ร้านตกแต่งผิวโลหะแห่งหนึ่งได้เปลี่ยนเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE ที่ล้มเหลวด้วยหน่วยควอทซ์ที่มีกำลังไฟและขนาดใกล้เคียงกัน เครื่องทำความร้อนแบบควอตซ์มีราคาถูกกว่าและมีการถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า ใช้เวลาสิบเอ็ดวันในอ่างทำความสะอาดอัลคาไลน์ร้อนที่อุณหภูมิ 75 องศา ก่อนที่ท่อจะกัดทะลุและทำให้ชิ้นส่วนลัดวงจร ความล้มเหลวไม่ใช่ข้อบกพร่องจากการผลิต เคมีของควอตซ์และอัลคาไลน์เข้ากันไม่ได้โดยพื้นฐาน
ควอตซ์-ซิลิกาหลอมรวม-เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับการให้บริการที่เป็นกรด ทนทานต่อกรดแร่ส่วนใหญ่ ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว และส่งพลังงานอินฟราเรดได้อย่างมีประสิทธิภาพ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับอ่างกรด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานด้านเซมิคอนดักเตอร์และในห้องปฏิบัติการ แต่ควอตซ์ก็คือซิลิกา และซิลิกาจะละลายในสารละลายอัลคาไลน์ อัตราการละลายจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ pH และเวลา ในอ่างทำความสะอาดอัลคาไลน์ร้อน จะใช้ควอตซ์
เคมีของการละลายของควอตซ์
ควอตซ์คือซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO₂) เมื่อมีไฮดรอกไซด์ไอออน (OH⁻) ซิลิกาจะละลายกลายเป็นซิลิเกตที่ละลายได้:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
ปฏิกิริยาจะช้าที่อุณหภูมิห้องและ pH เป็นกลาง ที่ 75 องศา และ pH 12 หรือสูงกว่า ค่าดังกล่าวจะดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง ท่อควอทซ์ที่มีผนัง 2 มม. อาจสูญเสีย 0.1–0.3 มม. ต่อเดือนในอ่างอัลคาไลน์ร้อน การทำให้ผอมบางจะสม่ำเสมอในช่วงแรก จากนั้นจะเร็วขึ้นเมื่อผนังอ่อนตัวลง ความล้มเหลวเกิดขึ้นเมื่อท่อไม่สามารถทนทานต่อความเค้นทางความร้อนและทางกลของการใช้งานได้อีกต่อไป
เครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE ไม่ทำปฏิกิริยากับไฮดรอกไซด์ไอออน โพลีเมอร์เฉื่อยต่อโซเดียมไฮดรอกไซด์ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ และอัลคาไลน์สายพันธุ์อื่นๆ ในทุกความเข้มข้นและอุณหภูมิทางอุตสาหกรรม เครื่องทำความร้อน PTFE ในอ่างอัลคาไลน์เดียวกันจะมีอายุการใช้งานหลายปี ไม่ใช่หลายวัน
| เคมีอาบน้ำ | ค่า pH | อุณหภูมิ | อัตราการกัดกร่อนของควอตซ์ | ความเหมาะสมของ PTFE |
|---|---|---|---|---|
| โซดาไฟ 5% | 13–14 | 60 องศา | 0.1–0.2 มม./เดือน | ยอดเยี่ยม |
| โซดาไฟ 5% | 13–14 | 80 องศา | 0.2–0.4 มม./เดือน | ยอดเยี่ยม |
| น้ำยาทำความสะอาดอัลคาไลน์ pH 11 | 11 | 70 องศา | 0.02–0.05 มม./เดือน | ยอดเยี่ยม |
| แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ 5% | 10–11 | 50 องศา | 0.01–0.03 มม./เดือน | ยอดเยี่ยม |
| โซเดียมซิลิเกต 3% | 11–12 | 75 องศา | 0.05–0.15 มม./เดือน | ยอดเยี่ยม |
อัตราการกัดกร่อนของควอตซ์ในอ่างอัลคาไลน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเหมาะสมของ PTFE
เหตุใดจึงใช้ควอตซ์ในการให้บริการกรด
ควอตซ์ทำงานได้ดีในกรดเนื่องจากซิลิกามีความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มี pH ต่ำ- กรดไฮโดรคลอริก ซัลฟิวริก ไนตริก และฟอสฟอริกไม่โจมตีควอตซ์ที่อุณหภูมิเครื่องทำความร้อนแบบแช่ทั่วไป กรดไฮโดรฟลูออริกเป็นข้อยกเว้น-กรดจะละลายซิลิกาอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงไม่มีการใช้เครื่องทำความร้อนแบบควอตซ์ในบริการ HF
คุณสมบัติทางความร้อนของควอตซ์ยังเอื้ออำนวยต่อการให้กรดอีกด้วย ค่าการนำความร้อนสูงกว่า PTFE ประมาณ 1.4 W/m·K- แต่ต่ำกว่าโลหะ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำมาก ซึ่งทำให้ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดี คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้เครื่องทำความร้อนแบบควอตซ์ทำงานที่ความหนาแน่นวัตต์สูงกว่า PTFE ในเคมีที่เข้ากันได้
| วัสดุ | การนำความร้อน | ความหนาแน่นวัตต์ที่ปลอดภัยในกรด | ความหนาแน่นวัตต์ที่ปลอดภัยในอัลคาไลน์ | ต้นทุนสัมพัทธ์ |
|---|---|---|---|---|
| ควอตซ์ | 1.4 W/m·K | 1.5–2.5 วัตต์/ซม.² | ไม่เหมาะ | ต่ำ-ปานกลาง |
| ไฟเบอร์ | 0.25 W/m·K | 1.2–1.5 วัตต์/ซม.² | 1.2–1.5 วัตต์/ซม.² | ปานกลาง |
| ไทเทเนียม | 22 W/m·K | 2–4 วัตต์/ซม.² | 2–3 วัตต์/ซม.² | สูงกว่า |
| สแตนเลส316 | 16 W/m·K | 1–3 วัตต์/ซม.² | 2–4 วัตต์/ซม.² | ต่ำ |
ขีดจำกัดความหนาแน่นของวัตต์และการเปรียบเทียบต้นทุนสำหรับวัสดุทำความร้อนแบบแช่ในบริการกรดและด่าง
ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติของการใช้ควอตซ์ในอ่างอัลคาไลน์
สัญญาณแรกของความล้มเหลวของควอตซ์ในอ่างอัลคาไลน์มักเกิดจากการเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์ของท่อ พื้นผิวกลายเป็นน้ำค้างแข็งหรือกัดกร่อนเมื่อซิลิกาละลาย ผนังบางลง ท่ออาจเปราะบางมากขึ้นและเสี่ยงต่อความเสียหายทางกล
เมื่อผนังบางลง ความต้านทานความร้อนจะลดลง และอุณหภูมิของปลอกจะลดลงเล็กน้อย เครื่องทำความร้อนอาจดูเหมือนทำงานได้ดีขึ้นในช่วงแรก แต่การทำให้ผอมบางยังคงดำเนินต่อไปจนกระทั่งผนังไม่สามารถบรรจุองค์ประกอบได้อีกต่อไป ความล้มเหลวมักจะเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน-รอยแตกหรือรูที่ทำให้สารละลายอัลคาไลน์สัมผัสกับองค์ประกอบความร้อน
ความล้มเหลวอาจเป็นอันตรายได้ สารละลายอัลคาไลน์เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เมื่อสารละลายไปถึงองค์ประกอบที่มีพลังงานจะเกิดไฟฟ้าลัดวงจร การป้องกันข้อผิดพลาดของกราวด์ควรตัดการทำงาน แต่หากไม่ตัด เครื่องทำความร้อนและถังอาจเสียหายได้
เมื่อควอตซ์คือตัวเลือกที่ใช่
ควอตซ์เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับอ่างกรดซึ่งมีความหนาแน่นของวัตต์สูงกว่าและต้นทุนที่ต่ำกว่าจะให้ข้อได้เปรียบ เป็นที่นิยมใช้ใน:
เจือจางถังล้างกรดซัลฟิวริก
อ่างแช่กรดไนตริกที่ไม่มี HF
น้ำยาทำความสะอาดกรดฟอสฟอริก
ถังล้างน้ำปราศจากไอออน
ม้านั่งเปียกสารกึ่งตัวนำที่มีเคมีที่เป็นกรด
ในการใช้งานเหล่านี้ ควอตซ์ทำงานได้ดีและมีต้นทุนน้อยกว่า PTFE ข้อจำกัดคือเคมีอัลคาไลน์และอ่างที่มี HF- ซึ่งควอตซ์ละลายหรือกัดกร่อน
เมื่อ PTFE เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า
PTFE เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับอ่างอัลคาไลน์ อ่างอาบน้ำที่มี HF- และเคมีผสมที่ค่า pH อาจแกว่งไปมาระหว่างกรดและด่าง นอกจากนี้ยังเหมาะสำหรับอ่างอาบน้ำที่มีของแข็งละลายสูง ซึ่งมีคราบสะสมบนพื้นผิวเครื่องทำความร้อนและจำเป็นต้องทำความสะอาดเป็นระยะด้วยสารละลายอัลคาไลน์หรือกรด
ความหนาแน่นวัตต์ที่ต่ำกว่าของ PTFE หมายความว่าต้องใช้พื้นที่ผิวมากขึ้นสำหรับกำลังไฟเท่าเดิม ในถังขนาดเล็ก นี่อาจเป็นข้อจำกัด แต่ในถังที่มีพื้นที่เพียงพอ อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นและความเข้ากันได้ทางเคมีของ PTFE ที่กว้างขึ้นก็มีมากกว่าข้อเสียด้านขนาด
เมื่อไม่มีวัสดุใดที่เหมาะกับการใช้งาน
การใช้งานบางประเภทแสดงคุณสมบัติทางเคมีที่ทั้งควอตซ์และ PTFE ไม่สามารถจัดการได้ดี อ่างที่สลับระหว่างกรดแก่และด่างแก่-เช่น สายทำความสะอาดที่มีทั้งกรดและด่างที่ใช้เครื่องทำความร้อนร่วมกัน-ต้องใช้วัสดุที่ต้านทานทั้งสองขั้นตอน PTFE เป็นวัสดุทำความร้อนแบบจุ่มเพียงชนิดเดียวที่ใช้ได้
การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE แบบกำหนดเองที่มีความหนาแน่นวัตต์ต่ำ พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และกล่องหุ้มขั้วต่อแบบปิดผนึก ตอบโจทย์การใช้งานที่ระบบควอตซ์ล้มเหลวและสแตนเลสสึกกร่อน กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้เคมีของอ่าง ช่วง pH อุณหภูมิการทำงาน ขนาดถัง และกำลังไฟที่ต้องการ สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกที่มีอ่างเคมี-ที่เป็นด่างหรือผสม แนวทางเฉพาะของแอปพลิเคชันนี้-จะมอบบริการที่เชื่อถือได้ในกรณีที่วัสดุมาตรฐานมีไม่เพียงพอ
