Kāda ir grafīta siltummaiņu saderība ar oksidējošām skābēm, piemēram, slāpekļa un hroma skābēm?

Grafīta Ahileja papēdis ir tā jutīgums pret oksidētājiem. PTFE ir inerts gandrīz visam. No otras puses, grafītu var ātri uzbrukt slāpekļskābe, hromskābe un pat verdoša koncentrēta sērskābe noteiktos apstākļos. Necaurlaidīgiem grafīta siltummaiņiem ir lielisks kalpošanas laiks reducējošos apstākļos (ti, sālsskābe, atšķaidīta sērskābe, fosforskābe), bet ļoti ierobežota savietojamība ar oksidējošām skābēm. Ir ļoti svarīgi saprast grafīta saderību ar oksidējošām skābēm, lai novērstu katastrofālu iekārtu atteici un nevajadzīgu dīkstāvi.

Oksidatīvā uzbrukuma mehānisms
Grafīts ir oglekļa elementa veids. Spēcīgi oksidētāji ķīmiski iedarbojas uz oglekļa režģi, pārvēršot to par oglekļa dioksīdu (CO 2 ), oglekļa monoksīdu (CO) vai citām oksidētām molekulām. Visu reakciju var vispārināt šādi:

O2 + C(no oksidētāja)=CO2 + O(no oksidētāja)=COx

Šis process ēd grafīta materiālu un lēnām pārvērš cieto oglekli gāzē. Tā rezultātā tiek zaudēta strukturālā integritāte, tiek radīti iedobumi un galu galā cauruļu sienu vai bloku kanālu perforācija. Sākotnējo aizsardzību nodrošina impregnējošie sveķi (parasti fenola), kas izveido barjeru starp oksidētāju un grafīta substrātu. Bet paši sveķi arī ir pakļauti oksidācijai. Ja sveķi tiek caurdurti – ķīmiskā uzbrukuma, mikroplaisu, karstuma cikliskuma u.c. rezultātā – pamatā esošais grafīts tiek tieši uzbrukts un ātri iznīcināts.

Daudzos oksidēšanas pakalpojumos oglekļa zuduma ātrums ir tik ātrs, ka grafīta siltummainis var sabojāt dienas vai nedēļas, nevis gadus.

Parastie oksidētāji un īpašas nesaderības
Grafīta saderība Oksidējošā skābe PTFE saderības komentāri
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >5% koncentrācija karstā temperatūrā Labi līdz 110 grādiem Atšķaidīts (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
Hromskābe (H2CrO₄) Ļoti slikta. Visas koncentrācijas un temperatūras. Līdz 110 grādiem LieliskiHromskābe ir spēcīgs oksidētājs. Grafīts nav ieteicams.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 CLabs līdz 110 C (ierobežo temperatūra) Grafīts izturīgs, lai atšķaidītu līdz 96% H2SO4 līdz ~150 C; gandrīz 98% augstā temperatūrā kļūst oksidējoši
Perhlorskābe (HClO₄) Bīstams; iespējama spēcīga reakcija Lieliski (auksts) Grafītu nekad nedrīkst lietot kopā ar perhlorskābi oksidēšanās un sprādzienbīstamības dēļ
Jauktas skābes (aqua regia, nitrosulfuric acid)Slikti; ātrs uzbrukums Lielisks līdz 110 grādiem Oksidējošās kombinācijas ir aktīvākas nekā atsevišķas skābes
Slāpekļskābe: koncentrācijas un temperatūras ierobežojumi
Grafīta saderības robeža ar oksidējošām skābēm slāpekļskābei ir diezgan smaga. Īslaicīga apkārtējās vides temperatūras iedarbība (mazāka par vai vienāda ar 30 grādiem) un koncentrācija, kas zemāka par aptuveni 5%, var izraisīt nelielu šķietamu uzbrukumu. Tomēr koncentrācijas vai temperatūras paaugstināšanās būtiski veicina oksidāciju. Grafīta siltummaiņi stundās pie 10–20% slāpekļskābes un 50 grādiem izjūt ievērojamu virsmas noārdīšanos. Pie 50% slāpekļskābes un tuvu viršanas temperatūrai grafīts ātri tiek patērēts.

Līdz ar to rūpnieciskā prakse izslēdz grafītu lietošanai kopā ar slāpekļskābi, ja vien skābe nav ļoti atšķaidīta, auksta un tiek izmantota ne-kritiskām vajadzībām. Tomēr ļoti ieteicams ir PTFE vai citi materiāli (keramika, tantals, cirkonijs).

Hromskābe: ātra nesaderība
Hromskābe (H2CrO4) ir viena no spēcīgākajām oksidējošām ķimikālijām, kas sastopama rūpnieciskās darbībās. To izmanto metāla pulēšanas un anodēšanas vannās. Tas uzbrūk grafītam visās koncentrācijās un visās temperatūrās, ieskaitot aukstus atšķaidītus šķīdumus. Neviens aizsargājošs sveķu pārklājums ilgstoši nepanes hromskābi. Jebkura hromskābes iedarbībai pakļauta grafīta daļa, siltummainis, vārsts vai smidzinātājs ātri salūzīs, parasti dažu dienu laikā. Ja temperatūra ir zem PTFE robežas (apmēram 110 C), tad PTFE siltummaiņi ir hromskābes sildīšanas vai dzesēšanas darbu norma.

Karsta koncentrēta sērskābe: pārejas gadījuma izpēte
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%) ir piemērots mērenā temperatūrā (<=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.

Šādām darbībām (piemēram, sērskābes koncentratoriem vai oleuma pakalpojumiem) PTFE nav pieņemama izvēle, jo temperatūra pārsniedz darbības robežu. Tā vietā tiek izmantoti keramikas (stikla, silīcija karbīda) vai tantala siltummaiņi.

Kāpēc PTFE ir labāks par oksidējošām skābēm
Poli(tetrafluoretilēna) (PTFE) ir oglekļa{0}}fluora mugurkauls. Spēcīgās oglekļa -fluora saites padara PTFE inertu pret gandrīz visām vielām, tostarp spēcīgiem oksidētājiem, piemēram, slāpekļskābi, hromskābi un karsti koncentrētu sērskābi (mērenā temperatūrā). Šādos apstākļos PTFE neoksidējas un nepasliktinās. Vienīgais PTFE ierobežojums ir maksimālā nepārtrauktā darba temperatūra, kas ir aptuveni 110–120 grādi cietam PTFE siltummaiņa lietojumos. PTFE ir izvēlētais materiāls oksidējošai skābei šajā temperatūras diapazonā.

Ļoti labs norādījums ir tāds, ka grafītu nevajadzētu izmantot nevienā pakalpojumā, kur ir spēcīgs oksidētājs ievērojamā koncentrācijā un pārmērīgā temperatūrā. Tā ir stingra ķīmiskā robeža: grafīta oglekļa struktūra nevar izturēt oksidāciju neatkarīgi no sveķu impregnēšanas.

Atšķaidītu oksidētāju nosacījumi un izņēmumi
 

Oksidatīvo bojājumu novērtējums