Неметаллические конструкционные и обкладочные
Материалы
Неметаллические материалы, особенно неорганические, ис-
пользуют для создания химического оборудования в гораздо
меньшем объёме. Они обладают высокой химической стойко-
стью, но прочность и пластичность их ниже, чем у металлов.
Из неорганических неметаллических материалов наиболь-
шее распространение получили фарфор, асбест, эмаль, диабаз, ке-
рамика, стекло. Многие из них используют в производствах осо-
бо чистых веществ.
Плавленый диабаз получают обработкой определенных гор-
ных пород основного состава в мартеновских печах при 1400 ÉС.
Он содержит примерно 48 % диоксида кремния и 16 % оксида
алюминия, устойчив к минеральным кислотам, за исключением:
плавиковой и кремнийфтористоводородной. Щёлочи его разъе-
дают. Кислотостойкость других силикатных горных пород слож-
ного и непостоянного состава, также используемых для создания
футеровок в кислотостойких аппаратах, несколько ниже, чем у
андезита и бештаунита. Каменное литье из диабаза обладает вы-
сокой стойкостью к абразивному износу и газонепроницаемо-
стью. Из каменного литья изготавливают футеровочные плитки,
трубы, штуцеры и др.
Асбесты – тонковолокнистые материалы, в основном со-
стоящие из гидросиликатов магния. Важнейший из асбестов (до
95 % всего используемого) – хризотил. Это щелочестойкий мате-
риал. Амфиболовые асбесты представляют собой изоморфные
силикаты магния, кальция и железа; они содержат до 5 % хими-
чески связанной воды. Стойки к кислотам и щелочам. Асбесты
обладают низкой теплопроводностью. Их можно применять в ка-
честве теплоизоляторов и прокладок при температурах до 600-
800 ÉС. Из асбестов изготовляют листы с площадью до 1 м2 и
толщиной от 2 до 12 мм, огнестойкие ткани, шнуры и асбестовую
вату.
Керамика обычно состоит из 50–75 % кремнезема и 20–30 %
глинозема, поэтому она устойчива к действию минеральных ки-
слот, но разрушается под действием плавиковой кислоты и ще-
лочей, а при высокой температуре и от фосфорной кислоты.
Изделия из керамики получают формовкой и обжигом спе-
циально подобранной глины, в которую добавляют кремнезем и
полевой шпат. Из керамики изготавливают кислотоупорный кир-
пич, плитки, трубы и арматуру, холодильники и колонны,
центробежные насосы и емкости, насадочные тела для адсорб-
ционных колонн.
Недостатками керамических изделий являются их хрупкость
и низкая механическая прочность. Коэффициент теплопровод-
ности керамики близок 1,2 Вт/(мÁК). Она обладает значительной
пористостью (3–10 %), поэтому изделия из керамики обычно по-
крывают изнутри и снаружи глазурью.
Графитовые материалы занимают одно из ведущих мест
среди неметаллических конструкционных материалов. Такие
ценные свойства, как высокая химическая стойкость, низкий тем-
пературный коэффициент линейного расширения, хорошая теп-
лопроводность и достаточная механическая прочность, опреде-
ляют целесообразность их использования в качестве конструкци-
онного и защитного материалов. Из простых веществ графит –
самый тугоплавкий (Тпл = +3500 ÉС).
Различают углеграфитовые материалы естественного (при-
родный графит) и искусственного происхождения. Последние
получают смешением в определенных соотношениях антрацита,
нефтяных и литейных коксов и других добавок, последующим их
прессованием и термической обработкой при 1200–2300 ÉС.
Графит инертен ко многим агрессивным средам, термостоек
и теплопроводен. Коэффициент теплопроводности к его находит-
ся в пределах 90–360 Вт/(мÁК), что отвечает значениям, характер-
ным для большинства металлов. В присутствии кислорода он на-
чинает окисляться при 550–600 ÉС. Искусственные графитовые
материалы, из-за значительной пористости (20–30 %) можно при-
менять в химической аппаратуре только после устранения пори-
стости, что достигается, в частности, пропиткой их фенолфор-
мальдегидными смолами.
Антегмиты представляют собой теплопроводные (К = 35–
100 Вт/(мÁК)], коррозионностойкие, антифрикционные мате-
риалы, полученные прессованием композиций из графита и фено-
лформальдегидной смолы и последующей термообработкой их
при 160–200 ÉС. Промышленность выпускает антегмиты марок
АТМ-1, ATM-10 и АТМ-1Г.
Графитолиты – это изделия, полученные литьем и холодным
отверждением композиций. Применяют три марки графитолитов:
НЛ, ГФНЛ, 5ЭФНЛ, изготовленные соответственно на основе фе-
нолформальдегидной, фуриловой и эпоксидной смол.
Каждый из указанных материалов имеет свое назначение.
Графитовые и угольные блоки используют, например, в качестве
фильтрующей перегородки. Из антегмитов изготавливают футе-
ровочные плитки, трубы и формовые изделия. Широкое приме-
нение они нашли при изготовлении теплообменников различных
конструкций: оросительных, блочных, кожухотрубных, типа
«труба в трубе² и погружных. Наиболее простыми по конструк-
ции и надежности являются оросительные холодильники, вы-
пускаемые в виде секций труб длиной от 300 до 9000 мм.
Теплостойкость антегмитов определяется теплостойкостью
связующего. Антегмит, полученный на основе фенолформальде-
гидной смолы, можно применять до 180 ÉС, на основе кремний-
органического полимера – до 400 ÉС. Антегмит АТМ-1 стоек к
аммиаку, хлору, диоксиду серы, растворам соляной, серной и
фосфорной кислот (до 70 %) и неустойчив к действию азотной и
бромоводородной кислот и растворов щелочей. Антегмит ATM-
10 стоек ко всем кислым и щелочным средам, не разрушается под
действием галогенов и сильных окислителей.
Из графитолитов изготавливают центробежные насосы, ар-
матуру и трубопроводы для производства соляной и серной ки-
слот. Методом холодного литья получают сосуды, колонны (из
сборных царг), а также реакторы с мешалками и теплообменными
устройствами.
Достоинством графитолитов является их способность при
литье хорошо заполнять форму и прочно соединяться с металли-
ческими деталями (болтами, стержнями и др.), помещенными в
форму. Графитолиты хорошо обрабатываются на металлорежу-
щих станках, поэтому из них можно получить детали с достаточ-
но точными размерами.
Фаолит – композиция фенолоформальдегидной смолы и ки-
слотостойкого наполнителя (асбеста, графита) соответственно
марок А и Г. Фаолит относится к термореактивным пластмассам.
Так называемый сырой (неотвержденный) фаолит выпускают в
виде листов (толщиной от 5 до 20 мм, длиной от 1000 до 2000 мм
и шириной от 700 до 1000 мм) или массой, которую можно фор-
мовать и прессовать. Формованные изделия отверждают, подвер-
гая их постепенному нагреванию в течение 30–50 ч до 130 ÉС в
специальных камерах. При этом фаолит приобретает механиче-
скую прочность. Для соединения отдельных фаолитовых деталей
применяют фаолитовую замазку («сырой² фаолит), которая затем
отверж-дается нагреванием.
Из фаолита изготавливают трубы диаметром от 33 до 300
мм и длиной 1000–2000 мм, запорную арматуру и детали центро-
бежных насосов для работы при температуре 0–140 ÉС и избы-
точном давлении не выше 60 кПа.
Фаолит устойчив к растворам соляной кислоты любых кон-
центраций, к серной и фосфорной кислотам (0-80 %) до 70 ÉС, к
растворам многих солей. Его не рекомендуют применять для рас-
творов щелочей, азотной кислоты и некоторых окислителей (Вr2,
I2 и др.).
Известен также кислотощелочестойкий фаолит (фуралит),
который представляет собой композицию на основе фуриловофе-
нолформальдегидной смолы с наполнителями (асбест, стекло).
Испытания фуралита на химическую стойкость показали, что он
стоек при 120 ÉС к соляной, серной кислотам (до 28 %) и к рас-
твору NaOH (до 40 %).
Винипласт представляет собой термопластичный конструк-
ционный материал на основе поливинилхлорида с различными
добавками. Из него делают листы толщиной от 2 до 20 мм, трубы
с внутренним диаметром от 6 до 160 мм, стержни диаметром от 5
до 22 мм и сварочные прутки диаметром 2, 3 и 4 мм.
Винипласт обладает высокой химической стойкостью, удов-
летворительной прочностью и легко перерабатывается в изделия
прессованием. Для соединения элементов и деталей аппаратов
применяют прутковую сварку, которую проводят при одновре-
менном разогреве струей горячего воздуха (220 ÉС) свариваемых
кромок и присадочного прутка. Отдельные детали из винипласта
можно соединять склеиванием. Для этого поверхность склеива-
ния зачищают и обезжиривают дихлорэтаном. Склеивание про-
водят 10%-м раствором перхлорвиниловой смолы в дихлорэтане.
При проектировании и эксплуатации изделий из винипласта
следует учитывать его низкую ударную вязкость, исключающую
работу в условиях вибрации, большой температурный коэффи-
циент линейного расширения (в 6 раз выше, чем у стали) и малую
теплостойкость. Аппараты из винипласта изготовляют для рабо-
ты в интервале температур 0–40 ÉС, когда винипласт устойчив к
соляной, серной и фосфорной кислотам любой концентрации, к
азотной кислоте концентрацией до 50 %, к щелочам и растворам
большинства солей.
Как конструкционный материал все более широкое приме-
нение начинает находить полиэтилен. Различают полиэтилен, вы-
сокого давления (полимеризация этилена при 150 МПа) и низкого
давления (получают с использованием катализаторов). По-
следний отличается от полиэтилена высокого давления большей
плотностью, прочностью, жесткостью, повышенной теплостойко-
стью.
Полиэтилен может работать в интервале температур от –70
до 60 ÉС. Он устойчив к серной кислоте концентрацией до 50 %, к
соляной и фтороводородной кислотам при любой концентрации,
к щелочам и растворам большинства солей. Он обладает низкими
газопроницаемостью и влагопоглощением. Применяется для из-
готовления вентиляторов, труб, трубопроводной арматуры, об-
кладок, для различных аппаратов и тары.
Преимущества полиэтиленовых труб по сравнению с метал-
лическими – низкая плотность, химическая стойкость и морозо-
стойкость. Эти трубы не разрушаются при замерзании в них во-
ды. Они рассчитаны на давление до 1 МПа.
Перспективен для использования в химической промыш-
ленности полиизобутилен, стойкий ко многим агрессивным сре-
дам. Это каучукоподобный термопласт, в который для улучшения
прочности вводят тальк, графит и другие наполнители.
Для защитных покрытий (гуммирования) используют рези-
ны (ГОСТ 19198-73), обладающие достаточно высокой химиче-
ской стойкостью. Их выпускают в виде листов шириной 500-1000
мм и толщиной от 0,5 до 6 мм. Для этих целей пригодны резины
марок ИРП-1256, ИРП-1257, ИРП-1309 и некоторые другие.
Резины ИРП-1256 и ИРП-1309 имеют высокую химическую
стойкость к 30 %-ной HNO3 до 50 ÉС, к 33 %-ной H2SO4 до 110
ÉС, к 70 %-ной H2SO4 до 70 ÉС и к 50 %-ным щелочам до 90 ÉС.
Резина ИРП-1257 стойка к 70 %-ной H2SO4 и к 75 %-ной Н3РО4
до 70 ÉС, а к 50 %-ным щелочам до 110 ÉС.
Резины указанных марок крепят к стальной поверхности
клеями (например, «лейконат²). Недостаток резин – старение, в
результате которого снижается долговечность и надежность за-
щищаемой аппаратуры.