En metallverkstad ersatte en misslyckad PTFE elpatron med en kvartsenhet med liknande wattal och dimensioner. Kvartsvärmaren var billigare och erbjöd bättre värmeöverföring. Det höll i elva dagar i ett varmt alkaliskt rengöringsbad på 75 grader innan röret etsade igenom och elementet kortades. Felet var inte ett tillverkningsfel. Kvarts och alkalisk kemi är i grunden oförenliga.
Kvarts-smält kiseldioxid-är ett utmärkt material för sur service. Den står emot de flesta mineralsyror, erbjuder bra värmechockbeständighet och överför infraröd energi effektivt. Dessa egenskaper gör det till ett vanligt val för syrabad, särskilt i halvledar- och laboratorieapplikationer. Men kvarts är kiseldioxid och kiseldioxid löser sig i alkaliska lösningar. Upplösningshastigheten ökar med temperatur, pH och tid. I ett varmt alkaliskt rengöringsbad förbrukas kvarts.
Kvartsupplösningens kemi
Kvarts är kiseldioxid (SiO₂). I närvaro av hydroxidjoner (OH⁻), löses kiseldioxid för att bilda lösligt silikat:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Reaktionen är långsam vid rumstemperatur och neutralt pH. Vid 75 grader och pH 12 eller högre fortsätter det stadigt. Ett kvartsrör med 2 mm vägg kan förlora 0,1–0,3 mm per månad i ett varmt alkaliskt bad. Förtunningen är till en början enhetlig och accelererar sedan när väggen försvagas. Fel uppstår när röret inte längre kan motstå de termiska och mekaniska påfrestningarna från applikationen.
Elpatron av PTFE reagerar inte med hydroxidjoner. Polymeren är inert mot natriumhydroxid, kaliumhydroxid och andra alkaliska ämnen över alla industriella koncentrationer och temperaturer. En PTFE-värmare i samma alkaliska bad skulle hålla år, inte dagar.
| Badkemi | pH | Temperatur | Kvarts korrosionshastighet | PTFE Lämplighet |
|---|---|---|---|---|
| Kaustik soda, 5 % | 13–14 | 60 grader | 0,1–0,2 mm/månad | Excellent |
| Kaustik soda, 5 % | 13–14 | 80 grader | 0,2–0,4 mm/mån | Excellent |
| Alkaliskt rengöringsmedel, pH 11 | 11 | 70 grader | 0,02–0,05 mm/mån | Excellent |
| Ammoniumhydroxid, 5 % | 10–11 | 50 grader | 0,01–0,03 mm/månad | Excellent |
| Natriumsilikat, 3% | 11–12 | 75 grader | 0,05–0,15 mm/mån | Excellent |
Kvartskorrosionshastigheter i alkaliska bad jämfört med PTFE-lämplighet
Varför kvarts används i syraservice
Kvarts fungerar bra i syror eftersom kiseldioxid är stabil i miljöer med låg-pH. Saltsyra, svavelsyra, salpetersyra och fosforsyra angriper inte kvarts vid typiska doppvärmartemperaturer. Fluorvätesyra är undantaget-den löser kiseldioxid snabbt, vilket är anledningen till att kvartsvärmare inte används i HF-tjänst.
De termiska egenskaperna hos kvarts är också gynnsamma för syraservice. Dess värmeledningsförmåga är ungefär 1,4 W/m·K-högre än PTFE men lägre än metaller. Dess termiska expansionskoefficient är mycket låg, vilket ger den bra motstånd mot värmechock. Dessa egenskaper tillåter kvartsvärmare att arbeta med högre wattdensiteter än PTFE i kompatibla kemityper.
| Material | Värmeledningsförmåga | Säker wattdensitet i syra | Säker wattdensitet i alkaliskt | Relativ kostnad |
|---|---|---|---|---|
| Kvarts | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Inte lämplig | Låg–måttlig |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Måttlig |
| Titan | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Högre |
| Rostfritt stål 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Låg |
Wattdensitetsgränser och kostnadsjämförelse för elpatronsmaterial i sur och alkalisk drift
De praktiska konsekvenserna av att använda kvarts i alkaliska bad
Det första tecknet på kvartsfel i ett alkaliskt bad är vanligtvis en förändring av rörets utseende. Ytan blir frostad eller etsad när kiseldioxiden löses upp. Väggen tunnar. Röret kan bli ömtåligare och känsligare för mekanisk skada.
När väggen förtunnas minskar det termiska motståndet och manteltemperaturen sjunker något. Värmaren kan tyckas fungera bättre initialt. Men gallringen fortsätter tills väggen inte längre kan innehålla elementet. Fel är ofta plötsligt-en spricka eller ett hål som gör att den alkaliska lösningen kommer i kontakt med värmeelementet.
Misslyckandet kan vara farligt. Alkaliska lösningar är ledande. När lösningen når det spänningssatta elementet uppstår en kortslutning. Jordfelsskyddet ska lösa ut, men om det inte gör det kan värmaren och tanken skadas.
När kvarts är rätt val
Kvarts är det rätta valet för sura bad där dess högre wattdensitet och lägre kostnad ger en fördel. Det används ofta i:
Spädda svavelsyrasköljtankar
Salpetersyrabetningsbad utan HF
Fosforsyra rengöringslösningar
Avjoniserat vatten sköljtankar
Halvledarvåtbänkar med sur kemi
I dessa applikationer presterar kvarts bra och kostar mindre än PTFE. Begränsningen är alkalisk kemi och HF-innehållande bad, där kvarts löser sig eller etsar.
När PTFE är det bättre valet
PTFE är det bättre valet för alkaliska bad, HF-innehållande bad och blandade kemier där pH-värdet kan variera mellan surt och alkaliskt. Det är också bättre för bad med högt lösta fasta ämnen, där avlagringar bildas på värmarens yta och kräver periodisk rengöring med alkaliska eller sura lösningar.
PTFE:s lägre wattdensitet innebär att mer yta krävs för samma effekt. I kompakta tankar kan detta vara en begränsning. Men i tankar med tillräckligt utrymme uppväger den längre livslängden och den bredare kemiska kompatibiliteten hos PTFE storleksnackdelen.
När ingetdera materialet passar applikationen
Vissa applikationer presenterar kemi som varken kvarts eller PTFE hanterar bra. Ett bad som växlar mellan stark syra och stark alkalisk-som en rengöringslinje med både sura och frätande steg som delar en gemensam värmare-kräver ett material som motstår båda. PTFE är det enda vanliga elpatronsmaterialet som gör det.
En anpassad PTFE elpatronkonfiguration med låg wattdensitet, stor yta och förseglade terminalkapslingar vänder sig till applikationer där kvarts går sönder och rostfritt stål korroderar. Specifikationsprocessen kräver badets kemi, pH-intervall, driftstemperatur, tankdimensioner och erforderlig effekt. För anläggningar med alkaliska eller blandade-kemibad ger detta applikations-specifika tillvägagångssätt tillförlitlig service där standardmaterial saknas.
