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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 材料湿法磷酸生产中常用的非金属材料:?1 热塑性塑料周绍彪(云天化集团 云南红磷化工有限责任公司,云南 开远661600)关键词湿法磷酸;非金属材料;热塑性塑料摘要介绍部分热塑性塑料在湿法磷酸中的应用情况。重点介绍了以聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃、聚丙烯、聚四氟乙烯为代表的热塑性塑料的性能;结合多年的使用经验,提出了在湿法磷酸各部位的热塑性塑料的选用意见。中图分类号 TQ 05014+;TQ 12613+5文献标识码 A文
2、章编号 10076220(2005)06005805Common nonmetallic materials used in W PA production:?1thermoplasticsZHOU Shaobiao(Phosphate P lant,H ong lin Chem ical Co.,L td,Yuntianhua Group Corp.,K aiyuan,Yunnan661600,China)Key words:wetprocess phosphoric acid(W PA);nonmetallic material;thermoplastic plasticAbstract:
3、The application of some thermoplastic plastics in the wetprocess phosphoric acid production isdescribed,and the characteristics of such the thermoplastic as poly vinyl chloride(PVC),polyethylene(PE),polyolefin(PO),polypropylene(PP)and polytetrafluoroethylene(PTFE)are presented.Based onthe past exper
4、ience,the selections of the thermoplastic plastics on different positions in the plant are alsomade.在非金属有机材料中,塑料对磷酸和酸中杂质以及含氟气体有良好的耐蚀性。在使用温度的极限范围内,它们在磷酸中的耐腐蚀性能常常优于金属材料,因而,在湿法磷酸生产中得到广泛应用。塑料是以合成树脂为基本成分,一般含有添加剂,在加工过程中能流动成型的一种材料。现在的大多数塑料,都是以合成树脂为主要原料,经过加入填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、固化剂等,改善塑料的耐热、耐寒、耐腐蚀、耐磨、机械、导热及施工
5、性能等。有的塑料,其它材料的含量甚至超过了合成树脂的含量,达到60%70%;有的塑料,却不添加其它材料而单纯用树脂制成,如:聚乙烯、聚苯乙烯、有机玻璃等。合成树脂是由人工合成的分子量比较大的聚合物,通常称为高分子化合物,也称之为聚合物。合成树脂以其受热后所表现的性能不同,可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。热塑性树脂是指具有线型或支链型结构的一类树脂,如聚酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯等。这类树脂可被反复加热软化(或熔化)和冷却凝固。以热塑性树脂为主要成分的塑料叫热塑性塑料。在磷酸中使用的热塑性塑料主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚烯烃、聚丙烯、聚四氟乙烯。1聚氯乙烯塑料聚氯乙烯塑料(
6、PVC)以其中所加入增塑剂的多少分为硬聚氯乙稀和软聚氯乙烯。工业上通常使用的是硬聚氯乙烯材料。11物理性能和力学性能硬聚氯乙烯密度约为1135116 g?cm3,是普通碳钢的1?5;热导率为01140115W?(mK),与石棉板的热导率差不多,只有普通碳钢热导率的1?4001?500,所以不宜作为加热器、冷却器等换热设备;线膨胀系数为51056105K1,为普通碳钢的56倍,作设备和管道用,在安装时要考虑这一特点。硬聚氯乙稀在20的瞬时拉伸强度在49M Pa以上,高于聚乙烯、聚丙烯、石棉酚醛、氯化聚醚氟等许多常用塑料,但和钢材相比就低得多,只有碳钢的1?5左右。其拉伸强度随温度的升高而降低;冲
7、击强度随温度的降低,急剧降低;杨氏模量约为3 140M Pa,为碳钢的1?66,但比聚乙烯等软塑料要大几十倍,因此,它具有一定的刚度,可以单独作为结构材料。收稿日期 20050408作者简介周绍彪(1966),男,云南建水人,机械高级工程师,从事硫酸、精细磷化工生产管理。2005年11月第20卷第6期磷 肥 与 复 肥Phosphate&Compound FertilizerNov.2005Vol.20 No.6 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/硬聚氯乙
8、烯具有良好的机械加工性能,可以加工成各种小零件,加工性能介于木材和金属之间。在一定温度下,它具有良好的塑性,通过加热成型,可以很方便地制成各种设备,加热温度范围在80165,温度越高,塑性越好,成型后的材料内应力也越小,形状的稳定性越好。但当温度接近板材的成型温度(165175)时,硬聚氯乙烯表面会出现起泡和分层现象,所以成型温度应控制在120130。硬聚氯乙烯的使用温度为50以下,超过此温度时,就会变软。在日光、高温、氯气等自然环境中,其使用性能会快速降低。一般情况下,使用寿命为3年。12耐化学腐蚀性能硬聚氯乙烯在50的环境中,耐化学腐蚀性能优于酚醛塑料、聚苯乙烯塑料、有机玻璃等许多常用塑料
9、。除强氧化剂(如浓度大于50%的硝酸,发烟硫酸等)以外,它能耐各种浓度的酸、碱、盐类溶液的腐蚀(见表1)。其介电性能良好,击穿电压在35 kV?mm以上,可用于既腐蚀又绝缘的场合。在满足温度、强度要求时,硬聚氯乙烯可广泛应用在磷酸生产中。表1硬聚氯乙烯的耐化学腐蚀性能介质介质质量分率?%温度?耐蚀性氟气任意50使用3年氟硅酸2060使用3年以上硫酸 9060耐磷酸 9060耐13应用范围由于PVC性能好,在我公司得到广泛应用。在硫酸装置中,用来制作电除雾器、泡沫塔等设备,在外包玻璃钢的情况下,已使用了近10年。在过磷酸钙装置上,主要用作氟气吸收室、洗涤塔、气液分离器、尾气烟囱等,现已使用近10
10、年。在氟硅酸钠装置中,主要用来制作中和槽等相关的洗涤塔设备,使用寿命也在10年左右。由于PVC比较脆,在磷酸装置上很少使用;只少量用来制作氟气风机前面的气液分离设备,由于安装在室外,在日晒、高温和负压状态下,使用寿命只有3年。2聚丙烯塑料聚丙稀(PP)是一种非极性高分子材料。根据分子结构的不同可分为等规聚丙烯、间规聚丙烯和无规聚丙烯3种。我们一般讲的聚丙烯指的是等规聚丙烯,平均分子量为10万 50万。由于它的原料来源丰富,价格较低,被应用于各种领域。21物理性能聚丙烯塑料的密度为01900191 g?cm3;导热系数为010870114 W?(mK),只是碳钢的1?4001?600,所以制作管
11、道时保温层厚度可以比钢管薄;线膨胀系数为1110512105K1,为碳钢的910倍,用其制作的设备或管道,安装时要考虑膨胀因素;杨氏模量为1 471M Pa,是钢的1?140,用其制作的设备要考虑加强刚性。聚丙烯的正常使用温度为120以下,温度达160时会出现软化。在塑料中是耐温度较高的材料。聚丙烯的晶体熔点为165,分解温度为400。22力学性能聚丙烯的拉伸强度20时为32M Pa,在100时仍然保持在1017M Pa,因此,在较高温度范围内都可以使用,可以用注射、挤压、加热模压等成型方法制成各种形状的设备,成型温度为160170。聚丙烯成型加工时,操作速度要快,速度太慢就会变硬;焊接温度为
12、200270,因为PP在熔融状态下的粘度低,所以焊接时压缩空气的气量不能太大,否则,无法焊牢。其机械加工性能较好,可以加工成法兰等管件。由于聚丙烯材质较软,随着温度的升高,膨胀量增大,变形更严重,不宜制作复杂零件。由于聚丙烯具有化学钝化性和非极性特性,难与其它材料粘接,作设备和管道的衬里时,不能与钢材紧密粘贴,所以,聚丙烯一般不用作衬里材料。在聚丙烯管的外表包裹一层玻璃钢,显著增加其机械强度,可以提高一个压力等级使用。在聚丙烯材料内填充石墨粉,可以提高导热系数,降低膨胀系数,提高杨氏模量,提高抗变形的能力,但是,其机械强度也随着降低。23化学及耐腐蚀性能聚丙烯在室温下,能耐多种酸、碱、盐溶液的
13、腐蚀。但由于它的分子结构中碳原子容易被氧化,故对铬酸、发烟硫酸、浓硝酸等强氧化性酸不具有耐腐蚀性能。在80时,它能耐浓度为70%的硫酸、硝酸、磷酸以及各种浓度的盐酸腐蚀(见表2)。聚丙烯耐溶剂的溶解性能优于硬聚氯乙烯。所以,在磷酸生产中,除了浓硫酸外,聚丙烯可以用来输送任何介质。表2聚丙烯的耐化学腐蚀性能介质温度?质量分率?%耐蚀性介质温度?质量分率?%耐蚀性硫酸8080耐磷酸10085耐硫酸209698耐氟硅酸6030耐硫酸8096尚耐硝酸80 25耐氢氟酸8055尚耐乙醇96100耐952005年第20卷第6期周绍彪湿法磷酸生产中常用的非金属材料:?1 热塑性塑料 1994-2010 Ch
14、ina Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/24应用由于PP具有较好的耐蚀性、较高的使用温度、化学钝化性能及优良非极性的特点,在我公司磷酸装置中得到广泛应用。特别是它的非极性,对磷酸生产有很大的好处。因为磷酸生产中,当温度变化时,磷酸中溶解的盐类物会析出沉积在管子内壁上,造成管道的严重堵塞,甚至停车。检修时,沉积物质和管壁粘贴得很紧,很难清理。使用PP管后,由于它的非极性性能,对其它物质具有排斥作用,沉积物与管壁粘贴不紧密,只要轻轻敲打管子的外壁,沉积的物质(垢物)就与管壁脱落,所以检修清
15、理时非常方便。PP材料在磷酸中的应用,解决了半水法制酸的材料问题,因为,很少有金属和非金属材料可以满足其100150的反应温度的要求。PP材料的出现结束了钢衬橡胶管、钢衬四氟管、玻璃钢管在磷酸介质中使用的历史使命。目前,在我公司所有过滤机的滤液管、洗液管都用PP管。在我公司的3套磷酸装置上,PP材料得到广泛使用:最高使用温度超过105;最低工作压力为01065M Pa,最高工作压力为013M Pa;使用管子的直径最小为20 mm,最大为800 mm。用PP制作的硫酸稀释器代替了原来用904L制作的稀释器,使用寿命已达115年(当时用904L材料制造,只用15天)。安装在厂房内的PP管道,已经用
16、了4年,估计还可再用1年;安装在露天的PP管道,一般可使用3年;即使是频繁拆装,并且经常敲打的管道,最短也可以使用1年。3聚四氟乙烯聚四氟乙烯(PTFE)是聚氟乙烯塑料的一种。根据聚氟乙烯分子中包含氟原子的个数,氟塑料品种有F2、F3、F4、F2319、F2314、F46等几种,分子量为14万 50万。由于其分子结构中有较强的氟碳键及屏蔽效应,所以氟塑料具有优异的耐化学腐蚀、耐高温、耐低温等性能,而且摩擦系数极低,电性能优越。聚氟乙烯种类虽然很多,但都是在F3和F4的基础上进行改性的品种。由于F4性能优良,应用较为广泛,以它为聚氟乙烯塑料的代表进行介绍。31物理性能聚四氟乙烯树脂是生产历史最久
17、、最重要的一种氟树脂。由于F4的耐化学腐蚀性能超过一切现有的塑料,故有“塑料王”之称,可长期在195250之间使用。其密度为2112126 g?cm3,是塑料中较重的材料,与玻璃钢相近;线膨胀系数为1110525105K1,是钢的510倍;导热系数为0124401278 W?(mK),导热性能较差,加工时容易产生受热不均匀现象;杨氏模量392M Pa,材质较软。聚四氟乙烯晶体的熔点为327,分解温度415,在塑料中为耐温较高的材料。32化学及耐腐蚀性能F4的耐化学腐蚀性能较强,在240高温以下,几乎任何浓度的强酸、强碱、强氧化剂对它都不起作用,只有熔融状态的碱金属或它的氨溶液、三氟化氯、元素氟
18、能对它产生腐蚀作用,并且只有在高温下才明显地表现出来。从腐蚀角度,聚四氟乙烯完全满足磷酸生产的要求,可用于生产中的任何部位。33力学性能F4树脂的分子量和结晶度直接影响F4塑料的力学性能。分子量相同时,加热和冷却的加工方法不同,所获得F4塑料的性能也不同。生产中为了满足不同的需要,可以通过固定分子量,改变加工方法,而得到所需的F4性能;也可以通过固定加工方法,但选用不同分子量的F4树脂,经加工后获得所需的F4性能。F4在熔融温度以上,不能从“高弹性状态”转变到“粘流状态”,即使加工温度达到分解点,也不能让它产生流动。所以F4不能用一般的热塑性塑料的加工方法来加工成型,只能采用类似于粉末冶金的方
19、法,把F4加工成粉料,压成所需形状,然后再烧结成型。F4难于焊接,具有不粘任何物质的性能。在40100的温度范围内,F4的拉伸强度随着温度升高,从4910M Pa降低到1816M Pa;伸长率却显著增加,由100%增到480%。使用温度高于120时F4处于高弹性状态,质地柔软,不易断裂。34应用内衬F4的钢管,曾用来输送磷酸和氟硅酸,耐腐蚀性能完全能满足工艺要求,但是,由于F4的不粘特性,它不能紧密地粘贴在钢管内壁,只能采用“松衬法”衬在钢管内。因磷酸内的溶解物容易在管道内沉积(结垢),必须定期清理,虽然结垢物与F4也不能紧密的粘贴,但清理管道时,很容易造成F4内衬损坏,所以容易结垢的介质,不
20、适于使用衬F4的管子输送。在磷酸生产过程中,衬F4的管子除输送硫酸外,不适宜用作输送浓磷酸、稀磷酸、氟硅酸、洗涤液和含氟气体管道,也不宜用作各种生产设备的内衬。在我公司,F4只是作为保护衬套,使用在萃取槽的表面冷却装置上;作为滑动轴承用的材料,用在立式硫酸泵的涡壳部位。以F4为衬里的泵,用来输送浓硫酸到萃取槽;以F4作为内衬的钢管,主要06磷 肥 与 复 肥2005年第20卷第6期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/用于输送浓硫酸和稀硫酸,但是,尽量用作泵
21、的出口管,不要用于泵的进口管,因为起动泵时,由于操作不当,容易造成内衬吸瘪而损坏。4聚烯烃聚烯烃(PO)是以乙烯、丙烯、丁烯等烃类为主的均聚物和共聚物,也包含部分改性、共混、增强、复合物。其集中多种材料的优点,性能得到了改善,有效地提高了材料的使用温度、韧性、耐腐蚀、耐磨、耐老化等综合性能。41物理性能和力学性能聚烯烃的密度在01920196 g?cm3之间,与PP相近。它的使用温度为70100,耐温性能较高,已完全可以满足磷酸生产的需要(半水工艺的反应温度103左右)。PO有效地解决了与金属牢固粘结的问题,粘接强度达3M Pa;PO能牢固地与钢表面粘结,整体强度较好,即使承受01098M P
22、a的负压也不会脱落,非常适合做钢体的衬里,即使垢物沉积在管内,敲打钢管的外壁,PO内衬与钢管也不会脱离。PO的拉伸强度大于24M Pa,抗压强度大于31M Pa,温度升高则抗拉强度和抗压强度下降。其线膨胀率很大,为118%(100)。42耐化学腐蚀性能PO具有优良的耐化学腐蚀性。对于无机化合物,除强氧化性介质外,无论酸、碱、盐溶液,几乎100时,对PO都没有破坏作用。常温下PO能够耐多种酸、碱、盐的腐蚀,可广泛地用在磷酸、稀硫酸等介质中(见表3)。表3聚烯烃的耐化学腐蚀性能介质温度?介质质量分率?%耐蚀性介质温度?介质质量分率?%耐蚀性硫酸100 75耐磷酸10085耐硫酸65 93耐盐酸10
23、035耐氟硅酸6520耐氢氟酸653050耐硝酸6530耐铬酸6510耐43应用在磷酸生产中,PO衬里管除不宜用做浓硫酸输送管外,可以用于输送任何液体和气体。我们主要用于不经常拆装的、管线较长的、有一定压力的介质输送管线,如:输送磷酸到磷铵厂的管线;闪蒸冷却塔的循环水管线;磷石膏渣浆到渣场的输渣管线;氟硅酸管线;过滤机到真空泵的负压管线等。输渣管线已经使用了4年,现在还在正常使用。PO可以用作洗涤塔的内衬、磷酸储槽的内衬等。虽然PO表面光滑,不容易粘接其它物体,但内衬PO的钢管在生产中,若沉积杂质后,由于钢管没有弹性,特别难清理。从内部撬,容易损坏PO内衬;用锤从外面敲打钢管的外壁,容易把管子
24、敲变形,管子变形后,管内部阻力增大,更容易沉积杂质。如果一星期检修一次,就敲打一次,3个月后,钢衬PO管子就报废了。但是在塑料家族中,PO是最优秀的衬里材料,在磷酸生产过程中可以广泛地使用。5聚乙烯聚乙烯(PE)是乙烯的高分子聚合物,根据聚合工艺的不同,可以分为高压、中压、低压3种产品。高压聚乙烯的聚合压力达9811343 M Pa,温度为160300,产品的分子量、密度和结晶度都较小,所以称为低密度聚乙烯。低密度聚乙烯质地柔软,具有优良的介电性能和耐化学腐蚀性能,主要用做薄膜、电线的包皮、涂层等。低压聚乙烯是在常压或略微加压的条件下聚合,反应温度为3070,产品结晶度高(80%90%),密度
25、大,所以称为高密度聚乙烯。高密度聚乙烯有较高的机械强度、硬度和使用温度,主要用作包装桶,瓶、管材等。中压聚乙烯称为中密度聚乙烯,其性能介于低密度和高密度聚乙烯之间。51物理性能和力学性能聚乙烯的拉伸强度比硬聚氯乙烯低得多,即使是强度较高的高密度聚乙烯,其拉伸强度也只及硬聚氯乙烯的2?3。聚乙烯的强度受温度和时间影响也比较大,温度越高,强度越低。聚乙烯不但强度低,而且弹性模量也很低,高密度聚乙烯的弹性模量只有硬聚氯乙烯的1?5左右,因此,聚乙烯不能单独作结构材料,而只能用于作涂层和衬里。聚乙烯是一种非极性高分子材料,难与其它材料粘合,但它本身有很强的自粘性。52化学及耐腐蚀性能聚乙烯的耐腐蚀性能
26、与硬聚氯乙烯相当,在氢氟酸和甲酸介质中,它优于硬聚氯乙烯;在氯、硝酸、乙醛介质中,则不如硬聚氯乙烯。在20以下时,聚乙烯几乎不溶于任何有机溶剂(见表4),可以广泛地应用于精细化工。聚乙烯无毒,可用于食品、自来水、煤气的输送。聚乙烯还具有优良的耐磨特性。表4聚乙烯的耐化学腐蚀性能介质温度?质量分率?%耐蚀性介质温度?质量分率?%耐蚀性硝酸 60 25耐氢氟酸6020耐硫酸 60 80耐氟硅酸6032耐磷酸2095耐乙醇60任何浓度耐磷酸 60 50耐铬酸 20 15J?cm2;(3)切削加工容易。对比选用0Cr17N i12 M o2T i或聚四氟乙烯,M o2T i价格较高,加工错气盘费工费时
27、,并且加工精度不易保证,而M o2T i材料虽然摩擦系数、耐腐蚀及耐酸耐碱性较PVC好,但成本高,错气盘这么大的板材不如PVC价廉易购。耐磨板和下错气盘选用厚度30mm的硬质PVC板材,按图纸加工完成后,即可进行组装,可用加密封胶后再用螺钉紧固的方法或采用AB胶直接粘合的方法与组件固定,然后将下错气盘与耐磨板装配好进行研磨,达到(2525)mm2不少于10个接触点即可投入使用。表1是错气盘改造前后的部分工艺指标数据及使用状况对比。表1错气盘改造前后工艺指标及使用状况对比时期吹干真空度?M Pa反吹压力?M Pa维修周期改造前010401021周左右改造后0104010201052年以上经过改造后的过滤机错气盘使用效果令人满意,一组错气盘基本上可使用2年以上,极大地改善了生产状况,降低了成本。(唐山建龙集团公司,河北 遵化064200,张树东)(收稿日期:20050627)26磷 肥 与 复 肥2005年第20卷第6期