Kaip karštas koncentruotas kalio permanganato tirpalas (3–6%) 70–90 laipsnių temperatūroje pakeičia reikiamą kvarco apvalkalo sienelės storį vandens valymo ir organinės oksidacijos šildytuvams?

Karšto kalio permanganato oksidacinis ir nuosėdų sukeltas lydyto silicio dioksido ataka

Kalio permanganatas (KMnO 4 ) yra stipriai oksiduojanti cheminė medžiaga, naudojama vandens valymui (geležies, mangano ir vandenilio sulfido pašalinimui), organinei sintezei (alkoholių ir aldehidų oksidacijai) ir oro valymui. Tipinės pramoninės koncentracijos yra 3-6 masės % vandeniniame tirpale, 70-90 laipsnių darbinė temperatūra, siekiant pagreitinti oksidacijos reakcijas arba išsaugoti tirpumą (kalio permanganato tirpumas didėja didėjant temperatūrai). Kartais kvarciniai panardinamieji šildytuvai yra skirti permanganato priežiūrai, nes lydytas silicio dioksidas yra labai atsparus oksidacijai, o ne permanganato skaidymo katalizatorius. Tačiau karštas koncentruotas kalio permanganatas suteikia naują kvarco skaidymo būdą, kuris nėra cheminė korozija klasikine prasme, o veikiau mangano dioksido (MnO₂) nusėdimo ir terminio įtempio derinys. Esant aukštai temperatūrai, permanganatas yra nestabilus ir suyra, sudarydamas 4MnO₂ + 4KOH + 3O₂ iš 4KMnO₄ + 2H₂O. Reakciją pagreitina šiluma, šviesa ir specifiniai katalizatoriai. Skilimo produktas mangano dioksidas nusėda nuo tamsiai rudos iki juodos spalvos nuosėdų ant kvarco paviršiaus. Šios nuosėdos yra šilumą izoliuojančios, lipnios ir sukuria karštas vietas, kurios gali sukelti vietinį perkaitimą ir terminį įtampą. Kalio hidroksidas, susidaręs skylant, taip pat gali pažeisti kvarcą dėl šarminės korozijos. Tyrimo metu vertinama KMnO₄ koncentracijos (3–6%), temperatūros (70–90 laipsnių) ir tirpalo pH įtaka MnO₂ nusėdimo greičiui, taigi ir kvarco šildytuvo veikimui. Apskaičiuojamas reikalingas kvarco apvalkalo sienelių storis praktiniams vandens valymo ir oksidacijos šildytuvų aptarnavimo intervalams (1 000–5 000 valandų), taip pat storesnių sienų šiluminė nuobauda šiame tankiame, didelio specifiškumo šilumos tirpale.

Permanganato skilimo ir MnO2 nusodinimo kinetika

Kalio permanganato terminis skilimas vandeniniame tirpale vyksta pagal permanganato koncentracijos pirmosios eilės kinetiką. Esant temperatūrai, skilimo greitis didėja eksponentiškai, kai aktyvacijos energija yra apie 75–85 kJ/mol. 5 % KMnO4 pusinės eliminacijos laikas yra apie 200–300 valandų esant 70 laipsnių, 80–120 valandų esant 80 laipsnių ir 30–50 valandų esant 90 laipsnių temperatūrai. Permanganato skilimas nusodina smulkią MnO₂ dalelę. Šios dalelės lengvai prisitvirtins prie karštų paviršių, įskaitant kvarco apvalkalus. Nusėdimo greitis ne tik atitinka suskirstymo greitį. Esant didesniems šilumos srautams, MnO 2 dalelės patiria termoforetines jėgas, kurios skatina jas link įkaitinto kvarco paviršiaus. Taigi nuosėdų sluoksnis ant šildytuvo didėja greičiau nei biriame tirpale.

Nusodinto MnO₂ sluoksnio šilumos laidumas yra labai mažas (apie 0,5–1,0 W/(m·K) akytai formai, žymiai mažesnis nei kvarco esant 1,38 W/(m·K)). 0,1 mm storio MnO2 nuosėdų šiluminė varža yra panaši į 0,1–0,2 mm papildomo kvarco sienelės storio, tačiau svarbus skirtumas yra tas, kad nuosėdos nėra-vienodos ir gali nuskilti. Dar svarbiau, kad nuosėdos sudaro karštąsias vietas, vietas, kuriose nuosėdos yra storesnės, izoliuojančios kvarcą ir padidinančios pagrindinio kvarco temperatūrą. 0,2 mm MnO₂ nuosėdos, kurių šilumos srautas yra 8 W/cm², gali pakelti kvarco paviršiaus temperatūrą 15–25 laipsniais. Aukštesnė temperatūra lokaliai sustiprina permanganato skilimą, todėl susidaro teigiamas grįžtamasis ryšys. Per kelias valandas ar dienas gali susidaryti stora pluta. Tai labai sumažina šilumos perdavimą, todėl kvarcas gali perkaisti ir sulūžti dėl šiluminio streso.

The decomposition yields potassium hydroxide (4KOH for 4KMnO4, i.e. equimolar) which elevates the pH of the solution. Complete decomposition of 5% KMnO4 would generate about 1.5% KOH which is very alkaline (pH>13). Praktiškai tirpalas yra buferinis MnO 2 ir kitų mangano rūšių. Tačiau pH gali padidėti iki 10–12 šalia kvarco paviršiaus, kur skilimas yra aktyviausias. Esant šarminėms sąlygoms (pH nuo 10 iki 12), kvarcas rūdija nuo 0,0005 iki 0,005 mm/val., priklausomai nuo temperatūros. Ši cheminė ataka kartu su terminiu įtempimu, kurį sukelia MnO2 nuosėdos, gali sukelti gedimą dėl sienelės susilpnėjimo arba įtrūkimų.

Sienų storio įtaka permanganato šildytuvų tarnavimo laikui

Pagrindiniai skilimo mechanizmai yra terminis įtempis dėl nuosėdų ir šarminė korozija dėl skilimo šalutinių produktų. Todėl sienelės storio padidėjimas turi sudėtingą poveikį. Vien tik šarminės korozijos atveju tarnavimo laikas yra proporcingas sienelės storiui. Pavyzdžiui, esant 85 laipsniams ir vietiniam pH 11 (korozijos greitis ~0,001 mm/val.), 2,0 mm siena suteikia 2000 valandų, 3,0 mm siena 3000 valandų. Tačiau gedimas dėl įtrūkimų dėl nuosėdų susidariusio šiluminio įtempio kartais įvyksta gerokai prieš sienelės perforaciją dėl vienodos korozijos. Storesnės sienos yra atsparesnės trūkinėjimui dėl didesnio mechaninio stiprumo ir gebėjimo atlaikyti aukštesnius temperatūros gradientus be įtrūkimų. 3,0 mm siena gali atlaikyti maždaug 60–70 laipsnių temperatūros skirtumą per visą storį, o 1,5 mm siena gali atlaikyti tik 40–50 laipsnių. Dėl to dėl nevienodo MnO2 nusėdimo storesnės sienos suteikia didesnę saugos ribą šiluminiam šokui. Siūlomas permanganato eksploatavimo būdas apima pakankamai storą sienelę (2,5–3,0 mm), kad būtų išvengta korozijos ir atsparumo šiluminiam poveikiui, ir periodiškai valyti, kad būtų pašalintos MnO2 nuosėdos.

Daugumoje vandens valymo įrenginių, kai permanganatas nuolat tiekiamas mažomis koncentracijomis (1–3%), o šildytuvai veikia 70–80 laipsnių temperatūroje, 2,0–2,5 mm sienelės storis, valant kas savaitę, yra praktiška. Esant didesnei koncentracijai arba aukštai temperatūrai, reikia dažniau valyti arba naudoti alternatyvius šildymo būdus (pvz., garų įpurškimas).

Storesnių sienų šiluminė nuobauda permanganato tirpaluose

5% kalio permanganato tirpalų šilumos laidumas 80 laipsnių temperatūroje yra apie 0,55–0,60 W/(m·K), panašus į vandens. Tankis: 1,03-1,05 g/cm3, klampumas: 0,8-1,0 cP. Sumaišyti rezervuarai Konvekciniai šilumos perdavimo koeficientai 600-1200 W/(m2-K) 2,0 mm sienai R_kond=0.00145 m²·K/W 3,0 mm sienai R_kond=0.00217 h=800 W/m 2 K, R riba {1} bendra varža {{} U20} W/(m2K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2K) 21 % sumažinimas Ši bauda yra vidutinė, tačiau priimtina, atsižvelgiant į atsparumo šiluminiams įtempiams poreikį.

Kvarcinio apvalkalo sienelės storio pasirinkimo matrica karštai KMnO4 tarnybai (pagal scenarijų)

Naudojimo atvejis ir eksploatavimo sąlygosRekomenduojamas sienos storio pagrindas su kiekybine prekyba{0}}
Vandens valymas (3 % KMnO4, 75 laipsniai, nuolatinis, kassavaitinis valymas, 6 mėnesių priežiūra) 2,0–2,5 mm, standartinė klasė, poliruotas liepsna Vidutinis nuosėdų susidarymas. Šiluminio įtempio riba pateikiama 2,5 mm. Liepsnos poliravimas sumažina nuosėdų sukibimą. U ≈ 380 W/m2 · K.
Organinės oksidacijos reaktorius (5% KMnO4, 85 laipsniai, partija, 8 val. ciklai, valomas po kiekvienos partijos) 2,5–3,0 mm, kaip-ištrauktas Greitas gedimas. 3.0 mm Atsparus šiluminiam smūgiui, kai susidaro karštos vietos. Po kiekvienos partijos reikia išvalyti. U ≈ 320 W/m 2 K ).
Aukšta temperatūra (90 laipsnių, 6%, bet koks darbo ciklas) permanganatas, ne kvarcas – rinkitės titaną arba plieną su stikliniu pamušalu. Skilimo pus- trukmė<30 hours. Deposit in days. Another way to heat the room is recommended.
1.5 – 2.0 mm, standard grade Slow decomposition. Low concentration permanganate (1%, 70°C, continuous, good filtering) 2.0 mm yields >5000 valandų su mėnesiniu valymu. U ~ 450 W/(m2.K).
Papildomi konstrukcijos pakeitimai: Reguliarus valymas atliekamas silpna oksalo rūgštimi arba natrio bisulfitu, kad ištirptų susikaupęs MnO2. Skilimas sumažinamas, kai šilumos srautas < 5 W/cm2. MnO2 dalelės filtruojamos, kad būtų išvengta nuosėdų susidarymo.