Яка сумісність графітових теплообмінників з окислювальними кислотами, такими як азотна та хромова?

Ахіллесовою п'ятою графіту є його сприйнятливість до окислювачів. PTFE інертний майже до всього. З іншого боку, графіт може бути швидко пошкоджений азотною кислотою, хромовою кислотою і навіть киплячою концентрованою сірчаною кислотою за певних умов. Непроникні графітові теплообмінники мають чудовий термін служби у відновлювальних умовах (наприклад, соляна, розведена сірчана, фосфорна кислоти), але дуже обмежену сумісність з окислювальними кислотами. Важливо розуміти сумісність графіту з кислотами-окислювачами, щоб запобігти катастрофічній поломці обладнання та непотрібним простоям.

Механізм окисної атаки
Графіт є різновидом вуглецю елемента. Сильні окислювачі хімічно атакують вуглецеву решітку, перетворюючи її на вуглекислий газ (CO 2 ), монооксид вуглецю (CO) або інші окислені молекули. Всю реакцію можна узагальнити так:

O2 + C(від окислювача)=CO2 + O(від окислювача)=COx

Цей процес з’їдає графітовий матеріал і повільно перетворює твердий вуглець на газ. Це призводить до втрати структурної цілісності, утворення ямок на поверхні та, зрештою, перфорації стінок труб або каналів блоку. Початковий захист забезпечує просочувальна смола (зазвичай фенольна), яка створює бар'єр між окислювачем і графітовою підкладкою. Але сама смола теж схильна до окислення. Якщо смола пробита – хімічним впливом, мікротріщинами, тепловим циклом тощо – графіт піддається прямій атаці та швидко руйнується.

У багатьох службах окислення швидкість втрати вуглецю настільки висока, що графітовий теплообмінник може вийти з ладу за кілька днів або тижнів, а не років.

Загальні окислювачі та специфічні несумісності
Сумісність із графітом Окислювальна кислота PTFE Коментарі щодо сумісності
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >5% концентрація при високих температурах Добре до 110 градусів Розбавити (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Хромова кислота (H₂CrO₄) Дуже погано. Усі концентрації та температури. До 110 градусів Відмінно. Хромова кислота є потужним окислювачем. Графіт використовувати не рекомендується.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 C Добре до 110 C (обмежено температурою) Графіт стійкий до розведення до 96% H2SO4 до ~150 C; близько 98% при високій температурі стає окислюючим
Перхлорна кислота (HClO₄) Небезпечно; ймовірна сильна реакціяВідмінно (холодний) Графіт ніколи не можна використовувати з хлорною кислотою через окислення та небезпеку вибуху
Змішані кислоти (царська горілка, нітросульфатна кислота) Погано; швидка атака Відмінно до 110 градусів Окислювальні комбінації більш активні, ніж окремі кислоти
Азотна кислота: межі концентрації та температури
Межа сумісності графіту з кислотами-окислювачами досить жорстка для азотної кислоти. Короткочасний вплив температури навколишнього середовища (менше або дорівнює 30 градусам) і концентрації нижче приблизно 5% може спричинити легкий явний напад. Однак підвищення концентрації або температури істотно сприяє окисленню. Графітові теплообмінники зазнають помітної деградації поверхні протягом годин при 10–20% азотної кислоти та 50 градусів. При 50% азотної кислоти та температурах, близьких до кипіння, графіт швидко витрачається.

Отже, промислова практика виключає використання графіту з азотною кислотою, за винятком випадків, коли кислота є дуже розбавленою, холодною та використовується в не-критичному застосуванні. Проте настійно рекомендується PTFE або інші матеріали (кераміка, тантал, цирконій).

Хромова кислота: швидка несумісність
Хромова кислота (H 2 CrO 4 ) є одним із найсильніших окислювачів , що зустрічаються в промисловості . Використовується в ваннах для полірування та анодування металів. Він атакує графіт у всіх концентраціях і температурах, включаючи холодні розбавлені розчини. Жодне захисне смоляне покриття не витримає хромової кислоти протягом тривалого часу. Будь-яка графітова частина, теплообмінник, клапан або розпилювач, піддана впливу хромової кислоти, швидко ламається, як правило, протягом кількох днів. Якщо температура нижче межі PTFE (приблизно 110 C), тоді теплообмінники PTFE є нормою для нагріву або охолодження хромовою кислотою.

Гаряча концентрована сірчана кислота: приклад переходу
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%) підходить при помірних температурах (<=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.

Для таких операцій (наприклад, концентратори сірчаної кислоти або обслуговування олеуму) PTFE не є можливим вибором, оскільки температура вище робочої межі. Замість них використовуються керамічні (скло, карбід кремнію) або танталові теплообмінники.

Чому PTFE краще підходить для окислювальних кислот
Полі(тетрафторетилен) (PTFE) має вуглецеву-фторову основу. Міцні зв’язки вуглецю-фтору роблять PTFE інертним майже до всіх речовин, включаючи потужні окислювачі, такі як азотна, хромова та гаряча концентрована сірчана кислота (при помірних температурах). За цих умов PTFE не окислюється і не псується. Єдиним обмеженням PTFE є максимальна безперервна робоча температура, яка становить приблизно 110–120 градусів для твердого PTFE в теплообмінниках. PTFE є матеріалом вибору для окислення кислоти в цьому діапазоні температур.

Дуже хороша вказівка ​​полягає в тому, що графіт не слід використовувати в будь-яких послугах, де присутній сильний окислювач у значній концентрації та надмірній температурі. Це жорстка хімічна межа: вуглецева структура графіту не може протистояти окисленню, незалежно від просочення смолою.

Умови та винятки для розведеного окислювача
 

Оцінка окисного пошкодження