Et metallverksted erstattet en mislykket PTFE-dyppevarmer med en kvartsenhet med lignende effekt og dimensjoner. Kvartsvarmeren var rimeligere og ga bedre varmeoverføring. Det varte i elleve dager i et varmt alkalisk rensebad på 75 grader før røret etset seg gjennom og elementet kortsluttet. Feilen var ikke en produksjonsfeil. Kvarts og alkalisk kjemi er fundamentalt uforenlige.
Kvarts-smeltet silika-er et utmerket materiale for sur bruk. Den motstår de fleste mineralsyrer, gir god termisk støtmotstand og overfører infrarød energi effektivt. Disse egenskapene gjør det til et vanlig valg for syrebad, spesielt i halvleder- og laboratorieapplikasjoner. Men kvarts er silika, og silika løses opp i alkaliske løsninger. Oppløsningshastigheten øker med temperatur, pH og tid. I et varmt alkalisk rensebad forbrukes kvarts.
Kjemien til kvartsoppløsning
Kvarts er silisiumdioksid (SiO₂). I nærvær av hydroksidioner (OH⁻), oppløses silika for å danne løselig silikat:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Reaksjonen er langsom ved romtemperatur og nøytral pH. Ved 75 grader og pH 12 eller høyere, fortsetter det jevnt. Et kvartsrør med 2 mm vegg kan miste 0,1–0,3 mm per måned i et varmt alkalisk bad. Tynningen er først jevn, og akselererer deretter etter hvert som veggen svekkes. Feil oppstår når røret ikke lenger tåler de termiske og mekaniske påkjenningene ved applikasjonen.
PTFE el-varmere reagerer ikke med hydroksidioner. Polymeren er inert overfor natriumhydroksid, kaliumhydroksid og andre alkaliske arter på tvers av alle industrielle konsentrasjoner og temperaturer. En PTFE-varmer i det samme alkaliske badet vil vare år, ikke dager.
| Badekjemi | pH | Temperatur | Kvarts korrosjonshastighet | PTFE-egnethet |
|---|---|---|---|---|
| Kaustisk soda, 5 % | 13–14 | 60 grader | 0,1–0,2 mm/mnd | Glimrende |
| Kaustisk soda, 5 % | 13–14 | 80 grader | 0,2–0,4 mm/mnd | Glimrende |
| Alkalisk rengjøringsmiddel, pH 11 | 11 | 70 grader | 0,02–0,05 mm/mnd | Glimrende |
| Ammoniumhydroksid, 5 % | 10–11 | 50 grader | 0,01–0,03 mm/mnd | Glimrende |
| Natriumsilikat, 3 % | 11–12 | 75 grader | 0,05–0,15 mm/mnd | Glimrende |
Kvarts korrosjonshastigheter i alkaliske bad sammenlignet med PTFE-egnethet
Hvorfor kvarts brukes i syreservice
Kvarts fungerer godt i syrer fordi silika er stabilt i miljøer med lav -pH. Saltsyre, svovelsyre, salpetersyre og fosforsyre angriper ikke kvarts ved typiske varmeelementtemperaturer. Flussyre er unntaket-den løser opp silika raskt, og det er grunnen til at kvartsvarmere ikke brukes i HF-tjeneste.
De termiske egenskapene til kvarts er også gunstige for syreservice. Dens varmeledningsevne er omtrent 1,4 W/m·K-høyere enn PTFE, men lavere enn metaller. Dens termiske ekspansjonskoeffisient er svært lav, noe som gir den god motstand mot termisk sjokk. Disse egenskapene gjør at kvartsvarmere kan operere ved høyere watttettheter enn PTFE i kompatible kjemi.
| Materiale | Termisk ledningsevne | Sikker watttetthet i syre | Sikker watttetthet i alkalisk | Relativ kostnad |
|---|---|---|---|---|
| Kvarts | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Ikke egnet | Lav – Moderat |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Moderat |
| Titanium | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Høyere |
| Rustfritt stål 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Lav |
Watt-tetthetsgrenser og kostnadssammenligning for el-varmematerialer i sur og alkalisk drift
De praktiske konsekvensene av å bruke kvarts i alkaliske bad
Det første tegnet på kvartssvikt i et alkalisk bad er vanligvis en endring i rørets utseende. Overflaten blir frostet eller etset når silikaen løses opp. Veggen tynnes ut. Røret kan bli mer skjørt og utsatt for mekanisk skade.
Etter hvert som veggen tynnes, avtar den termiske motstanden og kappetemperaturen synker litt. Varmeren kan virke bedre i starten. Men tynningen fortsetter til veggen ikke lenger kan inneholde elementet. Feil er ofte plutselig-en sprekk eller et hull som gjør at den alkaliske løsningen kommer i kontakt med varmeelementet.
Feilen kan være farlig. Alkaliske løsninger er ledende. Når løsningen når det energiserte elementet, oppstår det en kortslutning. Jordfeilvernet skal utløses, men hvis det ikke gjør det, kan varmeren og tanken bli skadet.
Når kvarts er det riktige valget
Kvarts er det riktige valget for syrebad der dens høyere watttetthet og lavere kostnad gir en fordel. Det er ofte brukt i:
Skylletanker for fortynnet svovelsyre
Salpetersyrebeisebad uten HF
Fosforsyre rengjøringsløsninger
Avionisert vann skylletanker
Halvleder våtbenker med sur kjemi
I disse applikasjonene fungerer kvarts godt og koster mindre enn PTFE. Begrensningen er alkalisk kjemi og HF-holdige bad, der kvarts løses opp eller etser.
Når PTFE er det bedre valget
PTFE er det beste valget for alkaliske bad, bad som inneholder HF- og blandede kjemityper der pH kan variere mellom surt og alkalisk. Det er også bedre for bad med høyt oppløste faste stoffer, der avleiringer dannes på varmeoverflaten og krever periodisk rengjøring med alkaliske eller sure løsninger.
PTFEs lavere watttetthet betyr at det kreves mer overflateareal for samme kraft. I kompakte tanker kan dette være en begrensning. Men i tanker med tilstrekkelig plass oppveier den lengre levetiden og den bredere kjemiske kompatibiliteten til PTFE størrelsesulempen.
Når ingen av materialene passer til applikasjonen
Noen applikasjoner presenterer kjemi som verken kvarts eller PTFE håndterer godt. Et bad som veksler mellom sterk syre og sterk alkalisk-som en renselinje med både syre- og kaustiske trinn som deler en felles varmeovn- krever et materiale som motstår begge deler. PTFE er det eneste vanlige el-varmematerialet som gjør det.
En tilpasset PTFE-dykkvarmerkonfigurasjon med lav watttetthet, et stort overflateareal og forseglede terminalkapslinger tar for seg bruksområder der kvarts svikter og rustfritt stål korroderer. Spesifikasjonsprosessen krever badets kjemi, pH-område, driftstemperatur, tankdimensjoner og nødvendig effekt. For anlegg med alkaliske eller blandede-kjemibad, gir denne applikasjonsspesifikke-tilnærmingen pålitelig service der standardmaterialer kommer til kort.
