НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ

Химические аппараты предназначены для осуществления физико­химических процессов (химические реакции, теплообмен без изме­нения агрегатного состояния, испарение, конденсация, кристалли­зация, растворение, выпарка, адсорбция, абсорбция и т. д.). К хи­мическим аппаратам относят и емкости для хранения различных жидких, твердых и газообразных веществ [5].

При проектировании конструкций химического машиностроения необходимо прежде всего учитывать особые условия работы мате­риала и сварных соединений, характеризуемые широким диапазо­ном давлений, большим пределом рабочих температур от —254 до + 1000° С при агрессивном воздействии среды. Высокие ^эксплуата­ционные напряжения часто меняются в процессе работы конструкций не только по величине, но и по знаку; температурные условия эксплуатации конструкций могут быстро изменяться по времени и быть резко переменными в пределах одной сплошной конструкции, что всегда вызывает дополнительные напряжения, особенно опасные в местах расположения сварных швов; агрессивные коррозионные среды могут приводить к межкристаллитной коррозии, вызывать ускоренную коррозию в зонах концентрации сварных соединений и преждевременный выход конструкций из строя. Поэтому в химиче­ском аппаратостроении наряду с требованиями высокой коррозион­ной стойкости к конструкционным материалам и сварке предъяв­ляют требования высокой механической прочности, жаропрочности и жаростойкости.

Конструкцию аппарата разрабатывают исходя из основных технических требований, предъявляемых к нему, и условий его эксплуатации. К техническим требованиям относят: назначение и среду; производительность, емкость и поверхность теплообмена; давление и температуру; надежность и безопасность. Конструиро­вание следует начинать с выбора материала, отвечающего основным условиям технологического процесса, протекающего в аппарате и характеризуемого средой, давлением, температурой. Среда в боль­
шинстве случаев требует решения вопроса о защите внутренней рабочей поверхности аппарата.

Рабочая температура может рассматриваться как фактор уси­ления агрессивного воздействия среды. Поэтому в технических условиях на проектирование, исходя из условий работы, должны быть указаны основные варианты обеспечения долговечности аппарата при эксплуатации в ра­бочем режиме. В качест­ве таких вариантов мо­гут* быть применены многослойные сосуды.

Например, для защиты от коррозии несущего корпуса автоклава из стали 22К внутри аппа­рата могут быть разме­щены защитные сосуды, так, как это показано на рис. 1.

Внутренний. сосуд из­готовлен из алюминия марки АД1. Этот сосуд является реакционным, вступающим в непосред­ственное сопрпкоснове-

Рис. 1. Конструкция много­слойного сварного автоклава для концентрирования азот­ной кислоты:

1 — несущий корпус и крышка из стали 22 К; 2 — промежуточ­ный сосуд из алюминия марки ABO; 3 — реакционный сосуд и прокладка из алюминия мар­ки АД1

ние с агрессивной средой. Промежуточный сосуд из алюминия марки АВО предназначен для защиты стального корпуса в случае нарушения герметичности реакционного сосуда. Таким образом, в конструкции рационально сочетаются решения, отвечающие усло­виям ее эксплуатации, — прочный корпус и его коррозионная защита.

Независимо от вида и типа химических аппаратов многие узлы и детали в них являются общими: обечайки, днища, рубашки, укрепления отверстий в стенках, трубы, обтюрация, фланцевые и
другие соединения, крышки, трубные решетки, компенсаторы, штуцера, вводы и выводы труб, люки, опоры и др. В конечном итоге оформление конструкции любого химического аппарата сводится к комбинации трех типов элементов: пластин, оболочек и труб различных диаметров, которые выполняют в большинстве случаев сварными и соединяют между собой также с помощью сварки.

При конструировании химической аппаратуры необходимо ис­пользовать нормализованные и стандартизованные узлы, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации. Особое внимание должно быть уделено соединениям отдельных элементов конструкции. Например, резьбовые, фланцевые и другие разъемные соединения должны быть по возможности исключены и заменены сварными. Следует заметить, что если на изготовление отдельных элементов сварных конструкций имеются нормативы, установленные Госу­дарственными стандартами (например, ГОСТ 9617—67 — на обе­чайки; ГОСТ 6533—68 и др. — на днища; ГОСТ 9400—63 и др. — на трубы; ГОСТ 1235—67, 12821—67* и др. — на фланцы; ГОСТ 12836—67*, 11972—66 и др. — на крышки, заглушки и люки) или отраслевыми нормалями (например ОН 26-01-52—67 — на теплообменники и т. д.) [5], то вопросы, связанные с соединением между собой отдельных узлов аппарата сваркой, требуют в боль­шинстве случаев индивидуального решения.

В технических условиях на проектирование и изготовление должны быть оговорены эксплуатационные нагрузки и среды, габа­риты и емкость аппаратов. В соответствии со средой выбирают защитный конструкционный материал и его толщину. В некоторых случаях, при ограниченном сроке эксплуатации конструкций сосуд может быть изготовлен и без антикоррозионного слоя. При этом учитывают прежде всего целесообразность эксплуатации дорогих сосудов (при наличии внутренней защиты) по сравнению с себе­стоимостью изделия, изготовленного наиболее простыми методами без нанесения внутренней плакировки. Поэтому в технических усло­виях должно быть четкое разграничение изделий по указанным признакам.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Вопрос о материале во многих случаях является дискуссионным, хотя имеются сложившиеся тенденции и существуют готовые реко­мендации [5] для различных условий работы конструкций. Аппара­туру не рекомендуется изготовлять целиком из дефицитных и доро­гостоящих материалов, так как коррозии обычно подвержены лишь внутренняя поверхность аппаратов. Для обеспечения амортизацион­ного срока службы аппарата достаточен слой коррозионностойкого металла толщиной в несколько миллиметров. Поэтому считают 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 нержавеющей стали 12Х18Н10Т применяют двухслойную листовую сталь ВМСтЗкп + 12Х18Н10Т. Металлургическая промышленность выпускает также ряд марок сталей с малым содержанием н-икеля, которые рекомен­дуется применять в химическом аппаратостроении в качестве заме­нителей дефицитных хромоникелевых сталей с 18% Сг и 8% Ni или сталей с большим содержанием никеля.

Многие исследователи указывают на то, что химическую аппара­туру на среднее давление для_некоррозионных сред целесообразно изготовлять из высокопрочных марок низколегированных сталей, применение которых обеспечивает сокращение массы конструкции на 20—30% по сравнению с углеродистыми сталями.

При проектировании сварных сосудов, работающих при низких температурах, следует иметь в виду, что такие металлы, как медь, никель, алюминий, свинец, серебро сохраняют высокую вязкость при снижении температуры испытания до —190° С. Используемые в промышленности алюминиевые сплавы сохраняют удовлетвори­тельную вязкость и пластичность при снижении температуры испы­тания до —260° С.

Алюминиевые сплавы используют в аппаратах для производства кислот.

В этих условиях коррозионная стойкость сварных швов алюми­ния на порядок ниже, чем у основного металла. В производственной практике сварные реакционные сосуды автоклавов, отбелочные колонны и другое оборудование выходят из строя спустя несколько месяцев эксплуатации из-за разрушений сварных соединений, тогда как основной металл мог бы служить еще ряд лет. Основной вид - коррозии — межкристаллитная, причины — наличие примесей, главным образом кремния, и напряженного поля в зонах шва. Одна из причин — выделение эвтектики по границам зерен, которая обладает положительным потенциалом по сравнению с твердым раствором. Поэтому рекомендуется проводить сварку по возможно­сти с высокими скоростями охлаждения, а также применять приса­дочные материалы с такими легирующими элементами, как титан, хром’, цирконий.

Достаточно широкое применение для изготовления внутренних оболочек аппаратов, работающих при низких температурах, находят медь и латунь. ■

Медь техническая марок Ml, М2, М3 (ГОСТ 859—66*) исполь­зуется для изготовления оболочек и труб, работающих в условиях средней агрессивности, и в установках разделения воздуха и других газов методом глубокого охлаждения. Диапазон рабочих темпера­тур 254 + +250° С.

Конструкции из латуни Л63 применяются для тех же изделий, но в интервале температур —196 -*- + 120° С.

Для аппаратов с высокоагрессивными средами при изготовлении обечаек, днищ, фланцев, трубных решеток и других деталей приме­няют как технически чистый титан ВТІ-00, ВТ-0 (АМТУ 388—68), так и титановые сплавы ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-0, ВТ4, ВТ5-1 (АМТУ 388—68). Однако использование этих сравнительно дорогостоящих материалов в качестве конструкционных в большинстве случаев нецелесообразно. Так, например, изготовление реактора целиком из технически чистого титана при толщине стенки 19 мм и диаметре 520 мм не оправдывается последующими эксплуатационными преиму­ществами, заключающимися в основном в увеличении срока службы.

Поэтому титан (так же, как и другие антикоррозионные мате­риалы, например тантал и цирконий) в основном используют в виде тонкого антикоррозионного слоя для футеровкц стальных листов. При соединении таких биметаллических листов возникают большие технологические трудности, связанные с осуществлением качествен­ной сварки. Иногда футерованные титаном аппараты оказываются не более стойкими в агрессивных средах, чем, например, изготов­ленные из сталей с 18% Сг и 8% №. Это связано с тем, что сварные соединения титановых сплавов чрезвычайно, чувствительны к кор­розии под напряжением в особенности при температурах эксплуа­тации более высоких, чем комнатные.

•Поэтому, выбору конструкционного материала всегда должен предшествовать тщательный анализ условий работы аппарата.

Данные по химической стойкости различных материалов в раз­личных агрессивных средах и рекомендации по их применению в конструкциях широко представлены в специальной литературе (см., например [5], с. 272—344).

ХАРАКТЕРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ

Сварная аппаратура из черных и цветных металлов занимает в химическом аппаратостроении ведущее место по объему выпускае­мой продукции и по номенклатуре изделий. К этой наиболее обшир­ной группе химического оборудования можно отнести аппаратуру емкостного типа с внутренними устройствами и без них, самого различного химико-технологического назначения (резервуары, мер­ники, отстойники, монжусы, автоклавы, реакторы, кристаллиза­торы, полимеризаторы), аппаратуру колонного типа (ректифика­ционные и дистилляционные колонны, адсорберы, скрубберы), теплообменную аппаратуру различного типа (теплообменники «труба в трубе», элементные, змеевиковые, кожухотрубчатые, витые, спи­ральные, пластинчатые) и прочую аппаратуру химических произ­водств.

Широко распространена и сварная аппаратура из углеродистой стали, футерованная химически стойкими неметаллическими мате­риалами (керамическими, углеграфитными и стеклянными плит-
систематизированы в каталогах, которыми руководствуются при конструировании [1, 2, 6, 7]. При конструировании необходимо стре­миться к применению типовой нормализованной аппаратуры. Отступления должны быть согласованы с заводом-изготовителем оборудования.

ками, природными кислотоупорами, пол и изобутиленом), покрытая полиэтиленом или полистиролом, а также стальная сварная гумми­рованная и эмалированная аппаратура. Некоторые типовые конструкции сварной и паянной аппаратуры из углеродистых и высоколегированных сталей нормализованы и

Рис. 2. Конструкция горизонтального цельносварного резервуара с эл­липтическим отбортованным днищем

Аппаратуру емкостного типа с внутренними устройствами и без

них выполняют в виде однослойных (рис. 2) или многослойных (рис. 1 и 3) сосудов.

В зависимости от условий работы однослойных сосудов общее очертание как самой конструкции, так и сварных соединений может меняться. Например, для хранения и выдачи нелетучих жидкостей (вода, масло, мазут) при работе без давления (налив) используют резервуары с неотбортованными днищами, с приваркой их к обе­чайке угловыми швами. Если же имеется избыточное давление 0,04—0,16 кгс/мм2 и выше, то соединения выполняют стыко­выми (рис. 2).

Рис. 4. Принципиальная конструктив­ная схема теплообменника типа «труба в трубе»

Изготовление многослойных сосудов диктуется тремя усло­виями, которые определяются эксплуатацией конструкции: на­личием агрессивной среды, повы­шенным рабочим давлением, обеспечением минимального теп­лообмена с окружающей средой.

Многослойные сосуды могут быть составными, как это де­лается, например, в автоклаве (см. рис. 1).

Конструкционная основа со­суда может быть изготовлена также из ленты посредством последовательной намотки 5—10 слоев или из нескольких тонких обечаек, собираемых с некото­рым натягом (см. гл. IX). К многослойным относятся также сосуды, изготовленные из биметалла.

Для хранения и транспорти­ровки жидких газов — авота, кислорода, водорода и других — сварные сосуды выполняют в виде двустенных емкостей, ме­жду которыми располагают теплоизолирующий материал или ваку - умированное пространство. Внутренние оболочки можно изготов­лять из цветных металлов или нержавеющих сталей, внешние — из углеродистой.

Конструкция цистерны для жидкого азота емкостью 32 м8 пока­зана на рис. 3. Внутренний сосуд сварен из сплава АМц, наруж­ный — из стали 20, Внутренний сосуд крепят к наружному цепями. Требования к сварным соединениям весьма высокие, главным обра­зом к плотности, так как заполненное аэрогелем межстенное про-
вакуумируется 10'4 мм рт. ст.

до остаточного давления 103—

странство v4 мм рт

Рис. 5. Кожухотрубчатый тепло­обменник с плавающим компен­сатором

Емкость цистерн автотранспорта достигает 23 ООО л, (США). Применяют сплавы системы алюминий — магний, содержащие 3-,3% Mg. Транспортировочные «тер­мосные» сосуды могут состоять из двух, связанных в отдельных местах однослойных оболочек. Стационарные оболочки целесообразнее изготовлять многослойными.

При производстве синтетического каучука, спирта, пластмасс и других химических продуктов, для осуществ­ления процессов разделения жидких и газообразных сред методами ректи­фикации, дистилляции и абсорбации применяют нормализованную колонную аппаратуру [51, для изготовления ко­торой рекомендуется применять ста­ли СтЗ, 08X13, ЭИ496, 12Х18Н10Т,

12Х17Н13М2Т.

Теплообменная аппаратура выпол­няется из углеродистых, высоколеги­рованных сталей, меди, цветных спла­вов и различных комбинаций материа­лов. Различают два типа теплообмен­ных аппаратов: теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 4) и теплооб­менники кожухотрубчатого типа (рис.

5 и 6). Они, так же как и другие типы химической аппаратуры, нормализо­ваны и систематизированы в справоч­никах и каталогах.

Общее конструктивное оформление химических аппаратов сводится к комбинации пластин, оболочек и труб самых разнообразных сечений и очер­таний. Поэтому расчет прочности и конструктивный расчет химиче - ских, аппаратов дифференцируется по тем элементам, которые компо­нуют конструкцию 11]. Основное же внимание при расчетах следует обратить на характер действующих нагрузок и напряжений, воз­никающих в местах соединения сваркой отдельных деталей и узлов.

Одной из определяющих величин при расчетах на прочность узлов и деталей химических аппаратов, работающих под избыточ­ным давлением, является давление среды в аппарате. Различают: рабочее, расчетное, условное и пробное давления.

Под рабочим понимается избыточное давление, возникающее при нормальном протекании технологического процесса в аппарате.

Расчетным давлением, как правило, является рабочее. Гидро­статическим давлением в аппарате (при наличии в нем жидкости),

где

Рис. 6. Теплообменник с ком­пенсатором, вваренным в кор­пус

если величина его до 5% от расчетного, пренебрегают. Для высоких колонных аппаратов расчетные давления целесо­образно определять по зонам, условно разбив аппарат по высоте на несколько участков. При вакууме в аппарате пос­ледний рассчитывают на внутреннее давление 0,1 кгс/мм2 и на наружное — в зависимости от величины вакуума.

Под условным давлением понимают максимальное избыточное давление сре­ды в аппарате, допускаемое в эксплуа­тации (без учета гидростатического дав­ления столба жидкости) при температуре стенок аппарата 20° С. Условное давле­ние комплектующих и стандартизован­ных узлов и деталей должно быть не менее расчетного давления аппарата.

Пробное или испытательное давле­ние — это давление, на которое подле­жат испытанию на прочность и плотность сосуды и аппараты при изготовлении и периодически — при эксплуатации. Ве­личину испытательного давления опре­деляют по формуле

Ри = Рг УжН)К*

рг — пробное гидравлическое дав­ление, кгс/см2 превышающее расчетное в 1,2—1,6 раза;

Уж — удельный вес испытательной жидкости, кгс/см3 (вода, мас­ло);

Нж — высота столба жидкости, см.

Расчетную температуру при обогревании стенок и других деталей горячими газами с температурой 250 °С и выше или открытыми электронагревателями принимают на 50 °С выше рабочей, в осталь­ных случаях температуру определяют теплотехническим расчетом.

Допустимые напряжения в узлах и деталях при расчете на проч­ность и устойчивость выбирают в зависимости от прочностных характеристик конструкционного материала при расчетной темпе­ратуре. Коэффициенты снижения допустимых напряжений для свар­
ных соединений в зависимости от вида сварного соединения и спо­соба сварки изменяются от 0,55 (никель и его сплавы при односто­ронней сварке) до 0,95 (углеродистые стали при двусторонней сварке встык).

Особенностью расчетов химических аппаратов является также учет химического и механического воздействия среды на материал. Поэтому к номинальной расчетной толщине-детали или элемента дают некоторую прибавку, исходя из расчетного срока службы аппарата 10 лет.

Для материалов с проницаемостью коррозионной среды 0,05— 0,1 мм/год эта прибавка составляет 1 мм. Применение материалов с большей проницаемостью не рекомендуется.

В случае применения защитного покрова, стойкого к заданной среде (антикоррозийный слой биметалла и т. д.), прибавку толщины не дают, но толщину защитного слоя не учитывают в расчете на прочность.