질산 및 크롬산과 같은 산화성 산과 흑연 열 교환기의 호환성은 무엇입니까?

흑연의 아킬레스건은 산화제에 대한 민감성입니다. PTFE는 거의 모든 것에 대해 불활성입니다. 반면에 흑연은 특정 조건에서 질산, 크롬산, 심지어 끓는 농축 황산에 의해 빠르게 공격받을 수 있습니다. 불침투성 흑연 열 교환기는 환원 조건(예: 염산, 묽은 황산, 인산)에서 우수한 서비스 수명을 갖지만 산화성 산과의 호환성은 매우 제한적입니다. 치명적인 장비 고장과 불필요한 가동 중지 시간을 방지하려면 산화성 산과 흑연의 호환성을 이해하는 것이 중요합니다.

산화 공격 메커니즘
흑연은 탄소 원소의 일종입니다. 강한 산화제는 탄소 격자를 화학적으로 공격하여 이를 이산화탄소(CO 2 ), 일산화탄소(CO) 또는 기타 산화된 분자로 전환합니다. 전체 반응은 다음과 같이 일반화될 수 있습니다.

O2 + C(산화기에서)=CO2 + O(산화기에서)=COx

이 과정은 흑연 물질을 먹고 천천히 고체 탄소를 가스로 변환합니다. 이로 인해 구조적 무결성이 손실되고 표면이 패이게 되며 궁극적으로 튜브 벽이나 블록 채널에 천공이 발생하게 됩니다. 초기 보호는 산화제와 흑연 기판 사이에 장벽을 형성하는 함침 수지(보통 페놀계)에 의해 제공됩니다. 그러나 수지 자체도 산화되기 쉽습니다. 화학적 공격, 미세 균열, 열 순환 등에 의해 수지에 구멍이 뚫리면 밑에 있는 흑연이 직접 공격을 받아 신속하게 파괴됩니다.

많은 산화 서비스에서 탄소 손실 속도가 너무 빨라서 흑연 열교환기가 몇 년이 아닌 며칠 또는 몇 주 안에 고장날 수 있습니다.

일반적인 산화제와 특정 비호환성
흑연 호환성 산화성 PTFE 호환성 설명
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >뜨거운 온도에서 5% 농도 최대 110도까지 좋음 희석(<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
크롬산(H2CrO₄) 매우 나쁨. 모든 농도와 온도. 최대 110도까지 우수크롬산은 강력한 산화제입니다. 흑연은 권장되지 않습니다.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150C좋음 ~ 110C(온도에 따라 제한됨) 흑연은 96% H2SO4로 희석되지 않음 ~150C; 고온에서는 거의 98%가 산화됩니다.
과염소산(HClO₄) 위험함; 강한 반응 가능성 있음우수(저온) 흑연은 산화 및 폭발 위험이 있으므로 과염소산과 함께 사용해서는 안 됩니다.
혼합산(왕수, 니트로황산)나쁨; 빠른 공격 최대 110도까지 우수 산화 조합이 개별 산보다 더 활성적임
질산: 농도 및 온도 한계
산화성 산과 흑연 상용성의 한계는 질산의 경우 다소 심각합니다. 주변 온도(30도 이하) 및 약 5% 농도 미만에 단기간 노출되면 약간의 명백한 공격이 발생할 수 있습니다. 그러나 농도나 온도가 증가하면 산화가 실질적으로 촉진됩니다. 흑연 열교환기는 10~20% 질산 및 50도에서 몇 시간 내에 눈에 띄는 표면 저하를 겪습니다. 50% 질산과 끓는점에 가까운 온도에서 흑연은 빠르게 소모됩니다.

결과적으로 산업 관행에서는 산이 매우 묽고 차갑고 중요하지 않은 용도로 사용되지 않는 한 질산과 함께 사용하는 흑연을 제외합니다.- 그래도 PTFE 또는 기타 재료(세라믹, 탄탈륨, 지르코늄)를 적극 권장합니다.

크롬산: 급속한 비호환성
크롬산(H2CrO4)은 산업 현장에서 발견되는 가장 강한 산화성 화학물질 중 하나입니다. 이는 금속 연마 및 양극 산화 처리 욕조에 사용됩니다. 차가운 희석 용액을 포함한 모든 농도와 온도에서 흑연을 공격합니다. 보호용 수지 피복은 장기간 크롬산을 견딜 수 없습니다. 크롬산에 노출된 모든 흑연 부품, 열교환기, 밸브 또는 스파저는 일반적으로 며칠 내에 신속하게 파손됩니다. 온도가 PTFE 한계(약 110C)보다 낮으면 PTFE 열 교환기가 크롬산 가열 또는 냉각 작업에 표준이 됩니다.

고온 농축 황산: 전환 사례 연구
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%)는 적당한 온도(<=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.

이러한 작업(예: 황산 농축기 또는 발연황 서비스)의 경우 온도가 작동 한계를 초과하므로 PTFE는 적합한 선택이 아닙니다. 대신 세라믹(유리, 탄화규소) 또는 탄탈륨 열교환기가 사용됩니다.

산화성 산에 PTFE가 더 나은 이유
폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE)에는 탄소-불소 골격이 있습니다. 강한 탄소-불소 결합으로 인해 PTFE는 질산, 크롬산, 고온 농축 황산(중간 온도)과 같은 강력한 산화제를 포함한 거의 모든 물질에 대해 불활성입니다. 이러한 조건에서 PTFE는 산화되거나 열화되지 않습니다. PTFE의 유일한 한계는 열 교환기 응용 분야에서 고체 PTFE의 경우 최대 연속 작동 온도가 약 110~120도라는 것입니다. PTFE는 해당 온도 범위에서 산성 산화 작업을 위해 선택되는 재료입니다.

매우 좋은 지침은 상당한 농도와 과도한 온도에서 강한 산화제가 존재하는 모든 서비스에 흑연을 사용해서는 안 된다는 것입니다. 이것은 엄격한 화학적 경계입니다. 흑연의 탄소 구조는 수지 함침에 관계없이 산화를 견딜 수 없습니다.

희석산화제 조건 및 예외
 

산화 손상 평가