Неметаллические материалы
Силикатные материалы состоят из различных солей кремневых кислот, алюмосиликатов, кальциевых и магниевых силикатов, чистого кремнезема и др. Они устойчивы к воздействию многих агрессивных сред, что определяется их химическим составом. Причем чем больше в материале содержится оксида кремния (IV), тем выше его устойчивость к кислотам (кроме плавиковой). Но такие материалы разрушаются под действием растворов щелочей и карбонатов с образованием растворимого силиката натрия, например:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O.
Материалы, содержащие в своем составе основные оксиды, устойчивы к щелочным средам, но разрушаются минеральными кислотами.
Стекло. До недавнего времени стекло применялось исключительно в лабораторной практике, но в последнее время оно находит все более широкое применение в химико-фармацевтической промышленности как самостоятельный конструкционный материал.
Важными свойствами, обеспечивающими внедрение стекла на заводах, являются:
высокая химическая стойкость;
малый коэффициент линейного расширения;
низкая теплопроводность;
прозрачность.
К главным недостаткам стекла следует отнести:
хрупкость;
и слабое сопротивление растяжению, изгибу, удару;
чувствительность к перепадам температур.
В настоящее время стекло подвергают различным видам обработки, вплоть до закаливания и сваривания. Это позволяет изготовлять из него самые разнообразные изделия, однако наибольшее применение в ХФП нашли стеклянные трубы.
Ситаллы. Ситаллы являются стеклокристаллическими материалами, получаемыми из твердого стекла путем полной или частичной его кристаллизации, и отличаются высокой прочностью и стойкостью к термическим воздействиям, химической стойкостью. Ситаллы являются конструкционным материалом и по своей природе и технологии получения занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. Помимо химического состава, они отличаются от обычного стекла тем, что в конечном виде имеют микрокристаллическое строение, а от керамики - тем, что они производятся путем полного плавления материалов с последующим формованием изделий из стекломассы и их кристаллизацией.
Ситаллы отличаются от большинства других новых материалов возможностью регулирования ценных свойств в процессе изготовления и более прогрессивной технологией, благодаря которой различными методами (выдуванием, вытягиванием, прессованием, прокаткой) можно получать разнообразные изделия.
По твердости они во много раз превосходят стекло, а также обладают весьма высокой химической стойкостью к действию сильных окислителей, кислот, щелочей (кроме плавиковой).
Хотя изделия из ситалла в 1,3-1,5 раза дороже изделий из стекла, их применение более рационально, так как по эксплуатационным свойствам они превосходят изделия из стекла, эмали и других силикатных материалов.
Керамические изделия изготавливают из специальных сортов глины путем формования, сушки и последующего обжига до образования каменнообразного черепка. В процессе обжига изделия покрывают глазурью, состоящей из базальта и специальных легкоплавких глин, для придания им кислотостойкости и непроницаемости.
Керамические материалы обладают высокой стойкостью к минеральным кислотам (за исключением плавиковой кислоты), стойки ко всем органическим растворителям и в несколько меньшей степени - к растворам щелочей.
Керамические изделия весьма долговечны и выходят из строя только вследствие механического разрушения. Однако они чувствительны к резким переменам температуры, поэтому нагрев и охлаждение должны проводиться медленно. Не рекомендуется проводить нагрев аппаратов прямым огнем, а при паровом обогреве температура не должна превышать 120 °С.
К другим недостаткам керамики относится ее чувствительность к ударам, толчкам, натяжениям, изгибам и т.д., что заставляет соблюдать правила эксплуатации, аналогичные правилам эксплуатации эмалированной аппаратуры.
Из керамики изготавливают разнообразную химическую аппаратуру: небольшие емкостные аппараты, поверхностные абсорберы, небольшие колонные аппараты, трубопроводы и трубопроводную арматуру.
Углеграфитовые материалы. Исходным сырьем для углеграфитовых материалов является графит, который для снижения пористости пропитывают связующими смолами - фенолформальдегидными, кремнийорганическими, эпоксидными и др.
Графит устойчив к действию большинства химически агрессивных сред, в том числе и кислот - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40 %), серной (до 50 %), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию растворов щелочей.
Графитовые материалы хорошо поддаются механической обработке и склеиваются (обычно фенолформальдегидными смолами) с последующей термообработкой.
Удельный вес графита примерно в четыре раза меньше удельного веса стали, поэтому конструкции из графитовых материалов значительно легче аналогичных металлических конструкций.
Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют при изготовлении теплообменников. Кроме того, из него делают трубопроводную арматуру.
Конструкционные материалы органического происхождения (пластмассы)
Название пластические массы дано этим материалам потому, что в процессе их образования, на определенной стадии, они обладают высокой пластичностью. Это свойство пластмасс позволяет изготавливать из них изделия самой разнообразной, нередко очень сложной формы путем использования методов литья, экструзии (вдувания), штамповки и т.д. Пластмассы хорошо обрабатываются режущим инструментом. Многие сорта пластмасс допускают сварку и склеивание.
Общими положительными свойствами пластмасс являются:
- малая по сравнению с металлами и керамикой плотность (900-1500 кг/м3),
- довольно значительная, а подчас и высокая механическая прочность,
- исключительная химическая стойкость. Пластмассы обладают высокой стойкостью к большинству электролитов (за исключением сильных окислителей и концентрированной серной кислоты), во многих случаях оказываются хорошими заменителями металлов.
К отрицательным свойствам пластических масс относятся:
- повышенная по сравнению с металлами хрупкость, малая теплостойкость,
- значительный коэффициент линейного термического расширения
- и способность некоторых из них к текучести под влиянием длительных нагрузок (особенно при повышенной температуре).
Многие такие материалы обладают высокими диэлектрическими свойствами, что при движении жидкостей по пластмассовым трубопроводам может привести к накоплению зарядов статического электричества и явиться причиной загорания и взрывов. Снять заряды с трубопроводов из пластмасс довольно сложно.
Пластические массы разделяются на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры имеют линейное
или разветвленное
строение (где А - элементарное звено мономера). Под влиянием тепла и давления они переходят в пластическое состояние, не претерпевая при этом химических изменений. Форма, приданная такому материалу при нагреве, сохраняется после остывания, но при повторном нагреве может быть изменена. Это свойство обусловливает практически очень длительное использование оборудования из термопластичных материалов, так как оно не разрушается от химического воздействия, а в случае изменения схемы производства может быть разобрано, форма фасонных его частей изменена в соответствии с новыми условиями и оборудованию придана новая необходимая конфигурация.
В растворителях термореактивные пластмассы набухают или растворяются.
Термореактивные пластмассы под действием тепла и давления подвергаются коренным необратимым изменениям, следовательно, после термообработки изделия из них навсегда сохраняют приданную им форму. Такие полимеры имеют сетчатое пространственное строение:
Химические связи между цепями макромолекул делают их нерастворимыми и неплавкими.
При синтезе термореактивных пластмасс сначала получают полимеры линейного строения, которые при нагреве и воздействии отвердителей в процессе переработки пластмасс в изделие приобретают пространственное строение, причем, регулируя частоту сетки, т.е. химические связи между макромолекулами, полимерам придают определенные свойства. Полимеры, имеющие пространственное строение, обладают повышенной термостойкостью, более высокими упругими свойствами по сравнению с полимерами, имеющими линейное или разветвленное строение.
Защитные покрытия Защита металлов от коррозии
коррозия химический аппаратура материал
Металлические покрытия. Для обеспечения амортизационного срока службы аппарата достаточен слой коррозионно-стойкого материала толщиной в несколько миллиметров, а для обеспечения условий прочности нужна стенка значительно большей толщины. Один из эффективных способов экономии дефицитных коррозионностойких сталей - применение двухслойных материалов, основой которых является относительно дешевая углеродистая сталь, а вторым слоем - цветной или легированный металл.
Неметаллические неорганические покрытия. К этим видам защитных покрытий относятся эмалирование и футеровка аппаратов.
Эмалирование применяется в тех случаях, когда через защищаемую от коррозии поверхность металла необходимо передавать значительные количества тепла.
Эмалирование - это многократное наплавление стекловидного материала на поверхность металла при повышенных (760-900 °С) температурах до получения сплошного покрытия, толщина которого составляет 0,8-1,2 мм.
Сначала наносят слой грунтовой эмали, предназначенной для прочного соединения покрытия с металлической поверхностью и компенсации градиента температурных коэффициентов линейного расширения металла и наплавленного слоя из покровной эмали.
А затем наносят слой покровной эмали, обеспечивающей коррозионную защиту.
По функциональному назначению покровные эмали условно можно разделить на следующие группы:
кислотостойкие, применяемые для защиты химического оборудования из стали и чугуна от воздействия кислых сред любой концентрации за исключением плавиковой кислоты и ее производных;
кислотостойкие с повышенной щелочестойкостью, применяемые для защиты химического оборудования из стали и чугуна от воздействия кислот любой концентрации, их солей и слабых растворов щелочей;
универсальные, применяемые для защиты химического оборудования из стали и чугуна от воздействия переменных (кислота - щелочь) и нейтральных сред;
Качество покрытия, нанесенного на поверхность металла, в основном зависит от качества подготовки поверхности изделия к нанесению покрытия. Подготовку металла осуществляется в 2 стадии: термическая обработка и механическая.
Футеровкой называется покрытие поверхности аппаратов, подвергающейся коррозии, химически стойким облицовочным материалом (в большинстве случаев плитками).
В качестве облицовочных материалов применяют метлахские плитки, кислотоупорный кирпич, стеклянные, графитовые, диабазовые плитки, плитки из каменного литья, а также полимерные материалы (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и т.д.). Наиболее распространена футеровка диабазовыми плитками и плитками из каменного литья. Эти материалы обладают хорошей химической стойкостью и выдерживают воздействие кислот и щелочей как на холоду, так и при нагревании.
Покрытия из органических материалов. В качестве защитных покрытий этого типа в химической промышленности применяются гуммирование, покрытие некоторыми пластмассами, а также лакокрасочными материалами.
Гуммирование - это покрытие поверхности аппарата резиной.
Серийные гуммировочные материалы изготовляют на основе натурального (изопренового) и синтетических (бутадиенового) каучуков, смешанных с наполнителями (сажей, серой, белилами).
Сырой каучук липок, непрочен, а при небольшом понижении температуры становится хрупким. Чтобы придать изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации - вводят в него серу, а затем нагревают. Вулканизованный каучук называется резиной. При вулканизации сера присоединяется к двойным связям макромолекул каучука и "сшивает" их, образуя дисульфидные мостики:
В зависимости от содержания серы в смеси различают мягкую резину, твердую резину (эбонит) и промежуточный тип - жесткую резину (полуэбонит). Свойства резин обуславливаются как составом каучуков, так и содержанием серы. Мягкая резина содержит 0,8-4 % серы, полутвердая - 12-20 %, твердая - 30-50 % от массы каучука.
Лакокрасочные покрытия применяют для защиты от коррозии наружных поверхностей аппаратуры и емкостей и коммуникаций.