Каква је компатибилност графитних измењивача топлоте са оксидирајућим киселинама попут азотне и хромне?

Ахилова пета графита је његова подложност оксидантима. ПТФЕ је инертан за скоро све. Графит, с друге стране, може бити брзо нападнут азотном киселином, хромном киселином, па чак и кључалом концентрованом сумпорном киселином под одређеним условима. Непропусни графитни измењивачи топлоте имају одличан радни век у редукционим условима (тј. хлороводонична, разређена сумпорна, фосфорна киселина), али веома ограничену компатибилност са оксидирајућим киселинама. Веома је важно разумети компатибилност графита са оксидирајућим киселинама како би се спречио катастрофални квар опреме и непотребни застоји.

Механизам оксидативног напада
Графит је врста елемента угљеника. Јаки оксиданти хемијски нападају угљеничну решетку, претварајући је у угљен-диоксид (ЦО 2 ), угљен моноксид (ЦО) или друге оксидоване молекуле. Цела реакција се може генерализовати на следећи начин:

О2 + Ц(из оксидатора)=ЦО2 + О(из оксидатора)=ЦОк

Овај процес једе графитни материјал и полако претвара чврсти угљеник у гас. Ово доводи до губитка структуралног интегритета, површинских удубљења и на крају до перфорације зидова цеви или блока канала. Иницијалну заштиту обезбеђује импрегнациона смола (обично фенолна), која успоставља баријеру између оксидатора и графитне подлоге. Али сама смола је такође склона оксидацији. Ако је смола пробушена – хемијским нападом, микропукотинама, кружењем топлоте, итд. – основни графит је директно нападнут и брзо уништен.

У многим оксидационим услугама, брзина губитка угљеника је толико брза да графитни измењивач топлоте може да поквари за дане или недеље, а не за године.

Уобичајени оксиданти и специфичне некомпатибилности
Компатибилност графита Оксидирајућа киселина ПТФЕ Компатибилност Коментари
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >Концентрација 5% на врућим температурама Добро до 110 степени Разблажено (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Хромна киселина (Х₂ЦрО₄) Веома лоша. Све концентрације и температуре. Одлична хромна киселина до 110 степени је снажан оксидант. Графит се не препоручује.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 Ц Добро до 110 Ц (ограничено температуром) Графит отпоран на разблаживање до 96% Х2СО4 до ~150 Ц; близу 98% на високој температури постаје оксидирајуће
Перхлорна киселина (ХЦлО₄) Опасно; могућа јака реакција Одлично (хладно) Графит се никада не сме користити са перхлорном киселином због оксидације и опасности од експлозије
Мешане киселине (царска вода, нитросумпорна киселина) Лоше; брзи напад Одличне до 110 степени Оксидирајуће комбинације су активније од појединачних киселина
Азотна киселина: границе концентрације и температуре
Граница компатибилности графита са оксидирајућим киселинама је прилично озбиљна за азотну киселину. Краткотрајно излагање температури околине (мање од или једнако 30 степени) и концентрација испод око 5% може изазвати благи очигледан напад. Међутим, повећање концентрације или температуре значајно подстиче оксидацију. Графитни размењивачи топлоте трпе приметну деградацију површине у сатима на 10–20% азотне киселине и 50 степени. На 50% азотне киселине и температурама близу кључања, графит се брзо троши.

Сходно томе, индустријска пракса искључује графит за употребу са азотном киселином осим ако је киселина веома разређена, хладна и ако се користи у не-критичним применама. Ипак, ПТФЕ или други материјали (керамика, тантал, цирконијум) се веома препоручују.

Хромна киселина: брза некомпатибилност
Хромна киселина (Х2ЦрО4) је једна од најјачих оксидирајућих хемикалија које се налазе у индустријским операцијама. Користи се у кадама за полирање и елоксирање метала. Напада графит при свим концентрацијама и свим температурама укључујући хладне разблажене растворе. Ниједан заштитни слој од смоле неће толерисати хромну киселину током дужег временског периода. Сваки графитни део, измењивач топлоте, вентил или прскалица, изложени хромној киселини, брзо ће се сломити, обично у року од неколико дана. Ако је температура испод границе ПТФЕ (око 110 Ц), онда су ПТФЕ размењивачи топлоте норма за послове грејања или хлађења хромном киселином.

Врућа концентрована сумпорна киселина: студија случаја транзиције
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%) је погодно на умереним температурама (<=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.

За такве операције (нпр. концентратори сумпорне киселине или сервис олеума) ПТФЕ није изводљив избор пошто је температура изнад радне границе. Уместо тога, користе се керамички (стакло, силицијум карбид) или тантал размењивачи топлоте.

Зашто је ПТФЕ бољи за оксидирајуће киселине
Поли(тетрафлуороетилен) (ПТФЕ) има угљеничну-флуорооквирну кичму. Јаке везе са угљеником-флуором чине ПТФЕ инертним за скоро све супстанце укључујући моћне оксидаторе као што су азотна, хромна и врућа концентрована сумпорна киселина (на умереним температурама). Под овим условима, ПТФЕ не оксидира и не пропада. Једино ограничење ПТФЕ је максимална континуирана радна температура која је приближно 110–120 степени за чврсти ПТФЕ у апликацијама измењивача топлоте. ПТФЕ је материјал избора за оксидациону киселину у том температурном опсегу.

Веома добар водич је да се графит не сме користити у било којој служби где је присутан јак оксидатор у значајној концентрацији и превисокој температури. Ово је чврста хемијска граница: угљенична структура графита не може да издржи оксидацију, без обзира на импрегнацију смоле.

Услови и изузеци разблаженог оксиданса
 

Процена оксидативног оштећења