Skābā hidrolīze{0}}Kvarca korozija dzelzs sulfāta šķīdumos
Dzelzs sulfāts (Fe2(SO4)₃) tiek plaši izmantots metālu kodināšanā (nerūsējošais tērauds un varš), ūdens attīrīšanā (koagulants fosfātu noņemšanai) un kā kodinātājs iespiedshēmas plates ražošanā. Tipiskā rūpnieciskā koncentrācija svārstās no 10–20% Fe₂(SO₄)₃ pēc svara, un darba temperatūra ir 60–90 grādi kodināšanas tvertnēs un koagulācijas reaktoros. Šķīdums ir stipri skābs, jo notiek intensīva dzelzs jona hidrolīze: Fe³⁺ + H2O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H2O ⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; un tālāk uz Fe(OH)3. Neto efekts ir brīvas sērskābes koncentrācija, kas ir ekvivalenta 0,05–0,2 M H₂SO₂ pie 10–20% Fe₂(SO4)₃. Kvarca iegremdējamie sildītāji bieži tiek izmantoti dzelzs sulfāta servisā, jo kausētais silīcija dioksīds nodrošina lielisku izturību pret atšķaidītu sērskābi. Tomēr dzelzs sulfātam ir divkāršs noārdīšanās mehānisms: vienmērīga skābes korozija no radītā H2SO₂ un nogulšņu veidošanās no dzelzs hidroksīda (Fe(OH)₃) nokrišņiem. Nogulsnētais dzelzs hidroksīds ir termiski izolējošs un var radīt karstos punktus. Turklāt dzelzs jons ir oksidētājs (tāpat kā FeCl₃, bet mazāk agresīvs), bet sulfāta anjons neuzbrūk kvarcam. Šī analīze nosaka, kā Fe₂(SO₄)₃ koncentrācija (10–20%), temperatūra (60–90 grādi) un šķīduma skābums ietekmē vienmērīgu koroziju un nogulšņu veidošanos uz kausēta silīcija dioksīda.
Kausētā silīcija dioksīda korozijas kinētika karstos dzelzs sulfāta šķīdumos
Kvarca koroziju dzelzs sulfātā veicina brīvā sērskābe, kas rodas dzelzs hidrolīzes procesā. Pie 80 grādiem 15% Fe₂(SO₄)3 (aptuveni 0,25 M Fe³⁺) brīvā H₂SO₄ koncentrācija ir aptuveni 0,1–0,15 M (pH 0,8–1,0). Pie šāda skābuma vienmērīgs kvarca korozijas ātrums ir 0,0003–0,0006 mm/stundā. Pie 90 grādiem ātrums palielinās līdz 0,0006–0,001 mm/stundā. Pie 60 grādiem ātrums ir 0,0001–0,0002 mm/stundā. Salīdzinājumam, 0,1 M H₂SO₄ 80 grādu temperatūrā korodē kvarcu ar ātrumu 0,0002–0,0004 mm/h. Dzelzs jons būtiski nepaātrina uzbrukumu, pārsniedzot brīvās skābes iedarbību. 80 grādu temperatūrā 2,0 mm kvarca apvalks zaudētu 0,0005 mm/stundā × 4000 stundu=2.0 mm, nodrošinot aptuveni 4000 stundu (5,5 mēnešu) kalpošanas laiku. 2,5 mm siena nodrošina 5000 stundas; 3,0 mm siena nodrošina 6000 stundas. Šis kalpošanas laiks ir praktiski piemērots nepārtrauktai rūpnieciskai apkopei ar ceturkšņa līdz{43}}pusgada apkopi.
Nogulsnes veidošanās no dzelzs hidroksīda
Hidrolīzes reakcija, kas rada brīvu skābi, rada arī dzelzs hidroksīdu, īpaši kvarca virsmas tuvumā, kur temperatūra ir visaugstākā: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. Fe(OH)₃ ir želatīna, brūngani -sarkanas nogulsnes, kas pielīp pie kvarca virsmas. Šī depozīta ir siltumizolējoša; 0,1 mm slānis var samazināt siltuma pārnesi par 10–15%. Kad nogulsnes sabiezē, apakšā esošais kvarcs kļūst karstāks, paātrinot gan hidrolīzi, gan jebkādu pamatā esošo skābes koroziju. Smagos gadījumos nogulsnes var nobirt, nesot mazus kvarca fragmentus. Nosēdums arī samazina efektīvo sienas biezumu, izolējot virsmu. Regulāra tīrīšana ar atšķaidītu sērskābi (5–10%) izšķīdina dzelzs hidroksīda nogulsnes, neuzbrūkot kvarcam.
Kā sienas biezums maina kalpošanas laiku
Vienmērīgai skābes korozijai mūža skala lineāri mainās atkarībā no sienas biezuma. 80 grādu leņķī 2,0 mm siena nodrošina 4000 stundas; 3,0 mm siena nodrošina 6000 stundas. Nosēdumu -izraisītā termiskā sprieguma gadījumā biezākas sienas nodrošina lielāku izturību pret plaisāšanu, bet neaizkavē nogulšņu veidošanos. Vannām ar ievērojamu dzelzs hidroksīda nokrišņu daudzumu ieteicama 2,5–3,0 mm siena.
Biezāku sienu termiskais sods
Dzelzs sulfāta šķīdumiem 15% un 80 grādu siltumvadītspēja ir aptuveni 0,55–0,60 W/(m·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109; 3,0 mm sienai, R_cond=0.00217. Ar h=800 W/(m²·K), U samazinās no 427 līdz 292 W/(m²·K), kas ir par 32% samazinājums.
Scenārijs{0}}Pamatota atlases matrica
| Lietojumprogrammas scenārijs un darbības parametri | Ieteicamais sienas biezums | Pamata pamatojums |
|---|---|---|
| Metāla kodināšana (15% Fe₂(SO₄)₃, 80 grādi, nepārtraukta, iknedēļas tīrīšana) | 2,0–2,5 mm, standarta klase, liesmas-pulēts | Vienmērīgs korozijas ātrums ~0,0005 mm/stundā. Biezāka siena nodrošina drošības rezervi pret nogulšņu termisko spriegumu. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Ūdens apstrādes koagulants (10% Fe₂(SO₄)₃, 70 grādi, ar pārtraukumiem) | 2,0 mm, kā-nozīmēts | Zemāka temperatūra un periodiska lietošana. Pieņemams. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Kodināšana augstā-temperatūra (90 grādi, 20% Fe₂(SO₄)₃) | 2,5 – 3,0 mm | Augstāks korozijas ātrums. Biezāka siena pagarina kalpošanas laiku. |
Papildu dizaina modifikācijas:Uzturot zemu šķīduma pH līmeni (pievienojot brīvu H₂SO₄), tiek kavēta dzelzs hidrolīzes un nogulšņu veidošanās. Laba maisīšana novērš daļiņu nogulsnēšanos. Periodiska tīrīšana ar 10% H₂SO₄ izšķīdina Fe(OH)₃ nogulsnes. Pulēta virsma samazina nogulšņu saķeri.
