Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования Российской Федерации

Ивановский государственный химико-технологический университет

В.Е. Майзлиш, А.В. Борисов, Г.П. Шапошников

МАТЕРИАЛЫ, КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ ТИПОВОЙ РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Учебное пособие

Иваново 2007

ПРЕДИСЛОВИЕ

Всовременных условиях будущему специалисту в области химической технологии органических веществ необходимо решать сложные вопросы, связанные с эксплуатацией технологических процессов и оборудования.

К сожалению, учебное пособие Плановского А.Н., Гуревича Д.А. Ап- паратура промышленности полупродуктов и красителей. М.: Госхимиздат, 1961 давно стало раритетом, а более новый учебник Перевалова В.П. и Кол- добского Г.И. Основы проектирования и оборудование производств тонкого органического синтеза. М.: Химия, 1997, на наш взгляд, по объективным причинам не в полной мере охватывает вопросы, касающиеся материалов, конструктивных узлов реакционной аппаратуры, вспомогательного оборудо- вания.

Основной целью данного пособия является расширение и систематиза- ция знаний будущих специалистов в области проектирования и оборудова- ния производств органического синтеза.

Впервой главе приводятся сведения о конструкционных материалах, защитных покрытиях, конструктивных узлах реакторов, включая элементы поверхности теплообмена, гарнитуру и арматуру химических аппаратов.

Во второй главе представлено вспомогательное оборудование для транспортировки и дозирования твердых, жидких и газообразных продуктов, разделения неоднородных систем, размельчения, сушки и смешения.

Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения специальности 240100 «Химическая технология органи- ческих веществ» и будет полезно для лучшего усвоения лекционного мате- риала по курсу «Основы проектирования и оборудование предприятий орга- нического синтеза».

3

ГЛАВА I

МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ ТИПОВОЙ РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

1. МАТЕРИАЛЫ ТИПОВОЙ РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

Специфические условия эксплуатации химического оборудования произ- водств органического синтеза, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основ- ные требования к конструкционным материалам:

§высокую химическую и коррозионную стойкость материалов в агрессивных средах при рабочих параметрах;

§высокую механическую прочность при заданных рабочих давлениях, темпера- туре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испы- таниях и в период эксплуатации аппаратов;

§хорошую свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений;

§низкую стоимость и недефицитность материалов.

Вследствие многообразия перечисленных выше требований при изго- товлении химической аппаратуры применяются самые различные материалы.

Основные конструкционные материалы, применяемые для изготовления аппаратов промышленности органического синтеза, условно делятся на сле- дующие группы:

1.Металлы

-стали

-чугуны;

-сплавы и биметаллы; -цветные металлы, редкие металлы и сплавы.

2.Неметаллические материалы

-неорганические материалы;

-органические материалы.

Наиболее широкое распространение в качестве материалов для химиче- ской аппаратуры получили стали и чугуны. Они обладают высокой механиче- ской прочностью, хорошими физическими свойствами (высокая теплопровод- ность, малая теплоемкость и др.), вполне доступны и достаточно дешевы.

Стали

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1-2 %. С увеличением содержания углерода возрастает твердость стали и уменьшается ее ударная вязкость, т. е. сопротивление ударной нагруз- ке. При небольшом содержании углерода (0,2 – 0,3 %) обыкновенная литая сталь обладает известной мягкостью и эластичностью, хорошо куется и свари- вается, но слабо закаливается. Сталь, содержащая большие количества углеро-

4

да, отличается повышенной твердостью и упругостью, хорошо закаливается и практически не сваривается.

Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора. Стали по химическому составу делятся на несколько групп:

-углеродистые обыкновенного качества;

-углеродистые конструкционные;

-легированные конструкционные и др.

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий - 1, 2, 3, 4, 5, 6 - чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех категорий изготавливают кипящими (кп), полуспокой- ными (пс) и спокойными (сп). Буквами «кп» обозначается кипящая сталь, т. е. сталь, которая при застывании «кипит», выделяя газы [спокойная сталь (сп) получается при застывании металлов без выделения газов]. Кипящая сталь дешевле, легче сваривается, но отличается неоднородностью, склонностью к старению и обладает меньшей механической прочностью при высоких темпе- ратурах.

В табл. 1 приведены примеры использования углеродистой стали обык- новенного качества в химическом машиностроении.

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повы- шаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального на- грева.

Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок Ст.З, Ст.Зкп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1.5 раза при высоком (15÷26 %) относительном удлинении.

Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает ме- ханические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эф- фект.

Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следую-

щих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени рас-

кисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.

5

Такие стали можно разделить на две группы. В I группу входят стали с нормальным содержанием марганца (до 0.80 %): 05кп, 05, 08кп, 08, 10кп, 10, 15кп, 15, 20кп, 20, 25, 30 и т. д. Цифры в обозначении марки стали соответст- вуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Так, сталь мар- ки 15 содержит от 0.12 до 0.18 % углерода.

Вторая группа отличается повышенным содержанием марганца (до 1.8 %). В эту группу входят стали марок: 15Г, 20Г, 30Г, 40Г, 50Г, 60Г, 65Г, 10Г2, 15Г2, 20Г2 и др. Цифры перед буквой «Г» соответствуют среднему со- держанию углерода в сотых долях процента, цифры после буквы «Г» - прибли- зительному содержанию марганца (в %), если оно выше 1 %.

В табл. 2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.

Для изготовления аппаратуры (автоклавы, фасонные детали) довольно часто применяют стальное литье. Отливки из углеродистой стали разделяются на три группы: обыкновенного качества, повышенного качества и особого ка- чества. Отливки разных групп отличаются по содержанию серы и фосфора, являющихся вредными примесями, которые придают стали хрупкость. Наи- меньшее количество серы и фосфора содержат отливки III группы. Стальные отливки каждой группы выпускаются девяти марок (15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 50Л и 55Л), отличающихся друг от друга по содержанию углерода. Циф-

ры в обозначении марки стали соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 40Л находится 0.37 - 0.45 % углерода. Чем выше номер марки, тем больше содержание углерода в стали и выше ее прочность и твердость.

Стали марок 15Л, 20Л, 25Л и 30Л I группы применяют для изготовления сосудов, работающих при температуре стенок от -15 до +400 оС и давлении рабочей среды не более 50 кг/см2. Из сталей марок 15Л, 20Л, 25Л, 30Л II и III групп изготовляют сосуды, работающие при температуре стенок от -40 до +450 оС без ограничения предела давления рабочей среды.

Листовую углеродистую сталь выпускают пяти марок. Листовая сталь Ст.2 и Ст.З предназначается для изготовления сосудов, работающих при тем-

6

пературе не выше 120 оС и давлении не более 8 ати. Стали марок 15К, 20К и 25К применяются для изготовления сосудов, работающих под давлением до 60 ати при температуре не выше 450 оС.

Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки. Обыкновенная углеро- дистая сталь с присадкой некоторых цветных металлов (хром, никель, титан и др.) приобретает повышенную стойкость к коррозионному действию агрес- сивных агентов. Такая сталь, называемая легированной, или специальной, ста- лью, выдерживает воздействие растворов некоторых кислот, щелочей и солей, разъедающих углеродистую сталь. Поэтому легированная сталь находит ши- рокое применение при изготовлении химической аппаратуры. Следует отме- тить, что в различных средах и при разных температурах устойчивы различ- ные сорта легированных сталей и сплавов.

Для сокращения расхода дорогостоящих цветных и легированных ме- таллов применяют биметаллы, представляющие собой углеродистую сталь, на которую нанесен слой цветного или легированного металла.

Наиболее распространенные легирующие добавки:

§хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;

§никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;

§вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакалива- ние;

§молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость;

§марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;

§кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы текучести и упруго- сти, кислотостойкость;

§ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вяз- кость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водород- ной коррозии;

§титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (более 800 °С) температурах.

Обычно в состав легированных сталей входят несколько добавок. По

общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:

-низколегированные — с содержанием добавок до 3 %;

-среднелегированные — с содержанием добавок от 3 до 10 %;

-высоколегированные — с содержанием добавок более 10 %.

Цифры в обозначении марки стали после букв соответствуют среднему содержанию данного элемента в стали или в сплаве в процентах, например, Х17 - хромистая сталь, содержащая 17 % хрома. Если стали или сплавы разли- чаются по содержанию углерода, то первая цифра, стоящая перед буквой, обо-

7

значает содержание углерода в десятых долях процента, например 1Х18Н9Т - хромоникелетитановая сталь, содержащая 0.1 % углерода, 18 % хрома, 9 % ни- келя и менее 1 % титана.

В табл. 3 приведены примеры использования легированных сталей в хи- мическом машиностроении.

8

Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико- термическая обработка, т.е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения поверхно- стной твердости, жаростойкости и химической стойкости.

К основным видам химико-термической обработки изделий из стали от- носятся:

-цементация - процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает его прочность и твердость;

-азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;

-алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алю-

минием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800÷1000 °С; - хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.

Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей развивается по двум направлениям: насыщение диффузионного слоя азотом и упрочнение деталей термоциклической обработкой в процессе насыщения. Осно-

вой новых технологических процессов стала нитроцементация со ступенчатым возрастанием расхода аммиака. Толщина слоя при этом увеличивается до 1 - 2 мм и более, возрастает его твердость.

Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий более 1,7 % С. По сравнению со сталью чугун более хрупок и имеет меньшую проч- ность, вследствие чего его не применяют при работе под давлением свыше 6 ати. К недостаткам чугуна относится также ограниченная возможность его

9

механической обработки, поэтому чугун может быть использован только в ви- де литья.

Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и других метал- лургических добавок: кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода

вчугунах колеблется от 2,8 до 3,7 %, при этом большая его часть находится в сво- бодном состоянии (графит) и только около 0,8 ÷ 0,9 % находится в связанном со- стоянии в виде цементита (карбида железа - FeC). Свободный углерод выделяется

вчугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре различают:

-чугун серый, в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;

-чугун белый, в структуре которого углерод выделяется в связанном состоянии;

-чугун отбеленный, в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;

-чугун половинчатый, в структуре которого углерод выделяется частично в свя- занном, а частично в свободном виде.

Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металличе- ских формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые не- возможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.

Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.

Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластич- ность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии не- возможна.

Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характери- зует предел прочности на растяжение, второе - предел прочности на изгиб, напри-

мер, СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.

Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.

Для изготовления аппаратов, применяемых в промышленности органи- ческого синтеза, используют различные марки серого чугуна. Так, например,

для изготовления корпусов реакционных аппаратов применяют серый чугун марок СЧ 15-32 и СЧ 18-36. Чугун марки СЧ 32-52 используется для изготов- ления реакционных котлов и ответственных литых деталей (вкладыши авто- клавов, зубчатые колеса, сальники, втулки, лапы, корпуса вентилей и кранов и т. д.).

Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модифи- каторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.

Различают ковкий и высокопрочный чугуны. Ковкий чугун (КЧ) отличает- ся от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относи- тельное удлинение КЧ составляет 3-10 %). По сравнению с серым чугуном ков- кий чугун (КЧ 30-6, КЧ 33-8 и т. д.) обладает повышенной прочностью. Ковкий

10

чугун выпускается разных марок: Первые две цифры марки обозначают времен- ное сопротивление разрыву, кгс/мм2, последние цифры — относительное уд- линение, %.

Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высо- кие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием при- садками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготов- ление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.

Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молиб- ден, ванадий, титан, бор и др.

По суммарному содержанию легирующих добавок чугуны делят на три группы:

-низколегированные - легирующих добавок до 3 %;

-среднелегированные - легирующих добавок от 3 до 10 %;

-высоколегированные - легирующих добавок более 10 %.

Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, молибдена, кремния по- вышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с до- бавкой меди (5-6 %) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30 % Сr) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлори- стых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4 % (антихлор) хорошо проти- востоит действию соляной кислоты.

Разнообразие выпускаемых марок чугуна дает возможность выбирать чугуны, наиболее соответствующие конкретным условиям эксплуатации дан- ного аппарата и его деталей. При выборе марки чугуна следует учитывать в первую очередь условия работы аппарата или его узлов и свойства чугуна раз- личных марок.

Сплавы и биметаллы

Высококремнистый сплав (ферросилид). Железокремнийуглеродистый сплав, содержащий 14,5 – 18 % кремния, носит название ферросилида. Он об-

ладает повышенной химической стойкостью и применяется для изготовления аппаратов и деталей, работающих в условиях воздействия азотной, серной, хо- лодной соляной кислот, растворов солей и т. д. Сплав нестоек к действию рас- творов сернистой кислоты и расплавленных щелочей. По ГОСТ 2233-43 изго- товляются две марки отливок из ферросилида: С15 (14,5 – 16 % кремния) и С17 (16 – 18 % кремния). Ферросилид марки С17 обладает более высокой хи- мической стойкостью.

Недостатком высококремнистого сплава является его хрупкость и боль- шая чувствительность к резким изменениям температуры. Из ферросилида из- готовляют царги колонн, котлы, центробежные насосы, трубы, арматуру.

11

Железокремниймолибденовый сплав (антихлор) содержит около 15 %

кремния, около 3,5 % молибдена и примерно 0,5 % углерода. По сравнению с ферросилидом он обладает повышенной стойкостью к действию соляной ки- слоты (устойчив при температуре до 90 оС).

Железокремниймолибденовый сплав может быть использован для изго- товления насосов, аппаратов, арматуры. Его недостатками являются относи- тельно трудная обрабатываемость и высокая стоимость.

Щелочестойкий чугун. Выпускаются две марки щелочестойкого чугуна: СЧЩ-1 и СЧЩ-2. В качестве присадок такой чугун содержит 1,2 – 2 % крем- ния, 0,4 – 0,8 % хрома, 0,35 – 1 % никеля, а также другие элементы. Он приме- няется для изготовления аппаратуры, эксплуатируемой в условиях воздействия водных растворов или расплавов едкого натра и едкого кали. Такой же устой- чивостью в этих условиях обладают и природно-легированные елизаветинские и халиловские чугуны.

Биметаллы. Биметалл представляет собой двухслойный материал, ос- новой которого является относительно дешевая углеродистая сталь, а вторым (плакирующим) слоем—цветной или легированный металл. Коррозионная стойкость биметалла определяется свойствами плакирующего металла, непо- средственно соприкасающегося с реакционной массой.

Из биметаллических листов изготовляют реакционные котлы, крышки аппаратов, люки и т. д. В промышленности органических полупродуктов и красителей для изготовления аппаратов применяют биметаллические листы, основным слоем которых является углеродистая сталь, а плакирующим— никель или кислотостойкая сталь.

Двухслойную листовую сталь выпускают толщиной от 8 до 60 мм, при этом толщина плакирующего слоя составляет 2-7 мм. Применение биметаллов дает возможность значительно сократить расход дорогостоящих цветных ме- таллов и одновременно обеспечить коррозионную стойкость материалов аппа- ратуры.

Цветные металлы, редкие металлы и сплавы

Некоторые из цветных металлов, а также редких металлов обладают ус- тойчивостью к действию ряда агрессивных сред. Поэтому они и их сплавы при- меняют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической про- мышленности в качестве конструкционных материалов используются алюми- ний, медь, никель, свинец, титан, тантал и их сплавы.

Алюминий. Благодаря доступности по сравнению с другими цветными металлами, а также легкости, достаточной механической прочности и стойко- сти к воздействию некоторых агрессивных агентов (например, азотной кисло- ты) алюминий получил довольно широкое распространение в качестве мате- риала химической аппаратуры. Алюминий обладает высокой стойкостью к дей- ствию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной

12

серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной ки- слоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образованием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его от дальней- шего окисления. Механические свойства алюминия в значительной степени зави- сят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 до 200 оС зна- чения допускаемого напряжения на растяжение снижаются в 3-3,5 раза, а на сжатие - в 5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.

В промышленности тонкого органического синтеза алюминий применя- ется для изготовления мерников, хранилищ, реакторов, теплообменников и других аппаратов, работающих без давления и при температуре стенок не вы-

ше 150 оС.

Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнатной тем-

пературе и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких тем- пературах и поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной ки- слоты, относительно устойчива к действию органических кислот. Широкое рас- пространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распростра- ненными являются сплавы меди с цинком (латуни), оловом (бронзы), никелем (ЛАН), железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10 % цинка - томпак; до 20 % - полутомпак; более 20 % - константаны, манганины и др.).

Свинец - обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве кон- струкционного материала. Однако широкое применение в машиностроении на- шли сплавы с использованием свинца в качестве легирующего компонента: свин- цовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурь- ма).

Никель. Вследствие высокой механической прочности и значительной химической стойкости никель считается одним из лучших материалов химиче- ского аппаратостроения. Никель отличается высокой устойчивостью к воздей- ствию горячих растворов и расплавов щелочей. Он устойчив к коррозионному действию большинства органических кислот и растворов солей (азотнокислых, хлористых, сернокислых).

Обычно из никеля изготовляются особо ответственные аппараты (реак- торы, теплообменники, вкладыши и их детали), которые должны обладать вы- сокой химической стойкостью и механической прочностью и, кроме того, обеспечивать достаточно хороший теплообмен.

Широко применяется в различных отраслях техники главным образом для получения жаропрочных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими

13

свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими свойствами и повышенной коррозионной стойкостью.

Никельхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легиро-

ванные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Ни- келевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислитель- ных средах. Никель-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышен- ной стойкостью к действию соляной кислоты.

Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, фосфорной и хромо- вой кислот, уксусной и муравьиной кислот, разбавленных растворов соляной кислоты, смеси соляной и азотной кислот при комнатной температуре, к дей- ствию растворов хлористого натрия, железа, аммония, магния и других хлори- дов при различной концентрации солей и различной температуре, за исключе- нием концентрированного раствора треххлористого алюминия (более 25 % А1С13) при 100 оС. Разрушается титан в среде серной, концентрированной со- ляной, щавелевой кислот, особенно при повышенной концентрации и темпера- туре.

Сплав титана с молибденом (30 % Мо) обладает значительной стойко- стью в среде соляной, серной, ортофосфорной кислот. При взаимодействии титана с азотной кислотой наблюдались взрывы, при применении сплава тита- на с алюминием таких случаев не происходило. Выпускают титан в виде лис- тов и цельнотянутых труб. Его применяют главным образом для облицовки аппаратов и изготовления деталей центробежных насосов, арматуры. В других

отраслях машиностроения титан используется преимущественно в качестве жароупорного материала.

Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к действию щелочей, олеума, фосфорной кислоты (при температуре выше 145 оС), соединений фтора, легко адсорбирует водород, что приводит к хрупкости метал- ла. Он применяется при изготовлении испарителей для соляной кислоты, тепло- обменников, работающих при высокий температуре (порядка 350 оС) и давлении

(60-70 атм).

Цирконий обладает высокой стойкостью к действию разбавленной сер- ной, соляной и азотной кислот при различных температурах, благодаря чему его начинают применять в химическом машиностроении. Цирконий устойчив в среде щавелевой и муравьиной кислот, солянокислого анилина, в 10 - 40 %-х растворах едкого натра и едкого кали. В некоторых случаях этот металл может заменить даже платину.

Цирконий выпускают в виде листов, лент, труб, проволоки. Его приме- няют для облицовки аппаратов, изготовления деталей насосов и арматуры. Из- вестны также химически стойкие сплавы циркония: цирколай-1 (2,5 % олова),

цирколай-2 (1,3 – 1,6 % олова, 0,2 – 0,7 % железа, 0,05 – 0,16 % хрома, 0,03 – 0,08 % никеля), цирколай-3 (1,25 % олова и 0,25 % железа). При температуре

14

около 500 °С прочность циркония резко снижается; в этих условиях можно применять цирконий, легированный некоторыми металлами (присадки Сu, А1, Nb).

Неметаллические материалы

При изготовлении аппаратов для промышленности тонкого органическо-

го синтеза применяются некоторые неметаллические неорганические мате-

риалы, например, керамика, фарфор, стекло, кислотоупорный бетон, графит. Эти материалы обладают высокой химической стойкостью, но плохо поддают- ся механической обработке и отличаются хрупкостью, низкой термической стойкостью и, за исключением графита, плохой теплопроводностью (0,8 – 1,0 ккал/м·ч·град), что сильно ограничивает области их применения в качестве конструкционных материалов.

В химическом аппаратостроении применяются также многие пластиче- ские массы, обладающие высокой стойкостью к воздействию кислот и раство- ров солей и хорошо поддающиеся механической обработке. К недостаткам пластических масс следует отнести их низкую теплопроводность, а для неко- торых из них - узкие пределы температур, при которых они могут применять- ся.

Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкци- онных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.

Фторопласт (тефлон, политетрафторэтилен) может применяться при температурах до 300 оС. Элементы конструкций из фторсодержащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широ- ком интервале температур.

Графитовые материалы. Графит, применяемый в химическом маши- ностроении, получают путем обжига смеси антрацита или нефтяного кокса с

каменноугольным пеком и антраценовым маслом при температуре около 2500 оС. Графит устойчив к действию большинства химически агрессивных сред и обладает повышенной теплопроводностью (100 ккал/м·ч·град). Отме- чают его нестойкость в концентрированной серной кислоте и в азотной кисло- те, имеющей концентрацию выше 10 % HNО3. Графит применяют при изго- товлении теплообменной аппаратуры, труб и т. д. Удельный вес графита при- мерно в четыре раза меньше удельного веса стали, поэтому конструкции из графитовых материалов значительно легче аналогичных металлических конст- рукций.

Следует отметить, что материалы на основе графита только условно мо- гут быть отнесены к неорганическим материалам, поскольку графит, отли- чающийся пористостью, обычно пропитывают композициями на основе фено- ло-формальдегидных смол.

Графитовые материалы хорошо поддаются механической обработке и склеиваются (обычно феноло-формальдегидными смолами) с последующей термообработкой.

15

Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют для изготовления теплообменников и трубопроводной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в кислотах - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40 %), серной (до 50 %), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию щелочей.

К числу графитовых материалов относится, например, антегмит (АТМ),

представляющий собой пресспорошок на основе графитовых материалов и феноло-формальдегидных смол. Он является теплопроводным материалом (теплопроводность 35 ккал/м2·ч·град), обладающим химической стойкостью к действию большинства кислых сред и растворов солей. Антегмит марки АТМ- 1 неустойчив в среде азотной кислоты, щелочей и сильных окислителей. Ан- тегмит марки АТМ-10 не разрушается как в кислых, так и в щелочных средах и устойчив в некоторых окислительных средах. Повышенной стойкостью к действию окислительных сред отличается антегмит марки АТМ-1Г. Изделия из антегмита получают путем прессования в горячих пресс-формах. Из антег- мита марки АТМ-1 изготовляют трубы, фасонные части, футеровочные плит- ки.

Керамика, фарфор, стекло используются для изготовления реакцион- ных аппаратов, колонн, центробежных насосов, труб и арматуры, подвергаю- щихся в процессе эксплуатации действию сильно агрессивных веществ.

Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производст- вах особо чистых веществ.

Фарфор обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.

Керамические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубопроводы из

кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.

Винипласт - продукт термомеханической пластификации поливинил- хлорида (при 155 - 163 оС) с добавкой небольших количеств стабилизаторов и наполнителей. Винипласт стоек к действию растворов солей, разбавленных щелочей и почти всех кислот за исключением азотной и олеума. Однако он не устойчив в условиях воздействия ароматических углеводородов.

Винипласт поддается механической обработке, сваривается (в токе горя- чего воздуха при помощи специального сварочного пистолета, в котором воз- дух подогревается электрическим током до 200 - 250 оС) и склеивается, сохра-

няет химическую и достаточную механическую прочность при температурах не выше 40 - 60 оС.

Выпускаются пленочный и листовой винипласт (толщина листов от 0,2 до 20 мм), а также трубы из винипласта. Винипласт применяется для изготов-

16

ления деталей аппаратов и арматуры, которые надежно работают в интервале температур 0-40 °С и давлении до 0,6 МПа.

Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая

сравнительно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур от -50 до +110 °С.

Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к дейст- вию минеральных кислот и щелочей при условиях:

-полиэтилен - температура от -60 до +60 оС, давление до 1 МПа;

-полипропилен - температура от -10 до +100 °С, давление до 0.07 МПа.

Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 °С и давлении до 0.06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том числе серной (концентрацией до 50 %), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50 %), фосфор- ной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.

Благодаря сравнительной легкости обработки фаолит применяют для из- готовления. самой разнообразной аппаратуры: реакционных котлов, храни- лищ, фильтрующей аппаратуры, ректификационных колонн и других аппара- тов, в которых перерабатываются вещества! оказывающие сильное коррозион- ное воздействие на металлы. Фаолит, содержащий в качестве наполнителя графит, отличается повышенной теплопроводностью. Он пригоден для экс- плуатации при температурах от -30 до +130 оС.

Текстолит представляет собой композицию на основе хлопчатобумаж- ной ткани, пропитанной феноло-формальдегидными смолами. Пропитанный материал подвергается прессованию и термической обработке. По механиче- ской прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрес- сивным средам, в том числе к кислотам - серной (концентрацией до 30 %), со- ляной (до 20 %),фосфорной (до 25 %), уксусной (всех концентраций). Верхний температурный предел применения текстолита 80 °С. Он применяется для из- готовления центробежных насосов, мешалок, трубопроводов и арматуры.

Стеклотекстолит аналогичный текстолиту, но изготовленный на ос- нове стеклянного волокна. Стеклотекстолит обладает высокой химической стойкостью и поддается обработке на станках. Его применяют для изготовле- ния деталей, работающих при высоких механических нагрузках (мешалки, де- тали насосов).

Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетонирования днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900-1200 оС. В по- следнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред. Он применяется для изго- товления емкостей, башен и кислотохранилищ.

Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, ан- дезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы

17