Mikä on grafiittilämmönvaihtimien yhteensopivuus hapettavien happojen, kuten typpi- ja kromihappojen kanssa?

Grafiitin akilleen kantapää on sen herkkyys hapettaville aineille. PTFE on inertti lähes kaikkeen. Toisaalta typpihappo, kromihappo ja jopa kiehuva väkevä rikkihappo voivat tietyissä olosuhteissa hyökätä nopeasti grafiittiin. Läpäisemättömillä grafiittilämmönvaihtimilla on erinomainen käyttöikä pelkistävissä olosuhteissa (esim. suolahappo, laimennettu rikkihappo, fosforihappo), mutta yhteensopivuus hapettavien happojen kanssa on erittäin rajallinen. On tärkeää ymmärtää grafiitin yhteensopivuus hapettavien happojen kanssa, jotta vältetään katastrofaaliset laitteistohäiriöt ja tarpeettomat seisokit.

Oksidatiivinen hyökkäysmekanismi
Grafiitti on eräänlainen elementtihiili. Vahvat hapettimet hyökkäävät kemiallisesti hiilihilaa vastaan ​​ja muuttavat sen hiilidioksidiksi (CO 2 ), hiilimonoksidiksi (CO) tai muiksi hapettuneiksi molekyyleiksi. Koko reaktio voidaan yleistää seuraavasti:

O2 + C(hapettimesta)=CO2 + O(hapettimesta)=COx

Tämä prosessi syö grafiittimateriaalin ja muuttaa hitaasti kiinteän hiilen kaasuksi. Tämä johtaa rakenteellisen eheyden menettämiseen, pinnan kuoppiin ja lopulta putken seinien tai lohkokanavien rei'ittymiseen. Alkusuojan tarjoaa kyllästyshartsi (yleensä fenoli), joka muodostaa esteen hapettimen ja grafiittialustan välille. Mutta itse hartsi on myös altis hapettumiselle. Jos hartsi puhkaisee – kemiallisen vaikutuksen, mikrohalkeamien, lämpökierron jne. – seurauksena, alla oleva grafiitti hyökkää suoraan ja tuhoutuu nopeasti.

Monissa hapetuspalveluissa hiilen hävikki on niin nopeaa, että grafiittilämmönvaihdin saattaa vioittua päivissä tai viikoissa, ei vuosissa.

Yleiset hapettimet ja erityiset yhteensopimattomuudet
Grafiitin yhteensopivuus Hapettava happo PTFE-yhteensopivuus Huomautuksia
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >5 % pitoisuus kuumissa lämpötiloissa Hyvä 110 asteeseen asti Laimea (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Kromihappo (H₂CrO4) Erittäin huono. Kaikki pitoisuudet ja lämpötilat. 110 asteeseen asti Erinomainen Kromihappo on voimakas hapetin. Grafiittia ei suositella.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 Chyvä - 110 C (lämpötila rajoittaa) Grafiitti kestää laimentaa 96 % H2SO4 -~150 C; Lähes 98 % korkeassa lämpötilassa muuttuu hapettavaksi
Perkloorihappo (HClO4) Vaarallinen; voimakas reaktio todennäköinen Erinomainen (kylmä) Grafiittia ei saa koskaan käyttää perkloorihapon kanssa hapettumis- ja räjähdysvaaran vuoksi
Sekahapot (aqua regia, nitrorikkihappo) Huono; nopea hyökkäys Erinomaiset 110 asteeseen asti Hapettavat yhdistelmät ovat aktiivisempia kuin yksittäiset hapot
Typpihappo: pitoisuus- ja lämpötilarajat
Grafiitin yhteensopivuuden raja hapettavien happojen kanssa on typpihapolle melko ankara. Lyhytaikainen altistuminen ympäristön lämpötilalle (alle tai yhtä suuri kuin 30 astetta) ja alle noin 5 %:n pitoisuudelle voi aiheuttaa lievän näennäisen hyökkäyksen. Kuitenkin pitoisuuden tai lämpötilan nousu edistää hapettumista oleellisesti. Grafiittilämmönvaihtimet kärsivät huomattavia pintavaurioita tunneissa 10–20 % typpihapossa ja 50 asteessa. 50-prosenttisessa typpihapossa ja lähellä kiehumislämpötiloja grafiitti kuluu nopeasti.

Tästä syystä teollinen käytäntö sulkee pois grafiitin käytön typpihapon kanssa, ellei happo ole hyvin laimeaa, kylmää ja sitä käytetä ei--kriittisissä sovelluksissa. Silti PTFE tai muut materiaalit (keramiikka, tantaali, zirkonium) ovat erittäin suositeltavia.

Kromihappo: nopea yhteensopimattomuus
Kromihappo (H 2 CrO 4) on yksi vahvimmista teollisessa toiminnassa esiintyvistä hapettavista kemikaaleista. Sitä käytetään metallien kiillotus- ja anodisointikylvyissä. Se hyökkää grafiittia kaikissa pitoisuuksissa ja lämpötiloissa, mukaan lukien kylmät laimeat liuokset. Mikään suojaava hartsipäällyste ei kestä kromihappoa pitkiä aikoja. Kaikki kromihapolle altistuneet grafiittiosat, lämmönvaihdin, venttiili tai suihkutin rikkoutuvat nopeasti, yleensä muutamassa päivässä. Jos lämpötila on alle PTFE:n rajan (noin 110 C), PTFE-lämmönvaihtimet ovat normi kromihapon lämmitys- tai jäähdytystöissä.

Kuuma väkevä rikkihappo: siirtymävaiheen tapaustutkimus
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%) sopii kohtalaisiin lämpötiloihin (<=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.

Tällaisissa toiminnoissa (esim. rikkihappokonsentraattorit tai oleumhuolto) PTFE ei ole toteuttamiskelpoinen valinta, koska lämpötila on käyttörajan yläpuolella. Sen sijaan käytetään keraamisia (lasi, piikarbidi) tai tantaalilämmönvaihtimia.

Miksi PTFE on parempi hapettaville hapoille
Poly(tetrafluorietyleenissä) (PTFE) on hiili{0}}fluorirunko. Vahvat hiili-fluorisidokset tekevät PTFE:stä inertin lähes kaikille aineille, mukaan lukien voimakkaat hapettavat aineet, kuten typpi-, kromi- ja kuuma väkevä rikkihappo (kohtalaisissa lämpötiloissa). Näissä olosuhteissa PTFE ei hapetu tai huonone. PTFE:n ainoa rajoitus on jatkuvan maksimi käyttölämpötila, joka on noin 110–120 astetta kiinteälle PTFE:lle lämmönvaihdinsovelluksissa. PTFE on valittu materiaali hapettavaan happoon kyseisellä lämpötila-alueella.

Erittäin hyvä ohje on, että grafiittia ei tule käyttää missään palvelussa, jossa on voimakasta hapetinta huomattavassa pitoisuudessa ja korkeassa lämpötilassa. Tämä on kova kemiallinen raja: grafiitin hiilirakenne ei kestä hapettumista, olipa hartsikyllästys.

Laimennettujen hapettimien olosuhteet ja poikkeukset
 

Oksidatiivisten vaurioiden arviointi