یک کارگاه تکمیل فلز یک بخاری غوطه وری PTFE شکست خورده را با یک واحد کوارتز با وات و ابعاد مشابه جایگزین کرد. بخاری کوارتز قیمت کمتری داشت و انتقال حرارت بهتری را ارائه می داد. یازده روز در یک حمام تمیز کننده قلیایی داغ در دمای 75 درجه دوام آورد، قبل از اینکه لوله از طریق حک شده و عنصر کوتاه شود. خرابی یک نقص تولیدی نبود. کوارتز و شیمی قلیایی اساساً ناسازگار هستند.
کوارتز-سیلیکا ذوب شده-یک ماده عالی برای خدمات اسیدی است. در برابر اکثر اسیدهای معدنی مقاومت می کند، مقاومت خوبی در برابر شوک حرارتی ارائه می دهد و انرژی مادون قرمز را به طور موثر انتقال می دهد. این ویژگی ها آن را به یک انتخاب رایج برای حمام های اسیدی، به ویژه در کاربردهای نیمه هادی و آزمایشگاهی تبدیل می کند. اما کوارتز سیلیس است و سیلیس در محلول های قلیایی حل می شود. سرعت انحلال با دما، pH و زمان افزایش می یابد. در یک حمام تمیز کننده قلیایی گرم، کوارتز مصرف می شود.
شیمی انحلال کوارتز
کوارتز دی اکسید سیلیکون (SiO2) است. در حضور یون های هیدروکسید (OH-)، سیلیس حل می شود و سیلیکات محلول را تشکیل می دهد:
SiO2 + 2OH-→ SiO32- + H2O
واکنش در دمای اتاق و pH خنثی کند است. در 75 درجه و pH 12 یا بالاتر، به طور پیوسته پیش می رود. یک لوله کوارتز با دیواره 2 میلی متری ممکن است 0.1-0.3 میلی متر در ماه در یک حمام قلیایی داغ کاهش یابد. نازک شدن در ابتدا یکنواخت است، سپس با ضعیف شدن دیوار تسریع می یابد. خرابی زمانی رخ می دهد که لوله دیگر نتواند تنش های حرارتی و مکانیکی کاربرد را تحمل کند.
بخاری های غوطه وری PTFE با یون های هیدروکسید واکنش نمی دهند. پلیمر نسبت به هیدروکسید سدیم، هیدروکسید پتاسیم و سایر گونه های قلیایی در تمام غلظت ها و دماهای صنعتی بی اثر است. یک بخاری PTFE در همان حمام قلیایی سال ها دوام می آورد نه چند روز.
| شیمی حمام | pH | دما | نرخ خوردگی کوارتز | مناسب بودن PTFE |
|---|---|---|---|---|
| سود سوزآور 5% | 13–14 | 60 درجه | 0.1-0.2 میلی متر در ماه | عالی |
| سود سوزآور 5% | 13–14 | 80 درجه | 0.2-0.4 میلی متر در ماه | عالی |
| پاک کننده قلیایی، pH 11 | 11 | 70 درجه | 0.02-0.05 میلی متر در ماه | عالی |
| هیدروکسید آمونیوم 5% | 10–11 | 50 درجه | 0.01-0.03 میلی متر در ماه | عالی |
| سیلیکات سدیم 3% | 11–12 | 75 درجه | 0.05-0.15 میلی متر در ماه | عالی |
نرخ خوردگی کوارتز در حمام های قلیایی در مقایسه با مناسب بودن PTFE
چرا از کوارتز در سرویس اسید استفاده می شود؟
کوارتز در اسیدها عملکرد خوبی دارد زیرا سیلیس در محیط‌های با pH پایین- پایدار است. اسیدهای هیدروکلریک، سولفوریک، نیتریک و فسفریک به کوارتز در دماهای معمولی هیتر غوطه وری حمله نمی کنند. اسید هیدروفلوریک استثناست-که سیلیس را به سرعت حل می‌کند، به همین دلیل است که از بخاری‌های کوارتز در سرویس HF استفاده نمی‌شود.
خواص حرارتی کوارتز نیز برای سرویس اسیدی مطلوب است. رسانایی حرارتی آن تقریباً 1.4 W/m·K-بیشتر از PTFE اما کمتر از فلزات است. ضریب انبساط حرارتی آن بسیار پایین است که به آن مقاومت شوک حرارتی خوبی می دهد. این ویژگی‌ها به بخاری‌های کوارتز اجازه می‌دهد تا با تراکم وات بالاتری نسبت به PTFE در شیمی‌های سازگار کار کنند.
| مواد | هدایت حرارتی | چگالی وات ایمن در اسید | چگالی وات ایمن در قلیایی | هزینه نسبی |
|---|---|---|---|---|
| کوارتز | 1.4 W/m·K | 1.5-2.5 W/cm² | مناسب نیست | کم – متوسط |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1.2-1.5 W/cm² | 1.2-1.5 W/cm² | متوسط |
| تیتانیوم | 22 W/m·K | 2-4 وات بر سانتی متر مربع | 2-3 وات بر سانتی متر مربع | بالاتر |
| فولاد ضد زنگ 316 | 16 W/m·K | 1-3 وات بر سانتی متر مربع | 2-4 وات بر سانتی متر مربع | پایین |
محدودیت‌های چگالی وات و مقایسه هزینه برای مواد بخاری غوطه‌وری در سرویس‌های اسیدی و قلیایی
پیامدهای عملی استفاده از کوارتز در حمام های قلیایی
اولین علامت شکست کوارتز در حمام قلیایی معمولاً تغییر در ظاهر لوله است. با حل شدن سیلیس، سطح یخ زده یا حکاکی می شود. دیوار نازک می شود لوله ممکن است شکننده تر و مستعد آسیب مکانیکی شود.
با نازک شدن دیوار، مقاومت حرارتی کاهش می یابد و دمای غلاف اندکی کاهش می یابد. بخاری ممکن است در ابتدا عملکرد بهتری داشته باشد. اما نازک شدن تا زمانی ادامه می یابد که دیوار دیگر نتواند عنصر را در خود جای دهد. خرابی اغلب ناگهانی-ترک یا سوراخی است که به محلول قلیایی اجازه می‌دهد با عنصر گرمایش تماس پیدا کند.
شکست می تواند خطرناک باشد. محلول های قلیایی رسانا هستند. هنگامی که محلول به عنصر پر انرژی می رسد، یک اتصال کوتاه رخ می دهد. محافظ خطای زمین باید قطع شود، اما در غیر این صورت، بخاری و مخزن ممکن است آسیب ببینند.
وقتی کوارتز انتخاب درستی است
کوارتز انتخاب مناسبی برای حمام های اسیدی است که چگالی وات بالاتر و هزینه کمتر آن مزیتی را ایجاد می کند. معمولاً در موارد زیر استفاده می شود:
مخازن شستشو با اسید سولفوریک را رقیق کنید
حمام ترشی اسید نیتریک بدون HF
محلول های پاک کننده اسید فسفریک
مخازن شستشو با آب دیونیزه
نیمکت های مرطوب نیمه هادی با شیمی اسیدی
در این کاربردها کوارتز عملکرد خوبی دارد و هزینه کمتری نسبت به PTFE دارد. محدودیت، شیمی قلیایی و حمام‌های حاوی HF{1}} است که در آن کوارتز حل می‌شود یا حکاکی می‌شود.
وقتی PTFE انتخاب بهتری است
PTFE برای حمام‌های قلیایی، حمام‌های حاوی HF{0}}و ترکیبات شیمیایی که ممکن است pH بین اسید و قلیایی نوسان داشته باشد، انتخاب بهتری است. همچنین برای حمام هایی با مواد جامد محلول بالا، جایی که رسوبات روی سطح بخاری ایجاد می شود و نیاز به تمیز کردن دوره ای با محلول های قلیایی یا اسیدی دارند، بهتر است.
چگالی وات کمتر PTFE به این معنی است که برای همان توان به سطح بیشتری نیاز است. در مخازن فشرده، این ممکن است یک محدودیت باشد. اما در مخازن با فضای کافی، عمر طولانی‌تر و سازگاری شیمیایی گسترده‌تر PTFE بیشتر از ضرر اندازه است.
وقتی هیچ یک از مواد با برنامه مطابقت ندارند
برخی از برنامه ها شیمی را ارائه می دهند که نه کوارتز و نه PTFE به خوبی از پس آن بر نمی آیند. حمامی که متناوب بین اسید قوی و قلیایی قوی است-مانند خط تمیز کردن با هر دو مرحله اسیدی و سوزاننده که دارای یک گرم کننده مشترک هستند-به ماده ای نیاز دارد که در برابر هر دو مقاومت کند. PTFE تنها ماده گرمکن غوطه وری رایج است که این کار را انجام می دهد.
پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE با چگالی وات کم، سطح بزرگ و محفظه‌های ترمینال مهر و موم شده، کاربردهایی را که در آن کوارتز از کار می‌افتد و فولاد ضد زنگ خورده می‌شود، برطرف می‌کند. فرآیند مشخصات به شیمی حمام، محدوده pH، دمای عملیاتی، ابعاد مخزن و وات مورد نیاز نیاز دارد. برای تأسیسات با-حمام شیمیایی قلیایی یا مخلوط، این رویکرد کاربردی{3}}خاص خدمات قابل اعتمادی را در مواردی که مواد استاندارد کم هستند ارائه می‌دهد.
