Kaip karštas koncentruotas natrio acetato tirpalas (20–40 %) 80–120 laipsnių temperatūroje pakeičia kritinį kvarco apvalkalo sienelės storį dažant pagalbinius ir buferinės sistemos šildytuvus?

Karštas natrio acetato ataka ant lydyto silicio dioksido, sukelta lengvos hidrolizės

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- ->SiO3(2-) + H2O. Taip pat acetato jonai gali sudaryti kompleksus su siliciu, tačiau jie yra silpni. Tyrimo metu vertinama natrio acetato koncentracijos (20–40%), temperatūros (80–120 laipsnių) ir tirpalo pH įtaka vienodam lydyto silicio dioksido korozijos greičiui. Išvestas reikalingas kvarco apvalkalo sienelių storis praktiniams priežiūros intervalams (nuo 5 000 iki 20 000 valandų) tekstilės dažymo ir buferinės sistemos šildytuvuose ir aptariamas didesnių sienų šiluminis poveikis šiame didelio tankio druskos tirpale.

Hidroksido sukelta lydyto silicio dioksido korozija karštame natrio acetate: korozijos kinetika

Hidroksido jonai, atsirandantys dėl acetato hidrolizės, yra atsakingi už kvarco koroziją karštame natrio acetate. 25 laipsnių temperatūroje hidrolizės konstanta yra K_h=K_w/K_a=1e-14/1,8e-5=5.6e-10. Natrio acetato pH apskaičiuojamas taip. 30 % natrio acetato tirpalo (~ 3,7 M) pH esant 25 °C yra ~ 9.4 . [OH-]=kv.t. (K_h * C)=kv.=4.55e-5 M pOH=4.34 pH=9.66 K_w padidėja iki maždaug 5,5e-13 esant 100 laipsnių ir K_a, kai pakinta acto rūgštis (šiek tiek padidėja), todėl skaičiavimas tampa sudėtingesnis, nors pH paprastai padidinamas iki 9,5-10,0. Esant pH 9,5–10,0, OH⁻ koncentracija yra nuo 10⁻⁻⁻4 iki 10⁻⁵ M, to pakanka, kad susidarytų lėta, bet pastebima kvarco korozija.

Didelio grynumo lydyto kvarco panardinimo į 30% natrio acetatą 95 laipsnių temperatūroje bandymas rodo pastovų 0,00005–0,0001 mm/val. korozijos greitį. Esant 120 laipsnių (esant slėgiui, pvz., slėginio dažymo mašinoje) greitis pakyla iki 0,0002–0,0004 mm/val. 80 laipsnių kampu greitis yra mažesnis nei 0,00003 mm/val. Priešingai, 0,001 M NaOH (pH 11) 95 laipsnių kampu ėsdina kvarcą 0,005 mm/val. greičiu, dviem eilėmis greičiau. Mažas korozijos greitis atsiranda dėl mažos pastovios OH⁻ koncentracijos natrio acetato tirpaluose. 2,0 mm kvarco apvalkalas 30 % natrio acetate 95 laipsnių temperatūroje prarastų 0,00008 mm/val × 25 000 valandų=2.0 mm per maždaug 25 000 valandų (2,8 metų) tarnavimo laiką. 1,5 mm siena suteikia 18 750 valandų (2,1 metų). Todėl kvarcas yra gana stabilus karštame natrio acetate, o vienoda korozija retai riboja gyvenimą. 2,0 mm siena 120 laipsnių kampu vis tiek suteikia 5000–10 000 valandų (7–14 mėnesių) naudojimo, o tai priimtina daugeliui pramonės sričių.

Laisva acto rūgštis (naudojama pH reguliuoti buferinėse sistemose) mažina korozijos greitį. Acto rūgštis sulėtina acetato hidrolizę (bendras jonų veikimas) ir todėl sumažina OH⁻ koncentraciją. Esant pH 7-8 (pvz., natrio acetato-acto rūgšties buferyje), korozijos greitis vis dar yra minimalus, mažesnis nei 0,00002 mm/val. Tačiau jei dėl užteršimo (pvz., natrio hidroksidu) tirpalas tampa šarmesnis, korozijos greitis didėja proporcingai OH- koncentracijai. pH 7-9 buferis puikiai tinka kvarco patvarumui.

Lokalizuota natrio acetato kristalizacija ir įdubimas

Natrio acetatas labai gerai tirpsta vandenyje (46 g/100 ml 20 laipsnių temperatūroje, kylant temperatūrai). Tačiau garavimo sąlygomis (pvz., ant skysčio paviršiaus arba ant įkaitusių paviršių virš skysčio linijos) natrio acetatas gali kristalizuotis kaip trihidratas arba bevandenė druska. Šie kristalai nepuola kvarco, bet gali sukurti kietą izoliacinę skalę ant kvarco paviršiaus. Skalė riboja šilumos perdavimą ir priverčia apatinį kvarcą įkaisti, o tai gali lokaliai sustiprinti koroziją (nors korozijos greitis jau labai mažas). Dar svarbiau, kad dėl šiluminės izoliacijos poveikio gali atsirasti šiluminis įtempis ir galimi kvarco įtrūkimai, jei skalė yra netolygi. Be to, natrio acetato trihidratas tirpsta 58 laipsnių temperatūroje, todėl karštoje sistemoje kristalai gali išsilydyti ir vėl{11}}kristalizuotis vėsdami, todėl kvarco paviršiuje atsiranda mechaninis įtempis. Poliruotas kvarco paviršius neleidžia kristalizuotis, o periodiškas valymas karštu vandeniu ištirpdo nuosėdas.

Menisko sritis yra intensyviausios kristalizacijos zona. Vandeniui išgaruojant natrio acetatas tampa labiau koncentruotas. Tirpalas tampa persotintas ir susidaro kristalai. Stabilus skysčio lygis arba garų skydas stabdo menisko -plutos susidarymą. Dažant, kai keičiasi skysčio lygis (pvz., pridedant audinio), įkaitintas viršutinis apvalkalas (virš 100 laipsnių) slopina kristalizaciją, nes natrio acetatas lieka išsilydęs arba vanduo išgaruoja nesudarydamas kietos plutos.

Sienelės storio įtaka karštų natrio acetato šildytuvų tarnavimo laikui

Kadangi tolygios korozijos greitis yra santykinai mažas (0,00005–0,0004 mm/val.), korozijos pašalpa, reikalinga 5–10 metų įrangos eksploatavimo laikui, yra tik 0,005–0,04 mm. Todėl sienelės storį lemia ne atsparumas korozijai, o mechaninis stiprumas, atsparumas slėgiui (jei reikia) ir atsparumas šiluminiam smūgiui bei pažeidimams tvarkant. Standartinio kvarcinių šildytuvų sienelių storio (1,5–2,0 mm) pakanka naudoti natrio acetatą. Sienelės storio padidinimas iki 3,0-4,0 mm nesuteikia korozijos pranašumo, tiesiog padidėja šiluminė varža ir svoris. Tais atvejais, kai naudojami pasikartojantys terminiai ciklai (pvz., serijinio dažymo mašinos, kuriose šildytuvas šildomas ir aušinamas kasdien), storesnės sienos gali būti atsparesnės įtrūkimams dėl šiluminio įtempimo, tačiau nauda nedidelė, nes kvarcas jau gana atsparus šiluminiam smūgiui . 1.5-2.0 mm sienos lengvai atitinka slėgio izoliavimo reikalavimą (paprastai<10 bar) of pressurized dyeing systems running at 120 o C.

Buferinėms sistemoms su cirkuliuojančiu ir kruopščiai filtruotu natrio acetato tirpalu rekomenduojama naudoti ploniausią įmanomą sienelę (1,5 mm), kad būtų užtikrintas optimalus šilumos perdavimas.

Šiluminė bauda dėl padidėjusio sienelės storio natrio acetato tirpaluose

Pavyzdžiui, 30 % natrio acetato tirpalų 95 laipsnių temperatūroje šilumos laidumas yra 0,55–0,60 W/(m·K) šiek tiek mažesnis nei gryno vandens. Tankis 1,10-1,15 g/cm3, klampumas 1,0-1,5 cP. Maišomose dažymo mašinose arba buferinėse talpyklose konvekciniai šilumos perdavimo koeficientai yra 600-1200 W/(m²·K) ribose. 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m 2 ·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond=0.00217. R_riba=0.00125 , h=800 W/m^2.K . Bendras atsparumas 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m2.K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2.K) 32 % sumažėjimas. Tai sunki bausmė. Sienos neturėtų būti storesnės, nes tai nesuteikia papildomos apsaugos nuo korozijos. Geriausias sienelės storis yra minimalus, užtikrinantis pakankamą mechaninį stiprumą, paprastai 1,5-2,0 mm.

Scenarijus-Kvarcinio apvalkalo sienelės storio pasirinkimo matrica karšto natrio acetato paslaugai

Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai Pagrindinis loginis pagrindas su kiekybine prekyba{0}}Rekomenduojamas ne sienos storis
Tekstilės dažymo buferis (30 % natrio acetato, 95 laipsniai, pH 8, nuolatinė cirkuliacija, 1 metų priežiūra) 1,5–2,0 mm, standartinė klasė, poliruotas liepsna Korozijos greitis<0.00008 mm/hour → 2.0 mm offers >25 000 valandų (2,8 metų). Liepsnos-poliravimas sumažina kristalo sukibimą. 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 >6600 val. (9 mėn.). Atkaitintas atkaitintas kvarcas yra atsparus šiluminiam poveikiui. U ≈ 400 W / m 2K .
Natrio acetato garintuvas (40 % koncentracija, 105 laipsniai, kristalizacija, valymas kas savaitę) 2,0 mm, kaip-ištrauktas Korozija nežymi. Sienelės storis, naudojamas mechaniniam atsparumui valymo metu. U ≈ 380 W/(m²·K)
Buffer system High pH (>9,5 nuo taršos) 2,0 mm, monitoriaus pH Greitis padidėja iki 0,001 mm/val, kai pH 10. 2.0 mm suteikia 2000 val. Kontroliuokite pH iki žemiau 9.
Žemos temperatūros natrio acetatas (80 laipsnių, 25%, maisto perdirbimas) 1,5 mm, standartinė klasė Korozija nežymi (<0.00003 mm/hour). The thin wall maximizes the heat transfer. Life >30 000 valandų
Papildomi karšto natrio acetato šildytuvų dizaino pakeitimai

Sienelės storis dabar yra pakankamas, tačiau naudojami trys būdai, kaip padidinti kvarco šildytuvo tarnavimo laiką. 1. pH kontrolė: laisvojo hidroksido koncentracija slopinama pridedant nedidelius kiekius acto rūgšties arba natrio acetato, kad natrio acetato tirpalo pH būtų 7–9. PH reguliatorius naudojant grįžtamąjį ryšį taip pat gali užkirsti kelią šarminiams poslinkiams, kurie gali padidinti koroziją. Antra, periodinis valymas: šildytuvo panardinimas į karštą dejonizuotą vandenį (arba į praskiestą acto rūgšties tirpalą) 1-2 valandoms ištirpina natrio acetato kristalus ir atkuria šilumos perdavimo efektyvumą. Kasmėnesinė valymo procedūra padės išvengti apnašų susidarymo. Trečia, garų erdvės šildymas: ant kvarco apvalkalo virš skysčio linijos sumontuotas pėdsakų šildytuvas, kad paviršiaus temperatūra būtų aukštesnė nei 100 laipsnių ir kad viršutiniame apvalkale nesikristalizuotų. Arba galima naudoti garais šildomą garų skydą. Ketvirta, poliruotas paviršius: liepsna poliruotas kvarco paviršius sumažina kristalo sukibimą, o valant lengviau pašalinamos apnašos.

Išvada: kvarco sienelės storio specifikacija karštam natrio acetatui, užtikrinanti patvarumą

Kvarciniai panardinamieji šildytuvai ypač gerai pritaikyti karšto koncentruoto natrio acetato eksploatavimui esant 80–120 laipsnių temperatūrai, esant vienodam korozijos greičiui < 0,0004 mm/val. esant šiems tirpalams būdingo pH 7–9 diapazone. Standartinis 1,5-2,0 mm sienelių storis lemia 10 000-25 000 valandų (1-3 metų) tarnavimo laiką, priklausomai nuo temperatūros. Korozija vaidina nedidelį vaidmenį gedimo atveju. Pagrindinė priežiūros problema yra ne korozija, o natrio acetato kristalų,{27}}kurių susikaupimas ant kvarco paviršiaus, kuris gali apriboti šilumos perdavimo efektyvumą. Periodiškas valymas, garų erdvės šildymas ir pastovus skysčio lygis užtikrina geriausią kristalizacijos kontrolę. Storesnės sienos (3,0–4,0 mm) nesuteikia jokios naudos nuo korozijos, o jų šiluminė kaina yra 30–35%, todėl nerekomenduojama. Atkaitintas kvarcas su 1,5–2,0 mm sienelėmis užtikrina išskirtinį patvarumą slėginėms sistemoms arba darbams, kuriems taikomas terminis ciklas. Užsakydami natrio acetato šildytuvų kainas, nurodykite koncentraciją, darbo temperatūrą, pH diapazoną, numatomą kristalizacijos dažnį ir valymo tvarką. Tai leidžia gamintojui pasiūlyti geriausią sienelės storį, paprastai nuo 1,5 iki 2,0 mm, kad būtų galima efektyviai naudoti energiją, ilgalaikį tekstilės dažymo, buferinių sistemų ir kitų natrio acetato apdorojimo sistemų veikimą.