Delavnica za končno obdelavo kovin je pokvarjeni PTFE potopni grelnik zamenjala s kvarčno enoto podobne moči in dimenzij. Kvarčni grelec je bil cenejši in je nudil boljši prenos toplote. Trajalo je enajst dni v vroči alkalni čistilni kopeli pri 75 stopinjah, preden se je cev vrezala skozi in je v elementu prišlo do kratkega stika. Napaka ni bila tovarniška napaka. Kremen in alkalna kemija sta načeloma nezdružljivi.
Kremen-staljeni silicijev dioksid-je odličen material za kisle storitve. Odporen je na večino mineralnih kislin, nudi dobro odpornost na toplotne udarce in učinkovito prenaša infrardečo energijo. Zaradi teh lastnosti je običajna izbira za kisle kopeli, zlasti v polprevodniških in laboratorijskih aplikacijah. Toda kremen je silicijev dioksid in silicijev dioksid se topi v alkalnih raztopinah. Hitrost raztapljanja narašča s temperaturo, pH in časom. V vroči alkalni čistilni kopeli se porabi kremen.
Kemija raztapljanja kremena
Kremen je silicijev dioksid (SiO₂). V prisotnosti hidroksidnih ionov (OH⁻) se silicijev dioksid raztopi in tvori topen silikat:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Reakcija je počasna pri sobni temperaturi in nevtralnem pH. Pri 75 stopinjah in pH 12 ali več se nadaljuje enakomerno. Kvarčna cev z 2 mm steno lahko v vroči alkalni kopeli izgubi 0,1–0,3 mm na mesec. Tanjšanje je sprva enakomerno, nato pa se s slabšanjem stene pospešuje. Do okvare pride, ko cev ne more več vzdržati toplotnih in mehanskih obremenitev aplikacije.
PTFE potopni grelniki ne reagirajo s hidroksidnimi ioni. Polimer je inerten na natrijev hidroksid, kalijev hidroksid in druge alkalne vrste pri vseh industrijskih koncentracijah in temperaturah. PTFE grelnik v isti alkalni kopeli bi zdržal leta in ne dni.
| Bath Kemija | pH | Temperatura | Stopnja korozije kremena | Primernost PTFE |
|---|---|---|---|---|
| kavstična soda, 5% | 13–14 | 60 stopinj | 0,1–0,2 mm/mesec | Odlično |
| kavstična soda, 5% | 13–14 | 80 stopinj | 0,2–0,4 mm/mesec | Odlično |
| Alkalno čistilo, pH 11 | 11 | 70 stopinj | 0,02–0,05 mm/mesec | Odlično |
| Amonijev hidroksid, 5% | 10–11 | 50 stopinj | 0,01–0,03 mm/mesec | Odlično |
| Natrijev silikat, 3% | 11–12 | 75 stopinj | 0,05–0,15 mm/mesec | Odlično |
Stopnje kvarčne korozije v alkalnih kopelih v primerjavi s primernostjo PTFE
Zakaj se kremen uporablja v kislinskih storitvah
Kremen se dobro obnese v kislinah, ker je silicijev dioksid stabilen v okoljih z nizkim-pH. Klorovodikova, žveplova, dušikova in fosforjeva kislina ne napadajo kremena pri tipičnih temperaturah potopnega grelnika. Fluorovodikova kislina je izjema-hitro raztopi silicijev dioksid, zato se kvarčni grelniki ne uporabljajo v visokofrekvenčnih napravah.
Toplotne lastnosti kremena so ugodne tudi za kislinsko uporabo. Njegova toplotna prevodnost je približno 1,4 W/m·K-višja od PTFE, vendar nižja od kovin. Njegov koeficient toplotnega raztezanja je zelo nizek, kar mu daje dobro odpornost na toplotne udarce. Te lastnosti omogočajo kvarčnim grelnikom, da delujejo pri večji gostoti v vatih kot PTFE v združljivih kemijah.
| Material | Toplotna prevodnost | Varna vatna gostota v kislini | Varna vatna gostota v alkalnem | Relativni stroški |
|---|---|---|---|---|
| Kvarc | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Ni primerno | Nizka–Zmerna |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Zmerno |
| Titan | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | višje |
| Nerjaveče jeklo 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Nizka |
Omejitve vatne gostote in primerjava stroškov za materiale za potopne grelnike v kislinski in alkalni uporabi
Praktične posledice uporabe kremena v alkalnih kopelih
Prvi znak okvare kremena v alkalni kopeli je običajno sprememba videza cevi. Površina postane zmrznjena ali jedkana, ko se silicijev dioksid raztopi. Stena se stanjša. Cev lahko postane bolj krhka in dovzetna za mehanske poškodbe.
Ko se stena tanjša, se toplotni upor zmanjša in temperatura plašča rahlo pade. Na začetku se lahko zdi, da grelnik deluje bolje. Toda redčenje se nadaljuje, dokler stena ne more več zadržati elementa. Napaka je pogosto nenadna-razpoka ali luknja, ki omogoča, da alkalna raztopina pride v stik z grelnim elementom.
Napaka je lahko nevarna. Alkalne raztopine so prevodne. Ko raztopina doseže element pod napetostjo, pride do kratkega stika. Ozemljitvena zaščita bi se morala sprožiti, če pa se ne, se lahko poškoduje grelnik in rezervoar.
Ko je Quartz prava izbira
Kremen je prava izbira za kisle kopeli, kjer njegova večja gostota v vatih in nižji stroški zagotavljajo prednost. Običajno se uporablja v:
Rezervoarji za izpiranje razredčene žveplove kisline
Lužilne kopeli z dušikovo kislino brez HF
Čistilne raztopine s fosforno kislino
Rezervoarji za izpiranje deionizirane vode
Polprevodniške mokre klopi s kislo kemijo
V teh aplikacijah se kremen dobro obnese in stane manj kot PTFE. Omejitev je alkalna kemija in kopeli, ki vsebujejo-HF, kjer se kremen raztopi ali jedka.
Ko je PTFE boljša izbira
PTFE je boljša izbira za alkalne kopeli, kopeli, ki vsebujejo-HF, in mešane kemije, kjer lahko pH niha med kislim in alkalnim. Prav tako je boljša za kopeli z visoko raztopljenimi trdnimi snovmi, kjer se usedline tvorijo na površini grelnika in zahtevajo redno čiščenje z bazičnimi ali kislimi raztopinami.
Nižja vatna gostota PTFE pomeni, da je za enako moč potrebna večja površina. Pri kompaktnih rezervoarjih je to lahko omejitev. Toda v rezervoarjih z ustreznim prostorom daljša življenjska doba in širša kemična združljivost PTFE odtehtata pomanjkljivost velikosti.
Ko noben material ne ustreza aplikaciji
Nekatere aplikacije predstavljajo kemijo, ki je niti kremen niti PTFE ne prenašata dobro. Kopel, ki izmenjuje močno kislino in močno alkalno-kot je čistilna linija s kislinsko in jedko stopnjo, ki si delita skupni grelec-zahteva material, ki je odporen na oboje. PTFE je edini običajni material za potopni grelnik, ki to omogoča.
Konfiguracija potopnega grelnika iz PTFE po meri z nizko vatno gostoto, veliko površino in zaprtimi ohišji priključkov je namenjena aplikacijam, kjer kvarc ne uspe in nerjavno jeklo korodira. Postopek specifikacije zahteva kemijo kopeli, območje pH, delovno temperaturo, dimenzije rezervoarja in zahtevano moč. Za objekte z alkalnimi ali mešanimi-kemijskimi kopelmi ta-specifični pristop zagotavlja zanesljivo storitev, kjer standardni materiali ne ustrezajo.
