Г.И. Абрамов, В.М. Бродянский. Хранение и транспорт ожиженных газов

2. Теплоизоляция, работающая при атмосферном давлении

б) Изоляционные материалы

Волокнистые материалы

Минеральная вата - один из самых дешевых и доступных материалов этого вида. Она состоит из стекловидных волокон, получаемых из расплавов горных пород (гранита, доломита, кварцита) или шлаков металлургических печей. Диаметр волокон 6-10 мкм, их длина - от 3 до 20 мм. Вата содержит некоторое количество шариков-«корольков», от 7 до 10% так как не все капли расплава при раздуве успевают вытянуться в нити. Для уменьшения конвективных токов вату следует набивать в изоляционное пространство до максимально возможной плотности (300-400 кг/м³).

При монтажных работах волокна минеральной ваты поражают кожу и дыхательные пути. Этот недостаток устранен в гранулированной вате, состоящей из комочков размером 10-15 мм, образованных из волокон механическим путем. При изготовлении ваты для уменьшения пыления в нее добавляют до 1% масла. Такая вата горит в среде кислорода, а при содержании масла до 1,5% становится взрывоопасной при контакте с жидким кислородом. Для изоляции воздухоразделительных установок применяют специально изготовленную вату, не содержащую масла.

В криогенной технике иногда применяют маты, изготовленные из минеральной ваты с использованием в качестве связующего битума или синтетических смол.

Стеклянная вата получается путем раздува расплавленной стекольной шихты. Диаметр волокон от 3 до 30 мкм, длина до 100 мм. Дополнительный раздув горячим газом полученных таким образом волокон позволяет получать вату с диаметром волокон до 0,5 мкм. Стекловолокно, полученное из щелочных стекол, при длительном хранении значительно снижает прочность, а во влажной атмосфере совершенно разрушается. Поэтому для низкотемпературной изоляции применяют волокно, изготовленное из безщелочных стекол.

Из стекловолокна изготовляются различные маты и полосы путем наложения друг на друга тонких слоев волокон, пересекающихся под прямым углом.

Шелковые очесы - отходы шелкопрядильной промышленности - также применяются для изоляции низкотемпературных установок, в частности, установок для разделения природного газа. По теплофизическим свойствам шелковые очесы близки к лучшим сортам минеральной и стеклянной ваты. Они более дороги, чем предыдущие виды изоляции, но обеспечивают более удобные и безопасные условия изоляционных работ.

Порошкообразные материалы

Порошкообразные материалы применяются в основном для изоляции сосудов со сжиженными газами. В последнее время ими стали изолировать установки для ожижения и разделения газовых смесей.

Вспученный вермикулит получают из минерала вермикулита, представляющего собой сложный высокогидратированный алюмосиликат магния. При нагревании вермикулита до 700-1000°С содержащаяся в нем вода испаряется, в результате частицы минерала вспучиваются, увеличиваясь в объеме в 20-25 раз. Технология изготовления вспученного вермикулита состоит в дроблении породы, рассеве на фракции, обогащении и обжиге. Плотность его составляет 100-200 кг/м³, размер зерен 1-12 мм. Доступность и низкая стоимость, хорошие теплофизические свойства приводят к все более широкому применению этого материала.

Вспученный перлит получается путем обжига минерала перлита. Он представляет собой изверженные кремнеземистые горные породы, состоящие из вулканического стекла, полевых шпатов, кварца и других минералов. При нагреве до 700-1000°С порода размягчается, а содержащаяся в ней вода превращается в пар, вспучивая массу материала.

Технология приготовления вспученного перлита аналогична технологии вспученного вермикулита.

Плотность этого материала колеблется от 40 до 300 кг/м³, размер зерен не превышает 3 мм. Для изоляции аппаратов и машин низкотемпературных установок используется вспученный перлитовый порошок, имеющий плотность при свободной засыпке 100 кг/м³ и размер зерен не более 1 мм.

Аэрогель кремневой кислоты является наиболее эффективным из известных в настоящее время теплоизоляционных материалов. Аэрогель кремневой кислоты - это тонкодисперсный порошок кремнезема. Способ получения аэрогеля основан на удалении жидкости из геля кремневой кислоты при температуре и давлении выше критических. В этом случае жидкость переходит в пар непосредственно в порах материала, что исключает сжатие пор за счет сил поверхностного натяжения. Для снижения рабочей температуры и давления вода в гидрогеле предварительно замещается этиловым или метиловым спиртом. Аэрогель имеет плотность 90-120 кг/см³.

Недостатком аэрогеля является необратимое изменение структуры и увеличение коэффициента теплопроводности при попадании в него влаги. Для уменьшения способности аэрогеля поглощать влагу его можно подвергнуть гидрофобизации путем обработки фтористыми соединениями, бутиловым спиртом, хлористыми силанами.

Пористые материалы

Пористые (ячеистые) теплоизоляционные материалы также широко применяются в криогенной технике.

Пробка - пористый материал естественного происхождения. Она вырабатывается из коры пробкового дуба или бархатного дерева. Используются плиты, получаемые прессовкой пробковой крупы с последующей термической обработкой при 260-280°С. Плотность получаемого материала не более 180 кг/м³. Этот материал огнеопасен и поэтому не применяется во всех тех случаях, где имеется опасность загорания.

Вспученный эбонит (оназот) относится к числу наиболее эффективных ячеистых теплоизоляционных материалов. При вспучивании эбонит увеличивается в объеме примерно в 15 раз, а его плотность снижается до 60-70 кг/м³. Оназот имеет до 20.000 ячеек в 1 см³, толщина стенок ячеек составляет в среднем 0,012 мм.

Мипора представляет собой отвердевшую пену мочевино-формальдегидной смолы. Мипору выпускают в виде блоков плотностью 10-20 кг/м³. В изоляционный объем сложной конфигурации ее загружают в виде крошки с плотностью набивки 40-50 кг/м³. Недостаток мипоры - гигроскопичность. В среде кислорода этот материал огнеопасен, а при большой плотности набивки взрывоопасен. Поэтому минора для теплоизоляции установок разделения воздуха и сосудов с жидким кислородом не рекомендуется.

Пенополистирол представляет собой материал с замкнутыми порами. Он может быть изготовлен различными способами. Прессовый метод состоит в смешении полимера с газообразователями и другими компонентами, прессовании композиции и вспенивании заготовок. Применяется и автоклавный метод, основанный на насыщении в автоклаве газами или низкокипящими органическими веществами полимера с последующим вспениванием при снятии давления.

Особый интерес представляет метод получения пенополистирола из гранул непосредственно в изоляционном пространстве. Гранулы полистирола, насыщенные низкокипящими органическими веществами, вспенивают путем нагревания. Приготовленные таким образом пористые гранулы засыпают в изоляционное пространство, вторично подвергают нагреву с помощью острого пара или горячей воды в течение 5-10 мин. Под влиянием высокой температуры гранулы еще больше увеличиваются в объеме, размягчаются и склеиваются. Такой изоляционный материал имеет плотность 20-60 кг/м³, размер пор в нем 0,01-0,1 мм.

Пенополиуретан получают в результате реакции, протекающих при смешении полиэфира, диизоцианата и воды в присутствии соответствующих катализаторов. Смесь заливается в форму, где она вспенивается. Затем вспененный материал прогревается при температуре 50-150°С в течение 4-6 ч. и затвердевает. Изготавливают жесткие и эластичные пенополиуретаны в зависимости от вида полиэфира. Они имеют соответственно плотность 100-220 кг/м³ и 30-60 кг/м³. Этот материал дает возможность заполнения изоляционного пространства композицией в жидком виде, что упрощает технику изоляционных работ. Недостатком пенополиуретана является ядовитость одного из его компонентов - диизоцианата.

Пеностекло получают путем термической обработки при 700-800°С смеси порошкообразных стекол и газообразователя. Пузырьки газа вспенивают вязкую стекломассу, придавая ей ячеистую структуру. Получаемые блоки имеют плотность 100-400 кг/м³, диаметр пор 0,1-2 мм.

Следующая страница: Теплофизические свойства. Коэффициент теплопроводности