Koncentruota kaustinė aplinka
Natrio hidroksidas, kurio koncentracija aukštesnėje temperatūroje viršija 50%, yra viena iš agresyviausių pramoninių cheminių medžiagų. Jis tirpdo stiklą, atakuoja daugumą metalų dėl kaustinės įtampos korozijos įtrūkimų arba tolygiai tirpdamas, ir ardo daugelį polimerų per šarminę hidrolizę. Aukšto pH (14+), aukštesnės temperatūros ir galingo nukleofilinio hidroksido jono derinys labai apriboja medžiagų pasirinkimą.
Aliuminio oksido keramika (aliuminio oksidas, Al2O3) yra viena iš nedaugelio medžiagų, turinčių naudingą atsparumą karštai koncentruotai šarminei medžiagai. Jo joninis -kovalentinis ryšys ir tanki mikrostruktūra užtikrina cheminį stabilumą šarminėje aplinkoje, kur genda metalai ir stiklai. Aliuminio oksido šilumokaičiai naudojami specializuotose kaustinės medžiagos apdorojimo srityse.
PTFE yra visuotinai atsparus natrio hidroksidui esant visoms koncentracijoms ir temperatūrai iki 260 laipsnių. Palyginimas su aliuminio oksidu yra tarp keramikos, kuri atspari šarmams dėl termodinaminio oksido stabilumo, ir polimero, kuris iš prigimties yra atsparus šarminiam poveikiui.
Aliuminio oksido tirpinimo mechanizmas
Aliuminio oksidas nėra visiškai inertiškas natrio hidroksidui. Esant didelei koncentracijai ir aukštai temperatūrai, vyksta lėta cheminė reakcija:
Al₂O3 + 2NaOH + 3H₂O → 2NaAl(OH)4
Natrio aliuminato produktas yra tirpus ir ištirpsta šarminiame tirpale. Aliuminio paviršius palaipsniui išgraviruojamas. Tirpimo greitis labai priklauso nuo temperatūros ir šarminės medžiagos koncentracijos.
Esant 50 % NaOH ir 100 laipsnių, didelio -grynumo (99,7 %) aliuminio oksido tirpimo greitis yra maždaug 0,02–0,05 mm per metus. Šis tarifas yra pakankamai mažas pramoninėms paslaugoms, tačiau jis nėra nulis. Per 10 metų eksploatavimo laiką prarandama 0,2–0,5 mm paviršiaus. Aliuminio oksido šilumokaičio vamzdžių sienelės storis turi būti apsaugotas nuo korozijos.
Tirpimas retai būna visiškai vienodas. Aliuminio oksido keramika yra polikristalinė, o grūdelių ribos ėsdina šiek tiek greičiau nei grūdelių vidus. Laikui bėgant paviršiaus šiurkštumas didėja. Šiurkštus paviršius sudaro branduolių susidarymo vietas šarminėms druskoms nusodinti, o tai gali sukelti vietinį nepakankamo{3}}nuosėdų priepuolį.
1 lentelė. Koncentruoto šarminio atsparumo palyginimas (50 % NaOH)
| Atsparumo parametras | Aliuminio oksido keramika (99,7 % Al2O3) | PTFE |
|---|---|---|
| Korozijos mechanizmas | Cheminis tirpimas (Al2O3 → NaAl(OH)4) | Nėra |
| Tirpimo greitis esant 100 laipsnių (mm/metus) | 0.02-0.05 | 0 |
| Tirpimo greitis esant 150 laipsnių (mm/metus) | 0.10-0.30 | 0 |
| Temperatūros riba 50 % NaOH ( laipsnis ) | ~150 (pagreitintas tirpimas aukščiau) | 260 |
| Paviršiaus šiurkštėjimas laikui bėgant | Taip (grūdelių ribos ėsdinimas) | Nr |
| Jautrumas šiluminiam šokui | Vidutinis (keraminis trapumas) | Nėra |
| Šilumos laidumas (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| Mechaninio gedimo režimas | Trapus lūžis | Tamsus valkšnumas |
| Gamybos sudėtingumas | Aukštas (specializuotas keramikos apdorojimas) | Vidutinis |
Šiluminio šoko pažeidžiamumas
Aliuminio oksido keramika, kaip ir visa keramika, yra trapi. Jo atsparumą šiluminiam smūgiui riboja vidutinio šiluminio plėtimosi koeficiento (8 × 10⁻⁶/laipsnis) ir didelio tamprumo modulio (350 GPa) derinys. Staigūs temperatūros pokyčiai sukuria šiluminį įtempį, kuris gali sulaužyti keramiką.
Apdorojant šarmą, paleidžiant, išjungiant ir sutrikus procesui, temperatūros pokyčiai įvyksta. Į karštą aliuminio oksido šilumokaitį įvedamas šaltas šarmas arba į šaltą šilumokaitį, sukuria šiluminius gradientus, kurie gali sulaužyti vamzdelius. Lūžio tikimybė priklauso nuo temperatūros pokyčio dydžio ir greičio bei nuo paviršiaus defektų dėl gamybos ar eksploatacijos.
PTFE yra atsparus šiluminiam šokui. Jo mažas tamprumo modulis leidžia prisitaikyti prie greitų temperatūros pokyčių dėl elastinės deformacijos. Esant normaliam proceso temperatūros kitimo greičiui, lūžių mechanizmo nėra.
Šilumos perdavimo ir pėdsako prekyba-išjungta
25-35 W/m·K aliuminio oksido šilumos laidumas yra maždaug 100–140 kartų didesnis nei PTFE 0,25 W/m·K. Aliuminio šilumokaitis yra žymiai kompaktiškesnis tokiam pačiam šilumos kiekiui. Įrenginiuose, kuriuose erdvė yra ribota, tai yra didelis pranašumas.
PTFE reikia 3-4 kartus didesnio paviršiaus ploto, todėl fizinis plotas yra didesnis. Pasirinkimas tarp aliuminio oksido ir PTFE dažnai priklauso nuo to, ar montavimo erdvėje gali tilpti didesnis PTFE šilumokaitis. Jei yra vietos, absoliutus PTFE atsparumas šarminiam tirpimui ir terminio šoko lūžiui yra mažesnės rizikos sprendimas.
Santrauka
PTFE šilumokaičiai yra atsparūs natrio hidroksidui esant bet kokiai koncentracijai ir temperatūrai iki 260 laipsnių. Aliuminio oksido keramika gerai atspari šarmams, tačiau lėtai tirpsta, todėl sunaudojamas sienelės storis ir laikui bėgant paviršiai šiurkštėja. Aliuminio oksidas taip pat yra pažeidžiamas šiluminio smūgio lūžiams dėl temperatūros pokyčių, todėl PTFE visiškai pašalina riziką.
Aliuminio oksido šilumos laidumo pranašumas suteikia kompaktiškesnį šilumokaitį, o tai gali būti lemiama naudojant{0}}prievartą. Ten, kur leidžia erdvė, PTFE absoliutus cheminis atsparumas ir trapių lūžių rizika daro jį mažesne-pavojaus pasirinkimu koncentruotam šarminiam naudojimui.
Inžinerinė kaustinės eksploatacinės medžiagos parinkimo analizė pasiekiama pateikus NaOH koncentraciją, darbinės temperatūros diapazoną, temperatūros ciklo charakteristikas, šilumos pajėgumą ir laisvą įrengimo erdvę.
