Kuinka kuuma väkevä natriumasetaattiliuos (20–40 %) 80–120 asteessa muuttaa kriittistä kvartsivaipan seinämän paksuutta värjäysapu- ja puskurijärjestelmän lämmittimissä?

Kuuma natriumasetaattihyökkäys sulatettuun piidioksidiin miedolla hydrolyysillä

Sodium acetate (CH3COONa) is a common chemical used in the dyeing of textiles (as a pH buffer and auxiliary), food preservation, pharmaceutical manufacture and as a chemical for heating pads (sodium acetate trihydrate). Working temperatures are 80-120°C in dyeing baths, buffer system heaters and evaporators, and standard industrial concentrations are 20-40% by weight in aqueous solution. Quartz immersion heaters are typically selected for sodium acetate service because to the high chemical purity of quartz (precluding the contamination of metal ions that can damage dyeing or pharmaceutical operations) and its exceptional resilience to most salt solutions. However, heated concentrated sodium acetate is slightly corrosive to fused silica, not by direct attack of the salt, but by hydrolysis. The conjugate base of acetic acid (pKa 4.76) is the acetate ion, CH3COO-, which hydrolyzes in water: CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-. At higher temperatures this equilibrium is shifted in favor of the formation of hydroxide ions , and the solution becomes somewhat alkaline . A solution of sodium acetate 30% at 25 °C has a pH of about 8.5 to 9.0. At 100°C the pH can rise to 9.5-10.0 due to enhanced hydrolysis and alteration of the dissociation constants. The hydroxide ions formed assault the silica network in the same way as dilute caustic: SiO2 + 2OH- ->Si03(2-) + H2O. Myös asetaatti-ionit voivat muodostaa komplekseja piin kanssa, mutta nämä ovat heikkoja. Tutkimuksessa arvioidaan natriumasetaattipitoisuuden (20–40 %), lämpötilan (80–120 astetta) ja liuoksen pH:n vaikutusta sulatetun piidioksidin tasaiseen korroosionopeuteen. Tarvittava kvartsivaipan seinämäpaksuus käytännön huoltoväleillä (5 000 - 20 000 tuntia) tekstiilien värjäys- ja puskurijärjestelmän lämmittimissä johdetaan ja käsitellään suurempien seinien lämpövaurioita tässä korkeatiheyksisessä suolaliuoksessa.

Sulatetun piidioksidin hydroksidivälitteinen korroosio kuumassa natriumasetaatissa: korroosiokinetiikka

Asetaatin hydrolyysistä syntyvät hydroksidi-ionit ovat vastuussa kvartsin korroosiosta kuumassa natriumasetaatissa. 25 asteessa hydrolyysivakio on K_h=K_w/K_a=1e-14/1.8e-5=5.6e-10. Natriumasetaatin pH lasketaan seuraavasti. 30 % natriumasetaattiliuoksella (~ 3,7 M) pH 25 C:ssa on ~ 9.4 . [OH-]=sqrt (K_h * C)=sqrt (5,6e-10 * 3,7)=.07 sqrt=4.55e-5 M pOH=4.34 pH=9.66 K_w kasvaa noin 5,5e-13:een 100 asteessa ja K_a etikkahapon muutoksille (pieni nousu), joten laskennasta tulee monimutkaisempi, vaikka pH yleensä nostetaan arvoon 9,5-10,0. pH:ssa 9,5–10,0 OH⁻-pitoisuus on 10-10-10 M, mikä riittää tuottamaan hitaan mutta havaittavan kvartsikorroosion.

Erittäin puhtaan sulatetun kvartsin upotuskoe 30 % natriumasetaatissa 95 asteessa osoittaa tasaisen korroosionopeuden 0,00005–0,0001 mm/h. 120 asteessa (paineessa, esim. painevärjäyskoneessa) nopeus nousee 0,0002–0,0004 mm/h. 80 asteessa nopeus on alle 0,00003 mm/h. Sitä vastoin 0,001 M NaOH (pH 11) 95 asteessa syövyttää kvartsia nopeudella 0,005 mm/h, kaksi suuruusluokkaa nopeammin. Alhainen korroosionopeus johtuu alhaisesta vakaan tilan OH⁻-pitoisuudesta natriumasetaattiliuoksissa. 2,0 mm:n kvartsivaippa 30-prosenttisessa natriumasetaatissa 95 asteessa menettäisi 0,00008 mm/tunti × 25 000 tuntia=2.0 mm noin 25 000 tunnin (2,8 vuoden) käyttöiän aikana. 1,5 mm seinä antaa 18 750 tuntia (2,1 vuotta). Siksi kvartsi on melko vakaa kuumassa natriumasetaatissa ja tasainen korroosio on harvoin elämää rajoittava ongelma. 2,0 mm:n seinä 120 asteessa antaa silti 5 000 - 10 000 käyttötuntia (7 - 14 kuukautta), mikä on hyväksyttävää moniin teollisiin sovelluksiin.

Vapaa etikkahappo (käytetään pH:n säätämiseen puskurijärjestelmissä) vähentää korroosion nopeutta. Etikkahappo hidastaa asetaatin hydrolyysiä (yhteinen ionivaikutus) ja alentaa siten OH⁻-pitoisuutta. pH:ssa 7-8 (esim. natriumasetaatti-etikkahappopuskurissa) korroosionopeus on edelleen minimaalinen, alle 0,00002 mm/h. Kuitenkin, jos kontaminaatio (esim. natriumhydroksidilla) saa liuoksen emäksisempään, korroosionopeus kasvaa suhteessa OH-pitoisuuteen. pH 7-9 puskuri erinomainen kvartsin kestävyyteen.

Natriumasetaatin paikallinen kiteytyminen ja pisteytys

Natriumasetaatti liukenee hyvin veteen (46 g/100 ml 20 asteessa, kohoaa lämpötilan mukana). Kuitenkin haihtumisolosuhteissa (esim. nesteen pinnalla tai kuumennetuilla pinnoilla nesteviivan yläpuolella) natriumasetaatti voi kiteytyä trihydraattina tai vedettömänä suolana. Nämä kiteet eivät hyökkää kvartsia vastaan, mutta voivat muodostaa kovan eristävän skaalan kvartsin pinnalle. Kalkki rajoittaa lämmönsiirtoa ja saa alla olevan kvartsin kuumenemaan, mikä voi paikallisesti pahentaa korroosiota (vaikka korroosionopeus on jo hyvin alhainen). Vielä tärkeämpää on, että lämmöneristysvaikutus voi aiheuttaa lämpöjännitystä ja mahdollista kvartsihalkeilua, jos asteikko on epätasainen. Lisäksi natriumasetaattitrihydraatti sulaa 58 asteessa, joten kuumassa järjestelmässä kiteet voivat sulaa ja{11}}kiteytyä uudelleen jäähtyessään, mikä johtaa mekaaniseen rasitukseen kvartsin pintaan. Kiillotettu kvartsipinta estää kiteytymistä ja säännöllinen kuumalla vedellä puhdistettu kalkki hajottaa.

Meniskialue on voimakkaimman kiteytymisen vyöhyke. Kun vesi haihtuu, natriumasetaatti konsentroituu. Liuos ylikyllästyy ja muodostuu kiteitä. Vakaa nestetaso tai höyrysuoja estää meniski-kuoren muodostumisen. Värjäyssovelluksissa, joissa nestetaso muuttuu (esim. kangasta lisättäessä), lämmitetty ylävaippa (yli 100 astetta) estää kiteytymistä, koska natriumasetaatti pysyy sulana tai vesi haihtuu muodostamatta kiinteää kuorta.

Seinämän paksuuden vaikutus kuumien natriumasetaattilämmittimien käyttöikään

Koska tasaisen korroosion nopeudet ovat suhteellisen alhaiset (0,00005–0,0004 mm/tunti), tarvittava korroosiovara 5–10 vuoden laitteiston käyttöikään on vain 0,005–0,04 mm. Seinän paksuutta ei siten määritä korroosion kesto, vaan mekaaninen lujuus, paineenrajoitus (tarvittaessa) sekä lämpöshokin ja käsittelyn vaurioiden kestävyys. Kvartsilämmittimien vakioseinämäpaksuudet (1,5–2,0 mm) ovat enemmän kuin riittävät natriumasetaatin käyttöön. Seinäpaksuuden lisääminen 3,0-4,0 mm:iin ei tuota korroosionetua, vaan lisää lämmönkestävyyttä ja painoa. Toistuvia lämpösyklejä sisältävissä sovelluksissa (esim. erävärjäyskoneet, joissa lämmitintä lämmitetään ja jäähdytetään päivittäin), paksummat seinät voivat kestää paremmin lämpörasituksen aiheuttamaa halkeilua, mutta hyöty on pieni, koska kvartsi kestää jo melko lämpöshokkia . 1.5-2.0 mm seinät täyttävät helposti paineenrajoitusvaatimuksen (yleensä<10 bar) of pressurized dyeing systems running at 120 o C.

Puskurijärjestelmille, joissa on kiertävä ja perusteellisesti suodatettu natriumasetaattiliuos, suositellaan ohuinta mahdollista seinämää (1,5 mm) optimaalisen lämmönsiirron saavuttamiseksi.

Natriumasetaattiliuosten seinämän paksuuden lisääntyminen

Esimerkiksi 30-prosenttisilla natriumasetaattiliuoksilla 95 asteessa on lämmönjohtavuus 0,55-0,60 W/(m·K) jonkin verran alhaisempi kuin puhtaalla vedellä. Tiheys 1,10-1,15 g/cm3, viskositeetti 1,0-1,5 cP. Sekoitetuissa värjäyskoneissa tai puskurisäiliöissä konvektiiviset lämmönsiirtokertoimet ovat välillä 600-1200 W/(m²·K). 1,5 mm:n seinälle R_cond=0.00109 m 2 ·K/W; 3,0 mm seinälle, R_kondit.=0.00217. R_raja=0.00125, k=800 W/m^2.K . Kokonaisvastus 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m2.K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2.K) 32 % lasku. Se on kova rangaistus. Seiniä ei saa paksuntaa, koska se ei anna ylimääräistä korroosiosuojaa. Paras seinämäpaksuus on riittävän mekaanisen lujuuden antava minimi, normaalisti 1,5-2,0 mm.

Skenaario-Kvartsivaipan seinämän paksuuden valintamatriisi kuumalle natriumasetaattipalvelulle

Sovellusskenaario ja toimintaparametrit Perusperusteet määrällisellä kaupalla-Seinän paksuus suositeltu
Tekstiilien värjäyspuskuri (30 % natriumasetaattia, 95 astetta, pH 8, jatkuva kierto, 1 vuoden huolto) 1,5–2,0 mm, vakiolaatu, liekkikiillotettu Korroosionopeus<0.00008 mm/hour → 2.0 mm offers >25 000 tuntia (2,8 vuotta). Liekki-kiillotusaine vähentää kiteen kiinnittymistä. U ≈ 450 W/(m²·K)
Pressure dyeing machine (120°C, 20% sodium acetate, pH 7.5, batch cycles, 5 bar) 1.5 – 2.0 mm, annealed Rate ~0.0003 mm/hr → 2.0 mm gives >6 600 tuntia (9 kuukautta). Eräjaksotettu hehkutettu kvartsi kestää lämpörasitusta. U ≈ 400 W / m 2K .
Natriumasetaattihaihdutin (40 % pitoisuus, 105 astetta, kiteytys, viikoittainen puhdistus) 2,0 mm, vedettynä Korroosio merkityksetön. Seinän paksuus, jota käytetään mekaaniseen lujuuteen puhdistuksen aikana. U ≈ 380 W/(m²·K)
Buffer system High pH (>9,5 pilaantumisesta)2,0 mm, monitorin pH Nopeus nousee arvoon 0,001 mm/h pH:ssa 10. 2.0 mm antaa 2000 tuntia. Säädä pH alle 9:n.
Matalan lämpötilan natriumasetaatti (80 astetta, 25%, elintarvikejalostus) 1,5 mm, standardilaatu Korroosio merkityksetön (<0.00003 mm/hour). The thin wall maximizes the heat transfer. Life >30 000 tuntia
Lisämuutoksia kuuman natriumasetaattilämmittimien suunnitteluun

Seinämän paksuus on nyt riittävä, mutta kvartsilämmittimen käyttöikää. 1. pidentää kolmella tavalla pH-säätö: vapaan hydroksidin pitoisuutta vähennetään lisäämällä vaatimattomia määriä etikkahappoa tai natriumasetaattia tarpeen mukaan, jotta natriumasetaattiliuoksen pH pysyy arvossa 7–9. Palautetta käyttävä pH-säädin voi myös estää emäksisiä poikkeamia, jotka voivat lisätä korroosiota. Toiseksi säännöllinen puhdistus: lämmittimen upottaminen kuumaan deionisoituun veteen (tai laimeaan etikkahappoliuokseen) 1-2 tunniksi liuottaa natriumasetaattikiteitä ja palauttaa lämmönsiirtotehon. Kuukausittainen puhdistus estää kalkin muodostumisen. Kolmanneksi höyrytilan lämmitys: kvartsivaippaan nestelinjan yläpuolelle asennetaan jälkilämmitin, joka pitää pintalämpötilan yli 100 astetta ja estää kiteytymisen ylempään vaippaan. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää höyrykuumennettua höyrysuojaa. Neljänneksi kiillotettu pinta: liekkikiillotettu kvartsipinta minimoi kiteen kiinnittymisen ja mahdollinen hilse on helpompi poistaa puhdistuksen yhteydessä.

Johtopäätös: Kvartsiseinämän paksuuseritelmä kuumalle natriumasetaatille ja kestävyyteen luottavainen

Kvartsisähkölämmittimet soveltuvat erityisen hyvin kuumaan väkevöityyn natriumasetaattikäyttöön 80–120 asteessa tasaisilla korroosionopeuksilla < 0,0004 mm/h näille liuoksille ominaisella pH-alueella 7–9. Vakioseinäpaksuudet 1,5-2,0 mm johtavat 10 000-25 000 tunnin (1-3 vuoden) käyttöikään lämpötilasta riippuen. Korroosiolla on pieni rooli epäonnistumisessa. Suurin ylläpitoongelma ei ole korroosio, vaan natriumasetaattikiteiden kerääntyminen-kvartsin pinnalle, mikä saattaa rajoittaa lämmönsiirtotehokkuutta. Säännöllinen puhdistus, höyrytilan lämmitys ja tasainen nestetaso takaavat parhaan kiteytymisen hallinnan. Paksummat seinät (3,0-4,0 mm) eivät hyödytä korroosiota ja niiden lämpökustannukset ovat 30-35 %, joten niitä ei suositella. Hehkutettu kvartsi 1,5–2,0 mm:n seinämillä tarjoaa poikkeuksellisen kestävyyttä paineistetuille järjestelmille tai lämpökiertoon kohdistuviin sovelluksiin. Kun tilaat natriumasetaattilämmittimien hintoja, ilmoita pitoisuus, käyttölämpötila, pH-alue, arvioitu kiteytystaajuus ja puhdistusrutiini. Tämän ansiosta valmistaja voi ehdottaa parasta seinäpaksuutta, yleensä 1,5–2,0 mm, energiatehokkaalle ja pitkäkestoiselle suorituskyvylle tekstiilien värjäyksessä, puskurijärjestelmissä ja muissa natriumasetaatin käsittelysovelluksissa.