Hvernig breytir heit óblandaðri kalíumpermanganatlausn (3–6%) við 70–90 gráður nauðsynlega veggþykkt kvarsslíðurs fyrir vatnsmeðferð og hitara með lífrænum oxun?

Oxunar- og útfellingarárás á sameinað kísil með heitu kalíumpermanganati

Kalíumpermanganat (KMnO 4 ) er öflugt oxandi efni sem notað er við vatnsmeðferð (fjarlægja járn, mangan og brennisteinsvetni), lífræna myndun (oxun alkóhóla og aldehýða) og lofthreinsun. Dæmigerður iðnaðarstyrkur er 3-6% miðað við þyngd í vatnslausn, vinnsluhitastig 70-90 gráður til að flýta fyrir oxunarhvörfum eða varðveita leysni (leysni kalíumpermanganats hækkar með hitastigi). Stundum eru kvarsdýfingarhitarar tilgreindir fyrir permanganatþjónustu vegna þess að smelt kísil er mjög ónæmt fyrir oxun og er ekki hvati í niðurbroti permanganats. Hins vegar gefur heitt óblandat kalíumpermanganat nýjan niðurbrotsmáta kvarss sem er ekki efnatæring í klassískum skilningi heldur sambland af útfellingu mangandíoxíðs (MnO₂) og hitauppstreymi. Við háan hita er permanganat óstöðugt og brotnar niður og gefur 4MnO₂ + 4KOH + 3O₂ frá 4KMnO₄ + 2H₂O. Til að flýta fyrir viðbrögðum eru hiti, ljós og sérstakir hvatar. Niðurbrotsefnið, mangandíoxíð, fellur út sem dökkbrúnt til svart útfelling á yfirborði kvarssins. Þessi útfelling er hitaeinangrandi og klístur og myndar heita bletti, sem geta leitt til staðbundinnar ofhitnunar og hitauppstreymis. Kalíumhýdroxíð, sem myndast við niðurbrot, getur einnig skemmt kvars með basískri tæringu. Rannsóknin metur áhrif KMnO₄ styrks (3–6%), hitastigs (70–90 gráður) og pH lausnar á hraða MnO₂ útfellingar og þar með á afköst kvarshitara. Nauðsynleg kvarshúðarveggþykkt fyrir hagnýt þjónustutímabil (1.000--5.000 klukkustundir) í vatnsmeðferðar- og oxunarhitara er reiknuð út, ásamt hitauppstreymi þykkari veggja í þessari þéttu, hásérhæfðu hitalausn.

Hreyfifræði permanganat niðurbrots og MnO2 útfellingar

Varma niðurbrot kalíumpermanganats í vatnslausn fylgir fyrstu gráðu hreyfihvörfum í styrk permanganats. Með hitastigi eykst niðurbrotshraði veldisvísis með virkjunarorku sem er um 75–85 kJ/mól. Helmingunartími 5% KMnO4 er um 200–300 klukkustundir við 70 gráður, 80–120 klukkustundir við 80 gráður og 30–50 klukkustundir við 90 gráður. Niðurbrot permanganats fellur út fína ögn af MnO₂. Þessar agnir festast auðveldlega við heitt yfirborð, þar á meðal kvarsslíður. Útfellingarhlutfallið fylgir ekki bara niðurbrotshlutfallinu. Við meiri hitastreymi upplifa MnO 2 agnirnar hitafælnikrafta sem ýta þær í átt að upphitaða kvarsyfirborðinu. Þannig eykst útfellingarlagið á hitaranum með meiri hraða en í magnlausninni.

Útfellda MnO₂ lagið hefur mjög lága hitaleiðni (um 0,5–1,0 W/(m·K) fyrir gljúpa formið, verulega lægra en kvars við 1,38 W/(m·K)). 0,1 mm þykka MnO2 útfellingin býður upp á hitauppstreymi svipað og um 0,1–0,2 mm af viðbótar kvarsveggþykkt, en mikilvægi munurinn er sá að útfellingin er ó-jöfn og getur losnað af. Meira um vert, útfellingin myndar heita bletti, staði þar sem útfellingin er þykkari, sem einangra kvarsið og hækka hitastig undirliggjandi kvars. 0,2 mm MnO₂ útfelling með hitaflæði upp á 8 W/cm² getur hækkað kvars yfirborðshitastig um 15 til 25 gráður. Hærra hitastig eykur niðurbrot permanganats á staðnum, sem leiðir til jákvæðrar endurgjafar. Innan nokkurra klukkustunda til daga getur myndast þykk skorpulaga útfelling. Þetta dregur mjög úr hitaflutningi og getur valdið því að kvarsið ofhitni og brotnar frá hitauppstreymi.

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). Í reynd er lausnin jafnuð af MnO 2 og öðrum mangantegundum. Hins vegar gæti sýrustigið hækkað í 10–12 nálægt kvarsyfirborðinu þar sem niðurbrot er virkast. Við basískar aðstæður (pH 10 til 12) er kvars tært á hraðanum 0,0005 til 0,005 mm/klst., allt eftir hitastigi. Þessi efnaárás ásamt hitaálagi af völdum MnO2 útfellinga getur leitt til bilunar vegna veikingar á veggjum eða sprungna.

Áhrif veggþykktar á endingartíma permanganathitara

Helstu niðurbrotsaðferðir eru hitaálag vegna útfellinga og basísk tæringu vegna niðurbrots aukaafurða. Aukning á veggþykkt hefur því flókin áhrif. Fyrir basíska tæringu eingöngu er líftími í réttu hlutfalli við veggþykkt. Til dæmis við 85 gráður og staðbundið pH 11 (tæringarhraði ~0,001 mm/klst.) 2,0 mm veggur gefur 2.000 klukkustundir, 3.0 mm veggur gefur 3.000 klukkustundir. Hins vegar, bilun með sprungum vegna útfellingar framleitt hitauppstreymi á sér stundum stað langt fyrir götun á vegg vegna samræmdra tæringar. Þykkri veggir eru ónæmari fyrir sprungum vegna meiri vélrænni styrkleika þeirra og getu til að viðhalda hærri hitastigum án þess að brotna. 3,0 mm veggur þolir hitamun sem er um 60–70 gráður yfir þykkt hans á meðan 1,5 mm veggur þolir aðeins 40–50 gráður. Þykkri veggir gefa því víðtækari öryggismörk fyrir hitalost vegna ójafnrar MnO2 útfellingar. Leiðbeinandi nálgun við permanganatþjónustu felur í sér hæfilega þykkan vegg (2,5–3,0 mm) til að veita bæði tæringarþol og hitaálagsþol og reglubundna hreinsun til að fjarlægja MnO2 útfellingar.

Fyrir flestar vatnsmeðferðir, þar sem permanganat er stöðugt gefið í lágum styrk (1-3%) og ofnar eru notaðir við 70-80 gráður, er veggþykkt 2,0-2,5 mm með vikulegri hreinsun hagkvæm. Við meiri styrk eða við hátt hitastig er þörf á tíðari þrifum eða öðrum upphitunaraðferðum (t.d. gufuinnspýtingu).

Hitaviðurlög þykkari veggja í lausnum af permanganati

Varmaleiðni 5% kalíumpermanganatlausna við 80 gráður er um 0,55–0,60 W/(m·K), svipað og vatns. Þéttleiki: 1,03-1,05 g/cm3, seigja: 0,8-1,0 cP. Hrærðir geymar Varmaflutningsstuðlar 600-1.200 W/(m2-K) Fyrir 2,0 mm vegg R_cond=0.00145 m²·K/W Fyrir 3,0 mm vegg R_cond=0.00217 klst=800 W/m 2 K, R takmörk heildarviðnám {}}→ {20} {{20} W/(m2K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2K) 21% lækkun.

Kvars slíður veggþykktarvalsfylki fyrir heita KMnO4 þjónustu (byggt á atburðarás)

Notkunarmál og rekstrarskilyrði Ráðlagður veggþykkt kjarnarök með magnbundinni verslun-slökkt
Vatnsmeðferð (3% KMnO4, 75 gráður, samfelld, vikuleg þrif, 6 mánaða viðhald) 2,0 – 2,5 mm, staðalgráða, logslípað Miðlungs uppsöfnun útfellingar. Hitaspennumörk eru gefin upp með 2,5 mm. Loga fægja dregur úr viðloðun útfellinga. U ≈ 380 W/m2 · K.
Lífræn oxunarhvarf (5% KMnO4, 85 gráður, lotur, 8 klst. lotur, hreinsaður eftir hverja lotu) 2,5 – 3,0 mm, eins og-teiknað. Verður að þrífa eftir hverja lotu. U ≈ 320 W/m 2 K ).
Hátt hitastig (90 gráður, 6%, hvaða vinnulota sem er) permanganatEkki kvars – farðu í títan eða stál með glerfóðri Helmingunartími niðurbrots-<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 tímar með mánaðarlegum þrifum. U ~ 450 W/(m2.K).
Viðbótarhönnunarbreytingar: Regluleg hreinsun er gerð með veikri oxalsýru eða natríumbisúlfíti til að leysa upp MnO2 uppsöfnun. Niðurbrot er lágmarkað með hitaflæði < 5 W/cm2. MnO2 agnirnar eru síaðar til að forðast útfellingar.