Kā karsts koncentrēts nātrija dihromāta šķīdums (10–20%) 80–110 grādu temperatūrā maina nepieciešamo kvarca apvalka sieniņu biezumu metāla apdarei un korozijas inhibitoru sildītājiem?

Karstā nātrija dihromāta vieglā oksidatīvā, bet ne{0}}agresīvā izturēšanās uz kausēta silīcija dioksīda

Nātrija dihromāts (Na2Cr₂O₇) ir spēcīgs oksidētājs, ko plaši izmanto metāla apdarē (hromāta konversijas pārklājumos, anodējošie hermētiķi), korozijas kavēšanā (dzesēšanas ūdens attīrīšanā), pigmentu ražošanā un koksnes konservēšanā. Tipiskā rūpnieciskā koncentrācija ūdens šķīdumā svārstās no 10 līdz 20 svara %, un darba temperatūra ir 80–110 grādi iegremdēšanas tvertnēs, pārklāšanas vannās un iztvaicētājos. Kvarca iegremdējamie sildītāji bieži tiek noteikti nātrija dihromāta lietošanai, jo kausētam silīcija dioksīdam ir izcila izturība pret sešvērtīgā hroma savienojumiem un tas nekatalizē to reducēšanu par trīsvērtīgo hromu (kas noplicinātu vannu). Atšķirībā no daudziem metālu sāļiem, kas hidrolizējas, veidojot agresīvas skābes, nātrija dihromāta šķīdumi ir viegli skābi līdz neitrāliem (pH 4–6 10–20% koncentrācijai) un saglabājas stabili paaugstinātā temperatūrā, un ievērojama sadalīšanās notiek tikai virs 150 grādiem. Dihromāta jons (Cr2O₇²⁻) ir vidēji spēcīgs oksidētājs, taču tas tieši neuzbrūk silīcija dioksīda tīklam. Primārais korozijas mehānisms nav ķīmisks uzbrukums, bet gan hroma(III) oksīda vai hidroksīda nogulsnēšanās, ja vanna tiek piesārņota ar reducētājiem vai ja lokāla pārkaršana izraisa samazinājumu. Šī analīze nosaka, kā nātrija dihromāta koncentrācija (10–20%), temperatūra (80–110 grādi) un vannas tīrība ietekmē vienmērīgu korozijas ātrumu un nogulšņu veidošanos uz kausēta silīcija dioksīda. Tiek iegūts nepieciešamais kvarca apvalka sieniņu biezums, lai sasniegtu praktiskus apkopes intervālus (5000–20000 stundas) metāla apdares un korozijas inhibitoru sildītājos, kā arī biezāku sienu termiskais efekts šajā blīvajā, augstas -specifiskās-siltuma šķīdumā.

Kausētā silīcija dioksīda korozijas kinētika karstā nātrija dihromātā: minimāls ķīmiskais uzbrukums

Nātrija dihromāta šķīdumi ir ļoti labdabīgi pret kausētu silīcija dioksīdu. Dihromāta jons nehidrolizējas, veidojot brīvu skābi (pKa HCr2O7⁻ ir aptuveni 0,7, tas nozīmē, ja pH virs 2, dominējošās sugas ir Cr2O₇2⁻ un CrO₄2⁻). 15% nātrija dihromāta šķīduma pH 25 grādos ir aptuveni 4,5–5,5, nedaudz paaugstinās līdz 5–6 pie 100 grādiem disociācijas konstantu izmaiņu dēļ. Pie pH 5–6 protonu koncentrācija ir no 10⁻⁵ līdz 10⁻⁶ M, kas ir pārāk zema, lai izraisītu izmērāmu skābes uzbrukumu kvarcam. Cr(VI) oksidējošā spēja neoksidē silīcija dioksīdu; silīcija dioksīds jau ir pilnībā oksidēta silīcija forma. Tāpēc kvarca tiešā ķīmiskā korozija karstā nātrija dihromātā ir niecīga, un vienmērīgs korozijas ātrums ir mazāks par 0,00001 mm/stundā{19}}būtībā praktiski neizmērāms.

Augstas-tīrības kausēta kvarca iegremdēšanas tests 15% nātrija dihromātā 100 grādu temperatūrā 5000 stundu neliecina par nosakāmu svara zudumu vai virsmas raupjumu. Korozijas ātrums ir tik zems, ka tas neietekmē sildītāja konstrukciju. 1,5 mm kvarca apvalks teorētiski nodrošinātu miljoniem stundu kalpošanas no korozijas viedokļa. Tāpēc nātrija dihromāta pakalpojumu kļūmes mehānismi nav ķīmiski, bet gan fiziski: samazinātu hroma veidu nogulsnēšanās, termiskais spriegums un mehāniski bojājumi.

Hlorīda piesārņotāju klātbūtne (piemēram, no nepietiekamas skalošanas) var mainīt korozijas izturēšanos. Hlorīda joni koncentrācijā virs 100 ppm karstajos punktos var veidot hromilhlorīdu (CrO2Cl2), kas ir gaistošs un var izraisīt lokālu bedrīšu veidošanos. Tomēr pareizi uzturētās nātrija dihromāta vannās (tipiskām specifikācijām ir nepieciešams hlorīds<50 ppm), this is not a concern.

Nogulšņu veidošanās no sešvērtīgā hroma samazināšanas

Visbiežākais kvarca sildītāja noārdīšanās iemesls nātrija dihromāta ekspluatācijā nav korozija, bet gan samazinātu hroma nogulšņu uzkrāšanās. Sešvērtīgais hroms (Cr(VI)) ir stabils karstos šķīdumos, bet to var reducēt līdz trīsvērtīgajam hromam (Cr(III)), saskaroties ar reducējošiem līdzekļiem (organiskajiem piesārņotājiem, metāla joniem no apstrādājamām daļām vai sildelementu, ja kvarcs plaisā). Redukcijas reakcija: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O. Trīsvērtīgais hroms veido hroma(III) hidroksīdu vai oksīdu (Cr(OH)₃ vai Cr₂O3), kas izgulsnējas kā zaļas vai tumšas nogulsnes uz kvarca virsmas. Šī nogulsne ir siltumizolējoša, radot karstos punktus, kas var izraisīt lokālu pārkaršanu. Vēl svarīgāk ir tas, ka, ja nogulsnes kļūst biezas un nobirst, tajā var būt nelieli kvarca gabaliņi (adhēzijas traucējumi). Ārkārtējos gadījumos nogulsnes var darboties kā termiskā barjera, izraisot kvarca temperatūras paaugstināšanos virs deformācijas punkta (apmēram par 1100 grādiem), izraisot mīkstināšanu vai devitrifikāciju. Regulāra sildītāja tīrīšana ar atšķaidītu skābi (piemēram, 5% sērskābi vai sālsskābi) izšķīdina Cr(III) nogulsnes un atjauno virsmu.

Meniska zona ir vieta, kur nogulšņu veidošanās ir vissmagākā. Iztvaicējot, tiek koncentrēts nātrija dihromāts, un visi tajā esošie reducējošie līdzekļi arī kļūst koncentrēti, paātrinot reducēšanu. Uzturot nemainīgu šķidruma līmeni un izmantojot tvaika vairogu, tiek novērsta meniska garozas veidošanās. Pulēta kvarca virsma samazina nogulšņu saķeri, padarot tīrīšanu vieglāku.

Kā sienas biezums maina kalpošanas laiku nātrija dihromāta sildītājos

Tā kā ķīmiskā korozija ir nenozīmīga, sienas biezums netiek izvēlēts, pamatojoties uz korozijas pielaidi. Tā vietā biezums tiek izvēlēts, ņemot vērā mehānisko izturību, izturību pret termisko spriegumu no nogulšņu karstajiem punktiem un tīrīšanas vienkāršību. Standarta kvarca sildītāja sieniņu biezums 1,5–2,0 mm ir piemērots lielākajai daļai nātrija dihromāta lietojumu. Biezākas sienas (2,5–3,0 mm) nodrošina lielāku izturību pret termisko triecienu, ja rodas nogulsnēšanās{7}}karstie punkti, jo tās var izturēt augstākas temperatūras gradientus, neplaisājot. Taču biezākas sienas arī palielina termisko sodu un padara sildītāju smagāku un dārgāku. Labi uzturētām vannām ar regulāru tīrīšanu (piem., reizi nedēļā vai mēnesī) ieteicams izmantot 1,5–2,0 mm sienas. Vannām ar lielu organisko slodzi vai retu tīrīšanu 2,5 mm sienas nodrošina drošības rezervi.

Lietojumiem, kur sildītājs ir pakļauts mehāniskai slodzei (piem., daļu pārvietošanās apšuvuma tvertnēs), biezāka siena (2,5–3,0 mm) samazina lūzuma risku trieciena rezultātā.

Biezāku sienu termiskā iedarbība nātrija dihromāta šķīdumos

Nātrija dihromāta šķīdumiem 15% koncentrācijā un 95 grādu siltumvadītspēja ir aptuveni 0,55–0,60 W/(m·K)-, kas ir līdzīga ūdenim. Blīvums ir 1,10–1,15 g/cm³, viskozitāte 1,0–1,5 cP. Konvektīvās siltuma pārneses koeficienti maisītās apdares tvertnēs ir robežās no 600 līdz 1200 W/(m²·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond.=0.00217. Ar h=800 W/(m²·K), R_robeža=0.00125. Kopējā pretestība 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m²·K); 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m²·K), samazinājums par 32%. Šis sods ir ievērojams. Tā kā korozija ir niecīga, ir jāizvēlas plānākā praktiskā siena, kas nodrošina atbilstošu mehānisko izturību, -parasti 1,5–2,0 mm.

Scenārijs-Pamatota atlases matrica kvarča apvalka sienas biezumam karstā nātrija dihromāta servisā

Papildu dizaina modifikācijas:Regulāra tīrīšana ar 5% sērskābi izšķīdina Cr(III) nogulsnes. Zema organiskā piesārņojuma saglabāšana novērš samazinājumu. Pulēta kvarca virsma samazina nogulšņu saķeri. Laba maisīšana novērš lokālu pārkaršanu.