- •Глава 1. Введение в проектирование ………………………... 7
- •Глава 2. Основные этапы и стадии проектирования …….
- •Глава 3. Конструирование химических реакторов и выбор
- •Глава 4. Конструкционные материалы в химическом ма-
- •Глава 5. Технологические трубопроводы и арматура ……..
- •Глава 1.
- •1.1. Положения Единой системы конструкторской
- •1.2. Виды конструкторской документации
- •1.3. Направления проектирования химических производств
- •Глава 2.
- •2.1. Виды проектов и стадии проектирования
- •2.2. Предпроектная разработка
- •2.3. Порядок разработки проектов
- •2.4. Методы проектирования
- •2.5. Системы автоматизированного проектирования
- •2.6. Проектирование генерального плана
- •Глава 3.
- •3.1. Назначения и основные требования, предъявляемые к
- •3.2. Классификация оборудования производств
- •3.3. Технологический расчёт основной и вспомогательной
- •3.4. Элементы механического расчёта основных узлов
- •3.5. Методы контроля и испытания аппаратов
- •3.6. Техническое обслуживание и ремонт химических установок
- •3.7. Монтаж химической аппаратуры
- •Глава 4.
- •4.1. Требования, предъявляемые к конструкционным
- •4.2. Сталь
- •4.3. Чугун
- •4.4. Цветные металлы и сплавы
- •4.5. Неметаллические конструкционные и обкладочные
- •4.6. Прокладочные и набивочные материалы
- •4.7. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы
- •4.8. Коррозионное разрушение химического оборудования
- •4.9. Способы защиты оборудования от коррозии
- •Глава 5.
- •5.1. Классификация трубопроводов
- •5.2. Назначение и основные виды трубопроводной арматуры
- •5.3. Выбор арматуры
4.3. Чугун
Низкая стоимость чугунов наряду с удовлетворительными
механическими свойствами обеспечила широкое применение их в
технике как конструкционного материала. Чугуны хорошо под-
даются обработке резанием, но не обладают пластичностью.
Промышленность выпускает 10 марок серого чугуна (от
СЧ10 до СЧ45). Цифра после букв указывает среднее значение
прочности при растяжении в десятках мегапаскалей (ГОСТ 1412-
79).
Для изготовления химической аппаратуры серые чугуны ис-
пользуют ограниченно. Они работают при температуре до 250ÉС
и давлении не более 0,6-0,8 МПа. Химическая стойкость их до-
вольно низкая.
Чугуны СЧ21 и более высоких марок можно использовать
для изготовления деталей, подверженных действию знакопере-
менных нагрузок (например, поршни насосов и компрессоров),
чугуны низких марок – для менее ответственных деталей.
Для изготовления аппаратов, работающих со щелочными
растворами и расплавами, выпускают серый щелочеустойчивый
чугун двух марок (СЧЩ-1, СЧЩ-2), легированный хромом (0,4–
73
0,8 %) и никелем (0,5–1,0 %). Эти чугуны успешно используют в
производстве твердого едкого натра.
Для изготовления аппаратов и труб, подверженных воздей-
ствию азотной и соляной кислот, применяют высококремнистые
чугуны, содержащие 15–17 % кремния (ферросилициды С-15, С-
17 и «антихлор²). Антихлор МФ-15 содержит 15 % Si и 4 % Мо.
Он устойчив к действию горячей концентрированной соляной
кислоты. Однако эти материалы очень хрупки, поддаются обра-
ботке только абразивными материалами, очень чувствительны к
перепадам температур. Поэтому их используют ограниченно.
4.4. Цветные металлы и сплавы
Наибольшее распространение в химической промышленно-
сти находят алюминий, медь, свинец и титан.
Алюминий ввиду образования в окислительной среде на
своей поверхности прочной оксидной пленки наиболее широко
применяют в производстве азотной кислоты. Из него изготовля-
ют почти всю аппаратуру для производства, хранения и транс-
портировки концентрированной кислоты. Сюда относятся отбе-
лочные колонны, поглотительные башни, холодильники, цистер-
ны и другое оборудование.
Алюминий стоек к концентрированной азотной кислоте, но
не стоек к действию щелочных растворов и разбавленных кислот.
Согласно ГОСТ 11069-74 алюминий выпускают 11 марок: от
А0 чистотой 99,0 % до А999 чистотой 99,9999 %. Для изготовления
химического оборудования используют алюминий марки А7, А6,
А5 и А0 чистотой соответственно 99,7; 99,6; 99,5 и 99,0 %.
Положительными свойствами алюминия являются его высо-
кая теплопроводность (в 4,5 раза выше, чем у стали), малая плот-
ность и высокая пластичность, обеспечивающая хорошую прока-
тываемость и способность штамповаться. Но он обладает низки-
ми литейными качествами, плохо обрабатывается резанием и
имеет малую прочность.
Для упрочнения алюминий модифицируют добавкой меди и
магния (дуралюмины). Прочность дуралюминов в 4–5 раз выше,
чем у немодифицированного металла, но коррозионное сопротив-
ление ниже, так как стойкость оксидной пленки (Аl2О3) при этом
74
понижается. Для повышения коррозионной стойкости на листы
дуралюмина при прокате наносят с двух сторон плакирующий
слой чистого алюминия так, чтобы толщина его составляла 3–5 %
от толщины основного листа. Температура в аппаратах, изготов-
ленных из алюминия, должна быть не выше 200 ÉС, а давление не
более 0,6 МПа. Сварку алюминия проводят в атмосфере аргона и
гелия.
Весьма ценным конструкционным материалом для создания
химической аппаратуры является медь. Её выпускают 6-ти марок:
от М00 (99,99 %) до М4 (99,0 %) по ГОСТ 859-78. Для кон-
струирования химического оборудования применяют медь марок
М2 (99,7 %) и МЗ (99,5 %). Важная характеристика меди – мак-
симальная среди конструкционных материалов теплопровод-
ность.
Медь не образует прочных защитных оксидных пленок, по-
этому не устойчива к воздействию кислот-окислителей. В раство-
рах щелочей и аммиака, соляной кислоты она достаточно стойка
при отсутствии других окислителей и контакта, в частности, с
воздухом. Разрушение аппаратуры из меди в указанных средах
будет происходить при образовании оксидов Сu2О и СuО, кото-
рые затем будут переводиться в растворимые соединения Н+-
ионами, аммиаком и другими комплексообразова-телями.
Ценное свойство меди – это способность сохранять проч-
ность, теплопроводность и ударную вязкость при низких темпе-
ратурах, что делает её незаменимым материалом для изготовле-
ния аппаратов глубокого холода и теплообменной аппаратуры.
Изделия из меди могут эксплуатироваться в интервале темпера-
тур Ò250 ÉС.
Основными способами неразъемного соединения частей ап-
паратуры из меди служат клепки, сварка и иногда пайка. Сварку
проводят в среде аргона.
В химическом машиностроении используют также сплавы
меди – латунь и бронзу. Латунями называют сплавы меди с цин-
ком, а бронзами – сплавы меди с оловом или другими металлами.
Эти сплавы легируют и другими элементами (алюминием, желе-
зом, марганцем, никелем).
Обозначение сплавов меди расшифровывают следующим
образом. Буквы Л и Бр означают соответственно латунь и бронзу.
75
Следующие за ними буквы указывают на содержание в сплаве
компонентов, которые обозначаются соответствующими началь-
ными русскими буквами: А – алюминий, Мц – марганец, О – оло-
во, Ж – железо, Ц – цинк, Н – никель, Б – бериллий, Ф – фосфор и
т. Д. Цифры показывают процентное содержание соответствую-
щего металла в сплаве. Например, ЛАН59-3-2 – латунь, содер-
жащая 59 % меди, 3 % алюминия, 2 % никеля и остальное – цинк;
БрЛЖ9-4 – алюминиевожелезная бронза, содержащая 9 % алю-
миния и 4 % железа, остальное – медь.
Коррозионная стойкость латуней в ряде случаев более высо-
кая, чем у меди. Для изготовления теплообменной аппаратуры и
аппаратов глубокого холода (например, для разделения воздуха}
наибольшее применение находят латуни Л68 и Л62.
Бронзы обладают хорошими прочностными и антифрикци-
онными показателями. Они могут работать в условиях сильного
эрозионного износа. Например, бронзы БрОЦЮ-2; БрАЖ9-4;
БрАЖМцЮ-3-15 и некоторые другие используют для изготовле-
ния червячных колес, сальников, деталей центробежных насосов,
арматуры и т. п. Добавление в бронзы свинца улучшает ее анти-
фрикционные свойства. Поэтому БрОСП5-5-5 и БрОС8-12 широ-
ко применяют для изготовления подшипников скольжения.
Свинец в свое время играл важную роль в аппаратострое-
нии. Его высокая устойчивость к серной кислоте (ниже 80 %) и
растворам сульфатов, объясняемая образованием защитной плен-
ки из PbSO4, обеспечивали ему применение в аппаратуре серно-
кислотных заводов. Однако его мягкость, высокая плотность и
дороговизна заставляют в настоящее время ограничить его ис-
пользование и применять другие конструкционные материалы.
Титан – это один из перспективных металлов для изготовле-
ния химической аппаратуры. Его выпускают следующих марок:
ВТ1-00 (99,53 %), ВТ1-0 (99,48 %) и ВТ1-1 (99,44 %). Он химиче-
ски стоек к кипящей азотной кислоте, но при концентрации кис-
лоты 98 % происходит его возгорание, сопровождающееся взры-
вом. Титан стоек к растворам нитратов, хлоридов, карбамида во
влажном хлоре, но разрушается в серной, соляной, плавиковой и
фосфорной кислотах, в щелочах, в азотной кислоте, содержащей
оксиды азота. Его целесообразно применять в средах, в которых
легированные стали подвергаются точечной коррозии или прояв-
76
ляют склонность к межкристаллитной коррозии.
Из-за дороговизны титан большей частью используют в ка-
честве плакирующего материала с толщиной листа 0,5-3 мм.
Стоимость оборудования, футерованного листовым титаном,
примерно в 3 раза превышает стоимость таких же аппаратов, из-
готовленных из хромникелевой стали. Однако высокая стоимость
окупается низкими затратами на ремонт, долговечностью обору-
дования и сокращением простоев из-за неисправностей. Титано-
вая запорная арматура служит в 5–10 раз дольше, чем стальная,
облицованная резиной, пластмассами и эмалью. Применяемые в
производстве хлора теплообменники из титана намного дешевле
стеклянных и занимают в 8 раз меньшую площадь.
Титан – незаменимый конструкционный материал в произ-
водстве хлоридов кальция и аммония методом выпаривания. Вы-
парные аппараты, изготовленные из легированной стали, в про-
изводстве хлорида кальция требуют капитального ремонта через
3-4 месяца, а титановые аппараты работают в течение 3–4 лет.
В последнее время в качестве конструкционных материалов
начинают использовать сплавы титана и циркония с танталом.
Сплав титан-тантал обладает высокой антикоррозионной стой-
костью, приближаясь в этом отношении к платине. Напри-
мер, сплав, содержащий 50 % тантала, стоек к горячим концен-
трированным растворам серной, фосфорной и соляной кислот.
Никель и его сплавы широко применяют в химическом ма-
шиностроении. Из них делают котлы, тигли, трубы и емкости,
особенно в производстве реактивов. Как высококоррозионно-
стойкие в химическом аппаратостроении используют сплавы ни-
келя с молибденом, например сплав марки Н70МФ, а также с
хромом и молибденом, например ХН65МВ.
Цирконий применяют главным образом для изготовления
аппаратуры, соприкасающейся со смесями кислот и щелочей при
переменном значении рН. Сплав циркония, содержащий 60 %
тантала, не подвергается точечной коррозии. Его можно приме-
нять в любых растворах соляной кислоты. Скорость коррозии
этого сплава в 36%-й соляной кислоте при 60 ÉС не превышает
0,01 мм/год. Однако следует добавить, что все сплавы, содержа-
щие тантал, имеют высокую стоимость.
Ниобий стоек к действию основных минеральных кислот и
77
«царской водки², но разрушается в растворе HF, горячей H2SO4 и
расплавах щелочей. Из-за образования пассивных пленок при-
меним в производстве концентрированной HNO3.
Различные металлы и сплавы получили неодинаковое рас-
пространение в химическом машиностроении. Наибольшее при-
менение для изготовления аппаратов в технологии неорганиче-
ских веществ, находят высоколегированные и углеродистые ста-
ли, что обусловленно в значительной степени их большей дос-
тупностью.