Ποια είναι η συμβατότητα των εναλλακτών θερμότητας γραφίτη με οξειδωτικά οξέα όπως το νιτρικό και το χρωμικό;

Η αχίλλειος πτέρνα του γραφίτη είναι η ευαισθησία του σε οξειδωτικούς παράγοντες. Το PTFE είναι αδρανές σχεδόν σε όλα. Ο γραφίτης, από την άλλη πλευρά, μπορεί να προσβληθεί γρήγορα από νιτρικό οξύ, χρωμικό οξύ, ακόμη και βράζοντας συμπυκνωμένο θειικό οξύ υπό ορισμένες συνθήκες. Οι αδιαπέρατοι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη έχουν εξαιρετική διάρκεια ζωής σε αναγωγικές συνθήκες (π.χ. υδροχλωρικό, αραιό θειικό, φωσφορικό οξέα) αλλά πολύ περιορισμένη συμβατότητα με οξειδωτικά οξέα. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη συμβατότητα του γραφίτη με τα οξειδωτικά οξέα για να αποτρέψουμε την καταστροφική βλάβη του εξοπλισμού και τον περιττό χρόνο διακοπής λειτουργίας.

Μηχανισμός Οξειδωτικής Προσβολής
Ο γραφίτης είναι ένας τύπος στοιχείου άνθρακα. Ισχυρά οξειδωτικά επιτίθενται χημικά στο πλέγμα άνθρακα, μετατρέποντάς το σε διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), μονοξείδιο του άνθρακα (CO) ή άλλα οξειδωμένα μόρια. Η όλη αντίδραση μπορεί να γενικευτεί ως εξής:

O2 + C(από οξειδωτικό)=CO2 + O(από οξειδωτικό)=COx

Αυτή η διαδικασία τρώει το υλικό γραφίτη και αργά μετατρέπει τον στερεό άνθρακα σε αέριο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια της δομικής ακεραιότητας, το άνοιγμα της επιφάνειας και τελικά τη διάτρηση των τοιχωμάτων του σωλήνα ή των καναλιών μπλοκ. Η αρχική προστασία παρέχεται από τη ρητίνη εμποτισμού (συνήθως φαινολική), η οποία δημιουργεί ένα φράγμα μεταξύ οξειδωτικού και υποστρώματος γραφίτη. Αλλά η ίδια η ρητίνη είναι επίσης επιρρεπής σε οξείδωση. Εάν η ρητίνη τρυπηθεί – από χημική επίθεση, μικρορωγμές, κυκλοποίηση θερμότητας κ.λπ. – ο υποκείμενος γραφίτης προσβάλλεται άμεσα και καταστρέφεται γρήγορα.

Σε πολλές οξειδωτικές υπηρεσίες, ο ρυθμός απώλειας άνθρακα είναι τόσο γρήγορος που ένας εναλλάκτης θερμότητας γραφίτη μπορεί να αποτύχει σε ημέρες ή εβδομάδες και όχι σε χρόνια.

Κοινά οξειδωτικά και ειδικές ασυμβατότητες
Συμβατότητα γραφίτη Οξειδωτικό οξύ PTFE Σχόλια συμβατότητας
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >Συγκέντρωση 5% σε υψηλές θερμοκρασίες Καλή έως 110 βαθμούς Αραιωμένο (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Χρωμικό οξύ (H2CrO4) Πολύ φτωχό. Όλες οι συγκεντρώσεις και οι θερμοκρασίες. Έως 110 βαθμούς Εξαιρετικό Το χρωμικό οξύ είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό. Ο γραφίτης δεν συνιστάται.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 CΚαλό έως 110 C (περιορισμένο από τη θερμοκρασία) Ανθεκτικό στον γραφίτη για αραίωση σε 96% H2SO4 έως ~150 C; σχεδόν το 98% σε υψηλή θερμοκρασία γίνεται οξειδωτικό
Υπερχλωρικό οξύ (HClO4) Επικίνδυνο; πιθανή ισχυρή αντίδρασηΕξαιρετικό (κρύο) Ο γραφίτης δεν πρέπει ποτέ να χρησιμοποιείται με υπερχλωρικό οξύ λόγω οξείδωσης και εκρηκτικού κινδύνου
Μικτά οξέα (aqua regia, νιτροθειικό οξύ) Κακή; γρήγορη επίθεση Οι άριστοι έως 110 μοίρες οξειδωτικοί συνδυασμοί είναι πιο δραστικοί από τα μεμονωμένα οξέα
Νιτρικό οξύ: Όρια συγκέντρωσης και θερμοκρασίας
Το όριο της συμβατότητας του γραφίτη με τα οξειδωτικά οξέα είναι μάλλον σοβαρό για το νιτρικό οξύ. Η βραχυπρόθεσμη έκθεση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (Μικρότερη ή ίση με 30 μοίρες) και κάτω από περίπου 5% συγκέντρωση μπορεί να προκαλέσει ελαφρά εμφανή προσβολή. Ωστόσο, μια αύξηση της συγκέντρωσης ή της θερμοκρασίας προάγει την οξείδωση ουσιαστικά. Οι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη υφίστανται αξιοσημείωτη υποβάθμιση της επιφάνειας σε ώρες σε νιτρικό οξύ 10–20% και 50 βαθμούς. Σε 50% νιτρικό οξύ και κοντά σε θερμοκρασίες βρασμού, ο γραφίτης καταναλώνεται γρήγορα.

Κατά συνέπεια, η βιομηχανική πρακτική εξαιρεί τον γραφίτη για χρήση με νιτρικό οξύ, εκτός εάν το οξύ είναι πολύ αραιό, κρύο και χρησιμοποιείται σε μη κρίσιμη εφαρμογή. Ωστόσο, συνιστάται ιδιαίτερα PTFE ή άλλα υλικά (κεραμικά, ταντάλιο, ζιρκόνιο).

Χρωμικό οξύ: Ταχεία ασυμβατότητα
Το χρωμικό οξύ (H2CrO4) είναι ένα από τα ισχυρότερα οξειδωτικά χημικά που βρίσκονται στις βιομηχανικές εργασίες. Χρησιμοποιείται σε λουτρά στίλβωσης και ανοδίωσης μετάλλων. Προσβάλλει τον γραφίτη σε όλες τις συγκεντρώσεις και όλες τις θερμοκρασίες, συμπεριλαμβανομένων των ψυχρών αραιωμένων διαλυμάτων. Κανένα προστατευτικό κάλυμμα ρητίνης δεν θα ανεχθεί το χρωμικό οξύ για μεγάλες χρονικές περιόδους. Οποιοδήποτε εξάρτημα γραφίτη, εναλλάκτης θερμότητας, βαλβίδα ή ψεκαστήρας, που εκτίθεται σε χρωμικό οξύ θα σπάσει γρήγορα, συνήθως εντός ημερών. Εάν η θερμοκρασία είναι κάτω από το όριο του PTFE (περίπου 110 C), τότε οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE είναι ο κανόνας για εργασίες θέρμανσης ή ψύξης με χρωμικό οξύ.

Θερμό συμπυκνωμένο θειικό οξύ: Μελέτη περίπτωσης μετάβασης
Graphite has found wide and successful usage in sulphuric acid service over much of the concentration range. Low (0-70%) and medium (70-93%) concentrations of sulphuric acid are well handled at temperatures up to 150-180°C. Concentrated sulphuric acid (>96%) είναι κατάλληλο σε μέτριες θερμοκρασίες (<=100°C). However, the oxidising power of sulphuric acid increases as the concentration near 98% and the temperature exceeds about 150°C. The acid then begins to function as an oxidiser and attacks the graphite lattice, not as a reducing acid. This is a well-known boundary: graphite oxidises and loses weight rapidly at 180°C and 98% H₂SO₄.

Για τέτοιες εργασίες (π.χ. συμπυκνωτές θειικού οξέος ή σέρβις ελαίου) το PTFE δεν είναι εφικτή επιλογή καθώς η θερμοκρασία είναι πάνω από το όριο λειτουργίας. Αντίθετα, χρησιμοποιούνται κεραμικοί (γυαλί, καρβίδιο του πυριτίου) ή εναλλάκτες θερμότητας τανταλίου.

Γιατί το PTFE είναι καλύτερο για τα οξειδωτικά οξέα
Το πολυ(τετραφθοροαιθυλένιο) (PTFE) έχει μια ραχοκοκαλιά από άνθρακα-φθόριο . Οι ισχυροί δεσμοί άνθρακα-φθορίου καθιστούν το PTFE αδρανές σε όλες σχεδόν τις ουσίες συμπεριλαμβανομένων των ισχυρών οξειδωτικών όπως το νιτρικό, το χρωμικό και το θερμό πυκνό θειικό οξύ (σε μέτριες θερμοκρασίες). Υπό αυτές τις συνθήκες, το PTFE δεν οξειδώνεται ούτε φθείρεται. Ο μόνος περιορισμός του PTFE είναι η μέγιστη θερμοκρασία συνεχούς λειτουργίας που είναι περίπου 110–120 μοίρες για στερεό PTFE σε εφαρμογές εναλλάκτη θερμότητας. Το PTFE είναι το υλικό επιλογής για την οξείδωση του οξέος σε αυτό το εύρος θερμοκρασίας.

Ένας πολύ καλός οδηγός είναι ότι ο γραφίτης δεν πρέπει να χρησιμοποιείται σε καμία υπηρεσία όπου υπάρχει ισχυρό οξειδωτικό σε σημαντική συγκέντρωση και υπερβολική θερμοκρασία. Αυτό είναι ένα σκληρό χημικό όριο: η δομή άνθρακα του γραφίτη δεν μπορεί να αντέξει την οξείδωση, ανεξάρτητα από τον εμποτισμό της ρητίνης.

Συνθήκες και εξαιρέσεις αραιωμένων οξειδωτικών
 

Αξιολόγηση Οξειδωτικής Ζημιάς