Hva er kompatibiliteten til grafittvarmevekslere med oksiderende syrer som salpetersyre og krom?

Grafitts akilleshæl er dens mottakelighet for oksidasjonsmidler. PTFE er inert mot omtrent alt. Grafitt, derimot, kan angripes raskt av salpetersyre, kromsyre og til og med kokende konsentrert svovelsyre under visse forhold. Ugjennomtrengelige grafittvarmevekslere har utmerket levetid under reduserende forhold (dvs. saltsyre, fortynnet svovelsyre, fosforsyre), men svært begrenset kompatibilitet med oksiderende syrer. Det er avgjørende å forstå grafittkompatibilitet med oksiderende syrer for å forhindre katastrofal utstyrssvikt og unødvendig nedetid.

Oksidativ angrepsmekanisme
Grafitt er en type grunnstoff karbon. Sterke oksidasjonsmidler angriper karbongitteret kjemisk og gjør det til karbondioksid (CO 2 ), karbonmonoksid (CO) eller andre oksiderte molekyler. Hele reaksjonen kan generaliseres som følger:

O2 + C(fra oksidasjonsmiddel)=CO2 + O(fra oksidasjonsmiddel)=COx

Denne prosessen spiser grafittmaterialet og konverterer sakte fast karbon til gass. Dette resulterer i tap av strukturell integritet, overflategroper og til slutt perforering av rørvegger eller blokkkanaler. Innledende beskyttelse gis av impregneringsharpiksen (vanligvis fenolisk), som etablerer en barriere mellom oksidasjonsmiddel og grafittsubstrat. Men selve harpiksen er også utsatt for oksidasjon. Hvis harpiksen punkteres – ved kjemisk angrep, mikrosprekker, varmesvingninger osv. – blir den underliggende grafitten direkte angrepet og raskt ødelagt.

I mange oksiderende tjenester er karbontapet så raskt at en grafittvarmeveksler kan svikte i løpet av dager eller uker, ikke år.

Vanlige oksidasjonsmidler og spesifikke uforlikeligheter
Grafittkompatibilitet Oksiderende syre PTFE-kompatibilitetskommentarer
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >5 % konsentrasjon ved varme temperaturer God opp til 110 grader Fortynn (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Kromsyre (H₂CrO₄) Svært dårlig. Alle konsentrasjoner og temperaturer.Opp til 110 grader UtmerketKromsyre er et kraftig oksidasjonsmiddel. Grafitt anbefales ikke.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 CGgod til 110 C (begrenset av temperatur) Grafitt motstandsdyktig mot fortynning til 96 % H2SO4 til ~150 C; nær 98 % ved høy temperatur blir oksiderende
Perklorsyre (HClO₄) Farlig; sterk reaksjon sannsynlig Utmerket (kald) Grafitt bør aldri brukes med perklorsyre på grunn av oksidasjon og eksplosjonsfare
Blandede syrer (aqua regia, nitrosulfuric acid) Dårlig; raskt angrep Utmerket opp til 110 grader Oksiderende kombinasjoner er mer aktive enn individuelle syrer
Salpetersyre: Konsentrasjons- og temperaturgrenser
Grensen for grafittkompatibilitet med oksiderende syrer er ganske streng for salpetersyre. Kortvarig eksponering for omgivelsestemperatur (mindre enn eller lik 30 grader) og under ca. 5 % konsentrasjon kan forårsake lett tilsynelatende angrep. Imidlertid fremmer en økning i konsentrasjon eller temperatur oksidasjon vesentlig. Grafittvarmevekslere lider av merkbar overflateforringelse i timer ved 10–20 % salpetersyre og 50 grader. Ved 50 % salpetersyre og nær koketemperaturer blir grafitten raskt konsumert.

Følgelig utelukker industriell praksis grafitt for bruk med salpetersyre med mindre syren er veldig fortynnet, kald og brukes i en ikke-kritisk applikasjon. Likevel er PTFE eller andre materialer (keramikk, tantal, zirkonium) sterkt anbefalt.

Kromsyre: Rask uforenlighet
Kromsyre (H 2 CrO 4 ) er en av de sterkeste av de oksiderende kjemikaliene som finnes i industriell virksomhet. Den brukes i metallpolerings- og anodiseringsbad. Den angriper grafitt i alle konsentrasjoner og alle temperaturer, inkludert kalde fortynnede løsninger. Ingen beskyttende harpiksbelegg vil tåle kromsyre i lange perioder. Enhver grafittdel, varmeveksler, ventil eller spreder som utsettes for kromsyre vil bryte raskt, vanligvis i løpet av dager. Hvis temperaturen er under grensen for PTFE (ca. 110 C), er PTFE varmevekslere normen for kromsyre oppvarming eller kjøling.

Varm konsentrert svovelsyre: en kasusstudie av overgang
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 %) er egnet ved moderate temperaturer (<=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.

For slike operasjoner (f.eks. svovelsyrekonsentratorer eller oleumservice) er ikke PTFE et mulig valg da temperaturen er over driftsgrensen. I stedet brukes keramiske (glass, silisiumkarbid) eller tantal varmevekslere.

Hvorfor PTFE er bedre for oksiderende syrer
Poly(tetrafluoretylen) (PTFE) har en karbon-fluor-ryggrad. De sterke karbon-fluorbindingene gjør PTFE inert mot nesten alle stoffer, inkludert kraftige oksidasjonsmidler som salpetersyre, kromsyre og varmkonsentrert svovelsyre (ved moderate temperaturer). Under disse forholdene vil PTFE ikke oksidere eller forringes. Den eneste begrensningen for PTFE er den maksimale kontinuerlige driftstemperaturen som er omtrent 110–120 grader for fast PTFE i varmevekslerapplikasjoner. PTFE er det valgte materialet for oksiderende syrebelastning i det temperaturområdet.

En veldig god veiledning er at grafitt ikke skal brukes i noen tjenester der det er et sterkt oksidasjonsmiddel tilstede ved betydelig konsentrasjon og for høy temperatur. Dette er en tøff kjemisk grense: karbonstrukturen til grafitt tåler ikke oksidasjon, uansett harpiksimpregnering.

Fortynne oksidantforhold og unntak
 

Evaluering av oksidativ skade