Lengva hidrolizė{0}}karšto natrio acetato ataka ant lydyto silicio dioksido
Natrio acetatas (CH₃COONa) yra plačiai naudojama cheminė medžiaga tekstilės dažymui (kaip pH buferis ir pagalbinė medžiaga), maisto konservavimui, farmacijos gamyboje ir kaip šildymo pagalvėlių cheminė medžiaga (natrio acetato trihidratas). Tipinės pramoninės koncentracijos vandeniniame tirpale svyruoja nuo 20–40 % masės, o dažymo voniose, buferinės sistemos šildytuvuose ir garintuvuose – 80–120 laipsnių darbinė temperatūra. Kvarciniai panardinamieji šildytuvai dažnai naudojami natrio acetato naudojimui dėl didelio kvarco cheminio grynumo (apsaugo nuo metalo jonų užteršimo, galinčio turėti įtakos dažymui ar farmacijos procesams) ir puikaus atsparumo daugumai druskos tirpalų. Tačiau karštas koncentruotas natrio acetatas kelia nedidelę korozijos riziką lydytam silicio dioksidui dėl mechanizmo, kuris nėra tiesioginis druskos ataka, o veikiau hidrolizė. Acetato jonas (CH₃COO⁻) yra konjuguota acto rūgšties bazė (pKa 4,76), todėl hidrolizuojasi vandenyje: CH3COO⁻ + H2O⇌ CH3COOH + OH⁻. Esant aukštesnei temperatūrai, ši pusiausvyra pasislenka, susidaro hidroksido jonai ir tirpalas tampa šiek tiek šarminis. 30 % natrio acetato tirpalo 25 laipsnių temperatūroje pH yra maždaug 8,5–9,0. Esant 100 laipsnių, pH gali pakilti iki 9,5–10,0 dėl padidėjusios hidrolizės ir disociacijos konstantų pokyčių. Susidarę hidroksido jonai atakuoja silicio dioksido tinklą tokiu pačiu mechanizmu kaip ir praskiesta kaustinė medžiaga: SiO₂ + 2 OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O. Be to, acetato jonai gali sudaryti kompleksus su siliciu, nors jie yra silpni. Ši analizė kiekybiškai įvertina, kaip natrio acetato koncentracija (20–40 %), temperatūra (80–120 laipsnių) ir tirpalo pH veikia vienodą lydyto silicio dioksido korozijos greitį. Išvestas reikalingas kvarco apvalkalo sienelės storis, kad būtų pasiekti praktiniai tekstilės dažymo ir buferinės sistemos šildytuvų priežiūros intervalai (5 000–20 000 valandų), taip pat storesnių sienų šiluminė žala šiame didelio -tankio druskos tirpale.
Sulydyto silicio dioksido korozijos kinetika karštame natrio acetate: hidroksido{0}}tarpinis ataka
Kvarco koroziją karštame natrio acetate skatina hidroksido jonai, susidarantys acetato hidrolizės metu. Hidrolizės konstanta K_h=K_w/K_a=1e-14/1.8e-5=5.6e-10 esant 25 laipsniams . 30 % natrio acetato tirpalui (apie 3,7 M) apskaičiuotas pH esant 25 laipsniui yra maždaug 9,4 ([OH⁻]=√(K_h × C)=√(5,6e-10 × 3,7) =}.07′5e. M, pOH=4.34, pH=9.66). Esant 100 laipsnių K_w padidėja iki maždaug 5,5e-13, o acto rūgšties K_a taip pat keičiasi (šiek tiek padidėja), todėl skaičiavimas tampa sudėtingas, tačiau pH paprastai pakyla iki 9,5-10,0. Esant pH 9,5–10,0, OH⁻ koncentracija yra nuo 10⁻⁻⁻4 iki 10⁻⁵ M, o to pakanka sukelti lėtą, bet išmatuojamą kvarco koroziją.
Panardinus didelio-grynumo lydyto kvarco 30 % natrio acetate 95 laipsnių kampu, nustatytas vienodas korozijos greitis – 0,00005–0,0001 mm/val. Esant 120 laipsnių (esant slėgiui, pvz., slėginėje dažymo mašinoje), greitis padidėja iki 0,0002–0,0004 mm/val. Esant 80 laipsnių kampui, greitis yra mažesnis nei 0,00003 mm/val. Palyginimui, 0,001 M NaOH (pH 11) 95 laipsnių kampu ėsdina kvarcą, kurio greitis 0,005 mm/val.{19}}dviem dydžiais didesnis. Mažas korozijos greitis atspindi mažą pastovią -OH⁻ koncentraciją natrio acetato tirpaluose. Esant 95 laipsnių kampui, 2,0 mm kvarco apvalkalas 30 % natrio acetate 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). Taigi kvarcas yra labai patvarus karštame natrio acetate, o vienoda korozija retai kada riboja gyvenimą. Net 120 laipsnių kampu 2,0 mm siena suteikia 5 000–10 000 valandų (7–14 mėnesių), o tai yra priimtina daugeliui pramoninių pritaikymų.
Laisvos acto rūgšties (naudojamos pH reguliuoti buferinėse sistemose) buvimas sumažina korozijos greitį. Acto rūgštis slopina acetato hidrolizę (bendrą jonų efektą), sumažindama OH⁻ koncentraciją. Esant pH 7–8 (pvz., natrio acetato -acto rūgšties buferyje), korozijos greitis yra dar mažesnis, mažesnis nei 0,00002 mm/val. Ir atvirkščiai, jei tirpalas tampa šarmesnis dėl užteršimo (pvz., natrio hidroksidu), korozijos greitis didėja proporcingai OH⁻ koncentracijai. Norint užtikrinti kvarco ilgaamžiškumą, optimalu palaikyti buferio pH 7–9.
Vietinis natrio acetato įdubimas ir kristalizacija
Natrio acetatas gerai tirpsta vandenyje (apie 46 g/100 ml 20 laipsnių temperatūroje, didėjant temperatūrai). Tačiau garavimo sąlygomis (pvz., ant skysčio paviršiaus arba ant karštų paviršių virš skysčio linijos) natrio acetatas gali kristalizuotis kaip trihidratas arba bevandenė druska. Šie kristalai nėra ėsdinantys kvarco, tačiau ant kvarco paviršiaus jie gali sudaryti kietą, izoliuojančią apnašą. Skalė sumažina šilumos perdavimą, todėl apačioje esantis kvarcas įkaista, o tai gali lokaliai pagreitinti koroziją (nors korozijos greitis jau labai mažas). Dar svarbiau, kad šiluminė izoliacija gali sukelti šiluminį įtempį ir galimą kvarco įtrūkimą, jei skalė yra netolygi. Be to, natrio acetato trihidratas tirpsta 58 laipsnių temperatūroje, todėl šildomoje sistemoje kristalai gali išsilydyti, o po to perkristalizuotis aušdami, sukeldami mechaninį įtempimą kvarco paviršiuje. Poliruotas kvarco paviršius sumažina kristalų sukibimą, o periodiškas valymas karštu vandeniu ištirpdo nuosėdas.
Menisko zona yra ta vieta, kur kristalizacija yra stipriausia. Vandens išgarinimas koncentruoja natrio acetatą, dėl kurio atsiranda persotinimas ir kristalų augimas. Išlaikant pastovų skysčio lygį arba naudojant garų skydą, išvengiama menisko plutos susidarymo. Dažant, kai skysčio lygis svyruoja (pvz., pridedant audinio), šildomas viršutinis apvalkalas (virš 100 laipsnių) neleidžia kristalizuotis, nes natrio acetatas lieka ištirpęs arba vanduo išgaruoja nepalikdamas kietos plutos.
Kaip sienos storis keičia karšto natrio acetato šildytuvų tarnavimo laiką
Kadangi vienodas korozijos greitis yra labai mažas (0,00005–0,0004 mm/val.), reikalinga korozijos pašalpa per 5–10 metų įrangos eksploatavimo laiką yra tik 0,005–0,04 mm. Todėl sienelės storis parenkamas ne atsižvelgiant į atsparumą korozijai, o į mechaninį stiprumą, atsparumą slėgiui (jei taikoma) ir atsparumą šiluminiam smūgiui bei sugadinimus. Standartinis kvarcinio šildytuvo sienelių storis 1,5–2,0 mm yra daugiau nei pakankamas natrio acetato naudojimui. Storesnės sienos (3,0–4,0 mm) nesukelia korozijos naudos ir tik padidina nereikalingą šiluminę varžą ir svorį. Naudojant dažną terminį ciklą (pvz., serijinio dažymo mašinose, kuriose šildytuvas šildomas ir aušinamas kasdien), storesnės sienos gali būti atsparesnės šiluminiam įtempimui įtrūkimams, tačiau nauda yra nereikšminga, nes kvarcas jau yra labai atsparus šiluminiam smūgiui. Slėginių dažymo sistemų, veikiančių 120 laipsnių kampu, slėgio sulaikymo reikalavimas (paprastai<10 bar) is easily met by 1.5–2.0 mm walls.
Buferinėse sistemose, kuriose natrio acetato tirpalas cirkuliuoja ir gerai{0}}filtruojamas, optimaliam šilumos perdavimui rekomenduojama naudoti ploniausią praktinę sienelę (1,5 mm).
Storesnių sienelių natrio acetato tirpaluose terminis poveikis
30 % koncentracijos ir 95 laipsnių natrio acetato tirpalų šilumos laidumas yra maždaug 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. Konvekciniai šilumos perdavimo koeficientai maišomose dažymo mašinose arba buferiniuose rezervuaruose svyruoja nuo 600 iki 1200 W/(m²·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond=0.00217. Su h=800 W/(m²·K), R_riba=0.00125. Bendra varža 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m²·K); 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m²·K), sumažinimas 32 %. Ši bauda yra reikšminga. Kadangi storesnės sienos nesukelia korozijos naudos, jų reikėtų vengti. Optimalus sienelės storis yra minimalus, užtikrinantis tinkamą mechaninį stiprumą, -paprastai 1,5–2,0 mm.
Scenarijus-Pagrįsta kvarco apvalkalo sienelės storio atrankos matrica karšto natrio acetato tarnyboje
| Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai | Rekomenduojamas sienelės storis | Pagrindinis loginis pagrindas su kiekybine prekyba{0}}nuolaida |
|---|---|---|
| Tekstilės dažymo buferis (30% natrio acetato, 95 laipsnių, pH 8, nuolatinė cirkuliacija, 1 metų priežiūra) | 1,5–2,0 mm, standartinė klasė, poliruota liepsna | Korozijos greitis<0.00008 mm/hour → 2.0 mm provides >25 000 valandų (2,8 metų). Liepsnos-poliravimas sumažina kristalų sukibimą. U ≈ 450 W/(m²·K). |
| Slėginė dažymo mašina (120 laipsnių, 20% natrio acetatas, pH 7,5, partijos ciklai, 5 barai) | 1,5 – 2,0 mm, atkaitintas | Rate ~0.0003 mm/hour → 2.0 mm provides >6600 valandų (9 mėnesiai). Atkaitintas kvarcas atsparus terminiam šokui, atsirandančiam dėl partijos ciklo. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Natrio acetato garintuvas (40% koncentracija, 105 laipsnių, su kristalizacija, valymas kas savaitę) | 2,0 mm, kaip-nubraižyta | Korozija nereikšminga. Sienelės storis pasirinktas dėl mechaninio tvirtumo valymo metu. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Buffer system with high pH (>9.5 nuo užteršimo) | 2,0 mm, stebėkite pH | Greitis padidėja iki 0,001 mm/val., kai pH 10. 2.0 mm, suteikia 2000 valandų. Kontroliuokite pH žemiau 9. |
| Žemos-temperatūros natrio acetatas (80 laipsnių, 25%, maisto perdirbimas) | 1,5 mm, standartinė klasė | Korozija nereikšminga (<0.00003 mm/hour). Thin wall maximizes heat transfer. Life >30 000 valandų. |
Karšto natrio acetato šildytuvų papildomos konstrukcijos modifikacijos
Trys strategijos dar labiau padidina kvarcinio šildytuvo tarnavimo laiką, nors sienelės storis jau yra pakankamas. Pirma, pH kontrolė: palaikant natrio acetato tirpalo pH 7–9, prireikus pridedant nedidelį kiekį acto rūgšties arba natrio acetato, sumažėja laisvojo hidroksido koncentracija. PH reguliatorius su grįžtamojo ryšio kilpa gali užkirsti kelią šarminiams poslinkiams, kurie pagreitina koroziją. Antra, periodinis valymas: 1–2 valandoms mirkant šildytuvą karštame dejonizuotame vandenyje (arba praskiestame acto rūgšties tirpale), ištirpsta natrio acetato kristalai ir atkuriamas šilumos perdavimo efektyvumas. Mėnesinis valymo ciklas apsaugo nuo nuosėdų susidarymo. Trečia, patalpų šildymas garais -patalpų šildymas: ant kvarco apvalkalo virš skysčio linijos sumontavus šildytuvą, paviršiaus temperatūra išlaikoma aukštesnė nei 100 laipsnių ir neleidžiama kristalizuotis viršutiniame apvalkale. Arba galima naudoti garais{12}}šildomą garų skydą. Ketvirta, poliruotas paviršius: liepsna{14}}poliruoto kvarco paviršius sumažina kristalų sukibimą, todėl valant lengviau pašalinti apnašas.
Išvada: kvarco sienelės storio nustatymas karštam natrio acetatui, užtikrinant patvarumą
Kvarciniai panardinamieji šildytuvai ypač gerai-tinka karšto koncentruoto natrio acetato eksploatavimui esant 80–120 laipsnių temperatūrai, esant vienodam korozijos greičiui, mažesniam nei 0,0004 mm/val., esant šiems tirpalams būdingo pH 7–9 diapazone. Standartinis 1,5–2,0 mm sienelių storis užtikrina 10 000–25 000 valandų (1–3 metų) tarnavimo laiką, priklausomai nuo temperatūros, o korozija atlieka nereikšmingą gedimo vaidmenį. Pagrindinis priežiūros rūpestis yra ne korozija, o natrio acetato kristalų kaupimasis ant kvarco paviršiaus, kuris gali sumažinti šilumos perdavimo efektyvumą. Kristalizacija geriausiai valdoma periodiškai valant, šildant garais{17}}patalpą ir palaikant pastovų skysčio lygį. Storesnės sienos (3,0–4,0 mm) neturi jokios naudos nuo korozijos ir skiria 30–35 % šiluminę nuobaudą, todėl jos nerekomenduojamos. Atkaitintas kvarcas su 1,5–2,0 mm sienelėmis užtikrina puikų patvarumą slėginėms sistemoms arba taikant terminį ciklą. Prašydami natrio acetato šildytuvų kainos nurodykite koncentraciją, darbo temperatūrą, pH diapazoną, numatomą kristalizacijos dažnį ir valymo protokolą. Tai leidžia gamintojui rekomenduoti optimalų sienelės storį, -paprastai 1,5–2,0 mm-, kad būtų užtikrintas energijos-efektyvumas, ilgalaikis- tekstilės dažymo, buferinių sistemų ir kitų natrio acetato apdorojimo programų veikimas.
