Radionica za završnu obradu metala zamijenila je pokvareni PTFE uronjeni grijač s kvarcnom jedinicom slične snage i dimenzija. Kvarcni grijač bio je jeftiniji i nudio je bolji prijenos topline. Trajalo je jedanaest dana u vrućoj alkalnoj kupki za čišćenje na 75 stupnjeva prije nego što se cijev prorezala i element kratko spojio. Kvar nije bio proizvodni nedostatak. Kvarc i alkalna kemija fundamentalno su nekompatibilni.
Kvarc-stopljeni silicij-je izvrstan materijal za kiselu upotrebu. Otporan je na većinu mineralnih kiselina, nudi dobru otpornost na toplinski udar i učinkovito prenosi infracrvenu energiju. Ova svojstva čine ga uobičajenim izborom za kisele kupke, posebno u poluvodičkim i laboratorijskim primjenama. Ali kvarc je silicij, a silicij se otapa u alkalnim otopinama. Brzina otapanja raste s temperaturom, pH i vremenom. U vrućoj alkalnoj kupki za čišćenje troši se kvarc.
Kemija otapanja kvarca
Kvarc je silicijev dioksid (SiO₂). U prisutnosti hidroksidnih iona (OH⁻), silicij se otapa da bi nastao topljivi silikat:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Reakcija je spora na sobnoj temperaturi i neutralnom pH. Na 75 stupnjeva i pH 12 ili više, nastavlja se postojano. Kvarcna cijev sa stijenkom od 2 mm može izgubiti 0,1–0,3 mm mjesečno u vrućoj alkalnoj kupki. Stanjivanje je u početku ravnomjerno, zatim se ubrzava kako stijenka slabi. Kvar se događa kada cijev više ne može izdržati toplinska i mehanička opterećenja primjene.
PTFE uronjeni grijači ne reagiraju s hidroksidnim ionima. Polimer je inertan na natrijev hidroksid, kalijev hidroksid i druge alkalne vrste u svim industrijskim koncentracijama i temperaturama. PTFE grijač u istoj alkalnoj kupki trajao bi godinama, a ne danima.
| Bath Kemija | pH | Temperatura | Stopa korozije kvarca | PTFE prikladnost |
|---|---|---|---|---|
| kaustična soda, 5% | 13–14 | 60 stupnjeva | 0,1–0,2 mm/mjesečno | Izvrsno |
| kaustična soda, 5% | 13–14 | 80 stupnjeva | 0,2–0,4 mm/mjesečno | Izvrsno |
| Alkalno sredstvo za čišćenje, pH 11 | 11 | 70 stupnjeva | 0,02–0,05 mm/mjesečno | Izvrsno |
| Amonijev hidroksid, 5% | 10–11 | 50 stupnjeva | 0,01–0,03 mm/mjesečno | Izvrsno |
| Natrijev silikat, 3% | 11–12 | 75 stupnjeva | 0,05–0,15 mm/mjesečno | Izvrsno |
Stope kvarcne korozije u alkalnim kupkama u usporedbi s prikladnošću PTFE-a
Zašto se kvarc koristi u kiseloj službi
Kvarc se dobro ponaša u kiselinama jer je silicijev dioksid stabilan u okruženjima s niskim-pH. Klorovodična, sumporna, dušična i fosforna kiselina ne napadaju kvarc pri tipičnim temperaturama uronjenog grijača. Fluorovodična kiselina je iznimka-ona brzo otapa silicij, zbog čega se kvarcni grijači ne koriste u HF servisu.
Toplinska svojstva kvarca također su povoljna za kiselinu. Njegova je toplinska vodljivost približno 1,4 W/m·K-viša od PTFE-a, ali manja od metala. Njegov koeficijent toplinske ekspanzije je vrlo nizak, što mu daje dobru otpornost na toplinski udar. Ova svojstva omogućuju kvarcnim grijačima da rade pri većoj gustoći u vatima od PTFE-a u kompatibilnim kemijama.
| Materijal | Toplinska vodljivost | Sigurna vatna gustoća u kiselini | Sigurna vatna gustoća u alkalnom | Relativni trošak |
|---|---|---|---|---|
| Kvarcni | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Nije prikladno | Nisko–umjereno |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Umjereno |
| Titanij | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | viši |
| Nehrđajući čelik 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Niska |
Ograničenja gustoće vata i usporedba troškova za materijale uronjenih grijača u kiseloj i lužnatoj službi
Praktične posljedice korištenja kvarca u alkalnim kupkama
Prvi znak kvarca kvarca u alkalnoj kupelji obično je promjena u izgledu cijevi. Površina postaje matirana ili ugravirana kako se silicij otapa. Zid se stanji. Cijev može postati lomljivija i osjetljivija na mehanička oštećenja.
Kako se stijenka stanjuje, toplinski otpor se smanjuje i temperatura plašta malo opada. U početku se može činiti da grijač radi bolje. Ali stanjivanje se nastavlja sve dok zid više ne može zadržati element. Kvar je često iznenadna-pukotina ili rupa koja omogućuje alkalnoj otopini da dođe u kontakt s grijaćim elementom.
Neuspjeh može biti opasan. Alkalne otopine su vodljive. Kada otopina dođe do elementa pod naponom, dolazi do kratkog spoja. Zaštita od zemljospoja trebala bi se aktivirati, ali ako se ne aktivira, mogu se oštetiti grijač i spremnik.
Kada je kvarc pravi izbor
Kvarc je pravi izbor za kisele kupke gdje njegova veća gustoća u vatima i niža cijena pružaju prednost. Obično se koristi u:
Spremnici za ispiranje razrijeđenom sumpornom kiselinom
Kupke za dekapiranje dušičnom kiselinom bez HF
Otopine za čišćenje fosforne kiseline
Spremnici za ispiranje deionizirane vode
Poluvodički mokri stolovi s kiselom kemijom
U ovim primjenama, kvarc se dobro ponaša i košta manje od PTFE-a. Ograničenje je alkalna kemija i kupke koje sadrže HF-, gdje se kvarc otapa ili jetka.
Kada je PTFE bolji izbor
PTFE je bolji izbor za alkalne kupke, kupke koje sadrže HF-i mješovite kemikalije gdje pH može varirati između kiselog i alkalnog. Također je bolji za kupke s visokom količinom otopljenih čvrstih tvari, gdje se naslage stvaraju na površini grijača i zahtijevaju periodično čišćenje alkalnim ili kiselim otopinama.
Niža gustoća PTFE-a u vatima znači da je potrebna veća površina za istu snagu. U kompaktnim spremnicima to može biti ograničenje. Ali u spremnicima s odgovarajućim prostorom, dulji životni vijek i šira kemijska kompatibilnost PTFE-a nadmašuju nedostatak veličine.
Kada niti jedan materijal ne odgovara primjeni
Neke primjene predstavljaju kemiju s kojom ni kvarc ni PTFE ne podnose dobro. Kupka koja se izmjenjuje između jake kiseline i jake lužine-kao što je linija za čišćenje s kiselim i nagrizajućim stupnjevima koji dijele zajednički grijač-zahtijeva materijal koji je otporan na oboje. PTFE je jedini uobičajeni materijal za uronjeni grijač koji to čini.
Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača s niskom gustoćom u vatima, velikom površinom i zatvorenim kućištima terminala namijenjena je primjenama gdje kvarc ne radi, a nehrđajući čelik korodira. Proces specifikacije zahtijeva kemijski sastav kupke, pH raspon, radnu temperaturu, dimenzije spremnika i potrebnu snagu u vatima. Za objekte s alkalnim ili mješovitim-kemijskim kupkama, ovaj-pristup specifičan za primjenu pruža pouzdanu uslugu tamo gdje standardni materijali zaostaju.
