湿法磷酸生产中常用的非金属材料__热塑性塑料

1、2005年11月磷肥与复肥Nov.2005第20卷第6期Phosphate&CompoundFertilizerVol.20No.6󰃛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,。中图分类号TQ05014+;TQ12613+5文献标识码()005805Commonnonmetallician

2、:󰂪oplastics(PHCo.,untianhuaGroupCorp.,Kaiyuan,Yunnan661600,China)Keypsphoricacid(WPA);nonmetallicmaterial;thermoplasticplasticAbstract:Tlicationofsomethermoplasticplasticsinthewetprocessphosphoricacidproductionisdescribed,andthecharacteristicsofsuchthethermoplasticaspolyvinylchloride(PVC),po

3、lyethylene(PE),polyolefin(PO),polypropylene(PP)andpolytetrafluoroethylene(PTFE)arepresented.Basedonthepastexperience,theselectionsofthethermoplasticplasticsondifferentpositionsintheplantarealsomade.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

4、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

5、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(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3硬聚氯乙烯密度约为1135116g󰃗cm,是普(mK),与通碳钢的1󰃗5;热导率为01140115W󰃗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

6、膨胀系数为5×1056×105K1,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49MPa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;冲击强度随温度的降低,急剧降低;杨氏模量约为3140MPa,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。

7、69; 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005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59硬聚氯乙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

8、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、塑料。除强氧化剂(,酸等)以外,蚀(见表,35kV󰃗mm以上,。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氟气氟硅酸硫酸磷酸介质质量分率󰃗%任意20<90<903聚丙烯塑料的密度为01900191g󰃗cm;导热(mK),只是碳钢的1&

9、#983255;系数为010870114W󰃗4001󰃗600,所以制作管道时保温层厚度可以比钢管薄;线膨胀系数为11×10512×105K1,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1471MPa,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MPa,在100101Pa,、挤压、加热模压等成型方,成型温度为160170。聚丙烯成型加工时,操作速度要快,

10、速度太慢就会变硬;焊接温度为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

11、下,能耐多种酸、碱、盐溶液的腐蚀。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硫酸硫酸硫酸氢氟酸温度󰃗质量分率󰃗耐蚀性%802080808096989655温度󰃗50606060耐蚀性使用3年使用3年以上耐耐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、

12、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

13、能介质磷酸氟硅酸硝酸乙醇温度󰃗质量分率󰃗耐蚀性%1006080968530<25100耐耐尚耐尚耐耐耐耐耐© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6024应用磷肥与复肥第20卷第6期2005年(mK),导热性能较差,加工时0124401278W󰃗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

14、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结束了钢衬橡胶管、,滤液管、3套磷酸装置上,PP:最高使用温度超过105;最低工作压力为01065MPa,最高工作压力为013MPa;使用管子的直径最小为󰂡20mm

15、,最大为󰂡800mm。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,

16、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、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1953250之间使用。其密度为2112126g󰃗cm,是塑容易产生受热不均匀现象;杨氏模量392MPa,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

17、融状态的碱金属或它的氨溶液、三氟化氯、元素氟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,。34F4塑料的,加热和冷却的加工方法不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。“高弹性状态”转变F4在熔融温度以上,不能从到“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法,把F4加工成粉料,压成所需形状,然后再烧结成型

18、。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4910MPa降低到1816MPa;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,不适于使用衬F4的管子输送。在磷酸生产过程中,衬F4的管

19、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,主要料中较重的材料,与玻璃钢相近;线膨胀系数为11×10525×105K1,是钢的510倍;导热系数为© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005年第20卷

20、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61用于输送浓硫酸和稀硫酸,但是,尽量用作泵的出口管,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3聚烯烃的密度在01920196g󰃗cm之间,与100,耐温性能较PP相近。它的使用温度为70高,已完全可以满足磷酸生产的需要(半水工艺的反衬PO的钢管

21、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温度为160,所以称为具有优良的介,主要用做薄膜、电线的包聚合,反应温度为3070,产品结晶度高(80%90%),密度大,所以称为高密度聚乙烯。高密度聚乙烯有

22、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应温度103左右)。PO粘结的问题,粘接强度达3M0Pa的,即使垢物沉积在管内,PO内衬与钢管也不会脱离。PO的拉伸强度大于24MPa,抗压强度大于31MPa,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

23、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硫酸硫酸氟硅酸硝酸温度󰃗介质质量耐蚀性分率󰃗%100656565<75<932030介质磷酸盐酸氢氟酸

24、铬酸温度󰃗介质质量耐蚀性分率󰃗%10010065658535305010耐耐耐耐耐耐耐耐43应用聚乙烯的耐腐蚀性能与硬聚氯乙烯相当,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硝酸硫酸磷酸磷酸温度󰃗质量分率󰃗耐蚀性%<60<60<25<80在磷酸生产中,PO衬里管除不宜用做浓硫酸输送管外,可

25、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,但内介质氢氟酸氟硅酸乙醇铬酸温度󰃗质量分率󰃗耐蚀性%606060<20耐耐耐耐2032任何浓度<80耐耐耐耐20<6095<50© 1994-2010 China Academic Journal E

26、lectronic Publishing House. All rights reserved. 6253应用磷肥与复肥第20卷第6期2005年聚乙烯因为较软和强度低,一直没在工业管道上得到应用。人们一直寻找一种方法,希望提高它的强度,使其耐腐蚀性和非极性性能(不粘其它物质)得到充分利用。目前这一难题得到解决。用钢丝缠绕后,点焊成骨架作为增强材料,四周通过真空挤压聚乙烯包裹,形成钢塑结合的复合管,彻底解决了聚乙烯的强度问题。这种管子因聚乙烯的非极性性能(不粘其它物质),对磷酸中析出的沉积物产生排斥作用,沉积物对管子的吸附力非常小,管子内壁又非常光滑,不易粘结其它物质,所以清理管子很方便。这种管

27、材弹性较好,清理沉积物时,可以用8磅重的大锤敲击外管壁,而不易变形。笔者曾作过记录,一根󰂡管子,内结有1圈20mm,次敲打后,纹。经过2合管,是目前最理想的材料,用来输送磷酸,寿命远远超过316L。聚乙烯复合管,我公司主要用在半水二水法装置的氟硅酸管线、半水料浆管线、料浆返回管线、回磷酸管线、成品酸管线、氟洗涤塔洗水管线等;在二水法装置中,主要用作稀磷酸管线、回磷酸管线、氟洗涤塔洗水管线、浓缩加稀酸管线、浓缩成品浓磷酸管线等。管子使用了2年,目前未发现任何问题,管子累计使用量已达1000m以上。生产过程中,高密度聚乙烯板材,主要用作带式过滤机真空箱中耐磨滑槽,确保真空密封带在槽

28、内与过滤胶带同步行走;用作翻盘过滤机和转台过滤机的上错气盘密封磨擦环等。6总结热塑性塑料在磷酸中广泛应用,对磷酸生产技术的发展起了重要作用,解决了许多用金属材料不能解决的问题。但任何材料的性能都有它的局限性,在选材时,应充分考虑工况,才能充分发挥材料的性能。根据我们的使用情况,(1)正压易结垢,管;(2)正压,、玻璃PO管、,但寿命较短;(3)负压在0105温度在60、管径小于500mm时,可以选用MPa、聚乙烯复合管;(4)与浓硫酸接触的设备,使用热塑性塑料管道时,只能用衬F4的管道,其它塑料不耐浓硫酸的腐蚀。参考文献1化学工业部化机研究院.耐蚀非金属材料及防腐施工M.化学工业出版社,1991.2江善襄.磷酸、磷肥和复混肥M.化学工业出版社,1999.3化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册腐蚀理论试验及监护M.化学工业出版社,1993.4化学工业部建设协调司,化工部硫酸和磷肥设计中心.磷酸、磷铵、重钙技术与设计手册M.化学工业出版社,1997.磷铵PF-42过滤机错气盘的改造随着磷铵生产中的废料磷石膏联产水泥工艺的开发投产,为了降低石膏中残余磷含量,为联产水泥提供合格的原料,