Цех обробки металу замінив несправний занурювальний нагрівач PTFE на кварцовий блок подібної потужності та розмірів. Кварцовий обігрівач був дешевшим і забезпечував кращу тепловіддачу. Це тривало одинадцять днів у гарячій лужній очищувальній ванні при температурі 75 градусів, перш ніж трубка протравлюється і елемент замикається. Поломка не була виробничим дефектом. Кварц і лужна хімія принципово несумісні.
Кварцовий-плавлений кремнезем-є чудовим матеріалом для кислотних робіт. Він стійкий до більшості мінеральних кислот, забезпечує хорошу стійкість до термічного удару та ефективно передає інфрачервону енергію. Ці властивості роблять його загальним вибором для кислотних ванн, особливо в напівпровідникових і лабораторних застосуваннях. Але кварц — це кремнезем, а кремнезем розчиняється в лужних розчинах. Швидкість розчинення зростає з температурою, pH і часом. У гарячій лужній очисній ванні витрачається кварц.
Хімія розчинення кварцу
Кварц - це діоксид кремнію (SiO₂). У присутності гідроксид-іонів (OH⁻) діоксид кремнію розчиняється, утворюючи розчинний силікат:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Реакція йде повільно при кімнатній температурі і нейтральному pH. При температурі 75 градусів і рН 12 або вище він протікає стабільно. Кварцова трубка зі стінкою 2 мм може втрачати 0,1-0,3 мм на місяць у гарячій лужній ванні. Стоншення спочатку рівномірне, потім прискорюється, коли стінка слабшає. Поломка виникає, коли трубка більше не може витримувати термічні та механічні навантаження.
PTFE занурювальні нагрівачі не реагують з іонами гідроксиду. Полімер інертний до гідроксиду натрію, гідроксиду калію та інших лужних речовин у всіх промислових концентраціях і температурах. Тефлоновий нагрівач у тій самій лужній ванні пропрацював би роки, а не дні.
| Ванна хімія | pH | температура | Швидкість корозії кварцу | Придатність PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Каустична сода, 5% | 13–14 | 60 градусів | 0,1–0,2 мм/міс | Чудово |
| Каустична сода, 5% | 13–14 | 80 градусів | 0,2–0,4 мм/міс | Чудово |
| Лужний очисник, pH 11 | 11 | 70 градусів | 0,02–0,05 мм/міс | Чудово |
| Гідроксид амонію, 5% | 10–11 | 50 градусів | 0,01–0,03 мм/міс | Чудово |
| Силікат натрію, 3% | 11–12 | 75 градусів | 0,05–0,15 мм/міс | Чудово |
Швидкість корозії кварцу в лужних ваннах порівняно з придатністю PTFE
Чому кварц використовується в кислотних службах
Кварц добре працює в кислотах, оскільки кремнезем стабільний у середовищах із низьким -pH. Соляна, сірчана, азотна та фосфорна кислоти не впливають на кварц при типових температурах занурювального нагрівача. Фтористоводнева кислота є винятком-вона швидко розчиняє кремнезем, тому кварцові нагрівачі не використовуються у високочастотних умовах.
Теплові властивості кварцу також сприятливі для кислотної служби. Його теплопровідність приблизно на 1,4 Вт/м·K-вища, ніж PTFE, але нижча, ніж у металів. Коефіцієнт теплового розширення дуже низький, що забезпечує хорошу стійкість до теплового удару. Ці властивості дозволяють кварцовим нагрівачам працювати з більш високою щільністю ват, ніж PTFE у сумісних хімікатах.
| матеріал | Теплопровідність | Безпечна ватна щільність у кислоті | Безпечна ватна щільність у лужному середовищі | Відносна вартість |
|---|---|---|---|---|
| Кварц | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 Вт/см² | Не підходить | Низький–Помірний |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 Вт/см² | 1,2–1,5 Вт/см² | Помірний |
| Титан | 22 W/m·K | 2–4 Вт/см² | 2–3 Вт/см² | Вища |
| Нержавіюча сталь 316 | 16 W/m·K | 1–3 Вт/см² | 2–4 Вт/см² | Низький |
Обмеження ватної щільності та порівняння вартості матеріалів для занурювальних нагрівачів у кислотних і лужних умовах
Практичні наслідки використання кварцу в лужних ваннах
Першою ознакою несправності кварцу в лужній ванні зазвичай є зміна зовнішнього вигляду трубки. У міру розчинення діоксиду кремнію поверхня стає матовою або витравленою. Стінка стоншується. Трубка може стати більш крихкою та чутливою до механічних пошкоджень.
У міру потоншення стінки термічний опір зменшується, а температура оболонки трохи падає. Спочатку нагрівач може працювати краще. Але розрідження триває до тих пір, поки стіна більше не зможе втримувати елемент. Поломка часто є раптовою-тріщиною або отвором, що дозволяє лужному розчину контактувати з нагрівальним елементом.
Невдача може бути небезпечною. Лужні розчини є електропровідними. Коли розчин досягає елемента під напругою, відбувається коротке замикання. Захист від замикання на землю повинен спрацювати, але якщо цього не станеться, нагрівач і бак можуть бути пошкоджені.
Коли кварц – це правильний вибір
Кварц є правильним вибором для кислотних ванн, де його вища щільність ват і нижча вартість забезпечують перевагу. Він зазвичай використовується в:
Баки для промивки розбавленої сірчаної кислоти
Азотно-кислі травильні ванни без HF
Очисні розчини фосфорної кислоти
Резервуари для промивання деіонізованої води
Напівпровідникові вологі стенди з кислотною хімією
У цих застосуваннях кварц працює добре і коштує дешевше, ніж PTFE. Обмеженням є лужна хімія та ванни, що містять HF-, де кварц розчиняється або травиться.
Коли PTFE є кращим вибором
PTFE є кращим вибором для лужних ванн, ванн, що містять HF-, і змішаних хімікатів, де рН може коливатися між кислотним і лужним. Це також краще для ванн з високим вмістом твердих речовин, де на поверхні нагрівача утворюються відкладення, які потребують періодичного очищення лужними або кислотними розчинами.
Менша щільність PTFE означає, що для тієї ж потужності потрібна більша площа поверхні. У компактних танках це може бути обмеженням. Але в резервуарах з достатнім простором довший термін служби та ширша хімічна сумісність PTFE переважують недолік розміру.
Коли жоден матеріал не підходить для застосування
У деяких сферах застосування присутні хімічні речовини, з якими ні кварц, ні PTFE погано справляються. Ванна, яка чергується з сильною кислотою та сильним лугом-така як лінія очищення з кислотною та каустичною стадіями, які мають спільний нагрівач-потрібен матеріал, стійкий до обох. PTFE є єдиним звичайним матеріалом для занурювальних нагрівачів.
Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з PTFE з низькою щільністю ват, великою площею поверхні та герметичними корпусами клем підходить для застосувань, де кварц виходить з ладу, а нержавіюча сталь піддається корозії. Процес специфікації вимагає хімічного складу ванни, діапазону pH, робочої температури, розмірів бака та необхідної потужності. Для приміщень із лужними або змішаними-хімічними ваннами цей-спеціальний підхід забезпечує надійне обслуговування там, де стандартних матеріалів не вистачає.
