на накип са намалени с 80-90%. Премахването на изолационната верига-за обратна връзка поддържа стабилен пренос на топлина и стабилно потребление на енергия. Химическият състав на ваната остава по-последователен без локализираното разрушаване на добавките и промените на рН на повърхността на нагревателя.
Резюме
Утаяването на никелов карбонат върху повърхностите на нагревателя в никелови бани на Watts се причинява от локализирано отделяне на CO₂ и разлагане на добавка в горещата метална стена на тръбата, създавайки условия на повишено pH и концентрация на карбонат, които не съществуват в насипната вана. PTFE топлообменник, с 25 градуса по-ниска температура на стената, намалява отделянето на CO₂ и разлагането на добавките, поддържайки химията на граничния слой под границата на разтворимост на никелов карбонат. Степента на образуване на котлен камък е намалена със 70-90%, удължавайки интервалите на почистване от седмици до месеци.
Инженерна поддръжка за спецификация на PTFE топлообменник във вани с никелово покритие с проблеми с котлен камък е достъпна при подаване на химия на ваната, работна температура, текуща честота на отстраняване на котления камък и налягане на парата.
