Issiq sut kislotasidagi eritilgan kremniyning engil esterifikatsiyasi-korroziyasi
Sut kislotasi (CH₃CHOHCOOH) tabiiy alfa{0}}gidroksi kislota boʻlib, biopolimerlarni qayta ishlash (polilaktik kislota ishlab chiqarish), oziq-ovqat sterilizatsiyasi, farmatsevtika ishlab chiqarish va kosmetika formulalarida keng qoʻllaniladi. Haddan tashqari parchalanish yoki karamelizatsiyani oldini olish uchun odatiy sanoat konsentratsiyasi 60-80 daraja ish harorati bilan 80-90% (texnik daraja) oralig'ida. Kvarts suvga cho'mdiruvchi isitgichlar ko'pincha sut kislotasi xizmati uchun mo'ljallangan, chunki eritilgan kremniy ko'pchilik organik kislotalarga mukammal qarshilik ko'rsatadi va kiruvchi yon reaktsiyalarni katalizlamaydi. Biroq, sut kislotasi ham karboksilik kislota, ham spirt (alfa{8}}gidroksi kislotasi) bo'lib, unga eritilgan kremniy oksidiga nisbatan noyob reaktivlik beradi. Yuqori haroratlarda sut kislotasi sirt silanol guruhlari bilan esterifikatsiyaga (kremniy laktat efirlarini hosil qiladi) va o'zi bilan oligomerizatsiyaga kirishishi mumkin. Olingan laktat ester qatlami nisbatan barqaror va kvarts sirtini passivlashtirishi mumkin, bu faqat kislotaning pKa dan kutilganidan ko'ra pastroq korroziya tezligiga olib keladi (pKa ≈ 3,86 25 daraja). Bundan tashqari, sut kislotasi past uchuvchanlikka ega, shuning uchun bug-fazali hujum minimaldir. Biopolimerni qayta ishlashda sut kislotasi ko'pincha oligomerlar, glyukoza va metall katalizatorlarini (masalan, qalay oktoat) o'z ichiga oladi, ular kvarts yuzasida konlarni hosil qilishi mumkin. Ushbu tahlil sut kislotasi kontsentratsiyasi (80-90%), harorat (60-80 daraja) va aralashmalar mavjudligi eritilgan kremniyning bir xil korroziya va chuqurlik tezligiga qanday ta'sir qilishini aniqlaydi. Biopolimer reaktorlari va oziq-ovqat sterilizatsiyasi tanklarida amaliy xizmat ko'rsatish oralig'iga (5 000-20 000 soat) erishish uchun zarur bo'lgan kvarts qobig'ining devor qalinligi va bu yopishqoq, yuqori zichlikdagi organik kislotada qalinroq devorlarning termal jazosi olinadi.
Issiq sut kislotasida eritilgan kremniyning korroziya kinetikasi: Ester hosil bo'lishi bilan passivlanish
Kvarsning issiq sut kislotasi bilan hujumi sirt{0}}cheklangan esterlanish reaksiyasi orqali boradi: Si-OH + CH₃CHOHCOOH ⇌ Si-O-CO-CHOH-CH₃ + H₂O. Ester yuqori haroratlarda beqaror bo'lgan chumoli yoki sirka kislotasidan farqli o'laroq, kremniy laktat esteri alfa-gidroksil guruhidan qo'shimcha vodorod bog'lanishi tufayli nisbatan barqarordir. Bu ester qatlami, bir marta hosil bo'lgandan so'ng, kvarts yuzasini passivlashtiradi va keyingi reaktsiyani inhibe qiladi. Esterifikatsiya uchun muvozanat konstantasi yuqori haroratlarda va past suv faolligida efirga yordam beradi. Konsentrlangan sut kislotasida (80-90%) suv faolligi past (0,2-0,4) bo'lib, ester hosil bo'lishiga va passivlanishiga yordam beradi. Binobarin, korroziya tezligi chiziqli kinetikadan ko'ra logarifmik yoki parabolik qonunga rioya qilgan holda vaqt o'tishi bilan pasayadi.
Yuqori tozalikdagi eritilgan kvartsning 85% li sut kislotasiga 70 daraja haroratda cho'mish sinovi dastlabki 100 soat ichida 0,0002–0,0004 mm/soatlik korroziya tezligini ko'rsatadi, qatlam o'tgandan keyin 5 soatdan keyin 0,00005–0,0001 mm/soatgacha kamayadi. 80 gradusda dastlabki tezlik 0,0003–0,0006 mm/soatni tashkil qiladi, 500 soatdan keyin esa 0,0001–0,0002 mm/soatgacha kamayadi. 60 gradusda boshlang'ich tezlik 0,0001 mm / soat dan past. Taqqoslash uchun, 70 gradusdagi 85% chumoli kislotasi kvartsni 0,0008–0,0015 mm/soat-taxminan 3–5 baravar yuqori korroziyaga olib keladi. 70 gradusda, 85% sut kislotasi tarkibidagi 2,0 mm kvarts qobig'i dastlabki 500 soat ichida taxminan 0,05 mm, keyin keyingi 5000 soat ichida atigi 0,05-0,10 mm yo'qotadi va 5500 soatdan keyin umumiy yo'qotish 0,10-0,15 mm bo'ladi. Shunday qilib, hayot bir xil yupqalash bilan cheklanmaydi; 1,5 mm devor o'nlab yillar davomida xizmat qiladi. Hatto 80 daraja haroratda ham, 10 000 soatdan keyin umumiy yo'qotish xavfsiz chegaralar ichida 0,3-0,5 mm ni tashkil qiladi.
Suv mavjudligi (suyultirilgan sut kislotasi, masalan, 50-70%) korroziya tezligini oshiradi, chunki suv himoya efir qatlamini gidrolizlaydi. 70 daraja haroratda 50% sut kislotasida bir xil korroziya tezligi 0,0005-0,001 mm / soat (passivatsiya yo'q), konsentrlangan kislotadan taxminan 5-10 baravar yuqori. Suyultirilgan sut kislotasi uchun hayot devor qalinligi bilan chiziqli ravishda o'zgaradi va 2,0 mm devorlar 2000-4000 soatni ta'minlaydi. Shunday qilib, kvarts isitgichlarining uzoq umr ko'rishi uchun konsentrlangan sut kislotasi suyultirilgan eritmalarga qaraganda kamroq korroziydir-bu teskari, ammo muhim topilma.
Polilaktik kislota polimerizatsiyasida ishlatiladigan metall katalizatorlar (masalan, qalay (II) oktoat, rux laktat) kvarts yuzasida cho'kishi mumkin. Ushbu konlar odatda kvarts uchun korroziy emas, lekin issiqlik izolyatorlari sifatida harakat qilishi va issiq nuqtalarni yaratishi mumkin. Issiq nuqtalar mahalliy darajada kvarts haroratini 100 darajadan yuqoriga ko'tarishi mumkin, bu potentsial ravishda sut kislotasining parchalanishiga (atsetaldegid, uglerod oksidi va suvga) va gaz pufakchalarini keltirib chiqarishi mumkin. Biroq, to'g'ri jarayon nazorati bilan, bu kamdan-kam hollarda cheklovchi omil hisoblanadi.
Lokalizatsiyalangan chuqurchalar va meniskus kontsentratsiyasi
Sut kislotasi 15% konsentratsiyada taxminan 122 daraja qaynash nuqtasiga ega, ammo konsentrlangan sut kislotasi (85%) vakuum ostida taxminan 140 darajadan yoki kuchli vodorod bog'lanishi tufayli atmosfera bosimida 200 darajadan yuqorida qaynaydi. 60–80 gradusda bugʻ bosimi juda past (bir necha kPa), shuning uchun bug{8}}fazali kondensatsiya minimal boʻladi. Birlamchi lokalizatsiya hujumi meniskusda sodir bo'ladi, bu erda suv bug'lanishi sut kislotasini 100% ga yaqin joyga jamlashi mumkin. Ushbu zonada ester qatlami qalinroq va himoyalangan bo'lishi mumkin, ammo agar kislota parchalansa, uglerodli qatlamlar paydo bo'lishi mumkin. Bu konlar odatda agressiv emas. Sut kislotasidagi chuqurning o'sish sur'atlari 0,001 mm / √ soat dan past bo'lib, chuqurchalar paydo bo'lishini ahamiyatsiz mexanizmga aylantiradi.
Kvars{0}}gardish interfeysida yoriqlar korroziyasi kam uchraydi, chunki sut kislotasi kuchli xlorid-tarkibida elektrolit bo‘lmaydi. Standart PTFE qistirmalari etarli darajada muhrlanishni ta'minlaydi.
Devor qalinligi issiq sut kislotasi isitgichlarida xizmat muddatini qanday o'zgartiradi
Konsentrlangan sut kislotasida bir xil korroziya (80-90%) vaqt o'tishi bilan passivatsiya tufayli pasayganligi sababli, devor qalinligining ortishi pasayish daromadini ta'minlaydi. Dastlabki 500-1000 soatdan keyin korroziya darajasi nolga yaqin tushadi, shuning uchun 1,5 mm devor va 3,0 mm devor deyarli bir xil xizmat muddatiga ega bo'ladi (mexanik shikastlanish yoki termal stress kabi bir xil yupqalashdan tashqari boshqa omillar bilan cheklangan). Suyultirilgan sut kislotasi (30-70%) uchun passivatsiya sodir bo'lmaganda, hayot devor qalinligi bilan chiziqli ravishda o'zgaradi. 50% sut kislotasida 70 daraja haroratda (tezligi 0,0007 mm/soat), 2,0 mm devor 2,860 soatni ta'minlaydi; 3,0 mm devor 4290 soatni ta'minlaydi; 4,0 mm devor 5710 soatni ta'minlaydi. Foyda proportsionaldir.
Konsentrlangan sut kislotasidan (80-90%) foydalanadigan ko'pgina sanoat ilovalari uchun standart devor qalinligi 1,5-2,0 mm bo'lganidan ko'ra ko'proq va qalinroq devorlar amaliy foyda keltirmaydi. Suyultirilgan sut kislotasi uchun umrni uzaytirish uchun qalinroq devorlar belgilanishi mumkin, ammo muqobil materiallar (PTFE, titanium) ham hisobga olinishi kerak.
Laktik kislota eritmalarida qalinroq devorlarning termal jazosi
85% konsentratsiyali sut kislotasi va 70 daraja issiqlik o'tkazuvchanligi taxminan 0,28-0,32 Vt/(m·K)-suvdan sezilarli darajada past bo'lib, ko'plab organik suyuqliklarga o'xshaydi. Zichligi 1,20–1,22 g/sm³, yopishqoqligi yuqori (70 gradusda 10–30 cP, konsentratsiyaga qarab). Yuqori yopishqoqlik -ajitlatilmagan yoki yomon aralashtiriladigan tanklarda, odatda 200–400 Vt/(m²·K) past konvektiv issiqlik uzatish koeffitsientlariga olib keladi. Chegara qatlamining qarshiligi umumiy termal qarshilikda ustunlik qiladi. 1,5 mm devor uchun R_cond=0.00109 m²·K/Vt; 3,0 mm devor uchun, R_cond=0.00217. bilan h=300 Vt/(m²·K), R_boundary=0.00333. 1,5 mm uchun umumiy qarshilik=0.00442 → U=226 Vt/(m²·K); 3,0 mm=0.00550 → U=182 Vt/(m²·K) uchun 19% pasayish. Chegara qatlami ustunlik qilgani uchun jazo past yopishqoqlikdagi suyuqliklarga qaraganda kamroq-. Yaxshi qo'zg'alish ta'minlangan biopolimer reaktorlarida h 500-800 Vt/(m²·K) bo'lishi mumkin, bu esa 25-30% jarima soladi. Tezroq isitish uchun javob beradigan yupqa devorlar hali ham afzaldir.
Ssenariy-Issiq sut kislotasi xizmatida kvarts qoplami devor qalinligi uchun asoslangan tanlash matritsasi
| Ilova stsenariysi va ishlash parametrlari | Tavsiya etilgan devor qalinligi | Miqdorli savdoning asosiy asosi-Oʻchirish |
|---|---|---|
| Polilaktik kislota polimerizatsiyasi (85% sut kislotasi, 70 daraja, uzluksiz, yaxshi aralashtirish, 1 yillik parvarish) | 1,5 – 2,0 mm, standart nav, chizilgan- | Passivatsiya korroziyani kamaytiradi<0.0001 mm/hour after 500h. 1.5 mm provides >20 000 soat ishlash muddati. Yupqa devor yopishqoq suyuqlikda U ≈ 250 Vt/(m²·K) ni beradi. |
| Oziq-ovqat sterilizatsiyasi (50% sut kislotasi, 80 daraja, partiya, qisqa davrlar, tez-tez eritma almashtirish) | 2,0 – 2,5 mm, olov-jilolangan | Suyultirilgan kislota, passivatsiya yo'q. Tezlik ~0,0008 mm/soat → 2,0 mm 2500 soat (300 tsikl) beradi. Olovli jilo-birikmalarning yopishishini kamaytiradi. U ≈ 300 Vt/(m²·K). |
| Yuqori{0}}haroratli konsentrlangan sut kislotasi (90% sut kislotasi, 80 daraja, uzluksiz, metall katalizatorli) | 2,0 mm, bug 'qalqoni bilan | Passivatsiya samarali. Umumiy yo'qotish<0.3 mm over 10,000 hours. Vapor shield prevents meniscus crust. U ≈ 220 W/(m²·K). |
| Glyukoza yoki shakar bilan ifloslangan sut kislotasi (har qanday konsentratsiyada) | 2,0 mm va tez-tez tozalash | Shakar qoldiqlari issiq joylarda karbonlashi mumkin. Qalinroq devor karbonizatsiyaga to'sqinlik qilmaydi. Isitgichni har oyda tozalang. |
| Suyultirilgan sut kislotasi (30%, 70 daraja, har qanday xizmat) | 2,5 - 3,0 mm, lekin PTFE ni hisobga oling | Tezlik ~0,0005 mm/soat → 3,0 mm 6000 soatni ta'minlaydi. Muqobil materiallar uzoq umr ko'rishi mumkin. |
Issiq sut kislotasi isitgichlari uchun qo'shimcha dizayn modifikatsiyalari
Uchta strategiya devor qalinligini oshirmasdan kvarts isitgichning ishlash muddatini uzaytiradi. Birinchidan, kislota kontsentratsiyasini nazorat qilish: suyultirilgan eritmalar emas, balki 80-90% sut kislotasi bilan ishlash passivatsiyaga yordam beradi va korroziya tezligini 80-90% ga kamaytiradi. Ko'pgina biopolimer jarayonlarida konsentrlangan sut kislotasi ozuqaviy materialdir, shuning uchun bunga tabiiy ravishda erishiladi. Ikkinchidan, suvni olib tashlash: sut kislotasidan suvni doimiy ravishda distillash (masalan, vakuum ostida) past suv faolligini saqlaydi, himoya Ester qatlamini barqarorlashtiradi. Uchinchidan, sirtdan oldingi passivatsiya:-yangi kvarts isitgichlarni 90% sut kislotasida 80 daraja haroratda 100 soat davomida oldindan ishlov berish o‘rnatishdan oldin barqaror laktat efir qatlamini hosil qiladi, bu esa dastlabki korroziyani kamaytiradi va erta “ishlash” davrini yo‘q qiladi. To'rtinchidan, yaxshi qo'zg'alish: isitgich bo'ylab 0,5-1,0 m / s oqim tezligini saqlab turish mahalliy issiq joylarni oldini oladi va haroratning bir xil taqsimlanishini ta'minlaydi, sut kislotasi parchalanishi va uglerod konining shakllanishi xavfini kamaytiradi.
Xulosa: Passivatsiya afzalligi bilan issiq sut kislotasi uchun kvarts devor qalinligini aniqlash
Kvars suvga cho'mdiruvchi isitgichlar{0}}birinchi ta'sirdan keyin korroziya tezligini 0,0001 mm/soatgacha kamaytiradigan passivlashtiruvchi kremniy laktat ester qatlami hosil bo'lganligi sababli 60-80 daraja issiq konsentrlangan sut kislotasi (80-90%) uchun juda mos keladi. Bunday sharoitlarda 1,5-2,0 mm standart devor qalinligi o'nlab yillar davomida ishonchli xizmat ko'rsatishni ta'minlaydi va qalinroq devorlar amaliy foyda keltirmaydi. Suyultirilgan sut kislotasi (30-70%) uchun passivatsiya sodir bo'lmaganda, 0,0005-0,001 mm / soat bir xil korroziya tezligi 2000-6000 soatlik xizmat ko'rsatish oralig'i uchun 2,0-3,0 mm devor qalinligini talab qiladi. Qalinroq devorlarning termal jazosi sut kislotasining yuqori viskozitesi va past issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli o'rtacha (U ning 20-30% ga kamayishi). Pitting va bug 'fazasi-arzimaydi. Sut kislotasi isitgichlari uchun kotirovkalarni so'rashda konsentratsiyani, ish haroratini, kutilayotgan suv miqdorini va metall katalizatorlari yoki shakar qoldiqlari mavjudligini ko'rsating. Bu ishlab chiqaruvchiga optimal devor qalinligini tavsiya etish imkonini beradi-odatda konsentrlangan sut kislotasi uchun 1,5–2,0 mm va suyultirilgan eritmalar uchun 2,0–2,5 mm.
