الاستخدامات والاقتصاديات للغرافيت
المؤلف:
GEORGE T . AUSTIN
المصدر:
SHREV ‘ S CHEMICAL PROCESS INDUSTRIES
الجزء والصفحة:
ص 237
14-8-2016
2715
الاستخدامات والاقتصاديات للغرافيت :
بما ان الكربون والغرافيت يجمعان بين المقاومة الكيميائية وبين عدد من الخواص الفيزيائية المرغوبة في المواد البنيانية للمصانع الكيميائية ، لذلك يعتبران من اوسع المواد اللامعدنية استخداماً في هذا المجال . فهما يقاومان الاجهاد الحراري بشكل جيد ، ويتميز الغرافيت بموصلية حرارية عالية (الصورة 1-1). هذا الجمع ، اضافة الى امكانية التشغيل الجيدة ، يجعل من الغرافيت ، والغرافيت الكتيم الخيار الافضل لكثير من اصناف المعدات الكيميائية .
الصورة 1 - 1 . الموصلية الحرارية لمواد البناء الشائعة.
يصنع الغرافيت الكتيم ( او الكربون الكتيم ) بتشريب الغرافيت القاعدي المسامي الى حد ما ( او الكربون ، اذا اردنا انتاج الكربون الكتيم ) بالراتينج التركيبي . وتستخدم في التشريب دورة ضغط فراغي لإكمال اختراق الراتينج . والراتينج الذي يستخدم عادة هو من النموذج الفينولي ، الذي يتبلمر بالمعالجة عند درجات حرارة مرتفعة في محمّات موصدة تسخن بالبخار .
المقاومة الكيميائية للغرافيت الكتيم والمواد الكربونية الكتيمة ، التي تنتج بهذه الطريقة ، تشبه عمليا مثيلتها في الخامات الاصلية . وينصح باستخدام المواد الغرافيتية عند درجات حرارة جسم المادة حتى 170 مئوية . كما ينصح باستخدام الغرافيت بصورة عملية مع كل الاحماض المعدنية ، والمحاليل الملحية ، والمواد القلوية ، والمركبات العضوية عند درجة حرارة الغليان . يستثنى من ذلك وجود حالات الاكسدة الشديدة ، كما في وجود حمض الكبريت بتركيز اعلى من 95 % ، وحمض الازوت ، وحمض الكروم المركز ، والبروم ، والفلور ، واليود . تستخدم في ملاطات ربط الغرافيت راتينجات مماثلة للراتينجات التي تنتج مادة كتيمة . والمفاصل الثابتة شبه الملحومة تتشكل بمقاومة التآكل وبقوة تكافئ قوة المادة الاساسية او اقوى منها .
يشيع كثيراً في تطبيقات المعالجة الكيميائية استخدام الكربون والغرافيت على شكل اجر او كتل كبيرة او صفائح . تصنع قوالب القطعة المفردة روتينيا بقطر يصل حتى 170 سم وطول حتى 200 سم . وتبين الصورة 2 - 1 البناء الكتلي الكبير النموذجي للكربون والغرافيت . نموذج مبنى كوخ الكونسيت Quonset-hut هو حجرة من الفرانيت لحرق الفسفور مع الاكسجين لتشكيل P2O5، الذي يميأ بعدئذ في مبنى الكربون الذي يشبه صومعة الحبوب لتشكيل حمض الفسفور ويستخدم مبنى مماثل لبطانات مركزات حمض الكبريت والمرسبات الالكتروستاتية حيث يكون الاستقرار البعدي هاما . ونصادف بطانة الصهاريج من اجر الكربون في مغاطس تنظيف المعادن ٠ والتنظيف ٠ والاعمال الختامية ، وخصوصاً عند التعرض لحمض الهيدروفلور ، وفي هضم الصخور الفوسفاتية بحمض الكبريت في تصنيع المخصبات ( الاسمدة ) الفوسفاتية.
الغرافيت من الصنف المقولب اكثر اهمية من مواد البناء الكربونية والغرافيتية بالنسبة للصناعة الكيميائية . فالغرافيت بصفاته المطواعة في التصنيع الآلي ، اضافة الى توفر بحجوم واشكال كثيرة ، مسمح ببناء سلسلة كاملة من معدات المعالجة ، بما فيها المبادلات الحرارية ، والمضخات ، والصمامات ، والانابيب ، والوصلات ، والابراج ، واجهزه الامتزاز . وقدرة الغرافيت العالية في توصيل الحرارة مهمة خصوصاً في تطبيقات التبادل الحراري صورة 8 - 4 . والمعدات القياسية الاكثر شيوعاً هي المبادلات الحرارية القوقعية والانبوية shell and tube ، التي تظهر في الصورة 8-6 ، والتي تتراوح حجما الى وحدات يصل سطح انتقال الحرارة فها الى 1400 م2 . وتتراوح ضغوط التشغيل حتى 700 Kpag وضغط البخار حتى 350 kpag . ويستخدم الغرانيت الكتيم ايضا في المبادلات الحرارية اللوحة والكتلية ، والمبردات الشلالية cascade coolers ، ومضخات الطرد المركزي .
كما يستخدم في منافث الصواريخ ، وحوافي الاجنحة المتقدمة والمخاريط الأمامية في سفن العودة بسبب خفة وزنه ومتانته الآلية الجيدة عند درجات الحرارة العالية جدا .
طورت مؤخرا نماذج جديدة من الغرافيت وتتميز بالمرونة وقابلية الانضغاط، ولا تحتوي مواد ربط ، او راتينجات ، او اضافات اخرى ، وتتميز بالخمول الكيميائي والزلاقة ، وهي صفات نموذجية بالنسبة للغرافيت النقي . يمكن صناعة هذه المواد على شكل صفائح او اشرطة ، وكذلك على شكل رقائق وزبد (رغوة) foam . وتشتمل الاستخدامات في حقل معدان المعالجة الكيميائية على التغليف واطواق منع التسرب ، والعزل الحراري عند درجات الحرارة العالية ، حيث يمكن استخدام هذه الخواص المتباينة لإظهار محاسن هذه المواد .
اما التطبيقات الكهربائية الحرارية : كما في انتاج الفولاذ في افران قوسية مكشوفة ، اضافا الى انتاج السبائك الحديدية والفسفور في افران قوسية مغمورة ، فتستهلك الجزء الاكبر من الألكترودات الكربونية والغرافيتية .
تصل اطوال ألكترودات الافران القوسية المكشوفة المصنوعة من الغرافيت الى 60 سم عرضاً و 245 سم طولاً ، اما الألكترودات الكربونية ونصف الكربونية (كربون + حشوه غرافيت) التي تستخدم في الافران القوسية المغمورة فتصل اطوالها النموذجية الى 140 سم عرضا و 265 سم طولاً .
وتتضمن تطبيقات التحلل الكهربائي أنودات لتحلل الأملاح المندمجة كهربائياً لإنتاج الألومنيوم ، والمغنزيوم ، ومعادن الصوديوم ، إضافة الى تحلل المحاليل الملحية المائية كهربائياً لإنتاج الكلور ، والصودا الكاوية ، والكلورات . وسنورد مخططات الإنتاج لهذه التطبيقات في فصول أخرى .
إن ازدياد متانة الكربون والغرافيت مع ارتفاع درجات الحرارة ، ومنعتهما ضد الإجهاد الحراري ، ومقاومتهما للتأثير التأكلي للخبث المنصهر ، وفشل معظم المعادن في ترطيبهما ، كلها صفات تدفع الى استخدامهما في الصناعات المعدنية ، كما في أسفل المناطق المائلة bosh zones في الأفران العالية ، وتبطين السطوح المقببة ، وأحواض التسرب runout trough ، والأطر ، والقوالب ، والبواتق . أما الاستخدامات الكهربائية والآلية فهي في الفراجين brushes ، والمقاومات ، ووسائل التلامس ، والأجزاء الألكترونية في الأنابيب ، وحلقات منع التسرب ، وكربونات التلحيم وأجهزة العرض السينمائي.
يتشكل الغرافيت الحراري بالتكسير الحراري لغاز هيدروكربوني كالميثان ، وترسبه على طبقة تحتيه substrate ، والراسب متباين الخواص الى حد بعيد ، أي أن الموصلية الحرارية ليست نفسها في كل الاتجاهات . فهي تساوي النحاس في المستوى xy وأكسيد الألومنيوم في الاتجاه z . ويمكن أن يترسب عند الكثافة النظرية وبشكل نقي جداً ، وتشمل استخداماته البواتق لمعالجة المعادن والخلائط مثل الجرمانيوم germanium وزرنيخيد الغاليوم gallium arsenide ، ومنافث الصواريخ ، وطلاء لجزيئات الوقود النووي .
نسبة الصلابة الى الوزن والمتانة الى الوزن في ألياف الكربون أكبر منها في المواد البنيانية الشائعة . انخفضت أسعار الألياف من 1200 دولاراً للكيلوغرام ، في عام 1965 ، الى أقل من 50 دولاراً للكيلوغرام عام 1981 . تستخدم المركبات الراتينجية في مباني الفضاء الجوي والفضاء ، حيث يكون توفير الوزن مهماً ، وفي سلع الألعاب الرياضية ذات الأداء العالي . تستخدم في تطبيقات الفضاء الجوي كل المركبات الكربونية التي تصنع بتحليل مادة الترابط الراتينجية resin matrix حرارياً ، وتستقصى بوصفها مواد احتكاك في المكابح .
الصورة 2-1 وحدة لإنتاج حمض الفسفور . بني البناء (الى اليمين) كلياً من غرافيت الأفران الكهربائية ، أما البرج (الى اليسار) فقد ركب من أحجار الكربون اللامتبلر .
يستخدم الغرافيت عالي النقاوة جداً في كثير من المفاعلات النووية كمهدئ وعاكس فالمهدئ يحتجز الوقود النووي في موضع و " يهدئ " أو يخفف من سرعة حركة النيوترونات الى سرعات يمكن فيها احتجازها ، وبهذا يمكن التفاعل السلسلي من الاستمرار . يحيط العاكس بالمهدئ ويبعثر النيوترونات الهاربة رجوعاً الى القلب ويستخدم الغرافيت أيضاً في بعض المفاعلات كمادة ربط matrix ليبعثر فيها الوقود النووي ويحتويه .
ويستخدم الغرافيت ذو النقاوة العالية أيضاً على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات semiconductors من أجل النمو البلوري المفرد .
الصورة 3-1 صورة مقطعية ، لمبادل حراري قوقعي وأنبوبي من الغرانيت الكتيم ، ممر أنبوبي واحد .
الاكثر قراءة في مواضيع عامة في الكيمياء الصناعية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
