Lengvas karšto kalio acetato šarminis ataka ant lydyto silicio dioksido
Kalio acetatas (CH₃COOK) yra plačiai naudojama organinė druska orlaivių-ledo skysčiuose (kilimo ir tūpimo takų ir sparnų -ledo tirpikliuose), gręžimo skysčiuose (kaip skalūnų inhibitorius ir molio stabilizatorius) ir kaip buferis farmacijos ir maisto perdirbime. Įprastos pramoninės koncentracijos vandeniniame tirpale svyruoja nuo 30–50 % masės, o 80–120 laipsnių darbo temperatūra -ledo skysčių šildytuvuose, garintuvuose ir gręžimo purvo kondicionavimo sistemose. Kvarciniai panardinamieji šildytuvai yra labai tinkami kalio acetato naudojimui, nes lydytas silicio dioksidas pasižymi puikiu atsparumu daugumai organinių druskų tirpalų. Tačiau karštas koncentruotas kalio acetatas yra silpnai šarminis dėl acetato hidrolizės: CH3COO⁻ + H2O⇌ CH3COOH + OH⁻. Esant 40 % kalio acetato (apie 4 M), pH esant 25 laipsniui yra maždaug 8,5–9,0. 100 laipsnių temperatūroje pH pakyla iki 9,0–9,5 dėl padidėjusios hidrolizės ir acto rūgšties disociacijos konstantų pokyčių. Hidroksido jonai (OH⁻) atakuoja silicio dioksido tinklą: SiO₂ + 2 OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O. Tačiau OH⁻ koncentracija (nuo 10⁻⁵ iki 10⁻⁴ M) yra labai maža, todėl korozijos greitis yra nedidelis. Be to, acetato jonai gali sudaryti silpnus kompleksus su siliciu, tačiau jie yra mažiau agresyvūs nei hidroksido ataka. Ši analizė kiekybiškai įvertina, kaip kalio acetato koncentracija (30–50 %), temperatūra (80–120 laipsnių) ir tirpalo pH veikia vienodą lydyto silicio dioksido korozijos greitį.
Lydyto silicio dioksido korozijos kinetika karštame kalio acetate
Kvarco koroziją kalio acetate skatina hidroksido jonai, atsirandantys dėl acetato hidrolizės. 40 % CH3COOK 95 laipsnių temperatūroje pH yra maždaug 9,0–9,5, o tai atitinka OH⁻ koncentraciją nuo 3×10⁻⁻⁵ iki 3×10⁻⁴ M. Tai atitinka 0,0002–0,002 % NaOH. Esant tokiai žemai OH⁻ koncentracijai, vienodas kvarco korozijos greitis yra labai mažas: 0,00005–0,0001 mm/val. Esant 120 laipsnių, greitis padidėja iki 0,0001–0,0003 mm/val. Esant 80 laipsnių kampui, greitis yra mažesnis nei 0,00003 mm/val. Palyginimui, 0,0005 M NaOH (pH 10,7) 95 laipsnių temperatūroje ėsdina kvarcą esant 0,0002–0,0004 mm/val. Esant 95 laipsnių kampui, 2,0 mm kvarco apvalkalas prarastų 0,00008 mm/val. × 25 000 valandų=2.0 mm, todėl tarnavimo laikas būtų maždaug 25 000 valandų (2,8 metų). 1,5 mm siena suteikia 18 750 valandų (2,1 metų). Toks eksploatavimo laikas puikiai tinka nuolatiniam pramoniniam aptarnavimui. Net esant 120 laipsnių kampui, 2,0 mm sienelė suteikia 6 700–20 000 valandų, priklausomai nuo pH, o tai yra daugiau nei pakankama daugeliui pritaikymų.
Acto rūgštis (pridedama pH reguliuoti) sumažina korozijos greitį slopindama acetato hidrolizę. Esant pH 7–8 (pvz., kalio acetato -acto rūgšties buferis), OH⁻ koncentracija yra artima nuliui, o korozijos greitis nukrenta žemiau 0,00001 mm/val. Ir atvirkščiai, jei tirpalas tampa šarmesnis dėl užteršimo (pvz., KOH), korozijos greitis didėja proporcingai OH⁻ koncentracijai.
Kristalizacija ir nuosėdų susidarymas
Kalio acetatas gerai tirpsta vandenyje (apie 250 g/100 ml 20 laipsnių temperatūroje), todėl daugumoje operacijų kristalizacija nėra didelė problema. Tačiau garintuvuose arba meniske kalio acetatas gali kristalizuotis kaip trihidratas arba bevandenė druska. Šie kristalai nėra ėsdinantys kvarco, tačiau gali būti šilumą izoliuojantys. 0,5 mm kristalo sluoksnis gali sumažinti šilumos perdavimą 10–20%. Kristalai tirpsta vandenyje, todėl juos galima pašalinti nuplaunant karštu vandeniu. Menisko zona yra ta vieta, kur labiausiai tikėtina kristalizacija. Išlaikant pastovų skysčio lygį arba naudojant garų skydą, išvengiama menisko plutos susidarymo. Poliruotas kvarco paviršius sumažina kristalų sukibimą.
Kaip sienos storis keičia tarnavimo laiką
Kadangi vienodos korozijos laipsniai yra labai maži, sienelės storis parenkamas ne pagal korozijos ribą. Standartiniai kvarciniai šildytuvai, kurių sienelių storis yra 1,5–2,0 mm, tarnauja dešimtmečius korozijos požiūriu. Storesnės sienos (3,0–4,0 mm) nesukelia jokios naudos nuo korozijos ir sukelia šiluminę žalą. Tais atvejais, kai naudojami dažni šiluminiai ciklai (pvz., serijiniai ledo aušinimo skysčio šildytuvai), rekomenduojamas atkaitintas kvarcas su 2,0 mm sienelėmis, siekiant atsparumo šiluminiam smūgiui.
Storesnių sienelių terminis poveikis kalio acetato tirpaluose
Kalio acetato tirpalų 40 % koncentracijos ir 95 laipsnių šilumos laidumas yra maždaug 0,50–0,55 W/(m·K)-šiek tiek mažesnis nei vandens. Tankis 1,20–1,25 g/cm³, klampumas 1,0–1,5 cP. 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond=0.00217. Kai h=800 W/(m²·K), R_riba=0.00125. U sumažėja nuo 427 iki 292 W/(m²·K), tai yra 32 %. Kadangi korozija yra nereikšminga, pirmenybė teikiama plonoms sienoms (1,5–2,0 mm).
Scenarijus-Pagrįsta kvarco apvalkalo sienelės storio atrankos matrica karšto kalio acetato tarnyboje
| Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai | Rekomenduojamas sienelės storis | Pagrindinis loginis pagrindas su kiekybine prekyba{0}}nuolaida |
|---|---|---|
| Orlaivio ledo{0}}skysčių šildytuvas (40 % CH₃COOK, 95 laipsnių, nuolatinė, kasmetinė priežiūra) | 1,5–2,0 mm, standartinė klasė, poliruota liepsna | Korozijos greitis ~0,00008 mm/val. → 2,0 mm užtikrina 25 000 valandų. Liepsnos-poliravimas sumažina kristalų sukibimą. U ≈ 450 W/(m²·K). |
| Gręžimo skysčio kondicionierius (35% CH₃COOK, 100 laipsnių, partijos ciklai, su pH buferiu) | 1,5 – 2,0 mm, atkaitintas | pH 7–8 sukelia nedidelę koroziją. Atkaitintas atsparumui šiluminiam smūgiui. U ≈ 430 W/(m²·K). |
| Aukštos{0}}temperatūros garintuvas (50 % CH₃COOK, 120 laipsnių, nuolatinis, geras pH reguliavimas) | 2,0 mm, kaip-nubraižyta | Greitis ~0,0002 mm/val. → 2,0 mm suteikia 10 000 valandų. Priimtinas. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Žemos-temperatūros kalio acetatas (80 laipsnių, 30%, su pertrūkiais) | 1,5 mm, standartinė klasė | Korozija nereikšminga. Plona sienelė energijos vartojimo efektyvumui užtikrinti. U ≈ 480 W/(m²·K). |
Papildomi dizaino pakeitimai:Palaikant pH 7–8 (naudojant acto rūgšties buferį), korozija sumažinama iki beveik nulio. Reguliarus skalavimas karštu vandeniu ištirpina visus kristalus. Poliruotas kvarco paviršius sumažina kristalų sukibimą. Geras maišymas apsaugo nuo vietinio perkaitimo ir kristalizacijos. Garų skydo arba šildomo viršutinio apvalkalo naudojimas apsaugo nuo menisko kristalizacijos. Naudojant orlaivių ledo šalinimo įrenginius, kuriuose dažnai keičiamas skystis, kvarciniai šildytuvai su 1,5–2,0 mm sienelėmis užtikrina puikų tarnavimo laiką ir minimalią priežiūrą.
