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

 

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.

 

Детали реакторов

 

Обечайки, крышки и днища

 

Обечайка. Обечайка является главным составным элементом корпуса, это наиболее материалоемкий и ответственный узел (деталь) любого химического аппарата.

С точки зрения экономии материала и равномерного распределения напряжений, возникающих в материале стенок от нагрузок, наиболее благоприятной формой для обечайки является сферическая. Сфера обладает наибольшей поверхностью на единицу объема, и при заданном давлении толщина стенки ее оказывается минимальной. Однако изготовление сферических оболочек более сложно и дорого, чем изготовление цилиндрических обечаек. Кроме того, сфера – весьма неподходящая форма для размещения внутренних рабочих устройств аппарата и для организации тока взаимодействующих агентов. Поэтому сферическую форму придают или большим хранилищам для жидкостей и газов, в которых благодаря этому удается уменьшить вес конструкции, или аппаратам, в которых наименьшее отношение их наружной поверхности к объему существенно важно для хорошей работы, как, например, в танках для жидкого кислорода.

Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили цилиндрические обечайки. Главным их достоинством является простота изготовления и рациональный расход материала. Поэтому при конструировании аппаратов, если это не идет в разрез с какими-либо особыми требованиями, предъявляемыми к аппарату, рекомендуется применять цилиндрические обечайки.

Значительно реже применяются емкостные аппараты, ограниченные не поверхностями вращения, а плоскими стенками. Плоские стенки (коробчатая обечайка) применяются только в аппаратуре, работающей при небольших перепадах давлений. Плоские стенки невыгодны потому, что они плохо сопротивляются действующему на них давлению и расход металла на единицу полезного объема в таких конструкциях бывает более высок. Удельный расход металла на изготовление прямоугольных резервуаров составляет от 90 до 130 кг на 1 м³ емкости, а для цилиндрических от 18 до 50 кг на 1 м³ емкости, т.е. в 3–5 раз меньше, чем для прямоугольных, причем удельный расход в обоих случаях уменьшается с увеличением емкости. Чем больше требуемая емкость, тем более выгодно применение цилиндрических резервуаров по сравнению с прямоугольными.

Такие аппараты применяют для работы при небольших перепадах давлений и обычно используют в качестве кожухов сушилок, погружных холодильников и конденсаторов, корпусов фильтров и тому подобных аппаратов.

Днища. Днища также являются составными элементами корпусов химических аппаратов. Они, как правило, органически связаны с обечайкой аппарата и изготовляются из того же материала.

В сварной и паяной аппаратуре днища обычно привариваются или припаиваются к обечайке; в кованой и литой аппаратуре из пластичных материалов они либо представляют собой одно целое с обечайкой, либо также свариваются с ней; в литой аппаратуре из хрупких материалов днище всегда выполняется заодно с обечайкой. Форма днища определяется сопрягаемой с ним формой обечайки, химико-технологическими требованиями, предъявляемыми к тому или иному аппарату, давлением среды в нем, конструктивными соображениями и бывает эллиптической, сферической, конической и плоской.

Сфера – это идеальная форма для днища, т.к. в сферической оболочке не возникают изгибающие напряжения, кроме того она наиболее выгодна в отношении хорошего использования материала.

Однако такие днища достаточно трудоемки, они имеют высокую стоимость, и увеличивают длину аппарата. Сферические днища также неудобны для размещения штуцеров и сложны в изготовлении.

Наиболее широко используются эллиптические днища, которые имеют следующие преимущества: простота изготовления, рациональное расходование конструкционного материала, хорошая сопротивляемость давлению среды.

Плоские днища применяются в основном в аппаратах, работающих при атмосферном давлении. Они представляют собой круглые пластины (отбортованные или неотбортованные), привариваемые по контуру к обечайке корпуса или присоединяемые другими способами.

Плоские днища просты по конструкции, для их изготовления не требуется специального оборудования. Однако по прочности они наименее надежны, поэтому их используют в конструкциях тонкостенных аппаратов, работающих под налив, при атмосферном или незначительном избыточном давлении, а также для люков и заглушек в аппаратах, нагруженных значительным избыточным давлением.

По экономических и технологическим соображениям плоские днища (крышки) применяют также в конструкциях толстостенных аппаратов высокого давления.

Конические днищаприменяются в 3-х случаях: 1) при необходимости удалять из аппаратов сыпучие материалы или жидкости с большим содержанием твердых веществ; 2) для лучшего распределения газа или жидкости по всему сечению аппарата и 3) в качестве конфузоров и диффузоров для постепенного изменения скорости жидкости или газа, что необходимо для уменьшения гидравлического сопротивления аппаратов.

Крышки. В отличие от днищ, неразъемно соединенных с обечайкой корпуса, крышки могут изготавливаться либо совместно с аппаратом, либо в виде съемных частей. Применение отъемных крышек для аппаратов больших диаметров считается нецелесообразным, прежде всего из-за повышенного расхода металла, трудоемкости изготовления фланцев большого диаметра и их уплотнения. Возможность внутреннего осмотра и чистки аппарата, а также сборки и разборки мешалок и внутренних устройств обеспечивается в этих случаях путем установки люков достаточно большого размера. Конструктивно крышки выполняются плоскими, сферическими или эллиптическими.