основы проектирования хим произв дворецкий

ПСрМЦКд45-15-16-24; ПСрКдМ50-34-6; ПСр2,5 – пайка и лужение цветных металлов и сталей.

Медно-цинковые припои (ПМЦ36, ПМЦ48, ПМЦ54) применяются для пайки меди, латуней, бронз, томпаков и стали.

Неметаллические конструкционные материалы

Неметаллические конструкционные материалы широко применяются в химическом машино- и аппаратостроении. Это достаточно обширное семейство конструкционных материалов, которое можно подразделить на следующие классы:

−неорганические конструкционные материалы естественного происхож-

дения;

−неорганические конструкционные материалы искусственного происхож-

дения;

−органические конструкционные материалы.

К неорганическим конструкционным материалам естественного происхождения относятся: гранит, бештаунит, андезит, асбест. Данные материалы относятся к горным породам.

Гранит может применяться при строительстве поглотительных башен

впроизводстве азотной и соляной кислот и изготовлении аппаратуры бромного и йодного производств.

Бештаунит используется в качестве футеровочного материала поглотительных башен в производстве серной и соляной кислот.

Андезит используется в качестве футеровочного материала поглотительных башен кислотных производств и наполнителя кислотостойких бетонов.

Асбест используется в качестве прокладочного материала, сальниковой плетеной, шнуровой и кольцевой набивки, теплоизоляции, а также как наполнитель

впрокладочных материалах широкой номенклатуры. Последние десятилетия применение материалов из натурального асбеста ограничивается по экологическим соображениям.

Для вышеперечисленных материалов характерна высокая стойкость в кислотах (кроме плавиковой), определяемая содержанием оксида кремния, и термо-

стойкость (для бештаунита она достигает 800, а для асбеста – 500 °С).

К неорганическим конструкционным материалам искусственного происхождения относятся: каменное литье из диабаза, базальта, доломита и каолина, кварцевое и силикатное стекло, ситаллы, стеклоэмали, керамика, углеграфит, кислото- и щелочестойкие цементы.

Каменное литье из диабаза и базальта является кислото- и термостойким.

Оно применяется в виде футеровочных плиток, насадочных тел, фасонных изделий. Каменное литье из доломита и каолина дополнительно является износостойким, поэтому часто используется для изготовления шаров шаровых мельниц.

Кварцевое стекло обладает очень низким коэффициентом температурного расширения и способно выдерживать температурные перепады свыше 500 °С, длительно работать при температуре до 1200 °С. Оно стойко ко всем минеральным и органическим кислотам (кроме плавиковой и ортофосфорной), хорошо пропускает свет любой длины волны. Из кварцевого стекла изготавливают аппаратуру, трубопроводы и арматуру для производства особо чистых веществ. Кварцевое стекло часто используется для изготовления смотровых окон и мерных труб в оборудовании, работающем с агрессивными средами.

Силикатные стекла обладают значительно меньшей термостойкостью, чем кварцевые, не выдерживают воздействия плавиковой и ортофосфорной кислот, растворов щелочей, однако они значительно дешевле, поэтому также используются для изготовления лабораторной посуды, а также аппаратуры, трубопроводов, арматуры для работы с нейтральными средами.

Ситаллы в отличие от стекол имеют мелкокристаллическую структуру, обладают высокой термостойкостью, прочностью, низкой плотностью, устойчивостью к воздействию минеральных и органических кислот (кроме плавиковой), щелочам. Твердость ситаллов превышает твердость высокоуглеродистых сталей. Из ситаллов могут изготавливаться реакторы, работающие при высоких температурах с агрессивными средами. Кроме того, они используются для изготовления подшипников качения, работающих без смазки, различных фильер при производстве синтетических и искусственных волокон, поршней, цилиндров, рабочих колес насосов и т.д.

Стеклоэмали применяются в качестве покрытия химической аппаратуры, работающей с агрессивными средами, но изготовляемой из чугуна и углеродистой стали.

Керамика используется в качестве конструкционного материала при изготовлении различных типов насадок, лабораторного оборудования.

Углеграфит обладает высокой коррозионной стойкостью к минеральным кислотам и щелочам, хорошей теплопроводностью и высокой термостойкостью (до 2000 °С). Из него изготавливают теплообменную аппаратуру, работающую при высоких температурах с особо агрессивными средами. Однако данный материал имеет низкие прочностные характеристики. Для повышения прочности углеграфита его импрегнируют (пропитывают) различными полимерными связующими (фенолформальдегидными и эпоксидными смолами, кремнийорганическими и другими высокомолекулярными соединениями). Такой материал носит название графитопласт. Прочность этого композиционного материала может повышать в несколько раз, однако термостойкость снижается до термостойкости пропиточного материала. Графитопласты различных марок служат для изготовления подшипников скольжения, уплотнительных колец в торцовых уплотнениях, поршневых колец компрессоров, рабочих колес насосов.

Кислото- и щелочестойкие цементы используются для приготовления вяжущих растворов при футеровке химической аппаратуры и изготовлении химического оборудования из горных пород.

Среди материалов органического происхождения в качестве конструкционных материалов химического оборудования наибольшее распространение получили: резина, эбонит, различные виды пласмасс.

Резина представляет собой композиционный материал на основе натуральных или синтетических каучуков (термопластичных полимеров).

При добавлении в исходную резиновую смесь не более 3‰ вулканизатора – серы получают мягкую эластичную резину, при добавлении серы более 8‰ получают жесткую резину – полуэбонит, а при добавлении серы более 25‰ получают эбонит. Эбониты тверды, порочны, имеют высокую коррозионную стойкость, легко подвергаются механической обработке и являются высококачественными диэлектриками.

Перечисленные ценные свойства мягких и жестких резин обусловили широкое применение этих материалов в химической технике для изготовления всевозможных прокладок, втулок, рукавов, шлангов, трубок, манжет, виброопор, герметиков, приводных ремней, резиновых клеев и т.д., а также для гуммирования внутренней поверхности аппаратов из черных металлов. Эбониты находят применение для плакирования внутренней поверхности аппаратов, а также для изготовления коррозионностойких деталей, труб, сосудов, насосов и т.д.

Пластмассы – композиционные материалы, в которых сплошной средой являются полимеризационные или конденсационные полимеры, а дисперсной средой – наполнители, определяющие свойства композита (газовые наполнители, порошковые и волоконные) и другие ингредиенты (стабилизаторы, катализаторы, отвердители, пластификаторы, красители и др.). На основе поликонденсационных полимеров получают так называемые реактопласты, которые после отверждения под влиянием нагрева и давления не переходят снова в вязкотекучее состояние, т.е. не могут быть использованы повторно. На основе полимеризационных полимеров получают так называемые термопласты, которые могут под воздействием давления и нагрева снова переходить в вязкотекучее состояние, т.е. могут подвергаться вторичной переработке.

Пластмассы обладают рядом ценных свойств, делающих их ценными конструкционными материалами химической техники. Основные из этих свойств – малая плотность, высокая коррозионная стойкость, относительная простота формообразования изделий, хорошие теплоизоляционные свойства. В то же время эти материалы (особенно термопласты) имеют и ряд недостатков: низкую теплостойкость, малую теплопроводность, невысокую прочность, склонны к старению под влиянием различных излучений, высокие коэффициенты термического удлинения и др.

Из группы реактопластов в качестве конструкционных материалов химического оборудования наибольшее распространение получили термореактивные (резольные) фенолиты, которые подразделяются на прессовочные, волокнистые

ислоистые. По своей сути это композиционные материалы, матрицей которых служат фенолформальдегидные, эпоксидные, фурановые, кремнийорганические

инекоторые другие термореактивные смолы. В качестве наполнителей используется мелкодисперсные материалы (сухая древесная мука, каолин, тальк, слюда, графит, кварц, асбест и др.), волокнистые материалы (стеклянное, углеродное, борные и органические волокна), тканевые материалы на основе вышеперечисленных волокон.

В прессовочных пластиках используют первую группу наполнителей, в волокнистых – вторую, в слоистых – третью. Коррозионная и термическая стойкость, механическая прочность пластика зависит как от материала матрицы, так и материала наполнителя. В зависимости от физико-химических свойств пластика он может применяться для изготовления различных емкостных аппаратов и реакторов для работы с агрессивными средами, деталей насосов, мешалок, насадочных и плакирующих материалов и т.д.

Из группы термопластов в качестве конструкционных материалов в химическом машино- и аппаратостроении наибольшее распространение получили полиэтилен, полипропилен, винипласт, фторопласты.

Полиэтилен обладает хорошей коррозионной стойкостью к органическим растворителям, кислотам, щелочам, растворам солей при нормальных условиях, но при нагревании разрушается в окислительных средах и в хлорированных углеводородах. Полиэтилен под действием кислорода воздуха, света и тепла стареет. В отдельных случаях процесс старения замедляют введением в его состав небольших количеств аминов, фенолов, сажи или графита. Из полиэтилена могут быть изготовлены фланцы, полумуфты, сильфоны, листы, пленки для упаковочной тары, теплоизолирующие газонаполненные пенопласты и т.д. Температура начала ползучести полиэтилена примерно +80 °С.

Полипропилен по сравнению с полиэтиленом изделия из полипропилена обладает большей термостойкостью и коррозионной стойкостью к серной и азотной кислотам, а также стойкостью к воздействию органических растворителей. Из пропилена изготавливают трубы, сосуды, корпуса насосов, трубопроводную арматуру. Полипропилен широко используется для антикоррозионных покрытий (плакирования) внутренних поверхностей химических аппаратов.

Винипласт (стабилизированный поливинилхлорид) используется для изготовления труб, трубопроводной арматуры, элементов химического оборудования, центробежных насосов, барабанов центрифуг, поглотительных колонн, фильтров, работающих в среде соляной, фосфорной, уксусной кислотах, щелочах, растворах солей. Он имеет низкую хладо- и теплостойкость и температуру ползучести +60 °С.

Фторопласты – материалы на основе политетрафторэтилена (фторопласт-4) или политрифторхлорэтилена (фторопласт-3) широко применяются в химической технике. Эти материалы гидрофобны и не растворяются в большинстве растворителей, в том числе в органических, устойчивы к воздействию концентрированных кислот (царская водка, плавиковая, хлорсульфоновая, азотная) и щелочей. Фторо-пласт-4 теплостоек до температур +240…+260 °С, но он подвержен хладотекучести, плохо сваривается и склеивается, что затрудняет получение из него изделий. Тем не менее, из этого материала изготавливают трубы, вентили, мембраны, детали насосов, уплотнительные прокладки, сильфоны. Фторопласт-3 более прочен по сравнению с фторопластом-4, устойчив в большинстве кислот,

врастворах щелочей и окислителях, но растворяется в некоторых органических растворителях (бензоле, толуоле и его гомологах, в некоторых спиртах). Теплостойкость фторопласта-3 в 2 раза ниже теплостойкости фторопласта-4 и лежит

впределах 120…125 °С. Из фторопласта-3 изготавливают практически те же элементы химаппаратуры, что из фторопласта-4. Растворимость фторопласта-3

внекоторых органических растворителях используется для футеровки внутренней поверхности стальных аппаратов пленкой из этого материала. С этой целью на тщательно подготовленную и обезжиренную защищаемую поверхность наносят суспензию фторопласта-3 в этиловом спирте или в ксилоле с последующей сушкой получаемого покрытия и сплавлением его при нагревании при темпера-

туре примерно +210 °С.

3.1.5. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Тонкостенные цилиндрические обечайки

Сосуд – устройство, имеющее внутреннюю полость для ведения химических, тепловых или других технологических процессов, а также для хранения и транспортирования газообразных, жидких и других сред.

Аппарат – сосуд, оборудованный внутренними устройствами и предназначенный для проведения химико-технологических процессов.

При проектировании сосудов и аппаратов необходимо обеспечить технологичность, надежность в течение установленного срока службы, безопасность при изготовлении, монтаже, ремонте и эксплуатации, возможность осмотра (в том числе внутренней поверхности), очистки, промывки, продувки и ремонта, контроля технического состояния сосуда при диагностировании, а также контроля давления и отбора сред.

В зависимости от расчетного давления, температуры стенки и рабочей среды аппараты подразделяются на группы (табл. 3.5.).

Все аппараты наряду с наличием у них специфических устройств, как правило, состоят из следующих основных элементов и узлов: цилиндрического корпуса, днищ, крышек, штуцеров (для присоединения трубопроводов и контроль- но-измерительной аппаратуры), люков, опор, фланцев, строповых устройств.

76Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

3.5.Классификация технологических аппаратов

Для стальных цилиндрических аппаратов, корпуса которых выполняются из листового проката, за базовый принимается внутренний диаметр, выбираемый из следующего ряда, мм: 400, (450), 500, (550), 600, (650), 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200, (1300), 1400, (1500), 1600, (1700), 1800, (1900), 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000 и т.д. Диаметры в скобках предна-

значены только для рубашек аппаратов. Для стальных аппаратов, корпуса которых выполняются из труб, за базовый принимается наружный диаметр, выбирае-

мый из следующего ряда, мм: 133, 159, 168, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 630, 720 и т.д.

Внутренние устройства, препятствующие осмотру аппарата, должны быть съемными. Рубашки для наружного обогрева или охлаждения могут быть приварными. Аппараты должны иметь люки-лазы для внутреннего осмотра, расположенные в удобных местах. При наличии у аппарата съемных крышек или днищ и фланцевых штуцеров большого диаметра, устройство лазов и люков в аппаратах необязательно. Опрокидывающиеся аппараты должны иметь приспособления, предотвращающие самоопрокидывание.

Для возможности проведения гидроиспытаний аппарат должен иметь штуцера для наполнения и слива воды, а также поступления и удаления воздуха. Для этих целей могут быть использованы также технологические штуцера. На вертикальных аппаратах эти штуцера должны быть расположены с учетом возможности проведения гидроиспытаний в горизонтальном положении аппарата. Во всех глухих частях сборочных единиц и элементов внутренних устройств необходимо предусматривать дренажные отверстия, располагая их в самых низких местах для обеспечения полного слива жидкости.

Для подъема и установки аппарата на нем должны быть предусмотрены строповые устройства. Допускается использовать для этих целей имеющиеся на аппарате элементы (горловины, технологические штуцера, уступы и др.), если прочность их при этом не вызывает сомнений, что должно быть проверено расчетом.

Все основные сварные соединения в аппаратах, как правило, должны выполняться стыковой двухсторонней сваркой или с подваркой и быть доступными для осмотра и контроля. Предпочтение следует отдавать автоматической электродуговой сварке под слоем флюса. В местах присоединения опор к аппарату наличие сварных швов не допускается. Если это не может быть выполнено, необходимо предусмотреть возможность контроля сварного шва под опорой.

Во избежание перегрева и снижения качества сварных швов необходимо смещать их относительно друг друга на расстояние а ≥ 3s, где s – толщина стенки элемента аппарата, но не менее чем на 100 мм (рис. 3.8, а), не следует также соединять несколько деталей одним швом. Отверстия для люков, лазов и штуцеров следует располагать вне сварных швов, на расстоянии от них b ≥ 0,9d (рис. 3.8, б). Рекомендуемые расстояния между двумя соседними отверстиями А ≥ 0,7(d1 + d2), а для штампованных эллиптических днищ b ≥ dmin.

Штуцеры, плоские днища, фланцы приваривают тавровым, угловым или стыковым соединением. Для обеспечения равностенности свариваемых элементов следует предусматривать плавные переходы при сварке обечаек, днищ и фланцев разной толщины (рис. 3.9). Сварные швы должны быть доступны для осмотра и контроля.

Рис. 3.8. Элементы корпуса сосуда

Рис. 3.9. Сварные соединения элементов корпуса

При изготовлении аппаратов из высоколегированных сталей следует учитывать высокую стоимость их и необходимость сохранения коррозионной стойкости. Из высоколегированных сталей следует изготавливать только те элементы корпуса, которые подвержены воздействию агрессивной среды, выполняя остальные детали из углеродистых сталей. При сварке разнородных сталей происходит диффузия легирующих компонентов в углеродистую сталь, что снижает коррозионную стойкость легированной стали. По этой причине следует отдалять места стыка высоколегированной и углеродистой стали от мест воздействия агрессивной среды введением промежуточных элементов (рис. 3.10). Во избежание перегрева в процессе сварки, приводящего к выгоранию легирующих компонентов и ухудшению коррозионной стойкости, необходимо обеспечить одинаковую толщину свариваемых элементов; при этом желательно сваривать их встык, а сварные швы располагать на определенном расстоянии один от другого.

Следует также учитывать различие в физических свойствах высоколегированных и углеродистых сталей: температурный коэффициент линейного расширения для аустенитной стали приблизительно в 1,5 раза больше, чем для углеродистой, а теплопроводность – в 3-4 раза меньше. Вследствие этого возможно возникновение значительных температурных напряжений. Поэтому в ряде случаев необходимо вводить в конструкцию промежуточные упругие элементы.

Рис. 3.10. Варианты соединения элементов корпуса, изготовленных из высоколегированной и углеродистой стали:

а – опорная обечайка; б – рубашка; в – опорная лапа

Сосуды и аппараты, применяемые в промышленности, считаются тонкостенными, если толщина их стенки не превышает 10% внутреннего диаметра. Обычно такие сосуды и аппараты эксплуатируются при давлении не более 10 МПа.

Цилиндрические обечайки являются одним из основных элементов технологических аппаратов. Обычно обечайки изготавливаются вальцовкой из листового проката, реже из труб или поковок. Из одной или нескольких обечаек, свариваемых между собой встык, образуется цилиндрический корпус аппарата (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Цилиндрические обечайки:

а – обечайка с фланцем или плоским днищем; б – обечайка с жесткими перегородками; в – обечайка с отбортованными эллиптическим и коническим днищами; г – обечайка с неотбортованными сферическим и коническим днищем

80Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Взависимости от поставленных задач при проведении прочностных расчетов различают проектные и проверочные расчеты.

При выполнении проектных расчетов задачей является определение размеров отдельных элементов (толщины стенок корпусов, днищ, трубных решеток, диаметра болтов и т.д.). Проектные расчеты проводятся, как правило, при конструировании новых машин и аппаратов.

При проверочных расчетах определяют фактически возникающие в элементах напряжения и сравнивают их с допускаемыми при заданных условиях эксплуатации. Проверочные расчеты выполняют для проверки возможности использования выбранного аппарата в конкретных условиях.

Нормы и методы расчета на прочность сосудов и аппаратов, применяемых в химической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности, работающих в условиях однократных и многократных статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением и под действием осевых и поперечных усилий и изгибающих моментов приведены в ГОСТ Р 52587.1 – ГОСТ Р 52587.11 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность».

Данный стандарт устанавливает также значения допускаемых напряжений, модуля продольной упругости и коэффициентов прочности сварных швов.

Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных регламентируются ПБ 03-584–03 и ГОСТ Р 52630 «Сосуды и аппараты сварные стальные. Общие технические условия». Данные документы распространяются на проектируемые, вновь изготавливаемые и модернизируемые стальные сварные сосуды и аппараты, работающих под давлением не более

16МПа, вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па (5 мм рт.ст.), внутренним давлением 0,07 МПа и менее (под налив) и при температуре стенки не ниже –70 ºС .

Отклонение наружного (внутреннего) диаметра обечаек, цилиндрических отбортованных элементов днищ, изготовленных из листов и поковок, не должно превышать ±1% номинального диаметра. Относительная овальность в любом поперечном сечении не должна превышать 1%. Величина относительной овальности определяется по формулам:

– в сечении, где отсутствуют штуцеры и люки,

a = 2(Dmax − Dmin ) 100%;

Dmax + Dmin

– в сечении, где имеются штуцеры и люки,

a = 2(Dmax − Dmin − 0,02d) 100% ,

Dmax + Dmin

где Dmax, Dmin – соответственно наибольший и наименьший наружные (внутренние) диаметры сосуда или аппарата, м; d – внутренний диаметр штуцера, м.