Metāla apdares cehs neveiksmīgo PTFE iegremdēšanas sildītāju nomainīja ar līdzīgas jaudas un izmēru kvarca vienību. Kvarca sildītājs bija lētāks un piedāvāja labāku siltuma pārnesi. Tas ilga vienpadsmit dienas karstā sārmainā tīrīšanas vannā 75 grādu temperatūrā, pirms caurule tika iegravēta un elements tika saīsināts. Kļūme nebija ražošanas defekts. Kvarca un sārmaina ķīmija būtībā nav savienojama.
Kvarca{0}}kausētais silīcija dioksīds-ir lielisks materiāls skābai lietošanai. Tas iztur lielāko daļu minerālskābju, nodrošina labu termisko triecienu izturību un efektīvi pārraida infrasarkano enerģiju. Šīs īpašības padara to par parastu izvēli skābes vannām, īpaši pusvadītāju un laboratorijas lietojumos. Bet kvarcs ir silīcija dioksīds, un silīcija dioksīds izšķīst sārmainos šķīdumos. Izšķīdināšanas ātrums palielinās līdz ar temperatūru, pH un laiku. Karstā sārmainā tīrīšanas vannā tiek patērēts kvarcs.
Kvarca šķīdināšanas ķīmija
Kvarcs ir silīcija dioksīds (SiO₂). Hidroksīda jonu (OH⁻) klātbūtnē silīcija dioksīds izšķīst, veidojot šķīstošu silikātu:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H2O
Reakcija ir lēna istabas temperatūrā un neitrālā pH. Ja temperatūra ir 75 grādi un pH 12 vai augstāka, tas turpinās vienmērīgi. Kvarca caurule ar 2 mm sieniņu karstā sārmainā vannā var zaudēt 0,1–0,3 mm mēnesī. Retināšana sākumā ir vienmērīga, pēc tam, sienai vājinot, tā paātrinās. Kļūme rodas, ja caurule vairs nevar izturēt pielietojuma termisko un mehānisko spriegumu.
PTFE iegremdējamie sildītāji nereaģē ar hidroksīda joniem. Polimērs ir inerts pret nātrija hidroksīdu, kālija hidroksīdu un citām sārma sugām visās rūpnieciskajās koncentrācijās un temperatūrās. PTFE sildītājs tajā pašā sārmainā vannā kalpos gadiem, nevis dienām.
| Vannas ķīmija | pH | Temperatūra | Kvarca korozijas ātrums | PTFE piemērotība |
|---|---|---|---|---|
| Kaustiskā soda, 5% | 13–14 | 60 grādi | 0,1–0,2 mm/mēn | Lieliski |
| Kaustiskā soda, 5% | 13–14 | 80 grādi | 0,2–0,4 mm/mēn | Lieliski |
| Sārmains tīrīšanas līdzeklis, pH 11 | 11 | 70 grādi | 0,02–0,05 mm/mēn | Lieliski |
| Amonija hidroksīds, 5% | 10–11 | 50 grādi | 0,01–0,03 mm/mēn | Lieliski |
| Nātrija silikāts, 3% | 11–12 | 75 grādi | 0,05–0,15 mm/mēn | Lieliski |
Kvarca korozijas ātrums sārmainās vannās salīdzinājumā ar PTFE piemērotību
Kāpēc kvarcu izmanto Acid Service
Kvarcs labi darbojas skābēs, jo silīcija dioksīds ir stabils zemā{0}}pH vidē. Sālsskābe, sērskābe, slāpekļskābe un fosforskābe neiedarbojas uz kvarcu tipiskā iegremdējamā sildītāja temperatūrā. Izņēmums ir fluorūdeņražskābe,-tā ātri izšķīdina silīcija dioksīdu, tāpēc kvarca sildītājus HF pakalpojumos neizmanto.
Kvarca termiskās īpašības ir labvēlīgas arī skābes lietošanai. Tā siltumvadītspēja ir aptuveni par 1,4 W/m·K-augstāka nekā PTFE, bet zemāka nekā metāliem. Tā termiskās izplešanās koeficients ir ļoti zems, kas nodrošina labu termiskā trieciena izturību. Šīs īpašības ļauj kvarca sildītājiem darboties ar lielāku vatu blīvumu nekā PTFE saderīgā ķīmijā.
| Materiāls | Siltumvadītspēja | Drošs vatu blīvums skābē | Drošs vatu blīvums sārmainā | Relatīvās izmaksas |
|---|---|---|---|---|
| Kvarcs | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Nav piemērots | Zems – mērens |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Mērens |
| Titāns | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Augstāks |
| Nerūsējošais tērauds 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Zems |
Vatu blīvuma ierobežojumi un izmaksu salīdzinājums iegremdējamo sildītāju materiāliem skābju un sārmu režīmā
Kvarca izmantošanas praktiskās sekas sārmainās vannās
Pirmā kvarca bojājuma pazīme sārmainā vannā parasti ir caurules izskata izmaiņas. Silīcija dioksīdam izšķīstot, virsma kļūst matēta vai iegravēta. Siena kļūst plānāka. Caurule var kļūt trauslāka un jutīgāka pret mehāniskiem bojājumiem.
Sienai plānājot, termiskā pretestība samazinās un apvalka temperatūra nedaudz pazeminās. Iespējams, sākotnēji sildītājs darbojas labāk. Bet retināšana turpinās, līdz siena vairs nevar saturēt šo elementu. Kļūme bieži ir pēkšņa-plaisa vai caurums, kas ļauj sārmainam šķīdumam saskarties ar sildelementu.
Neveiksme var būt bīstama. Sārmu šķīdumi ir vadoši. Kad šķīdums sasniedz barošanas elementu, notiek īssavienojums. Zemējuma defekta aizsardzībai ir jādarbojas, bet, ja tā nenotiek, var tikt bojāts sildītājs un tvertne.
Kad kvarcs ir pareizā izvēle
Kvarcs ir pareizā izvēle skābām vannām, kur tā lielāks vatu blīvums un zemākas izmaksas nodrošina priekšrocības. To parasti izmanto:
Atšķaidītas sērskābes skalošanas tvertnes
Slāpekļskābes kodināšanas vannas bez HF
Fosforskābes tīrīšanas šķīdumi
Dejonizēta ūdens skalošanas tvertnes
Pusvadītāju slapjie soliņi ar skābu ķīmiju
Šajos lietojumos kvarcs darbojas labi un maksā mazāk nekā PTFE. Ierobežojums ir sārmaina ķīmija un HF-saturošas vannas, kurās kvarcs izšķīst vai kodējas.
Kad PTFE ir labāka izvēle
PTFE ir labāka izvēle sārmainām vannām, HF{0}}saturošām vannām un jauktām ķīmiskām vielām, kur pH var svārstīties starp skābi un sārmu. Tas ir labāk piemērots arī vannām ar augstu izšķīdušo cieto vielu daudzumu, kur uz sildītāja virsmas veidojas nogulsnes un kurām nepieciešama periodiska tīrīšana ar sārmainiem vai skābiem šķīdumiem.
PTFE mazāks vatu blīvums nozīmē, ka tai pašai jaudai ir nepieciešams lielāks virsmas laukums. Kompaktajās tvertnēs tas var būt ierobežojums. Bet tvertnēs ar pietiekamu vietu PTFE ilgāks kalpošanas laiks un plašāka ķīmiskā saderība atsver izmēru trūkumus.
Ja neviens materiāls neatbilst pielietojumam
Dažās lietojumprogrammās ir ķīmiska viela, ar kuru ne kvarcs, ne PTFE labi neizturas. Vannai, kas pārmaiņus izmanto stipru skābi un stipru sārmu,{1}}piemēram, tīrīšanas līnijai ar skābes un kaustisko posmu kopīgu sildītāju-ir nepieciešams materiāls, kas ir izturīgs pret abiem. PTFE ir vienīgais izplatītais iegremdējamais sildītāja materiāls.
Pielāgota PTFE iegremdējamā sildītāja konfigurācija ar zemu vatu blīvumu, lielu virsmu un hermētiski noslēgtiem spaiļu korpusiem ir piemērota lietojumiem, kur kvarcs sabojājas un nerūsējošā tērauda korozija. Specifikācijas procesam ir nepieciešama vannas ķīmija, pH diapazons, darba temperatūra, tvertnes izmēri un nepieciešamā jauda. Iekārtām ar sārmainu vai jauktu{2}}ķīmijas vannu šī lietojumprogramma-specifiskā pieeja nodrošina uzticamu pakalpojumu, ja standarta materiāli neatbilst standartam.
