Ингибирующее покрытие от эксплуатационных отложений и способ его получения

Ингибирующее покрытие от эксплуатационных отложений и способ его получения

Реферат

Изобретение относится к процессам химической технологии, в частности к решению проблемы защиты металлического оборудования от эксплуатационных отложений твердого и вязкого продукта, и может быть использовано в различных областях промышленности.

Достаточно ограниченное применение в отечественной промышленности легированных сталей привело к увеличению использования оборудования из углеродистой стали, эксплуатация последних в различных средах приводит к образованию отложений на их рабочей поверхности. Последнее снижает производительность оборудования, ухудшает качество готового продукта, приводит к неоправданным технико-экономическим затратам и т.п. Практика показала, что в связи с этим возникает настоятельная потребность в очистке рабочих поверхностей механическими, либо химическими способами (зачистка ручным путем или с использованием скребковых устройств, промывка технической водой, пропарка, замачивание в концентрированных растворах химических реагентов). Очистка поверхностей указанными способами сопряжена с износом и коррозией оборудования.

Решение проблемы защиты рабочих поверхностей технологического оборудования от налипания вязких продуктов и образования эксплуатационных отложений является актуальным и своевременным. Защита рабочих поверхностей изделий из железа, стали, латуни и других металлов от воздействия агрессивных сред и накипеобразования путем нанесения полимерных покрытий известна и широко используется (Справочник. Способ защиты оборудования от коррозии. Под редакцией д.т.н. Б.В.Строкана, д.х.н. профессора А.М.Сухотина. Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1987, с.144-145, А.с. 500290, М.Кл.² С 23 F 14/02, С 02 В 5/06, опубл. 25.01.76, №3, Т.Н.Николаева, В.Г.Курятникова, Тр. ГИПХа, №44, 1960, А.Ф.Николаев. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. М.-Л.: Химия, 1966, с.280-279). В известных показана возможность предотвращения накипеобразования и уменьшения агрессивного воздействия на поверхность металлического оборудования и изделий за счет применения ингибиторов в виде полимерных покрытий и пленок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является описанное в (Применение полимеров в антикоррозионной технике. Под ред. д.т.н. И.Я.Клинова и инж. П.Г.Удыма. М.: Гос. научно-техническое издательство, Т.Н. Николаева и др. Антикоррозионные покрытия из фторопластов-3 и - 3М, с.44-47) многослойное покрытие из модифицированного фторопласта-3, нижний грунтовочный слой которого наносят с суспензией Cr₂О₃ для защиты от прилипания к металлическим поверхностям различных веществ. Там же описан способ получения антикоррозионного покрытия. Показано, что изделие со слоем плотно прилипшего порошка помещают в печь-термостат и выдерживают при 270°С до полного расплавления полимера в течение одного часа. Порошок фторопласта перед употреблением подсушивают при 130°С в течение 1-2 часов в воздушно-ацетиленовом пламени. Технология нанесения покрытия из модифицированного фторопласта-3 включает нанесение полимера на рабочую металлическую поверхность технологического оборудования после ее тщательной очистки с помощью дробеструйной обработки, обезжиривания и нагревания.

Задачей предлагаемого изобретения является предотвращение образования эксплуатационных отложений (твердых и пастообразных) на рабочей поверхности промышленного оборудования, изготовленного из металла, и снижение их количества в аппарате. И, как следствие, увеличение производительности и срока службы оборудования, сокращение материальных и непроизводительных затрат, уменьшение трудозатрат, потерь сырья и готовой продукции, улучшение качества и повышение выхода целевого продукта. Подбор материала ингибирующего покрытия от эксплуатационных отложений, и разработка способа получения плотного, адгезионного, ингибирующего покрытия с длительным сроком службы, которое предотвращает налипание эксплуатационных отложений на металлическую рабочую поверхность технологического оборудования. Увеличение прочности сцепления покрытия с подложкой - адгезионным слоем.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных выше недостатков, достигают за счет использования ингибирующего покрытия от эксплуатационных отложений, содержащего адгезионный грунт, нанесенный на металлическую поверхность технологического оборудования и 3-4-слойное покрытие, выполненное из порошкообразного высушенного до влажности не более 3 мас.% политетрафторэтилена, или политрифторхлорэтилена, стабилизированных Диафеном НН, и выдержанное в течение 5-6 часов при температуре 220-230°С.

Технология нанесения покрытия, защищающего рабочую металлическую поверхность технологического оборудования от отложений, включает нанесение на металлическую поверхность адгезионного грунта, приготовленного путем смешивании стабилизированного Диафеном НН порошка политетрафторэтилена либо политрифторхлорэтилена с окисью хрома или диабазовой муки в количестве 3% от массы полимера. Смешивание компонентов проводят 5-6-кратным просеиванием полученной смеси через сито с размером ячейки 200×200 мкм. Адгезионный грунт наносят на металлическую поверхность после ее тщательной очистки с помощью дробеструйной обработки, рихтовки, обезжиривания, нагревания и закалки.

Затем на адгезионный грунт наносят порошкообразный высушенный до влажности не более 3 мас.% стабилизированный Диафеном НН политетрафторэтилена, или политрифторхлорэтилена. Технология стабилизации полимера заключается в следующем. Стабилизатор - Диафен НН, который используют в количестве 0,3% от массы порошка полимера, полностью растворяют в ацетоне при нагревании до 40°С, получая при этом раствор стабилизатора в ацетилене. Порошкообразный политетрафторэтилен или политрифторхлорэтилен смачивают раствором стабилизатора в ацетилене, просушивают смесь полимера и стабилизатора при комнатной температуре, окончательно - при 80-100°С в течение 5 часов и прокаливают при температуре 210°С в течение 1 часа. Процесс смачивания порошка полимера раствором стабилизатора в ацетоне осуществляют в противнях при периодическом перемешивании.

Покрытие наносят в электростатическом поле, после чего выдерживают в течение 5-6 часов при температуре 220-230°С.

Сопоставительный анализ прототипа и предлагаемого изобретения показывает, что заявленное ингибирующее покрытие от эксплуатационных отложений отличается от известного тем, что в качестве ингибитора используют порошкообразный высушенный до влажности не более 3 мас.% стабилизированный Диафеном НН политетрафторэтилен либо политрифторхлорэтилен в виде 3-4-слойного покрытия, нанесенного на грунт (адгезионный слой), который наносится на рабочие металлические поверхности технологического оборудования, выдерживается в течение 5-6 часов при температуре 220-230°С.

Заявленный способ получения ингибирующего покрытия от эксплуатационных отложений отличается от известного тем, что перед нанесением полимера на рабочую металлическую поверхность технологического оборудования поверхность дополнительно рихтуют и закаливают, в качестве ингибитора используют порошкообразный стабилизированный Диафеном НН политетрафторэтилен либо политрифторхлорэтилен, просушенный до влажности не более 3 мас.%, который наносят в 3-4 слоя на грунт (адгезионный слой) в электростатическом поле, покрытие выдерживают в течение 5-6 часов при температуре 220-230°С.

Политрифторхлорэтилен (фторопласт-3) имеет теплостойкость до 260°С, химическую стойкость ко всем кислотам (включая сильные окислители), щелочам, растворителям при температуре до 160°С (Справочник. Способ защиты оборудования от коррозии. Под ред. д.т.н. Б.В.Строкана, д.х.н. профессора A.M.Сухотина. Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1987, с.144-145). Из (Технология пластических масс. Под ред. В.В.Коршака. М.: Химия, 1972, с.137-138) известно, что фторопласт-3 поддается закалке. Названный полимер обладает высокими показателями физико-механических и диэлектрических свойств. Последнее позволяет использовать фторопласт-3 для получения покрытий по металлам для защиты поверхности металлических изделий от коррозии. Покрытия из политрифторхлорэтилена можно получать методом пламенного напыления (Т.Н.Николаева, В.Г.Курятникова. Тр.ГИПХа, №44, 1960). Недостатком фторопласта-3 является невысокая предельная температура эксплуатации и при этом отслаивание полимера от поверхности металла.

Из (А.Ф.Николаев. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. М.-Л.: Химия, 1966, с.280-297) известно, что политетрафторэтилен (фторопласта-4) один из лучших высокополимеров, созданных на основе химического синтеза, который выдерживает высокие температуры в пределах 250-300°С. В силу высокой вязкости расплава полимера возникает необходимость применения особой техники его переработки. Механические, антифрикционные, диэлектрические, химические, антиадгезионные свойства, обусловливают практическое применение фторопласта-4. Его используют для изготовления уплотнительных деталей, антифрикционных, химически стойких, электро- и радиоизделий, волокон и покрытий. Последние получают нанесением суспензии на очищенную с помощью дробеструйной обработки, обезжиренную, просушенную при высокой температуре поверхность металлических изделий методами напыления, налива или окунания. Покрытие сушат на воздухе либо при нагревании до 100°С, спекают при 360°С в течение 5 мин и затем медленно охлаждают. При необходимости можно получать многослойные покрытия. Антиадгезионные покрытия обычно одно- и двухслойные.

Реализация предлагаемого изобретения за счет совокупности заявленных признаков обеспечивает полное завершение процесса образования полимерного покрытия с равновесной структурой и повышенными антиадгезионными (отталкивающими) свойствами, а также снятие избыточного напряжения, способствующего отрыву пленки от подложки, увеличение прочности сцепления покрытия с подложкой и получение плотного защитного покрытия, не разрушающегося в течение длительного времени его эксплуатации в агрессивных средах и при повышенных температурах. Хорошие физико-механические свойства полученного полимерного покрытия из фторопласта-3 и фторопласта-4 обеспечивают эффективное ингибирование эксплуатационных отложений, образующихся в технологическом оборудовании. Эти отложения имеют слабую связь с поверхностью полимера, легко и быстро счищаются (удаляются) с рабочей поверхности технологического оборудования либо уносятся пропускаемым потоком технологического продукта.

Промышленная реализация предложенного изобретения показана на примерах его использования при производстве аммиачной селитры и ацетилена.

Пример 1.

Технологическая схема производства аммиачной селитры (по ГОСТ 2-85 «Селитра аммиачная» ИПК. Издательство стандартов, 1997, Москва) предусматривает эксплуатацию грануляционных башен, включающих грануляционные корзины. Последние имеют отверстия диаметром 1,0-1,5 мм, через которые сверху вниз пропускают плав (концентрированный раствор аммиачной селитры). Практика показала, что эти отверстия очень быстро засоряются технологическими отложениями. Постепенное засорение отверстий ухудшает грануляционный состав селитры, возникает необходимость демонтажа корзины (1-2 раза в смену, 3-6 раз в сутки). Для проведения ее очистки механическим и химическим способом осуществляют переход на резервный гранулятор (до 26 раз в месяц). Механическая очистка демонтированных грануляционных корзин - процесс трудоемкий и не всегда эффективный, а химическая очистка не безопасна для обслуживающего персонала, так как в ее процессе используют раствор, в состав которого входит: 98% серная кислота, фтористый натрий, азотнокислый натрий. Загрязненные корзины в течение 24 часов выдерживают в ванне, заполненной названным раствором. В результате вынужденных остановок грануляторов снижается производительность оборудования и увеличиваются технико-экономические затраты.

Эффективное уменьшение образования эксплуатационных отложений и засорение отверстий перфорированной металлической пластины с диаметром отверстий 1,0-1,5 мм достигают применением заявляемого ингибирующего покрытия, что иллюстрируется следующим примером.

Технология нанесения ингибирующего покрытия из фторопласта на опытный образец (перфорированная металлическая пластина) включает следующие операции:

- подготовка порошка полимера,

- подготовка поверхности металлоизделия под покрытие,

- напыление порошка на металлоизделие,

- оплавление полимерного слоя,

- контроль качества покрытия.

Подготовка порошка полимера для нанесения защитного покрытия состоит из следующих операций:

- проверка технологичности материала,

- стабилизация фторопласта,

- приготовление грунта,

- подготовка порошка полимера.

Проверка технологичности материала - фторопласта заключается в определении следующих показателей: температура потери прочности и термостабильность (указаны в паспорте завода-изготовителя), растекаемость, насыпная плотность, дисперсность.

Используемый для напыления полимер (политетрафторэтилен или по-литрифторхлорэтилен) стабилизируют. В качестве стабилизатора используют Диафен НН, который в количестве 0,3% от массы порошка полимера предварительно растворяют в ацетоне при нагревании до 40°С.

Стабилизацию проводят в противнях путем смачивания порошка полимера раствором стабилизатора в ацетилене при периодическом перемешивании, полученную смесь полимера и стабилизатора просушивают в начале при комнатной температуре, а затем при 80-100°С. Продолжительность просушивания смеси составляет 5 часов. Просушенную указанным образом смесь полимера и стабилизатора прокаливают при температуре 210°С в течение 1 часа.

Диафен НН (N,N'-Ди-β,β'-нафтил-п-фенилендиамин) представляет собой порошок серого цвета. В практике используют в качестве термостабилизатора полиолефинов и полиамидов (полиэтилена, полипропилена, полиоксипропилена), синтетического каучука (ТУ 6-14-1054-74).

Грунтовочный (адгезионный) слой готовят путем смешивания стабилизированного Диафеном НН порошка политетрафторэтилена, либо политрифторхлорэтилена с окисью хрома или диабазовой муки в количестве 3% от массы полимера. Смесь 5-6 раз просеивают через сито с размером ячейки 200×200 мкм.

Подготовка порошка полимера, наносимого на грунт, аналогична подготовке грунта на основе этого полимера с тем отличием, что отсутствует стадия смешения.

Подготовленные порошки, высушенные и просеянные, хранят в двойных полиэтиленовых мешках. Непосредственно перед использованием проводят дополнительную сушку.

Подготовка поверхности металлоизделия (пластины) под покрытие.

Поверхность, подлежащая покрытию, должна быть сухой и чистой, без ржавчины, следов жировых и других загрязнений. Сварные швы должны быть зачищены до плавных переходов, равных 3-5 мм. Наличие пор, трещин, раковин и других дефектов не допускается. Используемую в опыте металлическую пластину подвергают дробеструйной обработке, после чего обдувкой сжатым воздухом удаляют пыль с поверхности пластины. Обезжиривание производят ацетоном либо уайт-спиритом путем 3-4-кратного опускания пластины в ванну с растворителем, после чего изделие выдерживают на воздухе в течение 5-10 мин для удаления паров растворителя.

Перед напылением пластину предварительно нагревают. Температура нагрева зависит от толщины стенки изделия и превышает рабочую температуру напыления. После достижения требуемой температуры изделие выдерживают в печи в течение 30 мин.

Получение 3-слойного ингибирующего покрытия из приготовленного выше описанным способом, высушенного до влажности не более 3 мас.% порошкообразного полимера осуществляют методом напыления в электростатическом поле. Электронапыление полимерных порошков основано на переносе положительно и отрицательно заряженных частиц порошка к заземленному изделию по силовым линиям электрического поля, возникающего между острыми кромками коронирующего электрода распылителя и изделием при подаче на коронирующий электрод высокого напряжения. Приготовленную описанным выше способом перфорированную пластину помещают в аппарат для зарядки порошка АЗП-1, позволяющий напылять порошок полимера и поддерживать температуру 400°С. Технические характеристики при использовании АЗП-1: частота тока 50 герц, напряжение питания - 380 В, ток короткого замыкания - 150, давление сжатого воздуха в подводящей сети, кгс/см² - 4. После оплавления последнего слоя пластину, покрытую полимером, выдерживают в аппарате течение 5-6 часов при температуре 220-230°С. Толщина полученного покрытия составляет 210-240 мкм.

Полученное ингибирующее покрытие проверяют на наличие пор, трещин, раковин и других дефектов. Контроль качества покрытия первоначально производят путем тщательного визуального осмотра покрытого полимером изделия (пластины). Последующую проверку осуществляют с помощью прибора типа ИД-2 или ЭД-5 или электромагнитным дефектоскопом ЛКД-1. Толщину покрытия определяют при помощи толщиномера ТЛМ или ИТП-1.

В производстве аммиачной селитры 3- и 4-слойное антиадгезионное покрытие из фторопласта-3 и фторопласта-4 нанесено на грануляционную корзину с соблюдением указанных выше условий. Покрытая полимером грануляционная корзина апробирована в промышленных условиях. Сопоставительный анализ эксплуатации корзин с покрытием и без него показал, что при использовании корзины, поверхность которой покрыта полимером, в течение 19 суток промывку осуществляли 1 раз в сутки, переход на резервный гранулятор не производили. Корзину без покрытия промывали 3 раза в сутки за этот же период, а переход на резервный гранулятор осуществляли 16 раз. Показано также, что применение полимерного покрытия грануляционных корзин позволяет получать готовый продукт, отвечающий требованиям ГОСТ-2-85 «Селитра аммиачная», повысить ее выработку до 20% и улучшить гранулометрический состав по массовой доле гранул размером от 2 до 4 мм в среднем на 17%. Кроме того, отмечена стабилизация процесса грануляции плава за счет исключения вынужденных остановок грануляторов, предусмотренных технологической схемой при переходе на резервный.

Следовательно, применение в качестве ингибитора полимерных покрытий из названных материалов, нанесенных на поверхность грануляционных корзин и на изделия любой другой конфигурации, является эффективным и надежным способом предотвращения эксплуатационных отложений, позволяет при этом стабилизировать процесс грануляции плава, улучшить гранулометрический состав готового продукта, повысить его выработку, увеличить производительность и износостойкость металлического оборудования и улучшить санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала.

Пример 2.

В производстве газообразного ацетилена по системе "вода на карбид" кусковой карбид кальция в качестве исходного сырья, загружают на металлическую решетку реторты (газообразователя). Карбид кальция активно взаимодействует с подаваемой в реторту водой, с образованием газообразного ацетилена и гашеной извести. Образовавшаяся известь смывается под решетку, но частично задерживается на решетке, образуя на ней отложения в виде твердого и вязкого илового продукта. Накопление подобных отложений на поверхности решетки снижают ее пропускную способность, вызывает заиливание кусков карбида кальция. При этом резко замедляется процесс гидролиза, что в итоге приводит к снижению выпуска газообразного ацетилена и к потерям исходного сырья.

По мере накопления на решетке плохо смываемых отложений возникает необходимость в тщательной ее очистке механическим и химическим способом. Механическая очистка, осуществляемая ручным способом, - процесс трудоемкий, а химическая очистка небезопасна для обслуживающего персонала. Ингибирование отложений достигают применением полимерного покрытия из фторопласта-3 или фторопласта-4, нанесенного на поверхность решетки реторты ацетиленового производства и апробированного в промышленных условиях на ацетиленовой установке.

Испытания показали, что:

- на поверхности решетки с фторопластовым покрытием образуются менее стойкие иловые отложения, которые легко смываются водой;

- на поверхности фторопластового покрытия за весь период испытания (70 суток) не обнаружено трещин, механических повреждений, сколов, отслаивания;

- на решетке без покрытия иловых отложений (при одинаковых условиях эксплуатации) накапливается на 50-60 мас.% больше, которые трудно удаляются с поверхности решетки.

Из изложенного следует, что реализация предлагаемого изобретения позволяет эффективно ингибировать образование эксплуатационных отложений и решить связанные с этим проблемы.

1. Ингибирующее покрытие от эксплуатационных отложений, содержащее адгезионный грунт, нанесенный на металлическую поверхность технологического оборудования и 3-4-слойное покрытие, выполненное из порошкообразного высушенного до влажности не более 3 мас.% политетрафторэтилена или политрифторхлорэтилена, стабилизированных в среде ацетилена, путем смачивания порошка полимера раствором стабилизатора Диафена НН, полученного растворением стабилизатора - Диафена НН в ацетоне при нагревании до 40°С, просушивания смеси полимера и стабилизатора при комнатной температуре, окончательного - при 80-100°С в течение 5 ч и прокаливания при 210°С в течение 1 ч, и выдержанное в течение 5-6 ч при температуре 220-230°С.

2. Способ получения ингибирующего покрытия от эксплуатационных отложений, включающий нанесение полимера на рабочую металлическую поверхность технологического оборудования после ее тщательной очистки с помощью дробеструйной обработки, рихтовки, обезжиривания, нагревания и закалки, заключающийся в том, что ингибирующее покрытие выполнено из порошкообразного политетрафторэтилена, или политрифторхлорэтилена, стабилизированного в среде ацетилена, путем смачивания порошка полимера раствором стабилизатора Диафена НН, полученного растворением стабилизатора - Диафена НН в ацетоне при нагревании до 40°С, просушивания смеси полимера и стабилизатора при комнатной температуре, окончательного - при 80-100°С в течение 5 ч и прокаливания при 210°С в течение 1 ч, высушенного до влажности не более 3 мас.%, нанесенного в 3-4 слоя на адгезионный грунт в электростатическом поле, которое далее выдерживают в течение 5-6 ч при температуре 220-230°С.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что включает приготовление грунта, заключающееся в смешивании порошка политетрафторэтилена либо политрифторхлорэтилена, стабилизированных в среде ацетилена, путем смачивания порошка полимера раствором стабилизатора Диафена НН, полученного растворением стабилизатора - Диафена НН в ацетоне при нагревании до 40°С, просушивания смеси полимера и стабилизатора при комнатной температуре, окончательного - при 80-100°С в течение 5 ч и прокаливания при 210°С в течение 1 ч, с окисью хрома или диабазовой муки в количестве 3% от массы полимера.