Технологическая линия по производству жидкого стекла

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Вяжущие вещества»

НА ТЕМУ: Технологическая линия по производству жидкого стекла.

ПЕРМЬ 2008

Содержание

1. Теоретический раздел

1.1. Введение………………………………………………………………………………….…....3

1.2. Характеристика промышленных жидких стекол…………………………………............…4

1.3.Физико-химические процессы, происходящие при твердении вяжущего………………....7

1.4. Коррозия жидкого стекла. Область применения жидкого стекла………………………….9

1.5.Общие сведения о силикат-глыбе………………………………...…..……………….….….12

1.6.Показатели качества натриевого жидкого стекла…........……………..................……........16

1.6.1. Технические требования………………………………..................….…..…………..…....16

1.6.2.Методы испытания…………………………….........……...........….....................................17     

1.7.Анализ существующих технологических схем производства жидкого стекла...................32

1.8.Технологические факторы, влияющие на качество продукта……………...................……35

1.9. Правила приемки, маркировка, транспортирования и хранения продукта. Гарантии производителя……………………………………………......................................……….…...36

2. Расчетно-проектный раздел

2.1. Расчетная функциональная технологическая схема производства жидкого стекла….......38

2.2. Расчет производственных шихт ……………………………………….................……...…..39

2.3. Расчет производственной программы технологической линии ….................………..........40

2.4. Подбор основного механического оборудования …………………..................…….....…...41

2.5. Ориентировочный подбор основного теплотехнического оборудования................…..…..41

2.6. Расчет удельных нагрузок и оценка эффективности подобранного механического и            теплотехнического оборудования по энергозатратам ……………….................….....…........42

3.Список использованной  литературы

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.  ВВЕДЕНИЕ

      Объемы строительства в России требуют применения новых экологически чистых высокоэффективных отделочных материалов на основе недефицитных составляющих. Использование жидких силикатных вяжущих наиболее перспективное направление при решении этих задач. Под силикатными вяжущими понимают твердые водорастворимые стекловидные силикаты натрия и калия. Растворимые силикаты натрия и калия являются продуктами производства стекольных заводов. Общий объем производства жидких стекол превышает 700000 т в год.[1]

      Под растворимыми стеклами понимают твердые водорастворимые стекловидные силикаты натрия и калия характеризующиеся определенным содержанием и соотношением оксидов M₂O и SiO₂, где М - это Na и К, а мольное соотношение SiO₂ /M₂O составляет 2,6-3,5 при содержании SiO₂ 69-76 масс, для натриевого стекла и 65-69 масс.% - для калиевого стекла. Жидкие стекла характеризуются широким диапазоном составов, а, следовательно, и свойств. Специфической особенностью таких систем является то, что при непрерывном изменении химического состава по мере уменьшения щелочности от высокощелочных систем до золей кремнезема происходит изменение их свойств, связанное с принципиальными изменениями физико-химической природы растворов, в частности с появлением в системе высокополимерного кремнезема в коллоидной форме.[1]

      Жидкие стекла, выпускаемые промышленностью, представляют собой густые вязкие прозрачные жидкости без видимых механических включений и примесей. Жидкое стекло может быть бесцветным, однако, в большинстве случаев оно окрашено примесями в слабо-желтый или серый цвет. Химический состав промышленного жидкого стекла определяется в основном составом исходных стекловидных щелочных силикатов.

      Промышленностью нашей страны выпускаются в основном натриевые жидкие стекла, в меньших масштабах производятся калиевые жидкие стекла, а литиевые и жидкие стекла на основе четвертичного аммония выпускаются в виде отдельных опытных партий. Преимущественное производство натриевых жидких стекол по сравнению с калиевыми и тем более литиевыми стеклами и стеклами на основе четвертичного аммония объясняется большей доступностью сырья и дешевизной при приемлемом уровне некоторых технических свойств стекла, например величины адгезии к различным подложкам.

      В соответствии с действующей нормативно-технической документацией в нашей   стране выпускаются «стекло натриевое жидкое», «стекло калиевое жидкое», а также смешанные калиево-натриевые и натриево-калиевые жидкие стекла. Другие виды жидких стекол выпускаются по временным техническим условиям и стандартам предприятий. Производство жидкого стекла (растворение силикат-глыбы, растворение кремнезема в щелочах) рассредоточено по многочисленным предприятиям — потребителям жидкого стекла, относящимся к различным отраслям народного хозяйства.[1]

1.2 ХАРАКТЕРИСТИКА  ПРОМЫШЛЕННЫХ ЖИДКИХ СТЕКОЛ

      Жидкое стекло представляет собой густой вязкий раствор. Хорошо приготовленные растворы жидкого стекла обычно имеют слабо-желтоватую окраску и бывают почти совершенно прозрачны. В тех случаях, когда содержание коллоидной суспензии значительное, растворы жидкого стекла принимают серо-мутную окраску. При долгом хранении и особенно при повышенной температуре из него выделяется коллоидный остаток. Хорошо профильтрованное жидкое стекло содержит незначительное количество посторонних примесей. Это происходит потому, что при растворении твердой силикат-глыбы большая часть примесей или остается в нерастворенном виде или коагулирует в виде хлопьевидных осадков, отделяемых фильтрованием.[2]

      Основные требования к химическому составу, модулю и удельному весу жидкого стекла приведены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав, модуль и удельный вес жидкого стекла

[ по ГОСТ 13079-81]

      Модуль жидкого стекла можно понизить путем введения едкой щелочи, а удельный вес – разбавлением водой. Растворы жидкого стекла можно смешивать с водой во всех отношениях. В зависимости от количества в них воды растворы отличаются друг от друга удельным весом и большей или меньшей степенью вязкости.

      Коллоидный характер жидкого стекла сказывается на температуре кипения и замерзания. Так, концентрированные растворы жидкого стекла имеют более низкую точку кипения, чем растворы электролитов при тех же концентрациях. С другой стороны, замерзшее жидкое стекло даже при температуре –20-30⁰ представляет собой железобетонную массу с незначительной твердостью, хотя температура замерзания его несколько выше (-11⁰).[2]

      Химический состав промышленного жидкого стекла определяется в основном составом исходных  стекловидных щелочных силикатов, однако, его примесный состав может формироваться также в ходе его производства (измельчение силикат-глыбы, автоклавное растворение, транспортирование, хранение).

      Химическая характеристика  промышленных жидких стекол в соответствии с действующей технической документацией включает содержание основных оксидов (SiО₂, R₂O), их мольное

соотношение (модуль), содержание примесных  оксидов (AL₂O₃, Fe₂O₃, CaO, SО₃) и плотность раствора.

      Содержание основных оксидов в промышленных натриевых жидких стеклах в пределах стандартной плотности.

Содержание SiО₂ и R₂O в промышленных жидких стеклах.       

Таблица 2 [10]

      Силикатный (кремнеземистый) модуль жидкого стекла определяется по формуле N=SiO₂/R₂O* m, где m-отношение молекулярной массы щелочного оксида к молекулярной массе SiO₂.;

 m_Na= 1,032; m_K =1,568; SiО₂, R₂O- содержание оксидов, %.

       Плотность жидкого стекла неоднозначно определяется концентрацией растворенного силиката щелочного металла, поскольку такой силикат может характеризоваться разным силикатным модулем, а вклад SiО₂ и Na₂O в плотность раствора различен. Зная модуль жидкого стекла и плотность, можно однозначно определить содержание в растворе оксидов SiО₂ и R₂O, а по модулю и абсолютному содержанию оксидов - плотность раствора. Определив содержание в жидком стекле Na₂O и плотность, по величине модуля можно рассчитать содержание в жидком стекле SiО₂.

      В ряде случаев для практического применения достаточны приближенные характеристики состава жидкого стекла. В этом случае модуль может быть рассчитан в соответствии с ГОСТ 13079-81 для натриевого жидкого стекла, исходя из значений плотности и концентрации  Na₂O по уравнению:

n=[A*(ρ-1)/x*10*ρ/m*(1-N*sqrt(x*10*ρ/m)]-C,где A,N,C- константы, для натриевого жидкого стекла соответственно равные 24,88; 0,071; 2,071; ρ - плотность жидкого стекла, г/см³; x-массовая доля оксида натрия, % ( по анализу); m-молекулярная масса щелочного оксида (для Na₂O равна 62).

      Природа жидких стекол двойственна. С одной стороны, они ведут себя как растворы электролитов (сжимаемость, электропроводимость), с другой — как растворы полимеров (вязкость). В отличие от полимеров жидкие стекла содержат не полимерные молекулы, а мономерные катионы щелочного металла и полимерные кремнекислородные анионы, степень полимеризации которых невелика по сравнению с органическими полимерами.

Оксиды щелочных металлов заметно влияют на свойства жидкого  стекла. При одном и том же молярном составе (модуле) содержание кремнезема и степень полимеризации у натриевого стекла больше, чем у калиевого. Ионы калия крупнее, в большей степени разрыхляют структуру растворимого стекла, и оно легче растворяется в воде.

       Полимерные свойства растворимого стекла проявляются в малой склонности его к кристаллизации, в способности к набуханию и в высокой вязкости образующихся растворов. Известно, что степень полимеризации зависит, прежде всего, от соотношения содержания кремнезема и щелочных металлов. С увеличением содержания R₂O в растворимом стекле степень его полимеризации уменьшается. Быстрое охлаждение высокотемпературного стекольного расплава также обес-печивает меньшую степень полимеризации, поскольку при низких температурах интенсивно разрушаются агрегаты кремнезема. Наоборот, отжиг стекла с целью кристаллизации увеличивает степень полимеризации. Полимерные свойства растворимых стекол выражены слабо, но они сохраняются и в растворах жидкого стекла.

       Жидкое стекло представляет собой густой, вязкий раствор. Хорошо приготовленные растворы жидкого стекла обычно имеют желтоватую окраску и бывают прозрачными. В тех

случаях, когда коллоидной суспензии содержится много, растворы жидкого стекла имеют мутно-серую окраску. При растворении водой силикат-глыбы большая часть примесей остается в нерастворенном виде или коагулирует в виде хлопьевидных осадков.

       В закрытых сосудах жидкое стекло может храниться очень долго. На воздухе оно разлагается тем быстрее, чем выше его модуль. При нагреве оно также разлагается с выделением аморфного кремнезема. Растворы жидкого стекла обладают липкостью и вяжущими свойствами. Все кислоты разлагают жидкое стекло с образованием коллоидных студнеобразных осадков кремниевой кислоты. Растворимые в воде соли также вызывают разложение жидкого стекла. Оно реагирует с основаниями, спиртами, ацетоном, эфирами и др.[3]

1.3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ТВЕРДЕНИИ  ВЯЖУЩЕГО.

      Жидкое стекло без добавок – ускорителей твердеет относительно медленно. Общепринятой   теории твердения вяжущих и бетонов на основе жидкого стекла нет. Считают, что при твердении     могут происходить следующие процессы.

1. Гидролиз силиката натрия в водном растворе:

 Na₂Si₂O₅+H₂OßàNaHSi₂O₅+NaOH

      NaHSi₂O₅+H₂OßàH₂Si₂O₅+NaOH

с последующей гидратацией и деполимеризацией:

H₂Si₂O₅+2H₂OàH₆Si₂O₇+H₂Oà2H₄SiO₄

Гидрат окиси натрия, взаимодействуя с углекислотой воздуха, образует карбонат натрия. Указанные  реакции проходят достаточно полно  лишь в разбавленных растворах силиката    натрия.

2. Разложение силиката натрия углекислотой воздуха:

  Na₂Si₂O₅+CO₂+4H₂OàNa₂CO₃+2H₄SiO₄

3. Коагуляция коллоидного раствора ортокремневой кислоты, как присутствовавшей в исходном растворе, так и образовавшейся при гидролизе и карбонизации силиката натрия.
4. Высыхание раствора жидкого стекла с выделением стеклообразных (аморфных) гидросиликатов натрия, включающих кристаллы карбоната  натрия состава Na₂CO₃*10H₂O при температуре ниже 18⁰С, состава Na₂CO₃*2.5H₂O в интервале 18-32⁰С, состава Na₂CO₃*H₂O в интервале 32-112⁰С и состава Na₂CO₃ при более высокой температуре. Одновременно происходит частичное обезвоживание свободной ортокремневой кислоты:

H₄SiO₂àSiO₂*nH₂O+(2-n)H₂O,

где n со временем уменьшается от 1 до 0,15-0,2.

      Последние процессы наблюдаются при твердении растворов жидкого стекла любой концентрации.

      Твердение вяжущих на жидком стекле по приведенным выше реакциям обеспечивает удовлетворительные прочностные свойства растворов и бетонов лишь в тонких слоях.         Строительные изделия и конструкции затвердевают только с поверхности. Для ускорения процесса и достижения равномерного твердения по всему сечению бетона в изделии и конструкции необходимо вводить в растворы и бетоны добавки-интенсификаторы. Наилучшие результаты дает введение небольшой добавки (примерно 15% от веса жидкого стекла) кремнефторида натрия, усиливающего гидролиз силиката натрия и связывающего ионы натрия в труднорастворимую соль NaF по суммарной реакции:

2Na₂Si₂O₅+Na₂SiF₆+10H₂Oà6NaF+5H₄SiO₄

Основной продукт твердения  вяжущих на основе растворимых щелочных силикатов –

гелевидная аморфная кремнекислота  не реагирует с минеральными и  органическими кислотами (кроме  HF и H₂SiF₆). Кристаллические новообразования, возникающие при карбонизации жидкого стекла и представленные карбонатом натрия, хорошо растворяются в воде и растворах кислот. Замена карбоната натрия фторидом, менее  растворимым и относительно стойким к действию кислот, за счет введения добавки Na₂SiF₆ существенно улучшает водо- и кислотостойкость продуктов твердения таких вяжущих. Поэтому вяжущие и бетоны на основе жидкого стекла широко применяются для изготовления конструкций, эксплуатируемых в агрессивных (кислотных и солевых) средах.

В производстве деталей и конструкций  из кислотостойкого (для пищевой  промышленности) и жаростойкого бетона на жидком стекле обычно используются другие способ интенсификации процесса твердения, заключающиеся во введении добавок силикатов кальция (белитового шлама,

доменного гранулированного шлака, феррохромового шлака и др.) или тонко измельченной

аморфной кремнекислоты в виде трепела, ситоффа и др. При этом устраняется токсическое  действие фтористых солей и достигается увеличение температуры плавления цементного камня затвердевших вяжущих и бетонов.[5]

4. КОРРОЗИЯ ЖИДКОГО СТЕКЛА. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКОГО СТЕКЛА.

КОРРОЗИЯ ЖИДКОГО  СТЕКЛА.

Стойкость в коррозионных средах оценивается  коэффициентом стойкости. Этот коэффициент  показывает какова потеря несущей способности  материала в данной коррозионной среде.

К_С=R_{в среде}/R_{в чистом виде}

Жидкое стекло не стойко против воздействия растворов щелочей.

Так как у меня в курсовой работе низкомодуляные силикаты (m=1,5-6), коэффициент размягчения будет меньше 0,8. Это значит, что у жидкого стекла относительно невысокая водостойкость, поэтому его используют для сухих условий эксплуатации.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКОГО СТЕКЛА.

Промышленностью выпускается специальный  кислотоупорный цемент (кварцевый кремнефтористый) затворяемый раствором натриевого жидкого стекла удельного веса 1,34-1,35. Для изготовления кислотоупорных замазок и покрытий используют тесто без заполнителей, полученное при расходе 25-30% жидкого стекла от веса порошка кислотоупорного цемента (количество Na₂SiF₆ составляет 12-15% от веса жидкого стекла). При изготовлении бетонов, строительных изделий и конструкций в тесто вяжущего вводят кислотостойкий заполнитель. На основе кислотоупорного цемента могут быть получены

бетоны и изделия с прочностью при сжатии в 200-400 кГ/см². Установлено, что кварцевый песок

в составе кислотоупорного цемента  может быть заменен тонкомолотой эффузивной породой типа андезита, базальта и др., содержащей вулканическое стекло, если данная порода имеет достаточную стойкость к действию кислот. При такой замене достигается увеличение прочности продуктов твердения при сжатии на 30-50% за счет частичного гидролиза стеклофазы в щелочной среде и создания контактных пленок из гелевидной аморфной кремнекислоты и гидросиликатов кальция и магния.[5]

Жидкие стекла используют также  в качестве неорганического клея (связки-адгезива)- гомогенной системы, отвердевающей и проявляющей адгезионные свойства, при её обезвоживании и при взаимодействиями с отвердителями (силикатизаторами),  находящимися в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Максимальный уровень вяжущих  свойств жидкого натриевого стекла характерен для значений силикатного модуля в интервале2,0-3,5. Для низкомодульных жидких стекол (<2) и  высокомодульных (>3,5), характерно снижение вяжущих свойств.

Исходя из классификации строительно-технических  свойств строительных вяжущих веществ, жидкое стекло относят к «воздушным вяжущим», поскольку искусственный камень на его основе неводостоек - разупрочняется при хранении в воде. Однако специальными приемами водостойкость такого камня может быть значительно повышена, за счет правильного выбора

отвердителя , использования  термического отверждения, введения добавок-модификаторов  и т. д.

Используют жидкие стекла в качестве сырьевых источников растворимого кремнезема для получения таких  продуктов, как золи, и гели кремнекислоты, цеолиты, катализаторы. Так как основным приемом осаждения кремнезема из кислоты является их обработка кислотой , то с позиции снижения расхода кислоты, а также уменьшения количества образующихся при этом попутных солей-электролитов(NaCI, Na₂So₄), которые необходимо утилизировать, целесообразно применение для этой цели высокомодульных жидких стекол с максимальной концентрацией.

Наиболее крупным потребителем жидкого стекла является машиностроительное производство. В машиностроительстве  жидкое стекло применяют в качестве связующего для изготовления форм и стержней, в основном при литье черных металлов в разовые песчаные формы.  В машиностроении жидкое стекло применяется также для точного литья по выплавляемым моделям, в составе экзотермических смесей и в качестве связующего для приготовления противопригарных красок.

С машиностроением и  переработкой металлопроката связано  также использование стекла в  производстве штучных сварочных  электродов, а также керамических флюсов для дуговой электросварки. Ориентировочно одна треть производимого в стране растворимого силиката натрия потребляется машиностроением.

Еще одним крупным потребителем растворимого стекла является целлюлозно-бумажная промышленность, где жидкое стекло применяют для пропитки бумажной массы, а также в качестве клея для тарного картона и гофрокоробов. Для усиления клеящих свойств жидких стекол их модифицируют введением добавок сахара, фосфатов, боратов, изоционатов. На такой основе  изготовляют также клеи для древесины.

Следующая большая группа потребителей жидкого стекла относится к химической и нефтехимической промышленности - это выпуск исходного компонента для производства катализаторов крекинга нефти, белой сажи, цеолитов, золя кремнекислоты, силикагеля, синтетических моющих средств.

Применяют жидкое стекло и для изготовления силикатных красок, в которых используют различные органические красители, а также минеральные пигменты в чистом виде и как смеси. Силикатными красками окрашивают природные и искусственные камни, покрывают полы, изделия из древесины, используют в настенной живописи.

Поскольку жидкое стекло на поверхности (например, металла) может образовывать пленку щелочного силиката и геля кремниевой кислоты, его с успехом  применяют как антикоррозионное средство. Силикатная обработка повышает устойчивость и алюминиевых сплавов. Металлический цинк после обработки жидким стеклом приобретает большую коррозионную стойкость. Такое же действие оказывает силикатизация на металлические свинец и железо, что

используют, например, для предотвращения отложения соединений железа на внутренней

поверхности водопроводных труб или  для защиты котлов от образования  накипи. Известно также применение с этой целью жидкого стекла в  конденсационных установках холодильных  машин и в электролитических ваннах, где оно уменьшает разъедание железного электрода. Таким образом, коллоидные кремнеземистые пленки, образующиеся на поверхностях, обусловливают применение жидкого стекла как весьма эффективного коррозионно-устойчивого средства во многих отраслях промышленности.[3]

Традиционным потребителем жидкого стекла  является лакокрасочная промышленность, где стекло выступает в роли пленкообразователя в составе силикатных красок (типа фасадных), антикоррозионных грунтов (цинк наполненных), обеспечивающих протекторный механизм защиты металла, негорючих красок и др.

Важной областью использования  жидкого стекла является строительная индустрия, где жидкое стекло применяют  для производства бетонных конструкций  и изделий , для укрепления грунтов  при строительстве дорог, аэродромных  покрытий, оснований под фундаменты, в частности, в составе инъекционных растворов.

Используют жидкое стекло для производства жаростойких и огнеупорных бетонов, в составе растворов для огнеупорных  бетонов, в составе растворов  для огнеупорной кладки, торкетмасс.

Отметим, что получают и противопожарные стекла. Такое стекло состоит из многих слоев

обычного оконного стекла, приклеенных  жидким стеклом.

Эффективно жидкое стекло для производства кислотоупорных бетонов и растворов, а также кислотоупорных замазок  для кладки штучной кислотоупорной керамики. Главный потребитель кислотоупорных монолитных материалов -целлюлозно-бумажная промышленность, где материалы такого типа служат для футеровки котлов для варки целлюлозы. Перспективно использование жидкого стекла в качестве связующего для окускования (окатывания, брикетирования) тонкодисперсных продуктов горно-химических комбинатов. Тонкодисперсные продукты- результат обогащения бедных руд или их гидрохимической переработки. Без окускования таких материалов дальнейшая переработка становится невозможной.

Применение жидкого стекла в  промышленности также связано с  отбелкой и окраской тканей, с производством  метлахской плитки, в качестве разжижителя  шликеров и т.д.

Новые виды промышленных водорастворимых  силикатов (полисиликаты, силикаты органических оснований) имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными жидкими стеклами, что расширяет технические возможности этого класса соединений и является основой для получения нового уровня свойств. Это относится, прежде всего к силикатам четвертичного аммония, которые используются в качестве пленкообразователя для антикоррозионных покрытий, термостойких и огнеупорных покрытий и композиционных материалов, материалов для литейных форм. Перспективны литиевые жидкие стекла, в частности, для получения цинк наполненных антикоррозионных покрытий.

1.5 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИЛИКАТ-ГЛЫБЕ

Силикат–глыба - твердый стеклообразный продукт, получаемый в виде крупных кусков при охлаждении расплава в воду.[5].

Для производства жидкого и растворимого  стекла в промышленности используют растворимые силикаты натрия и калия, которые являются продуктами производства (товарной продукции) стекольных заводов страны различного профиля - заводов по производству строительного и технического стекла. Из общего выпуска растворимых силикатов (силикат - глыбы) основное количество (свыше 90%) приходится на натриевую силикат-глыбу. Натриевая силикат - глыба является, как правило, содовой, лишь в отдельных случаях в качестве натриевого компонента применяют сульфат натрия, в основном в смеси с содой. Полученная натриевая силикат-глыба в этом случае является содово-сульфатной.

Куски силикат - глыбы имеют различную окраску, в зависимости от количества в стекле окислов двух или трехвалентного железа. Светло- и темно-коричневую, а также и совершенно черную окраску дает сернистое железо. Бесцветная силикат-глыба получается при минимальном содержании примесей в ней соединений железа. Светло и темно коричневую, а также и совершенно черную окраску дает сернистое железо.[2]