80-120 डिग्री पर गर्म सांद्रित सोडियम एसीटेट घोल (20-40%) सहायक और बफर सिस्टम हीटरों की रंगाई के लिए महत्वपूर्ण क्वार्ट्ज शीथ दीवार की मोटाई को कैसे बदलता है?

हल्के हाइड्रोलिसिस द्वारा संचालित फ्यूज्ड सिलिका पर गर्म सोडियम एसीटेट का हमला

Sodium acetate (CH3COONa) is a common chemical used in the dyeing of textiles (as a pH buffer and auxiliary), food preservation, pharmaceutical manufacture and as a chemical for heating pads (sodium acetate trihydrate). Working temperatures are 80-120°C in dyeing baths, buffer system heaters and evaporators, and standard industrial concentrations are 20-40% by weight in aqueous solution. Quartz immersion heaters are typically selected for sodium acetate service because to the high chemical purity of quartz (precluding the contamination of metal ions that can damage dyeing or pharmaceutical operations) and its exceptional resilience to most salt solutions. However, heated concentrated sodium acetate is slightly corrosive to fused silica, not by direct attack of the salt, but by hydrolysis. The conjugate base of acetic acid (pKa 4.76) is the acetate ion, CH3COO-, which hydrolyzes in water: CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-. At higher temperatures this equilibrium is shifted in favor of the formation of hydroxide ions , and the solution becomes somewhat alkaline . A solution of sodium acetate 30% at 25 °C has a pH of about 8.5 to 9.0. At 100°C the pH can rise to 9.5-10.0 due to enhanced hydrolysis and alteration of the dissociation constants. The hydroxide ions formed assault the silica network in the same way as dilute caustic: SiO2 + 2OH- ->SiO3(2-) + H2O. इसके अलावा एसीटेट आयन सिलिकॉन के साथ कॉम्प्लेक्स बना सकते हैं, लेकिन ये कमजोर होते हैं। जांच में फ़्यूज्ड सिलिका की समान संक्षारण दर पर सोडियम एसीटेट एकाग्रता (20-40%), तापमान (80-120 डिग्री) और समाधान पीएच के प्रभाव का आकलन किया जाता है। कपड़ा रंगाई और बफर सिस्टम हीटर में व्यावहारिक सेवा अंतराल (5,000 से 20,000 घंटे) के लिए आवश्यक क्वार्ट्ज शीथ दीवार की मोटाई प्राप्त की जाती है और इस उच्च घनत्व वाले नमक समाधान में बड़ी दीवारों के थर्मल दंड पर चर्चा की जाती है।

गर्म सोडियम एसीटेट में फ़्यूज्ड सिलिका का हाइड्रॉक्साइड मध्यस्थता संक्षारण: संक्षारण कैनेटीक्स

एसीटेट के हाइड्रोलिसिस से उत्पन्न होने वाले हाइड्रॉक्साइड आयन गर्म सोडियम एसीटेट में क्वार्ट्ज के क्षरण के लिए जिम्मेदार होते हैं। 25 डिग्री पर, हाइड्रोलिसिस स्थिरांक K_h=K_w/K_a {{6}e-14/1.8e-5=5.6e-10 है। सोडियम एसीटेट के पीएच की गणना निम्नानुसार की जाती है। 30% सोडियम एसीटेट समाधान (~ 3.7 एम) के लिए, 25C पर पीएच ~ 9.4 . [ओएच-]=sqrt (K_h * C)=sqrt (5.6e-10 * 3.7)=sqrt (2.07e-9)=4.55e-5 M pOH=4.34 pH है=9.66 K_w 100 डिग्री पर लगभग 5.5e-13 तक बढ़ जाता है और एसिटिक एसिड परिवर्तन (मामूली वृद्धि) के लिए K_a, इस प्रकार गणना अधिक जटिल हो जाती है, हालांकि पीएच आम तौर पर 9.5-10.0 तक बढ़ जाता है। पीएच 9.5-10.0 पर, OH⁻ सांद्रता 10⁻⁴ से 10⁻⁵ M है, जो धीमी लेकिन ध्यान देने योग्य क्वार्ट्ज जंग पैदा करने के लिए पर्याप्त है।

95 डिग्री पर 30% सोडियम एसीटेट में उच्च शुद्धता वाले फ्यूज्ड क्वार्ट्ज का विसर्जन परीक्षण 0.00005-0.0001 मिमी/घंटा की लगातार संक्षारण दर को इंगित करता है। 120 डिग्री पर (दबाव में, उदाहरण के लिए दबाव रंगाई मशीन में) दर 0.0002-0.0004 मिमी/घंटा तक चढ़ जाती है। 80 डिग्री पर दर 0.00003 मिमी/घंटा से कम है। इसके विपरीत, 95 डिग्री पर 0.001 M NaOH (pH 11) क्वार्ट्ज को 0.005 मिमी/घंटा पर संक्षारित करता है, जो परिमाण के दो क्रम तेज है। कम संक्षारण दर सोडियम एसीटेट समाधान में OH⁻ की कम स्थिर अवस्था सांद्रता के कारण होती है। 95 डिग्री पर 30% सोडियम एसीटेट में 2.0 मिमी क्वार्ट्ज म्यान लगभग 25,000 घंटे (2.8 वर्ष) के जीवन के दौरान 0.00008 मिमी/घंटा × 25,000 घंटे=2.0 मिमी खो देगा। 1.5 मिमी की दीवार 18,750 घंटे (2.1 वर्ष) देती है। इसलिए क्वार्ट्ज गर्म सोडियम एसीटेट में काफी स्थिर होता है और समान संक्षारण शायद ही कभी जीवन को सीमित करने वाली समस्या होती है। 120 डिग्री पर 2.0 मिमी की दीवार अभी भी 5,000 से 10,000 घंटे (7 से 14 महीने) का उपयोग देती है जो कई औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए स्वीकार्य है।

मुक्त एसिटिक एसिड (बफर सिस्टम में पीएच समायोजन के लिए प्रयुक्त) संक्षारण दर को कम करता है। एसिटिक एसिड एसीटेट (सामान्य आयन क्रिया) के हाइड्रोलिसिस को धीमा कर देता है और इसलिए OH⁻ एकाग्रता को कम कर देता है। पीएच 7{4}}8 (उदाहरण के लिए सोडियम एसीटेट-एसिटिक एसिड बफर में) पर संक्षारण दर अभी भी न्यूनतम है, 0.00002 मिमी/घंटा से नीचे। हालाँकि, यदि संदूषण (उदाहरण के लिए सोडियम हाइड्रॉक्साइड द्वारा) के कारण घोल अधिक क्षारीय हो जाता है, तो संक्षारण दर OH-सांद्रण के अनुपात में बढ़ जाती है। पीएच 7-9 बफर क्वार्ट्ज स्थायित्व के लिए उत्कृष्ट है।

सोडियम एसीटेट का स्थानीयकृत क्रिस्टलीकरण और पिटिंग

सोडियम एसीटेट पानी में बहुत घुलनशील है (20 डिग्री पर 46 ग्राम/100 एमएल, तापमान के साथ बढ़ता है)। हालाँकि, वाष्पीकरणीय परिस्थितियों में (उदाहरण के लिए, तरल की सतह पर, या तरल रेखा के ऊपर गर्म सतहों पर) सोडियम एसीटेट ट्राइहाइड्रेट या निर्जल नमक के रूप में क्रिस्टलीकृत हो सकता है। ये क्रिस्टल क्वार्ट्ज पर हमला नहीं करते हैं लेकिन क्वार्ट्ज सतह पर एक कठोर इन्सुलेट स्केल का निर्माण कर सकते हैं। स्केल गर्मी हस्तांतरण को सीमित करता है और अंतर्निहित क्वार्ट्ज को गर्म करने का कारण बनता है, जो स्थानीय रूप से संक्षारण को बढ़ा सकता है (हालांकि संक्षारण दर पहले से ही बहुत कम है)। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यदि स्केल असमान है तो थर्मल इन्सुलेशन प्रभाव के परिणामस्वरूप थर्मल तनाव और संभावित क्वार्ट्ज क्रैकिंग हो सकता है। इसके अलावा, सोडियम एसीटेट ट्राइहाइड्रेट 58 डिग्री पर पिघलता है, इसलिए गर्म प्रणाली में क्रिस्टल पिघल सकते हैं और ठंडा होने पर पुनः क्रिस्टलीकृत हो सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप क्वार्ट्ज सतह पर यांत्रिक तनाव होता है। पॉलिश क्वार्ट्ज सतह क्रिस्टलीकरण को रोकती है और गर्म पानी से समय-समय पर सफाई करने से स्केल घुल जाता है।

मेनिस्कस क्षेत्र सबसे तीव्र क्रिस्टलीकरण का क्षेत्र है। जैसे-जैसे पानी वाष्पित होता जाता है, सोडियम एसीटेट अधिक सांद्रित होता जाता है। घोल अतिसंतृप्त हो जाता है और क्रिस्टल विकसित हो जाते हैं। एक स्थिर तरल स्तर या वाष्प ढाल मेनिस्कस क्रस्ट गठन को रोकता है। रंगाई अनुप्रयोगों में जहां तरल स्तर बदलता है (उदाहरण के लिए कपड़े जोड़ते समय), एक गर्म ऊपरी म्यान (100 डिग्री से ऊपर) क्रिस्टलीकरण को रोकता है क्योंकि सोडियम एसीटेट पिघला हुआ रहता है या पानी ठोस परत बनाने के बिना वाष्पित हो जाता है।

गर्म सोडियम एसीटेट हीटरों की सेवा जीवन पर दीवार की मोटाई का प्रभाव

चूँकि समान संक्षारण की दर अपेक्षाकृत कम (0.0005-0.0004 मिमी/घंटा) है, 5-10 साल के उपकरण जीवनकाल के लिए आवश्यक संक्षारण भत्ता केवल 0.005-0.04 मिमी है। इसलिए, दीवार की मोटाई संक्षारण भत्ता द्वारा निर्धारित नहीं की जाती है, बल्कि यांत्रिक शक्ति, दबाव रोकथाम (जहां प्रासंगिक हो) और थर्मल झटके के प्रतिरोध और संचालन के दौरान क्षति से निर्धारित होती है। क्वार्ट्ज हीटर की मानक दीवार की मोटाई (1.5 से 2.0 मिमी) सोडियम एसीटेट के उपयोग के लिए पर्याप्त से अधिक है। दीवार की मोटाई 3.0-4.0 मिमी तक बढ़ाने से कोई संक्षारण लाभ नहीं मिलता है, बस थर्मल प्रतिरोध और वजन बढ़ जाता है। उन अनुप्रयोगों के लिए जिनमें बार-बार थर्मल चक्र शामिल हैं (उदाहरण के लिए, बैच रंगाई मशीनें जहां हीटर को दैनिक आधार पर गर्म और ठंडा किया जाता है), मोटी दीवारें थर्मल तनाव क्रैकिंग के प्रति अधिक प्रतिरोधी हो सकती हैं, लेकिन लाभ छोटा है क्योंकि क्वार्ट्ज पहले से ही थर्मल शॉक के लिए काफी प्रतिरोधी है . 1.5-2.0 मिमी दीवारें आसानी से दबाव रोकथाम आवश्यकता को पूरा करती हैं (आमतौर पर)<10 bar) of pressurized dyeing systems running at 120 o C.

परिसंचारी और अच्छी तरह से फ़िल्टर किए गए सोडियम एसीटेट समाधान वाले बफर सिस्टम के लिए इष्टतम गर्मी संचरण के लिए सबसे पतली व्यावहारिक दीवार (1.5 मिमी) की सिफारिश की जाती है।

सोडियम एसीटेट समाधान में दीवार की मोटाई बढ़ने पर थर्मल जुर्माना

उदाहरण के लिए, 95 डिग्री पर 30% सोडियम एसीटेट समाधान शुद्ध पानी की तुलना में 0.55-0.60 W/(m·K) की तापीय चालकता कुछ हद तक कम प्रदर्शित करते हैं। घनत्व 1.10-1.15 ग्राम/सेमी3, चिपचिपाहट 1.0-1.5 सीपी. उत्तेजित रंगाई मशीनों या बफर टैंकों में संवहन ताप अंतरण गुणांक 600-1,200 W/(m²·K) की सीमा में होते हैं। 1.5 मिमी की दीवार के लिए, R_cond=0.00109 m 2 ·K/W; 3.0 मिमी की दीवार के लिए, R_cond=0.00217. R_सीमा=0.00125 , h=800 W/m^2.K . 1.5 मिमी के लिए कुल प्रतिरोध=0.00234 → U=427 W/(m2.K) 3.0 मिमी के लिए=0.00342 → U=292 W/(m2.K) में 32% की कमी। यह बहुत बड़ा जुर्माना है. दीवारों को अधिक मोटा नहीं बनाना चाहिए क्योंकि इससे जंग से कोई अतिरिक्त सुरक्षा नहीं मिलती है। सबसे अच्छी दीवार की मोटाई वह न्यूनतम है जो पर्याप्त यांत्रिक शक्ति प्रदान करती है, सामान्यतः 1.5-2.0 मिमी।

परिदृश्य-हॉट सोडियम एसीटेट सेवा के लिए आधारित क्वार्ट्ज शीथ दीवार मोटाई चयन मैट्रिक्स

अनुप्रयोग परिदृश्य और संचालन पैरामीटर मात्रात्मक व्यापार के साथ मुख्य तर्क - दीवार की मोटाई से अनुशंसित
कपड़ा रंगाई बफर (30% सोडियम एसीटेट, 95 डिग्री, पीएच 8, निरंतर परिसंचरण, 1 वर्ष रखरखाव) 1.5-2.0 मिमी, मानक ग्रेड, लौ पॉलिश संक्षारण दर<0.00008 mm/hour → 2.0 mm offers >25,000 घंटे (2.8 वर्ष)। फ्लेम-पॉलिश क्रिस्टल के आसंजन को कम करती है। यू ≈ 450 डब्ल्यू/(एम²·के)
Pressure dyeing machine (120°C, 20% sodium acetate, pH 7.5, batch cycles, 5 bar) 1.5 – 2.0 mm, annealed Rate ~0.0003 mm/hr → 2.0 mm gives >6,600 बजे (9 महीने)। बैच चक्रित एनील्ड क्वार्ट्ज थर्मल तनाव के प्रति प्रतिरोधी है। यू ≈ 400 डब्ल्यू / एम 2K।
सोडियम एसीटेट बाष्पीकरणकर्ता (40% सांद्रता, 105 डिग्री, क्रिस्टलीकरण, साप्ताहिक सफाई) 2.0 मिमी, जैसा कि - खींचा गया संक्षारण नगण्य है। सफाई के दौरान यांत्रिक मजबूती के लिए दीवार की मोटाई का उपयोग किया जाता है। यू ≈ 380 डब्लू/(एम²·के)
Buffer system High pH (>9.5 प्रदूषण से)2.0 मिमी, मॉनिटर पीएच दर पीएच 10. 2.0 मिमी पर 0.001 मिमी/घंटा तक बढ़ जाती है, 2000 घंटे देती है। पीएच को 9 से नीचे नियंत्रित करें।
निम्न तापमान सोडियम एसीटेट (80 डिग्री, 25%, खाद्य प्रसंस्करण) 1.5 मिमी, मानक ग्रेड संक्षारण नगण्य (<0.00003 mm/hour). The thin wall maximizes the heat transfer. Life >30,000 घंटे
हॉट सोडियम एसीटेट हीटर के लिए अतिरिक्त डिज़ाइन परिवर्तन

दीवार की मोटाई अब पर्याप्त है लेकिन क्वार्ट्ज हीटर जीवन को बढ़ाने के लिए तीन तरीकों का उपयोग किया जाता है . 1. पीएच नियंत्रण: पीएच 7-9 पर सोडियम एसीटेट समाधान को बनाए रखने के लिए आवश्यकतानुसार एसिटिक एसिड या सोडियम एसीटेट की मामूली मात्रा जोड़कर मुक्त हाइड्रॉक्साइड की एकाग्रता को दबा दिया जाता है। फीडबैक का उपयोग करने वाला पीएच नियंत्रक क्षारीय भ्रमण को भी रोक सकता है जो संक्षारण को बढ़ा सकता है। दूसरे, आवधिक सफाई: हीटर को गर्म विआयनीकृत पानी (या पतला एसिटिक एसिड घोल में) में 1{7}}2 घंटे के लिए डुबाने से सोडियम एसीटेट क्रिस्टल घुल जाते हैं और गर्मी हस्तांतरण दक्षता बहाल हो जाती है। मासिक सफाई प्रक्रिया पैमाने के निर्माण को रोकेगी। तीसरा, वाष्प-स्थान हीटिंग: सतह के तापमान को 100 डिग्री से ऊपर बनाए रखने और ऊपरी शीथ पर क्रिस्टलीकरण को रोकने के लिए तरल रेखा के ऊपर क्वार्ट्ज शीथ पर एक ट्रेस हीटर स्थापित किया जाता है। वैकल्पिक रूप से भाप से गर्म वाष्प ढाल का उपयोग किया जा सकता है। चौथा, पॉलिश सतह: एक लौ पॉलिश क्वार्ट्ज सतह क्रिस्टल के पालन को कम करती है और सफाई करते समय किसी भी पैमाने को अधिक आसानी से हटा दिया जाता है।

निष्कर्ष: स्थायित्व में विश्वास के साथ हॉट सोडियम एसीटेट के लिए क्वार्ट्ज दीवार की मोटाई विशिष्टता

क्वार्ट्ज विसर्जन हीटर विशेष रूप से इन समाधानों की पीएच 7-9 रेंज विशेषता में समान संक्षारण दर <0.0004 मिमी / घंटा के साथ 80-120 डिग्री पर गर्म केंद्रित सोडियम एसीटेट सेवा के लिए अनुकूलित होते हैं। 1.5-2.0 मिमी की मानक दीवार मोटाई के परिणामस्वरूप तापमान के आधार पर 10,000-25,000 घंटे (1-3 वर्ष) का सेवा जीवन मिलता है। विफलता में संक्षारण एक छोटी भूमिका निभाता है। प्रमुख रखरखाव समस्या संक्षारण नहीं बल्कि क्वार्ट्ज सतह पर सोडियम एसीटेट क्रिस्टल का निर्माण है जो गर्मी हस्तांतरण दक्षता को सीमित कर सकता है। आवधिक सफाई, वाष्प-स्थान हीटिंग और स्थिर तरल स्तर क्रिस्टलीकरण का सर्वोत्तम नियंत्रण प्रदान करते हैं। मोटी दीवारें (3.0-4.0 मिमी) कोई संक्षारण लाभ प्रदान नहीं करती हैं और उनकी तापीय लागत 30-35% होती है और इसलिए उनकी अनुशंसा नहीं की जाती है। दबाव वाली प्रणालियों के लिए या थर्मल साइक्लिंग के अधीन अनुप्रयोगों के लिए, 1.5-2.0 मिमी की दीवारों के साथ एनील्ड क्वार्ट्ज असाधारण स्थायित्व प्रदान करता है। सोडियम एसीटेट हीटर के लिए कीमतों का ऑर्डर करते समय, कृपया एकाग्रता, ऑपरेटिंग तापमान, पीएच रेंज, अनुमानित क्रिस्टलीकरण आवृत्ति और सफाई दिनचर्या निर्दिष्ट करें। यह निर्माता को कपड़ा रंगाई, बफर सिस्टम और अन्य सोडियम एसीटेट प्रसंस्करण अनुप्रयोगों में ऊर्जा-कुशल, दीर्घकालिक प्रदर्शन के लिए सबसे अच्छी दीवार मोटाई, आमतौर पर 1.5 से 2.0 मिमी का सुझाव देने की अनुमति देता है।