Глава I введение в технологию химического аппаратостроения химическая аппаратура. Технические требования, предъявляемые к ее конструированию и изготовлению

Химическая аппаратура используется в самых различных отра­слях народного хозяйства. Кроме химической промышленности, она находит применение в лесохимической, нефтехимической, пищевой, спиртовой, кислородной, на производствах по использованию атомной энергии в мирных целях и в ряде других производств. Химические аппараты предназначаются для очистки газов, разделения суспен­зий и эмульсий, создания растворов, проведения теплообменных и массообменных процессов (выпарки, сушки, абсорбции, адсорбции, ректификации и экстракции).

В зависимости от требований производства аппараты могут рабо­тать без внутреннего давления рабочей среды или под давлением. Неодинаковые химические свойства обрабатываемых веществ заста­вляют применять для изготовления аппаратов различные конструк­ционные материалы. Значительно отличаются аппараты друг от друга и по своим габаритам. Так, например, для получения химических реактивов вполне пригодны аппараты с объемом в несколько десят­ков литров, а для обработки таких веществ, как серная и соляная кислота, удобрения, кислород, строятся установки, каждая из кото­рых располагается на площади в несколько тысяч квадратных метров.

Несмотря на многообразие процессов и условий их проведения, все аппараты по конструктивным признакам и методам их изгото­вления можно объединить в три основные группы: а) емкостные; б) составные и разборные; в) трубчатые.

Примерная классификация аппаратов приведена в табл. 1.

Требования к аппаратам, работающим под давлением. Многие процессы проводятся в аппаратах под давлением. Это налагает осо­бую ответственность на конструкторов, технологов и производствен­ников, так как неточный расчет, неправильный выбор материала или небрежность при изготовлении могут повлечь за собой серьезные разрушения и аварии.

С целью обеспечения строгого контроля за конструированием, технологией изготовления и безопасной эксплуатацией аппаратов, работающих под давлением, в нашей стране организован Комитет по надзору за безопасным ведением работ в промышленности и гор­ному надзору при Совете Министров РСФСР (Госгортехнадзор).

Таблица 1

Классификация аппаратов

Группа аппаратов	Характерные конструкции	Область применения
Емкостные аппараты
Сосуды малой и сред­ней емкости	Сборники, мерники, баки, бочки, сосуды танков и газификато­ров, сушильные шка­фы и т. п.	Емкостные аппараты в выпарных, абсорбцион­ных, ректификационных и экстракционных установ­ках. Емкости для раство­ров, фильтратов и порош­ков. Емкости для проме­жуточного хранения гото­вых продуктов в установ­ках
Крупногабаритные ем­кости	Хранилища, резер­вуары, баки, отстойни­ки, цистерны, газголь­деры	Хранение и транспорти­ровка жидких и газообраз­ных продуктов
Толстостенные емкостные аппараты	Автоклавы, реакто­ры, баллоны и другие сосуды, работающие под высоким давлением	Контактные и емкостные аппараты в установках для синтеза углеводородов, гид­ратации этилена и пропи­лена, для получения ам­миака, метанола и некото­рых других продуктов. Осушка воздуха высоко­го давления
Составные и разборные аппараты
Колонные	Скруберы, абсорбе­ры, ректификационные колонны, экстракторы, регенераторы, конден­саторы смещения, ад­сорберы с зернистым адсорбентом	Извлечение газов из га­зовых смесей: коксового, природного, нефтяного га­зов, хлористых соединений и т. п. Получение техни­чески чистых продуктов из жидких смесей: переработ­ка нефтепродуктов, разде­ление воздуха, получение спиртов, органических и минеральных кислот. Кон­денсация и поглощение га­зов и паров
Группа аппаратов	Характерные конструкции	Область применения
Аппараты с перего­родками	Сепараторы, ловушки, циклоны, пылеосади-тельные камеры, влаго-отделители, фильтры, пластинчатые и спи­ральные теплообменни­ки	Очистка газов и жидко­стей от твердых частиц. Фильтрация суспензий. От­деление капель жидкости от газов. Теплообмен ме­жду газовыми и жидкост­ными потоками
Трубчатые аппараты
Кожухотрубные теп­лообменники	Одноходовые и мно­гоходовые теплообмен­ники с прямыми труб­ками, элементные теп­лообменники, трубча­тые аппараты с линзо­выми компенсаторами или плавающими го­ловками	Конденсаторы, дефлег­маторы, холодильники, ре­куператоры, подогревате­ли, испарители и кипя­тильники в ректификацион­ных, абсорбционных, вы­парных и сушильных уста­новках
Змеевиковые теплооб­менники	Оросительные и по­гружные теплообмен­ники, теплообменники типа «труба в трубе», витые теплообменники, спиральные тарелки, кубы ректификацион­ных колонн	Охлаждение горячих продуктов водой. Тепло-обменные аппараты в уста­новках разделения газов методами глубокого охла­ждения. Контактные уст­ройства в абсорбционных колоннах
Блочные теплообмен­ники	Теплообменники из графита и других неме­таллических материа­лов, калориферы	Теплообмен между силь­ноагрессивными жидко­стями. Нагревание воздуха

Инспекцией Госгортехнадзора разработаны «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», которые являются обязательными для всех министерств, совнар­хозов, предприятий и организаций, занимающихся изготовлением или эксплуатацией сосудов, цистерн, баллонов и аппаратов.

По этим Правилам должны быть сконструированы и рассчитаны на прочность и герметичность любые емкости, работающие под давлением свыше 0,7 ат, за исключением: а) сосудов емкостью не свыше 25 л, у которых произведение объема в литрах на рабочее давление в атмосферах составляет не свыше 200; б) сосудов из неметаллических материалов; в) сосудов, состоящих из труб с внутренним диаметром не более 100 мм без коллекторов и с внутренним диаметром не более 150 мм при наличии коллекторов; г) сосудов для воды и других неедких, неядовитых и невзрывоопасных жидкостей, работа­ющих под давлением, но при температурах, не превышающих точки кипения при 0,7 ат; д) трубопроводов для газов, паров и жидко­стей.

Конструкция сосудов и аппаратов, работающих под давлением, должна обеспечивать возможность осмотра и ремонта их внутренних частей. Если емкость не имеет съемных днищ или крышек, необ­ходимо предусмотреть устройство лазов и люков. Диаметр круглого лаза должен быть не менее 400 мм, размер овальных лазов — не менее 300 X 400 мм. Внутренние устройства в аппаратах (ме­шалки, змеевики, тарелки, перегородки и т. п.), препятствующие их осмотру, должны быть, как правило, съемными.

Каждый сосуд или аппарат должен быть снабжен: а) запорными устройствами для отключения их от трубопроводов, подводящих или отводящих пар, газ или жидкость; б) трубопроводами для про­дувки и удаления рабочей среды; в) манометром; г) рычажным или пру­жинным предохранительным клапаном с кожухом или колпаком.

Емкости, работающие под давлением, должны изготовляться на предприятиях, располагающих техническими средствами, обеспечи­вающими качественное изготовление и контроль указанных изделий.

На каждое из изделий составляются технические условия — ТУ, в которых четко и ясно должны быть изложены все технические требования.

Материалы, используемые для изготовления емкостей, могут быть допущены в производство только при наличии сертификатов или соответствующих данных по испытанию образцов металла, произведенному на аппаратостроительном заводе.

Каждый аппарат или сосуд должен иметь укрепленную на его внешней поверхности, на видном месте, металлическую табличку с обозначениями:

а) наименование завода-изготовителя;

б) номер сосуда по списку завода;

в) год изготовления;

г) рабочее давление в кг/см².

Такие же обозначения выбиваются на одной из утолщенных и видных частей аппарата.

На каждое готовое изделие составляют паспорт установленной формы; в него заносят все данные, характеризующие аппарат и его основные элементы: обечайки, фланцы, крышки, штуцера, кре­пежные детали и арматуру.

Требования к аппаратам, рабочие процессы в которых протекают при высоких или низких температурах. При повышении температуры, как правило, ухудшаются механические свойства металлов. Макси­мальная температура, при которой металлы могут быть использованы для изготовления аппаратов, определяется пределом ползучести. Эта величина представляет собой то максимальное длительно дей­ствующее напряжение при котором суммарная деформация не пре­восходит некоторую допускаемую величину (обычно 1 %),

В качестве конструкционных материалов для аппаратов, рабо­тающих под давлением, с температурой стенки выше 450°С, приме­няются только специальные высоколегированные стали. Углеро­дистые и качественные углеродистые стали применяются при темпе­ратуре до 400—450° С. Еще более низкая температура установлена для цветных металлов: меди, латуни, бронзы и др. У них в неко­тором интервале повышенных температур наблюдается явление хрупкости, обусловленное присутствием вредных примесей: свинца, сурьмы, висмута и кислорода, образующих в основном металле межкристаллические прослойки.

В аппаратах с высокотемпературными процессами не применяют пластмасс, так как они в большинстве своем становятся пластич­ными уже при температуре 100—150° С.

Температурные пределы применения основных конструкционных материалов приведены в табл. 2.

В конструкциях аппаратов, предназначенных для проведения высокотемпературных процессов, должны быть обязательно учтены температурные деформации различных частей изделия, особенно в тех случаях, когда наблюдаются местные перегревы или когда отдельные части аппарата изготовлены из разных материалов. Так, например, в кожухотрубных теплообменниках для компенсации различных удлинений трубчатки и кожуха устанавливают линзовые компенсаторы или плавающие головки. В футерованных аппаратах, предназначенных для агрессивных сред, предусматривают установку эластичной прокладки между металлическим кожухом и футеровкой.

Сосуды, обогреваемые непосредственно пламенем или газами с температурой выше 450° С, должны быть обязательно снабжены указателем уровня жидкости или каким-либо другим устройством, позволяющим контролировать уровень жидкости внутри сосуда.

Указанные требования к аппаратам, работающим с высокой тем­пературой стенки, относятся и к аппаратам, работающим при пони­женных температурах.

При выборе материалов для этой категории аппаратов необхо­димо иметь в виду, что многие стали при понижении температуры ниже —40° С становятся хрупкими. Цветные металлы, как, напри­мер, медь и алюминий, наоборот, улучшают свои пластические свой­ства и оказываются вполне пригодными конструкционными материалами.

Для предотвращения тепловых потерь внешняя поверхность

				Свойства материалов, применяемых в								аппаратостроении							Таблица 2
		Марка		Удель­ный		Температура		Теплопро­водность		Коэффи­циент ли-		Механические свойства листового проката					Температур­ная область		Относитель­ная стоимость
Материал		материала		вес в		плавления в °С		в ккал/см		нейного расшире-		Предел проч­ности при		Удлинение в %			применения		1 т листового материала
				Г/см3				сек-град		ния 106		растяжении		в%%			в °С		(=510 mm)
												в кГ/мм2
Сталь углеро-
дистая обыкновен-
ного качества . . .		Ст. 3		7,8		—		0,11		11,0		38—47		16—17			-30+400		1,0
Сталь углеро-
дистая, качествен-
ная . . . . . . .		20		7,85		—		0,12		11,5		35—50		22—24			-40+450		1,15—1,4
Низколегирован-
ная сталь . . . . . .		15ХМ		7,85		—		0,1		12,0		44—60		18—21			-40+560		—
Кислото­стойкая сталь Жаропроч­ная сталь
Кислотостойкая сталь . . . . . . . .		1Х18Н9Т		7,9		—		0,04		16,5		50—60		35—45			-196+600		9,0—10,0
Жаропрочная сталь		Х18Н25С2		7,84		_		0,13		16,2		65—75		45			До 900
Техническая медь		МЗ		8,9		1080		0,95		16,4		30(20)		3(30)			-196+250		10,0—11,0
Латунь . .		Л-62		8,43		898—905		0,29		20,6		42(30)		10(40)			-196+250		8,0—9,0
Томпак . .		ЛТ-90		8,73		1025—1045		0,3		17,0		40(27)		15(40)			-196+250		9,5—10,5
Алюминий		Al, A2		2,7		658		0,52		23.8		15(7)		4(28)			-196+150		12,0—16,0
Сплав алюминия		АМг		2,67		—		0,3		23,4		25(20)		20(23)			До +150		10,0—13,0
Сплав алюминия		АМг		2,73		—		0,38		24,0		16(13)		10(20)			До +150		9,0—10,0
. . .
Технический
никель . . .		НТ		8,9		1452		0,14		13,7		55(38)		2(35)			-250+550		42,0—45,0
Монель		НМЖМц		8,8		1350		0,06		14,0		60(45)		10(25)			-180+750		80,0-85,0
		28-2,5-1,5
Титан . .		—		4,35		1725--1800		—		8,1		126(77)		2(17,5)			—		—
																Продолжение		таблицы 2
	Марка		Удель­ный		Температура		Теплопро­водность		Коэффи­циент ли-		Механические свойства листового проката					Температур­ная область		Относитель­ная стоимость
Материал	материала		вес в		плавления в °С		в ккал/см		нейного расшире-		Предел проч­ности при		Удлинение в %			применения		1 т листового материала
			Г/см3				сек-град		ния 106		растяжении		в%%			в °С		(=510 mm)
											в кГ/мм2
Технический
магний . . .	Мг1, Мг2		1,74		651		0,37		25,7		25(18)		8(17)		—			—
Технический цинк	Ц1, Ц2		7,13		419		0,268		35,4		15(7)		10(20)		+20+120			6,0—6,5
Технический
свинец . . .	Cl, C2		11,34		327		0,083		29,5		2(1,8)		30(40)					12,0—13,0
Техническое олово	0,1; 02		7,3		232		0,152		22,0		2(1,7)		45(90)		+20+200			80,0—85,0
Графит . .	—		—		—		0,3		—		0,6—2,3		—
Кварцевое стекло			2,15		1800—2000		0,003		0,27—0,5		4,5				До 1200			─
Винипласт	—		1,38		—		0,0004		60—70		4—6		10—15		-20+60			8,0—9,0
Пластикат	—		1,3—1,5		—		—		80		1,0		100		-30+60			13,0—14,0
Полиэтилен	—		0,92		104—115		0,0002		700—830		1,1—1,4		250—600		-45+100			80,0—85,0
Полиизобу- тилен ....	—		1,3—1,4		80		0,001		—		0,45—0,65		550—600		-40+100			16,0—22,0
Органиче­ское стекло	МС-2		1,2		—		—		—		6,5		2—4		-40+70			60,0—80,0
Полипропи­лен			0,9-0,91		164—170		0,00033		110		3—3,8		500—700		-40+120
Полистирол	—		0,9—1,1				0,0002		60,0—80,0		2,2—4,9				-50+80			7,0—8,0
Резина . .	—		0,96-1,3				—		—.		2,0—4,5		600—700		-40+60			13,0—18,0
Фторопласт-4	—		2,1—2,3		327		0,0006		160,0— 250,0 17—30,0		1,6—2,5		250—500		-100+250			400,0
Текстолит	птк-пт		1,4				0,0006		17-30,0		6—10		0,8—1,0		До 125			56,0—76,0
Фаолит . .	—		1,5—1,7		—		0,001		17—22,0		1,5—3,5		—		До 100			12,0—14,0
Примечание В скобках приведены свойства отожженных материалов.

аппаратов, работающих при высоких или низких температурах, должна быть

покрыта слоем тепловой изоляции.

Требования к аппаратам, предназначенным для агрессивных сред.

При конструировании и изготовлении химических аппаратов при­ходится особо учитывать способность материалов сопротивляться коррозии.

Коррозией называется разрушение поверхности материала, вызы­ваемое химическими или электрохимическими процессами. При хими­ческой коррозии происходит прямое химическое соединение атомов или молекул

материала с элементарными частичками агрессивной среды. При электрохимической коррозии наблюдаются два одно­временно протекающих процесса — окислительный и восстановитель­ный, которые сопровождаются возникновением электрического тока.

Различают два основных вида коррозии: сплошную и местную. Местная коррозия бывает:

а) точечная;

б) участковая;

в) избирательная, т. е. разрушающая только одну структуру или один компонент сплава;

г) подповерхностная, развивающаяся во внутренних слоях металла и вызывающая его расслоение и вспучивание;

д) межкристаллитная, распространяющаяся по границам зерен металла.

Наиболее распространенным видом коррозии является сплошная коррозия.

Оценка коррозионной стойкости металлов и сплавов, подвер­гающихся сплошной коррозии, дается в соответствии с ГОСТом 5272-50 по глубинному показателю коррозии, который характери­зует уменьшение толщины металла, измеряемой в мм в год. Числен­ная величина глубинного показателя зависит от скорости коррозии. Скорость коррозии определяется опытным путем. Она зависит от природы материала, характера агрессивной среды, концентрации раствора электролита, температуры, электропроводности среды, характера обработки материала и ряда других факторов.

Как правило, скорость коррозии резко возрастает с повышением температуры и давления. К увеличению коррозии приводит наличие местных перенапряжений в отдельных узлах аппарата или застой­ных мест: щелей, зазоров, местных углублений. Из многочисленных опытов установлено, что металл можно считать пригодным для изготовления химической аппаратуры, если уменьшение его тол­щины от коррозии не превышает 1 мм в год.

Некоторые металлы при взаимодействии с агрессивной средой образуют на поверхности пленку окислов, которая в дальнейшем предохраняет их от коррозии. Это явление носит название пассив­ности и во многих, случаях используется как защита от коррозии

Защитное действие окисной пленки ухудшается при больших скоростях движения жидкостей или газов, которые механически удаляют с поверхности менее прочные продукты коррозии и тем самым способствуют возникновению коррозии следующих слоев. Разру­шение поверхности металла под действием механических факторов называется эрозией.

Основными методами защиты аппаратов от кор­розии являются:

а) подбор конструк­ционных материалов, стой­ких против действия рабо­чей среды;

б )подвод к аппарату электрического тока, про­тивоположного по знаку коррозионному току (ка­тодная электрохимическая защита), или подключение к защищаемой системе электрода (протекторная электрохимическая защита).

в) покрытие менее стой­ких материалов более стой­ким методом распыления;

г) создание на материа­ле защитной пленки путем химической или электро­химической реакции на его поверхности;

д) защита основного конструкционного материала слоем другого коррозионностойкого (футеровка).

Общие требования. Точность обработки в аппаратостроении зна­чительно меньшая, чем в машиностроении. Для деталей, подвергаю­щихся механической обработке, достаточна точность 4—5-го классов. Для деталей, изготовляемых штамповкой, гибкой и т. п., достаточна точность 7—9-го классов.

В зависимости от размеров в собранном виде аппараты подраз­деляются на габаритные и негабаритные. Такое разделение связано с возможностями перевозок по железным дорогам. Негабаритными аппаратами считаются такие аппараты или части аппаратов, которые при погрузке на 4-осную платформу выходят хотя бы одной своей точкой за пределы очертания габарита подвижного состава (фиг. 1).

Различают аппараты относительно негабаритные и абсолютно негабаритные. Относительно негабаритными называются аппараты, которые хотя и выходят за очертания габарита подвижного состава, но по согласованию с Министерством путей сообщения могут быть перевезены по некоторым магистралям. Аппараты, выходящие хотя бы одной точкой за очертания предельной габаритности, назы­ваются абсолютно негабаритными. Такие аппараты изготовляют по частям и их окончательную сборку производят на монтажной площадке.

Фиг.1. Железнодорожные габариты:

а) габарит подвижного состава; б) предельная негабаритность; в) габарит приближения строений.