Vad är kompatibiliteten hos grafitvärmeväxlare med oxiderande syror som salpeter och krom?

Grafitens akilleshäl är dess mottaglighet för oxidationsmedel. PTFE är inert mot nästan allt. Grafit, å andra sidan, kan angripas snabbt av salpetersyra, kromsyra och till och med kokande koncentrerad svavelsyra under vissa förhållanden. Ogenomträngliga grafitvärmeväxlare har utmärkt livslängd under reducerande förhållanden (dvs. saltsyra, utspädd svavelsyra, fosforsyror) men mycket begränsad kompatibilitet med oxiderande syror. Det är viktigt att förstå grafitkompatibilitet med oxiderande syror för att förhindra katastrofala utrustningsfel och onödiga stillestånd.

Oxidativ attackmekanism
Grafit är en typ av grundämne kol. Starka oxidationsmedel angriper kolgittret kemiskt och omvandlar det till koldioxid (CO 2 ), kolmonoxid (CO) eller andra oxiderade molekyler. Hela reaktionen kan generaliseras enligt följande:

O2 + C(från oxidator)=CO2 + O(från oxidator)=COx

Denna process äter upp grafitmaterialet och omvandlar långsamt fast kol till gas. Detta resulterar i förlust av strukturell integritet, ytgropar och slutligen perforering av rörväggar eller blockkanaler. Initialt skydd tillhandahålls av impregneringshartset (vanligtvis fenol), som skapar en barriär mellan oxidationsmedel och grafitsubstrat. Men själva hartset är också benäget att oxidera. Om hartset punkteras – genom kemiskt angrepp, mikrosprickor, värmecirkulation etc. – angrips den underliggande grafiten direkt och förstörs snabbt.

I många oxiderande tjänster är kolförlusten så snabb att en grafitvärmeväxlare kan gå sönder på dagar eller veckor, inte år.

Vanliga oxidationsmedel och specifika inkompatibiliteter
Grafitkompatibilitet Oxiderande syra PTFE Kompatibilitetskommentarer
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >5 % koncentration vid heta temperaturer Bra upp till 110 grader Späd (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Kromsyra (H₂CrO4) Mycket dålig. Alla koncentrationer och temperaturer. Upp till 110 grader UtmärktKromsyra är ett kraftfullt oxidationsmedel. Grafit rekommenderas inte.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 CGgod till 110 C (begränsad av temperatur) Grafitbeständig mot utspädning till 96 % H2SO4 till ~150 C; nästan 98 % vid hög temperatur blir oxiderande
Perklorsyra (HClO4) Farlig; stark reaktion trolig Utmärkt (kall) Grafit bör aldrig användas med perklorsyra på grund av oxidation och explosionsrisk
Blandade syror (aqua regia, nitrosulfuric acid)Dålig; snabb attack Utmärkt upp till 110 grader Oxiderande kombinationer är mer aktiva än enskilda syror
Salpetersyra: Koncentration och temperaturgränser
Gränsen för grafitkompatibilitet med oxiderande syror är ganska sträng för salpetersyra. Kortvarig exponering för omgivningstemperatur (Mindre än eller lika med 30 grader) och under cirka 5 % koncentration kan orsaka lätt uppenbar attack. Emellertid främjar en ökning av koncentrationen eller temperaturen oxidation avsevärt. Grafitvärmeväxlare lider av märkbar ytförsämring på timmar vid 10–20 % salpetersyra och 50 grader. Vid 50 % salpetersyra och nära koktemperaturer förbrukas grafiten snabbt.

Följaktligen utesluter industriell praxis grafit för användning med salpetersyra om inte syran är mycket utspädd, kall och används i en icke-kritisk tillämpning. Ändå rekommenderas starkt PTFE eller andra material (keramik, tantal, zirkonium).

Kromsyra: Snabb inkompatibilitet
Kromsyra (H 2 CrO 4 ) är en av de starkaste av de oxiderande kemikalier som finns i industriell verksamhet. Den används i metallpolerings- och anodiseringsbad. Den angriper grafit i alla koncentrationer och alla temperaturer inklusive kalla utspädda lösningar. Inget skyddande hartsbeläggning tål kromsyra under långa tidsperioder. Alla grafitdelar, värmeväxlare, ventiler eller spridare som utsätts för kromsyra kommer att gå sönder snabbt, vanligtvis inom några dagar. Om temperaturen är under gränsen för PTFE (cirka 110 C) är PTFE-värmeväxlare normen för kromsyrauppvärmnings- eller kylsysslor.

Varmkoncentrerad svavelsyra: en fallstudie av övergång
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 %) är lämplig vid måttliga 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.

För sådana operationer (t.ex. svavelsyrakoncentratorer eller oleumservice) är PTFE inte ett genomförbart val eftersom temperaturen ligger över driftsgränsen. Istället används keramiska (glas, kiselkarbid) eller tantalvärmeväxlare.

Varför PTFE är bättre för oxiderande syror
Poly(tetrafluoretylen) (PTFE) har en kol-fluorryggrad. De starka kol-fluorbindningarna gör PTFE inert mot nästan alla ämnen inklusive kraftfulla oxidationsmedel som salpeter, krom och varmkoncentrerad svavelsyra (vid måttliga temperaturer). Under dessa förhållanden oxiderar eller försämras inte PTFE. Den enda begränsningen för PTFE är den maximala kontinuerliga driftstemperaturen som är cirka 110–120 grader för fast PTFE i värmeväxlarapplikationer. PTFE är det valda materialet för att oxidera syra i det temperaturområdet.

En mycket bra vägledning är att grafit inte bör användas i någon tjänst där det finns ett starkt oxidationsmedel närvarande vid avsevärd koncentration och för hög temperatur. Detta är en tuff kemisk gräns: kolstrukturen i grafit tål inte oxidation, oavsett hartsimpregnering.

Utspädda oxiderande förhållanden och undantag
 

Utvärdering av oxidativ skada