Неметаллические материалы

Древесина. Наиболее старым неметаллическим материа­лом, применяемым для изготовления химической аппаратуры, яв­ляется древесина. Она устойчива к действию ряда агрессивных веществ, в том числе органических кислот, разбавленных H₂SO₄, НС1, HF, концентрированной НзР0₄, к спиртам, хлорированным углеводородам и т. д. Поэтому из древесины изготовляют храни­лища, баки, мерники, трубопроводы (из фанеры), рамы для фильтр-прессов и т. д. Однако в связи с огне- и взрывоопасностью производств ООС и СК применение древесины в этих производ­ствах крайне ограничено.

Огне- и коррозионная стойкость древесины могут быть повы­шены пропиткой ее сответствующими веществами.

Уголь и графит. Все возрастающее применение для изготовле­ния химической аппаратуры получают уголь и графит, что объясняется прежде всего высокой инертностью этих материалов к большинству агрессивных сред. Уголь и графит стойки к неорга­ническим и органическим кислотам (кроме окисляющих), в том числе к НС1, HP, НзР0₄, СНзСООН, к щелочам, органическим растворителям и растворам солей. Особенно высока химическая стойкость угля, который разрушается только сильными окислите­лями. Угольные и графитовые изделия обладают высокой тепло- и электропроводностью и, вследствие малого коэффициента рас­ширения, стойки к резким многократным перепадам темпера­тур.

Графит отличается от угля более высокими физико-механиче­скими свойствами. Так, электропроводность графита в 4 раза, а теплопроводность в 13—15 раз выше, чем у угля, и в 5—6 раз вы­ше, чем у стали (марки Х18Н9). Поэтому графит незаменим, на­пример, для изготовления теплообменной аппаратуры, когда по характеру агрессивной среды металлы и сплавы непригодны.

Основным недостатком графитовых материалов (как и уголь­ных, но в несколько меньшей степени) является их пористость и вследствие этого проницаемость для жидкостей и газов. Для устранения пористости графит пропитывают различными химически стойкими органическими смолами, чаще всего фенолоформальдегидной.

Представляют большой интерес материалы на основе графи­товых порошков и связующих—графитопласты и графитолиты.

Графитопласты (антегмиты)—коррозионно-стойкие теп­лопроводные материалы, получаемые прессованием композиций из графита и фенолоформальдегидной смолы с последующей термооб­работкой. Выпускаются три марки: АТМ-1, АТМ-10 и АТМ-1Г.

Графитолиты, или литьевые графиты, представляют собой материалы, полученные методом литья при холодном отверждении композиций на основе графитового порошка, синтетических смол и отвердителей. Выпускаются три марки графитолитов: НЛ, ГФНЛ и 5ЭФНЛ соответственно на основе фенолоформальдегидной, фуриловой и эпоксидной смол. Достоинством этих материалов яв­ляется способность при литье хорошо заполнять форму и прочно соединяться с металлическими деталями (болты, гайки и др.), по­мещаемыми в форму.

Из пропитанного графита, графитопластов и графитолитов из­готовляют самую разнообразную аппаратуру: теплообменники, ис­парители, абсорберы, центробежные насосы, футеровочные плитки и т. д. Существенный недостаток таких материалов—низкая по сравнению с металлами механическая (особенно ударная) проч­ность, что ограничивает их применение.

Керамика. Большое значение имеют керамические кислото- и огнеупорные материалы, благодаря особой стойкости к действию высоких температур и агрессивных сред.

Каменно-керамические и фарфоровые изделия широко приме­няются в виде футеровочных плиток, кирпичей и т. п. для футе­ровки стальной аппаратуры, а также в качестве самостоятельных конструкций для, работы с рядом агрессивных жидкостей и га­зов (реакционная аппаратура, насосы, трубопроводы, арматура и др.).

Огнеупорные материалы широко Используются для футеровки аппаратов, работающих под воздействием агрессивных сред при высоких температурах.

Стекло. Обладает высокой химической стойкостью к кислотам (кроме HF, НзР04, горячей H₂SiF₆), холодным щелочам, органиче­ским растворителям и другим агрессивным средам, имеет малый коэффициент линейного расширения, сохраняет свои свойства в значительном интервале температур, обладает высокими электро­изоляционными свойствами. Стекло непористо, негорюче, прозрач­но, гигиенично, легко очищается. Особенно целесообразно его при­менение для производства труб, причем употребляется нетермо­стойкое стекло (обычное оконное марки ВВС) и термостойкое (боросиликатное и безборное слабощелочное). Стоимость стеклян­ных труб значительно ниже.стоимости труб из многих коррозион-ностойких материалов.

Существенным недостатком стеклянных трубопроводов яв­ляется их хрупкость, невысокое сопротивление растяжению и из­гибу. Это требует соблюдения специальных правил монтажа стек­лянных трубопроводов и высокой культуры эксплуатации.

Недостатком стеклянных трубопроводов из обычного оконного стекла является также небольшой допустимый перепад температур между перекачиваемой по трубопроводу жидкостью и окружаю­щей средой.

Широкую известность приобрели новые своеобразные стеклокристаллические материалы, получаемые из твердого стекла путем полной или частичной его кристаллизации и отличающиеся высокой прочностью и стойкостью к термическим воздействиям, а так­же хорошими диэлектрическими и химическими свойствами. Они известны под названием ситаллов.

Изделия из ситаллов могут работать в агрессивных средах при температуре до 1000 °С и выдерживать резкие перепады темпера­тур. Они отличаются высокой стойкостью во всех минеральных кислотах до 300 °С, в том числе в смеси азотной и серной. Относи­тельный температурный коэффициент линейного расширения си­таллов близок к нулю.

Пластмассы. В практику химического аппаратостроения во все возрастающей степени внедряются также пластические массы.

Большое значение приобрел винипласт, представляющий собой поливинилхлорид, стабилизованный добавками соответ­ствующих веществ.

Винипласт обладает высокой механической прочностью при обычных температурах, повышенной огнестойкостью и высокой хи­мической стойкостью. Он отлично сопротивляется действию почти всех кислот, щелочей и растворов солей любых концентраций. Иск­лючение составляют сильные, окислители (концентрированная НNОз, олеум и т. п.). Винипласт нерастворим и во многих органи­ческих соединениях, за исключением ароматических и хлорирован­ных углеводородов. Однако необходимо иметь в виду, что он имеет довольно узкие пределы рабочих температур: от —15 до +60 °С. Выше 60 °С он заметно размягчается. Несмотря на это, винипласт получил очень большое распространение благодаря своим исклю­чительным технологическим свойствам:

1) он термопластичен, и при повышенной температуре из него можно формовать различные изделия, без труда изменять их фор­му при нагревании (например, гнуть трубы);

2) легко поддается механической обработке, его можно свер­лить, строгать, резать и т. д.;

3) листы и изделия из винипласта можно сваривать с помощью сварочного прутка, изготовленного из пластифицированного поливинилхлорида, струёй горячего воздуха (200—220°С), что пред­ставляет огромные удобства при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования.

Винипласт широко применяется для изготовления труб, арма­туры, различных деталей, сосудов и реакторов, заменяя с успе­хом в ряде случаев цветные металлы и высоколегированные стали. Из винипласта ВН, ВП, ВНТ выпускаются листы, трубы, стержни, сварочные прутки.

Для химического аппаратостроения применяется полиэти­лен, сочетающий высокую химическую стойкость с морозостойко­стью, небольшой плотностью, легкой перерабатываемостью, меха­нической прочностью и хорошими диэлектрическими показателями. Полиэтилен выдерживает действие растворов щелочей, солей и кис­лот, в том числе и HF, но разрушается в присутствии окислителей (растворов НNОз, перекисей). При повышенных температурах он набухает, даже растворяется в бензоле, толуоле; т. пл. от 110 до 135 °С. Промышленностью выпускаются полиэтилены высокого, низкого и среднего давления, различающиеся по свойствам.

Еще больший интерес представляет полипропилен, обла­дающий многими положительными качествами, присущими поли­этилену. Это объясняется значительно большим средним молеку­лярным весом полипропилена и большей степенью его кристал­личности по сравнению с полиэтиленом. В отличие от полиэтилена, полипропилен меньше подвержен окислительной деструкции; при обычной температуре он обладает незначительной хладотекучестью и может, сохраняя форму, длительное время находиться под на­грузкой при 100 °С. Полиэтилен и полипропилен исключительно легко поддаются литью, хорошо свариваются методом контактной сварки(без применения присадочного материала) и сварки с при­садочным прутком, изготовленным из того же материала. Их можно подвергать всем видам механической обработки.

Все большее значение эти полимеры приобретают в произ­водстве труб благодаря их механической прочности, легкости и простоте изготовления и сборки. Особенно высокое качество труб достигается при их ориентации (вытяжке) непосредственно после формования.

Из полиэтилена и полипропилена изготавливают листы раз­личной толщины, которые можно использовать для корпусов прибо­ров и аппаратов. Очень широкое применение эти пластики находят при изготовлении тары для агрессивных, сред и пленочного упако­вочного материала. Пленки из полипропилена по сравнению с пленками из полиэтилена имеют более высокую газо- и паронепроницаемость, они более эластичны, но морозостойкость их ниже (—35 вместо—60 °С).

Исключительно ценными качествами обладают фторопласты:

фторопласт-4, фторопласт-4Д, фторопласт-40 и др., представляю­щие собой политетрафторэтилены, и политрифторхлорэтилены, вы­пускаемые под названием фторопласт-3, фторопласт-3М и др.

Фторопласт-4 практически стоек к действию любых органиче­ских и неорганических сред (в том числе концентрированной HNO₃ и перекисей при повышенной температуре, паров ртути, озона), разрушается лишь под влиянием расплавленных щелочных метал­лов " или их растворов в жидком аммиаке, а также под действием фтора при высоких температурах. Фторопласт-4 исключительно стоек к атмосферным воздействиям. Температурный интервал его применения находится в пределах от —269 до +260 °С, т. е. го­раздо шире, чем у других термопластов и очень многих отвержденных материалов. Его недостатки — повышенная хладотекучесть под нагрузкой, сравнительно невысокая прочность при статических на­грузках и большая трудность изготовления из него деталей, а также сборки последних.

Фторопласт-4Д является модифицированным политетрафторэтиленом и представляет собой водные суспензии или пасты тон­кодисперсного порошка фторопласта-4. Из паст методом экструзии с последующим спеканием получают трубы, стержни и другие из­делия с более сложным профилем.

Фторопласт-40 и фторопласт-42 также представляют собой мо­дифицированные фторопласты, которые можно обрабатывать прес­сованием, экструзией, литьем под давлением и сваривать горячим способом.

Несмотря на сравнительно высокую стоимость, фторопласты, во все возрастающих размерах, используются в химической про­мышленности для изготовления ответственных деталей химических аппаратов и арматуры: уплотнительных прокладок, сальниковых набивок, мембран и клапанов, фонарей, смотровых и мерных сте­кол (из прозрачных фторопластов), а также более сложных деталей.

Помимо перечисленных пластических масс, относящихся к тер­мопластам, большой интерес для химического аппаратостроения представляют отверждающиеся пластические массы (термореак­тивные полимеры).

Пресс-изделия из термореактивных полимеров имеют ряд преимуществ по сравнению с изделиями из термопластов: практически полное отсутствие хладотекучести под нагрузкой (ни­же температуры теплостойкости) и, как правило, более высокая теплостойкость, нерастворимость и незначительная набухаемость, а также малые изменения объема и физико-механических свойств.

Большое применение в промышленности находят волокниты, представляющие собой сочетание отверждающей смолы (фенолоформальдегидной и др.) с волокнистым наполнителем (хлоп­чатобумажными очесами, асбестовым волокном, стекловолокном).

Фенолоформальдегидные асбоволокниты, вальцованные в ви­де листов, известны под названием фаолитов.

Наибольшее применение нашел фаолит А (наполнитель—кис­лотостойкий асбест), химически стойкий ко всем кислотам (за ис­ключением окисляющих и концентрированной H₂S0₄), растворам различных солей, некоторым органическим соединениям (бензол, формалин, дихлорэтан) и некоторым газам (хлор, сернистый газ при 90—100 °С). Однако фаолит А нестоек в щелочах.

Фаолит Т (наполнитель—смесь молотого графита и хризотилового асбеста) по сравению с фаолитом А обладает повышенной теплопроводностью, но труднее поддается механической обработке.

Химическая стойкость фаолитов во многих агрессивных сре­дах, низкая плотность (1500—1670 кг/м³) и способность к формо­ванию позволяют изготовлять из них самую разнообразную хи­мическую аппаратуру (трубы, насосы, абсорбционные и ректифи­кационные колонны и др.).

Среди асбоволокнитов чрезвычайно стойким материалом яв­ляется асбовинил, в качестве связующего применяется лак этиноль (продукт полимеризации дивинилацетилена). Асбовинил по свойствам близок к фаолиту, но имеет по сравнению с ним, а также с винипластом некоторые преимущества: хорошую адгезию к металлу, бетону, дереву, керамике; способность отверждаться и переходить в необратимую форму не только при повышенных, но и при обычных температурах; защитные свойства, сохраняющиеся в пределах от —50 до +110°С.

Асбовинил можно использоватьне только как футеровочный, но и как самостоятельный конструкционный материал для изготов­ления труб, арматуры, а также отдельных деталей аппаратов.

Все большее применение находят стекловолокниты, по­лучаемые на основе стекловолокон и различных смол—полиэфир­ных, фенолоформальдегидных, эпоксидных, кремнийорганических и т.д., —обладающие высокой механической прочностью и негорю­честью. Стекловолокниты на основе эпоксидных и фенолоформаль­дегидных смол отличаются высокой химической стойкостью к аг­рессивным средам.

Широко применяются текстолиты, выпускаемые в виде ли­стов, плит и труб. Они выгодно сочетают достаточно высокую ме­ханическую прочность с низкой плотностью, износостойкостью и вы­сокой химической стойкостью к различным средам, а также хорошо обрабатываются на. механическом оборудовании.