ความเข้ากันได้ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกราไฟท์กับกรดออกซิไดซ์ เช่น ไนตริกและโครมิก คืออะไร

จุดอ่อนของกราไฟท์คือความไวต่อสารออกซิไดซ์ PTFE เฉื่อยต่อทุกสิ่ง ในทางกลับกัน กราไฟท์สามารถถูกโจมตีได้อย่างรวดเร็วด้วยกรดไนตริก กรดโครมิก และแม้แต่กรดซัลฟิวริกเข้มข้นที่กำลังเดือดภายใต้สภาวะบางประการ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยกราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่านมีอายุการใช้งานที่ดีเยี่ยมในสภาวะรีดิวซ์ (เช่น ไฮโดรคลอริก ซัลฟิวริกเจือจาง กรดฟอสฟอริก) แต่มีความเข้ากันได้จำกัดมากกับกรดออกซิไดซ์ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจความเข้ากันได้ของกราไฟท์กับกรดออกซิไดซ์ เพื่อป้องกันความล้มเหลวของอุปกรณ์ร้ายแรงและการหยุดทำงานโดยไม่จำเป็น

กลไกการโจมตีออกซิเดชั่น
กราไฟท์เป็นธาตุคาร์บอนชนิดหนึ่ง สารออกซิไดซ์ที่แรงจะโจมตีโครงตาข่ายคาร์บอนทางเคมี โดยเปลี่ยนให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2 ) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) หรือโมเลกุลที่ถูกออกซิไดซ์อื่นๆ ปฏิกิริยาทั้งหมดอาจสรุปได้ดังนี้:

O2 + C(จากตัวออกซิไดเซอร์)=CO2 + O(จากตัวออกซิไดเซอร์)=COx

กระบวนการนี้จะกินวัสดุกราไฟท์และเปลี่ยนคาร์บอนที่เป็นของแข็งให้เป็นก๊าซอย่างช้าๆ ส่งผลให้สูญเสียความสมบูรณ์ของโครงสร้าง รูพรุนที่พื้นผิว และท้ายที่สุดคือการเจาะผนังท่อหรือช่องปิดกั้น การป้องกันเบื้องต้นทำได้โดยเรซินชุบ (โดยทั่วไปคือฟีนอลิก) ซึ่งสร้างอุปสรรคระหว่างสารออกซิไดเซอร์และสารตั้งต้นกราไฟท์ แต่ตัวเรซินเองก็มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันเช่นกัน หากเรซินถูกเจาะ – ด้วยการโจมตีทางเคมี, รอยแตกขนาดเล็ก, วงจรความร้อน ฯลฯ – กราไฟท์ที่อยู่ด้านล่างจะถูกโจมตีโดยตรงและถูกทำลายอย่างรวดเร็ว

ในบริการออกซิไดซ์หลายๆ บริการ อัตราการสูญเสียคาร์บอนนั้นรวดเร็วมากจนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยกราไฟต์อาจทำงานล้มเหลวภายในไม่กี่วันหรือหลายสัปดาห์ ไม่ใช่หลายปี

สารออกซิไดซ์ทั่วไปและความเข้ากันไม่ได้เฉพาะ
ความเข้ากันได้ของกราไฟท์ กรดออกซิไดซ์ ความเข้ากันได้ของ PTFE
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >ความเข้มข้น 5% ที่อุณหภูมิร้อน สูงถึง 110 องศา เจือจาง (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
กรดโครมิก (H₂CrO₄) แย่มาก ทุกความเข้มข้นและอุณหภูมิ สูงถึง 110 องศา กรดโครมิกดีเยี่ยมเป็นตัวออกซิไดซ์ที่มีฤทธิ์สูง ไม่แนะนำให้ใช้กราไฟท์
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 C ดีถึง 110 C (จำกัดโดยอุณหภูมิ) กราไฟท์ทนต่อการเจือจางถึง 96% H2SO4 ถึง ~150 C; เมื่ออุณหภูมิสูงถึงเกือบ 98% จะเกิดปฏิกิริยาออกซิไดซ์
กรดเปอร์คลอริก (HClO₄) เป็นอันตราย; ปฏิกิริยาที่รุนแรงน่าจะเป็นได้ดีเยี่ยม (เย็น) กราไฟท์ไม่ควรใช้กับกรดเปอร์คลอริกเนื่องจากอันตรายจากการเกิดออกซิเดชันและการระเบิด
กรดผสม (อควากัดทอง, กรดไนโตรซัลฟิวริก)แย่; โจมตีเร็ว ดีเยี่ยมถึง 110 องศา การผสมออกซิไดซ์จะออกฤทธิ์มากกว่ากรดแต่ละตัว
กรดไนตริก: ขีดจำกัดความเข้มข้นและอุณหภูมิ
ขีดจำกัดความเข้ากันได้ของกราไฟท์กับกรดออกซิไดซ์ค่อนข้างรุนแรงสำหรับกรดไนตริก การสัมผัสกับอุณหภูมิแวดล้อมในระยะสั้น (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 30 องศา) และความเข้มข้นต่ำกว่าประมาณ 5% อาจทำให้เกิดการโจมตีเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นหรืออุณหภูมิจะส่งเสริมการเกิดออกซิเดชันอย่างมาก เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกราไฟท์ประสบปัญหาการเสื่อมสภาพของพื้นผิวอย่างเห็นได้ชัดในเวลาไม่กี่ชั่วโมงที่กรดไนตริก 10–20% และ 50 องศา ที่กรดไนตริก 50% และอุณหภูมิใกล้จุดเดือด กราไฟท์จะถูกใช้อย่างรวดเร็ว

ด้วยเหตุนี้ แนวปฏิบัติทางอุตสาหกรรมจึงไม่รวมกราไฟท์สำหรับใช้กับกรดไนตริก เว้นแต่กรดจะเจือจางมาก เย็นจัด และใช้ในการใช้งานที่ไม่สำคัญ- อย่างไรก็ตาม แนะนำให้ใช้ PTFE หรือวัสดุอื่นๆ (เซรามิก แทนทาลัม เซอร์โคเนียม)

กรดโครมิก: ความไม่ลงรอยกันอย่างรวดเร็ว
กรดโครมิก (H 2 CrO 4) เป็นหนึ่งในสารเคมีออกซิไดซ์ที่รุนแรงที่สุดที่พบในการดำเนินงานทางอุตสาหกรรม ใช้ในการขัดโลหะและอาบน้ำอโนไดซ์ โดยโจมตีกราไฟท์ที่ความเข้มข้นทุกระดับและทุกอุณหภูมิ รวมถึงสารละลายเจือจางด้วยความเย็น ไม่มีการเคลือบเรซินป้องกันใดที่จะทนต่อกรดโครมิกได้เป็นเวลานาน ชิ้นส่วนกราไฟท์ ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน วาล์ว หรือสปาร์เจอร์ใดๆ ที่สัมผัสกับกรดโครมิกจะแตกหักอย่างรวดเร็ว โดยปกติภายในไม่กี่วัน หากอุณหภูมิต่ำกว่าขีดจำกัดของ PTFE (ประมาณ 110 C) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ถือเป็นบรรทัดฐานสำหรับงานทำความร้อนหรือทำความเย็นด้วยกรดโครมิก

กรดซัลฟิวริกเข้มข้นร้อน: กรณีศึกษาการเปลี่ยนผ่าน
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%) เหมาะกับอุณหภูมิปานกลาง (<=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.

สำหรับการดำเนินการดังกล่าว (เช่น หัวจ่ายกรดซัลฟูริกหรือบริการโอเลียม) PTFE ไม่ใช่ตัวเลือกที่เป็นไปได้ เนื่องจากอุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัดการปฏิบัติงาน จะใช้เซรามิก (แก้ว ซิลิคอนคาร์ไบด์) หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแทนทาลัมแทน

เหตุใด PTFE จึงดีกว่าสำหรับกรดออกซิไดซ์
โพลี(เตตราฟลูออโรเอทิลีน) (PTFE) มีคาร์บอน-แกนหลักฟลูออรีน การเชื่อมโยงคาร์บอน-อย่างเข้มข้นทำให้ PTFE เฉื่อยกับสารเกือบทั้งหมด รวมถึงตัวออกซิไดซ์ที่มีฤทธิ์สูง เช่น ไนตริก โครมิก และกรดซัลฟิวริกเข้มข้นแบบร้อน (ที่อุณหภูมิปานกลาง) ภายใต้สภาวะเหล่านี้ PTFE จะไม่ออกซิไดซ์หรือเสื่อมสภาพ ข้อจำกัดเพียงอย่างเดียวของ PTFE คืออุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องสูงสุดซึ่งอยู่ที่ประมาณ 110–120 องศาสำหรับ PTFE ที่เป็นของแข็งในการใช้งานแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับการออกซิไดซ์กรดในช่วงอุณหภูมินั้น

คำแนะนำที่ดีก็คือ ไม่ควรใช้กราไฟท์ในบริการใดๆ ที่มีสารออกซิไดซ์อย่างแรงที่ความเข้มข้นสูงและอุณหภูมิที่สูงเกินไป นี่เป็นขอบเขตทางเคมีที่ยากลำบาก: โครงสร้างคาร์บอนของกราไฟท์ไม่สามารถทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้ ไม่ว่าจะเคลือบด้วยเรซินก็ตาม

เงื่อนไขและข้อยกเว้นของสารออกซิแดนท์เจือจาง
 

การประเมินความเสียหายจากออกซิเดชั่น