Rūgštinė hidrolizė{0}}Kvarco korozija geležies sulfato tirpaluose
Geležies sulfatas (Fe₂(SO4)₃) plačiai naudojamas metalų ėsdymui (nerūdijančio plieno ir vario), vandens valymui (koaguliantas fosfatams pašalinti) ir kaip ėsdiklis spausdintinių plokščių gamyboje. Tipinės pramoninės koncentracijos svyruoja nuo 10–20 % Fe₂(SO4)₃ masės, o ėsdinimo talpyklose ir koaguliacijos reaktoriuose darbinė temperatūra yra 60–90 laipsnių. Tirpalas yra stipriai rūgštus dėl ekstensyvios geležies jonų hidrolizės: Fe³⁺ + H2O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H2O⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; ir toliau į Fe(OH)3. Grynasis poveikis yra laisvosios sieros rūgšties koncentracija, lygi 0,05–0,2 M H₂SO₂, esant 10–20 % Fe₂(SO4)₃. Kvarciniai panardinamieji šildytuvai dažnai naudojami geležies sulfato paslaugoms, nes lydytas silicio dioksidas pasižymi puikiu atsparumu praskiestai sieros rūgščiai. Tačiau geležies sulfatas turi dvigubą skilimo mechanizmą: vienodą rūgšties koroziją nuo susidariusio H2SO4 ir nuosėdų susidarymą iš geležies hidroksido (Fe(OH)₃) nusodinimo. Nusėdęs geležies hidroksidas yra šilumą izoliuojantis ir gali sukurti karštų taškų. Be to, geležies jonas yra oksidatorius (kaip FeCl₃, bet mažiau agresyvus), tačiau sulfato anijonas nepuola kvarco. Ši analizė kiekybiškai įvertina, kaip Fe₂(SO₄)₃ koncentracija (10–20 %), temperatūra (60–90 laipsnių) ir tirpalo rūgštingumas veikia vienodą koroziją ir nuosėdų susidarymą ant lydyto silicio dioksido.
Lydyto silicio dioksido korozijos kinetika karštuose geležies sulfato tirpaluose
Kvarco koroziją geležies sulfate skatina laisvoji sieros rūgštis, susidaranti geležies hidrolizės metu. Esant 80 laipsnių temperatūrai 15 % Fe₂(SO₄)3 (maždaug 0,25 M Fe³⁺), laisvo H₂SO₂ koncentracija yra maždaug 0,1–0,15 M (pH 0,8–1,0). Esant tokiam rūgštingumui, vienodas kvarco korozijos greitis yra 0,0003–0,0006 mm/val. Esant 90 laipsnių kampu, greitis padidėja iki 0,0006–0,001 mm/val. Esant 60 laipsnių kampui, greitis yra 0,0001–0,0002 mm/val. Palyginimui, 0,1 M H₂SO₂ 80 laipsnių temperatūroje korozuoja kvarcą 0,0002–0,0004 mm/val. Geležies jonas žymiai nepagreitina atakos, nei veikia laisvoji rūgštis. Esant 80 laipsnių kampui, 2,0 mm kvarco apvalkalas prarastų 0,0005 mm/val. × 4000 valandų=2.0 mm, todėl tarnavimo laikas būtų maždaug 4000 valandų (5,5 mėnesio). 2,5 mm sienelė suteikia 5000 valandų; 3,0 mm siena suteikia 6000 valandų. Toks eksploatavimo laikas yra praktiškas nuolatiniam pramoniniam aptarnavimui, atliekant kas ketvirtį ar{43}}pusmetinę priežiūrą.
Geležies hidroksido nuosėdų susidarymas
Hidrolizės reakcija, kurios metu susidaro laisva rūgštis, taip pat gamina geležies hidroksidą, ypač šalia kvarco paviršiaus, kur temperatūra yra aukščiausia: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. Fe(OH)₃ yra želatinos, rusvai -raudonos nuosėdos, kurios prilimpa prie kvarco paviršiaus. Ši nuosėda yra šilumą izoliuojanti; 0,1 mm sluoksnis gali sumažinti šilumos perdavimą 10–15%. Tirštėjant nuosėdoms, apačioje esantis kvarcas įkaista, pagreitindamas hidrolizę ir bet kokią rūgštinę koroziją. Sunkiais atvejais nuosėdos gali nuskilti ir pernešti mažus kvarco fragmentus. Apnašas taip pat sumažina efektyvų sienelės storį, izoliuodamas paviršių. Reguliarus valymas praskiesta sieros rūgštimi (5–10%) ištirpina geležies hidroksido nuosėdas, nepažeidžiant kvarco.
Kaip sienos storis keičia tarnavimo laiką
Kad būtų vienoda rūgštinė korozija, gyvavimo trukmė tiesiškai keičiasi atsižvelgiant į sienelės storį. 80 laipsnių kampu 2,0 mm siena užtikrina 4000 valandų; 3,0 mm siena suteikia 6000 valandų. Dėl nuosėdų -sukelto šiluminio įtempio storesnės sienos užtikrina didesnį atsparumą įtrūkimams, bet neapsaugo nuo nuosėdų susidarymo. Vonioms su dideliu geležies hidroksido kritulių kiekiu rekomenduojama 2,5–3,0 mm sienelė.
Storesnių sienų šiluminė nuobauda
Geležies sulfato tirpalų 15% ir 80 laipsnių šilumos laidumas yra maždaug 0,55–0,60 W/(m·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109; 3,0 mm sienai R_cond=0.00217. Kai h=800 W/(m²·K), U sumažėja nuo 427 iki 292 W/(m²·K), o tai 32 %.
Scenarijus{0}}Pagrįsta pasirinkimo matrica
| Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai | Rekomenduojamas sienelės storis | Pagrindinis motyvas |
|---|---|---|
| Metalo ėsdinimas (15 % Fe₂(SO4)₃, 80 laipsnių, nuolatinis, valymas kas savaitę) | 2,0–2,5 mm, standartinė klasė, poliruota liepsna | Vienodas korozijos greitis ~0,0005 mm/val. Storesnė sienelė užtikrina apsaugą nuo nuosėdų šiluminio streso. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Vandens valymo koaguliantas (10 % Fe₂(SO4)₃, 70 laipsnių, su pertrūkiais) | 2,0 mm, kaip-nubraižyta | Žemesnė temperatūra ir pertraukiamas naudojimas. Priimtinas. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Marinavimas aukštoje -temperatūroje (90 laipsnių, 20 % Fe₂(SO₄)₃) | 2,5 – 3,0 mm | Didesnis korozijos greitis. Storesnė siena prailgina gyvenimą. |
Papildomi dizaino pakeitimai:Palaikant žemą tirpalo pH (pridedant laisvo H₂SO₄), slopinama geležies hidrolizė ir nuosėdų susidarymas. Geras maišymas apsaugo nuo dalelių nusėdimo. Periodiškas valymas 10 % H₂SO₄ tirpina Fe(OH)₃ nuosėdas. Poliruotas paviršius sumažina nuosėdų sukibimą.
