設計穩定化學反應槽系統的研究

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設計穩定化學反應槽系統的研究

*陳建仲陳士新國立聯合大學能源工程學系

摘要

本研究設計提供一種化學反應槽系統，包含：反應槽、氣體產生機、幫浦、液溫控制機、組

合式熱交換管、熱交換槽之組合，此反應槽具有使工件在進行化學反應過程中能維持恆溫的特性。

將欲做陽極氧化處理的鈦板浸泡在 0.4Wt%氟化銨 15.3ml、2Vol%水 76ml、乙二醇約為 3710ml

混合在一起的電解液當中，並且外加電源 60V 時間約為 40 到 80 分鐘。此實驗電解液的化學反應

所產生的放熱反應會使系統的溫度增加，造成系統電流密度增加，因而讓此系統的化學反應過程

趨於不穩定的狀態。故需要利用本研究設計的化學反應槽系統將上述實驗的化學反應過程維持在

室溫 25 度，避免系統的溫度上升所造成的電流密度偏高，因而造成系統實驗反應的不穩定性。

關鍵字:陽極氧化處理、氧化鈦、化學反應槽、電解液的放熱反應、熱交換槽

一、前言

當一般化學反應伴隨著放熱反應發生時，由其是當大型工件進行化學反應時，此放熱現象更是明顯，放熱反應將影響到反應液的恆溫並使化學反應變得更不穩定，放熱的化學反應中又以通電輔助的電化學反應更是加速了反應熱量的產生，一般工業上常用的電化學應用包括，電鍍、電解、陽極處理、電池、與雙層電容器等應用。化學反應中電解液的濃度、溫度、與外加電壓值則掌控工件反應速率的快慢與穩定性，一般最簡單的做法是將反應槽直接置入溫控槽中，用以移除反應槽所產生化學反應所放出的熱量，然而其限制是溫控槽的容量需大於反應槽的容量，更進一步的做法是將溫控槽內的液體抽出並循環於較大型的容器中，再將反應槽置入該大型的容器中，其可解決溫控槽容器的問題，以上反應槽所產生的熱量乃是利用反應槽壁將熱量傳給溫控槽，然而當工件體積較大時所需的反應槽勢必將增大，則反應槽中遠離槽壁的熱量將無法及時透過反應槽壁將熱量傳給溫控槽，而造成反應槽中的液溫持續的增加，使得化學反應變得不穩定。針對以上工件在反應過程中的放熱反應而影響到電解槽中溶液的恆溫問題，故本研究設計一種化學反應槽系統，包含：反應槽、氣體產生機、幫浦、液溫控制機、組合式熱交換管、熱交換槽之組合，此反應槽具有使工件在進行化學放熱反應的過程中能維持恆溫的特性。

二、實驗方法

2.1 化學反應槽的結構說明

本研究之目的在於提供一種化學反應槽系統100，如圖 1所示，藉以提升工件在反應槽101中進行反應時的熱穩定性。本發明利用工件反應槽101、氣體產生機102、幫浦103、液溫控制機104、組合式熱交換管105、熱交換槽106之組合完成一種化學反應槽系統100，此化學反應槽系統具有使工件在進行化學反應過程中能維持恆溫的特性，其中，工件反應槽 101 用於裝置反應液與反應工件；氣體產生機 102 所產生的氣體經由氣體管路107傳輸，且其氣體的輸出端口 108 浸沒於反應液中用以提供化學反應槽所需的氣體與反應液之攪拌用；幫浦103的輸入端109經由管路110連接於工件反應槽101的輸出端111，幫浦103的輸出端112經由管路110連接熱交換管的輸入端113，而熱交換管的輸出端 114經由管路110連接於工件反應槽101的輸入端115用於使反應液循環於工件反應槽101與熱交換槽106之間；液溫控機104 的輸入端116經由管路110連接於熱交換槽106

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的輸出端117，而液溫控機104的輸出端118則經由管路110 連接於熱交換槽106的輸入端119，用以使冷卻液循環於液溫控機104 與熱交換槽 100 之間進而穩定工件反應槽101 內之液體溫度。本研究中之工件反應槽101與熱交換槽106之結構為雙層壁結構，雙層壁中利用不流通的空氣達到減少溫度在熱對流中的損失，因此，雙層壁結構具有保持工件反應槽與熱交換槽內液體溫度之特性，更進一步地,可於雙層壁結構中施以正壓處理，如填充導熱性較差的氣體於雙層壁結構中，或是施以負壓處理，如抽真空處理，此真對雙層壁結構施以正壓或負壓處理均可使雙層壁達到保溫的效果。圖 3:工件反應槽結構示意圖

2.2 實驗步驟

將含有 0.4Wt% 氟化銨 (NH4F) 15.3ml+2Vol% 水 (H2O)76ml + 乙二醇(Eg)3710ml的電解液、鈦片置入工件反應槽中，其中內層較軟的鈦片連接至電源供應器的陽極，較外層兩片鈦片連接至電源供應器的陰極，並施加 40 伏特(V) 電壓於陽極與陰極之間，時間約為 40 到 80 分鐘，對鈦片進行陽極氧化處理；氣體產生機所產生的氣體經由氣體管路傳輸，且其氣體的輸出端口浸沒於工件反應槽中的電解液中用以提供化學反應槽所需的氣體與反應液之攪拌用；幫浦的輸入端經由管路連接於工件反應槽的輸出端，幫浦的輸出端經由管路連接熱交換管的輸入端，而熱交換管的輸出端經由管路連接於工件反應槽的輸入端用於使電解液循環於工件反應槽與熱交換槽之間；液溫控機的輸入端經由管路連接於熱交換槽的輸出端，而液溫控機的輸出端則經由管路連接於熱交換槽的輸入端，用以使乙二醇冷卻液循環於液溫溫控機與熱交換槽之間進而穩定工件反應槽內之液體溫度，將液溫控機的溫度設定於 25℃，持續量測熱交換槽內乙二醇冷卻液與工件反應槽內之液溫均可得到穩定的 25℃。圖 1:化學反應槽結系統構示意圖圖 2:熱交換管結構示意圖

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圖 3:三層鈦片結構示意圖

․三、結果與討論

由於此實驗的化學反應為放熱反應，因為放熱過多會使溫度上升，而造成電流密度增加，導至此實驗的化學穩定度降底低。我們所得到的實驗結果是若沒使用研發設計的化學反應槽系統而是ㄧ般的恆溫系統，其電流密度會是11 ｍＡ/ｃｍ２;如果有使用我們所研發的化學反應槽系統，其電流密度將會下降到５-６ｍＡ/ｃｍ２，其實驗的化學穩度度得到了很大的提升。本研究設計是關於一種化學反應槽系統，尤其是關於一種具有使工件在進行放熱的化學反應過程中能維持實驗恆溫特性之技術。

四、結論

此種化學反應槽系統，包含：反應槽用於裝置反應液與反應工件；氣體產生機用於提供化學反應槽所需的氣體與反應液之攪拌用；幫浦用於使反應液循環於反應槽與熱交換槽之間；液溫控機用於控制熱交換槽內的溫度；可組裝式熱交換管用於連接熱交換槽與反應槽內之液溫；熱交換槽用於穩定工件反應槽內之液體溫度，避免因電解液溫度升高而導致實驗的電流密度上升，因而降低實驗的化學穩定度。此外，當熱交換管置於反應槽中則熱交換管中所流通的液體為熱交換槽中的液體。當熱交換管置於熱交換槽中則熱交換管中所流通的液體為反應槽中的液體。化學反應槽系統可應用於電鍍、無電解電鍍、蝕刻、陽極處理、電解、或浸泡等化學反應。其適用的溫度範圍為-20℃至 110℃之間。

五、參考資料

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