Apakah Keserasian Penukar Haba Grafit dengan Asid Pengoksidaan Seperti Nitrik dan Kromik?

Tumit Achilles Graphite adalah mudah terdedah kepada agen pengoksida. PTFE tidak aktif kepada hampir semua perkara. Grafit pula boleh diserang dengan cepat oleh asid nitrik, asid kromik, dan juga asid sulfurik pekat yang mendidih dalam keadaan tertentu. Penukar haba grafit tidak telap mempunyai hayat perkhidmatan yang cemerlang dalam keadaan mengurangkan (iaitu hidroklorik, sulfurik cair, asid fosforik) tetapi keserasian yang sangat terhad dengan asid pengoksidaan. Adalah penting untuk memahami keserasian grafit dengan asid pengoksidaan untuk mengelakkan kegagalan peralatan bencana dan masa henti yang tidak perlu.

Mekanisme Serangan Oksidatif
Grafit ialah sejenis unsur karbon. Pengoksida yang kuat secara kimia menyerang kekisi karbon, mengubahnya kepada karbon dioksida (CO 2 ), karbon monoksida (CO) atau molekul teroksida yang lain. Keseluruhan tindak balas boleh digeneralisasikan seperti berikut:

O2 + C(daripada pengoksida)=CO2 + O(daripada pengoksida)=COx

Proses ini memakan bahan grafit dan perlahan-lahan menukar karbon pepejal kepada gas. Ini mengakibatkan kehilangan integriti struktur, pitting permukaan dan akhirnya penembusan dinding tiub atau saluran blok. Perlindungan awal disediakan oleh resin impregnasi (biasanya fenolik), yang mewujudkan penghalang antara pengoksida dan substrat grafit. Tetapi resin itu sendiri juga terdedah kepada pengoksidaan. Jika resin tertusuk – akibat serangan kimia, retak mikro, kitaran haba, dsb. – grafit asas diserang secara langsung dan cepat musnah.

Dalam banyak perkhidmatan pengoksidaan, kadar kehilangan karbon adalah sangat cepat sehingga penukar haba grafit mungkin gagal dalam beberapa hari atau minggu, bukan tahun.

Pengoksida Biasa dan Ketakserasian Khusus
Komen Keserasian PTFE Asid Pengoksidaan Asid Grafit Keserasian
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >Kepekatan 5% pada suhu panasBaik sehingga 110 darjah Cair (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Asid Kromik (H₂CrO₄) Sangat lemah. Semua kepekatan dan suhu. Sehingga 110 darjah CemerlangAsid kromik ialah pengoksida yang kuat. Grafit tidak dinasihatkan.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 CBaik hingga 110 C (terhad oleh suhu) Tahan grafit untuk mencairkan kepada 96% H2SO4 hingga ~150 C; hampir 98% pada suhu tinggi menjadi pengoksidaan
Asid perklorik (HClO₄) Berbahaya; tindak balas kuat berkemungkinanSangat baik (sejuk) Grafit tidak boleh digunakan dengan asid perklorik kerana pengoksidaan dan bahaya letupan
Asid campuran (aqua regia, asid nitrosulfurik)Lemah; serangan pantas Cemerlang sehingga 110 darjah Kombinasi pengoksidaan lebih aktif daripada asid individu
Asid Nitrik: Kepekatan dan Had Suhu
Had keserasian grafit dengan asid pengoksida adalah agak teruk untuk asid nitrik. Pendedahan jangka pendek kepada suhu ambien (Kurang daripada atau sama dengan 30 darjah) dan kepekatan di bawah kira-kira 5% boleh menyebabkan serangan yang ketara. Walau bagaimanapun, peningkatan kepekatan atau suhu menggalakkan pengoksidaan dengan ketara. Penukar haba grafit mengalami degradasi permukaan yang ketara dalam beberapa jam pada 10–20% asid nitrik dan 50 darjah . Pada 50% asid nitrik dan hampir suhu mendidih, grafit cepat dimakan.

Akibatnya, amalan perindustrian mengecualikan grafit untuk digunakan dengan asid nitrik melainkan asid itu sangat cair, sejuk dan digunakan dalam aplikasi bukan{0}}kritikal. Namun, PTFE atau bahan lain (seramik, tantalum, zirkonium) sangat disyorkan.

Asid Kromik: Ketakserasian Pantas
Asid kromik ( H 2 CrO 4 ) adalah salah satu daripada bahan kimia pengoksida terkuat yang terdapat dalam operasi perindustrian. Ia digunakan dalam mandian penggilap logam dan anodisasi. Ia menyerang grafit pada semua kepekatan dan semua suhu termasuk larutan cair sejuk. Tiada penutup resin pelindung akan bertolak ansur dengan asid kromik untuk jangka masa yang lama. Mana-mana bahagian grafit, penukar haba, injap atau sparger, yang terdedah kepada asid kromik akan pecah dengan cepat, biasanya dalam masa beberapa hari. Jika suhu di bawah had PTFE (kira-kira 110 C) maka penukar haba PTFE adalah norma untuk kerja-kerja pemanasan atau penyejukan asid kromik.

Asid Sulfurik Pekat Panas: Kajian Kes Peralihan
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%) sesuai pada suhu sederhana (<=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.

Untuk operasi sedemikian (cth, penumpu asid sulfurik atau perkhidmatan oleum) PTFE bukanlah pilihan yang boleh dilaksanakan kerana suhu melebihi had operasi. Sebaliknya, penukar haba seramik (kaca, silikon karbida) atau tantalum digunakan.

Mengapa PTFE Lebih Baik Untuk Asid Mengoksida
Poli(tetrafluoroethylene) (PTFE) mempunyai karbon-tulang belakang fluorin . Pautan karbon-fluorin yang kuat menjadikan PTFE tidak aktif kepada hampir semua bahan termasuk pengoksida yang kuat seperti asid sulfurik pekat nitrik, kromik dan panas (pada suhu sederhana). Di bawah keadaan ini, PTFE tidak teroksida atau merosot. Batasan tunggal PTFE ialah suhu operasi berterusan maksimum iaitu kira-kira 110–120 darjah untuk PTFE pepejal dalam aplikasi penukar haba. PTFE ialah bahan pilihan untuk tugas asid pengoksidaan dalam julat suhu tersebut.

Panduan yang sangat baik ialah grafit tidak boleh digunakan dalam mana-mana perkhidmatan yang terdapat pengoksida yang kuat pada kepekatan yang besar dan suhu yang berlebihan. Ini adalah sempadan kimia yang sukar: struktur karbon grafit tidak dapat menahan pengoksidaan, tidak kira impregnasi resin.

Keadaan dan Pengecualian Oksida cair
 

Penilaian Kerosakan Oksidatif