массооб колонн

1.4.Нормативные документы, используемые при проектировании оборудования

Приступая к конструированию оборудования для химических предприятий, специалисты в первую очередь оценивают возможности использования существующих образцов машин и аппаратов аналогичного назначения в качестве отправной точки. Рассматриваются действующие варианты кинематических схем, приводов, рабочих инструментов и степень свободы принятия собственных решений (факторов решения).

Проектирование химического и любого другого оборудования производится на единой нормативно-технической базе, которая устанавливает требования к порядку разработки, содержанию и оформлению документации.

Создание эффективного оборудования невозможно без качественно подготовленной документации, для разработки которой используются единые системы стандартов для каждого этапа проектных работ:

конструкторская документация – ЕСКД;

технологическая документация – ЕСТД;

защита материалов и изделий от коррозии и старения – ЕСЗКС;

допуски и посадки – ЕСДП;

безопасность труда – ССБТ и другие.

Кроме того, при проектировании химического оборудования для работы в особых условиях, например под повышенным и избыточным давлением, высоких или экстремальных температурах, должны учитываться требования «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» и других документов Госгортехнадзора. В отдельных отраслях действуют собственные нормативные документы, которыми устанавливаются дополнительные требования к технологическому оборудованию, учитывающие отраслевую или индивидуальную специфику производства.

Термин «проектирование» является наиболее широким понятием, включающим в себя конструирование, информационную и технологическую подготовку, разработку всех видов технической документации, включая ее корректировку по результатам испытаний опытных образцов оборудования. Существенной особенностью аппаратов и машин для химической промышленности является то, что они являются частью объектов более высокого уровня иерархии (технологических линий, производств и предприятий) с обширной инфраструктурой (инженерные коммуникации, системы защиты среды и прочее). По этой причине создание такого оборудования превращается в процесс, который называется проектирование мегакомплексов.

11

Конструкторская (инженерная) документация определяет составные части оборудования, принцип его работы, используемые для изготовления материалы, правила эксплуатации, технического обслуживания и ремонта. Технологическая (функциональная) документация определяет правила изготовления деталей оборудования (используемые станки, инструмент, расходные материалы, режимы обработки и прочее), защиту от коррозии, компоновку и монтаж машин, аппаратов и сопутствующей инфраструктуры и т. д.

Документация по безопасности труда предусматривает организацию и оснащение рабочих мест (инструменты, средства индивидуальной защиты, материалы, приспособления), правила (инструкции) обращения с оборудованием, меры личной и производственной безопасности, квалификационный уровень персонала и другое. Полный набор документации составляет проект, который осуществляется в следующей последовательности.

2.КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАССООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Материалы для изготовления химического оборудования следует выбирать, учитывая специфику их эксплуатации и предусматривая то обстоятельство, что физико-химические свойства материалов могут измениться под воздействием рабочих и агрессивных сред, высоких или низких температур и протекающих на производстве химико-технологических процессов. Поэтому при выборе материала для того или иного оборудования следует руководствоваться установленными в нашей стране стандартами.

Чтобы максимально правильно подобрать материал к оборудованию, следует сначала выяснить, в каких рабочих условиях он будет находиться. То есть, какая будет температура, давление, обрабатываемая среда и ее концентрация. При выборе конструкционного материала для химического оборудования очень важно учесть физические (температурное расширение, теплопроводность) и механические (твердость, предел прочности и так далее) свойства материала, а так же его химическую стойкость.

Однако одним из самых главных требований к материалу для изготовления химического оборудования является его коррозийная стойкость. Коррозии, как правило, подвергается не наружная поверхность химических аппаратов, а внутренняя. Именно от коррозийной стойкости будет зависеть, насколько долго прослужит промышленное оборудование.

Для изготовления технологической аппаратуры химических и нефтехимических производств используют конструкционные материалы, стойкие и весьма стойкие в агрессивных средах. Материалы пониженной стойкости применяют в исключительных случаях.

12

При выборе материалов для оборудования, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры.

При статическом приложении нагрузки важными характеристиками для оценки прочности материала являются предел текучести σт (условный предел текучести σ0,2 или σ1,0) и временное сопротивление σв. Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля упругости Е и коэффициентом Пуассона µ.

Эти характеристики являются основными при расчетах на прочность деталей аппаратуры, работающей под давлением при низких (-254…-40 °С), средних (-40…+200 °С) и высоких (выше +200 °С) температурах.

Для работы при низких температурах по нормам Ростехнадзора РФ следует выбирать металлы, у которых порог хладоломкости меньше заданной рабочей температуры. Следует отметить, что в химической промышленности на протяжении многих лет безаварийно эксплуатируется при рабочих температурах до -40 °С большое количество аппаратов, трубопроводов, арматуры, насосов и другого оборудования, изготовленного из углеродистой стали обыкновенного качества и из серого или ковкого чугуна, т. е. из материалов, имеющих ударную вязкость KCU < 20 Дж/см2 при указанной температуре. Поэтому при выборе металла для работы при низких температурах следует исходить не только из его ударной вязкости, но и учитывать величину и характер приложенной нагрузки (статическая, динамическая, пульсирующая), наличие и характер концентраторов напряжений и чувствительность металла к надрезам, начальные напряжения в конструкции, способ охлаждения металла (хладоагентом или окружающей средой).

При статическом приложении нагрузки в ряде случаев допускается изготовление оборудования из металлов, приобретающих хрупкость при пониженных рабочих температурах, но не имеющих дефектов, нарушающих однородность структуры и способствующих концентрации напряжений. Технология изготовления оборудования из таких материалов должна исключать возможности возникновения высоких начальных напряжений в конструкции.

При динамических нагрузках, кроме указанных выше характеристик, необходимо учитывать также ударную вязкость. Для многих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже -10 °С) резко понижается, что исключает применение этих материалов в таких рабочих условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (меди, алюминия, никеля и их сплавов), а также хромоникелевых сталей аустенитного класса при низких температурах, как правило, уменьшается незначительно, и пластические свойства этих мате-

13

риалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что позволяет применять их при рабочих температурах до -254 °С.

Для оборудования, подверженного ударным или пульсирующим нагрузкам и предназначенного для работы при низких температурах, следует применять металлы и сплавы с ударной вязкостью KCU > 30 Дж/см2. Для деталей, имеющих концентраторы напряжений (болтов, шпилек), рекомендуются материалы, у которых при рабочей температуре ударная вязкость KCU > 40 Дж/см2.

При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих прочностные свойства металлов и сплавов. Временное сопротивление σв и предел текучести σт зависят от времени пребывания под нагрузкой и скорости нагружения, так как с повышением температуры металл из упругого состояния переходит в упругопластическое и под действием нагрузки непрерывно деформируется (явление ползучести).

С увеличением времени пребывания металла под нагрузкой характеристики прочности уменьшаются тем значительнее, чем выше температура эксплуатации оборудования. Поэтому при расчете на прочность аппаратов, работающих длительное время при высоких температурах, допускаемые напряжения определяют по отношению к условному пределу ползучести σпл или по пределу длительной прочности σдл. Для химической аппаратуры допускаемая скорость ползучести принимается < 10-7 мм/(м*ч) (10-5 % в

год), для крепежных деталей < 10-9 мм/(м*ч) (10-7 % в год).

Аппаратуру не рекомендуется изготовлять целиком из дорогостоящих и дефицитных материалов. Коррозии обычно подвержена лишь внутренняя поверхность аппаратов. Для обеспечения амортизационного срока службы аппарата достаточен слой коррозионностойкого металла толщиной в несколько миллиметров. Таким образом, представляется целесообразным изготовлять аппаратуру для активных коррозионных сред из двухслойного проката, облицовочный слой которого может быть выполнен из требуемого коррозионностойкого металла или сплава. Например, вместо монолитной толстолистовой стали 12Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т целесообразно применять двухслойную листовую сталь 16ГС+12Х18Н10Т или СтЗсп+10Х17Н1ЗМ2Т.

В настоящее время металлургической промышленностью освоен ряд новых марок высоколегированных сталей с малым содержанием никеля, которые рекомендуется применять в химическом машиностроении в качестве заменителей дефицитных хромоникелевых сталей или сталей с большим содержанием никеля. К таким сталям относятся 08Х22Н6Т, 08X21Н6М2Т и др.

14

В последнее время в конструировании химической аппаратуры все большее применение находят композиционные материалы, которые по механической прочности превосходят даже качественные стали, а по коррозионной стойкости не уступают керамике, стеклу и эмалям.

Таким образом, при конструировании химической аппаратуры к конструкционным материалам должны предъявляться следующие требования:

1)достаточная общая химическая и коррозионная стойкости материала в агрессивной среде с заданными концентрацией, температурой и давлением, при которых осуществляется технологический процесс, а также стойкость против других возможных видов коррозионного разрушения (межкристаллитной, электрохимической, сопряженных металлов в электролитах, под напряжением и др.);

2)достаточная механическая прочность при заданных значениях давления и температуры технологического процесса, с учетом специфических требований в ходе испытаний оборудования на прочность, герметичность и дополнительные нагрузки (ветровой, собственного веса и др.);

3)способность материала хорошо свариваться с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений и коррозионной стойкости их в агрессивных средах, обрабатываться резанием, давлением, подвергаться изгибу и др.;

4)низкая стоимость материала, недефицитностъ и освоенность его промышленностью;

5)возможность простой утилизации при выработке сроков эксплуатации оборудования, узлов и деталей.

2.1. Стали

Стали и сплавы на основе железа являются наиболее распространенными и конструкционными материалами при изготовлении химического оборудования. Сталь обладает хорошей прочностью, низкой стоимостью по отношению к другим конструкционным материалам, весьма технологична при обработке и изготовлении полуфабрикатов и оборудования.

В зависимости от количества примесей и легирующих добавок конструкционные стали подразделяются на следующие основные группы:

-углеродистая сталь обыкновенного качества;

-качественная углеродистая сталь;

-низколегированная сталь;

-легированная сталь;

-высоколегированные жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы;

-двухслойные конструкционные стали.

Сталь, как и чугун, представляет собой в общем случае сплавы на основе железа и углерода. В сталях может содержаться от 0,08 % до 2,14 % углерода, в чугунах – от 2,14 % до 6,67 %.

15

Углеродистая сталь обыкновенного качества (СтЗкп, СгЗпс, СтЗсп, Ст3Гпс и др., ГОСТ 380-2005), поставляемая в виде листового, сортового и фасонного проката, труб, поковок и т. д., используется для изготовления несущих конструкций, обечаек, днищ, фланцев, люков, штуцеров и других деталей машин и аппаратов, не контактирующих с агрессивными средами. По степени раскисления различают сталь кипящую (кп), полуспокойную (пс) и спокойную (сп). Нераскисленные кипящие стали применяются для малонагруженных узлов и деталей химического оборудования, работающего при давлениях не выше 1,6 МПа и температурах до 350 °С. Спокойные стали могут быть использованы для изготовления оборудования, работающего при давлении до 5 МПа и в интервале температур от -20 °С до

+425 °С.

Качественная углеродистая конструкционная сталь (сталь 10, сталь 40, сталь 20К, 16К, 18К, 20К, 22К и др.), поставляемая в виде листового проката (ГОСТ 5520-79) и в виде сортового проката и труб (ГОСТ 1050-2013), применяется для изготовления корпусов и деталей оборудования, трубных пучков теплообменников, работающих в интервале температур от -20 °С до +475 °С с неагрессивными и малоагрессивными средами.

Низколегированная сталь с содержанием легирующих элементов до 2,5 % (09Г2, 09ГС1, 09ГС2, 16 ГС и т. д.), поставляемая в виде листового проката (ГОСТ 5520-79), сортового и фасонного проката, труб и поковок (ГОСТ 19281-2014), применяется для изготовления нагруженных элементов химического оборудования (крепежных изделий, пружин, элементов арматуры, фланцев, трубных решеток и т. п.), работающего в интервале температур от -70 °С до +475 °С с малоагрессивными и неагрессивными средами.

Легированная конструкционная сталь с содержанием легирующих элементов до 10 % (12ХМ, 12МХ, 15Х5М, 30ХМА, 30ХГСА и др.), поставляемая в виде сортового проката, труб и поковок (ГОСТ 20072-74), применяется для изготовления элементов химического оборудования, работающего в интервале температур от 70 °С до +560 °С в неагрессивных и малоагрессивных средах, а также для изготовления высоконагруженных деталей машин (шестерни, валы, оси, роторы, валки, штоки и т. п.).

Высоколегированные, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы содержат более 10 % легирующих добавок. (Сплавом считается сталь, содержащая более 50 % легирующих элементов). В зависимости от структурного класса они могут работать в интервале температур от -253 °С до +700 °С. Поставляются данные стали в виде листового проката, труб и поковок.

Стали аустенитного класса (08Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х14Г14М4Т, 03Х21Н21МГБ и др.) применяются в зависимости от марки для изготовления химической аппаратуры, работающей с сильными минеральными кислотами и щелочами.

16

Стали ферритного класса (08X13,08Х18Т1,15Х25Т и др.) применяются для изготовления химического оборудования, работающего в средах окислительного характера. Например, они стойки к воздействию фосфорной и уксусной кислот при температуре +70 °С, азотной кислоты концентрацией до 65 % при температуре до +40 °С. Однако данные стали обладают низкой ударной вязкостью в зоне сварных швов.

Стали аустенитно-ферритного класса (08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 08Х21Н6М2Т и др.) по коррозионной стойкости аналогичны сталям аустенитного класса, но более экономно легированы никелем, менее склонны к межкристаллитной коррозии, коррозионному растрескиванию, имеют повышенные механические показатели в состоянии поставки.

Для экономии дорогостоящих высоколегированных сталей при конструировании химического оборудования широко применяются двухслойные стали с основным слоем из углеродистых, низколегированных и легированных сталей и плакирующим слоем из высоколегированных сталей (СтЗсп с плакирующим слоем из сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10X17H13M3T; 20К с плакирующим слоем из сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10X17H13M3T, 06ХН28МДТ; 16ГС и 09Г2С с плакирующим слоем 12X18Н10Т, 10Х17Н1ЗМЗТ, 06ХН28МДТ и других сталей).

Двухслойные стали могут работать, в зависимости от марки, в интервале температур от -40 °С до +475 °С.

Двухслойные стали поставляются в виде листового проката.

2.2. Чугуны

Чугуны как конструкционные материалы, обладающие хорошими литейными свойствами, жаростойкостью, коррозионной стойкостью и антифрикционными качествами, до сих пор находят широкое применение при изготовлении химических и нефтехимических аппаратов, узлов и деталей.

Однако их отличает ряд недостатков: высокая хрупкость, сложность обработки резанием, высокие коэффициенты линейного расширения, сильная зависимость прочностных характеристик от температуры, трудность, а в ряде случаев и невозможность, сварки.

Правила Ростехнадзора РФ регламентируют использование чугунных отливок по температуре и давлению.

В химическом машино- и аппаратостроении наибольшее применение получили следующие виды чугунов.

Серый чугун (ГОСТ 1412-85) марок СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ20, СЧ 21, СЧ 30 и СЧ35.

Из чугуна СЧ 10 изготовляют корпусные и недогруженные детали простой конфигурации, а из чугуна остальных марок – ответственные корпусы и детали сложной конфигурации, работающие в слабоагрессивных

17

средах. При расчете деталей на растяжение коэффициент запаса прочности для серого чугуна принимают 6...8.

Щелочестойкие чугуны СЧ Щ1 и СЧ Щ2 применяют для изготовления корпусов, деталей и узлов машин и аппаратов, работающих в водных растворах щелочей NaOH и КОН при давлении до 1 МПа и температуре

+15...+300 °С.

Ферросилиды С15, С17 и антихлор МФ 15 применяют для изготовления корпусов, деталей и узлов простой конфигурации для работы с сильноагрессивными средами (растворами солей, азотной и серной кислотами) при давлении до 0,25 МПа и температуре 0...+700 °С. При разработке конструкции следует учитывать, что кремнистые чугуны очень хрупкие, чувствительные к колебаниям температуры и трудно обрабатываются резанием. Поэтому изделия из них получают отливкой, предусматривая плавные переходы. Ферросилиды широко применяют при изготовлении арматуры.

Следует иметь в виду, что ферросилиды легко коррозируют под воздействием соляной кислоты, крепких щелочей и фтористых соединений.

Жаростойкий и коррозионно-стойкий чугун ЧН15Д7Х2 применяют при изготовлении узлов и деталей, работающих при температуре +100...+600 °С и агрессивных средах.

2.3. Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий и сплавы на его основе нашли широкое применение для изготовления тепло- и массообменной и емкостной аппаратуры, труб, трубопроводной арматуры благодаря своим физико-механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам. Алюминий и его сплавы по плотности почти в 3 раза легче стали или чугуна, обладают высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью, хорошо свариваются в инертной атмосфере аргона, удовлетворительно обрабатываются резанием. Кроме того, они обладают высокой коррозионной стойкостью в целом ряде агрессивных сред, благодаря образованию на поверхности тонкой оксидной пленки.

Алюминий высокой технической чистоты марок А995, Л99...А95, А8...А5 обладает высокой коррозионной стойкостью, но имеет ограниченное применение для изготовления корпусных деталей, элементов тепломассообменной и емкостной аппаратуры из-за низких механических характеристик.

Легирование алюминия такими элементами, как Сu, Mn, Mg. Ni, Si, Fe и другими позволяет получить большое число сплавов с более высокими физико-механическими свойствами, чем чистый алюминий. Поэтому сплавы на основе алюминия нашли широкое распространение при конструировании химического оборудования. В основном в химическом

18

машино- и аппаратостроении применяются деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Деформируемые сплавы применяют для изготовления деталей и элементов оборудования, получаемых обработкой давлением различных полуфабрикатов (листов, прутков, труб и т. д.). Наибольшее распространение получили следующие марки деформируемых алюминиевых сплавов: АД0, АД00, АД00Е, АД000, АД0Е, АД, АД1, Амц, Амг2...Амг6, не упрочняемые термообработкой, и сплавы марок Д1, Д16, ВД17, упрочняемые термообработкой.

Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления деталей и элементов химического оборудования, работающих при повышенных температурах, действии больших ударных и статических нагрузок, корпусных деталей. Для фасонного литья наибольшее распространение получили следующие марки сплавов: АЛ2-АЛ9 (до +250 °С); АЛ20, АЛ33,

АЛ34 (до +350 °С).

2.4. Медь и ее сплавы

Технически чистая медь применяется в основном в электротехнической промышленности. Для изготовления химической аппаратуры в отдельных случаях находит ограниченное применение технически чистая отожженная медь марок М2 и М3 с содержанием соответственно 99,7 и 99,5 % меди. Особенностью меди как конструкционного материала является отсутствие надежных защитных оксидных пленок, обеспечивающих химическую стойкость в большинстве кислот и солей. Многие газы (сероводород, диоксид углерода, пары серы, галоиды, аммиак, сернистый ангидрид) разрушают медь. При низких температурах прочность меди возрастает, при этом сохраняется высокая ударная вязкость. Эти особенности делают ее незаменимым конструкционным материалом для криогенной аппаратуры. Из меди изготавливают также спиртовые ректификационные колонны и кубы-испарители.

Для улучшения свойств меди как конструкционного материала ее легируют различными элементами, получая сплавы на основе меди. В качестве легирующих элементов используют цинк, олово, алюминий, никель, железо, кремний, марганец и др., за счет чего существенно улучшаются механические и технологические свойства получаемых сплавов. По химическому составу сплавы на основе меди подразделяются на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.

Латуни – сплавы на основе меди с цинком, обозначаются первой буквой «Л». Латуни, содержащие в сплаве, кроме меди, до 38 % цинка называются простыми. При содержании цинка до 10 % простые латуни называются томпаками. Латуни, содержащие кроме цинка другие легиру-

19

ющие элементы, называются сложными. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 расшифровывается как железомарганцевая латунь. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью и коррозионной стойкостью. Они хорошо поддаются литью, обработке давлением и механическому резанию. По технологическому назначению латуни подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные. Из латуней, обрабатываемых давлением, марок Л70, Л60, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2, изготавливают полуфабрикаты и элементы оборудования, такие, как листы, ленты, полосы, трубы теплообменников, проволоку, поковки, сильфоны, подшипники скольжения, элементы трубопроводной арматуры. Из различных марок литейной латуни – ЛЦ40С, ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ40Мц3А, ЛЦ30А3, ЛЦ23А6Ж3Мц2,

ЛЦ16К4 изготавливают детали трубопроводной арматуры, выдерживающие нагрев до 250 °С, элементы аппаратов, работающих в морской воде, малонагруженные подшипники скольжения, венцы шестерен, детали баббитовых подшипников, элементы криогенной аппаратуры.

Бронзы – сплавы на основе меди с оловом, в которых в качестве легирующих добавок применяются Al, Pb, Si, Be, Sn, Тi, Ni и другие элементы. Бронзы маркируются буквами «Бр», остальные обозначения аналогичны маркировке латуней.

В химической технике находят применение безоловянные, оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремниевые, свинцовые и марганцевые бронзы.

Из безоловянных литейных бронз марок БрА9Мц2, БрА9Ж3Л, БрА10Ж4Н4Л, БрА9Ж4Н4Мц2, БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 изготавливают антифрикционные детали и арматуру для пара, воды и нефтепродуктов, работающих при температурах до 250 °С.

Более дорогие оловянные литейные бронзы марок БрО3Ц12С5, Бр04Ц7С5, Бр06ЦбС3, Бр010Ф1, Бр010С10 используются при изготовлении арматуры, антифрикционных деталей, вкладышей подшипников, венцов шестерен, шнековых приводов, нагруженных подшипников скольжения, элементов винтовых мешалок.

Кремниевые бронзы марок БрКМц3, БрКН1-3 являются коррозион- но-стойкими и жаропрочными материалами, применяемыми для изготовления деталей химических аппаратов, пружин, антифрикционных деталей, направляющих втулок штоков и пр.

Свинцовые бронзы марок БрС30, БрСН60-2,5 отличаются высокими антифрикционными свойствами и применяются для изготовления методом литья высоконагруженных подшипников скольжения, направляющих втулок и других деталей, работающих в парах трения скольжения.

Марганцевая бронза марки БрМц5 является пластичным сплавом, обладающим достаточной коррозионной стойкостью и теплостойкостью. Из нее изготавливаются детали и сборочные единицы химической аппаратуры, работающие в условиях нагрева.

20