Πώς το ζεστό συμπυκνωμένο διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου (3–6%) στους 70–90 βαθμούς τροποποιεί το απαιτούμενο πάχος τοιχώματος θήκης χαλαζία για θερμαντήρες επεξεργασίας νερού και οργανικής οξείδωσης;

Επαγόμενη από οξειδωτικά και εναποθέσεις επίθεση συντηγμένου πυριτίου από ζεστό υπερμαγγανικό κάλιο

Το υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO 4 ) είναι μια ισχυρή οξειδωτική χημική ουσία που χρησιμοποιείται στην επεξεργασία νερού (αφαίρεση σιδήρου, μαγγανίου και υδρόθειου), στην οργανική σύνθεση (οξείδωση αλκοολών και αλδεΰδων) και στον καθαρισμό του αέρα. Οι τυπικές βιομηχανικές συγκεντρώσεις είναι 3-6% κατά βάρος σε υδατικό διάλυμα, θερμοκρασίες λειτουργίας 70-90 βαθμών για την επιτάχυνση των αντιδράσεων οξείδωσης ή για τη διατήρηση της διαλυτότητας (η διαλυτότητα του υπερμαγγανικού καλίου αυξάνεται με τη θερμοκρασία). Μερικές φορές οι θερμαντήρες εμβάπτισης χαλαζία καθορίζονται για συντήρηση υπερμαγγανικού, επειδή το τηγμένο πυρίτιο είναι πολύ ανθεκτικό στην οξείδωση και δεν είναι καταλύτης στην αποσύνθεση του υπερμαγγανικού. Ωστόσο, το θερμό συμπυκνωμένο υπερμαγγανικό κάλιο παρέχει έναν νέο τρόπο αποικοδόμησης του χαλαζία που δεν είναι χημική διάβρωση με την κλασική έννοια, αλλά μάλλον ένας συνδυασμός εναπόθεσης διοξειδίου του μαγγανίου (MnO2) και θερμικής καταπόνησης. Σε υψηλές θερμοκρασίες το υπερμαγγανικό είναι ασταθές και αποσυντίθεται για να δώσει 4MnO2 + 4KOH + 3O2 από 4KMnO4 + 2H2O. Επιταχύνουν την αντίδραση η θερμότητα, το φως και ειδικοί καταλύτες. Το προϊόν διάσπασης, το διοξείδιο του μαγγανίου, κατακρημνίζεται ως μια σκούρα καφέ έως μαύρη εναπόθεση στην επιφάνεια του χαλαζία. Αυτή η απόθεση είναι θερμομονωτική και κολλώδης και δημιουργεί καυτά σημεία, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε τοπική υπερθέρμανση και θερμική καταπόνηση. Το υδροξείδιο του καλίου, που σχηματίζεται από τη διάσπαση, μπορεί επίσης να βλάψει τον χαλαζία από την αλκαλική διάβρωση. Η έρευνα αξιολογεί την επίδραση της συγκέντρωσης KMnO4 (3-6%), της θερμοκρασίας (70-90 βαθμοί) και του pH διαλύματος στον ρυθμό εναπόθεσης MnO2 και ως εκ τούτου στην απόδοση του θερμαντήρα χαλαζία. Υπολογίζεται το απαιτούμενο πάχος τοιχώματος θήκης χαλαζία για πρακτικά διαστήματα σέρβις (1.000--5.000 ώρες) σε θερμαντήρες επεξεργασίας νερού και οξείδωσης, μαζί με τη θερμική ποινή των παχύτερων τοίχων σε αυτήν την πυκνή, υψηλής ειδικής λύσης θερμότητας.

Κινητική Αποσύνθεσης Υπερμαγγανικού και Εναπόθεσης MnO2

Η θερμική διάσπαση του υπερμαγγανικού καλίου σε υδατικό διάλυμα ακολουθεί κινητικές πρώτης τάξης στη συγκέντρωση υπερμαγγανικού. Με τη θερμοκρασία ο ρυθμός διάσπασης αυξάνεται εκθετικά με ενέργεια ενεργοποίησης περίπου 75–85 kJ/mol. Ο χρόνος ημιζωής του 5% KMnO4 είναι περίπου 200–300 ώρες στους 70 βαθμούς, 80–120 ώρες στους 80 βαθμούς και 30–50 ώρες στους 90 βαθμούς. Η αποσύνθεση του υπερμαγγανικού κατακρημνίζει ένα λεπτό σωματίδιο MnO2. Αυτά τα σωματίδια θα προσκολληθούν εύκολα σε θερμές επιφάνειες, συμπεριλαμβανομένων των περιβλημάτων χαλαζία. Το ποσοστό εναπόθεσης δεν ακολουθεί απλώς το ποσοστό κατανομής. Σε μεγαλύτερες ροές θερμότητας, τα σωματίδια MnO 2 υφίστανται θερμοφορητικές δυνάμεις που τα ωθούν προς τη θερμαινόμενη επιφάνεια του χαλαζία. Έτσι το στρώμα απόθεσης αυξάνεται στον θερμαντήρα με μεγαλύτερο ρυθμό από ό,τι στο διάλυμα χύδην.

Το στρώμα MnO2 έχει πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (περίπου 0,5-1,0 W/(m·K) για την πορώδη μορφή, σημαντικά χαμηλότερη από τον χαλαζία στα 1,38 W/(m·K)). Το κοίτασμα MnO2 πάχους 0,1 mm προσφέρει θερμική αντίσταση παρόμοια με περίπου 0,1–0,2 mm πρόσθετου πάχους τοιχώματος χαλαζία, αλλά η σημαντική διαφορά είναι ότι η απόθεση δεν είναι-ομοιόμορφη και μπορεί να αποκολληθεί. Το πιο σημαντικό, το κοίτασμα σχηματίζει hot spots, θέσεις όπου το κοίτασμα είναι παχύτερο, που μονώνουν τον χαλαζία και αυξάνουν τη θερμοκρασία του υποκείμενου χαλαζία. Μια απόθεση MnO2 0,2 ​​mm με ροή θερμότητας 8 W/cm² μπορεί να ανυψώσει τη θερμοκρασία της επιφάνειας του χαλαζία κατά 15 έως 25 βαθμούς. Η υψηλότερη θερμοκρασία ενισχύει τοπικά τη διάσπαση του υπερμαγγανικού, με αποτέλεσμα ένα βρόχο θετικής ανάδρασης. Μέσα σε λίγες ώρες έως μέρες μπορεί να δημιουργηθεί μια παχιά κρούστα. Αυτό μειώνει σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας και μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση του χαλαζία και θραύση από τη θερμική καταπόνηση.

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). Στην πράξη το διάλυμα ρυθμίζεται από το MnO 2 και άλλα είδη μαγγανίου. Ωστόσο, το pH μπορεί να αυξηθεί σε 10-12 κοντά στην επιφάνεια του χαλαζία όπου η διάσπαση είναι πιο ενεργή. Σε αλκαλικές συνθήκες (pH 10 έως 12), ο χαλαζίας διαβρώνεται με ρυθμούς 0,0005 έως 0,005 mm/ώρα, ανάλογα με τη θερμοκρασία. Αυτή η χημική επίθεση μαζί με τη θερμική καταπόνηση που προκαλείται από τις εναποθέσεις MnO2 μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία μέσω αποδυνάμωσης του τοιχώματος ή ρωγμών.

Επίδραση του πάχους τοιχώματος στη διάρκεια ζωής των θερμαντήρων υπερμαγγανικού

Οι κύριοι μηχανισμοί αποδόμησης είναι η θερμική καταπόνηση λόγω εναποθέσεων και η αλκαλική διάβρωση λόγω των υποπροϊόντων διάσπασης. Η αύξηση του πάχους του τοιχώματος έχει επομένως ένα πολύπλοκο αποτέλεσμα. Μόνο για την αλκαλική διάβρωση, η διάρκεια ζωής είναι ανάλογη με το πάχος του τοιχώματος. Για παράδειγμα σε 85 μοίρες και τοπικό pH 11 (ταχύτητα διάβρωσης ~0,001 mm/ώρα) το τοίχωμα 2,0 mm δίνει 2.000 ώρες, το τοίχωμα 3,0 mm δίνει 3.000 ώρες. Ωστόσο, η αστοχία λόγω ρωγμών λόγω της παραγόμενης απόθεσης θερμικής καταπόνησης συμβαίνει μερικές φορές πολύ πριν από τη διάτρηση του τοίχου από ομοιόμορφη διάβρωση. Οι παχύτεροι τοίχοι είναι πιο ανθεκτικοί στη ρωγμή λόγω της υψηλότερης μηχανικής τους αντοχής και της ικανότητάς τους να διατηρούν υψηλότερες κλίσεις θερμοκρασίας χωρίς ρωγμές. Ένας τοίχος 3,0 mm μπορεί να αντέξει μια διαφορά θερμοκρασίας περίπου 60–70 μοιρών σε όλο το πάχος του, ενώ ένας τοίχος 1,5 mm μπορεί να αντέξει μόνο 40–50 μοίρες. Ως εκ τούτου, τα παχύτερα τοιχώματα δίνουν μεγαλύτερο περιθώριο ασφαλείας στο θερμικό σοκ λόγω της άνισης εναπόθεσης MnO2. Η προτεινόμενη προσέγγιση για τη συντήρηση του υπερμαγγανικού περιλαμβάνει ένα λογικά παχύ τοίχωμα (2,5–3,0 mm) για να παρέχει τόσο επιτρεπόμενη διάβρωση όσο και αντοχή στη θερμική καταπόνηση και περιοδικό καθαρισμό για την απομάκρυνση των εναποθέσεων MnO2.

Για τις περισσότερες εφαρμογές επεξεργασίας νερού, όπου το υπερμαγγανικό τροφοδοτείται συνεχώς σε χαμηλές συγκεντρώσεις (1-3%) και οι θερμαντήρες λειτουργούν στους 70-80 βαθμούς, ένα πάχος τοιχώματος 2,0-2,5 mm με εβδομαδιαίο καθαρισμό είναι πρακτικό. Σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ή σε υψηλές θερμοκρασίες απαιτείται συχνότερος καθαρισμός ή εναλλακτικές μέθοδοι θέρμανσης (π.χ. έγχυση ατμού).

Θερμική ποινή παχύτερων τοιχωμάτων σε διαλύματα υπερμαγγανικού

Η θερμική αγωγιμότητα των διαλυμάτων υπερμαγγανικού καλίου 5% στους 80 βαθμούς είναι περίπου 0,55–0,60 W/(m·K), παρόμοια με αυτή του νερού. Πυκνότητα: 1,03-1,05 g/cm3, ιξώδες: 0,8-1,0 cP. Αναδευόμενες δεξαμενές Συντελεστές μεταφοράς θερμότητας 600-1.200 W/(m2-K) Για τοίχο 2,0 mm R_cond=0.00145 m²·K/W Για τοίχο 3,0 mm R_cond=0.00217 h=800 W/m 2 K, R όριο {2} mm {2} συνολική αντίσταση {{2} W/(m2K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2K) μείωση 21% Αυτή η ποινή είναι μέτρια αλλά αποδεκτή λόγω της ανάγκης αντοχής στις θερμικές καταπονήσεις.

Μήτρα επιλογής πάχους τοιχώματος περιβλήματος χαλαζία για υπηρεσία ζεστού KMnO4 (Βάσει σεναρίου)

Χρήση θήκης και συνθηκών λειτουργίας Συνιστώμενη αιτιολογία πυρήνα πάχους τοίχου με ποσοτική συναλλαγή-Απενεργοποίηση
Επεξεργασία νερού (3% KMnO4, 75 μοίρες, συνεχής, εβδομαδιαίος καθαρισμός, συντήρηση 6 μηνών) 2,0 – 2,5 mm, τυπικής ποιότητας, γυαλισμένο με φλόγα Μέτρια συσσώρευση ιζήματος. Το περιθώριο θερμικής καταπόνησης δίνεται κατά 2,5 mm. Το γυάλισμα με φλόγα μειώνει την πρόσφυση των εναποθέσεων. U ≈ 380 W/m2 · Κ.
Αντιδραστήρας οργανικής οξείδωσης (5% KMnO4, 85 μοίρες, παρτίδα, κύκλοι 8 ωρών, καθαρισμός μετά από κάθε παρτίδα) 2,5 – 3,0 mm, ως-ταχεία διάσπαση. 3.0 mm Ανθεκτικό σε θερμικό σοκ σε θερμές περιοχές. Πρέπει να καθαρίζεται μετά από κάθε παρτίδα. U ≈ 320 W/m 2 K).
Υψηλή θερμοκρασία (90 βαθμοί , 6%, οποιοσδήποτε κύκλος λειτουργίας) υπερμαγγάνιο Όχι χαλαζία – προτιμήστε τιτάνιο ή χάλυβα με γυάλινη επένδυση Διάρκεια ζωής-αποσύνθεσης<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 >5.000 ώρες με μηνιαίο καθαρισμό. U ~ 450 W/(m2.K).
Συμπληρωματικές αλλαγές σχεδιασμού: Ο τακτικός καθαρισμός γίνεται με ασθενές οξαλικό οξύ ή όξινο θειώδες νάτριο για τη διάλυση της συσσώρευσης MnO2. Η αποσύνθεση ελαχιστοποιείται με ροή θερμότητας < 5 W/cm2. Τα σωματίδια MnO2 φιλτράρονται για να αποφευχθεί ο σχηματισμός εναποθέσεων.