Kuuma ammooniumkloriidi ainulaadne kloriid{0}}korrosioonimehhanism sulatatud ränidioksiidil
Ammooniumkloriidi (NH₄Cl) kasutatakse laialdaselt tsinkimisräbustides, väetiste tootmisel, kuivpatareides ja lämmastikuallikana keemilises sünteesis. Tööstuslikes aurustites ja kristallisaatorites kuumutatakse kuumi kontsentreeritud NH₄Cl lahuseid (20–40 massiprotsenti) 80–120 kraadini soola kontsentreerimiseks või kristalse produkti saamiseks. Kvartsi kõrge keemilise vastupidavuse ja mittesaastava olemuse tõttu on mõnikord nende teenuste jaoks ette nähtud kvartsist sukelsoojendid. Kuum kontsentreeritud ammooniumkloriid kujutab aga sulanud ränidioksiidile väikest, kuid märkimisväärset korrosiooniohtu. Erinevalt neutraalsetest sooladest, nagu naatriumkloriid, läbib ammooniumkloriid lahuses termilise hüdrolüüsi: NH4⁺ + H2O⇌ NH₃ + H3O⁺. Kõrgendatud temperatuuridel nihkub see tasakaal paremale, tekitades vaba vesinikkloriidhapet (HCl). Vabanenud kloriidioonid koos happelise pH-ga ründavad ränidioksiidi võrku sama mehhanismi kaudu nagu lahjendatud HCl. Lisaks võib NH₄Cl aurutsoonis sublimeerida ja uuesti{14}}kondenseeruda jahedamatel kvartspindadel, moodustades hügroskoopse sademe, mis imab niiskust ja loob kontsentreeritud kloriidkile. See analüüs kvantifitseerib, kuidas NH₄Cl kontsentratsioon (20–40%), temperatuur (80–120 kraadi) ja lahuse pH (mõjutatud vabast happest või lisatud alusest) mõjutavad sulatatud ränidioksiidi ühtlast korrosiooni ja täppide tekke kiirust. Selles suure -tihedusega, mõõdukalt viskoosses elektrolüüdilahuses saadakse praktiliste hooldusvälbade (2000–8000 tundi) saavutamiseks vajalik kvartskesta seinapaksus aurusti- ja kristallisaatorisoojendites ning paksemate seinte termiline karistus.
Kuumas ammooniumkloriidis sulatatud ränidioksiidi korrosioonikineetika: hüdrolüüs{0}}juhitav rünnak
Kvartsi korrosiooni kuumas NH₄Cl lahuses ei põhjusta sool ise, vaid hüdrolüüsi käigus tekkiv vesinikkloriidhape. NH₄⁺ hüdrolüüsikonstant on 25 kraadi juures K_h=K_w/K_b=1e-14/1,8e-5=5.6e-10, mis annab 1 M NH₄Cl pH väärtuseks ligikaudu 5,0–5,5. 100 kraadi juures suureneb vee ioonsaadus (K_w) ligikaudu 5,5e-13-ni ja muutub ka NH₃ K_b, mille tulemuseks on veidi madalam pH (umbes 4,5-5,0). Veelgi olulisem on see, et kui lahus kontsentreeritakse aurustamise teel, suurenevad aktiivsuskoefitsiendid ja pH võib langeda 3,5–4,0 40% NH₄Cl 100 kraadi juures. pH 3,5–4,0 juures on vaba HCl kontsentratsioon võrdne ligikaudu 0,0001–0,001 M. Sellest madalast tugeva happe kontsentratsioonist piisab aeglase, kuid mõõdetava kvartskorrosiooni tekitamiseks.
Kõrge -puhtusastmega sulatatud kvarts 30% NH₄Cl lahuses 100 kraadi juures (mõõdetud pH 4,0) näitab ühtlast korrosioonikiirust 0,0005–0,001 mm/h. 120 kraadi juures (ülekuumenemisel rõhu all või keemisel soolakontsentratsiooni suurenemisega) tõuseb kiirus 0,0015–0,003 mm/h. 80 kraadi juures on kiirus alla 0,0002 mm/h. Võrdluseks, 0,001 M HCl (pH 3,0) 100 kraadi juures söövitab kvartsi kiirusel ligikaudu 0,002 mm/h. Veidi madalam määr NH4Cl-s peegeldab NH4⁺/NH3-süsteemi puhverdavat toimet, mis hoiab pH kõrgemal kui puhtal HCl-l samaväärse üldkloriidisisalduse juures.
110 kraadi juures (tüüpiline aurusti temperatuur NH₄Cl kontsentratsiooni korral) kaotaks 2,0 mm kvartskest 2000 tunniga 0,001 mm/tunnis × 2000 tunni=2.0 mm-perforatsiooni. 2,5 mm sein annaks 2500 tundi; 3,0 mm seinaga 3000 tundi. Need eluead on vastuvõetavad paljude aurustite puhul, mis töötavad pidevalt 3–6 kuud hooldusseiskamiste vahel. 100 kraadi juures annab 2,0 mm sein 4000 tundi (5,5 kuud). 90 kraadi juures ületab eluiga 10 000 tundi.
Vaba happe olemasolu (nt ülesvoolu protsessidest või katlakivi tekke vältimiseks lisatud) kiirendab järsult korrosiooni. Kui NH₄Cl lahuse pH reguleeritakse HCl-ga väärtusele 3,0, hüppab korrosioonikiirus 100 kraadi juures 0,003–0,005 mm/h, vähendades 2,0 mm seina eluiga 400–650 tunnini. Vastupidiselt, väikese koguse ammoniaagi lisamine pH tõstmiseks 6–7-ni vähendab korrosioonikiirust alla 0,0001 mm/h, muutes kvartsi praktiliselt inertseks. Seega on pH reguleerimine NH₄Cl-teenuse kvartskuumuti pikaealisuse jaoks kõige kriitilisem parameeter.
Sublimeeritud NH₄Cl kondensatsioonist ja pragude korrosioonist põhjustatud lokaalne auk
Ammooniumkloriid sublimeerub temperatuuril üle 340 kraadi, kuid madalamal temperatuuril (100–150 kraadi) võib see siiski aeglaselt lenduda, eriti kontsentreeritud lahustest. Sublimaat kondenseerub jahedamatele kvartspindadele vedelikujoone kohal, moodustades valge hügroskoopse lademe. See sade imab õhust niiskust, luues kontsentreeritud kloriidilahuse (pH nii madal kui 3–4), mis ründab kvartsi sama mehhanismi kaudu nagu lahtine vedelik. Rünnak lokaliseerub ladestuskohtadele, tekitades madalaid süvendeid. Sublimaadist{9}}indutseeritud rünnakust tulenev süvendite kasvukiirus järgib lineaarset seadust (sades{10}}põhine) väärtustega 0,002–0,005 mm/h 110-kraadise vannitemperatuuri juures. 2,0 mm seina puhul võiks süvend läbida 400–1000 tunniga. See on sageli kiirem kui vedeliku ühtlane korrosioon. Seetõttu on NH₄Cl sublimatsiooni vältimine või sademete eemaldamine hädavajalik.
Murettekitav on ka pragukorrosioon kvartskesta ja PTFE või polüpropüleenist kinnitusääriku vahelisel liidesel. NH₄Cl lahus tungib pragudesse ja aurustamine kontsentreerib soola, mille tulemuseks on pH langus ja kloriidide rünnak. Täielikult keevitatud kvarts---äärikusõlmede kasutamine või pragu elastomeerse tihendiga tihendamise tagamine võib seda riski vähendada. Paksem sein annab suurema ohutusvaru pragude rünnaku vastu, kuid pragu kõrvaldamine on tõhusam.
Kuidas seina paksus muudab kuumade NH₄Cl küttekehade kasutusiga
Ühtlase korrosiooni tagamiseks vedelas faasis konstantse pH juures mastaapides eluiga lineaarselt seina paksusega. 110 kraadi juures (kiirus 0,001 mm/h) annab 2,0 mm sein 2000 tundi; 3,0 mm sein annab 3000 tundi; 4,0 mm sein annab 4000 tundi. Kasu on otseselt proportsionaalne. Sublimaadi ladestumisest{14}}indutseeritud süvendite korral mastaapib elu ka lineaarselt, kuna süvend edeneb ühtlase kiirusega. Seetõttu pikendavad paksemad seinad kasutusiga lineaarselt mõlema rikkerežiimi korral. Kuna aga korrosioonikiirus on madal kuni mõõdukas, piisab 2,0–2,5 mm seinast tavaliselt 3–6 kuuks pidevaks kampaaniaks.
Halva pH-kontrolliga süsteemide puhul (nt pH 3,5 või madalam) võib korrosioonikiirus olla 0,003–0,005 mm/h ja isegi 3,0 mm seinad annavad vaid 600–1000 tundi. Sellistel juhtudel on pH reguleerimine{10}}palju kulutõhusam kui seina paksuse suurendamine.
Kuumade ammooniumkloriidi lahuste paksemate seinte termiline karistus
Ammooniumkloriidi lahuste 100 kraadise ja 30% kontsentratsiooniga soojusjuhtivus on ligikaudu 0,55–0,60 W/(m·K) (sarnane veega), tihedus 1,08–1,10 g/cm³ ja viskoossus 0,8–1,2 cP. Konvektiivsed soojusülekandetegurid segatud aurustites on vahemikus 800 kuni 1500 W/(m²·K). Kvartsi juhtivustakistus on R_cond=t/1,38. 1,5 mm seina puhul R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm seina jaoks, R_konditsioon=0.00217. H=1,000 W/(m²·K), R_piir=0.00100. Kogutakistus 1,5 mm=0.00209 → U=478 W/(m²·K); 3,0 mm=0.00317 → U=315 W/(m²·K) puhul 34% väiksem. See karistus on märkimisväärne. Aurusti kasutamisel, kus vee aurustamiseks on vaja suurt soojusvoogu, eelistatakse õhukesemaid seinu (1,5–2,0 mm). 2,0 mm sein (U=1/(0.00145+0.00100)=408 W/(m²·K)) pakub mõistlikku tasakaalu eluea (2000 tundi 110 kraadi juures) ja soojusliku jõudluse vahel.
Stsenaarium-Põhine valikumaatriks kvartskesta seina paksuse jaoks kuuma ammooniumkloriidi teenuses
| Rakenduse stsenaarium ja tööparameetrid | Soovitatav seinapaksus | Põhimõte koos kvantifitseeritud{0}}kaubandusega |
|---|---|---|
| NH₄Cl aurusti (30% lahus, 110 kraadi, pH 5,0, pidev, 3-kuuline hooldus) | 2,0–2,5 mm, standardne, leek-poleeritud | Ühtlane korrosioonikiirus ~0,001 mm/h → 2,0 mm annab 2000 tundi (2,7 kuud). 2.5 mm annab 2500 tundi (3,4 kuud). Leek{10}}poleerimine vähendab sademe nakkumist. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Kristallisaator (40% läga, 100 kraadi, pH reguleeritud 6,5-ni ammoniaagiga, pidev, 1-aastane eluiga) | 1,5–2,0 mm, nagu -joonistatud | pH kontroll vähendab kiirust kuni<0.0001 mm/hour. 1.5 mm provides >15 000 tundi. Õhuke sein annab energiatõhususe jaoks U ≈ 480 W/(m²·K). |
| NH₄Cl lahus vaba happega (pH 3,5, mis tahes temperatuur) | Mitte kvarts – kasutage PTFE-d või titaani | Corrosion rate >0,003 mm/tunnis{1}} mm ebaõnnestub<800 hours. Alternative sheath required. |
| Kõrge -temperatuuri kontsentratsioon (120 kraadi, 35% NH₄Cl, pH 4,5, perioodiline perioodiline töö) | 2,5 – 3,0 mm, aurukaitsega | Kiirus ~0,002 mm/h → 3,0 mm annab 1500 tundi. Aurukaitse vähendab sublimaatset täppide tekkimist. Vastuvõetav partiide teenindamiseks. |
| Madala-temperatuuriga NH₄Cl (80 kraadi, mis tahes kontsentratsioon, pH neutraalne) | 1,5 mm, standardklass | Corrosion negligible. Thin wall maximizes heat transfer. Life >20 000 tundi. |
Täiendavad konstruktsioonimuudatused kuumade NH₄Cl kütteseadmete jaoks
Kolm strateegiat pikendavad kvartsküttekeha eluiga ilma seina paksust suurendamata. Esiteks, pH kontroll: NH₄Cl lahuse pH 6–7 hoidmine väikese koguse ammoniaagi või naatriumhüdroksiidi lisamisega vähendab vaba HCl kontsentratsiooni nulli lähedale, alandades korrosioonikiirust 90% või rohkem. pH-regulaator ja doseerimispump on odavad, võrreldes küttekeha sagedase vahetamisega. Teiseks, auru{6}}küte: kvartskesta paigaldamine vedelikujoone kohale hoiab pinnatemperatuuri üle 120 kraadi, vältides NH₄Cl sublimatsiooni ja kondenseerumist. See välistab ladestumise{9}}tekitamise. Kolmandaks perioodiline loputamine: kvartskesta loputamine deioniseeritud veega hoolduse ajal eemaldab kõik kogunenud soolaladestused enne, kui need jõuavad niiskust imada ja korrosiooni põhjustada. Iganädalane veega loputamine võib pikendada eluiga 2–3 korda.
Järeldus: kvartsi seina paksuse määramine kuuma NH₄Cl jaoks, mille prioriteet on pH kontroll
Kvartsist sukelsoojendid võivad töökindlalt töötada kuumades kontsentreeritud ammooniumkloriidi lahustes temperatuuril 80–120 kraadi, eeldusel, et lahuse pH on vahemikus 5,5–7,0. Kontrollitud pH-tingimustes võimaldavad ühtlased korrosioonikiirused 0,0001–0,001 mm/h standardse seinapaksusega 1,5–2,5 mm pakkuda olenevalt temperatuurist 2000–10 000 töötundi. Paksemate seinte termiline karistus on märkimisväärne (30–35% U vähenemine), eelistades 1,5–2,0 mm seinaid aurusti energiasäästlikuks tööks. Kontrollimatu pH-ga (happelistes) tingimustes kiireneb kvartskorrosioon seinapaksusest olenemata ebapraktilise kiiruseni ning vaja on kasutada alternatiivseid kattematerjale (PTFE{20}}vooderdatud, titaan) või pH reguleerimist. NH₄Cl sublimatsioon ja kondenseerumine aurutsoonis võib põhjustada lokaalset täppide moodustumist, mida saab kõige paremini leevendada ülemise ümbrise kuumutamisega, mitte seina paksuse suurendamisega. NH₄Cl aurusti või kristallisaatori küttekehade hinnapakkumist taotledes täpsustage lahuse kontsentratsioon, maksimaalne töötemperatuur, tüüpiline pH vahemik, kas pH reguleerimiseks lisatakse ammoniaaki või hapet, ja eeldatav pidev tööperiood. See võimaldab tootjal soovitada optimaalset seinapaksust -tavaliselt 2,0 mm enamiku rakenduste jaoks-, tagades usaldusväärse toimivuse koos õige pH-juhtimisega.
