Et metalværksted erstattede en fejlbehæftet PTFE-dyppevarmer med en kvartsenhed med lignende effekt og dimensioner. Kvartsvarmeren var billigere og tilbød bedre varmeoverførsel. Det varede elleve dage i et varmt alkalisk rensebad ved 75 grader, før røret ætsede igennem, og elementet kortede. Fejlen var ikke en fabrikationsfejl. Kvarts og alkalisk kemi er grundlæggende uforenelige.
Kvarts-smeltet silica-er et fremragende materiale til sur brug. Det modstår de fleste mineralsyrer, tilbyder god modstand mod termisk stød og transmitterer infrarød energi effektivt. Disse egenskaber gør det til et almindeligt valg til syrebade, især i halvleder- og laboratorieapplikationer. Men kvarts er silica, og silica opløses i alkaliske opløsninger. Opløsningshastigheden stiger med temperatur, pH og tid. I et varmt alkalisk rensebad indtages kvarts.
Kvartsopløsningens kemi
Kvarts er siliciumdioxid (SiO₂). I nærvær af hydroxidioner (OH⁻) opløses silica for at danne opløseligt silikat:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Reaktionen er langsom ved stuetemperatur og neutral pH. Ved 75 grader og pH 12 eller højere fortsætter det støt. Et kvartsrør med en 2 mm væg kan tabe 0,1-0,3 mm om måneden i et varmt alkalisk bad. Udtyndingen er først ensartet, og accelererer derefter, efterhånden som væggen svækkes. Fejl opstår, når røret ikke længere kan modstå de termiske og mekaniske belastninger fra applikationen.
PTFE-dyppevarmere reagerer ikke med hydroxidioner. Polymeren er inert over for natriumhydroxid, kaliumhydroxid og andre alkaliske arter på tværs af alle industrielle koncentrationer og temperaturer. En PTFE-varmer i det samme alkaliske bad ville holde år, ikke dage.
| Badkemi | pH | Temperatur | Kvarts korrosionshastighed | PTFE Egnethed |
|---|---|---|---|---|
| kaustisk sodavand, 5 % | 13–14 | 60 grader | 0,1-0,2 mm/måned | Fremragende |
| kaustisk sodavand, 5 % | 13–14 | 80 grader | 0,2-0,4 mm/måned | Fremragende |
| Alkalisk rengøringsmiddel, pH 11 | 11 | 70 grader | 0,02–0,05 mm/måned | Fremragende |
| Ammoniumhydroxid, 5 % | 10–11 | 50 grader | 0,01–0,03 mm/måned | Fremragende |
| Natriumsilikat, 3% | 11–12 | 75 grader | 0,05–0,15 mm/måned | Fremragende |
Kvarts korrosionshastigheder i alkaliske bade sammenlignet med PTFE-egnethed
Hvorfor kvarts bruges i syreservice
Kvarts klarer sig godt i syrer, fordi silica er stabilt i miljøer med lav -pH. Saltsyre, svovlsyre, salpetersyre og phosphorsyre angriber ikke kvarts ved typiske varmelegemetemperaturer. Flussyre er undtagelsen-det opløser silica hurtigt, hvilket er grunden til, at kvartsvarmere ikke bruges i HF-drift.
De termiske egenskaber af kvarts er også gunstige for syreservice. Dens varmeledningsevne er ca. 1,4 W/m·K-højere end PTFE, men lavere end metaller. Dens termiske udvidelseskoefficient er meget lav, hvilket giver den god modstand mod termisk stød. Disse egenskaber gør det muligt for kvartsvarmere at arbejde ved højere watt-densiteter end PTFE i kompatible kemier.
| Materiale | Termisk ledningsevne | Sikker watt-tæthed i syre | Sikker watt-tæthed i alkalisk | relative omkostninger |
|---|---|---|---|---|
| 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 | Højere |
| Rustfrit stål 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Lav |
Watt-tæthedsgrænser og omkostningssammenligning for el-varmematerialer i sur og alkalisk drift
De praktiske konsekvenser af at bruge kvarts i alkaliske bade
Det første tegn på kvartsfejl i et alkalisk bad er normalt en ændring i rørets udseende. Overfladen bliver frostet eller ætset, når silicaen opløses. Væggen tynder ud. Røret kan blive mere skrøbeligt og modtageligt for mekanisk skade.
Efterhånden som væggen bliver tyndere, falder den termiske modstand, og kappetemperaturen falder en smule. Varmeren kan se ud til at fungere bedre i starten. Men udtyndingen fortsætter, indtil væggen ikke længere kan indeholde elementet. Fejl er ofte pludselig-en revne eller et hul, der gør det muligt for den alkaliske opløsning at komme i kontakt med varmeelementet.
Fejlen kan være farlig. Alkaliske opløsninger er ledende. Når opløsningen når det spændingsførende element, opstår der en kortslutning. Jordfejlsbeskyttelsen skulle udløse, men hvis den ikke gør det, kan varmeren og tanken blive beskadiget.
Når kvarts er det rigtige valg
Kvarts er det rigtige valg til syrebade, hvor dens højere watt-tæthed og lavere omkostninger giver en fordel. Det er almindeligt anvendt i:
Skylletanke med fortyndet svovlsyre
Salpetersyre bejdsebade uden HF
Fosforsyre rengøringsopløsninger
Deioniseret vand skylletanke
Halvleder våde bænke med sur kemi
I disse applikationer klarer kvarts sig godt og koster mindre end PTFE. Begrænsningen er alkalisk kemi og HF-holdige bade, hvor kvarts opløses eller ætser.
Når PTFE er det bedre valg
PTFE er det bedre valg til alkaliske bade, HF-holdige bade og blandede kemier, hvor pH-værdien kan svinge mellem sur og basisk. Det er også bedre til bade med højt opløste tørstof, hvor der dannes aflejringer på varmelegemets overflade og kræver periodisk rengøring med alkaliske eller sure opløsninger.
PTFEs lavere watt-tæthed betyder, at der kræves mere overfladeareal for den samme effekt. I kompakte tanke kan dette være en begrænsning. Men i tanke med tilstrækkelig plads opvejer den længere levetid og bredere kemiske kompatibilitet af PTFE størrelsesulempen.
Når ingen af materialerne passer til applikationen
Nogle applikationer præsenterer kemi, som hverken kvarts eller PTFE håndterer godt. Et bad, der veksler mellem stærk syre og stærk alkalisk-såsom en renselinje med både syre- og kaustiske trin, der deler en fælles varmelegeme-kræver et materiale, der modstår begge dele. PTFE er det eneste almindelige el-varmelegeme, der gør.
En skræddersyet PTFE el-patronkonfiguration med lav watt-densitet, et stort overfladeareal og forseglede terminalindkapslinger adresserer applikationer, hvor kvarts svigter og rustfrit stål korroderer. Specifikationsprocessen kræver badets kemi, pH-område, driftstemperatur, tankdimensioner og påkrævet watt. Til faciliteter med alkaliske eller blandede-kemibade leverer denne applikations-specifikke tilgang pålidelig service, hvor standardmaterialer mangler.
