Kuidas muudab kuum kontsentreeritud kaaliumpermanganaadi lahus (3–6%) 70–90 kraadi juures veepuhastus- ja orgaanilise oksüdatsiooni soojendite jaoks vajalikku kvartskesta seina paksust?

Kuuma kaaliumpermanganaadi sulatatud ränidioksiidi oksüdatiivne ja ladestumine

Kaaliumpermanganaat (KMnO 4 ) on tugevatoimeline oksüdeeriv kemikaal, mida kasutatakse veetöötluses (raua, mangaani ja vesiniksulfiidi eemaldamine), orgaanilises sünteesis (alkoholide ja aldehüüdide oksüdeerimine) ja õhu puhastamisel. Tüüpilised tööstuslikud kontsentratsioonid on 3-6 massiprotsenti vesilahuses, töötemperatuur 70-90 kraadi oksüdatsioonireaktsioonide kiirendamiseks või lahustuvuse säilitamiseks (kaaliumpermanganaadi lahustuvus tõuseb koos temperatuuriga). Mõnikord on kvartsist sukelsoojendid ette nähtud permanganaadi kasutamiseks, kuna sulatatud ränidioksiid on oksüdatsioonile väga vastupidav ega ole permanganaadi lagunemise katalüsaator. Kuum kontsentreeritud kaaliumpermanganaat pakub aga uudset kvartsi lagunemisviisi, mis ei ole keemiline korrosioon klassikalises tähenduses, vaid pigem mangaandioksiidi (MnO₂) sadestumise ja termilise stressi kombinatsioon. Kõrgetel temperatuuridel on permanganaat ebastabiilne ja laguneb 4KMnO₄ + 2H2O-st 4MnO₂ + 4KOH + 3O₂. Reaktsiooni kiirendavad soojus, valgus ja spetsiifilised katalüsaatorid. Laguprodukt, mangaandioksiid, sadestub tumepruuni kuni musta sadestisena kvartsi pinnale. See sade on soojust isoleeriv ja kleepuv ning tekitab kuumi kohti, mis võivad põhjustada lokaalset ülekuumenemist ja termilist stressi. Lagunemisel tekkiv kaaliumhüdroksiid võib kvartsi kahjustada ka aluselise korrosiooniga. Uurimine hindab KMnO₂ kontsentratsiooni (3–6%), temperatuuri (70–90 kraadi) ja lahuse pH mõju MnO₂ sadestumise kiirusele ja seega ka kvartskuumuti jõudlusele. Arvutatakse välja veepuhastus- ja oksüdatsioonisoojendite praktiliste hooldusvälbade (1000–5000 tundi) jaoks vajalik kvartskatte seinapaksus koos paksemate seinte termilise trahviga selles tihedas, kõrge spetsiifilise soojuslahendusega.

Permanganaadi lagunemise ja MnO2 sadestumise kineetika

Kaaliumpermanganaadi termiline lagunemine vesilahuses järgib permanganaadi kontsentratsiooni esimest järku kineetikat. Temperatuuriga suureneb lagunemiskiirus eksponentsiaalselt, aktiveerimisenergiaga umbes 75–85 kJ/mol. 5% KMnO4 poolväärtusaeg on 70 kraadi juures umbes 200–300 tundi, 80 kraadi juures 80–120 tundi ja 90 kraadi juures 30–50 tundi. Permanganaadi lagunemisel sadestub peen MnO₂ osake. Need osakesed kinnituvad kergesti kuumadele pindadele, sealhulgas kvartskestadele. Sadestumise määr ei järgi lihtsalt lagunemiskiirust. Suurema soojusvoo korral kogevad MnO 2 osakesed termoforeetilisi jõude, mis sunnivad neid kuumutatud kvartspinna poole. Seega suureneb sademekiht soojendil kiiremini kui puistelahuses.

Sadestunud MnO₂ kihi soojusjuhtivus on väga madal (umbes 0,5–1,0 W/(m·K) poorse vormi puhul, oluliselt madalam kui kvartsil 1,38 W/(m·K)). 0,1 mm paksune MnO2 sade pakub soojustakistust, mis sarnaneb umbes 0,1–0,2 mm täiendava kvartsi seinapaksusega, kuid oluline erinevus on see, et sade ei ole-ühtlane ja võib maha pudeneda. Veelgi olulisem on see, et ladestus moodustab kuumi kohti, kohti, kus sade on paksem, mis isoleerivad kvartsi ja suurendavad selle aluseks oleva kvartsi temperatuuri. 0,2 mm MnO₂ sade soojusvooluga 8 W/cm² võib tõsta kvartsi pinna temperatuuri 15–25 kraadi võrra. Kõrgem temperatuur suurendab kohapeal permanganaadi lagunemist, mille tulemuseks on positiivne tagasiside. Tundide kuni päevade jooksul võib tekkida paks koorik. See vähendab oluliselt soojusülekannet ja võib põhjustada kvartsi ülekuumenemist ja termilise stressi tõttu purunemist.

The decomposition yields potassium hydroxide (4KOH for 4KMnO4, i.e. equimolar) which elevates the pH of the solution. Complete decomposition of 5% KMnO4 would generate about 1.5% KOH which is very alkaline (pH>13). Praktikas puhverdab lahust MnO 2 ja teised mangaani liigid. Siiski võib pH tõusta 10–12-ni kvartsi pinna lähedal, kus lagunemine on kõige aktiivsem. Aluselistes tingimustes (pH 10 kuni 12) korrodeerub kvarts sõltuvalt temperatuurist kiirusega 0,0005 kuni 0,005 mm/h. See keemiline rünnak koos MnO2 ladestustest põhjustatud termilise pingega võib põhjustada rikke seina nõrgenemise või pragunemise tõttu.

Seina paksuse mõju permanganaadist küttekehade kasutusajale

Peamised lagunemismehhanismid on ladestustest tingitud termiline stress ja lagunemise kõrvalsaaduste tõttu tekkiv leeliseline korrosioon. Seina paksuse suurendamisel on seega keeruline mõju. Ainuüksi leeliselise korrosiooni korral on eluiga võrdeline seina paksusega. Näiteks 85 kraadi juures ja kohaliku pH väärtusel 11 (korrosioonikiirus ~0,001 mm/h) annab 2,0 mm sein 2000 tundi, 3,0 mm sein 3000 tundi. Kuid ladestumise tekitatud termilise pinge tõttu pragunemine tekib mõnikord palju enne seina perforeerimist ühtlase korrosiooni tõttu. Paksemad seinad on pragude suhtes vastupidavamad, kuna neil on suurem mehaaniline tugevus ja võime taluda kõrgemaid temperatuurigradiente ilma purunemiseta. 3,0 mm sein talub umbes 60–70 kraadist temperatuurierinevust kogu paksuse ulatuses, 1,5 mm sein aga ainult 40–50 kraadi. Paksemad seinad annavad seetõttu ebaühtlasest MnO2 sadestumisest tingitud termilise šoki jaoks laiema ohutusvaru. Soovitatav lähenemine permanganaadi hooldusele hõlmab piisavalt paksu seina (2,5–3,0 mm), mis tagab nii korrosioonivaru kui ka termilise pingekindluse, ning perioodilist puhastamist MnO2 lademete eemaldamiseks.

Enamiku veepuhastusrakenduste puhul, kus permanganaati toidetakse pidevalt madala kontsentratsiooniga (1–3%) ja küttekehad töötavad temperatuuril 70–80 kraadi, on seinapaksus 2,0–2,5 mm iganädalase puhastamisega praktiline. Suuremate kontsentratsioonide või kõrgete temperatuuride korral on vaja sagedasemat puhastamist või alternatiivseid kuumutamismeetodeid (nt auru sissepritse).

Paksemate seinte termiline karistus permanganaadi lahustes

5% kaaliumpermanganaadi lahuste soojusjuhtivus 80 kraadi juures on umbes 0,55–0,60 W/(m·K), mis on sarnane vee omaga. Tihedus: 1,03-1,05 g/cm3, viskoossus: 0,8-1,0 cP. Segatud mahutid Konvektiivsed soojusülekandetegurid 600-1200 W/(m2-K) 2,0 mm seinale R_cond=0.00145 m²·K/W 3,0 mm seinale R_cond=0.00217 h=800 W/m 2 K, R piirang {1} 2} U{20} W/(m2K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2K) 21% vähendamine See trahv on mõõdukas, kuid siiski vastuvõetav, arvestades vajadust taluda termilisi pingeid.

Kvartskatte seina paksuse valiku maatriks kuuma KMnO4 teenuse jaoks (stsenaariumipõhine)

Kasutusümbris ja kasutustingimused Soovitatav seinapaksus koos kvantifitseeritud kaubandusega{0}}
Veetöötlus (3% KMnO4, 75 kraadi, pidev, iganädalane puhastus, 6-kuuline hooldus) 2,0–2,5 mm, standardklass, leekpoleeritud Mõõdukas sademete kogunemine. Termilise pinge marginaal on antud 2,5 mm võrra. Leekpoleerimine vähendab sademe nakkumist. U ≈ 380 W/m2 · K.
Orgaaniline oksüdatsioonireaktor (5% KMnO4, 85 kraadi, partii, 8-tunnised tsüklid, puhastatakse pärast iga partii) 2,5–3,0 mm, kui-tõmmatud Kiire lagunemine. 3.0 mm Soojuslöögikindel kuumade piirkondade suhtes. Pärast iga partii tuleb puhastada. U ≈ 320 W/m 2 K).
Kõrge temperatuur (90 kraadi, 6%, mis tahes töötsükkel) permanganaat, mitte kvarts – eelistage titaani või klaasvoodriga terast Lagunemise poolestusaeg-<30 hours. Deposit in days. Another way to heat the room is recommended.
1.5 – 2.0 mm, standard grade Slow decomposition. Low concentration permanganate (1%, 70°C, continuous, good filtering) 2.0 mm yields >5000 tundi igakuise koristamisega. U ~ 450 W/(m2.K).
Täiendavad disainimuudatused: MnO2 kogunemise lahustamiseks tehakse korrapärast puhastamist nõrga oksaalhappe või naatriumvesiniksulfitiga. Lagunemine on minimeeritud soojusvoo < 5 W/cm2 korral. MnO2 osakesed filtreeritakse, et vältida sademete teket.