Ako horúci koncentrovaný disiričitan sodný (5–15 %) pri 60–80 stupňoch upraví požadovanú hrúbku steny kremenného plášťa pre ohrievače konzervačných látok a redukčných činidiel?

Útok horúcich roztokov metabisulfitu na tavený oxid kremičitý-poháňaný oxidom siričitým

Metabisulfit sodný (Na2S2O₅) je široko používaný konzervačný prostriedok v potravinách (E223), redukčné činidlo pri fotografickom spracovaní, antichlór pri bielení textílií a zachytávač kyslíka pri úprave vody. Typické koncentrácie sa pohybujú od 5 do 15 % hmotnosti vo vodnom roztoku, s prevádzkovými teplotami 60 – 80 stupňov v rozpúšťacích nádržiach, zariadeniach na spracovanie potravín a chemických reaktoroch. Kremenné ponorné ohrievače sú niekedy špecifikované pre metabisulfitovú prevádzku, pretože tavený oxid kremičitý ponúka dobrú odolnosť voči väčšine sulfitových roztokov. Horúci koncentrovaný disiričitan sodný však predstavuje dvojitý mechanizmus degradácie. Najprv sa metabisulfit hydrolyzuje vo vode za vzniku hydrogénsiričitanu (HSO3⁻) a siričitanu (SO₃²⁻), pričom sa v rovnováhe uvoľňuje plynný oxid siričitý (SO₂): Na₂S₂O₅ + H22O ⇌ 2 NaHSO₃ ⇂SO₃ +⇂SO₆₆⇂₆₆₆₆ Uvoľňovaný SO₂ je kyslý a korozívny, najmä keď kondenzuje na chladnejších povrchoch. Po druhé, pri zvýšených teplotách sa metabisulfit rozkladá na síran a tiosíran s ďalším uvoľňovaním S02. Plyn SO₂ môže pri vysokých teplotách atakovať kremeň a vytvárať komplexy siričitanu kremičitého. Okrem toho sa roztok stáva kyslým (pH 3,5–5,0) v dôsledku tvorby bisulfitu, čo spôsobuje pomalú kyslú koróziu kremeňa. Táto analýza kvantifikuje, ako koncentrácia disiričitanu sodného (5 – 15 %), teplota (60 – 80 stupňov) a pH roztoku ovplyvňujú rovnomernú rýchlosť korózie a jamkovitosť taveného oxidu kremičitého vyvolanú SO₂-. Odvodzuje sa požadovaná hrúbka steny kremenného plášťa na dosiahnutie praktických servisných intervalov (2 000 – 8 000 hodín) v ohrievačoch na spracovanie potravín a redukčných činidiel.

Kinetika korózie taveného oxidu kremičitého v horúcom metabisulfite sodnom

Koróziu kremeňa v roztokoch metabisulfitu sodného poháňajú dva mechanizmy. Po prvé, kyslé pH (3,5–5,0) z tvorby bisulfitu spôsobuje pomalú kyslú hydrolýzu siloxánových väzieb. Pri 70 stupňoch v 10 % metabisulfite sodnom (pH 4,0) je rovnomerná rýchlosť korózie 0,0001 – 0,0003 mm/hod-veľmi nízka. Po druhé, plynný oxid siričitý (SO₂) uvoľnený z roztoku môže kondenzovať na chladnejších kremenných povrchoch (napr. nad potrubím kvapaliny) a reagovať s vlhkosťou za vzniku kyseliny sírovej (H2SO3), ktorá napáda kremeň agresívnejšie. Útok vyvolaný SO₂-je lokalizovaný a môže spôsobiť pitting.

Ponorné testovanie taveného kremeňa vysokej{0}}čistoty v 10 % metabisulfite sodnom pri 70 stupňoch ukazuje rovnomernú rýchlosť korózie 0,00015 – 0,0003 mm/h. Pri 80 stupňoch sa rýchlosť zvyšuje na 0,0003 – 0,0006 mm/hod. Pri 60 stupňoch je rýchlosť nižšia ako 0,0001 mm/hod. Pri 70 stupňoch stratí 2,0 mm kremenný plášť 0,0002 mm/h × 10 000 hodín=2.0 mm, čo dáva životnosť približne 10 000 hodín (1,1 roka). 1,5 mm stena poskytuje 7 500 hodín; 2,5 mm stena poskytuje 12 500 hodín. Tieto životnosti sú vynikajúce pre väčšinu aplikácií na spracovanie potravín. Primárnym problémom nie je rovnomerná korózia, ale kondenzácia SO₂ v parnej zóne.

Lokalizovaná jamka spôsobená kondenzáciou SO₂

Najvýznamnejším degradačným mechanizmom v metabisulfitovej službe je tvorba jamiek z plynného oxidu siričitého. SO₂ sa uvoľňuje z horúceho roztoku, najmä v blízkosti povrchu ohrievača, kde sú teploty najvyššie. Plyn stúpa a kondenzuje na chladnejších kremenných povrchoch nad vedením kvapaliny (napr. horný plášť alebo montážna príruba). Kondenzátom je kyselina sírová (H2SO3), ktorá má pH 1–2 a napáda kremeň rýchlosťou 0,002–0,005 mm/h-10–20-krát rýchlejšie ako rovnomerná korózia v kvapaline. Rýchlosti rastu jamiek sa riadia lineárnym zákonom (konštantná rýchlosť) s k_pit ≈ 0,003–0,008 mm/hod pri teplote kúpeľa 70 stupňov. V prípade steny s hrúbkou 2,0 mm by jamky mohli perforovať za 250 – 650 hodín. Preto je riadenie parných zón kritické. Zahrievanie horného plášťa na udržanie jeho teploty nad rosným bodom SO₂ (približne 60–70 stupňov pre typické koncentrácie) zabraňuje kondenzácii. Alternatívne môže parný štít alebo preplachovanie inertným plynom (dusík) odstrániť plyn SO₂.

Zraniteľná je aj zóna menisku. Odparovaním sa koncentruje metabisulfit, čo vedie k rozkladu a uvoľneniu SO₂. Na potrubí kvapaliny sa často tvorí kôra siričitanu sodného/síranu sodného.

Ako hrúbka steny mení životnosť metabisulfitových ohrievačov

For uniform corrosion in the liquid, life scales linearly with wall thickness, but rates are so low that standard 1.5–2.0 mm walls provide >5 000 hodín. Pri tvorbe jamiek SO₂ v parnej zóne poskytujú hrubšie steny lineárnu ochranu (miera jamiek je konštantná). 2,0 mm stena s rýchlosťou jamkovania 0,005 mm/h poskytuje 400 hodín do perforácie; 3,0 mm stena poskytuje 600 hodín; 4,0 mm stena poskytuje 800 hodín. Keďže miera jamkovej korózie je vysoká, hrubšie steny ponúkajú obmedzené výhody. Optimálnym riešením je zabrániť kondenzácii-zónovým vykurovaním parou alebo preplachovaním plynom, čo umožňuje štandardnú hrúbku stien.

Tepelná penalizácia hrubších stien

Roztoky disiričitanu sodného pri 10 % a 70 stupňoch majú tepelnú vodivosť približne 0,55 – 0,60 W/(m·K)- podobne ako voda. Pre 1,5 mm stenu R_cond=0.00109; pre 3,0 mm stenu, R_cond=0.00217. S h=800 W/(m²·K), U klesá zo 427 na 292 W/(m²·K), čo predstavuje zníženie o 32 %. Pre energetickú účinnosť sú preferované tenké steny.

Matica výberu{0}}založená na scenári

Doplnkové úpravy dizajnu: Vapor-zone heating (keeping upper sheath >70 stupňov) zabraňuje kondenzácii SO₂. Preplachovanie dusíkom odstraňuje plyn SO₂. Dobrá ventilácia odstraňuje SO₂ z priestoru nad nádržou. Udržiavanie neutrálneho pH (pridávanie pufra) znižuje uvoľňovanie SO₂. Leštený povrch znižuje priľnavosť usadenín. Pravidelné čistenie zriedeným NaOH odstraňuje sulfitové kôry.