Metalliviimistlustöökoda asendas ebaõnnestunud PTFE-sukelküttekeha sarnase võimsuse ja mõõtmetega kvartsseadmega. Kvartskütteseade oli odavam ja pakkus paremat soojusülekannet. See kestis üksteist päeva kuumas leeliselises puhastusvannis 75 kraadi juures, enne kui toru läbi söövitas ja element lühises. Rike ei olnud tootmisdefekt. Kvarts ja leeliseline keemia on põhimõtteliselt kokkusobimatud.
Kvarts-sulatatud ränidioksiid-on suurepärane materjal happeliseks kasutamiseks. See peab vastu enamikule mineraalhapetele, pakub head soojuslöögikindlust ja edastab tõhusalt infrapunaenergiat. Need omadused muudavad selle happevannide jaoks tavaliseks valikuks, eriti pooljuht- ja laboratoorsetes rakendustes. Kuid kvarts on ränidioksiid ja ränidioksiid lahustub leeliselistes lahustes. Lahustumiskiirus suureneb temperatuuri, pH ja ajaga. Kuumas leeliselises puhastusvannis kulub kvarts ära.
Kvartsi lahustumise keemia
Kvarts on ränidioksiid (SiO₂). Hüdroksiidioonide (OH⁻) juuresolekul ränidioksiid lahustub, moodustades lahustuva silikaadi:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H2O
Reaktsioon on toatemperatuuril ja neutraalse pH juures aeglane. Temperatuuril 75 kraadi ja pH 12 või kõrgemal toimub see pidevalt. 2 mm seinaga kvartstoru võib kuumas leelisvannis kaotada 0,1–0,3 mm kuus. Õhenemine on algul ühtlane, seejärel kiireneb seina nõrgenedes. Ebaõnnestumine ilmneb siis, kui toru ei pea enam vastu rakenduse termilisele ja mehaanilisele pingele.
PTFE sukelsoojendid ei reageeri hüdroksiidioonidega. Polümeer on inertne naatriumhüdroksiidi, kaaliumhüdroksiidi ja muude leeliseliste liikide suhtes kõigis tööstuslikes kontsentratsioonides ja temperatuurides. PTFE-küttekeha samas leelisvannis kestaks aastaid, mitte päevi.
| Vanni keemia | pH | Temperatuur | Kvartsi korrosioonikiirus | PTFE sobivus |
|---|---|---|---|---|
| seebikivi, 5% | 13–14 | 60 kraadi | 0,1–0,2 mm/kuus | Suurepärane |
| seebikivi, 5% | 13–14 | 80 kraadi | 0,2–0,4 mm/kuus | Suurepärane |
| Leeliseline puhastusvahend, pH 11 | 11 | 70 kraadi | 0,02–0,05 mm/kuus | Suurepärane |
| ammooniumhüdroksiid, 5% | 10–11 | 50 kraadi | 0,01–0,03 mm/kuus | Suurepärane |
| Naatriumsilikaat, 3% | 11–12 | 75 kraadi | 0,05–0,15 mm/kuus | Suurepärane |
Kvartsi korrosioonimäärad leeliselistes vannides võrreldes PTFE sobivusega
Miks kvartsi happeteenistuses kasutatakse?
Kvarts toimib hästi hapetes, kuna ränidioksiid on madalas{0}}pH keskkonnas stabiilne. Vesinikkloriid-, väävel-, lämmastik- ja fosforhape ei ründa kvartsi tüüpilistel küttekeha temperatuuridel. Vesinikfluoriidhape on erand-see lahustab ränidioksiidi kiiresti, mistõttu kvartskuumutit HF-teenuses ei kasutata.
Kvartsi soojusomadused on samuti soodsad happega teenindamiseks. Selle soojusjuhtivus on ligikaudu 1,4 W/m·K-kõrgem kui PTFE-l, kuid madalam kui metallidel. Selle soojuspaisumise koefitsient on väga madal, mis annab sellele hea soojuslöögikindluse. Need omadused võimaldavad kvartsküttekehadel töötada suurema vattihedusega kui PTFE ühilduvates keemiates.
| Materjal | Soojusjuhtivus | Ohutu vattide tihedus happes | Ohutu vattihedus leeliselises | Suhteline kulu |
|---|---|---|---|---|
| Kvarts | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Ei sobi | Madal – mõõdukas |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Mõõdukas |
| Titaan | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Kõrgem |
| Roostevaba teras 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Madal |
Sukelkütteseadmete materjalide vattiheduse piirid ja kulude võrdlus happe- ja leeliselises kasutuses
Kvartsi kasutamise praktilised tagajärjed leelisvannides
Leeliselise vanni kvartsi rikke esimene märk on tavaliselt toru välimuse muutus. Ränidioksiidi lahustumisel muutub pind härmatisemaks või söövituks. Sein õheneb. Toru võib muutuda hapramaks ja mehaaniliste kahjustuste suhtes vastuvõtlikuks.
Seina õhenemisel soojustakistus väheneb ja ümbrise temperatuur veidi langeb. Kütteseade võib esialgu tunduda paremini töötavat. Kuid hõrenemine jätkub seni, kuni sein ei suuda enam elementi sisaldada. Rike on sageli äkiline-pragu või auk, mis võimaldab leeliselisel lahusel kütteelemendiga kokku puutuda.
Ebaõnnestumine võib olla ohtlik. Leeliselised lahused on juhtivad. Kui lahus jõuab pingestatud elemendini, tekib lühis. Maandusvea kaitse peaks rakenduma, kuid kui seda ei juhtu, võivad kütteseade ja paak kahjustada saada.
Kui kvarts on õige valik
Kvarts on õige valik happevannide jaoks, kus selle suurem vattihedus ja madalam hind annavad eelise. Seda kasutatakse tavaliselt:
Lahjendatud väävelhappe loputuspaagid
Lämmastikhappega peitsivannid ilma HF-ta
Fosforhappe puhastuslahused
Deioniseeritud vee loputuspaagid
Happelise keemiaga pooljuhtmärjad pingid
Nendes rakendustes toimib kvarts hästi ja maksab vähem kui PTFE. Piirang on leeliseline keemia ja HF{1}}sisaldavad vannid, kus kvarts lahustub või söövitub.
Kui PTFE on parem valik
PTFE on parem valik leeliseliste vannide, HF{0}}sisaldavate vannide ja segakeemia jaoks, kus pH võib kõikuda happe ja aluselise vahel. See sobib paremini ka suure lahustunud kuivainetega vannidele, kus kerise pinnale tekivad sadestused ja mis nõuavad perioodilist puhastamist leeliseliste või happeliste lahustega.
PTFE madalam vattihedus tähendab, et sama võimsuse jaoks on vaja rohkem pinda. Kompaktsetes mahutites võib see olla piirang. Kuid piisava ruumiga paakide puhul kaalub PTFE pikem kasutusiga ja laiem keemiline ühilduvus üles suuruse puuduse.
Kui kumbki materjal ei sobi rakendusega
Mõned rakendused sisaldavad keemiat, millega ei kvarts ega PTFE hästi hakkama ei saa. Vaheldumisi tugeva happe ja tugeva leelisega vann,{1}}nagu puhastusliin, millel on ühine küttekeha nii happe- kui ka leeliselise faasiga,-vajab materjali, mis talub mõlemat. PTFE on ainus levinud sukelküttekehade materjal.
Kohandatud PTFE-sukelsoojendi konfiguratsioon väikese vattiheduse, suure pindala ja suletud klemmikorpustega on mõeldud rakendustele, kus kvarts ebaõnnestub ja roostevaba teras korrodeerub. Spetsifikatsiooniprotsess nõuab vanni keemiat, pH vahemikku, töötemperatuuri, paagi mõõtmeid ja nõutavat võimsust. Leeliseliste või segakeemia vannidega-rajatiste puhul pakub see rakendusespetsiifiline-lähenemine usaldusväärset teenust seal, kus standardmaterjalid ei sobi.
