नाइट्रिक और क्रोमिक जैसे ऑक्सीकरण एसिड के साथ ग्रेफाइट हीट एक्सचेंजर्स की संगतता क्या है?
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ग्रेफाइट की एच्लीस हील इसकी ऑक्सीकरण एजेंटों के प्रति संवेदनशीलता है। पीटीएफई लगभग हर चीज के लिए निष्क्रिय है। दूसरी ओर, ग्रेफाइट पर नाइट्रिक एसिड, क्रोमिक एसिड और यहां तक कि कुछ शर्तों के तहत केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड को उबालने से भी तेजी से हमला किया जा सकता है। अभेद्य ग्रेफाइट हीट एक्सचेंजर्स में कम करने वाली स्थितियों (यानी हाइड्रोक्लोरिक, पतला सल्फ्यूरिक, फॉस्फोरिक एसिड) में उत्कृष्ट सेवा जीवन होता है लेकिन ऑक्सीकरण एसिड के साथ बहुत सीमित संगतता होती है। विनाशकारी उपकरण विफलता और अनावश्यक डाउनटाइम को रोकने के लिए ऑक्सीकरण एसिड के साथ ग्रेफाइट संगतता को समझना महत्वपूर्ण है।
ऑक्सीडेटिव आक्रमण तंत्र
ग्रेफाइट एक प्रकार का तत्व कार्बन है। मजबूत ऑक्सीडाइज़र रासायनिक रूप से कार्बन जाली पर हमला करते हैं, इसे कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ 2), कार्बन मोनोऑक्साइड (सीओ) या अन्य ऑक्सीकृत अणुओं में बदल देते हैं। संपूर्ण प्रतिक्रिया को इस प्रकार सामान्यीकृत किया जा सकता है:
O2 + C(ऑक्सीकारक से)=CO2 + O(आक्सीकारक से)=COx
यह प्रक्रिया ग्रेफाइट सामग्री को खाती है और धीरे-धीरे ठोस कार्बन को गैस में परिवर्तित करती है। इसके परिणामस्वरूप संरचनात्मक अखंडता का नुकसान होता है, सतह पर गड्ढा हो जाता है और अंततः ट्यूब की दीवारों या ब्लॉक चैनलों में छिद्र हो जाता है। प्रारंभिक सुरक्षा संसेचन राल (आमतौर पर फेनोलिक) द्वारा प्रदान की जाती है, जो ऑक्सीडाइज़र और ग्रेफाइट सब्सट्रेट के बीच एक अवरोध स्थापित करती है। लेकिन राल स्वयं भी ऑक्सीकरण के प्रति संवेदनशील होती है। यदि राल में छेद हो जाता है - रासायनिक हमले, माइक्रोक्रैक, हीट साइक्लिंग आदि द्वारा - अंतर्निहित ग्रेफाइट पर सीधे हमला किया जाता है और तेजी से नष्ट हो जाता है।
कई ऑक्सीकरण सेवाओं में, कार्बन हानि की दर इतनी तेज़ होती है कि ग्रेफाइट हीट एक्सचेंजर वर्षों में नहीं बल्कि दिनों या हफ्तों में विफल हो सकता है।
सामान्य ऑक्सीडाइज़र और विशिष्ट असंगतियाँ
ग्रेफाइट संगतता ऑक्सीडाइज़िंग एसिड पीटीएफई संगतता टिप्पणियाँ
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >गर्म तापमान पर 5% सांद्रता, 110 डिग्री तक अच्छा पतला (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
क्रोमिक एसिड (H₂CrO₄) बहुत खराब। सभी सांद्रता और तापमान। 110 डिग्री तक उत्कृष्ट क्रोमिक एसिड एक शक्तिशाली ऑक्सीडाइज़र है। ग्रेफाइट की सलाह नहीं दी जाती है।
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 सी 110 सी तक अच्छा (तापमान द्वारा सीमित) 96% एच2एसओ4 से ~150 सी तक पतला करने के लिए ग्रेफाइट प्रतिरोधी; उच्च तापमान पर लगभग 98% ऑक्सीकरण हो जाता है
पर्क्लोरिक एसिड (HClO₄) खतरनाक; तीव्र प्रतिक्रिया की संभावनाउत्कृष्ट (ठंडा) ऑक्सीकरण और विस्फोटक खतरे के कारण ग्रेफाइट का उपयोग कभी भी पर्क्लोरिक एसिड के साथ नहीं किया जाना चाहिए
मिश्रित अम्ल (एक्वा रेजिया, नाइट्रोसल्फ्यूरिक एसिड) ख़राब; तेज़ हमला 110 डिग्री तक उत्कृष्ट ऑक्सीकरण संयोजन व्यक्तिगत एसिड की तुलना में अधिक सक्रिय होते हैं
नाइट्रिक एसिड: एकाग्रता और तापमान सीमाएँ
ऑक्सीकरण एसिड के साथ ग्रेफाइट संगतता की सीमा नाइट्रिक एसिड के लिए काफी गंभीर है। परिवेश के तापमान (30 डिग्री से कम या उसके बराबर) और लगभग 5% से कम सांद्रता के अल्पकालिक संपर्क से मामूली स्पष्ट हमला हो सकता है। हालाँकि, सांद्रता या तापमान में वृद्धि ऑक्सीकरण को काफी हद तक बढ़ावा देती है। ग्रेफाइट हीट एक्सचेंजर्स 10-20% नाइट्रिक एसिड और 50 डिग्री पर घंटों में ध्यान देने योग्य सतह क्षरण का सामना करते हैं। 50% नाइट्रिक एसिड और लगभग उबलते तापमान पर, ग्रेफाइट जल्दी से भस्म हो जाता है।
नतीजतन, औद्योगिक अभ्यास नाइट्रिक एसिड के साथ उपयोग के लिए ग्रेफाइट को बाहर करता है जब तक कि एसिड बहुत पतला, ठंडा न हो और गैर-महत्वपूर्ण अनुप्रयोग में उपयोग किया जाता हो। फिर भी, पीटीएफई या अन्य सामग्री (सिरेमिक, टैंटलम, ज़िरकोनियम) की अत्यधिक अनुशंसा की जाती है।
क्रोमिक एसिड: तीव्र असंगति
क्रोमिक एसिड (एच 2 सीआरओ 4) औद्योगिक परिचालन में पाए जाने वाले सबसे मजबूत ऑक्सीकरण रसायनों में से एक है। इसका उपयोग धातु पॉलिशिंग और एनोडाइजिंग स्नान में किया जाता है। यह ठंडे तनु विलयनों सहित सभी सांद्रताओं और सभी तापमानों पर ग्रेफाइट पर हमला करता है। कोई भी सुरक्षात्मक राल आवरण लंबे समय तक क्रोमिक एसिड को सहन नहीं करेगा। क्रोमिक एसिड के संपर्क में आने वाला कोई भी ग्रेफाइट भाग, हीट एक्सचेंजर, वाल्व या स्पार्गर तेजी से टूट जाएगा, आमतौर पर कुछ दिनों के भीतर। यदि तापमान पीटीएफई (लगभग 110 सी) की सीमा से नीचे है तो पीटीएफई हीट एक्सचेंजर्स क्रोमिक एसिड हीटिंग या कूलिंग कार्यों के लिए आदर्श हैं।
गर्म सांद्रित सल्फ्यूरिक एसिड: संक्रमण का एक केस अध्ययन
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%) मध्यम तापमान पर उपयुक्त है (<=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.
ऐसे परिचालनों के लिए (जैसे, सल्फ्यूरिक एसिड सांद्रक या ओलियम सेवा) पीटीएफई एक व्यवहार्य विकल्प नहीं है क्योंकि तापमान परिचालन सीमा से ऊपर है। इसके बजाय, सिरेमिक (ग्लास, सिलिकॉन कार्बाइड) या टैंटलम हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग किया जाता है।
ऑक्सीकरण एसिड के लिए पीटीएफई बेहतर क्यों है?
पॉली (टेट्राफ्लुओरोएथिलीन) (पीटीएफई) में कार्बन {{0}फ्लोरीन बैकबोन होता है। मजबूत कार्बन फ्लोरीन लिंकेज पीटीएफई को नाइट्रिक, क्रोमिक और गर्म केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड (मध्यम तापमान पर) जैसे शक्तिशाली ऑक्सीडाइज़र सहित लगभग सभी पदार्थों को निष्क्रिय बना देता है। इन परिस्थितियों में, PTFE ऑक्सीकरण या ख़राब नहीं होता है। पीटीएफई की एकमात्र सीमा अधिकतम निरंतर ऑपरेटिंग तापमान है जो हीट एक्सचेंजर अनुप्रयोगों में ठोस पीटीएफई के लिए लगभग 110-120 डिग्री है। पीटीएफई उस तापमान सीमा में ऑक्सीकरण एसिड कर्तव्य के लिए पसंद की सामग्री है।
एक बहुत अच्छी मार्गदर्शिका यह है कि ग्रेफाइट का उपयोग ऐसी किसी भी सेवा में नहीं किया जाना चाहिए जहां पर्याप्त सांद्रता और अत्यधिक तापमान पर एक मजबूत ऑक्सीडाइज़र मौजूद हो। यह एक कठिन रासायनिक सीमा है: ग्रेफाइट की कार्बन संरचना ऑक्सीकरण का सामना नहीं कर सकती है, चाहे राल संसेचन कोई भी हो।
तनु ऑक्सीडेंट स्थितियाँ और अपवाद
ऑक्सीडेटिव क्षति मूल्यांकन
