Како врући концентровани раствор натријум ацетата (20–40%) на 80–120 степени мења критичну дебљину зида кварцног омотача за бојење помоћних и пуфер система грејача?

Напад врућег натријум ацетата на фузионисани силицијум изазван благом хидролизом

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- ->СиО3(2-) + Х2О. Такође ацетатни јони могу формирати комплексе са силицијумом, али они су слаби. Испитивањем се процењује утицај концентрације натријум ацетата (20–40%), температуре (80–120 степени) и пХ раствора на уједначену брзину корозије фузионисаног силицијум диоксида. Изведена је потребна дебљина зида кварцног омотача за практичне сервисне интервале (5.000 до 20.000 сати) код фарбања текстила и грејача пуферског система и разматра се топлотна казна већих зидова у овом раствору соли високе густине.

Корозија спојеног силицијум диоксида посредована хидроксидом у врућем натријум ацетату: кинетика корозије

Хидроксидни јони који настају хидролизом ацетата одговорни су за корозију кварца у врућем натријум ацетату. На 25 степени, константа хидролизе је К_х=К_в/К_а=1е-14/1.8е-5=5.6е-10. пХ за натријум ацетат се израчунава на следећи начин. За 30% раствор натријум ацетата (~ 3,7 М), пХ на 25Ц је ~ 9.4 . [ОХ-]=скрт (К_х * Ц)=скрт (5,6е-10 * {3,7) {{23})} скрт ({23})} скрт ({{23})} скрт (К_х * Ц) пОХ=4.34 пХ=9.66 К_в се повећава на око 5,5е-13 на 100 степени и К_а за сирћетну киселину се мења (благо повећање), тако да прорачун постаје сложенији, иако се пХ генерално повећава на 9,5–10,0. При пХ 9,5–10,0, концентрација ОХ⁻ је 10⁻⁴ до 10⁻⁵ М, довољна да произведе спору, али приметну кварцну корозију.

Тест урањања топљеног кварца високе чистоће у 30% натријум ацетата на 95 степени указује на константну брзину корозије од 0,00005–0,0001 мм/х. На 120 степени (под притиском, нпр. у машини за фарбање под притиском) брзина се пење на 0,0002–0,0004 мм/х. На 80 степени брзина је мања од 0,00003 мм/х. Насупрот томе, 0,001 М НаОХ (пХ 11) на 95 степени кородира кварц брзином од 0,005 мм/сат, два реда величине брже. Ниска стопа корозије је последица ниске концентрације ОХ⁻ у стабилном стању у растворима натријум ацетата. Кварцни омотач од 2,0 мм у 30% натријум ацетата на 95 степени изгубио би 0,00008 мм/сат × 25,000 сати=2.0 мм током животног века од око 25,000 сати (2,8 година). Зид од 1,5 мм даје 18.750 сати (2,1 година). Због тога је кварц прилично стабилан у врућем натријум ацетату и једнолична корозија ретко представља проблем који ограничава живот. Зид од 2,0 мм на 120 степени и даље даје 5.000 до 10.000 сати (7 до 14 месеци) употребе што је прихватљиво за многе индустријске примене.

Слободна сирћетна киселина (која се користи за подешавање пХ у пуфер системима) смањује брзину корозије. Сирћетна киселина успорава хидролизу ацетата (уобичајено дејство јона) и стога смањује концентрацију ОХ⁻. При пХ 7-8 (нпр. у пуферу натријум ацетат-сирћетне киселине) брзина корозије је и даље минимална, испод 0,00002 мм/х. Међутим, ако контаминација (нпр. натријум хидроксидом) узрокује да раствор постане алкалнији, брзина корозије се повећава пропорционално концентрацији ОХ-. Пуфер пХ 7-9 одличан за издржљивост кварца.

Локализована кристализација и питтинг натријум ацетата

Натријум ацетат је веома растворљив у води (46 г/100 мЛ на 20 степени, расте са температуром). Међутим, у условима испаравања (нпр. на површини течности или на загрејаним површинама изнад линије течности) натријум ацетат може да кристалише као трихидрат или анхидрована со. Ови кристали не нападају кварц, али могу изградити чврсту изолациону скалу на површини кварца. Скала ограничава пренос топлоте и узрокује да се кварц у основи загрева, што може локално да погорша корозију (иако је стопа корозије већ веома ниска). Што је још важније, ефекат топлотне изолације може довести до топлотног напрезања и могућег пуцања кварца ако је скала неуједначена. Штавише, натријум ацетат трихидрат се топи на 58 степени, тако да се у врућем систему кристали могу растопити и поново{11}}кристалисати при хлађењу, што доводи до механичког напрезања на површини кварца. Полирана кварцна површина спречава кристализацију, а периодично чишћење топлом водом раствара каменац.

Регион менискуса је зона најинтензивније кристализације. Како вода испарава, натријум ацетат постаје све више концентрисан. Раствор постаје презасићен и кристали се развијају. Стабилан ниво течности или парни штит инхибира формирање-коре менискуса. У апликацијама за бојење где се ниво течности мења (нпр. приликом додавања тканине), загрејани горњи омотач (изнад 100 степени) инхибира кристализацију пошто натријум ацетат остаје истопљен или вода испарава без формирања чврсте коре.

Утицај дебљине зида на радни век грејача топлог натријум ацетата

Пошто су стопе једноличне корозије релативно ниске (0,00005–0,0004 мм/сат), количина корозије која је потребна за животни век опреме од 5–10 година износи само 0,005–0,04 мм. Дебљина зида, стога, није одређена додатком корозије, већ механичком чврстоћом, задржавањем притиска (где је релевантно) и отпорношћу на топлотни удар и оштећења током руковања. Стандардне дебљине зидова кварцних грејача (1,5 до 2,0 мм) су више него довољне за употребу натријум ацетата. Повећање дебљине зида на 3,0-4,0 мм не даје предност против корозије, једноставно повећава топлотну отпорност и тежину. За апликације које укључују поновљене термичке циклусе (нпр. машине за серијско фарбање у којима се грејач свакодневно загрева и хлади), дебљи зидови могу бити отпорнији на пуцање услед термичког напрезања, али је корист мала јер је кварц већ прилично отпоран на топлотни удар. 1.5-2.0 мм зидови лако испуњавају захтев за задржавање притиска (обично<10 bar) of pressurized dyeing systems running at 120 o C.

За пуфер системе са циркулишућим и темељно филтрираним раствором натријум ацетата препоручује се најтањи изводљиви зид (1,5 мм) за оптималан пренос топлоте.

Термичка казна повећане дебљине зида у растворима натријум ацетата

На пример, 30% раствори натријум ацетата на 95 степени показују топлотну проводљивост од 0,55-0,60 В/(м·К) нешто нижу од чисте воде. Густина 1,10-1,15 г/цм3, вискозитет 1,0-1,5 цП. У машинама за бојење са мешањем или пуфер резервоарима, коефицијенти конвективног преноса топлоте су у опсегу од 600-1200 В/(м²·К). За зид од 1,5 мм, Р_цонд=0.00109 м 2 ·К/В; за зид од 3,0 мм, Р_конд=0.00217. Р_граница=0.00125 , х=800 В/м^2.К . Укупни отпор за 1,5 мм=0.00234 → У=427 В/(м2.К) За 3,0 мм=0.00342 → У=292 В/(м2.К) смањење од 32%. То је тешка казна. Зидови не би требало да буду дебљи јер то не даје додатну заштиту од корозије. Најбоља дебљина зида је минимум који даје довољну механичку чврстоћу, нормално 1,5-2,0 мм.

Сценариј{0}}Матрица за избор дебљине зида кварцног омотача заснована на сценарију за сервис врућег натријум ацетата

Сценарио апликације и оперативни параметри Основно образложење са квантификованом трговином{0}}Препоручена дебљина ван зида
Пуфер за бојење текстила (30% натријум ацетат, 95 степени, пХ 8, континуирана циркулација, 1 година одржавања) 1,5–2,0 мм, стандардне класе, полирани пламеном Стопа корозије<0.00008 mm/hour → 2.0 mm offers >25.000 сати (2,8 година). Пламено{4}}полирање смањује приањање кристала. У ≈ 450 В/(м²·К)
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 >6.600 сати (9 месеци). Шаржни циклусни жарени кварц је отпоран на термичко оптерећење. У ≈ 400 В/м 2К.
Испаривач натријум ацетата (40% концентрација, 105 степени, кристализација, недељно чишћење) 2,0 мм, као-уцртано Корозија безначајна. Дебљина зида која се користи за механичку чврстоћу током чишћења. У ≈ 380 В/(м²·К)
Buffer system High pH (>9,5 од загађења)2,0 мм, монитор пХ Брзина се повећава на 0,001 мм/х при пХ 10. 2.0 мм даје 2000 сати. Контролишите пХ испод 9.
Нискотемпературни натријум ацетат (80 степени, 25%, прерада хране) 1,5 мм, стандардни степен Корозија безначајна (<0.00003 mm/hour). The thin wall maximizes the heat transfer. Life >30.000 сати
Додатне измене дизајна грејача за врући натријум ацетат

Дебљина зида је сада довољна, али се користе три начина да се продужи век трајања кварцног грејача. 1. пХ контрола: концентрација слободног хидроксида се потискује додавањем умерених количина сирћетне киселине или натријум ацетата колико је потребно да се раствор натријум ацетата одржава на пХ 7–9. пХ контролер који користи повратне информације такође може спречити алкалне екскурзије које могу повећати корозију. Друго, периодично чишћење: потапање грејача у топлу дејонизовану воду (или у разблажени раствор сирћетне киселине) на 1-2 сата раствара кристале натријум ацетата и враћа ефикасност преноса топлоте. Месечна процедура чишћења спречиће накупљање каменца. Треће, грејање пара-простора: грејач у траговима је инсталиран на кварцном омотачу изнад линије течности како би се одржала површинска температура изнад 100 степени и спречила кристализација на горњем омотачу. Алтернативно се може користити парни штитник загрејан паром. Четврто, полирана површина: пламеном полирана кварцна површина минимизира приањање кристала и било који каменац се лакше уклања приликом чишћења.

Закључак: Спецификација дебљине кварцног зида за врући натријум ацетат са поверењем у издржљивост

Кварцни урањајући грејачи су посебно добро прилагођени топлом концентрованом натријум ацетату на 80–120 степени са уједначеним стопама корозије < 0,0004 мм/сат у пХ 7–9 опсегу карактеристичном за ове растворе. Стандардне дебљине зида од 1,5-2,0 мм резултирају радним веком од 10.000-25.000 сати (1-3 године), у зависности од температуре. Корозија игра малу улогу у квару. Главни проблем одржавања није корозија, већ-нагомилавање кристала натријум ацетата на површини кварца што може ограничити ефикасност преноса топлоте. Периодично чишћење, парно загревање простора и стабилан ниво течности обезбеђују најбољу контролу кристализације. Дебљи зидови (3,0-4,0 мм) не пружају никакву корист од корозије и имају термални трошак од 30-35% и стога се не препоручују. За системе под притиском или за примене подложне термичком циклусу, жарени кварц са зидовима од 1,5–2,0 мм нуди изузетну издржљивост. Када наручите цене за грејаче натријум ацетата, молимо наведите концентрацију, радну температуру, пХ опсег, процењену учесталост кристализације и рутину чишћења. Ово омогућава произвођачу да предложи најбољу дебљину зида, обично 1,5 до 2,0 мм, за енергетски ефикасне, дугорочне перформансе у фарбању текстила, системима пуфера и другим апликацијама за обраду натријум ацетата.