Выход продуктов из 1 т шихты, %, на Авдеевском коксохимическом заводе
Кокс сухой валовой – 75,3
Пековый кокс – 0,02
Смола каменноугольная – 3,85
Нафталин – 0,15
Бензол каменноугольный – 0,87
Фталевый ангидрид – 0,001
Сульфат аммония – 0,01
Обратный кокс газ – 12,8
Серная кислота – 0,007
Повышение экономической эффективности коксохимического производства достигается, прежде всего, совершенствованием технологии получения кокса. Так, внедрение непрерывного способа коксования позволяет снизить себестоимость кокса в среднем на 30% и повысить производительность труда в 3 раза по сравнению с обычным способом. Значительный эффект достигается при внедрении метода сухого (инертными газами) тушения кокса, позволяющего улучшить его качество и повысить производительность коксохимического производства.
9.3. Технология переработки нефти
Нефтеперерабатывающая промышленность занимает одно из ведущих мест в народном хозяйстве страны. Сырая нефть, поступающая на нефтеперегонные предприятия, перерабатывается на моторное топливо высокого качества, смазочные и специальные масла широкого ассортимента, битумы и восковые составы, парафины, сажу, кокс для электродов. Плотность нефти находится в пределах 780-1040 кг/м3. Нефть плотностью ниже 900 кг/м3относят к легким сортам, свыше 900 кг/м3– к тяжелым. Плотность нефти зависит от содержания в ней легких фракций и в первом приближении характеризует ее состав, определяет направление переработки нефти, а также ассортимент и качество вырабатываемой продукции. Сырая нефть содержит примеси: воду (10-30%), растворенные соли, частицы породы (3-5%), а также газообразные фракции углеводородов – попутных газов (1-4%), которые при атмосферном давлении интенсивно испаряются, увлекая с собой и часть низкокипящих фракций. Поэтому добытая нефть для предотвращения потерь этих фракций направляется в специальные испарители (трапы), где происходит отделение газов, которые подвергаются дальнейшей переработке.
Свободная вода вместе с механическими примесями отделяется от нефти в отстойниках. Для разрушения мелких капелек воды на нефть воздействуют переменным электрическим полем в специальных аппаратах – электродегидраторах, внутри которых имеются сетки, образующие обкладки конденсатора. Капельки соленой воды, являющиеся электропроводником, интенсивно колеблются в электрическом поле, и, смешиваясь, образуют более крупные капли, стекающие вниз. Обезвоженная нефть поднимается через верхние сетки и подается на переработку.
Процесс перегонки основан на явлениях испарения и конденсации смеси веществ с различными температурами кипения. Технологический процесс перегонки нефти состоит из четырех операций: нагрева смеси, испарения, конденсации и охлаждения полученных фракций.
Нагревание нефти и нефтепродуктов осуществляется в трубчатых печах, имеющих по 3-4 камеры. Сначала холодный продукт поступает в конвекционные камеры, где подогревается отходящими газами, а затем в радиационные. Подогрев в печи производится до температуры 300-500°С.
|
Разделение смесей на фракции при перегонке производится в ректификационных колоннах (рис. 9.3), которые представляют собой цилиндрический аппарат высотой 25-55 м, диаметром 5-7 м, с внутренними горизонтальными перегородками (тарелками), расположенными одна над другой. В перегородках имеются щели, прикрытые колпаками, которые преграждают путь поднимающимся парам, и сливы, предназначенные для стекания избытка жидкости на тарелке.
Нагретую в печи смесь подают в нижнюю часть колонны. Давление в колонне ниже, чем в трубках печи, поэтому смесь закипает и разделяется на две фазы: парообразную и жидкую. Жидкие продукты стекают вниз, а пары поднимаются вверх по колонне.
В верхнюю часть колонны подается орошающая жидкость (флегма) – легкая фракция, которая перетекает вниз с тарелки на тарелку по переливным патрубкам. Поднимающиеся снизу пары подходят под колпак и барботируют через слой жидкости на тарелке. Встречаясь с поднимающимися горячими парами, орошающая колонну жидкость нагревается и частично испаряется. Пары, отдавая ей теплоту, конденсируются, а конденсат стекает в нижнюю часть колонны. Этот процесс многократно повторяется по всей высоте колонны на каждой тарелке. По мере подъема с тарелки на тарелку температура паров и флегмы уменьшается. Температура регулируется существующей подачей холодной легкой фракции для орошения.
Фракционный состав флегмы и паров по высоте колонны непрерывно меняется: стекающая вниз флегма все более обогащается тяжелыми фракциями, а поднимающиеся вверх пары – легкими. Внизу колонны собирается жидкость, содержащая тяжелые фракции (мазут). Легкие фракции поднимаются, по колонне вверх, постепенно охлаждаясь. Самая легкая бензиновая фракция при температуре 180-200°С отводится из колонны в виде паров в конденсатор и отделяется от воды в сепараторе.
С промежуточных тарелок колонны отводятся средние фракции: керосиновая, кипящая при 200-300°С, и газойлевая (300-350°С). Иногда отводят также промежуточые фракции, например, лигроины (160-200°С), керосиногазойлевую (270-320°С).
Мазут разделяют на фракции вакуумной установкой: на легкую фракцию (тяжелый газойль), промежуточную (масляные дистилляты: веретенный, машинный, цилиндровый) и тяжелую (гудрон).
Производительность ректификационных колонн составляет 3-9 тыс. т нефти в сутки, вакуумных установок – 1,5-3 тыс. т мазута в сутки.
Таким образом, продукты перегонки нефти можно резделить на три группы: топливные, масляные дистилляты и гудрон.
Наиболее ценная топливная фракция – бензиновая, выход бензинов из нефти составляет 3-15%, для легкой нефти – до 20%.
Лигроины прямой перегонки используются для дальнейшей переработки на бензин и растворители для лакокрасочной промышленности, их выход составляет 7-10%.
Керосины – осветительный, моторный, компоненты реактивных и дизельных видов топлива, выход 8-20%.
Легкие газойли (соляр) являются основой дизельных видов топлива, а тяжелые – как сырье для дальнейшей переработки (крекинга); их выход составляет в среднем 7-15%.
Мазут – фракция, включающая углеводороды, парафин, маслянистые и смолистые вещества. Легкие мазуты применяются как топливо для котельных и газовых турбин; выход мазута – 50-60%.
Масляные дистилляты – тяжелые фракции, из которых получают различные смазочные и специальные масла; их выход – около 20-25%. Гудрон состоит из смолистых веществ, парафинов и тяжелых углеводородов и служит полуфабрикатом, из которого получают битумы и кокс для электродов; его выход – 15-30%.
Сравнительно малый выход бензина при прямой перегонке обусловил необходимость разработки метода получения легких фракций из тяжелых внедрением крекинг-процесса.
Крекинг, пиролиз и риформинг нефтепродуктов.Переработка нефти обычной перегонкой, т.е. физическим методом, не изменяет химического состава нефти и ее продуктов, не разрушает и не создает углеводородов, а лишь разделяет нефть на ее составные части. Перегонкой нельзя получить из нефти больше того, что естественно в ней содержится. Например, в нефти содержится 10-15% бензина, и получить большее количество бензина перегонкой невозможно.
Для значительного увеличения выхода из нефти легких продуктов и прежде всего бензина наряду с физическими методами сейчас применяют и химические методы переработки нефтепродуктов, основанные на изменении их химического состава. Этими новыми методами являются крекинг и пиролиз. Сущность их заключается в том, что переработку нефтепродуктов производят в условиях, при которых отдельные углеводороды расщепляются (распадаются на части) и образуют новые, более легкие углеводороды (с меньшим числом атомов углерода) (рис. 9.4). Таким путем достигается увеличение выхода бензина и других легких продуктов сверх того количества, которое содержится в исходном сырье.
Крекинг(что означает расщепление) ведут при температуре 475-500°С и давлением 2…7 МПа. Для активизации и соответствующего направления процесса крекинга применяют различные катализаторы, чаще всего алюмосиликатные (как правило, синтетические, иногда природные – бентонитовые глины).
Пиролиз(означающий разложение при высокой температуре) осуществляется при атмосферном давлении, но при более высоких температурах (680-750°С).
 |
Рис. 9.4. Расщепление углеводорода при крекинге
Тяжелый углеводород – цетан С16Н34распадается на два легких углеводорода: С8Н18и октилен С8Н16
Крекингом из тяжелых нефтяных фракций (соляра, мазута) получают преимущественно бензин и другое легкое моторное топливо. Пиролизом обычно перерабатывают нефтяные газы, бензины и керосины для получения сырья (этилена, пропилена, бутадиена и др.) для промышленности органического синтеза и полимеров.
На передовых нефтеперерабатывающих предприятиях, применяющих новейшую технологию производства, выход легкого моторного топлива очень высок; из соляра, например, получают 60-80% высококачественного бензина и керосина и небольшое количество газов и крекингового остатка. Крекинг-бензин отличается более высокими антидетонационными свойствами и в этом отношении превосходит бензин, получаемый при перегонке нефти.
Получаемые при крекинге и пиролизе газы содержат этилен, пропилен, бутилен и другие легкие углеводороды. Из них получают спирты, синтетический каучук, пластмассы и множество других продуктов.
Крекинговый остаток подвергают коксованию - процессу глубокого разложения при температуре 480-650°С. В результате получаются нефтяной кокс, газ и жидкие нефтепродукты, в том числе некоторое количество бензина. Нефтяной кокс может служить заменителем каменноугольного кокса.
Таким образом, новейшие методы переработки нефти открывают широчайшие возможности для использования нефтепродуктов во всех отраслях народного хозяйства и полного обеспечения страны всеми видами жидкого топлива и смазочных материалов, а также разнообразным химическим сырьем без чрезмерного увеличения нефтедобычи.
Риформинг – процесс, применяемый для улучшения качества бензина, повышения его антидетонационных свойств (повышения октанового числа бензина). Использование высокооктанового бензина значительно повышает мощность двигателей и экономическую эффективность эксплуатации автомобилей. Процессы риформинга осуществляют при температуре 450-530°С и давлении 1,4-5,6 МПа с участием водорода и в присутствии различных катализаторов (молибден, платина, окиси хрома и молибдена и др.). В процессе риформинга преобразуется структура молекул углеводородов бензина, уменьшается содержание в нем низкооктановых и увеличивается содержание высокооктановых углеводородов. В результате бензин получается высокооктановым.
9.4. Производство аммиака, азотной кислоты и минеральных удобрений
Производство аммиака. Азот относится к группе химических элементов, играющих исключительно важную роль в живой природе и в жизни человека. Наряду с углеродом, кислородом и водородом азот является основным элементом, составляющим растительные и животные организмы. Он участвует в основных биохимических процессах, входит в состав питательных веществ и пищевых продуктов.
Растения усваивают азот только из аммиачных и азотнокислых солей, находящихся в почве и накапливающихся там при гашении органических соединений. Однако связанного в почве азота недостаточно для интенсивного ведения сельского хозяйства, и поэтому необходимо применение азотных удобрений, на производство которых расходуется большая часть соединений азота, выпускаемых промышленностью. Наиболее экономичным способом оказался синтез аммиака из азотоводородной смеси, в настоящее время более 95% связанного азота получают по этому способу.
Аммиак NH3 представляет собой при нормальном давлении и температуре бесцветный газ с резким характерным запахом. Жидкий аммиак – бесцветная прозрачная жидкость плотностью 0,68 г/см3, кипящая при – 33,4°С. Аммиак обладает восстановительными свойствами, он хорошо растворим в воде, 25%-й раствор его в воде называют нашатырным спиртом. Аммиак используется в качестве удобрения, которое вносится в почву в жидком виде, он применяется в холодильной, металлургической промышленности, при производстве пластмасс, фотореактивов и т.п. Часть аммиака перерабатывается в азотную кислоту и минеральные удобрения.
Для синтеза аммиака необходимо иметь азот, водород в соотношении 1:3. Источником азота служит атмосферный воздух, водорода – метан, другие углеводороды.
В состав воздуха входит 78% азота, 21% кислорода, около 1% аргона и от 0,1 до 2% водяных паров. Разделение воздуха на составные части основано на различии их температур кипения, так, кислород кипит при –182,9°С, аргон при –185,7°С, азот при –195,8°С. Для разделения воздуха вначале его сжижают охлаждением ниже температуры кипения азота, а затем испаряют в ректификационных колоннах, в которых и осуществляется разделение воздуха на азот и кислород. Существуют аппараты одно- и двухкратной ректификации. При однократной ректификации в колоннах получают азот с содержанием в нем 7% О2. Аппарат двухкратной ректификации работает следующим образом: сжатый воздух, охлажденный в предварительном теплообменнике, поступает в змеевик, расположенный в нижней части колонны. Воздух охлаждается воздушно-кислородной смесью, дросселируется, и пары, обогащенные азотом, поднимаются по колонне вверх и конденсируются в испарителе. Конденсат, обогащенный кислородом, стекает вниз, а пары азота поднимаются вверх и по пути очищаются от кислорода жидким азотом, стекающим сверху. Чистый азот отбирается из верхней колонны. Мощности современных установок разделения воздуха составляют от 3 до 17 тыс. м3/ч азота.
Водород, необходимый для синтеза аммиака, добывают в промышленности различными способами: конверсией метана; конверсией окиси углерода; разделением коксового газа; электролизом воды.
Природный газ содержит до 98% метана. Процесс получения водорода из природного газа состоит из ряда последовательных стадий. Вначале проводят конверсию метана водяным паром и кислородом по уравнениям реакций:
CH4 + H2O CO + 3H2 – 206,4 кДж
СН4 + ½О2 СО + 2Н2 + 35,6 кДж
Далее осуществляют конверсию окиси углерода:
СО + Н2О СО2 + Н2 + 41,0 кДж
Затем следует очистка газовой смеси от СО2и остаточной СО.
Процесс конверсии метана проводят под давлением, близком к атмосферному, реакция идет с поглощением тепла и увеличением объема. Конверсия метана проходит при температуре 800-1100°С с применением катализатора (никеля, нанесенного на окись алюминия или на окись магния) и при 1350-1400°С без катализатора.
Каталитическую конверсию метана осуществляют в шахтных конвертерах – реакторах, футерованных изнутри огнеупорным кирпичом и снабженных водяной рубашкой.
Полученные для синтеза аммиака азот и водород или их смеси подвергаются очистке от кислородо- и серосодержащих соединений, являющихся каталитическими ядами.
Очистку газов производят при помощи жидких или твердых поглотителей или вымораживанием, т.е. переводом примесей в жидкое или твердое состояние.
Синтез аммиака происходит по реакции:
N2 + 3H2 2NH3 + Q
и является обратимым процессом, протекающим с уменьшением объема и выделением тепла. Следовательно, с повышением давления и понижением температуры равновесие реакции синтеза смещается в правую сторону.
Синтез аммиака проводят в реакторе – колонне синтеза, изготовленной из хромованадиевой стали, высотой 12-20 м и внутренним диаметром 1,0-1,4 м. Снизу и сверху колонна закрывается крышками. В верхней части колонны расположен катализатор, а в нижней – теплообменник. Азотоводородная смесь поступает в верхнюю часть колонны, проходит сверху вниз и поступает в теплообменник, после чего газ поднимается вверх по кольцевому пространству. Азотоводородная смесь, нагретая до 400-420°С, поступает на слой катализатора, где поддерживается температура 450-520°С. Прореагировавший газ (продукт) поступает в трубки теплообменника, где охлаждается и выводится из колонны при 90-100°С.
Колонны синтеза обеспечивают производительность аммиака от 150 до 1500 т/сутки. Срок службы катализатора – около двух лет.
После охлаждения аммиак конденсируется и отделяется от газа, а непрореагировавшая азотоводородная смесь при помощи циркуляционного компрессора возвращается в аппарат.
На Украине аммиак производится на Новомосковском и Горловском азотнотуковых заводах.
Производство азотной кислоты. Азотная кислота – одна из важнейших минеральных кислот. Безводная азотная кислота HNО3представляет собой тяжелую бесцветную жидкость (плотность 1,52 г/см3), дымящуюся на воздухе. Она кипит при 86°С и замерзает при – 47°С.
Азотная кислота – сильный окислитель. Концентрированная азотная кислота превращает большинство металлов в соответствующие окислы и нитраты. Она широко применяется в промышленности. Большая часть азотной кислоты расходуется на производство удобрений, взрывчатых веществ, ракетного топлива, синтетических красителей и волокон, различных пластмасс и т.п.
Промышленностью выпускаются 3 сорта разбавленной (45-55%) и 2 сорта концентрированной (97-98%) азотной кислоты.
Процесс получения разбавленной азотной кислоты из аммиака основан на следующих реакциях:
1) контактное окисление аммиака до окиси азота:
Процесс контактного окисления аммиака проходит только при высоких температурах (выше 800-900°С) в присутствии катализаторов, ускоряющих реакцию (в качестве которых служат платина и ее сплавы, окиси железа, марганца, кобальта и др.) Окисление аммиака ведут в реакторах конвертерного типа, диаметром 1,5-2,5 м. Катализаторные сетки помещаются в центральной части аппарата. Аммиачно-воздушная смесь подается в верхнюю часть реактора, нижняя часть охлаждается воздухом. Здесь размещен выход нитрозных газов.
Последующие две реакции (окисление NO и абсорбция NO2водой) осуществляются в одной и той же аппаратуре. Окисление – самая медленная из всех реакций, она идет с уменьшением объема и до 150°С протекает в сторону образования NO2, а при более высокой температуре сдвигается влево. Повышение давления в значительной мере ускоряет реакцию. Поэтому на установках при повышенных давлениях (до 106 Н/м2) окись азота практически полностью окисляется до NO2).
Абсорбция двуокиси азота водой представляет конечную стадию производства азотной кислоты. При переработке нитрозных газов в системах, работающих под давлением с использованием смеси аммиака (10-12%), получают разбавленную 45-50%-ю азотную кислоту (при повышенных до 106Н/м2давлениях – до 60-62% НNO3).
Для отдельных производств требуется не разбавленная азотная кислота, а концентрированная с содержанием НNO3выше 96%. Такую кислоту получают путем концентрирования разбавленной кислоты. Сущность этого процесса заключается в перегонке разбавленной азотной кислоты в присутствии водоотнимающего средства – концентрированной серной кислоты. Последняя связывает воду, содержащуюся в разбавленной азотной кислоте. Перегонку азотной кислоты ведут в тарельчатых барботажных колоннах, изготовленных из кислотоупорного чугуна, устойчивого по отношению к серной и азотной кислотам.
Серную кислоту подают на одну из верхних тарелок, а несколько ниже – разбавленную азотную кислоту. Нагревание смеси осуществляется острым паром (180-200°С), вводимым в нижнюю часть колонны. Пары концентрированной азотной кислоты направляются в конденсатор, где кислота конденсируется, а нитрозные газы направляются на дальнейшее улавливание.
Отработанная 70%-я серная кислота вытекает снизу колонны, поступает без охлаждения непосредственно на упаривание. Расход крепкой серной кислоты составляет 3-4 т на 1 т крепкой азотной кислоты. Для возврата отработанной серной кислоты в процесс ее необходимо концентрировать, что связано с потерями топлива, кислоты и сильной коррозией аппаратуры.
2) Поэтому в последнее время процесс получения концентрированной азотной кислоты ведут путем прямого синтеза этой кислоты из жидкой двуокиси азота по уравнению:
Процесс ведут в специальных автоклавах под давлением
5•106 Н/м2и температуре 75°С.
Слабая азотная кислота (45-60%) хранится на складах в резервуарах из нержавеющей стали. Небольшие количества ее перевозят в стеклянных бутылях, упакованных в корзины или деревянную обрешетку с обкладкой стружкой или соломой. Большие количества кислоты перевозят в железнодорожных цистернах из нержавеющей стали.
Концентрированную кислоту хранят в резервуарах и перевозят в железнодорожных цистернах из алюминия.
Окислы азота и азотная кислота обладают токсичными свойствами. Попадая на кожу, азотная кислота вызывает ожоги. Концентрированная азотная кислота вызывает загорание хлопчатобумажной ткани и древесины. Поэтому работающий с азотной кислотой должен быть одет в спецодежду из шерстяного сукна, иметь противогаз марки В с коробкой желтого цвета, а также резиновые перчатки и защитные очки.
Производство минеральных удобрений. Минеральные удобрения – это соли и продукты, содержащие элементы, необходимые для питания растений и используемые для получения высоких и устойчивых урожаев. В состав растений входят: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний и др. Ежегодно при снятии урожая из почвы выносятся питательные вещества, необходимые для растений; почва истощается, что снижает урожайность.
Углерод растения получают из воздуха в виде двуокиси углерода, усвояемой ими путем фотосинтеза, водород поступает из почвы в составе воды, а все остальные элементы растения получают из почвы в виде минеральных солей, растворенных в воде или слабых органических кислотах. Среди них наибольшее значение для питания растений имеют азот, фосфор и калий.
Азот растения получают из почвы через корневую систему в виде растворов нитратов, карбамида, аммиака и др., а также из азотосодержащих соединений воздуха в результате деятельности на корнях растений клубеньковых бактерий.
Фосфор и калий растения получают из почвы в виде растворимых фосфорнокислых и калийных солей, но их в почве мало, поэтому необходимо внесение в почву удобрений.
Потребление растениями бора, меди, цинка, марганца и некоторых других элементов сравнительно невелико. Эти элементы вносятся в почву в небольших количествах в виде так называемых микроудобрений.
Все удобрения по своему происхождению делятся на минеральные, органические, органо-минеральные и бактериальные. Минеральные удобрения вырабатываются на химических предприятиях – это в основном неорганические соли. Из органических соединений к ним относят карбамид (мочевину). Органические удобрения содержат питательные вещества, входящие в состав органических соединений. Органо-минеральные удобрения – это смесь органических и минеральных. Бактериальные удобрения содержат культуры бактерий, которые способствуют накоплению в почве питательных элементов.
По составу в зависимости от вида питательного элемента удобрения подразделяются на азотные, фосфорные и калийные. Если удобрения содержат несколько питательных элементов, то их называют комплексными. По концентрации питательных элементов различают ординарные (тощие) и концентрированные (содержащие 30% и более питательных веществ).
Азотные удобрения разделяют на аммиачные, нитратные, аммиачно-нитратные и амидные. Все они хорошо растворяются в воде и усваиваются растениями.
3) Наиболее распространенным азотным удобрением в нашей стране является аммиачная селитра NH4NO3, содержащая 35% N и применяющаяся для различных культур. Вместе с тем она обладает отрицательными свойствами: гигроскопична, легко слеживается, разлагается при нагревании, а сухая пылевидная соль способна взрываться (поэтому она используется еще и для производства взрывчатых веществ). Взрывоопасность аммиачной селитры усложняет ее производство и применение в качестве удобрения. Получают селитру по уравнению реакции:
Эта реакция проводится в реакторе, протекает с большой скоростью и сопровождается интенсивным выделением тепла. В реакторе смешиваются азотная кислота и аммиак. Протекает реакция нейтрализации при атмосферном давлении и температуре до 110°С. Из реактора выводится раствор аммиачной селитры, содержащий 65-82% NH4NO3.
Технология производства аммиачной селитры совершенствуется в направлении улучшения физических свойств (путем выпарки удаляют воду до 0,4%), применения концентрированной азотной кислоты и увеличения мощности реактора.
Карбамид (мочевина) CO(NH2)2 содержит 46,3% N, используется как удобрения и как добавка к кормам для скота, а также как сырье в производстве пластмасс – аминопластов.
Карбамид получают при взаимодействии аммиака и двуокиси углерода путем синтеза при давлении до 20-106H/м2и при температуре 180-200°С. В результате синтеза получают продукт, содержащий около 35% карбамида.
Производство карбамида осуществляется в колонне синтеза, изготовленной из легированной стали. Двуокись углерода и жидкий аммиак поступают в нижнюю часть колонны, где внутри цилиндра образуется сплав, содержащий около 35% карбамида.
В качестве удобрений используют сульфат аммония, содержащий до 21% азота. Его получают поглощением аммиака из коксового газа серной кислотой и как побочный продукт в производстве капролактама.
На Украине азотные удобрения производят в Лисичанске, Горловке, Черкассах, Ровно и др.
Фосфорные удобрения по степени растворимости подразделяются на водорастворимые, цитратно- и лимоннорастворимые и труднорастворимые. К водорастворимым относятся простой и двойной суперфосфат. Цитратно-растворимые удобрения (прецинитат) растворимы в аммиачном растворе цитрата аммония, лимоннорастворимые – в 2%-м растворе лимонной кислоты. Такие соли растворяются в почвенных кислотах и усваиваются растениями. Труднорастворимые удобрения содержат соли фосфорной кислоты, растворимые только в сильных минеральных кислотах (к ним относятся фосфоритная и костяная мука).
Сырьем для производства фосфорных удобрений служат природные фосфаты: апатиты и фосфориты. Апатиты добывают на Кольском полуострове, фосфориты – в России и Казахстане.
Для производства концентрированных фосфорных и комплексных удобрений необходима фосфорная кислота H3PO4, которую получают из апатитов или фосфоритов экстракционным или электротермическим методом. Эти методы заключаются в разложении фосфатного сырья кислотами (чаще всего серной).
Суперфосфат – наиболее распространенное, универсальное водорастворимое фосфорное удобрение, которое представляет собой порошок или гранулы серого цвета и состоит из смеси монокальция фосфата Ca(H2PO4).H2O и сульфата кальция СаSO4. Его вырабатывают в камерах, где реакции проходят в две стадии: сначала разлагается под воздействием серной кислоты апатитовое или фосфористое сырье (при температуре 110-115°С), а затем созревает (кристаллизируется) суперфосфат, который содержит не более 20% окиси фосфора Р2О5. Более концентрированные фосфорные удобрения получаются при разложении фосфатных руд фосфорной кислотой. Получающийся в результате этого двойной суперфосфат не содержит в себе сульфата кальция, поэтому содержание в нем усвояемой Р2О5 в 2-2,5 раза выше, чем в простом суперфосфате. Двойной суперфосфат – концентрированное удобрение, содержащее 42-49% усвояемой Р2О5, не содержит балласта (сульфата кальция), и в его производстве могут быть использованы местные фосфориты, которые непригодны для получения простого суперфосфата.
В Украине суперфосфат производится в Виннице, Одессе и Сумах, а также в Мариуполе и Константиновке – как побочный продукт черной металлургии.
Сырьем для производства калийных удобрений служат природные калийные соли, содержащие минералы сильвинит и карналлит. В Украине большие запасы калийных солей в Прикарпатье.
Используя промышленные методы галургии (или методы раздельной кристаллизации), из этих солей получают удобрения – хлориды калия трех сортов: высший сорт содержит не менее 99% KCl, первый – не менее 98,3% KCl и второй – не менее 95% KCl (60% K2O).
Комплексные удобрения получают с различным соотношением азота, фосфора и калия – в зависимости от характера почвы и сельскохозяйственных культур, для которых они предназначаются. Например, аммофос – азотнофосфорное сложное концентрированное удобрение, содержащее 11-13% N и47-50% Р2О5 в водорастворимом состоянии; нитрофоска – удобрение, содержащее все три питательных элемента (11-17% N, 11-17% K2O и 10-17% Р2О5) в водорастворимой форме; нитроаммофоска – удобрение, содержащее по 17% Р2О5, К2О и N. Получают комплексные удобрения в реакторах путем нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком с последующим добавлением к пульпе фосфатов аммония, аммиачной селитры и измельченного твердого хлорида калия.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Горно-химическая промышленность
Каменноугольная смола
Бензол
Металлургический кокс
Надсмольная вода
Шихта
Полукокс
Коксовая печь
Коксовая батарея
Коксовыталкиватель
Вертикалы
Сырая нефть
Электродегидратор
Обезвоженная нефть
Ректификационная колонна
Фракционный состав флегмы
Лигроины
Масляные дистилляты
Синтез аммиака
Крекинг
Пиролиз
Риформинг
Каталитическая конверсия метана
Аммиачная селитра
Карбамид
ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ
1. Понятие о химическом производстве.
2. Что представляет собой кокс и каковы области его применения?
3. Показатели качества кокса.
4. Основные компоненты, получаемые при коксовании угля, и их особенности.
5. Охарактеризуйте сырье для получения кокса.
6. Раскройте сущность коксохимического процесса и этапы технологического процесса.
7. Устройство и работа коксовой батареи.
8. Перечислите продукты, получаемые из сухой шихты.
9. Пути повышения экономической эффективности коксохимического производства.
10. Перечислите компоненты сырой нефти.
11. На чем основан процесс перегонки нефти?
12. Ректификационная колонна, устройство и принцип работы.
13. Продукты прямой перегонки нефти и их применения.
14. Крекинг, пиролиз и риформинг нефтепродуктов, сущность процессов и получаемые продукты.
15. Производство аммиака.
16. Производство азотной кислоты.
17. Производство минеральных удобрений.
ГЛАВА 10. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИХ
10.1. Свойства строительных материалов
Пригодность строительных материалов для конкретных условий определяют по их свойствам. Свойства материалов многообразны, что обусловлено главным образом их вещественным составом. Выделяют физические, механические, химические и другие свойства.
Физические свойства характеризуют физическое состояние материала (фазовое состояние, плотность, структуру), а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. При этом физические процессы в материале не изменяют строение его молекул. Обычно к таким свойствам относят плотность, объемную массу, теплопроводность, теплоемкость, звукопроницаемость, влажность, водопроницаемость, водопоглощение, усадку, огнеупорность, огнестойкость, светостойкость, электросопротивление.
Механические свойства – способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил (прочность, упругость и вязкость, пластичность и хрупкость, релаксация, ползучесть, твердость материалов и др.).
Химические свойства материала определяют его способность вступать в химическое взаимодействие с веществами среды, в которой он находится, при этом появляются новые вещества. К химическим свойствам можно отнести растворимость и кристаллизацию, коррозионную стойкость, старение, атмосферостойкость, адгезию, горючесть, токсичность и др.
Свойства материалов не остаются стабильными, они изменяются под воздействием физических, химических, механических и физико-химических факторов, например, прочность древесины (сосны) при увлажнении до 20% снижается в 1,5 раза по сравнению с воздушно-сухим состоянием и т.п.
Показатели свойств материалов являются важнейшими критериями их качества. Они нормированы в государственных стандартах и других нормативно-технических документах.
Физические свойства. Важнейшими из физических свойств материала являются плотность и объемная масса.
Плотность – масса вещества материала в единице его объема. Плотность строительных материалов больше единицы.
Объемная масса – масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами, пустотами и т.д.). Объемная масса строительных материалов обычно меньше плотности (табл. 10.1). Чем меньше пористость материала, тем ближе значения объемной массы и плотности.
Таблица 10.1
Объемная масса и плотность строительных материалов
Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала
,
где γ0– объемная масса; γ – плотность материала.
Чем больше пористость, тем меньше прочность и теплопроводность, больше водо- и газопроницаемость.
Обычно материалы имеют влагу на внутренней поверхности пор, микротрещин и других дефектов.
Влажность определяют в процентах по объему или массе:
или 
,
WО= WТg ,
где mВи mС– масса влажного и сухого образца материала, г;
V – объем материала; g – объемная масса материала.
Водопоглощение – количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать молекулярными и капиллярными силами при атмосферном давлении.
Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. Тогда из открытых пор вытесняется воздух, вследствие чего материал насыщается водой больше, чем при атмосферном давлении. Водопоглощение и водонасыщение изменяются в пределах у гранита 0,02-0,7, асфальтобетона 2-5, кирпича 8-15, пористых теплоизоляционных материалов до 100%.
Пористые строительные материалы изменяют свой объем при изменении влажности. Усадкой называют изменение размеров материала при его высыхании; набухание – увеличение объема при насыщении материала водой. Усадка (набухание) древесины изменяется в пределах 30-100, кирпича – 0,03-0,1, гранита – 0,02-0,06 мм/м. Многократное высыхание и увлажнение материала ускоряет его разрушение.
Водонепроницаемость (газонепроницаемость) – способность материала не пропускать воду (газ) при заданных условиях. Она измеряется величиной предельного давления (МПа), при котором вода (газ) не проходит через данный слой материала.
Теплопроводность – способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Ее характеризуют коэффициентом теплопроводности, измеряемым в единицах Вт/(м·°С). Коэффициент теплопроводности колеблется от 0,06 (минеральная вата) до 58 (сталь), для кирпича он равен 0,82, бетона 1,28-1,55, гранита 2,92.
Звукопроницаемость – способность материала пропускать звуковую волну, обратное свойству звукоизоляции.
Механические свойства.
Прочность – важнейшее свойство материала, в большинстве случаев определяет возможность его использования в строительной конструкции. В настоящее время принято, что прочность материалов измеряется мегапаскалями (МПа).
Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150-500 МПа), прочность гранитов при сжатии 120-150 МПа, при растяжении менее 10 МПа, прочность бетонов при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10-15 раз меньше.
Наряду со статической прочностью в необходимых случаях определяют динамическую прочность (при однократной динамической нагрузке) и усталостную (при повторных нагрузках).
Упругость – свойство материала обратимо поглощать энергию, передаваемую внешними воздействиями, что выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил, под влиянием которых форма материала в той или иной мере изменилась.
Вязкость – свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации.
С вязкостью и упругостью материалов в известной мере связаны пластичность и хрупкость.
Пластичность – способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).
Хрупкость – свойство материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов изменяются от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Глины хрупкие в сухом состоянии и пластичны во влажном. Хрупкие материалы плохо сопротивляются растяжению, динамическим и повторным нагрузкам.
Ползучесть – способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие, пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей – хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон). Ползучесть учитывают, если ее деформации влияют на прочность или эксплуатационные свойства материалов в сооружении.
Химические свойства учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве.
Растворимость – способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или другими растворителями. Строительные материалы в большинстве случаев должны быть нерастворимыми в условиях их эксплуатации.
Коррозионная стойкость – свойство материала не разрушаться в агрессивных средах (щелочная, кислотная среда, проточная вода и др.). Наиболее стойкими по отношению к агрессивным средам (воздействию кислот и щелочей) являются керамические материалы, а также изделия из пластмасс. Неустойчивы в кислой среде известняки, доломиты, древесина, портландцементы, в щелочной среде – древесина, битумы.
Атмосферостойкость – свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий (температура воздуха, осадки, солнечная радиация и др.). С атосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для полимеров, битумов, асфальтобетонов.
Твердение – свойство материала затвердевать (переходить из пластичного состояния в твердое) в результате химических и физико-химических процессов и приобретать ряд новых свойств – сопротивляемость различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды. Твердение обычно оценивают показателями прочности и их изменением во времени.
Адгезия – свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.
Горючесть – свойство материалов принимать участие в быстропротекающей химической реакции, сопровождающейся выделением тепла и света. Материалы могут быть негорючими, горючими, трудно и легко сгораемыми, что учитывают в противопожарных нормах при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.
Токсичность – свойство некоторых материалов вызывать отравление и заболевание у людей. В работе с такими материалами (дегти, клеи и др.) необходимо строго соблюдать правила охраны труда. Перечисленные свойства не исчерпывают многообразие свойств строительных материалов ни по их перечню, ни по их классификации.
В соответствии с функциональным назначением выделим такие строительно-технические свойства материалов, как конструкционные, изоляционные, технологические, эксплуатационные, декоративные.
Конструкционные свойства обусловливают возможность создания из материала конструкции с заданными механическими свойствами. Поэтому наряду с механическими свойствами к этой группе относят твердость, истираемость, износ материалов, их коэффициент конструктивного качества и др.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит, в частности, истираемость поверхности слоев дорожных покрытий. Для металлов твердость определяют методом вдавливания шарика (метод Бринеля), величиной отскока падающего груза (метод Шора).
Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость определяют на стандартных машинах, вычисляя массу истертого образца к его площади (г/см2). Истираемость имеет большое значение для строительных материалов, используемых в дорожных покрытиях.
Износ – свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.
Изоляционные свойства включают: тепло-, электро-, свето-, звукопроводность, газо-, водо-, паропроницаемость и др. Эти свойства способствуют созданию оптимальных условий в помещениях для работы, жизни человека, эксплуатации машин, оборудования за счет изоляции помещения от окружающей среды. В последнее время все большее значение приобретают свойства материала, обуславливающие радиационную защиту (радиационная проницаемость материала).
Технологические свойства характеризуют поведение материала при технологических процессах, его обработке и переработке (например, буримость, дробимость скальных горных пород, формуемость, слеживаемость, нерасслаиваемость бетонных смесей, вязкость жидкообразных материалов и смесей, твердение, адгезия и др.). По технологическим свойствам судят о возможности переработки и получения доброкачественной продукции из исходных материалов при принятой технологии и имеющемся технологическом оборудовании.
Названные и многие другие свойства оцениваются количественно условными показателями, не согласующимися с принятой международной системой единиц. Поэтому эти показатели в разных странах неодинаковы, в большинстве случаев они нормированы в пределах одной страны, а иногда – в пределах отрасли.
Эксплуатационные свойства. Долговечность материала характеризует продолжительность его работы (срок службы) в конструктивных элементах сооружений и в условиях эксплуатации до предельно допустимого изменения свойств. Долговечность обусловлена способностью материала сопротивляться комплексному воздействию механических нагрузок, изменению температуры и влажности, действию растворов солей, газов, совместному воздействию воды, мороза, солнечных лучей. Критерии долговечности материала комплексны, они зависят от его физических, механических и химических свойств.
С долговечностью материалов связывают выносливость – способность сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям, которые ускоряют разрушение строительных материалов, вследствие чего ухудшается их долговечность. Выносливость обычно измеряется количеством нагрузок, которые выдержал материал до разрушения.
Часто долговечность материала характеризуют морозостойкостью – его способностью при попеременном замораживании и оттаивании не проявлять заметных признаков разрушения. При воздействии знакопеременных температур вследствие изменения объемов составляющих материал компонентов (кристаллы, зерна и др.) постепенно нарушаются микросвязи между ними, что приводит к снижению физико-механических свойств. Более интенсивно проявляется воздействие переменных температур на водонасыщенные каменные материалы (строительный кирпич, пористые горные породы, тяжелый цементобетон). В этом случае вода, находящаяся в порах и микротрещинах, замерзая при понижении температуры, переходит в твердое состояние и увеличивается в объеме примерно на 10%. Возникающее давление льда при многократном повторении замораживания–оттаивания постепенно разрушает материал.
Морозостойкость каменных материалов зависит от крупности составляющих, объемной массы и пористости.
Чем мельче кристаллы, больше плотность и меньше открытых пор, тем выше морозостойкость. Чем меньше диаметр пор, тем ниже температура замерзания воды, заключенной в них. Так, при диаметре капилляра 1,5 мм температура замерзания воды 6,4°С, при 0,24 мм – 13,3, при 0,16 мм – 14,6, при 0,06 – 18,4°С.
В зависимости от климатических условий, в которых будет работать материал, к нему предъявляются различные требования по показателю морозостойкости, определяемой количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания до разрушения материала. Часто коэффициент морозостойкости определяют как отношение показателя прочности материала в водонасыщенном состоянии после испытания на морозостойкость к показателю прочности до испытания.
Декоративные свойства обеспечивают эстетические требования к сооружению. К ним относят цвет, яркость, рисунок и особенности поверхности материалов (шероховатость и др.). Этим свойствам все больше и больше уделяют внимания.
Исследованиями установлено, что производительность труда работающих в значительной мере определяется эстетическим оформлением помещений и оборудования.
10.2. Производство цемента и его разновидности
Строительными вяжущими минеральными веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластичную удобнобрабатываемую массу, способную затвердевать в прочное камневидное тело. Они известны людям несколько тысячелетий. К ним относятся: глина, гипс, известь, цемент.
К воздушным вяжущим веществам, которые после смешивания с водой твердеют на воздухе, относятся: воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, кислотоупорные цементы, жидкое стекло; к гидравлическим – портландцемент, глиноземистый цемент, шлаковые цементы.
Из всех вяжущих веществ наибольшее применение получают цементы, которые классифицируют по виду клинкера и вещественному составу, прочности при твердении, скорости твердения, срокам схватывания, специальным свойствам.
Цементы на основе портландцементного клинкера подразделяют на цементы без активных минеральных добавок (различные виды портландцемента и шлакопортландцемента).
По прочности цементного камня различают высокопрочные цементы марок 550, 600 и выше; повышенной прочности 500; рядовые марок 300 и 400; низкопрочные марок ниже 300.
По скорости твердения цементы различают: особо быстро твердеющие (1 сутки), быстротвердеющие (от 3 до 28 суток), обычные (свыше 28 суток).
По срокам схватывания различают быстросхватывающиеся цементы (менее 45 мин), нормальносхватывающиеся (от 45 до 90 мин), и медленносхватывающиеся (более 1,5 часа).
Портландцемент представляет собой продукт тонкого измельчения цементного клинкера, получаемого в результате обжига до спекания сырьевой массы известняка и глины, обеспечивающий преобладание в цементе силикатов кальция. Этот важнейший строительный материал по производству и применению занимает основное место среди других
вяжущих.
Качество клинкера зависит от его химического и минералогического состава. Для получения портландцемента высокого качества клинкер должен содержать 75-78% известняка и 22-25% глины. Таким природным сырьем являются известковые мергели, но в природе их мало, поэтому цементные заводы используют искусственные смеси.
Технологический процесс производства цемента состоит из подготовки сырьевых материалов, приготовления смеси, обжига сырьевой массы и получения цементного клинкера, измельчения клинкера в тонкий порошок и смешения его с добавками.
Исходный материал измельчают в щековых или валковых дробилках; мел, глину добавляют в железобетонные резервуары, из которых глиняный шлам перекачивается в трубную мельницу. Последняя представляет собой стальной цилиндр диаметром 3 м и высотой до 15 м, вращающийся вокруг горизонтальной оси.
Внутри мельница разделена перегородками на 3-4 камеры. Материал, подаваемый с одного конца мельницы, постоянно перемещается к другому и измельчается перекатывающимися стальными шарами. Тонко измельченный материал подается насосом в шламбассейны (железобетонные или стальные резервуары), в которых корректируется химический состав шлама.
Обжиг сырьевой смеси производится во вращающихся печах из листовой стали, футерованных внутри огнеупорным материалом. Вращающиеся печи работают по принципу противотока, т.е. сырье и топливно-воздушная смесь движутся навстречу другу другу. Поток раскаленных газов разогревает массу до требуемой температуры, происходит выгорание органических веществ, спекание массы. Затем раскаленный клинкер охлаждается в колосниковых холодильниках до 50-200°С и в виде малых гранул направляется на склад, где вылеживается две недели.
Помол (измельчение клинкера) осуществляется в трубных лентокамерных мельницах. Готовый цемент транспортируется пневматически в шлосы для охлаждения, затем его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованные автомобили (цементовозы), в железнодорожные или водные транспортные средства. Хранить цемент следует в закрытых складах с плотной крышей, стенами и деревянным полом с целью защиты от воздействия влаги. Следует учесть, что активность цемента снижается при хранении: через 3 месяца – на 20%, 6 месяцев – 30% и через год на 40%.
Цементная промышленность Украины выпускает различные марки цементов и портландцементов. Быстротвердеющий портландцемент БТЦ марок 400, 500 обеспечивает повышенную прочность и используется в немассивных железобетонных конструкциях. Особобыстротвердеющий (ОБТЦ) и сверхбыстротвердеющий (СБТЦ) цементы марок 500, 600 обеспечивают высокую прочность и применяются в основном для аварийно-восстановительных работ и в тех условиях, когда предъявляются высокие требования по темпам начального твердения.
Шлакопортландцемент получают измельчением клинкера, гранулированного шлака и гипса. Марки цемента 300, 400, 500 применяются для изготовления железобетонных сборных изделий, при устройстве монолитных надземных, подземных и подводных конструкций, подвергающихся действию грунтовых вод.
Сульфатостойкий портландцемент марок 300, 400, 500 применяют для подземных и подводных конструкций, подвергающихся сульфатной коррозии, а также для бетонов повышенной морозостойкости. Его получают измельчением портландцементного клинкера с добавлением гипса.
Белый и цветной портландцементы получают из чистых известняков и белых глин (белый) и с добавлением минеральных и органических красителей и гипса (цветной). Они предназначены для архитектурно-отделочных работ. По цвету портландцементы подразделяют на красный, желтый, зеленый, голубой, розовый, коричневый и черный, по механической прочности – на марки 300, 400, 500.
10.3. Производство гипса и извести
Гипсовые вяжущие вещества(гипс) получают в результате тепловой обработки сырья и его помола, в основном состоящего из полуводного гипса или ангидрида. Сырьем для производства гипса служит природный гипсовый камень CaSO4·2H2O и природный ангидрид CaSO4, а также отходы химической промышленности, содержащие соединения кальция.
Как и цемент, гипс обжигается в печах, затем размалывается в мельницах. Различают гипс: строительный, формовочный, высокопрочный. Гипс – быстросхватывающее и быстротвердеющее вяжущее вещество. Сроки схватывания – до 15 мин (марка А), до 30 мин (марки Б) и свыше 30 мин (марки В).
Строительный гипс применяют для производства гипсовых и гипсобетонных строительных изделий и материалов для внутренних элементов зданий и сооружений (панелей и плит для перегородок, сухой штукатурки, для декоративных и отделочных материалов).
Строительной известью называется вяжущее вещество, получаемое в результате умеренного обжига (не до спекания) и последующего помола кальциево-магниевых карбонатных горных пород – известняка, мела, доломита.
Технологический процесс производства строительной извести состоит из подготовки сырья (дробления, сортировки), обжига, помола или гашения комовой извести.
Обжиг извести ведут во вращающихся шахтных печах диаметром до 4 и высотой до 20 м. Средняя зона – зона обжига, куда подается топливо (газ) и где развивается температура 1000-1200°С. В результате обжига получают негашеную комовую известь, которая поступает на помол или гашение. Молотая негашеная известь получается путем тонкого измельчения комовой извести на мельницах, куда и вводят минеральные добавки. Наиболее важные показатели качества извести: активность (зависящая от процентного содержания отходов магния, способных гаситься), продолжительность гашения.
Гидратная (гашеная известь) представляет собой тонкодисперсный порошок белого цвета и получается путем добавления в негашеную известь воды 70-100% от массы извести. При взаимодействии оксидов кальция и магния с водой образуются их гидрооксиды, процесс сопровождается выделением большого количества тепла.
Твердение извести может происходить только в воздушно-сухой среде в результате испарения воды и кристаллизации гидрооксидов кальция и магния. Твердеет гашеная известь медленно, и прочность ее камня невысока.
Строительная известь применяется для изготовления искусственных каменных материалов – силикатных бетонов и кирпичей, приготовления строительных растворов, в производстве гидравлических вяжущих – известково-шлаковых цементов, в качестве покрасочных составов.
10.4. Производство безобжиговых каменных материалов
Искусственные безобжиговые каменные строительные материалы и изделия получают из растворных или бетонных смесей путем их формования с последующим твердением. В качестве вяжущих применяют цемент, известь, гипс, магнезит. Заполнителями служат кварцевый песок, шлак, пемза, древесные опилки и др. Для повышения прочности при изгибе изделия армируют волокнистыми материалами (асбестом, древесиной, стальной арматурой и др.).
В зависимости от вида вяжущего вещества искусственные безобжиговые материалы и изделия разделяют на 4 группы:
1. Силикатные материалы и изделия, получаемые на основе извести: силикатный кирпич, известково-шлаковые, известково-зольные блоки внутренних несущих стен зданий, панели перекрытий и несущих перегородок, лестничные ступени, плиты, балки и др.
2. Гипсовые и гипсобетонные изделия, получаемые на основе строительного гипса: панели и плиты перегородочные, листы обшивочные, плиты теплоизоляционные, камни для кладки наружных стен, изделия для перекрытий, облицовочные плиты, вентиляционные блоки, огнезащитные изделия и др.
3. Материалы и изделия на основе магнезиальных вяжущих: теплоизоляционный фибронит для утепления стен, полов и перекрытий и конструктивный для заполнения стен, перегородок и перекрытий каркасных зданий, фибролитовая фанера, используемая в качестве штукатурки, ксилолит для устройства сплошных бесшовных и плиточных полов и др.
4. Асбоцементные изделия, получаемые на основе портландцемента с добавлением асбеста: кровельные панели и плиты, покрытия и подвесные потолки, стеновые панели и плиты, перегородки, электротехнические дугостойкие панели и др.
При автоклавной обработке известково-песчаных смесей при давлении пара 0,8 МПа и температуре 170°С и выше могут быть получены очень прочные, водостойкие и долговечные материалы. Это объясняется тем, что в среде насыщенного пара при указанной температуре кремнезем химически взаимодействует с известью, образуя гидросиликаты кальция – прочное и водостойкое вещество. Этим способом изготавливают силикатный кирпич, камни для кладки стен, крупноразмерные сборные железобетонные изделия.
10.5. Производство бетона, железобетона и изделий из них
Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей. Затворенное водой вяжущее вещество (цемент, портландцемент и др.) образует клеющее тесто, которое обволакивает тонким слоем зерна песка и щебня, а затем со временем затвердевает, связывая при этом заполнитель в монолитный прочный камень – бетон.
Строительные бетоны классифицируют:
а) по виду вяжущего вещества – цементные, силикатные, гипсобетоны, асфальтобетоны, полуцементные бетоны;
б) по плотности в сухом состоянии – особо тяжелые (плотность более 2500 кг/м3), тяжелые (1800-2500 кг/м3), легкие (500-1800 кг/м3) и особо легкие (до 500 кг/м3);
в) по назначению тяжелые бетоны разделяют на обычный тяжелый для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий, гидротехнический, дорожный, декоративный; специального назначения – кислотоупорный, жаростойкий, химически стойкий, для защиты от радиации и др.
Легкие бетоны по назначению делят на конструктивные, воспринимающие внешние нагрузки; конструктивно-теплоизоляционные для ограждающих конструкций; теплоизоляционные. Заполнителем для легких бетонов служат природные и искусственные сыпучие пористые материалы (например, щебень и песок из пемзы и вулканического туфа, пористых известняков и др.), шлаковая пемза (из металлургических шлаков), керамзит и др.
Заполнителем для цементных бетонов служит песок с крупностью зерен 0,14-5 мм, гравий или щебень (5-70 мм). Выбор соответствующей фракции заполнителя зависит от назначения бетона и вида конструкции, в которую ее укладывают.
Железобетон представляет собой строительный материал, в котором соединены в монолитное целое затвердевший бетон и стальная арматура. Бетон воспринимает сжимающие усилия, а арматура – растягивающие. Оба материала работают совместно, так как, имеют близкие коэффициенты температурного расширения в интервале температур до 100°С. Железобетон как строительный материал, обладает высокой прочностью, огнестойкостью и долговечностью. Железобетонным конструкциям при изготовлении могут быть приданы любые конструктивные и архитектурные формы. К недостаткам железобетона относят большую массу конструкций, повышенные тепло- и звукопроводность, низкую трещиностойкость. Железобетонные конструкции в зависимости от методов возведения сооружений и назначения бывают трех видов: монолитные, сборные и сборно-монолитные.
Монолитные конструкции получают непосредственно на строительной площадке с выполнением операций по установке опалубки, монтажу арматурных каркасов и укладке бетонной смеси. После приобретения бетоном достаточной прочности (обычно через 7 суток) опалубку разбирают или в случае необходимости наращивают. Из монолитного железобетона обычно выполняют массивные фундаменты и возводят специальные сооружения (плотины, дымовые трубы и др.).
Сборные железобетонные конструкции изготовляют на заводах, а на строительной площадке готовые конструкции монтируют. Сборный железобетон широко применяется практически во всех видах промышленного и гражданского строительства.
Сборно-монолитные конструкции – сочетание сборных конструкций, выполняющих в процессе возведения роль опалубки, и монолитного бетона, укладываемого на месте строительства для придания конструкциям проектных размеров. Применяют обычно при возведении массивных конструкций, изготовление которых на заводах невозможно.
По назначению сборные бетонные и железобетонные изделия условно разделяют на 4 группы:
1) для жилых и гражданских зданий – изделия для фундаментов и подземных частей зданий, конструкции для каркасов зданий, стеновые блоки и панели, плиты и панели для перекрытий и покрытий, сборные лестничные марши, балконы и др.;
2) для промышленных зданий – изделия для фундаментов и подземных частей зданий, для каркасов, плиты и панели перекрытий и покрытий, стеновые панели, конструкции специального назначения и др.;
3) для инженерных сооружений – опорные конструкции мостов, опоры контактных сетей, трубы, дорожные и аэродромные плиты, шпалы, оболочки для резервуаров и др.;
4) изделия общего назначения.
Сборные бетонные и железобетонные изделия выпускают механизированные заводы железобетонных изделий, цехи крупнопанельного домостроения.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Строительные материалы
Плотность
Пористость
Водопоглощение
Водонасыщение
Теплопроводность
Прочность
Пластичность
Хрупкость
Коррозийная стойкость
Декоративные свойства
Вяжущие минеральные вещества
Клинкер
Портландцемент
Мергель
Марка цемента
Гипс
Известь гидратная
Безобжиговые каменные материалы
Бетон
Железобетон
ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ
1. Какими свойствами определяют пригодность материалов для конкретных условий?
2. Раскройте суть физических свойств строительных материалов.
3. Раскройте суть механических свойств строительных материалов.
4. Химические свойства строительных материалов.
5. Конструкционные и изоляционные свойства материалов.
6. Технологические и эксплуатационные свойства материалов.
7. Перечислите воздушные и гидравлические вяжущие материалы.
8. Классификация цементов.
9. Перечислите сырье для производства цемента.
10. Технологический процесс для производства цемента.
11. Производство гипса и извести: сырье, технологический процесс, использование.
12. Производство безобжиговых каменных материалов: сырье группы, технология.
13. Производство бетона, железобетона и изделий из них: сырье, классификация, технология.