Een metaalbewerkingsbedrijf verving een defect PTFE-dompelverwarmer door een kwartseenheid met een vergelijkbaar wattage en vergelijkbare afmetingen. De kwartsverwarmer was goedkoper en bood een betere warmteoverdracht. Het duurde elf dagen in een heet alkalisch reinigingsbad van 75 graden voordat de buis erdoor etste en het element kortsluiting maakte. De storing was geen fabricagefout. Kwarts en alkalische chemie zijn fundamenteel onverenigbaar.
Kwarts-gesmolten silica-is een uitstekend materiaal voor zuur gebruik. Het is bestand tegen de meeste minerale zuren, biedt een goede weerstand tegen thermische schokken en verzendt infraroodenergie efficiënt. Deze eigenschappen maken het een gebruikelijke keuze voor zuurbaden, vooral in halfgeleider- en laboratoriumtoepassingen. Maar kwarts is silica en silica lost op in alkalische oplossingen. De oplossnelheid neemt toe met de temperatuur, de pH en de tijd. In een heet alkalisch reinigingsbad wordt kwarts verbruikt.
De chemie van kwartsoplossing
Kwarts is siliciumdioxide (SiO₂). In aanwezigheid van hydroxide-ionen (OH⁻) lost silica op en vormt oplosbaar silicaat:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
De reactie verloopt langzaam bij kamertemperatuur en neutrale pH. Bij 75 graden en pH 12 of hoger verloopt het gestaag. Een kwartsbuis met een wand van 2 mm kan in een heet alkalisch bad 0,1–0,3 mm per maand verliezen. De verdunning is aanvankelijk uniform en versnelt vervolgens naarmate de wand zwakker wordt. Falen treedt op wanneer de buis niet langer bestand is tegen de thermische en mechanische spanningen van de toepassing.
PTFE-dompelaars reageren niet met hydroxide-ionen. Het polymeer is inert voor natriumhydroxide, kaliumhydroxide en andere alkalische soorten bij alle industriële concentraties en temperaturen. Een PTFE-verwarmer in hetzelfde alkalische bad zou jaren meegaan, geen dagen.
| Bad Chemie | pH | Temperatuur | Kwartscorrosiesnelheid | PTFE-geschiktheid |
|---|---|---|---|---|
| Bijtende soda, 5% | 13–14 | 60 graden | 0,1–0,2 mm/maand | Uitstekend |
| Bijtende soda, 5% | 13–14 | 80 graden | 0,2–0,4 mm/maand | Uitstekend |
| Alkalische reiniger, pH 11 | 11 | 70 graden | 0,02–0,05 mm/maand | Uitstekend |
| Ammoniumhydroxide, 5% | 10–11 | 50 graden | 0,01–0,03 mm/maand | Uitstekend |
| Natriumsilicaat, 3% | 11–12 | 75 graden | 0,05–0,15 mm/maand | Uitstekend |
Kwartscorrosiesnelheden in alkalische baden vergeleken met PTFE-geschiktheid
Waarom kwarts wordt gebruikt bij zuurservice
Kwarts presteert goed in zuren omdat silica stabiel is in omgevingen met een lage- pH. Zoutzuur, zwavelzuur, salpeterzuur en fosforzuur tasten kwarts niet aan bij typische temperaturen van de dompelverwarmer. Fluorwaterstofzuur is de uitzondering-het lost silica snel op. Daarom worden kwartsverwarmers niet gebruikt in HF-toepassingen.
De thermische eigenschappen van kwarts zijn ook gunstig voor zuurgebruik. De thermische geleidbaarheid ervan is ongeveer 1,4 W/m·K-hoger dan die van PTFE, maar lager dan die van metalen. De thermische uitzettingscoëfficiënt is zeer laag, waardoor het een goede thermische schokbestendigheid heeft. Dankzij deze eigenschappen kunnen kwartsverwarmers werken met hogere wattdichtheden dan PTFE in compatibele chemie.
| Materiaal | Thermische geleidbaarheid | Veilige wattdichtheid in zuur | Veilige wattdichtheid in alkalisch | Relatieve kosten |
|---|---|---|---|---|
| Kwarts | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Niet geschikt | Laag-matig |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Gematigd |
| Titanium | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Hoger |
| Roestvrij staal 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Laag |
Wattdichtheidslimieten en kostenvergelijking voor materialen voor dompelverwarmers in zuur en alkalisch gebruik
De praktische gevolgen van het gebruik van kwarts in alkalische baden
Het eerste teken van kwartsfalen in een alkalisch bad is meestal een verandering in het uiterlijk van de buis. Het oppervlak wordt mat of geëtst naarmate het silica oplost. De muur wordt dunner. De buis kan kwetsbaarder worden en vatbaarder voor mechanische schade.
Naarmate de wand dunner wordt, neemt de thermische weerstand af en daalt de temperatuur van de mantel enigszins. Het kan lijken dat de verwarming in eerste instantie beter presteert. Maar het uitdunnen gaat door totdat de muur het element niet langer kan bevatten. Een defect is vaak een plotselinge-scheur of een gat waardoor de alkalische oplossing in contact kan komen met het verwarmingselement.
De mislukking kan gevaarlijk zijn. Alkalische oplossingen zijn geleidend. Wanneer de oplossing het bekrachtigde element bereikt, ontstaat er kortsluiting. De aardlekbeveiliging zou moeten geactiveerd worden, maar als dit niet het geval is, kunnen de verwarming en de tank beschadigd raken.
Wanneer kwarts de juiste keuze is
Kwarts is de juiste keuze voor zuurbaden waar de hogere wattdichtheid en lagere kosten een voordeel bieden. Het wordt vaak gebruikt bij:
Verdunde zwavelzuurspoeltanks
Salpeterzuurbeitsbaden zonder HF
Fosforzuurreinigingsoplossingen
Gedeïoniseerd water spoeltanks
Halfgeleider natte banken met zure chemie
In deze toepassingen presteert kwarts goed en kost het minder dan PTFE. De beperking is de alkalische chemie en HF-bevattende baden, waarin kwarts oplost of etst.
Wanneer PTFE de betere keuze is
PTFE is de betere keuze voor alkalische baden, HF--bevattende baden en gemengde chemicaliën waarbij de pH kan schommelen tussen zuur en alkalisch. Het is ook beter voor baden met veel opgeloste vaste stoffen, waar zich afzettingen vormen op het oppervlak van de verwarming en periodieke reiniging met alkalische of zure oplossingen vereisen.
De lagere wattdichtheid van PTFE betekent dat er meer oppervlak nodig is voor hetzelfde vermogen. Bij compacte tanks kan dit een beperking zijn. Maar in tanks met voldoende ruimte wegen de langere levensduur en de bredere chemische compatibiliteit van PTFE op tegen het nadeel van de grootte.
Wanneer geen van beide materialen geschikt is voor de toepassing
Sommige toepassingen vertonen een chemie waar noch kwarts noch PTFE goed mee om kan gaan. Een bad dat afwisselt tussen sterk zuur en sterk alkalisch-zoals een reinigingslijn met zowel zure als bijtende fasen die een gemeenschappelijke verwarming delen-vereist een materiaal dat beide weerstaat. PTFE is het enige veelgebruikte materiaal voor dompelverwarmers dat dit wel doet.
Een op maat gemaakte PTFE-dompelverwarmerconfiguratie met een lage wattdichtheid, een groot oppervlak en afgedichte aansluitbehuizingen is geschikt voor toepassingen waarbij kwarts faalt en roestvrij staal corrodeert. Het specificatieproces vereist de badchemie, het pH-bereik, de bedrijfstemperatuur, de tankafmetingen en het vereiste wattage. Voor faciliteiten met alkalische of gemengde-chemiebaden levert deze toepassing-specifieke benadering betrouwbare service waar standaardmaterialen tekortschieten.
