70-90 डिग्री पर गर्म सांद्रित पोटेशियम परमैंगनेट समाधान (3-6%) जल उपचार और कार्बनिक ऑक्सीकरण हीटर के लिए आवश्यक क्वार्ट्ज शीथ दीवार की मोटाई को कैसे संशोधित करता है?

हॉट पोटेशियम परमैंगनेट द्वारा फ्यूज्ड सिलिका का ऑक्सीडेटिव और जमा प्रेरित हमला

पोटेशियम परमैंगनेट (KMnO4) एक शक्तिशाली ऑक्सीकरण रसायन है जिसका उपयोग जल उपचार (लौह, मैंगनीज और हाइड्रोजन सल्फाइड को हटाने), कार्बनिक संश्लेषण (अल्कोहल और एल्डिहाइड का ऑक्सीकरण) और वायु शोधन में किया जाता है। विशिष्ट औद्योगिक सांद्रता जलीय घोल में वजन के हिसाब से 3{25}}6% होती है, ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं में तेजी लाने या घुलनशीलता को संरक्षित करने के लिए ऑपरेटिंग तापमान 70{26}}90 डिग्री होता है (पोटेशियम परमैंगनेट की घुलनशीलता तापमान के साथ बढ़ती है)। कभी-कभी क्वार्ट्ज विसर्जन हीटर को परमैंगनेट सेवा के लिए निर्दिष्ट किया जाता है क्योंकि फ़्यूज्ड सिलिका ऑक्सीकरण के लिए बहुत प्रतिरोधी है और परमैंगनेट के अपघटन में उत्प्रेरक नहीं है। हालाँकि, गर्म सांद्रित पोटेशियम परमैंगनेट क्वार्ट्ज के क्षरण का एक नया तरीका प्रदान करता है जो क्लासिक अर्थ में रासायनिक संक्षारण नहीं है, बल्कि मैंगनीज डाइऑक्साइड (एमएनओ₂) और थर्मल तनाव के जमाव का एक संयोजन है। उच्च तापमान पर परमैंगनेट अस्थिर होता है और 4KMnO₄ + 2H₂O से 4MnO₂ {{8}KOH + 3O₂ देने के लिए विघटित होता है। प्रतिक्रिया को तेज़ करने वाले ताप, प्रकाश और विशिष्ट उत्प्रेरक हैं। टूटने वाला उत्पाद, मैंगनीज डाइऑक्साइड, क्वार्ट्ज की सतह पर गहरे भूरे से काले रंग के जमाव के रूप में अवक्षेपित होता है। यह जमाव गर्मी रोधक और चिपचिपा होता है और गर्म स्थान उत्पन्न करता है, जिससे स्थानीयकृत अति ताप और थर्मल तनाव हो सकता है। टूटने से बनने वाला पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड, क्षारीय संक्षारण द्वारा क्वार्ट्ज को भी नुकसान पहुंचा सकता है। जांच में MnO₂ जमाव की दर और इसलिए क्वार्ट्ज हीटर के प्रदर्शन पर KMnO₄ एकाग्रता (3-6%), तापमान (70-90 डिग्री) और समाधान पीएच के प्रभाव का आकलन किया जाता है। जल उपचार और ऑक्सीकरण हीटरों में व्यावहारिक सेवा अंतराल (1,000--5,000 घंटे) के लिए आवश्यक क्वार्ट्ज शीथ दीवार की मोटाई की गणना इस घने, उच्च-विशिष्ट-गर्मी समाधान में मोटी दीवारों के थर्मल दंड के साथ की जाती है।

परमैंगनेट अपघटन और MnO2 जमाव की गतिकी

जलीय घोल में पोटेशियम परमैंगनेट का थर्मल ब्रेकडाउन परमैंगनेट की सांद्रता में पहले क्रम की गतिशीलता का पालन करता है। तापमान के साथ टूटने की दर लगभग 75-85 kJ/mol की सक्रियण ऊर्जा के साथ तेजी से बढ़ती है। 5% KMnO4 का आधा जीवन 70 डिग्री पर लगभग 200-300 घंटे, 80 डिग्री पर 80-120 घंटे और 90 डिग्री पर 30-50 घंटे होता है। परमैंगनेट के अपघटन से MnO₂ का एक बारीक कण अवक्षेपित होता है। ये कण क्वार्ट्ज शीथ सहित गर्म सतहों से आसानी से जुड़ जाएंगे। जमाव दर केवल टूटने की दर का अनुसरण नहीं करती है। अधिक ताप प्रवाह पर, एमएनओ 2 कण थर्मोफोरेटिक बलों का अनुभव करते हैं जो उन्हें गर्म क्वार्ट्ज सतह की ओर प्रेरित करते हैं। इस प्रकार हीटर पर जमाव की परत थोक घोल की तुलना में अधिक दर से बढ़ती है।

जमा की गई MnO₂ परत में बहुत कम तापीय चालकता है (छिद्रपूर्ण रूप के लिए लगभग 0.5-1.0 W/(m·K), जो 1.38 W/(m·K) पर क्वार्ट्ज से काफी कम है)। 0.1 मिमी मोटी एमएनओ2 जमाव लगभग 0.1-0.2 मिमी अतिरिक्त क्वार्ट्ज दीवार मोटाई के समान थर्मल प्रतिरोध प्रदान करता है, लेकिन महत्वपूर्ण अंतर यह है कि जमाव गैर-समान है और फैल सकता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि जमाव गर्म स्थान बनाता है, ऐसे स्थान जहां जमाव गाढ़ा होता है, जो क्वार्ट्ज को इन्सुलेट करता है और अंतर्निहित क्वार्ट्ज का तापमान बढ़ाता है। 8 W/cm² के ताप प्रवाह के साथ 0.2-मिमी MnO₂ जमा क्वार्ट्ज सतह के तापमान को 15 से 25 डिग्री तक बढ़ा सकता है। उच्च तापमान स्थानीय रूप से परमैंगनेट के टूटने को बढ़ाता है, जिसके परिणामस्वरूप सकारात्मक फीडबैक लूप होता है। कुछ घंटों से लेकर कुछ दिनों के भीतर एक मोटी परतदार परत जमा हो सकती है। यह गर्मी हस्तांतरण को बहुत कम कर देता है और क्वार्ट्ज को अत्यधिक गर्म करने और थर्मल तनाव से टूटने का कारण बन सकता है।

The decomposition yields potassium hydroxide (4KOH for 4KMnO4, i.e. equimolar) which elevates the pH of the solution. Complete decomposition of 5% KMnO4 would generate about 1.5% KOH which is very alkaline (pH>13). व्यवहार में समाधान को एमएनओ 2 और अन्य मैंगनीज प्रजातियों द्वारा बफर किया जाता है। हालाँकि, क्वार्ट्ज सतह के पास पीएच 10-12 तक बढ़ सकता है जहां टूटना सबसे अधिक सक्रिय है। क्षारीय स्थितियों (पीएच 10 से 12) पर, क्वार्ट्ज तापमान के आधार पर 0.0005 से 0.005 मिमी/घंटा की दर से संक्षारित होता है। यह रासायनिक हमला एमएनओ2 जमाव के कारण होने वाले थर्मल तनाव के साथ मिलकर दीवार को कमजोर करने या टूटने के कारण विफलता का कारण बन सकता है।

परमैंगनेट हीटर की सेवा जीवन पर दीवार की मोटाई का प्रभाव

मुख्य क्षरण तंत्र जमाव के कारण थर्मल तनाव और टूटने वाले उपोत्पादों के कारण क्षारीय क्षरण हैं। इसलिए दीवार की मोटाई में वृद्धि का एक जटिल प्रभाव पड़ता है। अकेले क्षारीय संक्षारण के लिए, जीवन दीवार की मोटाई के समानुपाती होता है। उदाहरण के लिए 85 डिग्री और स्थानीय पीएच 11 (संक्षारण दर ~0.001 मिमी/घंटा) पर 2.0 मिमी की दीवार 2,000 घंटे देती है, 3.0 मिमी की दीवार 3,000 घंटे देती है। हालाँकि, जमाव के कारण उत्पन्न तापीय तनाव के कारण दरार पड़ने से विफलता कभी-कभी समान संक्षारण द्वारा दीवार के छिद्रण से काफी पहले होती है। मोटी दीवारें अपनी उच्च यांत्रिक शक्ति और बिना फ्रैक्चर के उच्च तापमान प्रवणता को बनाए रखने की क्षमता के कारण दरार के प्रति अधिक प्रतिरोधी होती हैं। 3.0 मिमी की दीवार अपनी मोटाई में लगभग 60-70 डिग्री के तापमान अंतर का सामना कर सकती है जबकि 1.5 मिमी की दीवार केवल 40-50 डिग्री का अंतर झेल सकती है। इसलिए मोटी दीवारें असमान MnO2 जमाव के कारण थर्मल शॉक के लिए व्यापक सुरक्षा मार्जिन देती हैं। परमैंगनेट सेवा के लिए सुझाए गए दृष्टिकोण में संक्षारण भत्ता और थर्मल तनाव प्रतिरोध और एमएनओ 2 जमा को हटाने के लिए आवधिक सफाई दोनों देने के लिए एक उचित मोटी दीवार (2.5-3.0 मिमी) शामिल है।

अधिकांश जल उपचार अनुप्रयोगों के लिए, जहां परमैंगनेट को लगातार कम सांद्रता (1-3%) पर डाला जाता है और हीटर 70-80 डिग्री पर संचालित होते हैं, साप्ताहिक सफाई के साथ 2.0-2.5 मिमी की दीवार की मोटाई व्यावहारिक है। अधिक सांद्रता में, या उच्च तापमान पर अधिक बार सफाई या वैकल्पिक हीटिंग विधियों (जैसे भाप इंजेक्शन) की आवश्यकता होती है।

परमैंगनेट के घोल में मोटी दीवारों का थर्मल पेनल्टी

80 डिग्री पर 5% पोटेशियम परमैंगनेट समाधान की तापीय चालकता पानी के समान लगभग 0.55–0.60 W/(m·K) है। घनत्व: 1.03-1.05 ग्राम/सेमी3, चिपचिपाहट: 0.8-1.0 सीपी. उत्तेजित टैंक 600-1,200 W/(m2-K) के संवहन ताप अंतरण गुणांक 2.0 मिमी की दीवार के लिए R_cond=0.00145 m²·K/W 3.0 मिमी की दीवार के लिए R_cond=0.00217 h=800 W/m 2 K, R सीमा=0.00125. 2.0 मिमी कुल प्रतिरोध=0.00270 → U=370 W/(m2K) 3.0 मिमी=0.00342 → यू=292 डब्लू/(एम2के) 21% की कमी थर्मल तनाव के प्रतिरोध की आवश्यकता को देखते हुए यह जुर्माना मध्यम है फिर भी स्वीकार्य है।

हॉट KMnO4 सेवा के लिए क्वार्ट्ज शीथ दीवार की मोटाई चयन मैट्रिक्स (परिदृश्य आधारित)

उपयोग केस और परिचालन स्थितियाँ, मात्रात्मक व्यापार के साथ अनुशंसित दीवार की मोटाई का मूल तर्क-बंद
जल उपचार (3% KMnO4, 75 डिग्री, निरंतर, साप्ताहिक सफाई, 6 महीने का रखरखाव) 2.0 - 2.5 मिमी, मानक ग्रेड, लौ पॉलिश मध्यम जमा बिल्डअप। थर्मल स्ट्रेस मार्जिन 2.5 मिमी दिया गया है। फ्लेम पॉलिशिंग से जमा का पालन कम हो जाता है। यू ≈ 380 डब्लू/एम2 · के.
कार्बनिक ऑक्सीकरण रिएक्टर (5% KMnO4, 85 डिग्री, बैच, 8 घंटे का चक्र, प्रत्येक बैच के बाद साफ किया गया) 2.5 - 3.0 मिमी, जैसा कि {{6}तैयार किया गया है तेजी से टूटना . 3.0 मिमी गर्म क्षेत्रों को जमा करने के लिए थर्मल शॉक प्रतिरोधी। प्रत्येक बैच के बाद साफ करना चाहिए। यू ≈ 320 डब्लू/एम 2 के ).
उच्च तापमान (90 डिग्री, 6%, कोई भी कर्तव्य चक्र) परमैंगनेटक्वार्ट्ज नहीं - ग्लास अस्तर के साथ टाइटेनियम या स्टील का चयन करें अपघटन आधा जीवन<30 hours. Deposit in days. Another way to heat the room is recommended.
1.5 – 2.0 mm, standard grade Slow decomposition. Low concentration permanganate (1%, 70°C, continuous, good filtering) 2.0 mm yields >मासिक सफाई के साथ 5,000 घंटे। यू ~ 450 डब्ल्यू/(एम2.के)।
अनुपूरक डिज़ाइन परिवर्तन: MnO2 बिल्डअप को भंग करने के लिए कमजोर ऑक्सालिक एसिड या सोडियम बाइसल्फाइट के साथ नियमित सफाई की जाती है। ऊष्मा प्रवाह <5 W/cm2 के साथ अपघटन न्यूनतम हो जाता है। जमाव से बचने के लिए MnO2 कणों को फ़िल्टर किया जाता है।