W jaki sposób gorący stężony roztwór octanu sodu (20–40%) o temperaturze 80–120 stopni zmienia krytyczną grubość ścianki kwarcowej osłony dla grzejników pomocniczych i buforowych do barwienia?

Atak gorącego octanu sodu na topioną krzemionkę powodowany łagodną hydrolizą

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. Również jony octanowe mogą tworzyć kompleksy z krzemem, ale są one słabe. W badaniu oceniano wpływ stężenia octanu sodu (20–40%), temperatury (80–120 stopni) i pH roztworu na równomierną szybkość korozji topionej krzemionki. Wyprowadzono wymaganą grubość ścianki osłony kwarcowej dla praktycznych okresów międzyobsługowych (5 000 do 20 000 godzin) w przypadku farbowania tekstyliów i grzejników z systemem buforowym oraz omówiono wpływ termiczny większych ścian w tym roztworze soli o dużej gęstości.

Korozja wodorotlenkowa topionej krzemionki w gorącym octanie sodu: kinetyka korozji

Jony wodorotlenkowe powstałe w wyniku hydrolizy octanu są odpowiedzialne za korozję kwarcu w gorącym octanie sodu. W temperaturze 25 stopni stała hydrolizy wynosi K_h=K_w/K_a=1e-14/1,8e-5=5.6e-10. Wartość pH octanu sodu oblicza się w następujący sposób. Dla 30% roztworu octanu sodu ( ~ 3,7 M ) pH w 25°C wynosi ~ 9.4 . [ OH- ]=sqrt ( K_h * C )=sqrt ( 5.6e-10 * 3.7 )=sqrt ( 2.07e-9 )=4.55e-5 M pOH=4.34 pH=9.66 K_w wzrasta do około 5,5e-13 przy 100 stopniach, a K_a w przypadku zmian kwasu octowego (nieznaczny wzrost), dlatego obliczenia stają się bardziej złożone, chociaż pH zwykle wzrasta do 9,5–10,0. Przy pH 9,5–10,0 stężenie OH⁻ wynosi od 10⁻⁴ do 10⁻⁵ M, co jest wystarczające do wywołania powolnej, ale zauważalnej korozji kwarcu.

Test zanurzeniowy topionego kwarcu o wysokiej czystości w 30% octanie sodu w temperaturze 95 stopni wskazuje stałą szybkość korozji wynoszącą 0,00005–0,0001 mm/h. W temperaturze 120 stopni (pod ciśnieniem, np. w farbiarce ciśnieniowej) szybkość wzrasta do 0,0002–0,0004 mm/h. Przy 80 stopniach szybkość jest mniejsza niż 0,00003 mm/h. Natomiast 0,001 M NaOH (pH 11) w temperaturze 95 stopni powoduje korozję kwarcu z szybkością 0,005 mm/godzinę, dwa rzędy wielkości szybciej. Niska szybkość korozji wynika z niskiego stężenia OH⁻ w stanie ustalonym w roztworach octanu sodu. Osłona kwarcowa o średnicy 2,0 mm w 30% octanie sodu w temperaturze 95 stopni utraciłaby 0,00008 mm/godzinę × 25 000 godzin=2.0 mm w ciągu około 25 000 godzin (2,8 roku). Ściana o grubości 1,5 mm daje 18 750 godzin (2,1 roku). Dlatego kwarc jest dość stabilny w gorącym octanie sodu, a jednolita korozja rzadko stanowi problem ograniczający życie. Ściana o grubości 2,0 mm pod kątem 120 stopni nadal zapewnia od 5000 do 10 000 godzin (od 7 do 14 miesięcy), co jest akceptowalne w wielu zastosowaniach przemysłowych.

Wolny kwas octowy (stosowany do regulacji pH w układach buforowych) zmniejsza szybkość korozji. Kwas octowy spowalnia hydrolizę octanu (wspólne działanie), a tym samym obniża stężenie OH⁻. Przy pH 7-8 (np. w buforze octanu sodu-kwasie octowym) szybkość korozji jest nadal minimalna, poniżej 0,00002 mm/h. Jeśli jednak zanieczyszczenie (np. wodorotlenkiem sodu) powoduje, że roztwór staje się bardziej zasadowy, szybkość korozji wzrasta proporcjonalnie do stężenia OH. Bufor o pH 7-9, doskonały pod względem trwałości kwarcu.

Miejscowa krystalizacja i wżery octanu sodu

Octan sodu jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie (46 g/100 ml w temperaturze 20 stopni, rosnąc wraz z temperaturą). Jednakże w warunkach parowania (np. na powierzchni cieczy lub na ogrzanych powierzchniach powyżej linii cieczy) octan sodu może krystalizować w postaci trihydratu lub bezwodnej soli. Kryształy te nie atakują kwarcu, ale mogą tworzyć twardą warstwę izolującą na powierzchni kwarcu. Kamień ogranicza przenoszenie ciepła i powoduje, że leżący pod spodem kwarc staje się bardziej gorący, co może lokalnie zaostrzyć korozję (chociaż szybkość korozji jest już bardzo niska). Co ważniejsze, efekt izolacji termicznej może skutkować naprężeniami termicznymi i możliwym pękaniem kwarcu, jeśli zgorzelina jest nierówna. Ponadto trójhydrat octanu sodu topi się w temperaturze 58 stopni, dlatego w gorącym układzie kryształy mogą się stopić i-rekrystalizować po ochłodzeniu, co powoduje naprężenia mechaniczne na powierzchni kwarcu. Polerowana powierzchnia kwarcu zapobiega krystalizacji, a okresowe czyszczenie gorącą wodą rozpuszcza kamień.

Obszar menisk jest strefą najintensywniejszej krystalizacji. W miarę odparowywania wody octan sodu staje się bardziej stężony. Roztwór staje się przesycony i tworzą się kryształy. Stabilny poziom cieczy lub osłona parowa hamuje tworzenie się menisk-skorupy. W zastosowaniach barwiących, w których zmienia się poziom cieczy (np. podczas dodawania tkaniny), podgrzana górna osłona (powyżej 100 stopni) hamuje krystalizację, ponieważ octan sodu pozostaje stopiony lub woda odparowuje bez tworzenia stałej skorupy.

Wpływ grubości ścianki na żywotność gorących grzejników na octan sodu

Ponieważ szybkość równomiernej korozji jest stosunkowo niska (0,00005–0,0004 mm/godz.), naddatek na korozję wymagany dla 5–10-letniego okresu eksploatacji sprzętu wynosi jedynie 0,005–0,04 mm. Dlatego też grubość ścianki nie jest określana na podstawie naddatku na korozję, ale na podstawie wytrzymałości mechanicznej, utrzymywania ciśnienia (w stosownych przypadkach) oraz odporności na szok termiczny i uszkodzenia podczas manipulacji. Standardowe grubości ścianek grzejników kwarcowych (1,5 do 2,0 mm) są więcej niż wystarczające do stosowania octanu sodu. Zwiększenie grubości ścianki do 3,0-4,0 mm nie zapewnia korzyści antykorozyjnych, a jedynie zwiększa odporność termiczną i wagę. W zastosowaniach obejmujących powtarzające się cykle termiczne (np. maszyny do farbowania wsadowego, w których grzejnik jest codziennie podgrzewany i chłodzony) grubsze ściany mogą być bardziej odporne na pękanie naprężeniowe, ale korzyść jest niewielka, ponieważ kwarc jest już dość odporny na szok termiczny.. 1.5-2.0 Ściany o mm z łatwością spełniają wymagania dotyczące utrzymywania ciśnienia (zwykle<10 bar) of pressurized dyeing systems running at 120 o C.

W przypadku systemów buforowych z krążącym i dokładnie przefiltrowanym roztworem octanu sodu zaleca się najcieńszą możliwą ściankę (1,5 mm), aby zapewnić optymalną transmisję ciepła.

Kara termiczna w postaci zwiększonej grubości ścianki w roztworach octanu sodu

Na przykład 30% roztwory octanu sodu o temperaturze 95 stopni wykazują przewodność cieplną na poziomie 0,55-0,60 W/(m·K) nieco niższą niż czysta woda. Gęstość 1,10-1,15 g/cm3, lepkość 1,0-1,5 cP. W farbiarniach z mieszaniem lub zbiornikach buforowych współczynniki konwekcyjnego przenikania ciepła mieszczą się w zakresie 600-1200 W/(m²·K). Dla ściany o grubości 1,5 mm R_cond=0.00109 m 2 ·K/W; dla ściany o grubości 3,0 mm, R_cond=0.00217. R_boundary=0.00125 , h=800 W/m^2,K. Opór całkowity dla 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m2.K) Dla 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2.K) spadek o 32%. To wysoka kara. Ściany nie powinny być grubsze, ponieważ nie zapewnia to dodatkowej ochrony przed korozją. Najlepsza grubość ścianki to minimalna grubość zapewniająca wystarczającą wytrzymałość mechaniczną, zwykle 1,5-2,0 mm.

Scenariusz-Macierz doboru grubości ścianki osłony kwarcowej na podstawie gorącego octanu sodu

Scenariusz zastosowania i parametry operacyjne Podstawowe uzasadnienie z ilościowym wymianą-Zalecana jest inna grubość ścianki
Bufor do barwienia tekstyliów (30% octan sodu, 95 stopni, pH 8, ciągły obieg, konserwacja 1 rok) 1,5–2,0 mm, gatunek standardowy, polerowany ogniowo Stopień korozji<0.00008 mm/hour → 2.0 mm offers >25 000 godzin (2,8 roku). Polerowanie ogniowe-zmniejsza przyczepność kryształu. 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 godzin (9 miesięcy). Kwarc wyżarzany cyklicznie jest odporny na naprężenia termiczne. U ≈ 400 W/m2K.
Parownik octanu sodu (stężenie 40%, 105 stopni, krystalizacja, cotygodniowe czyszczenie) 2,0 mm, zgodnie z-rysunkiem. Korozja nieznaczna. Grubość ścianki stosowana do wytrzymałości mechanicznej podczas czyszczenia. U ≈ 380 W/(m²·K)
Buffer system High pH (>9,5 z zanieczyszczeń) 2,0 mm, monitoruj pH. Wzrost szybkości do 0,001 mm/h przy pH 10. 2.0 mm daje 2000 godzin. Kontroluj pH poniżej 9.
Niskotemperaturowy octan sodu (80 stopni, 25%, przetwórstwo spożywcze) 1,5 mm, standardowy gatunek Korozja nieznaczna (<0.00003 mm/hour). The thin wall maximizes the heat transfer. Life >30 000 godzin
Dodatkowe zmiany konstrukcyjne dla grzejników z gorącym octanem sodu

Grubość ścianki jest obecnie wystarczająca, ale stosuje się trzy sposoby wydłużenia żywotności grzejnika kwarcowego.. 1. Kontrola pH: stężenie wolnego wodorotlenku jest tłumione przez dodanie niewielkich objętości kwasu octowego lub octanu sodu, ile potrzeba, aby utrzymać pH roztworu octanu sodu na poziomie 7–9. Kontroler pH wykorzystujący sprzężenie zwrotne może również zapobiegać wahaniom zasadowym, które mogą zwiększać korozję. Po drugie, okresowe czyszczenie: zanurzenie grzejnika w gorącej wodzie dejonizowanej (lub w rozcieńczonym roztworze kwasu octowego) na 1-2 godziny powoduje rozpuszczenie kryształów octanu sodu i przywrócenie sprawności wymiany ciepła. Comiesięczna procedura czyszczenia zapobiegnie gromadzeniu się kamienia. Po trzecie, ogrzewanie przestrzeni parowej: na osłonie kwarcowej powyżej linii cieczy zainstalowano grzejnik śladowy, aby utrzymać temperaturę powierzchni powyżej 100 stopni i zapobiec krystalizacji w górnej osłonie. Alternatywnie można zastosować osłonę parową podgrzewaną parą. Po czwarte, wypolerowana powierzchnia: wypolerowana ogniowo powierzchnia kwarcu minimalizuje przywieranie kryształów, a kamień można łatwiej usunąć podczas czyszczenia.

Wniosek: Specyfikacja grubości ścianki kwarcu dla gorącego octanu sodu z pewnością co do trwałości

Kwarcowe podgrzewacze zanurzeniowe są szczególnie dobrze przystosowane do obsługi gorącego stężonego octanu sodu w temperaturze 80–120 stopni przy równomiernej szybkości korozji < 0,0004 mm/godz. w zakresie pH 7–9 charakterystycznym dla tych roztworów. Standardowa grubość ścianek wynosząca 1,5-2,0 mm zapewnia trwałość użytkową wynoszącą 10 000-25 000 godzin (1-3 lata), w zależności od temperatury. Korozja odgrywa niewielką rolę w awariach. Głównym problemem związanym z konserwacją nie jest korozja, ale-odkładanie się kryształów octanu sodu na powierzchni kwarcu, co może ograniczać skuteczność wymiany ciepła. Okresowe czyszczenie, ogrzewanie przestrzeni parowej i stały poziom cieczy zapewniają najlepszą kontrolę krystalizacji. Grubsze ścianki (3,0-4,0 mm) nie zapewniają żadnych korzyści antykorozyjnych, a koszt cieplny wynosi 30-35% i dlatego nie są zalecane. W przypadku systemów ciśnieniowych lub zastosowań podlegających cyklom termicznym wyżarzany kwarc o ściankach 1,5–2,0 mm zapewnia wyjątkową trwałość. Przy zamawianiu cen podgrzewaczy na octan sodu należy podać stężenie, temperaturę pracy, zakres pH, szacunkową częstotliwość krystalizacji oraz sposób czyszczenia. Pozwala to producentowi zasugerować najlepszą grubość ścianki, zwykle od 1,5 do 2,0 mm, zapewniającą energooszczędność i długoterminową wydajność w barwieniu tekstyliów, systemach buforowych i innych zastosowaniach związanych z przetwarzaniem octanu sodu.