Ανοξείδωτος χάλυβας σε εγκαταστάσεις αφαλάτωσης: Επιλογή βαθμού από το νερό πρόσληψης στο προϊόν

Πώς λειτουργούν οι μονάδες αφαλάτωσης

Μια μονάδα αφαλάτωσης αφαιρεί τα διαλυμένα άλατα από το θαλασσινό νερό για την παραγωγή φρέσκου νερού. Δύο τεχνολογίες κυριαρχούν: οι θερμικές διεργασίες (MSF και MED) και οι διεργασίες μεμβράνης (SWRO). Κάθε διαδικασία έχει διαφορετικά περιβάλλοντα διάβρωσης που απαιτούν διαφορετικές ποιότητες ανοξείδωτου χάλυβα.

Θερμική αφαλάτωση: MSF και MED

Τα εργοστάσια Multi{0}}Stage Flash (MSF) και Multi-Effect Distillation (MED) λειτουργούν με την ίδια αρχή: το θαλασσινό νερό θερμαίνεται, εξατμίζεται μερικώς και ο ατμός συμπυκνώνεται ως γλυκό νερό. Η διαφορά είναι ότι οι ΓΧΣ χρησιμοποιούν μια σειρά από θαλάμους πίεσης (στάδια) σε φθίνουσα πίεση, ενώ το MED χρησιμοποιεί πολλαπλά εφέ (ο ατμός από το ένα αποτέλεσμα χρησιμοποιείται ως θερμαντικό μέσο για το επόμενο).

Τα εργοστάσια των ΓΧΣ λειτουργούν συνήθως με μέγιστη θερμοκρασία άλμης (TBT) 90C-120C. Οι μονάδες MED λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (60C-90C ανά αποτέλεσμα), γι' αυτό και το MED είναι γενικά λιγότερο διαβρωτικό από τους MSF.

Αφαλάτωση μεμβράνης: SWRO

Η αντίστροφη όσμωση θαλασσινού νερού (SWRO) λειτουργεί εφαρμόζοντας υψηλή πίεση (55-80 bar) στο θαλασσινό νερό σε μια ημι-διαπερατή μεμβράνη. Η μεμβράνη απορρίπτει τα άλατα. το συμπύκνωμα (άλμη, ~70-80 g/L TDS) εκκενώνεται σε υψηλή πίεση. Το SWRO είναι πιο ενεργειακά αποδοτικό από τις θερμικές διεργασίες και τώρα αντιπροσωπεύει την πλειοψηφία της νέας ικανότητας αφαλάτωσης παγκοσμίως.

Πίνακας 1: Τεχνολογίες αφαλάτωσης - Σύγκριση διεργασιών και συνάφεια διάβρωσης

Οι πέντε ζώνες διάβρωσης σε μια μονάδα αφαλάτωσης

Κάθε μονάδα αφαλάτωσης μπορεί να χωριστεί σε πέντε διακριτές ζώνες, η καθεμία με διαφορετικούς μηχανισμούς διάβρωσης και διαφορετικές απαιτήσεις από ανοξείδωτο χάλυβα.

Πίνακας 2: Οι έξι ζώνες διάβρωσης σε μονάδες αφαλάτωσης - Βασικές παράμετροι

Ποιότητες ανοξείδωτου χάλυβα για εφαρμογές αφαλάτωσης

Έξι ποιότητες ανοξείδωτου χάλυβα χρησιμοποιούνται συνήθως σε μονάδες αφαλάτωσης, από 304L (χαμηλότερο κόστος, χαμηλότερη απόδοση) έως2507 super duplex(μεγαλύτερο κόστος, υψηλότερη απόδοση). Η επιλογή του λάθος βαθμού σπαταλά χρήματα ή προκαλεί πρόωρη αποτυχία.

Πίνακας 3: Βαθμοί ανοξείδωτου χάλυβα και τιτανίου για αφαλάτωση - Χημεία, PREN και ζώνη εφαρμογής

PREN - Ο βασικός αριθμός για την επιλογή βαθμού αφαλάτωσης

Ο ισοδύναμος αριθμός αντίστασης διάτρησης (PREN) είναι ο πιο σημαντικός μεμονωμένος αριθμός για την επιλογή ανοξείδωτου χάλυβα σε χλωριούχα περιβάλλοντα. Υπολογίζεται από τη χημεία του κράματος και προβλέπει τη θερμοκρασία στην οποία θα συμβεί το άνοιγμα σε μια δεδομένη συγκέντρωση χλωρίου.

PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N

Το PREN μετρά την αντίσταση στην εκκίνηση λακκών. Ένα υψηλότερο PREN σημαίνει ότι το κράμα μπορεί να αντέξει υψηλότερη συγκέντρωση χλωρίου ή θερμοκρασία πριν από την έναρξη της διάτρησης. Στο θαλασσινό νερό (~20.000 ppm Cl-), συνιστάται γενικά ένα PREN τουλάχιστον 30 για συνεχή λειτουργία σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Πίνακας 4: Εύρος PREN και όρια εφαρμογής θαλασσινού νερού για ποιότητες ανοξείδωτου χάλυβα

Επιλογή ποιότητας από ανοξείδωτο χάλυβα ανά τμήμα εγκατάστασης

Πρόσληψη ακατέργαστου θαλασσινού νερού (Ζώνη 1)

Η πρόσληψη ακατέργαστου θαλασσινού νερού είναι το σημείο εισόδου για το θαλασσινό νερό. Θερμοκρασία: 20-32C (διαφέρει ανάλογα με την τοποθεσία και την εποχή). Χλώριο: 18.000-22.000 ppm. Διαλυμένο οξυγόνο: 4-8 ppm. Ταχύτητα ροής: 1-3 m/s. Ο κύριος κίνδυνος διάβρωσης είναι η μικροβιολογικά επηρεασμένη διάβρωση (MIC) από βιοφίλμ και συσσώρευση ιζημάτων χαμηλής ταχύτητας.

Πίνακας 5: Επιλογή ποιότητας από ανοξείδωτο χάλυβα - Πρόσληψη ακατέργαστου θαλασσινού νερού (Ζώνη 1)

Προ{0}}Ενότητα θεραπείας (Ζώνη 2)

Η προ{0}}επεξεργασία προσθέτει πηκτικά (FeCl3, πολυηλεκτρολύτης), οξύ (H2SO4 ή HCl για ρύθμιση του pH) και βιοκτόνα (NaOCl για χλωρίωση ή χλωραμίνες). Αυτό το τμήμα έχει την πιο περίπλοκη χημεία στο φυτό. Το χλώριο είναι η βασική μεταβλητή: 1-3 ppm συνεχής χλωρίωση αυξάνει σημαντικά τον κίνδυνο δημιουργίας κοιλοτήτων για 316L.

Πίνακας 6: Επιλογή ποιότητας ανοξείδωτου χάλυβα - Προ-Ενότητα επεξεργασίας (Ζώνη 2)

SWRO Υψηλή-Τμήμα πίεσης (Ζώνη 3) - Η κρίσιμη ζώνη

Το τμήμα SWRO υψηλής-πίεσης (HP) είναι η καρδιά οποιασδήποτε μονάδας SWRO και η ζώνη υψηλότερου-κίνδυνου για διάβρωση από ανοξείδωτο χάλυβα. Το θαλασσινό νερό εισέρχεται στους ~25C και εξέρχεται από το ρεύμα του συμπυκνώματος στους 40-50C και πίεση 55-80 bar. Η συγκέντρωση χλωρίου στο συμπύκνωμα (ροή απόρριψης) φτάνει τα 25.000-35.000 ppm Cl-. Ο συνδυασμός υψηλής πίεσης, αυξημένης θερμοκρασίας και υψηλής συγκέντρωσης χλωρίου είναι εξαιρετικά επιθετικός.

Πίνακας 7: Επιλογή ποιότητας από ανοξείδωτο χάλυβα - SWRO Υψηλή-Τμήμα πίεσης (Ζώνη 3)

Τμήμα Θερμικής Αφαλάτωσης (Ζώνη 5) - MSF και MED

Το θερμικό τμήμα των μονάδων MSF και MED είναι το πιο απαιτητικό περιβάλλον διάβρωσης σε οποιαδήποτε μονάδα αφαλάτωσης. Οι θερμοκρασίες της άλμης φτάνουν τους 90-120 C (ανώτερη άλμη των ΓΧΣ) και τους 70-90 C (MED). Οι συγκεντρώσεις χλωρίου φτάνουν τα 50.000-70.000 ppm στο συμπύκνωμα. Σε αυτές τις θερμοκρασίες και τις συγκεντρώσεις χλωρίου, κανένας ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας (304L, 316L, 904L) δεν είναι αξιόπιστος για μακροχρόνια εξυπηρέτηση. Το Titanium Grade 2 είναι το πρότυπο για σωλήνες ανταλλαγής θερμότητας σε εγκαταστάσεις MSF/MED.

Πίνακας 8: Επιλογή ποιότητας ανοξείδωτου χάλυβα / τιτανίου - Τμήμα θερμικής αφαλάτωσης (Ζώνη 5)

Σύγκριση κόστους και κύκλου ζωής

Ο ανοξείδωτος χάλυβας κοστίζει πιο εκ των προτέρων από τον ανθρακούχο χάλυβα ή τον ανθρακούχο χάλυβα με επένδυση, αλλά το συνολικό κόστος κύκλου ζωής (LCC) ευνοεί έντονα τον ανοξείδωτο χάλυβα στις εφαρμογές αφαλάτωσης. Αυτή η ενότητα ποσοτικοποιεί τα οικονομικά.

Πίνακας 9: Σύγκριση κόστους κύκλου ζωής - Ανοξείδωτοι χάλυβες και εναλλακτικές λύσεις στην υπηρεσία θαλασσινού νερού

Πρότυπα παραγωγής και υλικών για αφαλάτωση από ανοξείδωτο χάλυβα

Πίνακας 11: Πρότυπα παραγωγής και υλικών για αφαλάτωση από ανοξείδωτο χάλυβα

Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Ποια είναι η πιο κοινή ποιότητα ανοξείδωτου χάλυβα που χρησιμοποιείται σε μονάδες αφαλάτωσης;

Α: Ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L (UNS S31603) είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος σε μονάδες αφαλάτωσης, καλύπτοντας περίπου το 60-70% της συνολικής χρήσης ανοξείδωτου χάλυβα (εισαγωγή, δεξαμενές προ{4}επεξεργασίας, σωληνώσεις νερού προϊόντος και τμήματα χαμηλής-πίεσης). Για τα τμήματα SWRO υψηλής πίεσης και τα θερμικά τμήματα, το 2205 duplex και το Titanium Grade 2 αντίστοιχα είναι τα πρότυπα.

Ε: Μπορεί ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L να χρησιμοποιηθεί στο θαλασσινό νερό;

Α: Ναι, αλλά μόνο σε συγκεκριμένες συνθήκες: θερμοκρασία περιβάλλοντος (κάτω από 30-40 C), χαμηλή ταχύτητα ροής (κάτω από 2 m/s), χωρίς χλωρίωση ή χαμηλή χλωρίωση (κάτω από 1 ppm) και όχι υπό-συνθήκες εναπόθεσης. Στην πράξη, το 316L είναι αρκετό για την πρόσληψη ακατέργαστου θαλασσινού νερού (Ζώνη 1) και τα τμήματα νερού προϊόντος (Ζώνη 4). ΔΕΝ είναι επαρκής για χλωριωμένη προεπεξεργασία (Ζώνη 2), τμήματα SWRO HP (Ζώνη 3) ή θερμικά τμήματα (Ζώνη 5).

Ε: Τι είναι το PREN και γιατί έχει σημασία για την αφαλάτωση;

A: PREN (ισοδύναμος αριθμός αντίστασης διάτρησης)=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N. Προβλέπει τη συγκέντρωση χλωρίου και τη θερμοκρασία στην οποία θα ξεκινήσει η εκτόξευση. Στο θαλασσινό νερό (~20.000 ppm Cl-), συνιστάται PREN τουλάχιστον 30 για συνεχή λειτουργία. 316L (PREN ~24-30) είναι οριακό. 2205 (PREN ~30-35) είναι επαρκής. Το 2507 (PREN ~40-43) προτιμάται για τις πιο επιθετικές ζώνες.

Ε: Γιατί χρησιμοποιείται το τιτάνιο σε μονάδες αφαλάτωσης των ΓΧΣ/ΜΕΔ;

Α: Το Titanium Grade 2 (UNS R50400) είναι άνοσο στη διάβρωση με αυλάκια και ρωγμές στο θαλασσινό νερό σε όλες τις θερμοκρασίες έως και 260C. Στην κορυφαία θερμοκρασία άλμης των φυτών των ΓΧΣ (90-120C) και των φυτών MED (70-90C), κανένας τύπος ανοξείδωτου χάλυβα δεν μπορεί να επιβιώσει μακροπρόθεσμα. Το τιτάνιο έχει μηδενική ενεργή διάβρωση στο θαλασσινό νερό: το φιλμ οξειδίου του τιτανίου (TiO2) είναι απολύτως σταθερό και αυτοθεραπεύεται εάν καταστραφεί. Ο μόνος περιορισμός του είναι το κόστος (8-15x πάνω από 316L) και η ευαισθησία στη διάβρωση των ρωγμών σε στάσιμες συνθήκες σε υψηλή θερμοκρασία.

Ε: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ του ανοξείδωτου χάλυβα 2205 duplex και 2507 super duplex;

Α: Οι βασικές διαφορές είναι: (1) Το 2507 έχει υψηλότερο χρώμιο (24-26% έναντι 22-23%), υψηλότερο μολυβδαίνιο (3-5% έναντι 3,0-3,5%), υψηλότερο άζωτο (0,20-0,30% έναντι 0,14-0,20%). (2) Το 2507 έχει υψηλότερο PREN (40-43 έναντι 30-35). (3) Το 2507 έχει μεγαλύτερη αντοχή εφελκυσμού (800 MPa έναντι 620 MPa για 2205). (4) Το 2507 χρησιμοποιείται για τις πιο απαιτητικές ζώνες (πολλές αντλίας SWRO HP, σωληνώσεις συμπυκνώματος στους 40C+). Το 2205 χρησιμοποιείται για γενικές σωληνώσεις SWRO HP.

Ε: Πώς η χλωρίωση επηρεάζει την επιλογή του ανοξείδωτου χάλυβα;

Α: Η χλωρίωση (δοσολογία NaOCl) είναι η πιο σημαντική λειτουργική μεταβλητή στην επιλογή ανοξείδωτου χάλυβα αφαλάτωσης. Το χλώριο αυξάνει το δυναμικό οξείδωσης του θαλασσινού νερού, το οποίο επιταχύνει το κοίλωμα. 316Το κοίλωμα L εμφανίζεται σε 1 ppm Cl2 στους 30 C και σε 0,3 ppm Cl2 στους 50 C. Για συνεχώς χλωριωμένο θαλασσινό νερό (2-3 ppm), χρησιμοποιήστε τουλάχιστον 904L (PREN 35-40). Για κρουστική χλωρίωση (5-10 ppm), χρησιμοποιήστε 2205 duplex ή υψηλότερη.

Ε: Τι προκαλεί τη διάβρωση κάτω από{0}}απόθεση σε μονάδες αφαλάτωσης και πώς προλαμβάνεται;

Α: Η διάβρωση υπό απόθεση (UDC) εμφανίζεται όταν συσσωρεύεται ίζημα, άλατα ή βιοφίλμ στο τοίχωμα του σωλήνα, δημιουργώντας μια κυψέλη διαφορικού αερισμού (η ζώνη που έχει εξαντληθεί το οξυγόνο- κάτω από το ίζημα διαβρώνεται ενώ η γύρω επιφάνεια είναι προστατευμένη). Στην αφαλάτωση, το UDC είναι ο κύριος τρόπος αστοχίας για 316L στα τμήματα πρόσληψης και προ{4}}επεξεργασίας. Πρόληψη: (1) διατήρηση της ταχύτητας ροής πάνω από 1,5 m/s για να αποφευχθεί η καθίζηση των ιζημάτων. (2) προσδιορίστε λείους-σωλήνες (σωλήνες υγιεινής και όχι συγκολλημένοι σωλήνας με εσωτερικό σφαιρίδιο). (3) χρησιμοποιήστε 904L ή 2205 σε περιοχές που είναι επιρρεπείς σε συσσώρευση εναποθέσεων (κάμψεις, νεκρά πόδια, τμήματα χαμηλής{13}}ταχύτητας).

Ε: Ποια είναι η διάρκεια ζωής του ανοξείδωτου χάλυβα σε εφαρμογές αφαλάτωσης;

A: 316L: 20-30 χρόνια στις Ζώνες 1-2. 2205 duplex: 25-35 ετών στη Ζώνη 3. 2507 super duplex: 30-40 χρόνια στη Ζώνη 3. Titanium Grade 2: 30-50+ έτη στη Ζώνη 5. Η πραγματική διάρκεια ζωής εξαρτάται από: τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση χλωρίου, την ταχύτητα ροής, το καθεστώς χλωρίωσης και την ποιότητα κατασκευής.