Dung dịch kali permanganat đậm đặc nóng (3–6%) ở 70–90 độ thay đổi độ dày thành vỏ bọc thạch anh cần thiết như thế nào để xử lý nước và lò sưởi oxy hóa hữu cơ?

Sự tấn công oxy hóa và lắng đọng của silic nung chảy bằng thuốc tím nóng

Kali permanganat (KMnO 4) là một hóa chất oxy hóa mạnh được sử dụng trong xử lý nước (loại bỏ sắt, mangan và hydro sunfua), tổng hợp hữu cơ (oxy hóa rượu và aldehyd) và lọc không khí. Nồng độ công nghiệp điển hình là 3-6% trọng lượng trong dung dịch nước, nhiệt độ hoạt động là 70-90 độ để tăng tốc các phản ứng oxy hóa hoặc để duy trì độ hòa tan (độ hòa tan thuốc tím tăng theo nhiệt độ). Đôi khi lò sưởi ngâm thạch anh được chỉ định cho dịch vụ permanganat vì silica nung chảy có khả năng chống oxy hóa rất cao và không phải là chất xúc tác trong quá trình phân hủy permanganat. Tuy nhiên, thuốc tím đậm đặc nóng cung cấp một phương thức phân hủy thạch anh mới, không phải là ăn mòn hóa học theo nghĩa cổ điển mà là sự kết hợp của sự lắng đọng mangan dioxit (MnO₂) và ứng suất nhiệt. Ở nhiệt độ cao, thuốc tím không ổn định và bị phân hủy tạo thành 4MnO₂ + 4KOH + 3O₂ từ 4KMnO₄ + 2H₂O. Đẩy nhanh tốc độ phản ứng là nhiệt, ánh sáng và chất xúc tác cụ thể. Sản phẩm phân hủy, mangan dioxide, kết tủa dưới dạng cặn màu nâu sẫm đến đen trên bề mặt thạch anh. Lớp cặn này có khả năng cách nhiệt, dính và tạo ra các điểm nóng, có thể dẫn đến quá nhiệt cục bộ và ứng suất nhiệt. Kali hydroxit, được hình thành do phân hủy, cũng có thể làm hỏng thạch anh do ăn mòn kiềm. Cuộc điều tra đánh giá ảnh hưởng của nồng độ KMnO₄ (3–6%), nhiệt độ (70–90 độ) và pH dung dịch đến tốc độ lắng đọng MnO₂ và do đó đến hiệu suất của lò sưởi thạch anh. Độ dày thành vỏ thạch anh cần thiết cho khoảng thời gian sử dụng thực tế (1.000--5.000 giờ) trong các bộ gia nhiệt oxy hóa và xử lý nước được tính toán, cùng với mức phạt nhiệt của các thành dày hơn trong giải pháp nhiệt đặc, nhiệt dung riêng cao này.

Động học của quá trình phân hủy Permanganat và lắng đọng MnO2

Sự phân hủy nhiệt của thuốc tím trong dung dịch nước tuân theo động học bậc nhất của nồng độ thuốc tím. Với nhiệt độ, tốc độ phân hủy tăng theo cấp số nhân với năng lượng kích hoạt khoảng 75–85 kJ/mol. Thời gian bán hủy-của 5% KMnO4 là khoảng 200–300 giờ ở 70 độ , 80–120 giờ ở 80 độ và 30–50 giờ ở 90 độ . Sự phân hủy thuốc tím tạo ra kết tủa hạt MnO₂ mịn. Những hạt này sẽ dễ dàng bám vào các bề mặt nóng, bao gồm cả vỏ thạch anh. Tỷ lệ lắng đọng không chỉ đơn giản tuân theo tỷ lệ phân hủy. Ở dòng nhiệt lớn hơn, các hạt MnO 2 chịu lực dẫn nhiệt thúc đẩy chúng tiến về phía bề mặt thạch anh được nung nóng. Do đó, lớp cặn tăng lên trên bộ gia nhiệt với tốc độ lớn hơn so với dung dịch khối.

Lớp MnO₂ lắng đọng có độ dẫn nhiệt rất thấp (khoảng 0,5–1,0 W/(m·K) đối với dạng xốp, thấp hơn đáng kể so với thạch anh ở mức 1,38 W/(m·K)). Lớp lắng đọng MnO2 dày 0,1 mm mang lại khả năng chịu nhiệt tương tự như độ dày thành thạch anh bổ sung khoảng 0,1–0,2 mm, nhưng điểm khác biệt quan trọng là lớp lắng đọng không-đồng nhất và có thể bong ra. Quan trọng hơn, cặn tạo thành các điểm nóng, những vị trí mà cặn dày hơn, có tác dụng cách nhiệt thạch anh và làm tăng nhiệt độ của thạch anh bên dưới. Lớp lắng đọng MnO₂ 0,2 mm với dòng nhiệt 8 W/cm2 có thể nâng nhiệt độ bề mặt thạch anh lên 15 đến 25 độ. Nhiệt độ cao hơn làm tăng cường sự phân hủy permanganat cục bộ, dẫn đến vòng phản hồi tích cực. Trong vòng vài giờ đến vài ngày, lớp cặn dày có thể hình thành. Điều này làm giảm đáng kể sự truyền nhiệt và có thể khiến thạch anh quá nóng và bị vỡ do ứng suất nhiệt.

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). Trong thực tế, dung dịch được đệm bởi MnO 2 và các loại mangan khác. Tuy nhiên, độ pH có thể tăng lên 10–12 gần bề mặt thạch anh nơi sự phân hủy hoạt động mạnh nhất. Ở điều kiện kiềm (pH 10 đến 12), thạch anh bị ăn mòn với tốc độ 0,0005 đến 0,005 mm/giờ, tùy thuộc vào nhiệt độ. Sự tấn công hóa học này cùng với ứng suất nhiệt do cặn MnO2 gây ra có thể dẫn đến hư hỏng do thành bị yếu đi hoặc bị nứt.

Ảnh hưởng của độ dày thành đến tuổi thọ của máy sưởi Permanganat

Cơ chế phân hủy chính là ứng suất nhiệt do cặn lắng và ăn mòn kiềm do các sản phẩm phụ bị phân hủy. Do đó, việc tăng độ dày của tường có tác dụng phức tạp. Riêng đối với ăn mòn kiềm, tuổi thọ tỷ lệ thuận với độ dày của tường. Ví dụ ở nhiệt độ 85 độ và độ pH cục bộ là 11 (tốc độ ăn mòn ~0,001 mm/giờ) tường 2,0 mm cho 2.000 giờ, tường 3,0 mm cho 3.000 giờ. Tuy nhiên, hư hỏng do nứt do ứng suất nhiệt tạo ra lắng đọng đôi khi xảy ra trước khi thủng tường do ăn mòn đồng đều. Tường dày hơn có khả năng chống nứt cao hơn do độ bền cơ học cao hơn và khả năng duy trì độ dốc nhiệt độ cao hơn mà không bị gãy. Bức tường 3,0 mm có thể chịu được chênh lệch nhiệt độ khoảng 60–70 độ trên độ dày của nó trong khi bức tường 1,5 mm chỉ có thể chịu được 40–50 độ. Do đó, các bức tường dày hơn mang lại giới hạn an toàn rộng hơn đối với sốc nhiệt do sự lắng đọng MnO2 không đồng đều. Phương pháp được đề xuất đối với dịch vụ permanganat bao gồm một bức tường có độ dày hợp lý (2,5–3,0 mm) để cung cấp cả khả năng chống ăn mòn và khả năng chống ứng suất nhiệt và làm sạch định kỳ để loại bỏ cặn MnO2.

Đối với hầu hết các ứng dụng xử lý nước, trong đó thuốc tím được cấp liên tục ở nồng độ thấp (1-3%) và máy sưởi hoạt động ở nhiệt độ 70-80 độ, độ dày thành 2,0-2,5 mm với việc vệ sinh hàng tuần là thực tế. Ở nồng độ cao hơn, hoặc ở nhiệt độ cao, cần phải làm sạch thường xuyên hơn hoặc các phương pháp gia nhiệt thay thế (ví dụ: phun hơi nước).

Xử lý nhiệt của tường dày hơn trong dung dịch thuốc tím

Độ dẫn nhiệt của dung dịch thuốc tím 5% ở 80 độ là khoảng 0,55–0,60 W/(m·K), tương tự như độ dẫn nhiệt của nước. Mật độ: 1,03-1,05 g/cm3, độ nhớt: 0,8-1,0 cP. Bể khuấy trộn Hệ số truyền nhiệt đối lưu 600-1.200 W/(m2-K) Đối với tường 2,0 mm R_cond=0.00145 m2·K/W Đối với tường 3,0 mm R_cond=0.00217 h=800 W/m 2 K, R giới hạn=0.00125. 2.0 mm tổng điện trở=0.00270 → U=370 W/(m2K) 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m2K) giảm 21% Mức phạt này là vừa phải nhưng có thể chấp nhận được xét về nhu cầu chống lại ứng suất nhiệt.

Ma trận lựa chọn độ dày thành vỏ bọc thạch anh cho dịch vụ KMnO4 nóng (Dựa trên kịch bản)

Trường hợp sử dụng và điều kiện vận hành Cơ sở lý luận cốt lõi về độ dày của tường được đề xuất khi lượng hóa thương mại-Tắt
Xử lý nước (3% KMnO4, 75 độ, liên tục, vệ sinh hàng tuần, bảo trì 6 tháng) 2,0 – 2,5 mm, loại tiêu chuẩn, đánh bóng bằng ngọn lửa Tích tụ cặn vừa phải. Biên độ ứng suất nhiệt được tính bằng 2,5 mm. Đánh bóng bằng ngọn lửa làm giảm sự bám dính của cặn. U ≈ 380 W/m2 · K.
Lò phản ứng oxy hóa hữu cơ (5% KMnO4, 85 độ, mẻ, chu kỳ 8 giờ, được làm sạch sau mỗi mẻ) 2,5 – 3,0 mm, như-hình vẽ Phân hủy nhanh. 3.0 mm Chống sốc nhiệt đối với các khu vực nóng lắng đọng. Phải vệ sinh sau mỗi mẻ. U ≈ 320 W/m 2 K ).
Nhiệt độ cao (90 độ , 6%, bất kỳ chu kỳ hoạt động nào) thuốc tímKhông phải thạch anh – dùng titan hoặc thép có lớp lót thủy tinh Nửa chu kỳ phân hủy{2}}<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 giờ với việc vệ sinh hàng tháng. U ~ 450 W/(m2.K).
Thay đổi thiết kế bổ sung: Việc vệ sinh thường xuyên được thực hiện bằng axit oxalic yếu hoặc natri bisulfite để hòa tan sự tích tụ MnO2. Sự phân hủy được giảm thiểu với lưu lượng nhiệt < 5 W/cm2. Các hạt MnO2 được lọc để tránh hình thành cặn.