ما مدى توافق المبادلات الحرارية الجرافيتية مع الأحماض المؤكسدة مثل النيتريك والكروميك؟

كعب أخيل الجرافيت هو قابليته للعوامل المؤكسدة. PTFE خامل لكل شيء تقريبًا. من ناحية أخرى، يمكن مهاجمة الجرافيت بسرعة بواسطة حمض النيتريك وحمض الكروميك وحتى غليان حمض الكبريتيك المركز في ظل ظروف معينة. تتمتع المبادلات الحرارية الجرافيتية غير المنفذة بعمر خدمة ممتاز في ظروف التخفيض (مثل أحماض الهيدروكلوريك والكبريت المخفف والفوسفوريك) ولكن توافقها محدود للغاية مع الأحماض المؤكسدة. من المهم فهم توافق الجرافيت مع الأحماض المؤكسدة لمنع حدوث عطل كارثي في ​​المعدات وتوقف العمل غير الضروري.

آلية الهجوم التأكسدي
الجرافيت هو نوع من عناصر الكربون. تهاجم المؤكسدات القوية شبكة الكربون كيميائيًا، وتحولها إلى ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) أو أول أكسيد الكربون (CO) أو جزيئات مؤكسدة أخرى. يمكن تعميم رد الفعل بأكمله على النحو التالي:

O2 + C(من المؤكسد)=CO2 + O(من المؤكسد)=COx

تأكل هذه العملية مادة الجرافيت وتحول الكربون الصلب إلى غاز ببطء. ويؤدي هذا إلى فقدان السلامة الهيكلية، وتأليب السطح، وفي النهاية ثقب جدران الأنابيب أو قنوات الكتل. يتم توفير الحماية الأولية بواسطة الراتنج المشرب (الفينول عادة)، والذي يشكل حاجزًا بين المادة المؤكسدة والركيزة الجرافيتية. لكن الراتينج نفسه معرض أيضًا للأكسدة. إذا تم ثقب الراتينج - عن طريق هجوم كيميائي، أو شقوق صغيرة، أو دورة حرارية، وما إلى ذلك - فسيتم مهاجمة الجرافيت الأساسي بشكل مباشر وتدميره بسرعة.

في العديد من خدمات الأكسدة، يكون معدل فقدان الكربون سريعًا جدًا لدرجة أن المبادل الحراري للجرافيت قد يتعطل خلال أيام أو أسابيع، وليس سنوات.

المؤكسدات المشتركة وعدم التوافق محددة
توافق الجرافيت مع تعليقات توافق حمض PTFE المؤكسد
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >تركيز 5% عند درجات الحرارة الساخنة جيد حتى 110 درجة مخفف (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
حمض الكروميك (H₂CrO₄) ضعيف جدًا. جميع التركيزات ودرجات الحرارة. ما يصل إلى 110 درجة ممتاز. حمض الكروميك هو مؤكسد قوي. لا ينصح باستخدام الجرافيت.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 درجة مئوية جيد إلى 110 درجة مئوية (محدد بدرجة الحرارة) الجرافيت مقاوم للتخفيف إلى 96% من حمض الكبريتيك إلى 150 درجة مئوية تقريبًا؛ ما يقرب من 98٪ عند درجة حرارة عالية يصبح مؤكسدًا
حمض البيركلوريك (HClO₄) خطر؛ رد فعل قوي محتملممتاز (بارد) لا ينبغي أبدًا استخدام الجرافيت مع حمض البيركلوريك بسبب الأكسدة وخطر الانفجار
الأحماض المختلطة (أكوا ريجيا، حمض النيتروكبرتيك) فقيرة؛ هجوم سريع ممتاز يصل إلى 110 درجة. مجموعات الأكسدة أكثر نشاطًا من الأحماض الفردية
حمض النيتريك: التركيز وحدود درجة الحرارة
حد توافق الجرافيت مع الأحماض المؤكسدة شديد إلى حد ما بالنسبة لحمض النيتريك. التعرض على المدى القصير لدرجة الحرارة المحيطة (أقل من أو يساوي 30 درجة) وأقل من حوالي 5% قد يسبب هجومًا واضحًا. ومع ذلك، فإن زيادة التركيز أو درجة الحرارة تعزز الأكسدة بشكل كبير. تعاني المبادلات الحرارية الجرافيتية من تدهور ملحوظ في سطحها خلال ساعات عند 10-20% حمض النيتريك و50 درجة. عند 50% من حمض النيتريك ودرجات حرارة قريبة من الغليان، يتم استهلاك الجرافيت بسرعة.

وبالتالي، تستبعد الممارسات الصناعية استخدام الجرافيت مع حمض النيتريك ما لم يكن الحمض مخففًا جدًا وباردًا ومستخدمًا في -تطبيقات حرجة. ومع ذلك، يوصى بشدة باستخدام مادة PTFE أو المواد الأخرى (السيراميك، التنتالوم، الزركونيوم).

حمض الكروميك: عدم التوافق السريع
يعد حمض الكروميك (H2CrO4) من أقوى المواد الكيميائية المؤكسدة الموجودة في العمليات الصناعية. يتم استخدامه في تلميع المعادن وحمامات الأنودة. إنه يهاجم الجرافيت في جميع التركيزات وفي جميع درجات الحرارة بما في ذلك المحاليل المخففة الباردة. لن يتحمل أي غطاء راتنجي واقي حمض الكروميك لفترات طويلة من الزمن. أي جزء من الجرافيت أو مبادل حراري أو صمام أو قاذف يتعرض لحمض الكروميك سوف ينكسر بسرعة، عادةً خلال أيام. إذا كانت درجة الحرارة أقل من حد PTFE (حوالي 110 درجة مئوية)، فإن المبادلات الحرارية PTFE هي المعيار لتسخين حمض الكروميك أو أعمال التبريد.

حامض الكبريتيك المركز الساخن: دراسة حالة للمرحلة الانتقالية
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% مناسب لدرجات الحرارة المعتدلة (<=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.

بالنسبة لمثل هذه العمليات (على سبيل المثال، مكثفات حمض الكبريتيك أو خدمة الزيت) لا يعد PTFE خيارًا ممكنًا نظرًا لأن درجة الحرارة أعلى من الحد التشغيلي. بدلا من ذلك، يتم استخدام السيراميك (الزجاج، كربيد السيليكون) أو المبادلات الحرارية التنتالوم.

لماذا يعتبر PTFE أفضل للأحماض المؤكسدة
يحتوي بولي (رباعي فلورو إيثيلين) (PTFE) على عمود فقري من الكربون -الفلور. إن روابط الكربون القوية - والفلور تجعل PTFE خاملًا لجميع المواد تقريبًا بما في ذلك المؤكسدات القوية مثل حمض النيتريك والكروميك وحمض الكبريتيك المركز الساخن (عند درجات حرارة معتدلة). في ظل هذه الظروف، لا يتأكسد PTFE أو يتدهور. القيد الوحيد لـ PTFE هو الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل المستمرة والتي تبلغ حوالي 110-120 درجة بالنسبة لـ PTFE الصلب في تطبيقات المبادلات الحرارية. PTFE هي المادة المفضلة لأكسدة الحمض في نطاق درجة الحرارة هذا.

الدليل الجيد جدًا هو أنه لا ينبغي استخدام الجرافيت في أي خدمة حيث يوجد مؤكسد قوي بتركيز كبير ودرجة حرارة زائدة. هذه حدود كيميائية صعبة: البنية الكربونية للجرافيت لا يمكنها تحمل الأكسدة، بغض النظر عن تشريب الراتنج.

تمييع شروط الأكسدة والاستثناءات
 

تقييم الأضرار التأكسدية