Компании в категории: Химическое оборудование (9)

Назначение и условия работы

Химическое оборудование предназначено для осуществления физико-химических 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.

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 большинстве 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.

Внутренний сосуд изготовлен из алюминия марки АД1. Этот сосуд является реакционным, вступающим в непосредственное соприкосновение 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.) , 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 при изготовлении химического оборудования на заводе

Вопрос о материале во многих случаях является дискуссионным, хотя имеются сложившиеся тенденции и существуют готовые рекомендации 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 ВМСт3кп + 12Х18Н10Т. Металлургическая промышленность выпускает также ряд марок сталей с малым содержанием никеля, 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 щва. 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, МЗ (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 JI63 применяются для тех же изделий, но в интервале температур -196 - + 120^э С.

Для аппаратов с высокоагрессивными средами при изготовлении обечаек, днищ, фланцев, трубных решеток и других деталей применяют как технически чистый титан BTI-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 футеровки 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% Ni. 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.

Характерные конструкции химического оборудования

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 плитками, природными кислотоупорами, полиизобутиленом), 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 систематизированы в каталогах, которыми руководствуются при конструировании. При конструировании необходимо стремиться к применению, типовой нормализованной аппаратуры. Отступления должны быть согласованы с заводом-изготовителем оборудования.

Аппаратуру емкостного типа с внутренними устройствами и без них выполняют в виде однослойных или многослойных 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.

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.

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

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

Требования к сварным соединениям весьма высокие, главным образом к плотности, так как заполненное аэрогелем межстенное пространство вакуумируется до остаточного давления 10^-3- 10^-4 мм рт. ст.

Емкость цистерн автотранспорта достигает 23000 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, 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» и теплообменники кожухотрубчатого типа. 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 химических аппаратов дифференцируется по тем элементам, которые компонуют конструкцию. 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.

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.

Контроль качества при изготовлении химического оборудования на заводе

На сварку листовых и оболочковых конструкций химического аппаратостроения распространяется отраслевая нормаль ОН-26-01-71-68. Нормаль регламентирует конструктивные элементы подготовки кромок различных типов сварных соединений из углеродистой, низколегированной, высоколегированной, коррозионностойкой и двуслойной сталей, алюминия и его сплавов, меди, латуни, никеля и титана, задает рекомендуемую технологию различных способов сварки и соответствующие присадочные металлы, электроды, флюсы, инертные газы и пр. Параметры сварки, рекомендуемые нормалью, геометрические и физические величины, определяющие качественное протекание процесса, подлежат контролю как перед сваркой, так и в процессе сварки. Все 100% длины стыков проверяют непосредственно перед сваркой на соответствие качества подготовки кромок рекомендациям нормали. При этом никаких отклонений от рекомендаций не допускается. Присадочные материалы и электроды должны отвечать требованиям, установленным нормалью. Замена их не допускается.

Большое значение придают контролю в процессе сварки. При сварке аппаратов высокого давления, особо ответственных трубных стыков рекомендуется непрерывная регистрация на диаграммах параметров режима сварки, а также текущий отбор проб для проверки установленных параметров.

Для контроля качества сварных соединений аппаратуры емкостного типа, работающей под давлением, применяют различные методы, основными из которых являются 100%-ный визуальный осмотр швов, выборочный контроль рентгенопросвечиванием и ультразвуком. Готовые изделия проходят испытания внутренним давлением, превышающим в 1,2-1,5 раза рабочее, а также проверку герметичности. Ультразвуковой контроль может быть использован не только для выявления дефектов, но и для контроля толщины антикоррозионного слоя, нанесенного сваркой. При этом используют раздельно-совмещенный искатель, устанавливаемый со стороны основного материала. Он позволяет получать на экране два сигнала, отраженные от наружной поверхности и границы раздела. При толщине наплавленного слоя более 0,5 мм точность определения составляет ±1 %.