¿Cuál es la dureza total máxima (como CaCO₃) que un calentador de vaina de titanio de grado 2 puede tolerar en salmuera geotérmica a 120 grados sin formar incrustaciones de silicato adherentes?

Las salmueras geotérmicas son ricas en calcio, magnesio y otros minerales, así como en sílice disuelta (SiO2). La sílice se polimeriza a 120 grados y co-precipita con carbonatos y silicatos de calcio y magnesio para formar incrustaciones tenaces en las superficies del calentador de titanio. A diferencia de las incrustaciones de carbonato de calcio, que se pueden disolver con una limpieza con ácido, las incrustaciones a base de silicato-como el silicato de calcio y el silicato de magnesio son resistentes a la mayoría de los ácidos y requieren una eliminación mecánica contundente. La mayor dureza total (expresada como CaCO3) que puede tolerar el titanio de grado 2 sin la formación de incrustaciones de silicato adherentes es función del nivel de sílice y de la proporción de calcio-a-magnesio. Para una salmuera geotérmica promedio con 200–400 ppm de SiO₂, la dureza total máxima es 500 ppm de CaCO₃. Por encima de esta temperatura, las incrustaciones de silicato se vuelven adherentes en 500 horas y degradan rápidamente la transferencia de calor.

El mecanismo de deposición de incrustaciones de silicato en titanio

A 120 grados, la sílice líquida (como H4SiO4) se polimeriza formando sílice coloidal y, finalmente, formando sílice amorfa. En presencia de iones de calcio y magnesio, las incrustaciones de silicato precipitan directamente sobre la superficie caliente del titanio. La tasa de precipitación crece exponencialmente con la temperatura y la dureza general. La incrustación es amorfa, dura y fuertemente adherente mediante enlace químico a la capa de óxido de titanio. A diferencia de las incrustaciones de carbonato, las incrustaciones de silicato no son solubles en los ácidos minerales habituales (HCl, H2SO4, HNO3) en cantidades seguras. Sólo el ácido fluorhídrico (HF) puede eliminar las incrustaciones de silicato, pero el HF destruye fuertemente el titanio, por lo que la limpieza química no es viable. Después de su formación, las incrustaciones de silicato deben eliminarse mecánicamente mediante raspado o mediante un chorro de agua a alta presión, lo que puede dañar la superficie del titanio.

Formación y adherencia de una escala cuantitativa en función de la dureza total.

Se descubrió que sus propiedades de incrustación eran diferentes mediante pruebas controladas en salmuera geotérmica simulada (250 ppm de SiO2, pH 7,5, 120 C) con dureza total variable cuantificada como ppm de CaCO3 durante un período de 500 horas. Dureza total inferior a 200 ppm. El espesor de la cal es de 20-50 µm. La cal es polvorienta y no-adherente. Puede eliminarse mediante enjuague con agua. Con una dureza de 200 a 400 ppm, el espesor de las incrustaciones es de 50 a 100 µm, las incrustaciones son muy tenaces y su eliminación requiere cepillado; se detecta algo de grabado en la superficie debajo de las incrustaciones. Con una dureza de 400-600 ppm, la incrustación tiene un espesor de 100 a 200 μm, es dura y altamente adhesiva, por lo que requiere raspado mecánico para eliminarla y hay una corrosión por debajo de la incrustación de 10 a 30 μm después de 500 horas. El espesor de las incrustaciones es de 200 a 400 µm, las incrustaciones de silicato adheridas se forman en 100 horas, las picaduras por debajo de las incrustaciones son de 50 a 100 µm y la pérdida por transferencia de calor es sustancial. Con una dureza de 600-800 ppm, la formación de incrustaciones es rápida y tenaz con una dureza de 800 ppm. Riesgo de rendimiento en 1.000-2.000 horas.

Tolerancia a la dureza Efecto de la concentración de sílice y la relación Ca:Mg

Más sílice significa que se permite menos dureza total. Si la sílice es inferior a 100 ppm. La dureza máxima para incrustaciones no-adherentes es de 800 ppm. El tipo de incrustaciones es principalmente carbonato de calcio que se puede eliminar mediante limpieza con ácido. La dureza máxima es de sólo 600 ppm. La sílice es de 100 a 200 ppm. Las incrustaciones son carbonato-silicato mixto y la eliminación se realiza mediante ácido y cepillado. Sílice 200–300 ppm Dureza máxima 500 ppm Las incrustaciones son ricas en silicato y moderadamente adherentes. La eliminación requiere únicamente un cepillado mecánico. Para el titanio, la dureza máxima es de 400 ppm, con la sílice de 300 a 400 ppm. Se forman incrustaciones de silicato duro y no se recomienda eliminarlas con HF. La sílice por encima de 400 ppm proporciona una dureza máxima de 300 ppm y se forman incrustaciones severas de silicato que no se eliminan sin dañar el tubo. La proporción de calcio y magnesio también influye en la adherencia de las incrustaciones, ya que un mayor contenido de magnesio produce incrustaciones de silicato de magnesio más tenaces y limita la dureza permitida entre un 20% y un 30%.

Guía sobre gestión de dureza y sílice para calentadores de salmuera geotérmica

La siguiente tabla brinda recomendaciones para controlar la formación de incrustaciones en calentadores de vaina de titanio de grado 2 en salmuera geotérmica a 120 grados en función de la dureza total y la concentración de sílice.

Dureza total (ppm CaCO3) Concentración de silicio (ppm) Tipo de incrustación Método de eliminación Espesor esperado de la incrustación después de 1000 horas (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 Cualquiera Inaceptable para Grado 2 N/AN/A
Ingeniería más allá del control de la dureza y la sílice

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 disminuye la acumulación de incrustaciones. Los fosfonatos o poliacrilatos son inhibidores eficaces de las incrustaciones de carbonato, pero tienen poco efecto sobre las incrustaciones de silicato. La opción más confiable es el ablandamiento aguas arriba (intercambio iónico o ablandamiento con cal) para reducir la dureza general a menos de 200 ppm.

Formulación de especificaciones informadas

Por ejemplo, un calentador de funda de titanio de grado 2 en salmuera geotérmica a 120 grados requiere un análisis completo de la salmuera, incluida la dureza total como CaCO₃ y la concentración de sílice. Si la dureza general es > 400 ppm o la sílice es > 250 ppm, especifique un ablandamiento aguas arriba para reducir la dureza a < 200 ppm. Para dureza 200-400 ppm y sílice<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.