Kā karsts koncentrēts nātrija acetāta šķīdums (20–40%) 80–120 grādu temperatūrā maina kritisko kvarca apvalka sieniņu biezumu krāsošanas palīgsistēmas un bufersistēmas sildītājiem?

Karsts nātrija acetāta uzbrukums kausētam silīcija dioksīdam, ko izraisa viegla hidrolīze

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. Arī acetāta joni var veidot kompleksus ar silīciju, taču tie ir vāji. Pētījumā novērtēta nātrija acetāta koncentrācijas (20–40%), temperatūras (80–120 grādi) un šķīduma pH ietekme uz vienmērīgo kausētā silīcija dioksīda korozijas ātrumu. Ir iegūts nepieciešamais kvarca apvalka sieniņu biezums praktiskiem apkopes intervāliem (5000 līdz 20000 stundas) tekstilizstrādājumu krāsošanas un bufersistēmas sildītājos un apspriests lielāku sienu termiskais sods šajā augsta blīvuma sāls šķīdumā.

Hidroksīda izraisīta kausēta silīcija dioksīda korozija karstā nātrija acetātā: korozijas kinētika

Hidroksīda joni, kas rodas acetāta hidrolīzes rezultātā, ir atbildīgi par kvarca koroziju karstā nātrija acetātā. Pie 25 grādiem hidrolīzes konstante ir K_h=K_w/K_a=1e-14/1.8e-5=5.6e-10. Nātrija acetāta pH aprēķina šādi. 30 % nātrija acetāta šķīdumam (~ 3,7 M) pH pie 25°C ir ~ 9.4 . [OH-]=sqrt (K_h * C)=sqrt (5.6e-10 * 3.7)=.07=4.55e-5 M pOH=4.34 pH=9.66 K_w palielinās līdz aptuveni 5,5e-13 pie 100 grādiem un K_a etiķskābes izmaiņām (neliels pieaugums), tādējādi aprēķins kļūst sarežģītāks, lai gan parasti pH tiek palielināts līdz 9,5-10,0. Pie pH 9,5–10,0 OH⁻ koncentrācija ir no 10⁻⁻⁻ līdz 10⁻⁵ M, kas ir pietiekami, lai radītu lēnu, bet pamanāmu kvarca koroziju.

Augstas tīrības pakāpes kausēta kvarca iegremdēšanas tests 30% nātrija acetātā 95 grādu temperatūrā norāda uz nemainīgu korozijas ātrumu 0,00005–0,0001 mm/h. Pie 120 grādiem (zem spiediena, piemēram, spiediena krāsošanas mašīnā) ātrums palielinās līdz 0,0002–0,0004 mm/h. Pie 80 grādiem ātrums ir mazāks par 0,00003 mm/h. Turpretim 0,001 M NaOH (pH 11) 95 grādu temperatūrā korodē kvarcu ar ātrumu 0,005 mm/h, kas ir par divām kārtām ātrāk. Zemais korozijas ātrums ir saistīts ar zemo līdzsvara stāvokļa OH⁻ koncentrāciju nātrija acetāta šķīdumos. 2,0 mm kvarca apvalks 30% nātrija acetātā 95 grādu temperatūrā zaudētu 0,00008 mm/stundā × 25 000 stundu=2.0 mm aptuveni 25 000 stundu (2,8 gadu) kalpošanas laikā. 1,5 mm siena nodrošina 18 750 stundas (2,1 gadu). Tāpēc kvarcs ir diezgan stabils karstā nātrija acetātā, un vienmērīga korozija reti ir dzīves ierobežojoša problēma. 2,0 mm siena pie 120 grādu joprojām nodrošina 5000 līdz 10 000 lietošanas stundu (7 līdz 14 mēnešus), kas ir pieņemama daudziem rūpnieciskiem lietojumiem.

Brīvā etiķskābe (izmanto pH regulēšanai bufersistēmās) samazina korozijas ātrumu. Etiķskābe palēnina acetāta hidrolīzi (kopēja jonu darbība) un tādējādi samazina OH⁻ koncentrāciju. Pie pH 7-8 (piemēram, nātrija acetāta-etiķskābes buferšķīdumā) korozijas ātrums joprojām ir minimāls, zem 0,00002 mm/h. Tomēr, ja piesārņojums (piemēram, ar nātrija hidroksīdu) liek šķīdumam kļūt sārmainam, korozijas ātrums palielinās proporcionāli OH- koncentrācijai. Buferis ar pH 7-9 ir lieliski piemērots kvarca izturībai.

Nātrija acetāta lokalizēta kristalizācija un kauliņu veidošanās

Nātrija acetāts ļoti labi šķīst ūdenī (46 g/100 ml 20 grādu temperatūrā, paaugstinoties temperatūrai). Tomēr iztvaikošanas apstākļos (piemēram, uz šķidruma virsmas vai uz sakarsētām virsmām virs šķidruma līnijas) nātrija acetāts var kristalizēties kā trihidrāts vai bezūdens sāls. Šie kristāli neuzbrūk kvarcam, bet var izveidot cietu izolācijas skalu uz kvarca virsmas. Mērogs ierobežo siltuma pārnesi un liek pamatā esošajam kvarcam sakarst, kas var lokāli saasināt koroziju (lai gan korozijas ātrums jau ir ļoti zems). Vēl svarīgāk ir tas, ka siltumizolācijas efekts var izraisīt termisko spriegumu un iespējamu kvarca plaisāšanu, ja skala ir nevienmērīga. Turklāt nātrija acetāta trihidrāts kūst 58 grādos, tāpēc karstā sistēmā kristāli var izkausēt un{11}}atdziestot atkārtoti kristalizēties, kā rezultātā kvarca virsmā rodas mehānisks spriegums. Pulēta kvarca virsma novērš kristalizāciju, un periodiska tīrīšana ar karstu ūdeni izšķīdina katlakmens.

Meniska reģions ir visintensīvākās kristalizācijas zona. Ūdenim iztvaikojot, nātrija acetāts kļūst koncentrētāks. Šķīdums kļūst pārsātināts un veidojas kristāli. Stabils šķidruma līmenis vai tvaika vairogs kavē meniska -garozas veidošanos. Krāsojot, kad mainās šķidruma līmenis (piemēram, pievienojot audumu), uzkarsēts augšējais apvalks (virs 100 grādiem) kavē kristalizāciju, jo nātrija acetāts paliek izkusis vai ūdens iztvaiko, neveidojot cietu garozu.

Sienas biezuma ietekme uz karsto nātrija acetāta sildītāju kalpošanas laiku

Tā kā vienmērīgas korozijas ātrums ir salīdzinoši zems (0,00005–0,0004 mm/stundā), korozijas pielaide, kas nepieciešama 5–10 gadu iekārtas kalpošanas laikam, ir tikai 0,005–0,04 mm. Tāpēc sienas biezumu nenosaka korozijas pielaide, bet gan mehāniskā izturība, spiediena ierobežošana (ja nepieciešams) un izturība pret termisko triecienu un bojājumiem apstrādes laikā. Kvarca sildītāju standarta sienu biezums (1,5 līdz 2,0 mm) ir vairāk nekā pietiekams nātrija acetāta lietošanai. Sienas biezuma palielināšana līdz 3,0-4,0 mm nenodrošina korozijas priekšrocības, vienkārši palielinās termiskā pretestība un svars. Lietojumiem, kas ietver atkārtotus termiskos ciklus (piemēram, sērijveida krāsošanas mašīnas, kurās sildītājs tiek sildīts un atdzesēts katru dienu), biezākas sienas var būt izturīgākas pret termiskā stresa plaisāšanu, taču ieguvums ir mazs, jo kvarcs jau ir diezgan izturīgs pret termisko triecienu . 1.5-2.0 mm sienas viegli atbilst spiediena ierobežošanas prasībām (parasti).<10 bar) of pressurized dyeing systems running at 120 o C.

Bufersistēmām ar cirkulējošu un rūpīgi filtrētu nātrija acetāta šķīdumu ir ieteicama plānākā iespējamā siena (1,5 mm), lai nodrošinātu optimālu siltuma pārnesi.

Termiskais sods palielināta sienas biezuma dēļ nātrija acetāta šķīdumos

Piemēram, 30% nātrija acetāta šķīdumiem 95 grādu temperatūrā siltumvadītspēja ir 0,55–0,60 W/(m·K) nedaudz zemāka nekā tīram ūdenim. Blīvums 1,10-1,15 g/cm3, viskozitāte 1,0-1,5 cP. Maisītās krāsošanas iekārtās vai bufertvertnēs konvektīvās siltuma pārneses koeficienti ir robežās no 600-1200 W/(m²·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m 2 ·K/W; 3,0 mm sienai, R_cond=0.00217. R_boundary=0.00125, h=800 W/m^2.K . Kopējā pretestība 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m2.K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2.K) 32% samazinājums. Tas ir smags sods. Sienas nedrīkst padarīt biezākas, jo tas nenodrošina papildu aizsardzību pret koroziju. Labākais sienas biezums ir minimālais, kas nodrošina pietiekamu mehānisko izturību, parasti 1,5-2,0 mm.

Scenārijs-Pamatojoties uz kvarca apvalka sienas biezuma izvēles matricu karstā nātrija acetāta pakalpojumam

Pielietojuma scenārijs un darbības parametri Pamata pamatojums ar kvantitatīvu tirdzniecību-Ieteicamais sienas biezums
Tekstilizstrādājumu krāsošanas buferšķīdums (30% nātrija acetāts, 95 grādi, pH 8, nepārtraukta cirkulācija, 1 gada apkope) 1,5–2,0 mm, standarta klase, ar liesmu pulēts Korozijas ātrums<0.00008 mm/hour → 2.0 mm offers >25 000 stundu (2,8 gadi). Liesma-pulēšana samazina kristāla saķeri. 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 stundas (9 mēneši). Partijas cikla atkausētais kvarcs ir izturīgs pret termisko spriegumu. U ≈ 400 W/m 2K .
Nātrija acetāta iztvaicētājs (40% koncentrācija, 105 grādi, kristalizācija, iknedēļas tīrīšana) 2,0 mm, kā-novilkta Korozija nenozīmīga. Sienas biezums, ko izmanto mehāniskai izturībai tīrīšanas laikā. U ≈ 380 W/(m²·K)
Buffer system High pH (>9,5 no piesārņojuma)2,0 mm, monitora pH ātrums palielinās līdz 0,001 mm/h pie pH 10. 2.0 mm dod 2000 stundas. Kontrolējiet pH zem 9.
Zemas temperatūras nātrija acetāts (80 grādi, 25%, pārtikas pārstrāde) 1,5 mm, standarta pakāpe Korozija nenozīmīga (<0.00003 mm/hour). The thin wall maximizes the heat transfer. Life >30 000 stundas
Papildu izmaiņas karsto nātrija acetāta sildītāju dizainā

Tagad pietiek ar sieniņu biezumu, taču tiek izmantoti trīs veidi, lai palielinātu kvarca sildītāja kalpošanas laiku. 1. pH kontrole: brīvā hidroksīda koncentrācija tiek nomākta, pievienojot nelielu daudzumu etiķskābes vai nātrija acetāta, lai uzturētu nātrija acetāta šķīduma pH 7–9. pH regulators, kas izmanto atgriezenisko saiti, var arī novērst sārmu novirzes, kas var palielināt koroziju. Otrkārt, periodiska tīrīšana: sildītāja iegremdēšana karstā dejonizētā ūdenī (vai atšķaidītā etiķskābes šķīdumā) uz 1-2 stundām izšķīdina nātrija acetāta kristālus un atjauno siltuma pārneses efektivitāti. Ikmēneša tīrīšanas procedūra novērsīs katlakmens veidošanos. Treškārt, tvaika telpas apkure: uz kvarca apvalka virs šķidruma līnijas ir uzstādīts izsekošanas sildītājs, lai uzturētu virsmas temperatūru virs 100 grādiem un novērstu kristalizāciju augšējā apvalkā. Alternatīvi var izmantot ar tvaiku apsildāmu tvaika vairogu. Ceturtkārt, pulēta virsma: ar liesmu pulēta kvarca virsma samazina kristāla pielipšanu, un tīrīšanas laikā visas nogulsnes ir vieglāk noņemtas.

Secinājums: kvarca sienas biezuma specifikācija karstam nātrija acetātam ar pārliecību par izturību

Kvarca iegremdējamie sildītāji ir īpaši labi pielāgoti karsta koncentrēta nātrija acetāta apkalpošanai 80–120 grādu temperatūrā ar vienmērīgu korozijas ātrumu < 0,0004 mm/h pH 7–9 diapazonā, kas raksturīga šiem šķīdumiem. Standarta sienu biezums 1,5-2,0 mm nodrošina 10 000-25 000 stundu (1-3 gadu) kalpošanas laiku atkarībā no temperatūras. Korozijai ir neliela loma neveiksmēs. Galvenā apkopes problēma nav korozija, bet nātrija acetāta kristālu uzkrāšanās-uz kvarca virsmas, kas var ierobežot siltuma pārneses efektivitāti. Periodiskā tīrīšana, tvaika telpas apkure un vienmērīgs šķidruma līmenis nodrošina vislabāko kristalizācijas kontroli. Biezākas sienas (3,0–4,0 mm) nesniedz nekādu labumu pret koroziju, un tām ir siltuma izmaksas 30–35%, tāpēc tās nav ieteicamas. Spiediena sistēmām vai lietojumiem, kas pakļauti termiskai cikliskumam, atkvēlināts kvarcs ar 1,5–2,0 mm sienām nodrošina izcilu izturību. Pasūtot cenas nātrija acetāta sildītājiem, lūdzu, norādiet koncentrāciju, darba temperatūru, pH diapazonu, paredzamo kristalizācijas biežumu un tīrīšanas kārtību. Tas ļauj ražotājam ieteikt vislabāko sienu biezumu, parasti no 1,5 līdz 2,0 mm, lai nodrošinātu energoefektīvu, ilgstošu darbību tekstilizstrādājumu krāsošanā, bufersistēmās un citos nātrija acetāta apstrādes lietojumos.