Kedai kemasan logam menggantikan pemanas rendaman PTFE yang gagal dengan unit kuarza dengan watt dan dimensi yang serupa. Pemanas kuarza adalah lebih murah dan menawarkan pemindahan haba yang lebih baik. Ia bertahan sebelas hari dalam mandian pembersihan beralkali panas pada 75 darjah sebelum tiub terukir dan unsur itu terpintas. Kegagalan itu bukan kecacatan pembuatan. Kimia kuarza dan alkali pada asasnya tidak serasi.
Kuarza-silika bercantum-adalah bahan yang sangat baik untuk perkhidmatan berasid. Ia menentang kebanyakan asid mineral, menawarkan rintangan kejutan haba yang baik, dan menghantar tenaga inframerah dengan cekap. Sifat-sifat ini menjadikannya pilihan biasa untuk mandi asid, terutamanya dalam aplikasi semikonduktor dan makmal. Tetapi kuarza adalah silika, dan silika larut dalam larutan alkali. Kadar pelarutan meningkat dengan suhu, pH, dan masa. Dalam mandian pembersihan alkali panas, kuarza dimakan.
Kimia Pelarutan Kuarza
Kuarza ialah silikon dioksida (SiO₂). Dengan kehadiran ion hidroksida (OH⁻), silika larut untuk membentuk silikat larut:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Tindak balas adalah perlahan pada suhu bilik dan pH neutral. Pada 75 darjah dan pH 12 atau lebih tinggi, ia berjalan dengan mantap. Tiub kuarza dengan dinding 2 mm mungkin kehilangan 0.1–0.3 mm sebulan dalam mandian beralkali panas. Penipisan adalah seragam pada mulanya, kemudian memecut apabila dinding melemah. Kegagalan berlaku apabila tiub tidak lagi dapat menahan tekanan terma dan mekanikal aplikasi.
Pemanas rendaman PTFE tidak bertindak balas dengan ion hidroksida. Polimer adalah lengai kepada natrium hidroksida, kalium hidroksida, dan spesies beralkali lain merentasi semua kepekatan dan suhu industri. Pemanas PTFE dalam mandian beralkali yang sama akan bertahan bertahun-tahun, bukan berhari-hari.
| Kimia Mandian | pH | Suhu | Kadar Kakisan Kuarza | Kesesuaian PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Soda kaustik, 5% | 13–14 | 60 darjah | 0.1–0.2 mm/bulan | Cemerlang |
| Soda kaustik, 5% | 13–14 | 80 darjah | 0.2–0.4 mm/bulan | Cemerlang |
| Pembersih alkali, pH 11 | 11 | 70 darjah | 0.02–0.05 mm/bulan | Cemerlang |
| Ammonium hidroksida, 5% | 10–11 | 50 darjah | 0.01–0.03 mm/bulan | Cemerlang |
| Natrium silikat, 3% | 11–12 | 75 darjah | 0.05–0.15 mm/bulan | Cemerlang |
Kadar kakisan kuarza dalam mandian beralkali berbanding dengan kesesuaian PTFE
Mengapa Kuarza Digunakan dalam Perkhidmatan Asid
Kuarza berprestasi baik dalam asid kerana silika stabil dalam persekitaran-pH rendah. Asid hidroklorik, sulfurik, nitrik dan fosforik tidak menyerang kuarza pada suhu pemanas rendaman biasa. Asid hidrofluorik adalah pengecualian-ia melarutkan silika dengan cepat, itulah sebabnya pemanas kuarza tidak digunakan dalam perkhidmatan HF.
Sifat terma kuarza juga sesuai untuk perkhidmatan asid. Kekonduksian termanya adalah lebih kurang 1.4 W/m·K-lebih tinggi daripada PTFE tetapi lebih rendah daripada logam. Pekali pengembangan habanya sangat rendah, yang memberikannya rintangan kejutan haba yang baik. Sifat-sifat ini membolehkan pemanas kuarza beroperasi pada ketumpatan watt yang lebih tinggi daripada PTFE dalam kimia yang serasi.
| bahan | Kekonduksian Terma | Ketumpatan Watt Selamat dalam Asid | Ketumpatan Watt Selamat dalam Beralkali | Kos Relatif |
|---|---|---|---|---|
| Kuarza | 1.4 W/m·K | 1.5–2.5 W/cm² | Tidak sesuai | Rendah–Sederhana |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1.2–1.5 W/cm² | 1.2–1.5 W/cm² | Sederhana |
| titanium | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Lebih tinggi |
| Keluli tahan karat 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | rendah |
Had ketumpatan watt dan perbandingan kos untuk bahan pemanas rendaman dalam perkhidmatan asid dan alkali
Akibat Praktikal Menggunakan Kuarza dalam Mandian Beralkali
Tanda pertama kegagalan kuarza dalam mandian alkali biasanya adalah perubahan dalam penampilan tiub. Permukaan menjadi beku atau terukir apabila silika larut. Dinding menipis. Tiub mungkin menjadi lebih rapuh dan terdedah kepada kerosakan mekanikal.
Apabila dinding menipis, rintangan haba berkurangan dan suhu sarung turun sedikit. Pemanas mungkin kelihatan berprestasi lebih baik pada mulanya. Tetapi penipisan berterusan sehingga dinding tidak lagi boleh mengandungi unsur tersebut. Kegagalan selalunya ialah-retak atau lubang secara tiba-tiba yang membenarkan larutan alkali menghubungi elemen pemanas.
Kegagalan itu boleh berbahaya. Larutan alkali bersifat konduktif. Apabila larutan mencapai unsur bertenaga, litar pintas berlaku. Perlindungan kerosakan tanah harus tersandung, tetapi jika tidak, pemanas dan tangki boleh rosak.
Apabila Kuarza Adalah Pilihan Yang Tepat
Kuarza ialah pilihan yang tepat untuk mandian asid di mana ketumpatan wattnya yang lebih tinggi dan kos yang lebih rendah memberikan kelebihan. Ia biasanya digunakan dalam:
Cairkan tangki bilas asid sulfurik
Mandian penjerukan asid nitrik tanpa HF
Penyelesaian pembersihan asid fosforik
Tangki bilas air ternyahion
Bangku basah semikonduktor dengan kimia berasid
Dalam aplikasi ini, kuarza berfungsi dengan baik dan kos kurang daripada PTFE. Hadnya ialah kimia alkali dan HF-mengandungi mandian, tempat kuarza larut atau goresan.
Apabila PTFE Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
PTFE ialah pilihan yang lebih baik untuk mandian beralkali, mandian yang mengandungi HF-dan kimia bercampur yang pH mungkin berayun antara asid dan beralkali. Ia juga lebih baik untuk mandi dengan pepejal terlarut yang tinggi, di mana mendapan terbentuk pada permukaan pemanas dan memerlukan pembersihan berkala dengan larutan alkali atau asid.
Ketumpatan watt PTFE yang lebih rendah bermakna lebih luas permukaan diperlukan untuk kuasa yang sama. Dalam tangki padat, ini mungkin menjadi had. Tetapi dalam tangki dengan ruang yang mencukupi, hayat perkhidmatan yang lebih lama dan keserasian kimia PTFE yang lebih luas mengatasi kelemahan saiz.
Apabila Kedua-dua Bahan Tidak Sesuai dengan Aplikasi
Sesetengah aplikasi membentangkan kimia yang tidak dikendalikan oleh kuarza atau PTFE dengan baik. Mandian yang berselang-seli antara asid kuat dan alkali kuat-seperti garis pembersih dengan kedua-dua peringkat asid dan kaustik yang berkongsi pemanas biasa-memerlukan bahan yang menentang kedua-duanya. PTFE ialah satu-satunya bahan pemanas rendaman yang biasa digunakan.
Konfigurasi pemanas rendaman PTFE tersuai dengan ketumpatan watt rendah, kawasan permukaan yang besar dan penutup terminal bertutup menangani aplikasi yang kegagalan kuarza dan keluli tahan karat terhakis. Proses spesifikasi memerlukan kimia mandian, julat pH, suhu operasi, dimensi tangki dan watt yang diperlukan. Untuk kemudahan dengan mandian-kimia beralkali atau campuran, pendekatan khusus-aplikasi ini memberikan perkhidmatan yang boleh dipercayai apabila bahan standard tidak mencukupi.
