Цветные металлы. Алюминий.

серебристо-белый металл, плавится при температуре 660 °С и имеет плотность 2700 кг/м³, легко прокатывается куется при температуре 100... 150 °С. На воздухе окисляется и получаемый оксид в виде пленки защищает алюминиевое изделие от дальнейшего разрушения. Алюминий растворяется в соляной и серной кислотах и щелочах. Концентрированные, а также слабые растворы серной и азотной кислот на алюминий не действуют. С азотом и углеродом алюминий образует соответственно нитриды и карбиды.

В машиностроении применяют алюминий в виде сплавов, в чистом виде для электрических проводов и других целей. Как конструкционный материал алюминий используется в строительстве, авиации, электротехнике, электронике (как композиционный материал служит матрицей). В качестве легирующего вещества алюминий вводят в сплавы с медью, магнием, титаном, железом и другими материалами. Оксид алюминия — корунд -пользуется как абразивный материал.

Смесь порошков металлического алюминия и оксида железаобразует термитный материал, предназначенный длясварки (алюминотермия) крупногабаритных конструкций. Процессы восстановления в зоне сварки протекают при температурах до 3000°С. Такие же порошки используются как зажигательный материал для военных целей.

Цветные металлы. титан

Титан— металл со стальным блеском, плавится при темпе­ратуре 1665 °С и имеет плотность 4 500 кг/м³, т. е. примерно в 1,7 раза тяжелее (плотнее) алюминия, но в 1,75 раза легче желе­за, примерно во столько же раз легче хрома и в 2 раза легче нике­ля. В обычных условиях титан устойчив к воздействию воздуха и воды. При высоких температурах титан становится активным, со­единяется с кислородом, углеродом, серой, азотом, растворяется в соляной, серной и азотной кислотах.

Титан применяют для изготовления специальных сталей, твер­дых сплавов, высокоэлектропроводных бронз, сплавов для газо­турбинных лопаток, корпусов подводных лодок и глубоководных аппаратов.

По сравнению с другими металлами титан более стоек в агрес­сивных средах и поэтому используется для изготовления трубо­проводов, насосов, реакторов. Обладает способностью поглощать газы, что очень важно в вакуумной технике для получения глубо­кого вакуума. Диоксид титана служит пигментом в производстве эмалей, глазурей, красок, а также наполнителем и пигментом при производстве резиновых, пластмассовых изделий и бумаги.

Титанпо распространенности в недрах занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Этот легкий металл (плотность 4540 кг/м³) плавится при температуре около 1660 °С, легко образует соединения с кислородом, азотом, углеродом — оксиды, нитриды, карбиды, которые довольно твердые и тугоплавкие. Титан имеет высокие прочность и коррозионную стойкость. В виде добавок входит в состав многих металлических материалов, образует жаропрочные сплавы, а его карбиды являются одними из основных составляющих твердых сплавов. Этот металл хорошо обратывается резанием, при нагреве до 900 °С куется, а при температуре около 1000 °С прессуется в прутки разных профилей и трубы, прокатывается в холодном состоянии, но быстро упрочняется и требует частых отжигов в вакууме (гелии), после которых становится пластичным. Сваривают титан аргонно-дуговой сваркой.

Цветные металлы. Никель.

Никель— блестящий белый металл с сероватым оттенком, плавится при температуре 1453 °С, имеет плотность 8 900 кг/м³, пластичен (легко куется и прокатывается), в чистом виде не окис­ляется на воздухе и не корродирует в воде. Кроме того, никель обладает магнитными свойствами. Его широко используют в каче­стве легирующего компонента для получения сталей и сплавов, обладающих прочностью, жаростойкостью, намагничиваемостью, высоким электрическим сопротивлением и термоэлектродвижущей силой (термоЭДС).

28. абсорберы— аппараты для раз­деления газовых смесей путем избирательного поглощения их компонентов жидкими поглоти­телями (абсорбентами). Абсорберы используются в нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей от­раслях промышленности для разделения, осушки и очи­стки углеводородных газов. Из природных, попутных газов и газов нефтепереработки в абсорберах извлека­ют этан, пропан, бутан, легкие бензиновые фракции. При санитарной очистке газов в абсорберах улавливают сероводород, оксид серы, фтор и его соединения, хлор и хлориды, аммиак и другие вредные примеси.

Абсорберы разделяют по способу контактирования взаимодействующих фаз на три группы: поверхностные, барботажные и распыливающие. В поверхностных аб­сорберах поверхностью контакта фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки (пленоч­ные абсорберы). К этой группе относятся следующие аппараты: со свободной поверхностью; насадочные с насыпной и регулярной насадкой; пленочные, в которых пленка образуется при гравитационном стекании жид­кости внутри вертикальных труб или на по-верхности листов; механические пленочные с пленкой, форми­рующейся под действием центробежных сил.

 

29. адсорберы — аппараты для раз­деления газовых и жидких смесей путем избира­тельного поглощения (адсорбции) их компонен­тов твердыми поглотителями — адсорбентами. Погло­щаемое вещество, находящееся вне пор адсорбента, называется адсорбтивом, а после его перехода в адсор­бированное состояние — адсорбатом. Адсорберы при­меняют в газовой и нефтеперерабатывающей промыш­ленности для следующих целей: осушки газов (напри­мер, природного газа при подготовке его к транспорту); отбензинивания попутных и природных углеводородных газов; осушки жидкостей; разделения газов нефтепере­работки с целью получения водорода и этилена; выде­ления низкомолекулярных ароматических углеводоро­дов из бензиновых фракций; очистки масел; очистки газов и жидкостей от вредных веществ, загрязняющих окружающую среду. Адсорберы разделяют по способу контактирования обрабатываемой среды с адсорбента­ми на аппараты с неподвижным, движущимся плотным и псевдоожиженным. слоем..

 

СТЕКЛО

Общее название материалов, получаемых сплавлением двуокиси кремния с оксидами щелочных. и щелочноземельных металлов, Al₂O₃, В₂O₃, оксидами переходных металлов. Стёкла аморфны – являются твёрдыми растворами. Отличительная особенность стёкол – прозрачность и хрупкость. Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса. Плотность (2100…2600) кг/м³. Электропроводны. В химической технике широко применяются стёкла, отличающиеся минимальным линейным расширением, стойкостью и тугоплавкостью.

Алюмоборосиликатные стекла.

Содержат (60…65) % SiO₂; (15…16) % Al₂O₃; (15…16) % В₂O₃; (1…2) % Na₂O; (11…12) % CaO и (6…7) % MgO, а также до 15 % оксидов Mo, V, W - и до 2% F.

Основной тип химически стойких стёкол. Твёрдость (5…6) баллов по шкале Мооса. Плотность ρ=(2400…2600) кг/м³. Электропроводны. Теплопроводность λ=(0,9…1,1) Вт/м.К. Выдерживают нагрев до t=(450…1000) ^OC. Стойки к любым реагентам, кроме HF, крепких щелочей и ортофосфорной кислоты (при t>150 ^ОС). Оптически изотропны и прозрачны в области λ>300 нм. Отличаются малым линейным расширением α=(0,5…1,2).10^-6 К^-1.

Кварцевое стекло.

Содержит (98…99,5) % SiO₂. Получают электротермическим плавлением наиболее чистого кварцевого песка при t=(1750…1800) ^OC. Плотность ρ=(2100…2150) кг/м³. Электропроводно. Теплопроводность λ=(1,2…1,4) Вт/м.К. Выдерживает длительный нагрев до t=(1100…1200) ^OC; кратковременный - до t=(1300…1400) ^OC. Стойки к любым реагентам, кроме HF и ортофосфорной кислоты (при t>250 ^ОС). Газонепроницаемо при температурах до t=1300 ^OC. Оптически прозрачны в области λ>180 нм. Отличаются наименьшим линейным расширением: α=(0,3…0,7).10^-6 К^-1.

Ситаллы.

Стеклокристаллические материалы, получаемые путём направленной кристаллизации стекольных расплавов. При использовании в качестве присадок минерализаторов получают технические ситаллы, при использовании металлургических шлаков – шлакоситаллы.

Благодаря кристаллической структуре превосходят обычные стёкла по прочности в среднем в 5 раз. Термостойки при температурах до t=1000 ^OC. Стойки к любым реагентам, кроме HF и ортофосфорной кислоты (при t>250 ^ОС).

Стёкла и ситаллы - исключительно ценные материалы для химической техники. Поддаются плавлению, литью, пайке, склеиванию. Из химически стойких стёкол и ситаллов изготавливают сосуды и реакторы вместимостью до 160 л, кристаллизаторы, фильтры, дистилляционые и ректификационные установки, трубы, арматуру, защитные гильзы для датчиков КИПСА; и даже подшипники скольжения. Аппаратура выдерживает давление до 1 МПа и температуру до t=(300…1000)^OC. Стеклянное оборудование прекрасно подходит для получения высокочистых продуктов и полностью соответствует требованиям GMP. Стекло, ситаллы и, особенно, кварц - исключительно важны для

изготовления фотохимических и СВЧ-реакторов.

31. Каучуки – продукты полимеризации 2-R-1,3-бутадиенов [R= H (бутадиен); Cl (хлоропрен); Me(изорпрен)] или сополимеризации их с замещёнными этиленами (изобутен; акрилонитрил, стирол).

Принципиальная структурная особенность каучуков – сохранение в макромолекуле этиленовых фрагментов; кроме того, эта особенность даёт возможность синтеза стереорегулярных структур: все-транс (типа натурального

каучука) или все-цис (типа гуттаперчи)

(-СН₂-СН=СR-СН₂-)_N - монополимеры

(-СН₂-СН=СR-СН₂- СН₂- СR'-)_N - сополимеры

 

Эластомеры – продукты вулканизации каучуков - реакции с серой и оксидами металлов при температурах (150…200) ^ОС.

Таблица 4 – Типы вулканизованных материалов

Класс продукта	Тип продукта	Массовая доля серы, %
Эластомеры	Мягкая резина	2…4
Полужёсткая резина	12…20
Эбонит	Жёсткая резина	30…50

 

Специфичность структуры сообщает каучукам и эластомерам уникальную эластичность и упругость. Каучуки и резины обладают хорошей адгезией к металлам. Стойки к действию большинства неорганических реагентов, в т.ч., к окислителям – кроме галогенов и галогенангидридов. Также стойки к спиртам, карбоновым кислотам; нестойки к углеводородам, алкил- и арилгалогенидам. Диапазон рабочих температур от (-30) до (100…150) ^ОС.

Особое место в этом классе материалов занимают т.н. силиконовые каучуки - полидиалкилсилоксаны общей формулы [O-SiR₂-O-]_N. Кремнийорганические полимеры отличаются не только высокой прочностью и упругостью, но и уникальной, сопоставимой с фторопластами – химической стойкостью к действию почти всех агентов. Диапазон рабочих температур: от (-60) до (200…300) ^ОС.

Каучуки и резины в основном применяют для изготовления уплотнительных деталей оборудования, шлангов, труб, а также в качестве клеев и герметиков.

Важнейший аспект – использование в качестве защитных покрытий стальной аппаратуры: реакторов, сосудов, фильтров, центрифуг, труб. Защита резиновыми покрытиями называется гуммированием. Гуммируемые детали обкладываеют листами сырой резины и вулканизуют в среде острого пара или воздуха при температуре порядка 150 ^ОС. Гуммированное оборудование работоспособно при температурах до 100 ^ОС в неабразивных средах.

 

КОРРОЗИЯ

Коррозия – явление структурного разрушения конструкционных материалов и элементов технических систем под воздействием комплекса химических, биохимических, физических (электрических, деформационных, термичес-ких, вибрационных, радиационных) факторов окружающей среды – природной или техногенной.

(Очевидно, что явления преднамеренного разрушения к коррозии не относятся).

Коррозия – едва ли не единственное явление, которое в технике считается совершенноым злом, поскольку практически невозможно использовать его в созидательных целях.

Коррозия – явление многообразное и чрезвычайно сложное. Непременным и первостепенным фактором, вызывающим коррозию, являются многообразные химические процессы. Видов и механизмов коррозии чрезвычайно много; в данном курсе будут рассмотрены (увы, крайне поверхностно) только наиболее характерные для химической

аппаратуры.

Типичные виды коррозии

Следует отметить, что коррозия проявляется принципиально в двух формах.

1. Нарушение макроструктуры материала, приводящее к потере прочности.

Сюда можно отнести такие явления как набухание полимеров во многих органических средах; межкристаллитное растрескивание сплавов (в первую очередь, сталей), бетонов и иных микрокристаллических материалов; растрескивание слоистых материалов (пластиков, древесины); водородная хрупкость сталей, вызываемая насыщением сплава гидридами металлов.

Это вид коррозии весьма опасен, поскольку зачастую видимые эффекты разрушения отсутствуют, даже когда прочность материала критически уменьшена.

2. Явное разрушение материала с исчезновением вещества. Этот эффект традиционно определяет как коррозию.