Egy fémmegmunkáló műhely egy meghibásodott PTFE merülőfűtőt cserélt ki egy hasonló teljesítményű és méretű kvarcegységgel. A kvarcfűtő olcsóbb volt, és jobb hőátadást kínált. Tizenegy napig tartott egy forró lúgos tisztítófürdőben 75 fokon, mielőtt a cső átmaródott és az elem rövidre zárt. A hiba nem gyártási hiba volt. A kvarc és a lúgos kémia alapvetően összeférhetetlen.
A kvarc-olvasztott szilícium-dioxid-kiváló anyag a savas kiszolgáláshoz. Ellenáll a legtöbb ásványi savnak, jó hősokkállóságot biztosít, és hatékonyan továbbítja az infravörös energiát. Ezek a tulajdonságok általános választássá teszik savas fürdőkben, különösen félvezető és laboratóriumi alkalmazásokban. De a kvarc szilícium-dioxid, és a szilícium-dioxid lúgos oldatokban oldódik. Az oldódási sebesség a hőmérséklettel, a pH-val és az idővel növekszik. Forró lúgos tisztítófürdőben a kvarcot elfogyasztják.
A kvarc oldódásának kémiája
A kvarc szilícium-dioxid (SiO₂). Hidroxidionok (OH-) jelenlétében a szilícium-dioxid feloldódik, és oldható szilikátot képez:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO3²⁻ + H2O
A reakció szobahőmérsékleten és semleges pH-n lassú. 75 fokon és 12-es vagy magasabb pH-értéken egyenletesen halad. Egy 2 mm-es falú kvarccső havonta 0,1-0,3 mm-t veszíthet forró lúgos fürdőben. Az elvékonyodás eleinte egyenletes, majd a fal gyengülésével felgyorsul. A meghibásodás akkor következik be, amikor a cső már nem képes ellenállni az alkalmazás hő- és mechanikai igénybevételének.
A PTFE merülőmelegítők nem lépnek reakcióba hidroxidionokkal. A polimer közömbös a nátrium-hidroxiddal, kálium-hidroxiddal és más lúgos anyagokkal szemben minden ipari koncentrációban és hőmérsékleten. Egy PTFE fűtőtest ugyanabban a lúgos fürdőben évekig, nem napokig tart.
| Fürdőkémia | pH | Hőmérséklet | Kvarc korróziós sebesség | PTFE alkalmasság |
|---|---|---|---|---|
| Marónátron, 5% | 13–14 | 60 fok | 0,1-0,2 mm/hó | Kiváló |
| Marónátron, 5% | 13–14 | 80 fok | 0,2-0,4 mm/hó | Kiváló |
| Lúgos tisztítószer, pH 11 | 11 | 70 fok | 0,02-0,05 mm/hó | Kiváló |
| ammónium-hidroxid, 5% | 10–11 | 50 fok | 0,01-0,03 mm/hó | Kiváló |
| Nátrium-szilikát, 3% | 11–12 | 75 fok | 0,05-0,15 mm/hó | Kiváló |
Kvarckorróziós arányok lúgos fürdőben a PTFE alkalmasságához képest
Miért használják a kvarcot az Acid Service-ben?
A kvarc jól teljesít savakban, mert a szilícium-dioxid stabil alacsony pH-jú környezetben. A sósav, kénsav, salétromsav és foszforsav nem támadja meg a kvarcot a merülő fűtőelem jellemző hőmérsékletén. A hidrogén-fluorsav a kivétel,-gyorsan oldja a szilícium-dioxidot, ezért a kvarcmelegítőket nem használják a HF-szolgáltatásban.
A kvarc termikus tulajdonságai is kedvezőek a savas kiszolgáláshoz. Hővezető képessége megközelítőleg 1,4 W/m·K-magasabb, mint a PTFE, de alacsonyabb, mint a fémeké. Hőtágulási együtthatója nagyon alacsony, ami jó hősokkállóságot biztosít. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a kvarcmelegítők nagyobb wattsűrűséggel működjenek, mint a PTFE kompatibilis vegyi anyagokban.
| Anyag | Hővezetőképesség | Biztonságos wattsűrűség savban | Biztonságos wattsűrűség lúgban | Relatív költség |
|---|---|---|---|---|
| Kvarc | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Nem alkalmas | Alacsony – Közepes |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Mérsékelt |
| Titán | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2-3 W/cm² | Magasabb |
| Rozsdamentes acél 316 | 16 W/m·K | 1-3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Alacsony |
Wattsűrűség határértékei és költség-összehasonlítása a savas és lúgos fűtőelemek esetében
A kvarc lúgos fürdőben való használatának gyakorlati következményei
A kvarc meghibásodásának első jele lúgos fürdőben általában a cső megjelenésének megváltozása. A szilícium-dioxid feloldódásával a felület fagyos vagy maratott lesz. A fal elvékonyodik. A cső törékenyebbé válhat, és érzékenyebbé válhat a mechanikai sérülésekre.
Ahogy a fal vékonyodik, a hőellenállás csökken, és a burkolat hőmérséklete kissé csökken. Előfordulhat, hogy a fűtőelem kezdetben jobban teljesít. De a vékonyodás addig folytatódik, amíg a fal már nem tudja befogadni az elemet. A meghibásodás gyakran hirtelen fellépő-repedés vagy lyuk, amely lehetővé teszi, hogy a lúgos oldat érintkezzen a fűtőelemmel.
A hiba veszélyes lehet. A lúgos oldatok vezetőképesek. Amikor az oldat eléri a feszültség alatt álló elemet, rövidzárlat lép fel. A földzárlat-védelemnek ki kell kapcsolnia, de ha nem, akkor a fűtőelem és a tartály megsérülhet.
Amikor a kvarc a megfelelő választás
A kvarc a megfelelő választás savas fürdőkhöz, ahol nagyobb wattsűrűsége és alacsonyabb költsége előnyt jelent. Általában a következőkben használják:
Hígított kénsavas öblítőtartályok
Salétromsavas pácoló fürdők HF nélkül
Foszforsavas tisztító oldatok
Ionmentesített víz öblítő tartályok
Félvezető nedves padok savas kémiával
Ezekben az alkalmazásokban a kvarc jól teljesít, és kevesebbe kerül, mint a PTFE. A korlátozás a lúgos kémia és a HF{1}}tartalmú fürdők, ahol a kvarc oldódik vagy marat.
Amikor a PTFE a jobb választás
A PTFE a jobb választás lúgos fürdőkhöz, HF{0}}tartalmú fürdőkhöz és vegyes vegyi anyagokhoz, ahol a pH a savas és a lúgos között ingadozhat. Jobb a magas oldottanyag-tartalmú fürdőkhöz is, ahol lerakódások képződnek a fűtőfelületen, és időszakos tisztítást igényelnek lúgos vagy savas oldatokkal.
A PTFE alacsonyabb wattsűrűsége azt jelenti, hogy nagyobb felületre van szükség ugyanazon teljesítményhez. Kompakt tartályokban ez korlátozás lehet. De a megfelelő hellyel rendelkező tartályokban a PTFE hosszabb élettartama és szélesebb körű kémiai kompatibilitása meghaladja a méretbeli hátrányokat.
Ha egyik anyag sem illik az alkalmazáshoz
Egyes alkalmazások olyan kémiát mutatnak be, amelyet sem a kvarc, sem a PTFE nem kezel jól. Az erős savakat és az erős lúgot felváltva használó fürdőkhöz,{1}}például a savas és a maró fázisú tisztítóvezetékhez közös fűtőberendezéssel-olyan anyag szükséges, amely mindkettőnek ellenáll. A PTFE az egyetlen elterjedt merülő fűtőanyag.
Az egyedi PTFE merülőfűtő-konfiguráció alacsony wattsűrűséggel, nagy felülettel és lezárt kapocsházzal olyan alkalmazásokhoz használható, ahol a kvarc meghibásodik és a rozsdamentes acél korrodálódik. A specifikációs folyamat megköveteli a fürdő kémiáját, a pH-tartományt, az üzemi hőmérsékletet, a tartály méreteit és a szükséges teljesítményt. A lúgos vagy vegyes{2}}kémiai fürdővel rendelkező létesítményeknél ez az alkalmazás--specifikus megközelítés megbízható szolgáltatást nyújt ott, ahol a szabványos anyagok nem felelnek meg.
