Beveik{0}}neutralus bromido sūrymas su maža kvarco korozija
Natrio bromidas (NaBr) yra didelio -tankio skaidrus sūrymo skystis, naudojamas naftos ir dujų gręžiniuose (užbaigimo ir darbo skysčiai), kaip bromido šaltinis farmaciniams tarpiniams produktams (raminamiesiems, antiseptikams), fotografuojant ir dezinfekuojant vandenį (bromo generavimui). Tipinės pramoninės koncentracijos vandeniniame tirpale svyruoja nuo 30–50 % masės, o darbinė temperatūra 70–100 laipsnių gręžimo skysčio maišymo rezervuaruose, garintuvuose ir farmaciniuose reaktoriuose. Kvarciniai panardinamieji šildytuvai yra labai tinkami natrio bromido eksploatavimui, nes lydytas silicio dioksidas pasižymi puikiu atsparumu neutraliems bromido tirpalams. Natrio jonas (Na⁺) ir bromido jonas (Br⁻) labai nehidrolizuojasi (HBr yra stipri rūgštis, pKa ≈ -9, todėl Br⁻ yra itin silpna bazė). Tirpalas išlieka beveik -neutralus (pH 6–8) esant bet kokiai temperatūrai. Skirtingai nuo chlorido druskų, kur hidrolizuojant tam tikrus katijonus (Mg²⁺, Ca²⁺, Li⁺) susidaro laisvoji rūgštis, natrio bromidas tokio poveikio neturi. Vienodas kvarco korozijos greitis karštame natrio bromide yra mažesnis nei 0,00002 mm/val. – praktiškai neįmanoma išmatuoti. Pirminiai skilimo mechanizmai yra ne cheminiai, o fiziniai: kristalizacijos užsiteršimas (druskos nuosėdų susidarymas) ir, naudojant gręžimo skystį, dilimas nuo kietųjų dalelių. Ši analizė kiekybiškai įvertina, kaip NaBr koncentracija (30–50%), temperatūra (70–100 laipsnių) ir tirpalo grynumas veikia nuosėdų susidarymą ir mechaninį lydyto silicio dioksido susidėvėjimą.
Sulydyto silicio dioksido korozijos kinetika karštame natrio bromide: nereikšminga ataka
Kvarco korozija NaBr yra nereikšminga, nes tirpalas yra neutralus ir nei Na⁺, nei Br⁻ nepuola silicio dioksido tinklo. Bromido jonai yra didesni ir minkštesni nei chlorido jonai, tačiau neutraliomis sąlygomis jie nesudaro stabilių kompleksų su siliciu. Panardinus didelio-grynumo lydyto kvarco 40 % NaBr tirpale 90 laipsnių temperatūroje 10 000 valandų nepastebėta svorio netekimo ar paviršiaus šiurkštėjimo. Korozijos greitis yra mažesnis nei 0,00002 mm/val. Korozijos požiūriu 1,5 mm kvarcinis apvalkalas teoriškai tarnautų milijonus valandų. Todėl sienelės storio pasirinkimą lemia tik mechaninis stiprumas, atsparumas šiluminiam poveikiui ir atsparumas dilimui nuo kietųjų dalelių gręžimo skysčiuose.
Kristalizacijos užsiteršimas kaip pirminis skilimo mechanizmas
Nors natrio bromidas yra labai tirpus (apie 100 g/100 ml 20 laipsnių temperatūroje, didėjant temperatūrai), garintuvai ir sistemos, kurių skysčio lygis svyruoja, vis tiek gali susidurti su kristalizacija. Vandeniui išgaruojant, ant kvarco paviršiaus gali nusėsti NaBr kristalai (bevandeniai, kubiniai). Šie kristalai nėra koroziniai, bet yra šilumą izoliuojantys. 1 mm storio NaBr kristalų nuosėdos gali sumažinti šilumos perdavimą 30–50%, todėl apačioje esantis kvarcas įkaista. Ekstremaliais atvejais kvarco temperatūra gali pakilti virš deformacijos taško (maždaug 1100 laipsnių), o tai gali sukelti minkštėjimą arba devitrifikaciją. Tačiau, kadangi NaBr yra labai tirpus, reguliariai plaunant karštu vandeniu kristalai lengvai ištirpsta. Menisko zona yra ta vieta, kur labiausiai tikėtina kristalizacija. Išlaikant pastovų skysčio lygį arba naudojant garų skydą, išvengiama menisko plutos susidarymo. Poliruotas kvarco paviršius sumažina kristalų sukibimą.
Naftos gręžimo skysčiuose natrio bromido sūrymuose dažnai yra sveriančių medžiagų (barito, hematito), klampumą didinančių medžiagų (ksantano dervos, bentonito) ir kitų kietųjų medžiagų. Šios dalelės gali nutrinti kvarco paviršių, ypač esant dideliam srauto greičiui. Dilimo greitis priklauso nuo dalelių kietumo (baritas yra Moso 3–3,5, hematitas yra 5,5–6,5 Moso), koncentracijos ir srauto greičio. Gręžimo skysčiams su didele kietųjų dalelių apkrova storesnė sienelė (2,5–3,0 mm) užtikrina didesnį dilimą. Skaidriems sūrymo skysčiams (be kietųjų dalelių) pakanka standartinių 1,5–2,0 mm sienelių.
Kaip sienos storis keičia tarnavimo laiką
Kadangi cheminė korozija yra nereikšminga, sienelės storis parenkamas ne pagal korozijos ribą. Norint naudoti skaidrų sūrymą ir gerai kontroliuoti kristalizaciją, energijos vartojimo efektyvumui užtikrinti rekomenduojamos standartinės 1,5–2,0 mm sienelės. Gręžimo skysčiams su abrazyvinėmis kietosiomis medžiagomis, storesnė sienelė (2,5–3,0 mm) užtikrina ilgesnį trinties laiką. Retai valomiems garintuvams storesnė sienelė apsaugo nuo kristalų nuosėdų sukeliamo terminio įtempimo.
Storesnių sienelių šiluminis poveikis natrio bromido tirpaluose
40 % koncentracijos ir 90 laipsnių natrio bromido tirpalų šilumos laidumas yra maždaug 0,55–0,60 W/(m·K)-, panašus į vandens. Tankis 1,35–1,45 g/cm³, klampumas 1,0–1,5 cP. 1,5 mm sienai R_cond=0.00109; 3,0 mm sienai, R_kondencija=0.00217. Kai h=800 W/(m²·K), U sumažėja nuo 427 iki 292 W/(m²·K), tai yra 32 %. Kadangi korozija yra nereikšminga, energijos vartojimo efektyvumui užtikrinti pirmenybė teikiama plonoms sienoms, nebent dilimui ar kristalizacijos kontrolei reikia storesnių sienų.
Scenarijus-pagrįsta kvarco apvalkalo sienelės storio pasirinkimo matrica karšto natrio bromido tarnyboje
| Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai | Rekomenduojamas sienelės storis | Pagrindinis loginis pagrindas su kiekybine prekyba{0}}nuolaida |
|---|---|---|
| Skaidrus sūrymo gręžimo skystis (40 % NaBr, 90 laipsnių, nuolatinis, be kietųjų dalelių, kas savaitę skalaujant vandeniu) | 1,5–2,0 mm, standartinė klasė, poliruota liepsna | Korozija nereikšminga. Plona sienelė energijos vartojimo efektyvumui užtikrinti. Liepsnos-poliravimas sumažina kristalų sukibimą. U ≈ 450 W/(m²·K). |
| Farmacinis reaktorius (30 % NaBr, 80 laipsnių, partijos, didelio grynumo) | 1,5–2,0 mm, didelio-grynumo kvarcas | Nėra korozijos ar kietų dalelių. U ≈ 480 W/(m²·K). |
| Gręžimo skystis su kietosiomis barito medžiagomis (40 % NaBr + 10 % barito, 85 laipsnių, nuolatinis, didelis srautas) | 2,5 – 3,0 mm, atkaitintas | Dilimas nuo barito dalelių. Storesnė siena užtikrina dilimą. Atkaitintas ilgaamžiškumui. U ≈ 350 W/(m²·K). |
| NaBr garintuvas (50% koncentracija, 100 laipsnių, didelis persotinimas, valymas kas mėnesį) | 2,0 – 2,5 mm, su garų ekranu | Kristalų indėlių rizika. Storesnė sienelė suteikia šiluminės įtampos ribą. Garų skydas sumažina menisko kristalus. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Žemos{0}}temperatūros NaBr (70 laipsnių, 30%, su pertrūkiais) | 1,5 mm, standartinė klasė | Maža rizika. Plona sienelė greitam atsakui. U ≈ 500 W/(m²·K). |
Papildomi dizaino pakeitimai:Reguliarus skalavimas karštu vandeniu ištirpina NaBr kristalus, kol jie nesutirštės. Poliruotas kvarco paviršius sumažina kristalų sukibimą. Geras maišymas apsaugo nuo vietinio perpildymo. Palaikomas pastovus skysčio lygis apsaugo nuo menisko kristalizacijos. Naudojant garų skydą arba šildomą viršutinį apvalkalą išvengiama viršutinio -apvalkalo kristalų susidarymo. Gręžiant skysčius, naudojant apsauginę movą arba pertvarą, siekiant sumažinti tiesioginį dalelių susidūrimą su kvarco apvalkalu, pailgėja eksploatavimo laikas. Didelio-grynumo farmaciniams tikslams nurodant didelio-grynumo kvarcą (mažas geležies, mažai aliuminio) produktas apsaugo nuo metalo užteršimo. Skaidriems sūrymo gręžimo skysčiams, kuriuose nėra kietųjų dalelių, 1,5–2,0 mm kvarciniai šildytuvai puikiai aptarnauja ir reikalauja minimalios priežiūros.
