Ako horúca koncentrovaná kyselina boritá (5–8 %) pri 80–110 stupňoch mení požadovanú hrúbku steny kremenného plášťa pre jadrové tienenie a ohrievače na výrobu sklenených vlákien?
Zanechajte správu
Jemný, ale vytrvalý nápor horúcej kyseliny boritej na tavený oxid kremičitý
Kyselina boritá (H3BO3) je slabá jednosýtna Lewisova kyselina. Široko sa používa ako absorbér neutrónov pri tienení jadrových reaktorov, ako modifikátor toku a viskozity pri výrobe sklolaminátu, pri výrobe skla a keramiky a ako spomaľovač horenia a antiseptikum. Typické koncentrácie používané v priemysle sú 5-8 % hmotnosti vo vodnom roztoku s prevádzkovými teplotami 80{10}}110 stupňov vo výparníkoch, rozpúšťadlách a nádržiach na miešanie chemikálií. Kremenné ponorné ohrievače sú zvyčajne určené na prevádzku s kyselinou boritou, pretože tavený oxid kremičitý má veľkú čistotu (dôležité pre jadrové aplikácie, kde sa musí minimalizovať kontaminácia kovov) a má vynikajúcu odolnosť voči väčšine slabých kyselín. Kyselina boritá však môže predstavovať mierny problém s koróziou kremeňa. Kyselina boritá neprotónuje siloxánové väzby vo veľkej miere, na rozdiel od silných minerálnych kyselín, kvôli svojej miernej kyslosti (pKa ≈ 9,24 pri 25 stupňoch -v skutočnosti kyselina boritá nie je donorom protónov v bežnom zmysle slova, absorbuje OH- a vytvára B(OH)4{{148}6}, preto je roztok trochu kyslý pre ~5-}, 5% roztok). Korózny mechanizmus nie je poháňaný protónmi, ale zahŕňa produkciu borát-silikátových komplexov. V prítomnosti silanolových skupín môže kyselina boritá podstúpiť reakciu za vzniku BO-Si väzieb, ktoré sa pri vyšších teplotách môžu preusporiadať za vzniku rozpustných alebo nerozpustných borosilikátových druhov. Pri vysokých teplotách môže kyselina boritá tiež dehydratovať na kyselinu metaboritú (HBO 2 ) a nakoniec na oxid boritý (B 2 O 3 ). Pri 80-110 stupňoch je dehydratácia malá. Boritanové ióny môžu tiež katalyzovať rozpúšťanie oxidu kremičitého v neutrálnych alebo mierne alkalických podmienkach. Toto skúmanie hodnotí vplyv koncentrácie kyseliny boritej (5-8%), teploty (80-110 stupňov) a pH roztoku na rovnomerné rýchlosti korózie taveného oxidu kremičitého. Uvedená je určená hrúbka steny kremenného plášťa na dosiahnutie realizovateľných servisných intervalov (5 000 – 20 000 hodín) v jadrových aplikáciách a aplikáciách zo sklenených vlákien, ako aj tepelná strata hrubších stien v tomto viskóznom roztoku s nízkou vodivosťou.
Kinetika korózie taveného oxidu kremičitého v horúcej kyseline boritej: Boritanová komplexácia
Napadnutie kremeňa horúcou kyselinou boritou nezodpovedá obvyklej koncepcii korózie kyselinou. Kyselina boritá je Lewisova kyselina vo vode: B(OH)3 + H2O ⇌ B(OH)4- + H+. pKa 9,24 pri 25 stupňoch, preto je roztok len mierne kyslý (pH ~5,1 pre 0,8 M, ~5% kyselinu boritú). Disociačná konštanta závisí od teploty a pri 100 stupňoch môže byť pH až 4,5–5,0. Pri pH 5 je však koncentrácia H+ iba 10 -5 M, príliš nízka na to, aby spôsobila značnú protónmi{17}}podporovanú hydrolýzu oxidu kremičitého. Hlavným mechanizmom útoku je však reakcia tetrahydroxyboritanového aniónu B(OH)₄⁻ so silanolovými skupinami: Si-OH + B(OH)₄⁻ → Si-0-B(OH)3⁻ + H₂O. Na povrchu sa tak vytvorí borát-silikátová zlúčenina. Komplex môže buď zostať naviazaný (pasivovať) alebo ďalej hydrolyzovať, aby sa uvoľnili rozpustné druhy kremíka. väčšie množstvo kyseliny boritej a vyššie teploty stimulujú vývoj komplexu.
Vysoko čistý tavený kremeň bol testovaný ponorením do 5% kyseliny boritej pri 95 stupňoch. Rýchlosť korózie bola rovnomerná a výnimočne nízka, 0,00005-0,0001 mm/hod. Pri 110 stupňoch, čo je teplota často pozorovaná vo výparníkoch kyseliny boritej, sa rýchlosť zvýši na 0,0001 – 0,0002 mm/h. Miera pri 80 stupňoch je<0.00003 mm/hour. For comparison 5% HCl at 95C corroded quartz at 0.005-0.010 mm/hr-two orders of magnitude higher. Life at 95 o C would be about 25,000 hours (close to 3 years) since a 2.0 mm quartz sheath in 5% boric acid would lose 0.00008 mm/hr x 25,000 hours = 2.0 mm. 1.5 mm wall = 18,750 hours (2.1 years) Quartz is therefore quite resistant to hot boric acid and uniform corrosion is seldom a life-limiting problem. The corrosion rate is relatively low, so that very thin walls (1.0-1.5 mm) will last for decades in most applications.
Iné ióny (ako je sodík, vápnik alebo chlorid) môžu tiež ovplyvniť rýchlosť korózie. Roztoky kyseliny boritej bežne obsahujú hydroxid sodný na kontrolu korózie komponentov z nehrdzavejúcej ocele v aplikáciách jadrového tienenia úpravou pH na 7-9 . Koncentrácia B(OH)4- je vyššia pri pH 8 – 9 a rýchlosť korózie kremeňa môže byť 0,0002 – 0,0005 mm/hod – stále veľmi nízka. Avšak pri pH nad 10 sa roztok stáva alkalickým a korózny mechanizmus sa mení na hydroxidový útok so značne stúpajúcimi rýchlosťami (0,005–0,010 mm/h). Pre životnosť kremeňa by sa mal roztok kyseliny boritej udržiavať na hodnote pH blízkej neutrálnej (5–7).
Lokalizovaná kryštalizácia a pitting kyseliny boritej
Boric acid crystallizes readily on evaporation, leaving hard glassy coatings on heated surfaces. In evaporators or tanks where the liquid level changes, boric acid crystals may develop on the quartz sheath above the liquid level. These crystals are not corrosive to quartz but they are thermal insulators. A thick covering of crystal slows heat conduction and causes the underlying quartz to run hotter. At high temperature (>130 stupňov) kryštály môžu stratiť svoju kryštalizačnú vodu na oxid boritý (B2O3), ktorý má nízku teplotu topenia (450 stupňov) a môže zmáčať povrch kremeňa, čo spôsobuje miestne napätie pri chladení. Ešte dôležitejšie je, že tepelná izolácia môže vytvárať horúce miesta, ktoré môžu urýchliť akúkoľvek základnú koróziu, aj keď veľmi pomalým tempom. Najväčšie obavy vyvoláva mechanické poškodenie spôsobené rozdielnou tepelnou rozťažnosťou vodného kameňa kyseliny boritej a kremeňa. Ohrievač sa pravidelne čistí horúcou vodou alebo zriedenou kyselinou, ktorá rozpúšťa kryštály a obnovuje prenos tepla.
Kryštalizácia je obzvlášť výrazná v zóne menisku. Odparovanie vody koncentruje kyselinu boritú, čo spôsobuje jej presýtenie a tvorbu kryštálov. Tvorbe meniskovej kôry sa predchádza udržiavaním konštantnej hladiny kvapaliny alebo použitím parotesného štítu. Quartz povrch je leštený , čo minimalizuje priľnavosť kryštálov a uľahčuje čistenie .
Vplyv hrúbky steny na životnosť ohrievačov s horúcou kyselinou boritou
Pretože rovnomerná rýchlosť korózie je veľmi pomalá (0,00005 – 0,0002 mm/hod), potrebný prídavok na koróziu počas 5 – 10 rokov životnosti zariadenia je len 0,005 – 0,02 mm. Hrúbka steny sa teda vyberá na základe mechanickej pevnosti, tlakovej izolácie (ak existuje) a odolnosti voči tepelnému šoku a poškodeniu pri manipulácii, a nie na základe tolerancie voči korózii. Štandardná hrúbka steny kremenného ohrievača 1,5-2,0 mm je viac než vhodná na použitie kyseliny boritej. Hrubšie steny (3,0 – 4,0 mm) poskytujú malú koróznu výhodu a iba zvyšujú tepelnú odolnosť a hmotnosť. Ak sa na odstránenie vodného kameňa kyseliny boritej používa čistenie kyselinou periodickou, čistiaci roztok (napr. slabá HCl alebo voda) môže byť korozívnejší ako samotná kyselina boritá. V takýchto prípadoch by mala byť hrúbka steny zvolená tak, aby sa zabezpečila tolerancia na koróziu pre cykly čistenia.
The corrosion rate for pH adjusted solutions of boric acid (e.g., pH 8-9 with NaOH) is still very low (0.0002-0.0005 mm/hour), and walls of 1.5-2.0 mm are still sufficient for multi-year operation. Only if the pH control were poor and the solution alkaline (pH >10) by boli potrebné hrubšie steny, hoci by boli žiaduce iné materiály.
Tepelná penalizácia hrubších stien v roztokoch kyseliny boritej
Thermal conductivity of boric acid solutions at concentration 5% and temperature 95°C is ~0.60-0.65 W/(m.K) and is close to that of pure water. Viscosity is close to water (0.5-0.8 cP) Density is 1.01-1.02 g/cm³ The convective heat transfer coefficients in the agitated tanks are in the range 800-1500 W/(m2K). The conducting resistance of quartz is R cond = t/1.38. For 1.5 mm wall, R_cond = 0.00109 m 2 K/W. For 3.0 mm wall, R_cond = 0.00217 m 2 K/W. With h = 1000 W/m 2 K , R boundary = 0.00100 . Total resistance for 1.5 mm = 0.00209 -> U = 478 W/(m2K); for 3.0 mm = 0.00317 ->U=315 W/(m2K), zníženie o 34 %. Trest je značný. V kyseline boritej nepoužívajte hrubšie steny; neexistuje žiadny prínos pre koróziu. Ideálna hrúbka steny je minimálna hrúbka, ktorá dáva dielu mechanickú pevnosť, aby vydržala manipuláciu a inštaláciu. Zvyčajne je to 1,5 až 2,0 mm.
Matica výberu hrúbky steny kremenného plášťa založená na scenári pre službu horúcej kyseliny boritej
Scenár aplikácie a prevádzkové parametre Základné odôvodnenie s kvantifikovaným obchodom-Odporúčaná hrúbka steny
Kremeň vysokej{0}}čistoty (nízky obsah kovu) Tienenie jadrového reaktora (5 % H 3 BO 3, 90 stupňov, pH 5, nepretržitá, 5-ročná údržba) 1,5 – 2,0 mm Miera korózie<0.00008 mm/hr -> 2.0 mm would take >25 000 hodín (2,8 roka) Priehľadnosť neutrónov vyžaduje vysokú čistotu. U ~ 450 W/(m²K).
Boric acid dissolver for fiberglass manufacture (8% H3BO3, 105C, continuous, pH 6) 1.5 - 2.0 mm, standard, flame-polished Rate ~0.00015 mm/hour → 2.0 mm gives >13 000 hodín (1,5 roka). Leštené plameňom pre nižšiu priľnavosť kryštálov. U ~ 400 W/(m2·K)
Výparník kyseliny boritej (6 % H3BO3, 110 stupňov, kryštalizácia, časté čistenie) 2,0 mm, podľa-nákresu Korózia nevýznamná. Hrúbka steny bola zvolená pre mechanickú odolnosť v čistiacich cykloch. U ~ 380 W/(m2.K).
Boric acid (pH adjusted, pH 8.5, NaOH, 95°C, nuclear waste treatment)2.0 mm, monitor pH Rate ~0.0003 mm/hour → 2.0 mm gives >6 600 hodín (9 mesiacov) OK, ak je pH<9 controlled. Alkaline boric acid (pH>10, any temp) Not quartz - use PTFE or titanium Hydroxide attack prevails. >0,005 mm/hod pri kremennej korózii. Požadovaná alternatíva.
Doplnkové konštrukčné zmeny pre horúce ohrievače kyseliny boritej
Hrúbka steny je už značná, ale na predĺženie životnosti kremenných ohrievačov možno použiť tri spôsoby. Po prvé, pravidelné čistenie: Ohrievač sa ponorí do horúcej deionizovanej vody alebo zriedenej kyseliny chlorovodíkovej (5%), aby sa rozpustili kryštály kyseliny boritej a obnovila sa účinnosť prenosu tepla. Mesačný cyklus čistenia, aby sa zabránilo tvorbe vodného kameňa. Po druhé, ohrev parného priestoru: pásový ohrievač inštalovaný na kremennom plášti nad potrubím kvapaliny zabraňuje častému čisteniu tejto zóny a zabraňuje kryštalizácii kyseliny boritej na hornom plášti. Po tretie, konštantná hladina kvapaliny: použitie regulátora hladiny na udržanie konštantnej hladiny kvapaliny zabraňuje kryštalizácii menisku, najrozšírenejšiemu zdroju tvorby vodného kameňa. Po štvrté, leštený povrch: špecifikácia plameňom-lešteného alebo mechanicky lešteného kremenného povrchu znižuje priľnavosť kryštálov, vďaka čomu sa pri čistení ľahšie odstraňuje vodný kameň.
Záver: Ako s istotou určiť hrúbku steny kremeňa pre odolnosť proti korózii horúcej kyseliny boritej
Kremenné ponorné ohrievače sú výnimočne dobre-vhodné na použitie v horúcej koncentrovanej kyseline boritej pri teplote 80 – 110 stupňov , s jednotnými rýchlosťami korózie pod 0,0002 mm/h v neutrálnych až mierne kyslých roztokoch (pH 5 – 7). Štandardná hrúbka steny 1,5 – 2,0 mm poskytuje životnosť 10 000 – 25 000 hodín (1 – 3 roky) v závislosti od teploty a pH, pričom korózia hrá pri poruche zanedbateľnú úlohu. Pri údržbe nie je najväčším problémom korózia, ale to, že na povrchu kremeňa sa tvoria kryštály kyseliny boritej, čo môže obmedziť účinnosť prenosu tepla. Najlepší spôsob, ako kontrolovať kryštalizáciu, je vyčistiť ju, zohriať priestor pary a udržiavať stabilnú hladinu kvapaliny. Hrubšie steny (3,0 – 4,0 mm) neponúkajú žiadnu koróznu výhodu a predstavujú 30 – 35 % tepelný postih, preto sa neodporúčajú. Pre roztoky kyseliny boritej s upraveným pH-až do pH 9 zostáva kremeň odolný (rýchlosť<0.0005 mm/hour); above pH 10, alternative sheath materials are required. When requesting quotations for boric acid heaters, specify the concentration, operating temperature, pH range, expected crystallization frequency, and cleaning protocol. This enables the manufacturer to recommend the optimal wall thickness-typically 1.5–2.0 mm-ensuring energy-efficient, long-term performance in nuclear shielding, fiberglass production, and other boric acid processing applications.
