Производство неорганических кислот
Большую часть веществ, применяемых во многих отраслях народного хозяйства, составляют неорганические вещества — кислоты, щелочи, соли, окислы; продукты металлургии; строительной индустрии — цементы, керамики, стекло; других отраслей, имеющих важное значение для страны.
Немалое место среди этих веществ занимают кислоты — серная, азотная, соляная, фосфорная и другие.
Наиболее широкое применение находит серная кислота — фундамент химической промышленности, так как почти нет ни одной отрасли химического производства, в которой бы она не применялась.
Не менее важное значение имеет азотная и соляная кислоты.
Все это объясняется широким диапазоном их свойств, необходимых для осуществления многих процессов.
Серная кислота
Под названием «серная кислота» в технике подразумеваются любые смеси триоксида серы с водой. Моногидрат, или безводная серная кислота H2S04, — тяжелая маслянистая жидкость, смешивающаяся с водой в любых соотношениях; плотность 1,83 г/см3, температура кипения 296,2 °С, при дальнейшем нагревании разлагается на S03 и Н20, кристаллизуется при температуре +10,45 0С.
Промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, отличающихся концентрацией основного вещества и содержанием примесей. Основные сорта серной кислоты: 65-процентная — камерная, 75-процентная — башенная, 98-процентная — купоросное масло, олеум, 100-процентная — химически чистая, аккумуляторная и др.
Высокая активность серной кислоты и сравнительно небольшая стоимость определяют огромные масштабы производства и чрезвычайно разнообразное применение почти во всех отраслях народного хозяйства.
Наиболее крупным потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений — супер-фосфата, сульфата аммония и др. В металлообрабатывающей промышленности серная кислота применяется для снятия ржавчины с поверхности черных металлов при подготовке их к защитным или декоративным покрытиям лаками и цветными металлами. Большое количество серной кислоты расходуется на очистку нефтепродуктов. Производство красителей, лаков, красок, лекарственных веществ, некоторых пластических масс, многих ядохимикатов, эфиров, спиртов было бы невозможно в современных масштабах без серной кислоты. Разбавленные растворы серной кислоты или ее солей применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности. В пищевой промышленности серная кислота используется для приготовления крахмала, патоки и других продуктов.
В процессах нитрирования для производства многих органических соединений, в том числе и большинства взрывчатых веществ, также применяется серная кислота.
Сырье. Исходным сырьем для производства серной кислоты служит любое сырье, содержащее серу: различные колчеданы, отходящие газы металлургических процессов, топочные газы, чистая сера и др.
Получение серной кислоты. Технологический процесс получения серной кислоты состоит из трех стадий.
Первой стадией производственного процесса является получение сернистого газа S02.
Сернистый газ выделяют из топочных газов или отходящих газов металлургических процессов сжиганием серы. При сжигании чистой серы, не содержащей ядовитых для катализатора примесей (мышьяк), получается газ, который может быть использован непосредственно (без очистки) для производства.
При сжигании кусковой серы применяются вращающиеся барабанные печи и неподвижные отражательные печи. Сжигание жидкой серы в распыленном состоянии проводят в неподвижных цилиндрических печах с разбрызгивающими форсунками.
При получении сернистого газа из колчедана его подвергают подготовке (дробление, просеивание, обогащение) и. обжигу. Для обжига применяют печи различного типа (механические полочные, обжиг в кипящем слое и др.)
При сжигании колчедана, с отходящим печным газом уносится некоторая часть колчедана и огарка в виде мельчайшей пыли.
Отложение пыли на поверхности катализатора в контактных аппаратах ведет к понижению активности катализатора, а следовательно, и к понижению производительности аппарата.
В серно-кислотной промышленности применяют механический и электрический методы очистки газа от пыли.
При механической очистке в качестве пылеочистительных аппаратов применяют циклоны. Циклоны применяются для предварительной очистки печных газов от крупных частиц и пыли.
Для тонкой очистки применяется очистка в электрофильтрах. После электрофильтра пыли остается 0,04-0,1 г/м3.
Для тонкой очистки сернистого газа от вредных газообразных примесей (соединений мышьяка, селена) применяют мокрый электрофильтр, в котором используются жидкие химические реагенты, поглощающие эти примеси.
Вторая стадия — окисление сернистого газа до триоксида серы — протекает в присутствии катализатора, особенность которого в том, что он непрочно удерживает кислород и легко отдает его сернистому газу. В зависимости от вида катализатора и характера процесса существует два способа получения серной кислоты: башенный (нитрозный) и контактный.
Башенный (нитрозный) способ. В производстве H2SO4 по нитрозному способу обжиговый газ предварительно освобождается только от механических примесей. Дополнительной очистки газа от химических примесей-ядов (мышьяка, селена и др.) не требуется. Очищенный от пыли газ поступает в систему при температуре 350 °С. Газ проходит последовательно через все башни системы, где происходит образование серной кислоты путем поглощения S03 водой. В качестве катализатора применяют раствор оксидов азота в серной кислоте (нитроза).
Контактный метод. Контактный метод производства был предложен в 1831 г. и реализован в промышленности в 1875 г. В настоящее время он является основным при производстве серной кислоты.
Быстрое развитие контактного метода производства объясняется возможностью получения чистой концентрированной кислоты и олеума — продуктов, имеющих большое промышленное значение.
Производство серной кислоты контактным методом состоит из следующих основных стадий:
1. Очистка газов от примесей, вредных для процесса контактного окисления S02 в SO3.
2. Окисления S02 в S03 на поверхности твердого катализатора.
3. Поглощение трехокиси серы серной кислотой с получением концентрированной H2S04 и олеума (H2S04 + SOs).
Нитрозный способ дает кислоту, загрязненную примесями и разбавленную, что ограничивает ее использование. При необходимости концентрирования этой кислоты резко возрастает расход топлива (для упаривания воды). Неполный возврат окислов азота приводит к постоянным затратам на дорогостоящую азотную кислоту, продукт более транспортабельный. Но расход колчедана, электроэнергии при данном способе несколько выше, чем при контактном, хотя башенные установки дешевле контактных, аппаратура контактного сернокислотного производства эксплуатируется более длительный срок и требует Меньших затрат на ремонт.
Аммиак и азотная кислота
Соединения азота играют важную роль в народном хозяйстве. Они входят в состав минеральных удобрений, пластических масс, искусственных волокон, красителей, лаков, взрывчатых веществ, кислот и многих других продуктов. Но элементарный азот инертен, он трудно вступает в соединения. Чтобы использовать азот, его сначала необходимо связать с другими элементами, получить связанный азот, а затем эти простейшие соединения превратить в более сложные. Наиболее рентабельным способом получения связанного азота является его синтез с водородом в виде аммиака NH3. В основе данного способа лежит реакция:
N2 + 3H2 t; 2NH3 + Q
Процесс производства аммиака включает две стадии:
1. Получение азота и водорода.
2. Синтез азото-водородной смеси.
Необходимый для синтеза аммиака, азот получают из воздуха. Чтобы выделить азот из воздуха, последний подвергают глубокому охлаждению и ректификации и сжижению. При испарении жидкого воздуха выделяют азот.
Водород производят несколькими способами:
1. Конверсией (взаимодействием) окиси углерода с водяным паром (СО + Н20 
С02 + Н2), используя при этом генераторный и водяной пар.
2. Конверсией метана — природного газа и окиси углерода.
3. Глубоким охлаждением комового газа, содержащего около 60% водорода.
4.Электролизом водных растворов и солей.
Наибольшее распространение получили конверсионные способы.
Синтез аммиака можно осуществить с применением катализатора при температуре 450-550 °С и давлении. Скорость этой реакции зависит от температуры, давления, концентрации азота и водорода, содержания в них примесей и ряда других факторов.
Полученные тем или иным способом азот и водород, пройдя тщательную очистку, смешиваются в пропорции 1:3. Смесь газов поступает в колонну синтеза. Она представляет собой стальной цилиндр с толстыми стенками. Высота колонны до 13 метров, диаметр 1—2 метра. В ее верхней части расположен контактный аппарат, заполненный катализатором, а в нижней — теплообменник. В качестве катализатора чаще всего используют губчатое железо е добавкой активаторов (алюминий и кальций).
Азотно-водородная смесь с температурой 20-30 °С, подаваемая в колонну, проходит теплообменник, где подогревается, а затем попадает в контактный узел. Проходя через слой катализатора, азот соединяется с водородом, при этом в аммиак превращается только 18-20% смеси. При выходе из колонны аммиак и непрореагировавшая часть смеси попадает в холодильник, в котором газообразный аммиак конденсируется. В газоотделителях жидкий аммиак отделяется, а оставшаяся азотно-водородная смесь вновь подается компрессором в колонну на синтез (с добавкой новой порции газов).
Большая часть получаемого аммиака расходуется на производство азотной кислоты, удобрений, соды и ряда органических соединений.
Свойства и сорта азотной кислоты
Чистая азотная кислота HNO3, при обыкновенной температуре представляет собой бесцветную жидкость, замерзающую при — 41 °С с образованием белоснежных кристаллов. Водные растворы азотной кислоты в зависимости от концентрации кристаллизуются при различных температурах.
Азотную кислоту используют в огромных количествах для производства минеральных удобрений, взрывчатых веществ и других продуктов. Много азотной кислоты расходуется в производстве серной кислоты по нитрозному методу.
Промышленность выпускает разбавленную (слабую) азотную кислоту трех сортов (1-й — 55%, 2-й — 47%, 3-й — 45%) и концентрированную (крепкую) азотную кислоту двух сортов (1-й — 98%, 2-й — 97%).
Производство азотной кислоты окислением аммиака
Процесс получения азотной кислоты окислением аммиака включает три стадии:
1. Контактное окисление аммиака до окиси азота NO.
2. Окисление окиси азота до двуокиси азота NO2,.
3. Абсорбция (поглощение) двуокиси азота водой с образованием азотной кислоты HN03.
Получают азотную кислоту в специальных установках.
Окисление аммиака кислородом воздуха происходит в контактном аппарате при температуре 800 °С в присутствии катализатора (сплав платины с родием, окись кобальта или железа и др.). Предварительно аммиак и воздух тщательно очищают и подают в смеситель. Затем воздушно-аммиачную смесь, содержащую 10-12% аммиака NH3, после подогрева подают в контактный аппарат, где происходит реакция:
4NH3 + 502 = 4NO + 6Н20 + Q
Окисление полученной окиси азота, идет по реакции:
2NO + 02 = 2N02 + Q
Образовавшиеся газы при температуре 800 °С поступают в котел-утилизатор, охлаждаясь до 250 °С и далее — в холодильник, где дополнительно охлаждаются до 30 °С.
Абсорбция образовавшейся двуокиси азота водой протекает по следующей реакции:
3N02 + Н20 = 2HN03 + NO + Q
Прямой синтез концентрированной азотной кислоты.
Прямой синтез концентрированной азотной кислоты заключается во взаимодействии жидкой четырехокиси азота с водой в присутствии газообразного кислорода.
Реакция образования азотной кислоты протекает следующим образом:
2N204 + 2Н20 + 02 = 4HN03 + Q
Прямой синтез позволяет получать крепкую (концентрированную) азотную кислоту.
Соляная кислота
Соляная кислота представляет собой бесцветную или желтоватого цвета прозрачную жидкость. Желтый цвет вызывается присутствием примесей, главным образом солей железа. Соляная кислота относится к числу наиболее сильных одноосновных кислот, энергично растворяет многие металлы, реагирует с их окислами.
Соляная кислота применяется для получения хлорида цинка, алюминия, бария, магния, кальция, железа, для травления при пайке, при лужении, в гальванопластике, для чистки паровых котлов от накипи, используется в гидрометаллургии платины, золота, серебра, в нефтяной промышленности при бурении нефтяных скважин. Кроме того, соляная кислота применяется при гидролизе древесины, при дублении и окраске кожи, при окрашивании тканей, в производстве красителей, уксусной кислоты, пластических масс и т. д.
Производство соляной кислоты включает два этапа: получение хлористого водорода и поглощение его водой. Метод получения хлористого водорода определяет способ производства соляной кислоты.
В промышленности хлористый водород можно получать несколькими способами.
1. Сульфатный способ заключается в действии 92-93-процентной серной кислоты на поваренную соль при 500-550 °С:
2NaCl + H2S04 - Na2S04 + 2НСl
Процесс протекает в печах, обогреваемых топочными газами, имеющими температуру 950-1000 °С. Вследствие негерметичности печей концентрация получаемого хлористого водорода составляет 30-50%. Газ загрязнен брызгами серной кислоты и другими примесями, поэтому при абсорбции хлористого водорода водой можно получить только техническую соляную кислоту, концентрация которой не превышает 28-31%.
2. Синтез хлористого водорода из хлора и водорода нашел широкое применение во всех странах мира и в настоящее время является основным. По этому способу получают чистый концентрированный хлористый водород, содержащий 95-96% НСl. Абсорбцией синтетического хлористого водорода получают техническую соляную кислоту высокой чистоты, а в некоторых случаях — химически чистую кислоту.
3. В последнее время на предприятиях органического синтеза (в производстве пластических масс, красителей, ядохимикатов и др.) хлористый водород получают как побочный продукт при хлорировании некоторых углеводородов. Полученный газ перерабатывается в соляную кислоту в аналогичных установках.
Крекинг и пиролиз нефти
В настоящее время в нефтеперерабатывающей промышленности все большее значение приобретают химические процессы. Они позволяют резко увеличить выход целевых продуктов и улучшить их качество.
При перегонке нефти выход бензина составляет в среднем 10-25% веса взятого сырья. Такое количество бензина не может покрыть возрастающий спрос народного хозяйства на этот вид топлива. Увеличение производства бензина (как и других видов моторного топлива) достигается применением крекинга. Он представляет собой химико-термический процесс расщепления молекул тяжелых углеводородов, в результате которого образуется смесь веществ меньшего молекулярного веса.
Крекингу подвергают различные нефтепродукты, преследуя разные цели, но его главная задача — получение бензина, выход которого при этом может достигнуть 70% веса взятого сырья.
Существует два вида крекинга: термический и каталитический.
Термический крекинг осуществляют при высокой температуре и значительном давлении. В таких условиях молекулы тяжелых углеводородов расщепляются легче.
Установка термического крекинга включает трубчатую печь для нагрева сырья, испарители, ректификационную колонну, газосепараторы.
Особой разновидностью крекинга является пиролиз. Он проводится при температуре 700—720 0С и атмосферном давлении. Исходным материалом для этого процесса служат легкие фракции: нефтелигроин и керосин. Цель пиролиза — получение газа и ароматических углеводородов.
Каталитический крекинг — более совершенный процесс крекингования, осуществляемый с применением катализатора. Наличие последнего ускоряет разложение высокомолекулярных углеводородов, позволяет вести процесс при более низкой температуре и давлении близком к атмосферному. Таким способом обычно получают авиационный бензин, выход которого достигает 70% веса взятого сырья. Исходным материалом для каталитического крекинга служит преимущественно керосиновый и соляровый дистиллят.
Продукты переработки нефти. При переработке нефти получают большое количество разнообразных продуктов. Их можно разделить натри обширные группы: горючие, смазочные и прочие. К первой группе относится моторное, реактивное и котельное топливо, ко второй — смазочные масла и разнообразные консистентные смазки.
Состав пластмасс. Высокополимерные вещества применяются в чистом виде или с различными добавками. Первые называются простыми пластмассами (органическое стекло), вторые — сложными или композиционными пластиками.
В состав сложных пластмасс входят различные вещества, которые по выполняемым ими функциям называются наполнителями, пластификаторами, красителями, смазывающими веществами и др.
Наполнители — вещества, вводимые в полимерные материалы для их упрочения, придания им требуемых физических свойств и снижения стоимости.
В зависимости от формы частиц наполнители подразделяются на порошковые (древесная и кварцевая мука, порошки металлов и слюды), волокнистые (асбестовое, стеклянное, хлопчатобумажное и синтетическое волокно) и листовые.
Пластификаторы придают твердому полимеру мягкость, пластичность и увеличивают его упругость. Они способствуют превращению твердых и хрупких смол в тестообразное состояние, удобное для формоизменения.
В качестве пластификаторов применяют камфору, крезилфосфат, дебутилфталат и др.
Красители, вводимые в количестве 1-1,5%, окрашивают пластмассы в требуемый цвет.
Связывающие вещества (олеиновая кислота, отеарат кальция и др.) предотвращают прилипание прессуемых изделий к пресс-формам.
Стабилизаторы предотвращают распад полимерного материала под действием света или повышения температуры.
Пожалуй, нет ни одной отрасли промышленности, которая развивалась бы так быстро и широко, как производство пластических масс. Объясняется это тем, что пластмассы играют огромную роль в развитии техники и в быту.
Особенно широко применяются пластмассы в машиностроении. Большими потребителями пластмасс становятся строительная, электротехническая промышленность, производство упаковочных средств.
Синтетические материалы постепенно вытесняют электросварку. Широкое распространение получило склеивание металлов при помощи искусственных смол.
Пластмассы используются при сооружении трубопроводов для перекачки различных жидкостей. Области применения пластмасс все увеличиваются, что объясняет все более увеличивающееся их производство.
Виды пластмасс и способы получения изделий
Процесс получения пластмассы начинается с изготовления ее основы — связывающего вещества. Раньше для этих целей использовали натуральный каучук, природные смолы (шеллак, янтарь), казеин и др. В настоящее время пластмассы вырабатывают главным образом на основе синтетических смол, представляющих собой высокомолекулярные соединения, получаемые, как правило, полимеризацией или поликонденсацией.
Полученную тем или иным способом смолу охлаждают и после затвердевания измельчают, превращая в зернистый порошок.
При изготовлении сложных пластмасс, включающих помимо смолы другие вещества (наполнители, красители и т. д.) важным этапом производства является подготовка необходимых компонентов: дробление, измельчение, просеивание, сушка и т. п. Затем порошкообразные составляющие смешивают с измельченной смолой. Смесь пропускают через вальцы для придания ей однородности. Из готовой массы получают пресспорошок, который поступает на дальнейшую переработку в детали.
Из полимеризационных пластмасс широкое применение получили полиэтилен, полимеры и соколимеры хлористого винила, фторпроизводные этилена, полиакрилаты, полипропилен, полиизобутилен, поливинилацетат, полиформальдегид и др. Они выпускаются без наполнителя, термопластичны, обладают хорошими диэлектрическими свойствами, высокой ударной вязкостью (за исключением полистирола), химически стойки, но большинство из них имеют низкую теплостойкость.
Важную для промышленности группу полимеров составляют поликонденсационные смолы, к которым относятся фенолоальдегидные, полиамидные, полиэфирные, эпоксидные и другие смолы.
Изделия из пластмасс изготавливаются преимущественно формообразующими операциями, основанными на использовании пластичности исходного материала. Обработка резанием применяется, как правило, при доводочных операциях.
Недостатки механической обработки, заключаются не только в потерях на отходы, но и в ухудшении свойств материалов.
Перед подачей в форму материалу необходимо придать наибольшую допустимую пластичность, что достигается его подогревом.
Нагрев многих термопластических материалов приводит их в такое высокотекучее состояние, что из них могут быть получены детали сложной формы без создания высокого давления.
Литьем в формы получают детали различной конфигурации, которые затвердевают непосредственно в формах в результате поликонденсации и полимеризации, а также остывания или затвердения растворителя.
Формовое прессование. При формовом прессовании исходным материалом заполняется пресс-форма, а затем посредством пуансона производится прессование (рис. 30).
Формование при низком давлении и в вакууме. Для изготовления крупногабаритных деталей применяется формование при низком давлении.
Формы для формования изделий при низком давлении изготавливают из гипса, бетона, дерева, полимерных и легкоплавких материалов. Формующим силовым элементом является эластичный баллон из резины или из полимерного материала, в который под давлением 8—12 атм подается воздух, вода или масло.
При вакуумном формовании форма с исходным материалом помещается в баллон, из которого затем выкачивается воздух.
Плитовое прессование. Методом плитового прессования получают листы и плиты, а также детали более сложной формы (втулки подшипников скольжения, заготовки шестерен и др.). Плитовым методом прессуют текстолит, асбестотекстолит, гетинакс и др.
Для изготовления слоистых пластиков листовые наполнители пропитываются связующей смолой и укладываются на плитах или формах, соответствующих конфигурации детали, затем заготовки устанавливают на пресс, нагревают и прессуют.
Количество листов наполнителя зависит от толщины материала и степени его уплотнения.
Литье под давлением. Этим методом в основном формуются изделия из термопластичных материалов, но иногда его используют для получения деталей из термореактивных материалов (рис. 31).
Исходный материал загружается в бункер литьевой машины, из которого он определенными дозами поступает в нагревательный цилиндр, после нагрева нагнетательным поршнем материал подается в пресс-форму.
Выдувание. При этом методе заготовка приобретает конфигурацию внутренней полости пресс-формы.
Экструзия. Представляет собой процесс непрерывного выдавливания полимерного материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, через отверстие в мундштуке экст-рудера (рис. 32).
В зависимости от формы отверстия мундштука можно получать полосы, листы, трубы и фасонные профили. Этот метод переработки пластмасс применим главным образом для термопластов, но в последние годы освоено выдавливание и термореактивных материалов.
Формование из листа применяется при переработке термопластичных материалов и получении из них изделий сложной формы с большой поверхностью и малой толщиной стенок.
Химические волокна: свойства, характеристика
Волокна, которые получают химической переработкой синтетических или природных высокомолекулярных соединений, называются химическими волокнами. Они разделяются на два вида: синтетические волокна, которые изготовляют из синтетических смол, и искусственные волокна, изготавливаемые из природных полимеров, большей частью из целлюлозы.
Синтетические волокна значительно превосходят природные по прочности на разрыв, которая не снижается после их смачивания, и близки по этому показателю к стали; они не уступают природным волокнам по эластичности и вполне устойчивы к микроорганизмам. Полиамидные волокна (капрон и др.) обладают наивысшей эластичностью и устойчивостью к истиранию и находят самое широкое применение. Лавсан ближе всего по внешнему виду к шерсти и в смеси с ней дает ткани, отличающиеся устойчивостью к истиранию и несминаемостью (не требуют глажения). Нитрон отличается наивысшей прочностью к свету и нагреванию, близок по внешнему виду к шерсти.
Искусственные волокна уступают хлопку по прочности на разрыв, но более эластичны и близки по этим показателям к шерсти. У тканей из вискозного и особенно из ацетатного волокна красивый вид и блеск, что делает их сходными с шелковыми. Штапельные вискозные и ацетатные волокна применяют в смеси с хлопком для изготовления штапельных тканей. Высокопрочная вискозная нить близка по свойствам к нити из полиамидных волокон. Ткани из триацетатного волокна характеризуются несминаемостью.
Разработка способов получения химических волокон открыла безграничные возможности создания волокон, превосходящих природные волокна по свойствам и отвечающих разнообразным требованиям. Во многих случаях химические волокна пришли на смену природным — хлопку, льну, шелку, шерсти и др. По темпам развития производство химических волокон опережает производство естественных. Производство химических волокон позволяет применять механизацию и автоматизацию технологических процессов. Себестоимость химических волокон, как правило, ниже себестоимости естественных.
Высокая экономическая эффективность их получения и применения, полная независимость производства от климатических и почвенных условий, практическая неисчерпаемость сырьевых ресурсов и возможность выпуска волокон с новыми, невиданными ранее свойствами. Так, затраты в человеко-днях на производство 1 т волокна составляют: для шерсти — 400, для хлопка — 238, а для вискозного штапеля — всего 50. Если свойства природных волокон изменяются в узких пределах, то химические волокна могут обладать комплексом заранее заданных свойств в зависимости от их будущего назначения. Из химических волокон вырабатываются товары широкого потребления — ткани, трикотаж, меховые изделия, одежда, обувь, обивка, спортинвентарь, драпировка, щетки, бортовая ткань, галантерея, заменители кожи, а также технические изделия — корд, фильтровальные ткани, обивка для машин, рыболовные снасти, не гниющие в воде, канаты, парусина, парашюты, аэростаты, скафандры, искусственная щетина, приводные ремни, брезенты высокой прочности, пожарные рукава, шланги, транспортерные ленты, хирургические нитки, различная спецодежда и т. п. Химические волокна используются для герметизации и уплотнения аппаратов, работающих в агрессивных средах.
Технологические процессы производства химических волокон
В производстве различных химических волокон из природных полимеров и из смол имеется много общего, хотя каждый метод одновременно обладает своими характерными особенностями. Принципиальная схема производства химических волокон независимо от исходного сырья делится на четыре стадии:
1)получение исходного материала;
2) приготовление прядильной массы;
3) формование волокна;
4) отделка волокна.
Получение исходного материала может быть осуществлено не из любого материала, а только из такого, молекулы которого обладают строгой линейной или малоразветвленной структурой. Если сырьем является природное высокомолекулярное соединение, то его предварительно необходимо очистить от примесей. Для синтетических волокон это синтез полимеров — получение смолы.
Приготовление прядильной массы. Для получения искусственных волокон на основе эфиров целлюлозы их растворяют в 5-6-процентном растворе едкого натра и таким образом получают прядильный раствор. Прядильную массу для изготовления синтетических волокон готовят растворением или расплавлением полимера.
Формование волокна, или прядение, заключается в вытягивании нити из раствора или расплава полимера. С этой целью раствор или расплав продавливают через очень маленькие отверстия — фильеры (рис. 33). Тонкие струйки раствора или расплава, выходящие через фильеры, обрабатывают химическими реагентами или охлаждают, в результате чего они твердеют и превращаются в нити.
Фильеры устанавливают на прядильной машине. Каждая машина снабжена 60-100 фильерами. Существует два способа формования волокна — мокрый и сухой.
Мокрый способ используется в случае прядения волокна из раствора (рис.34). Прядильный раствор продавливается через отверстия-фильеры и попадает в раствор, находящийся в осадительной ванне.
Выдавливаемые через фильеры струйки .прядильного раствора реагируют с раствором осадильной ванны с образованием нитей волокна, которые наматываются на бобину.
Мокрый способ используют для изготовления искусственных волокон — вискозного, медно-аммиачного, иногда — синтетических волокон.
Сухой способ применяется в случае прядения волокна из раствора или из расплава полимера. При сухом формовании волокна (рис. 35) попадают в виде тонких струек в шахту прядильной машины, в которую поступает нагретый воздух. Сухой способ применяют для получения искусственных волокон, например ацетатного, а также некоторых синтетических волокон.
Отделка волокна включает удаление загрязнений, сушку, в случае необходимости — его отбеливание и окраску. Как правило, все волокна подвергают обработке жиросо-держащими растворами для облегчения их переработки в процессах ткачества, вязания и др.
Каучук и резина. Свойства, характеристика, получение
Каучук представляет собой углеводород, который относится к группе высокомолекулярных соединений. Важнейшие его свойства — изменение формы под влиянием внешних сил и способность принимать начальную форму, если действие этих сил устранено.
Каучук имеет огромное значение в технике. На основе каучуков изготавливают резиновые, резино-тканевые и резино-металлические изделия, используемые в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и в домашнем обиходе. Из каучуков изготавливают более 40 000 наименований резиновых изделий: автомобильные и авиационные шины, приводные ремни, гибкие шланги и рукава, детали машин, электроизоляционные материалы, предметы санитарии и гигиены и т. д.
Широкое применение резины объясняется ее высокой прочностью, эластичностью, амортизационными свойствами, хорошей сопротивляемостью к истиранию. Резина устойчива к многим химическим средам и поэтому применяется для футеровки различных химических реакторов и изготовления уплотнительных деталей.
Каучуки подразделяются на натуральные и синтетические.
Как известно, натуральный каучук — это эластичный материал растительного происхождения; применяемый преимущественно для изготовления резины и резиновых изделий. Содержится он в каучуконосных растениях в виде млечного сока (латекса) или отдельных включений в клетках их коры и листьев.
В настоящее время новые искусственные каучуки производятся из попутных газов, получаемых при добыче нефти, из природных газов и являются как по качеству, так и по стоимости лучшими и более экономичными, чем естественный или синтетический каучук, получаемый из пищевого сырья.
Наиболее распространенным вулканизирующим веществом является сера.
Ускорители сокращают время вулканизации, уменьшают потребное количество серы, позволяют снизить температуру процесса. В качестве ускорителей применяют окись магния и свинца, гидроокись кальция, окись цинка.
Активаторы сокращают время вулканизации и повышают прочность резины. Для органических ускорителей в качестве активаторов применяют цинковые белила и окись магния.
Наполнители в зависимости от влияния на резиновую смесь разделяются на активные (усилители) и неактивные. Активные наполнители вводят в резиновую смесь как для увеличения ее объема, так и для улучшения свойств резины, неактивные — только для увеличения объема.
Для придания резине требуемой окраски в смесь вводят органические и неорганические красители, отличающиеся светостойкостью, устойчивостью при вулканизации и большой красящей способностью (окись титана и хрома, цинковые белила, охра).
Для облегчения смешения каучука с порошковыми материалами и обработки резиновой смеси в нее вводят в количестве 5—20% мягчители (мазут, масла, каменноугольные смолы, канифоль и др.).
Под длительным действием кислорода воздуха происходит старение резины, заключающееся в изменении физических, химических и механических свойств. Для предохранения от старения в состав резиновых смесей вводят в количестве 0,5—2% от веса каучука противостарители — вещества, вступающие в химическое взаимодействие с кислородом и предохраняющие этим резину от старения.
Классификация резин
По назначению резины подразделяются на следующие группы:
1. Резины общего назначения, эксплуатируемые при температуре от -50 до +150 °С (шины, обувь, ремни, амортизаторы и др.).
2. Теплостойкие резины, применяемые при температуре выше 150°С (детали самолетов, машин, электродвигателей и т. п.).
3. Морозостойкие резины, устойчивые при работе изделий в условиях Крайнего Севера, Антарктиды и на больших высотах.
4. Химически стойкие резины, устойчивые к озону, кислороду, кислотам, щелочам, растворам солей и т. д.
5.Маслостойкие резины, устойчивые в бензине, керосине, нефти.
6.Газонаполненные резины, применяемые как теплоизоляционный материал.
7. Резины, стойкие к действию радиации и применяемые для изготовления деталей рентгеновских аппаратов и т. п.
8. Диэлектрические резины, используемые для изоляции кабелей и в других целях.
Технологические процессы изготовления резино-технических изделий
Процесс изготовления резиновых изделий состоит из нескольких стадий:
1)приготовление сырой резиновой смеси из ингредиентов;
2) изготовление или формование заготовок или изделий из сырой резиновой смеси;
3) вулканизация изделий;
4) отделка изделий.
В зависимости от назначения резинового изделия, требований, предъявляемых к его свойствам и форме, применяют различные виды переработки.
Каландрование — процесс получения резиновых листов или профильных заготовок, покрытие тканей слоем резины, сдваивание листов и др. Выполняется на специальном оборудовании — каландрах, основным рабочим органом которых являются валки (рис. 36).
По выходе из валков каландровая резина проходит охладительные барабаны и поступает на транспортер, где с прокладочным полотном закатывается в рулоны.
Каландровую резину с гладкой поверхностью и без воздушных пузырей можно получать толщиной 0,15-1,2 мм.
Технологические этапы изготовления керамических изделий
Технологический цикл получения керамических изделий состоит из добычи и подготовки сырья, получения пластичной массы, формирования изделий, их сушки, обжига и отделки.
Добыча глин осуществляется в карьерах. Ее осуществляют обычно вблизи от керамических заводов, поэтому карьерные работы можно считать частью производственного цикла керамики.
Методы добычи глин определяются мощностью пласта и характером его залегания.
Недопустимо поступление в производство мерзлой глины, так как это приводит к повышению брака. Это вызывает необходимость утепления карьеров. Однако экономически более выгодно годовой запас глины обеспечивать в теплый период. Вылеживание замоченной глины и ее вымораживание в течение года способствует разрушению природной структуры глины, она дисперсируется на элементарные частицы, что обусловливает повышение формовочных свойств.
В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготавливаемой продукции подготовку глиняной массы осуществляют полусухим, пластическим и шликерным методами.
По первому способу сырьевые материалы после предварительного дробления на вальцах сушат до остаточной влажности 6-8%, затем измельчают, просеивают, увлажняют (до влажности 8—10%) и перемешивают.
При пластическом способе сырье дробят, тонко измельчают и увлажняют до получения однородной пластичной массы влажностью 18—22%.
По шликерному способу высушенные сырьевые материалы измельчают в порошок и смешивают с водой до получения сметаноподобной однородной массы — шликера. Его используют для формования изделий методом литья.
Полусухой способ подготовки массы позволяет сократить энергетические затраты и время на сушку (или вовсе ликвидировать этот этап). Однако при этом возрастают усилия прессования и пылевые выбросы. Данный метод реализуется преимущественно для плоских изделий простой формы (плитки для облицовки и полов).
Пластический метод позволяет получать изделия более сложной формы, чем первый. Он обеспечивает меньшие усилия прессования, чем при полусухом. Обязательным этапом в этом случае является сушка изделий перед спеканием. Этим методом изготавливается кирпич, черепица, трубы.
Шликерный способ позволяет получать изделия практически любой формы. Но при этом методе требуется длительный этап сушки, при котором имеют место большие объемные изменения, которые часто приводят к нежелательным деформациям. Этот способ из перечисленных наиболее длителен и энергоемок. Им производятся санитарно-технические изделия, декоративная керамика и др.
Сушка — ответственный этап технологии. В процессе сушки из формовки удаляется свободная влага. Изделие при этом дает усадку, называемую воздушной. Важно обеспечить такие условия, при которых скорость продвижения влаги от внутренних слоев к наружным не слишком разнилась бы со скоростью удаления влаги с поверхности. В противном случае наружные слои будут высыхать намного быстрее. В них будут появляться напряжения, способные привести к трещинообразованию. Поэтому процесс сушки идет либо при комнатных температурах, либо при слабом нагреве и носит длительный характер.
Обжиг — главная часть технологического процесса. Суммарные затраты на обжиг достигают 35—40% себестоимости товарной продукции. При обжиге происходят химические и физические процессы, изменяющие состав и свойства материала (происходит формирование структуры). Максимальная температура спекания керамики достигает 1400 °С
При обжиге происходит сближение частиц массы и стягивание их за счет образования жидкой фазы. Это приводит к появлению усадки, называемой огневой. Этот процесс при сильной интенсивности может сопровождаться растрескиванием. Поэтому нагрев и охлаждение при спекании проводят плавно, в соответствии с подобранным графиком.
Для спекания применяют различные нагревательные агрегаты. Наибольшее распространение получили туннельные, поскольку они легче автоматизируются и обеспечивают более эффективное использование тепловой энергии.