close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

7626

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Федеральное агентство по образованию РФ
Государственное общеобразовательное учреждение высшего
профессионального образования Российской Федерации
Ивановский государственный химико-технологический университет
В.Е. Майзлиш, А.В. Борисов, Г.П. Шапошников
МАТЕРИАЛЫ, КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ ТИПОВОЙ
РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
Учебное пособие
Иваново 2007
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 66.03(075)
Майзлиш В.Е. Материалы, конструктивные узлы типовой реакционной
аппаратуры и вспомогательное оборудование: учеб. пособие / В.Е. Майзлиш,
А.В. Борисов, Г.П. Шапошников, Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново,
2007. – 104 с. ISBN 5-96160233-8
Учебное пособие содержит обобщенные сведения о материалах,
конструктивных узлах реакционной аппаратуры, вспомогательном
оборудовании и рекомендуется для студентов, слушающих лекционный курс
«Основы проектирования и оборудования предприятий органического
синтеза».
Предназначено для студентов 4 и 5 курсов специальности 240100 –
«Химическая технология органических веществ», а также для студентов
заочной формы обучения данной специальности и может быть полезным
специалистам, работающим в области химической технологии органических
веществ.
Табл. 6. Ил. 72. Библиогр.: 10 назв.
Печатается
по
решению
редакционно-издательского
совета
Ивановского государственного химико-технологического университета.
Рецензенты:
ООО «Заволжский химический завод»; доктор химических наук К.В.
Почивалов (Институт химии растворов РАН)
ISBN 5-96160233-8
 Ивановский государственный
химико-технологический
университет, 2007
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современных условиях будущему специалисту в области химической
технологии органических веществ необходимо решать сложные вопросы,
связанные с эксплуатацией технологических процессов и оборудования.
К сожалению, учебное пособие Плановского А.Н., Гуревича Д.А. Аппаратура промышленности полупродуктов и красителей. М.: Госхимиздат,
1961 давно стало раритетом, а более новый учебник Перевалова В.П. и Колдобского Г.И. Основы проектирования и оборудование производств тонкого
органического синтеза. М.: Химия, 1997, на наш взгляд, по объективным
причинам не в полной мере охватывает вопросы, касающиеся материалов,
конструктивных узлов реакционной аппаратуры, вспомогательного оборудования.
Основной целью данного пособия является расширение и систематизация знаний будущих специалистов в области проектирования и оборудования производств органического синтеза.
В первой главе приводятся сведения о конструкционных материалах,
защитных покрытиях, конструктивных узлах реакторов, включая элементы
поверхности теплообмена, гарнитуру и арматуру химических аппаратов.
Во второй главе представлено вспомогательное оборудование для
транспортировки и дозирования твердых, жидких и газообразных продуктов,
разделения неоднородных систем, размельчения, сушки и смешения.
Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов очного и
заочного обучения специальности 240100 «Химическая технология органических веществ» и будет полезно для лучшего усвоения лекционного материала по курсу «Основы проектирования и оборудование предприятий органического синтеза».
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА I
МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ ТИПОВОЙ
РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
1. МАТЕРИАЛЫ ТИПОВОЙ РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
Специфические условия эксплуатации химического оборудования производств органического синтеза, характеризуемые широким диапазоном давлений
и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:
§ высокую химическую и коррозионную стойкость материалов в агрессивных
средах при рабочих параметрах;
§ высокую механическую прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;
§ хорошую свариваемость материалов с обеспечением высоких механических
свойств сварных соединений;
§ низкую стоимость и недефицитность материалов.
Вследствие многообразия перечисленных выше требований при изготовлении химической аппаратуры применяются самые различные материалы.
Основные конструкционные материалы, применяемые для изготовления
аппаратов промышленности органического синтеза, условно делятся на следующие группы:
1. Металлы
- стали
- чугуны;
-сплавы и биметаллы;
-цветные металлы, редкие металлы и сплавы.
2. Неметаллические материалы
- неорганические материалы;
-органические материалы.
Наиболее широкое распространение в качестве материалов для химической аппаратуры получили стали и чугуны. Они обладают высокой механической прочностью, хорошими физическими свойствами (высокая теплопроводность, малая теплоемкость и др.), вполне доступны и достаточно дешевы.
Стали
Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого
не превышает 1-2 %. С увеличением содержания углерода возрастает твердость
стали и уменьшается ее ударная вязкость, т. е. сопротивление ударной нагрузке. При небольшом содержании углерода (0,2 – 0,3 %) обыкновенная литая
сталь обладает известной мягкостью и эластичностью, хорошо куется и сваривается, но слабо закаливается. Сталь, содержащая большие количества углеро4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
да, отличается повышенной твердостью и упругостью, хорошо закаливается и
практически не сваривается.
Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы
и фосфора. Стали по химическому составу делятся на несколько групп:
- углеродистые обыкновенного качества;
- углеродистые конструкционные;
- легированные конструкционные и др.
Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости
от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая
обыкновенная делится на несколько категорий - 1, 2, 3, 4, 5, 6 - чем больше номер,
тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени
раскисления стали всех категорий изготавливают кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Буквами «кп» обозначается кипящая сталь, т. е.
сталь, которая при застывании «кипит», выделяя газы [спокойная сталь (сп)
получается при застывании металлов без выделения газов]. Кипящая сталь
дешевле, легче сваривается, но отличается неоднородностью, склонностью к
старению и обладает меньшей механической прочностью при высоких температурах.
В табл. 1 приведены примеры использования углеродистой стали обыкновенного качества в химическом машиностроении.
Таблица 1
Углеродистая сталь обыкновенная
Сталь
Ст.3пс, Ст.3сп
Ст.3пс5, Ст.3сп5
Ст.5пс, Ст.5сп
Назначение
Несущие элементы сварных и несварных конструкций, работающих при
положительных температурах
Несущие элементы сварных конструкций, работающих при переменных
нагрузках в интервале температур от -30 до +425 °С
Детали клепаных конструкций, трубные решетки, болты, гайки, стержни и
др. детали, работающие при температурах от 0 до 425 °С
Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в
его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.
Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок
Ст.З, Ст.Зкп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1.5
раза при высоком (15÷26 %) относительном удлинении.
Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.
Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп,
08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Такие стали можно разделить на две группы. В I группу входят стали с
нормальным содержанием марганца (до 0.80 %): 05кп, 05, 08кп, 08, 10кп, 10,
15кп, 15, 20кп, 20, 25, 30 и т. д. Цифры в обозначении марки стали соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Так, сталь марки 15 содержит от 0.12 до 0.18 % углерода.
Вторая группа отличается повышенным содержанием марганца (до
1.8 %). В эту группу входят стали марок: 15Г, 20Г, 30Г, 40Г, 50Г, 60Г, 65Г,
10Г2, 15Г2, 20Г2 и др. Цифры перед буквой «Г» соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента, цифры после буквы «Г» - приблизительному содержанию марганца (в %), если оно выше 1 %.
В табл. 2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной
стали в химическом машиностроении.
Таблица 2
Углеродистая сталь конструкционная
Сталь
08кп, 08пс,
08, 10кп,
10пс, 10,
11кп
15кп, 15пс,
15, 20кп,
18кп, 20пс,
20, 25
10Г2
Назначение
Патрубки, днища, испарители, конденсаторы, трубные решетки, трубные пучки,
змеевики и другие детали, работающие под давлением при температурах от -40 до
+425 °С
Патрубки, штуцера, болты, трубные пучки, корпуса аппаратов и другие детали аппаратов в котлотурбостроении и химическом машиностроении, работающие под давлением при температурах от - 40 до + 425 °С, из кипящей стали – от -20 до +425 °С
Патрубки, трубные пучки и решетки, змеевики и штуцера, работающие при температурах до -70 °С под давлением
Для изготовления аппаратуры (автоклавы, фасонные детали) довольно
часто применяют стальное литье. Отливки из углеродистой стали разделяются
на три группы: обыкновенного качества, повышенного качества и особого качества. Отливки разных групп отличаются по содержанию серы и фосфора,
являющихся вредными примесями, которые придают стали хрупкость. Наименьшее количество серы и фосфора содержат отливки III группы. Стальные
отливки каждой группы выпускаются девяти марок (15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л,
40Л, 50Л и 55Л), отличающихся друг от друга по содержанию углерода. Цифры в обозначении марки стали соответствуют среднему содержанию углерода
в сотых долях процента. Например, в стали марки 40Л находится 0.37 - 0.45 %
углерода. Чем выше номер марки, тем больше содержание углерода в стали и
выше ее прочность и твердость.
Стали марок 15Л, 20Л, 25Л и 30Л I группы применяют для изготовления
сосудов, работающих при температуре стенок от -15 до +400 оС и давлении
рабочей среды не более 50 кг/см2. Из сталей марок 15Л, 20Л, 25Л, 30Л II и III
групп изготовляют сосуды, работающие при температуре стенок от -40 до
+450 оС без ограничения предела давления рабочей среды.
Листовую углеродистую сталь выпускают пяти марок. Листовая сталь
Ст.2 и Ст.З предназначается для изготовления сосудов, работающих при тем6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пературе не выше 120 оС и давлении не более 8 ати. Стали марок 15К, 20К и
25К применяются для изготовления сосудов, работающих под давлением до
60 ати при температуре не выше 450 оС.
Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания
им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в
их состав вводят определенные легирующие добавки. Обыкновенная углеродистая сталь с присадкой некоторых цветных металлов (хром, никель, титан и
др.) приобретает повышенную стойкость к коррозионному действию агрессивных агентов. Такая сталь, называемая легированной, или специальной, сталью, выдерживает воздействие растворов некоторых кислот, щелочей и солей,
разъедающих углеродистую сталь. Поэтому легированная сталь находит широкое применение при изготовлении химической аппаратуры. Следует отметить, что в различных средах и при разных температурах устойчивы различные сорта легированных сталей и сплавов.
Для сокращения расхода дорогостоящих цветных и легированных металлов применяют биметаллы, представляющие собой углеродистую сталь, на
которую нанесен слой цветного или легированного металла.
Наиболее распространенные легирующие добавки:
§ хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную
стойкость, термостойкость;
§ никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;
§ вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;
§ молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении,
вязкость, улучшает свариваемость;
§ марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость,
понижает теплопроводность;
§ кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;
§ ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;
§ титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость
стали при высоких (более 800 °С) температурах.
Обычно в состав легированных сталей входят несколько добавок. По
общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три
группы:
- низколегированные — с содержанием добавок до 3 %;
- среднелегированные — с содержанием добавок от 3 до 10 %;
- высоколегированные — с содержанием добавок более 10 %.
Цифры в обозначении марки стали после букв соответствуют среднему
содержанию данного элемента в стали или в сплаве в процентах, например,
Х17 - хромистая сталь, содержащая 17 % хрома. Если стали или сплавы различаются по содержанию углерода, то первая цифра, стоящая перед буквой, обо7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значает содержание углерода в десятых долях процента, например 1Х18Н9Т хромоникелетитановая сталь, содержащая 0.1 % углерода, 18 % хрома, 9 % никеля и менее 1 % титана.
В табл. 3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.
Таблица 3
Легированные конструкционные стали
Сталь
Назначение
Коррозионностойкие стали для применения в слабоагрессивных средах
08Х13, 12Х13 Азотная и хромовая кислоты различной концентрации пpи температуре не более 25 оС. Уксусная кислота концентрации < 5 % при температуре до 25 °С.
Щелочи (аммиак, едкий натр, едкое кали). Соли органические и неорганические при температуре не более 50 оС и концентрации менее 50 %
30Х13, 40Х13 Обладают повышенной твердостью, хорошей коррозионной стойкостью во
влажном воздухе, водопроводной воде, в некоторых органических кислотах,
растворах солей и щелочей, азотной кислоте и хлористом натре при 20 °С
12Х17
Окалиностойкая до 850 °С
10Х14АГ5,
Заменители сталей 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т для оборудования,
10Х14Г14Н4Т, работающего в слабоагрессивных средах, а также изделий, работающих
12Х17Г9АН4 при повышенных температурах до + 400 °С и пониженной температуре до
-196 °С
Коррозионностойкие стали для сред средней агрессивности
08X17Т,
Заменители стали марки 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т для сварных конструк08Х18Т1,
ций, не подвергающихся воздействию ударных нагрузок при температуре
15Х25Т
эксплуатации не ниже -20 °С. Для труб теплообменной аппаратуры. Эксплуатировать в интервале температур 400-700 °С не рекомендуется. Стойкие к действию азотной, фосфорной, лимонной, уксусной, щавелевой кислот разных концентраций при температурах не более 100 °С
08Х22Н6Т,
Заменитель сталей 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Обладает более высокой
08Х18Г8Н2Т
прочностью, чем эти стали, и используется для изготовления сварной аппаратуры, работающей при температуре не выше 300 °С.
12X21Н5Т
Заменитель стали 12Х18Н9Т для сварных и паянных конструкций
12X18Н9Т,
Высокая коррозионная стойкость по отношению к азотной, холодной фос12X18Н 10Т,
форной и органическим кислотам (за исключением уксусной, муравьиной,
12Х18Н12Т
молочной и щавелевой), к растворам многих солей и щелочей, морской воде, влажному воздуху. Неустойчивы в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфорной, кипящих органических кислотах. Обладают удовлетворительной сопротивляемостью к межкристаллитной коррозии
08Х18Н12Б
Обладает более высокой стойкостью, чем сталь 12Х18Н10Т. Например,
сталь устойчива к действию 65 %-й азотной кислоты при температуре не
более 50 °С, к действию концентрированной азотной кислоты при температуре не более 20 оС, к большинству растворов солей органических и неорганических кислот при разных температурах и концентрациях
Х18Н14М2Б,
Используются в производстве формальдегидных смол
1Х18М9Т
Х18Н9Т,
Используются в качестве конструкционного материала в производстве плаХ20Н12М3Т
стмасс
07Х21Г7АН5, Для сварных изделий, работающих при криогенных температурах до
12Х18Н9,
-253 °С
08Х18Н10
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 3
Сталь
Назначение
Коррозионностойкие стали для сред повышенной и высокой агрессивности
04Х18Н10,
Для оборудования и трубопроводов в производстве азотной кислоты и ам0ЗХ18Н11
миачной селитры
08Х18Н10Т,
Для изготовления сварных изделий, работающих в средах высокой агрессив08Х18Н12Т
ности. Применяется как жаростойкая сталь при температуре до 600 °С
I0X17H13M2T, Для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях действия
10Х17Н13М3Т, кипящей фосфорной, серной, 10 %-й уксусной кислоты и в сернокислых сре08Х17Н15М3Т, дах. Сварные корпуса, днища, фланцы и другие детали при температуре от 08Х17Н14М3, 196 до 600 оС под давлением
03Х21Н21М4ГБ
06ХН38МДТ,
Для сварных конструкций, работающих при температурах до 80 °С в условиях
03ХН28МДТ
производства серной кислоты различных концентраций
06ХН28МДТ,
Молочная, муравьиная кислоты при температуре до 20 °С. Едкое кали концен10Х17Н13М2Т трации до 68 % при температуре 120 °С. Азотная кислота концентрации 100 %
при температуре 70 °С. Соляная кислота, сухой йод концентрации до 10 %
при температуре до 20 ° С
Существенное значение для улучшения качества стали имеет химикотермическая обработка, т.е. процесс насыщения поверхности стали различными
элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.
К основным видам химико-термической обработки изделий из стали относятся:
- цементация - процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает
его прочность и твердость;
- азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что повышает
стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;
- алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800÷1000 °С;
- хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно
повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной
кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.
Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей
развивается по двум направлениям: насыщение диффузионного слоя азотом и
упрочнение деталей термоциклической обработкой в процессе насыщения. Основой новых технологических процессов стала нитроцементация со ступенчатым
возрастанием расхода аммиака. Толщина слоя при этом увеличивается до 1 2 мм и более, возрастает его твердость.
Чугуны
Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий более
1,7 % С. По сравнению со сталью чугун более хрупок и имеет меньшую прочность, вследствие чего его не применяют при работе под давлением свыше 6
ати. К недостаткам чугуна относится также ограниченная возможность его
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
механической обработки, поэтому чугун может быть использован только в виде литья.
Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и других металлургических добавок: кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода
в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7 %, при этом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8 ÷ 0,9 % находится в связанном состоянии в виде цементита (карбида железа - FeC). Свободный углерод выделяется
в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре различают:
- чугун серый, в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого
или шаровидного графита;
- чугун белый, в структуре которого углерод выделяется в связанном состоянии;
- чугун отбеленный, в отливках которого внешний слой имеет структуру белого
чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;
- чугун половинчатый, в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.
Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.
Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как,
имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими
свойствами.
Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.
Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует предел прочности на растяжение, второе - предел прочности на изгиб, например, СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.
Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них
не могут работать в агрессивных средах.
Для изготовления аппаратов, применяемых в промышленности органического синтеза, используют различные марки серого чугуна. Так, например,
для изготовления корпусов реакционных аппаратов применяют серый чугун
марок СЧ 15-32 и СЧ 18-36. Чугун марки СЧ 32-52 используется для изготовления реакционных котлов и ответственных литых деталей (вкладыши автоклавов, зубчатые колеса, сальники, втулки, лапы, корпуса вентилей и кранов и
т. д.).
Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна,
изменяя его механические свойства.
Различают ковкий и высокопрочный чугуны. Ковкий чугун (КЧ) отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его
более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3-10 %). По сравнению с серым чугуном ковкий чугун (КЧ 30-6, КЧ 33-8 и т. д.) обладает повышенной прочностью. Ковкий
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чугун выпускается разных марок: Первые две цифры марки обозначают временное сопротивление разрыву, кгс/мм2, последние цифры — относительное удлинение, %.
Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных
тонкостенных деталей.
Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные
чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и др.
По суммарному содержанию легирующих добавок чугуны делят на три
группы:
- низколегированные - легирующих добавок до 3 %;
- среднелегированные - легирующих добавок от 3 до 10 %;
- высоколегированные - легирующих добавок более 10 %.
Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и придать
ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, молибдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5-6 %) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30 % Сr)
устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4 % (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.
Разнообразие выпускаемых марок чугуна дает возможность выбирать
чугуны, наиболее соответствующие конкретным условиям эксплуатации данного аппарата и его деталей. При выборе марки чугуна следует учитывать в
первую очередь условия работы аппарата или его узлов и свойства чугуна различных марок.
Сплавы и биметаллы
Высококремнистый сплав (ферросилид). Железокремнийуглеродистый
сплав, содержащий 14,5 – 18 % кремния, носит название ферросилида. Он обладает повышенной химической стойкостью и применяется для изготовления
аппаратов и деталей, работающих в условиях воздействия азотной, серной, холодной соляной кислот, растворов солей и т. д. Сплав нестоек к действию растворов сернистой кислоты и расплавленных щелочей. По ГОСТ 2233-43 изготовляются две марки отливок из ферросилида: С15 (14,5 – 16 % кремния) и
С17 (16 – 18 % кремния). Ферросилид марки С17 обладает более высокой химической стойкостью.
Недостатком высококремнистого сплава является его хрупкость и большая чувствительность к резким изменениям температуры. Из ферросилида изготовляют царги колонн, котлы, центробежные насосы, трубы, арматуру.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Железокремниймолибденовый сплав (антихлор) содержит около 15 %
кремния, около 3,5 % молибдена и примерно 0,5 % углерода. По сравнению с
ферросилидом он обладает повышенной стойкостью к действию соляной кислоты (устойчив при температуре до 90 оС).
Железокремниймолибденовый сплав может быть использован для изготовления насосов, аппаратов, арматуры. Его недостатками являются относительно трудная обрабатываемость и высокая стоимость.
Щелочестойкий чугун. Выпускаются две марки щелочестойкого чугуна:
СЧЩ-1 и СЧЩ-2. В качестве присадок такой чугун содержит 1,2 – 2 % кремния, 0,4 – 0,8 % хрома, 0,35 – 1 % никеля, а также другие элементы. Он применяется для изготовления аппаратуры, эксплуатируемой в условиях воздействия
водных растворов или расплавов едкого натра и едкого кали. Такой же устойчивостью в этих условиях обладают и природно-легированные елизаветинские
и халиловские чугуны.
Биметаллы. Биметалл представляет собой двухслойный материал, основой которого является относительно дешевая углеродистая сталь, а вторым
(плакирующим) слоем—цветной или легированный металл. Коррозионная
стойкость биметалла определяется свойствами плакирующего металла, непосредственно соприкасающегося с реакционной массой.
Из биметаллических листов изготовляют реакционные котлы, крышки
аппаратов, люки и т. д. В промышленности органических полупродуктов и
красителей для изготовления аппаратов применяют биметаллические листы,
основным слоем которых является углеродистая сталь, а плакирующим—
никель или кислотостойкая сталь.
Двухслойную листовую сталь выпускают толщиной от 8 до 60 мм, при
этом толщина плакирующего слоя составляет 2-7 мм. Применение биметаллов
дает возможность значительно сократить расход дорогостоящих цветных металлов и одновременно обеспечить коррозионную стойкость материалов аппаратуры.
Цветные металлы, редкие металлы и сплавы
Некоторые из цветных металлов, а также редких металлов обладают устойчивостью к действию ряда агрессивных сред. Поэтому они и их сплавы применяют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и
повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются алюминий, медь, никель, свинец, титан, тантал и их сплавы.
Алюминий. Благодаря доступности по сравнению с другими цветными
металлами, а также легкости, достаточной механической прочности и стойкости к воздействию некоторых агрессивных агентов (например, азотной кислоты) алюминий получил довольно широкое распространение в качестве материала химической аппаратуры. Алюминий обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образованием на
его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 до 200 оС значения допускаемого напряжения на растяжение снижаются в 3-3,5 раза, а на
сжатие - в 5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С.
Алюминий не стоек к действию щелочей.
В промышленности тонкого органического синтеза алюминий применяется для изготовления мерников, хранилищ, реакторов, теплообменников и
других аппаратов, работающих без давления и при температуре стенок не выше 150 оС.
Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди
(красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах и поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода.
Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты, относительно устойчива к действию органических кислот. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком,
свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распространенными являются сплавы меди с цинком (латуни), оловом (бронзы), никелем
(ЛАН), железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10 % цинка - томпак; до 20 % полутомпак; более 20 % - константаны, манганины и др.).
Свинец - обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно к
серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из
сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и
большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).
Никель. Вследствие высокой механической прочности и значительной
химической стойкости никель считается одним из лучших материалов химического аппаратостроения. Никель отличается высокой устойчивостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей. Он устойчив к коррозионному
действию большинства органических кислот и растворов солей (азотнокислых,
хлористых, сернокислых).
Обычно из никеля изготовляются особо ответственные аппараты (реакторы, теплообменники, вкладыши и их детали), которые должны обладать высокой химической стойкостью и механической прочностью и, кроме того,
обеспечивать достаточно хороший теплообмен.
Широко применяется в различных отраслях техники главным образом для
получения жаропрочных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими
свойствами и повышенной коррозионной стойкостью.
Никельхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислительных средах. Никель-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих
растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к действию соляной кислоты.
Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской
водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, фосфорной и хромовой кислот, уксусной и муравьиной кислот, разбавленных растворов соляной
кислоты, смеси соляной и азотной кислот при комнатной температуре, к действию растворов хлористого натрия, железа, аммония, магния и других хлоридов при различной концентрации солей и различной температуре, за исключением концентрированного раствора треххлористого алюминия (более 25 %
А1С13) при 100 оС. Разрушается титан в среде серной, концентрированной соляной, щавелевой кислот, особенно при повышенной концентрации и температуре.
Сплав титана с молибденом (30 % Мо) обладает значительной стойкостью в среде соляной, серной, ортофосфорной кислот. При взаимодействии
титана с азотной кислотой наблюдались взрывы, при применении сплава титана с алюминием таких случаев не происходило. Выпускают титан в виде листов и цельнотянутых труб. Его применяют главным образом для облицовки
аппаратов и изготовления деталей центробежных насосов, арматуры. В других
отраслях машиностроения титан используется преимущественно в качестве
жароупорного материала.
Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской
водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к
действию щелочей, олеума, фосфорной кислоты (при температуре выше 145 оС),
соединений фтора, легко адсорбирует водород, что приводит к хрупкости металла. Он применяется при изготовлении испарителей для соляной кислоты, теплообменников, работающих при высокий температуре (порядка 350 оС) и давлении
(60-70 атм).
Цирконий обладает высокой стойкостью к действию разбавленной серной, соляной и азотной кислот при различных температурах, благодаря чему
его начинают применять в химическом машиностроении. Цирконий устойчив
в среде щавелевой и муравьиной кислот, солянокислого анилина, в 10 - 40 %-х
растворах едкого натра и едкого кали. В некоторых случаях этот металл может
заменить даже платину.
Цирконий выпускают в виде листов, лент, труб, проволоки. Его применяют для облицовки аппаратов, изготовления деталей насосов и арматуры. Известны также химически стойкие сплавы циркония: цирколай-1 (2,5 % олова),
цирколай-2 (1,3 – 1,6 % олова, 0,2 – 0,7 % железа, 0,05 – 0,16 % хрома, 0,03 –
0,08 % никеля), цирколай-3 (1,25 % олова и 0,25 % железа). При температуре
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
около 500 °С прочность циркония резко снижается; в этих условиях можно
применять цирконий, легированный некоторыми металлами (присадки Сu, А1,
Nb).
Неметаллические материалы
При изготовлении аппаратов для промышленности тонкого органического синтеза применяются некоторые неметаллические неорганические материалы, например, керамика, фарфор, стекло, кислотоупорный бетон, графит.
Эти материалы обладают высокой химической стойкостью, но плохо поддаются механической обработке и отличаются хрупкостью, низкой термической
стойкостью и, за исключением графита, плохой теплопроводностью (0,8 –
1,0 ккал/м·ч·град), что сильно ограничивает области их применения в качестве
конструкционных материалов.
В химическом аппаратостроении применяются также многие пластические массы, обладающие высокой стойкостью к воздействию кислот и растворов солей и хорошо поддающиеся механической обработке. К недостаткам
пластических масс следует отнести их низкую теплопроводность, а для некоторых из них - узкие пределы температур, при которых они могут применяться.
Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.
Фторопласт (тефлон, политетрафторэтилен) может применяться при
температурах до 300 оС. Элементы конструкций из фторсодержащих полимеров
обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур.
Графитовые материалы. Графит, применяемый в химическом машиностроении, получают путем обжига смеси антрацита или нефтяного кокса с
каменноугольным пеком и антраценовым маслом при температуре около
2500 оС. Графит устойчив к действию большинства химически агрессивных
сред и обладает повышенной теплопроводностью (100 ккал/м·ч·град). Отмечают его нестойкость в концентрированной серной кислоте и в азотной кислоте, имеющей концентрацию выше 10 % HNО3. Графит применяют при изготовлении теплообменной аппаратуры, труб и т. д. Удельный вес графита примерно в четыре раза меньше удельного веса стали, поэтому конструкции из
графитовых материалов значительно легче аналогичных металлических конструкций.
Следует отметить, что материалы на основе графита только условно могут быть отнесены к неорганическим материалам, поскольку графит, отличающийся пористостью, обычно пропитывают композициями на основе феноло-формальдегидных смол.
Графитовые материалы хорошо поддаются механической обработке и
склеиваются (обычно феноло-формальдегидными смолами) с последующей
термообработкой.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко
применяют для изготовления теплообменников и трубопроводной арматуры.
Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в
кислотах - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40 %),
серной (до 50 %), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта
пропитанного графита стойки к действию щелочей.
К числу графитовых материалов относится, например, антегмит (АТМ),
представляющий собой пресспорошок на основе графитовых материалов и
феноло-формальдегидных смол. Он является теплопроводным материалом
(теплопроводность 35 ккал/м2·ч·град), обладающим химической стойкостью к
действию большинства кислых сред и растворов солей. Антегмит марки АТМ1 неустойчив в среде азотной кислоты, щелочей и сильных окислителей. Антегмит марки АТМ-10 не разрушается как в кислых, так и в щелочных средах
и устойчив в некоторых окислительных средах. Повышенной стойкостью к
действию окислительных сред отличается антегмит марки АТМ-1Г. Изделия
из антегмита получают путем прессования в горячих пресс-формах. Из антегмита марки АТМ-1 изготовляют трубы, фасонные части, футеровочные плитки.
Керамика, фарфор, стекло используются для изготовления реакционных аппаратов, колонн, центробежных насосов, труб и арматуры, подвергающихся в процессе эксплуатации действию сильно агрессивных веществ.
Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ.
Фарфор обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением
плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в
качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов
предъявляются повышенные требования.
Керамические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим
агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубопроводы из
кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и
соляной кислот.
Винипласт - продукт термомеханической пластификации поливинилхлорида (при 155 - 163 оС) с добавкой небольших количеств стабилизаторов и
наполнителей. Винипласт стоек к действию растворов солей, разбавленных
щелочей и почти всех кислот за исключением азотной и олеума. Однако он не
устойчив в условиях воздействия ароматических углеводородов.
Винипласт поддается механической обработке, сваривается (в токе горячего воздуха при помощи специального сварочного пистолета, в котором воздух подогревается электрическим током до 200 - 250 оС) и склеивается, сохраняет химическую и достаточную механическую прочность при температурах
не выше 40 - 60 оС.
Выпускаются пленочный и листовой винипласт (толщина листов от 0,2
до 20 мм), а также трубы из винипласта. Винипласт применяется для изготов-
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ления деталей аппаратов и арматуры, которые надежно работают в интервале
температур 0-40 °С и давлении до 0,6 МПа.
Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая
сравнительно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в
интервале температур от -50 до +110 °С.
Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:
- полиэтилен - температура от -60 до +60 оС, давление до 1 МПа;
- полипропилен - температура от -10 до +100 °С, давление до 0.07 МПа.
Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит,
кварцевый песок. Используют при температуре до 140 °С и давлении до 0.06 МПа.
Фаолит стоек к действию многих кислот, в том числе серной (концентрацией до
50 %), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50 %), фосфорной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.
Благодаря сравнительной легкости обработки фаолит применяют для изготовления. самой разнообразной аппаратуры: реакционных котлов, хранилищ, фильтрующей аппаратуры, ректификационных колонн и других аппаратов, в которых перерабатываются вещества! оказывающие сильное коррозионное воздействие на металлы. Фаолит, содержащий в качестве наполнителя
графит, отличается повышенной теплопроводностью. Он пригоден для эксплуатации при температурах от -30 до +130 оС.
Текстолит представляет собой композицию на основе хлопчатобумажной ткани, пропитанной феноло-формальдегидными смолами. Пропитанный
материал подвергается прессованию и термической обработке. По механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам - серной (концентрацией до 30 %), соляной (до 20 %),фосфорной (до 25 %), уксусной (всех концентраций). Верхний
температурный предел применения текстолита 80 °С. Он применяется для изготовления центробежных насосов, мешалок, трубопроводов и арматуры.
Стеклотекстолит аналогичный текстолиту, но изготовленный на основе стеклянного волокна. Стеклотекстолит обладает высокой химической
стойкостью и поддается обработке на станках. Его применяют для изготовления деталей, работающих при высоких механических нагрузках (мешалки, детали насосов).
Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетонирования
днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления
фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900-1200 оС. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол,
которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот,
щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред. Он применяется для изготовления емкостей, башен и кислотохранилищ.
Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил,
который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются
в качестве конструкционных, теплоизоляционных и футеровочных материалов.
2. ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Материалы, применяемые для изготовления химической аппаратуры,
должны обладать химической стойкостью и механической 'точностью. Далеко
не все материалы одновременно удовлетворяют этим двум требованиям. Химически стойкие материалы часто оказываются непригодными вследствие неудовлетворительных механических свойств, и наоборот, некоторые механически прочные материалы непригодны из-за низкой химической стойкости. В
подобных случаях прибегают к комбинированию материалов или нанесению
защитных покрытий. Подвергающуюся коррозии поверхность механически
прочного материала покрывают химически стойким материалом, при этом получается более или менее удовлетворительная комбинация. Такое комбинирование материалов весьма широко используется в технике. Применяемые для
изготовления аппаратуры металлы защищают от коррозии нанесением металлических или неметаллических покрытий.
Металлические покрытия
В промышленности тонкого органического синтеза в качестве защитного
металлического покрытия применяется преимущественно освинцовывание.
Освинцовыванием называют нанесение слоя свинца на металлическую
поверхность, подвергающуюся коррозии. Обычно освинцовывают стальные и
чугунные аппараты, покрывая их слоем свинца толщиной 3 - 6 мм.
Выпускается шесть марок технического свинца – С0, С1, С2, С3, С4 и
С3Су, различающихся по содержанию свинца и примесей. Свинец марки С0
отличается наибольшей чистотой и наименьшим содержанием примесей (не
менее 99,992 % Рb), свинец марки С4 содержит наибольшее количество примесей (не менее 99,6 % Рb). В свинце марки С3Су допускается повышенное
содержание сурьмы (0,4 – 0,8 %). Химическая стойкость свинца тем выше, чем
меньше он содержит примесей, поэтому в химическом аппаратостроении желательно использовать достаточно чистый свинец.
Удовлетворительной химической стойкостью обладает свинец марки С2
(не менее 99,95 % Рb). Его применяют при изготовлении аппаратуры в тех случаях, когда непригодны другие химически стойкие материалы.
Наиболее распространенными способами нанесения свинцовых покрытий являются рольное и гомогенное.
Рольное освинцовывание следует рассматривать как наиболее простой,
но наименее надежный способ выполнения свинцового покрытия. Этот способ
заключается в следующем. Из листового свинца вырезают по заранее подготовленному шаблону нужные детали покрытия. Вырезанные детали размещают в аппарате, подлежащем освинцовыванию, и плотно пригоняют к стенкам
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при помощи деревянных молотков; швы между листами спаивают свинцом.
Таким образом, стенки аппарата плотно покрываются свинцовым «кожухом».
При освинцовывании по этому способу между стенками аппарата и листами свинца остаются воздушные прослойки. Заключенный в них воздух при
нагревании аппарата или создании в нем вакуума расширяется и легко отделяет от стенок всю свинцовую облицовку. Поэтому рольное освинцовывание не
применяют для защиты обогреваемых аппаратов и аппаратов, работающих при
разрежении.
Гомогенное освинцовывание является более дорогим, но более надежным способом покрытия свинцом и применяется для защиты обогреваемых
аппаратов и аппаратов, работающих при вакууме. По этому способу слой
свинца наплавляется на луженую поверхность металла. Освинцовываемая поверхность, предварительно очищенная от ржавчины и грязи, подвергается
травлению соляной кислотой, затем нагревается до температуры плавления
олова. Далее производится лужение. Луженую поверхность нагревают до температуры плавления свинца и наносят на нее металл, расплавленный в пламени водородной горелки.
Помимо вышеуказанных способов освинцовывания, в технике иногда
применяют покрытие распылением (удовлетворительные результаты получаются при толщине слоя свинца не более 1 мм) и электролитическое освинцовывание, заключающееся в выделении свинца из растворов его солей под действием постоянного электрического тока.
Неметаллические неорганические покрытия
К этим видам защитных покрытий относятся торкретирование, эмалирование и футеровка аппаратов.
Торкретирование - защитное покрытие на основе торкрет-растворов, представляющих собой смесь песка, кремнефторида натрия и жидкого стекла. Механизированное пневмонанесение торкрет-растворов на поверхность металла позволяет получить механически прочный защитный слой, обладающий высокой химической стойкостью ко многим агрессивным средам.
Эмалирование - покрытие поверхности чугунных или стальных аппаратов эмалью - применяется в тех случаях, когда через защищаемую от коррозии
поверхность металла необходимо передавать значительные количества тепла.
Эмали представляют собой сплавы кремнезема (55 – 65 %) и окислов некоторых металлов (алюминия, калия, натрия, бора, титана и др.).
Эмалевые покрытия устойчивы к действию большинства органических и
неорганических кислот любой концентрации, растворов солей и холодных щелочных растворов, но не выдерживают воздействия плавиковой кислоты и щелочных растворов при высокой температуре.
Эмалируемую поверхность предварительно очищают от загрязнений и
ржавчины и грунтуют (покрытие поверхности грунт-эмалью). Изделия, покрытые слоем грунтовки, обжигают в печах при температуре 800 - 900 оС, соответ19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ствующей температуре спекания эмали. После обжига приступают к эмалированию, проводимому «мокрым» или «сухим» способом. По «мокрому» способу нанесение эмали производится аналогично нанесению грунт-эмали. По «сухому» способу обожженное после грунтовки изделие быстро вынимают из печи и на слой грунт-эмали наносят при помощи специальных вибрирующих сит
тонко измельченную эмаль. Затем эмалируемое изделие снова помещают в
печь, где оно нагревается до температуры плавления нанесенной эмали. В зависимости от требуемого качества покрытия эмаль наносят в несколько слоев
(3 - 4). После нанесения каждого слоя эмали изделия обжигают, затем медленно охлаждают и проверяют качество нанесенной эмали.
Эмалированное покрытие считается удовлетворительным, если электрическая цепь, состоящая из корпуса эмалированного аппарата, источника постоянного тока, вольтметра и раствора поваренной соли, заполняющего аппарат, не проводит ток напряжением 110 - 120 В. Термическая стойкость эмалевого покрытия тем выше, чем меньше различаются коэффициенты линейного
расширения эмали и металла, на который нанесена эмаль. Различные виды
эмалевых покрытий сохраняют стойкость при температурах от -40 до +300 оС.
Небольшие трещины, обнаруженные в эмалевых покрытиях, могут быть заделаны золотом или танталом. Следует отметить, что чугунная эмалированная
аппаратура обладает несколько большей химической и термической стойкостью, чем стальная эмалированная аппаратура.
Целостность эмали, часто нарушаемая при монтаже и эксплуатации аппаратов, может быть восстановлена при помощи кислотоупорной замазки. Для
этого поврежденный участок эмалевого покрытия тщательно зачищают проволочной щеткой и затем покрывают слоем замазки, состоящей из чистого кварцевого песка (95 %) и кремнефтористого натрия (5 %), замешанных с жидким
стеклом (уд. вес 1,3 г/см3). На 1 ч. жидкого стекла расходуют 2 ч. сухой смеси
песка и кремнефторида. Далее замазку опрыскивают 2 %-й соляной кислотой и
выдерживают в таком состоянии в течение 5 - 6 ч. Полученное таким образом
покрытие может защищать поврежденный участок от коррозии в течение длительной эксплуатации аппарата.
Размеры эмалируемых аппаратов лимитируются размерами существующих обжиговых печей (высота 2.8 м, ширина 2.2 м и длина 3.5 м).
Эмалируемые аппараты и детали должны иметь простую форму, без острых выступов и углублений. Наличие выступов, углублений и штуцеров значительно осложняет эмалирование. Эмалированию могут быть подвергнуты
лишь те участки поверхности аппаратов, которые доступны для осмотра и обработки инструментами.
Футеровка - покрытие поверхности аппаратов, подвергающейся коррозии, химически стойким облицовочным материалом (в большинстве случаев
плитками) - также относится к распространенным способам защиты от коррозии.
По сравнению с гуммированием (см. ниже) этот способ сложнее, приводит к значительному утяжелению аппаратов и ухудшению теплообмена через
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стенки. Однако футеровка может успешно конкурировать с гуммированием и
покрытием поверхности пластмассами в тех случаях, когда защищаемая от
коррозии аппаратура работает при температуре выше 100 оС, а внутренняя поверхность аппарата подвергается истиранию твердыми частицами, содержащимися в реакционной массе.
В качестве облицовочных материалов в настоящее время применяют
метлахские плитки, кислотоупорный кирпич, стеклянные, графитовые, диабазовые плитки, плитки из каменного литья (83 % базальта, 15 % горнблендита и
2 % хромистого железняка). Наиболее распространена футеровка диабазовыми
плитками и плитками из каменного литья. Эти материалы обладают хорошей
химической стойкостью и выдерживают воздействие кислот и щелочей как на
холоду, так и при нагревании.
Плитки прикрепляют к защищаемой поверхности и скрепляют между
собой при помощи специальных замазок, химическая стойкость которых определяет антикоррозионные свойства покрытия в целом. Футеруемая поверхность обычно покрывается плитками в два слоя так, чтобы плитки верхнего
слоя перекрывали швы между плитками нижнего слоя.
Широкое распространение получила диабазовая замазка. Ее готовят на
жидком стекле, к которому в качестве наполнителя добавляют молотый диабаз
и в качестве ускорителя твердения - кремнефтористый натрий. Диабазовая замазка является кислотостойкой, но не выдерживает воздействия щелочей.
Большой интерес представляют замазки типа арзамит. Их готовят смешением
раствора феноло-формальдегидной смолы в бензиловом спирте с тонкоразмолотыми минеральными наполнителями и пара-толуолсульфохлоридом, ускоряющим твердение замазки при комнатной температуре. Замазка арзамит-1
(наполнители - кварцевая мука и кремнезем) обладает кислотостойкостью. Замазка арзамит-2, устойчивая к действию кислот и щелочей, готовится с добавлением глицериндихлоргидрина; наполнителями служат кварцевая мука и сернокислый барий. Замазка арзамит-4 обладает, кроме кислотостойкости, повышенной теплопроводностью и применяется при футеровке аппаратов, в которых должен производиться нагрев или охлаждение реакционной массы. В качестве футеровочного материала для облицовки таких аппаратов служат плитки из теплопроводного материала АТМ-1. Теплопроводность таких плиток
35 ккал/м·ч·град.
Для лучшей защиты аппаратов от коррозии футеровочные работы следует выполнять по подслою, т. е. укладывать облицовочные материалы на поверхность, предварительно освинцованную, гуммированную или покрытую
пластмассой.
Как указывалось, замазки типа арзамит содержат п-толуолсульфохлорид,
обладающий кислотными свойствами. Для предотвращения его вредного воздействия на сталь футеровку с применением таких замазок выполняют по подслою из свинца или полиизобутилена или применяют силикатные замазки при
нанесении первого слоя футеровки, а второй слой укладывают на замазке арзамит. При футеровке поверхностей теплообмена графитовыми плитками на
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
замазке арзамит-4 поверхность аппарата надо предварительно гомогенно освинцевать или тщательно покрыть бакелитовым лаком с последующей термической обработкой.
Покрытия из органических материалов
В качестве защитных покрытий этого типа в химической промышленности применяются гуммирование, покрытие некоторыми пластмассами, а также
лакокрасочные покрытия.
Гуммирование - защитное покрытие на основе резиновых смесей с последующей их вулканизацией. Покрытия обладают эластичностью, вибростойкостью, химической стойкостью, водо- и газонепроницаемостью. Для защиты химического оборудования применяют составы на основе натурального каучука и
синтетического натрий-бутадиенового каучука, мягких резин, полуэбонитов, эбонитов и других материалов.
Гуммирование является распространенным способом защиты аппаратуры от коррозионного воздействия растворов большинства кислот, солей и щелочей. Для гуммирования применяется мягкая резина и эбонит (твердая резина). Мягкую резину получают вулканизацией каучука в присутствии 2 – 5 %
серы, эбонит - вулканизацией каучука в присутствии примерно 30 % серы. По
сравнению с мягкой резиной эбонит обладает большей твердостью и более устойчив к воздействию агрессивных агентов, однако он хрупок и трескается
при резких колебаниях температуры. Стандартные сорта мягкой резины и эбонита нестойки к действию окислителей (азотная кислота, концентрированная
серная кислота, перекись водорода и т. д.) и некоторых растворителей. В
большинстве случаев покрытие гуммированных аппаратов сохраняет стойкость при температуре до 50°.
Поверхность, подлежащую гуммированию, очищают от ржавчины и грязи при помощи пескоструйного аппарата и промывают бензином. На подготовленную таким образом поверхность наносят слой резинового клея (раствор
резиновой смеси в бензине в соотношении 1 : 8 - 1 : 10), назначением которого
является образование промежуточного слоя, обеспечивающего прочное сцепление металла и резины или слоев обкладочной резины. После просушки клея
на поверхность наносят слой сырой резиновой или эбонитовой смеси толщиной 2 - 5 мм, тщательно прикатывают ее деревянными роликами и затем подвергают вулканизации.
Вулканизацию обкладки проводят в специальных котлах, куда помещают гуммируемые аппараты, детали или арматуру и вводят острый пар давлением 3 - 4 ати. Вследствие ограниченного объема вулканизационных котлов
крупные аппараты, подлежащие гуммированию, приходится изготовлять из
нескольких частей, которые гуммируются по отдельности. После вулканизации обкладки производится сборка гуммированных частей на фланцах.
Если гуммируемые аппараты герметично закрываются и выдерживают
соответствующее давление, для вулканизации резиновой обкладки можно по22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
давать пар непосредственно в аппарат. В аппаратуре большой емкости вулканизация покрытия производится открытым способом, без давления, для чего
аппарат заполняют горячей водой или раствором соли, кипящим при температуре выше 100 оС, и нагревают жидкость перегретым паром. Иногда применяется вулканизация под действием горячего воздуха. Следует отметить, что при
открытом способе вулканизации прочность сцепления резины с металлом в 2 4 раза меньше, чем при вулканизации под давлением.
Сложные по конфигурации детали, которые не. удается гуммировать
обычными методами, можно гуммировать путем окунания или покрытия раствором или латексом полихлоропренового каучука, содержащим соответствующие ингредиенты (наполнители, вулканизующие вещества и др.)- Вулканизацию такого покрытия проводят горячим воздухом при 80 - 100 оС.
Аппараты гуммируют в один, два, иногда в три слоя, в зависимости от
назначения аппарата и условий его эксплуатации. Общая толщина защитного
покрытия достигает 6 -7 мм.
К гуммируемой аппаратуре предъявляются некоторые специфические
требования: аппараты и детали должны иметь такую конструкцию, чтобы был
возможен доступ к поверхности, которую обкладывают слоем сырой резины;
острые углы и выступы гуммируемых деталей недопустимы, сварные швы
должны быть тщательно зашлифованы, патрубки и штуцеры должны иметь
возможно меньшую длину.
Винипласт. В химической промышленности в качестве защитного покрытия металлических аппаратов применяется также пленочный винипласт. К
поверхности стенок и деталей аппаратов пленка винипласта приклеивается
специальным клеем (раствор перхлорвиниловой смолы в дихлорэтане или другом растворителе). Винипласт хорошо приклеивается не только к металлам, но
и к бетону, благодаря чему пленочным винипластом футеруют также бетонные кислотохранилища.
Полиизобутилен. Для обкладки аппаратов применяют листовой полиизобутилен марки ПСГ (смесь полиизобутилена с сажей и графитом). Этот материал устойчив к действию растворов кислот, щелочей и солей при температурах до 60 оС. Обклеивание металлических поверхностей полиизобутиленом
производится специальными клеями (например, клеем № 88), образующими
достаточно прочный клеевой шов без нагрева. Это выгодно отличает покрытие
металлических поверхностей листовыми пластиками от гуммирования, при
котором требуется термическая обработка (вулканизация резиновой обкладки).
Стыки листов полиизобутилена склеивают (или сваривают при 150 о
200 С) без применения присадочных материалов. Недостатком полиизобутилена является ползучесть, наблюдаемая даже при небольшая нагрузках.
Асбовинил. Смешением асбеста с 40 – 50 %-м раствором полимеров дивинилцетилена в ксилоле (лак этиноль) получают асбовинил, применяемый
главным образом для защиты металлов и бетона от коррозионного действия
кислых сред - соляной кислоты, серной кислоты (до 75 % Н2SО4), уксусной ки23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
слоты, влажного хлора, а также растворов некоторых солей (хлористого аммония, сернокислого алюминия и др.).
Асбовиниловую массу наносят на защищаемую поверхность слоем толщиной 10 - 14 мм и для отверждения нагревают до 120 - 130 оС в течение
70 - 75 час. Защитные покрытия крупногабаритных аппаратов отверждаются
без нагревания в течение 25 - 30 суток. Существенным недостатком асбовиниловой массы является ее токсичность и огнеопасность (из-за присутствия в ней
ксилола).
Температуростойкость асбовинила находится в пределах от -50 до
о
+110 С, теплопроводность его 0,13 ккал/м·ч·град.
Полиэтилены. Полиэтилены устойчивы к действию кислот, щелочей,
растворов солей. При температуре до 60 оС азотная кислота (менее 30 % НNО3)
не разрушает полиэтилена. К воздействию хлорбензола, толуола, кислорода,
хлора полиэтилен неустойчив. Как известно, полиэтилен изготовляют методами высокого давления и низкого давления. Полиэтилен низкого давления
(средний молекулярный вес 60 000 - 300 000) отличается несколько большей
стойкостью в среде азотной кислоты и органических растворителей по сравнению с полиэтиленом высокого давления (средний молекулярный вес 25 000 50 000). Защитные покрытия из полиэтилена наносят на металлические поверхности методом пламенного напыления. Для этого взвесь порошкообразного полиэтилена в струе воздуха пропускают через пламя воздушноацетиленовой горелки, в котором частицы полиэтилена нагреваются до пластического состояния и в таком виде наносятся на металлическую поверхность, предварительно нагретую до 140 - 160 оС.
Покрытие толщиной 0,5 мм, создающее надежную защиту от коррозии,
получается в результате 10 - 12-кратного напыления.
Лакокрасочные покрытия. Для защиты наружных (а иногда и внутренних) поверхностей аппаратуры и коммуникаций от коррозии широко применяют лакокрасочные покрытия. Представляют собой жидкие или пастообразные
растворы смол (полимеров) в органических растворителях или растительные масла с добавлением к ним тонкодисперсных минеральных или органических пигментов, наполнителей и других специальных веществ. После нанесения на поверхность изделия образуют тонкую (до 100 - 150 мкм) защитную пленку, обладающую ценными физико-химическими свойствами. Лакокрасочные покрытия
для металлов обычно состоят из грунтовочного слоя, обладающего антикоррозионными свойствами, и внешнего слоя - эмалевой краски, препятствующей
проникновению влаги и агрессивных ионов к поверхности металла. С целью
обеспечения хорошего сцепления (адгезии) покрытия с поверхностью ее тщательно
обезжиривают и создают определенную шероховатость, например, гидро- или
дробе- и пескоструйной обработкой.
Лакокрасочные покрытия термостойкие - покрытия способные выдерживать температуру более 100 °С в течение определенного времени без заметного
ухудшения физико-механических и антикоррозионных свойств. В зависимости
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
от природы пленкообразующего компонента различают следующие виды термостойких лакокрасочных покрытий:
- этилцеллюлозные (при 100 °С);
- алкидные на высыхающих маслах (при 120-150 оС);
- фенольно-масляные, полиакриловые, полистирольные (при 200 оС);
- эпоксидные (при 230 - 250 оС);
- поливинилбутиральные (при 250 - 280 оС);
- полисилоксановые, в зависимости от типа смолы (при 350 - 550 оС) и др.
Для получения таких покрытий применяют масляные краски и некоторые виды лаков и эмалей на основе синтетических полимеров.
Масляные краски готовят преимущественно на олифе, способной высыхать на воздухе с образованием пленки, хорошо скрепляющейся с окрашиваемой поверхностью. Вводимые в краски пигменты, как правило, являются минеральными веществами. Масляные краски применяют для защиты аппаратуры и коммуникаций от атмосферной коррозии и от действия кислых паров и
газов, присутствующих иногда в воздухе на химических производствах.
Перхлорвиниловые лаки и эмали получают растворением в органических растворителях перхлорвиниловой смолы, к которой добавляют пластификаторы и пигменты. Покрытия на основе этих лаков и эмалей обладают хорошей стойкостью к действию кислот, щелочей, масел и некоторых растворителей и выдерживают температуру до 100 оС.
Этинолевые лаки готовят на основе полимеров дивинилацетилена. Они
выдерживают действие кислот и щелочей при температуре до 200 оС, но образуют относительно хрупкие пленки.
Бакелитовые лаки представляют собой растворы феноло-формальдегидной смолы в спирте с добавкой минеральных наполнителей (каолин, андезитовая мука и т. д.). Лак наносят в 4 - 5 слоев и каждый слой подвергают термической обработке.
Покрытия бакелитовыми лаками устойчивы к действию растворов кислот и солей, но не обладают стойкостью при воздействии окислителей и растворов щелочей. Существенным недостатком бакелитовых лаков является
хрупкость образуемых ими защитных пленок и относительно слабое сцепление таких пленок с металлом.
Эпоксидные лаки и эмали. Использование лаков и эмалей на основе
эпоксидных смол весьма перспективно. Эти смолы являются продуктами конденсации многоатомных фенолов с эпихлоргидрином или дихлоргидрином.
Эпоксидные покрытия хорошо сцепляются с поверхностью, быстро отверждаются, устойчивы к действию кислот и щелочей и обладают минимальной
пористостью.
Лак на основе каучука получают растворением в ароматических углеводородах хлорированного каучука с добавками смол и высыхающих масел. Защитные пленки, образуемые лаками на основе хлорированного каучука, устойчивы к действию щелочей, растворов солей и минеральных кислот, а также
к действию хлора.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме перечисленных выше лакокрасочных материалов, для защиты
химической аппаратуры от коррозии применяются многие другие химически
стойкие пленкообразующие вещества, изготовляемые в большинстве случаев
на основе синтетических высокополимеров.
Латексные покрытия - на основе водных коллоидных дисперсий каучукоподобных полимеров, предназначенных для создания бесшовного, непроницаемого подслоя под футеровку штучными кислотоупорными изделиями или другими
футеровочными материалами. Латексные покрытия обладают хорошей адгезией
со многими материалами, в том числе и с металлами. Они применяются в производствах фосфорной, плавиковой, кремнефтористоводородной кислот, растворов
фторсодержащих солей при температуре не более 100 °С.
Перед окраской, которая производится с помощью кисти или пульверизатора, покрываемые поверхности должны быть тщательно очищены и высушены, иначе защитное покрытие не будет достаточно прочным. Для повышения прочности защитной пленки краску целесообразно наносить тонкими
слоями в несколько приемов.
3. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АППАРАТУРЫ
Правильно выбранный способ антикоррозионной защиты позволит обеспечить максимальную долговечность защиты химического оборудования в конкретных условиях его эксплуатации.
В настоящее время в результате широких научных исследований и приобретенного промышленностью опыта накоплены разнообразные данные, позволяющие правильно выбирать материалы для химической аппаратуры.
В табл. 4 перечислены наиболее распространенные конструкционные
материалы и защитные покрытия, применяемые при изготовлении аппаратуры
промышленности тонкого органического синтеза. Более подробные сведения
об этих материалах можно найти в специальной литературе.
Таблица 4
Конструкционные материалы и защитные покрытия аппаратуры
промышленности органических полупродуктов и красителей
Конструкционные материалы и защитные
покрытия
Перерабатываемые вещества
Кислоты
Хромоникелевая сталь, хромистая сталь,
эмаль, керамика, стекло, диабаз; при концентрации выше 70 % НNО3 - алюминий
Азотная
Нитрующие смеси (азотная кислота, серная
кислота, вода)
Серная
до 75 % Н2SО4
75 – 100 % Н2SО4
олеум
Сталь, ферросилид, хромоникелевая сталь
Свинец, ферросилид, эмаль, керамика, фарфор, стекло, диабаз; до 50 % Н2SО4 - резина, пластмассы
Сталь, чугун
Сталь
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 4
Конструкционные материалы и защитные
покрытия
Перерабатываемые вещества
Соляная
до 10 % НСl
более 10 % HС1
пары при температуре выше 160 оС
Хлорсульфоновая
Органические сульфокислоты (растворы)
Уксусная, муравьиная, фталевая, малеиновая, щавелевая (растворы)
Щелочи
Едкий натр, едкое кали, водные растворы
аммиака, известковое молоко
Ферросилид, свинец, керамика, фарфор,
стекло, эмаль, диабаз, пластмассы, резина
Эмаль, керамика, фарфор, стекло, диабаз,
пластмассы, резина
Сталь. хромоникелевая сталь
Сталь, чугун
Свинец, эмаль, керамика, фарфор, стекло,
диабаз; до 50% - резина,
пластмассы
Хромоникелевая и хромоникельмолибденовая - стали, ферросилид, эмаль, керамика,
фарфор, стекло, пластмассы; алюминий
(только для уксусной кислоты), резина
(только для уксусной и муравьиной кислот)
Сталь, чугун; для едкого натра и едкого кали
при высоких температурах - щелочеустойчивые чугуны
Растворы минеральных солей
Хлориды натрия, калия, кальция, цинка,
аммония, сульфаты натрия и меди
Карбонат натрия, нитрит натрия, сульфид
натрия, железный купорос
Газы
Свинец, ферросилид, хромоникелевая сталь,
эмаль, резина, пластмассы, керамика фарфор, стекло, диабаз
Сталь, чугун
Сталь; при высоких температурах - хромомолибденовая и хромоникелевая стали
Аммиак
Хлористый водород, сернистый ангидрид,
сероводород
сухие
влажные
Органические вещества
Бензол, толуол, ксилол, нафталин, антрацен, антрахинон, галоидопроизводные,
амины, нитросоединения, спирты (метиловый, этиловый и др.)
Сталь, свинец, чугун
Свинец, резина, пластмассы, керамика, фарфор, стекло
Сталь, чугун
4. КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ
4.1. Элементы поверхности теплообмена вертикальных котлов
Большинство химических процессов протекает с выделением или поглощением тепла. Достаточно часто в реакторе необходимо держать режим,
близкий к изотермическому, поэтому приходится предусматривать теплооб-
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мен между реакционной массой и теплоносителем. Чаще всего теплообмен
происходит через разделяющую теплоносители стенку, т.е. рекуперативно.
Теплообменными поверхностями обычно являются наружные поверхности аппаратов, снабженные рубашками. Если наружные поверхности реакторов недостаточны, то при невысокой вязкости получаемых продуктов внутри
аппаратов устанавливают дополнительные поверхности – змеевики, стаканы.
C точки зрения удобства обслуживания, очистки реактора и простоты
его конструкции предпочтительнее наружные теплообменные элементы (рубашки и приварные элементы). Однако их поверхность теплообмена ограничена наружной поверхностью аппарата. Кроме того, коэффициент теплоотдачи
к наружным теплообменным элементам примерно в два раза ниже, чем к внутреннему змеевику.
Рис. 1. Внешние теплообменные поверхности: а – аппарат с рубашкой;
б – аппарат снабженный змеевиками; в – аппарат со змеевиками залитыми в стенки;
г – аппарат снабженный рубашками с «вмятинами»
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Реакционные аппараты имеют самые различные теплообменные устройства. На рис. 1 приведены примеры внешних теплообменных поверхностей.
Применяются рубашки (а), змеевики приваренные к стенкам котла (1,б)
или залитые в стенки котла (в) (нагревание по Фредеркингу), нагревание трубками Симка, нагревание посредством приваренных полутруб (2,б), железных
приваренных секций, сварных стенок, называемых рубашками с «вмятинами»
(г).
Конструкции теплообменных рубашек зависят от параметров теплоносителей или хладоагентов. При давлениях обогревающей или охлаждающей среды 0,8-0,9 МПа применяются гладкие рубашки, при давлениях до 2,7 МПа –
змеевиковые рубашки, изготовленные из прокатных профилей: труб, уголков и
т.п., а также рубашки со вмятинами и, например, каркасные.
Гладкие рубашки. Такая рубашка по своей конструкции повторяет по форме
обогреваемый реактор (рис. 2). Рубашки выполняются из листовой стали и стандартных стальных выпуклых днищ. Обычно рубашку приваривают на 80-150 мм
ниже соединения с корпусом, но в некоторых случаях, когда коэффициент заполнения аппарата невелик, а обогрев или охлаждение верхней незаполненной
его части нежелательны, рубашку делают небольшой по высоте.
.
Рис. 2. Гладкая рубашка для емкостного аппарата: 1- корпус реактора; 2- крышка реактора; 3 - днище реактора; 4 - корпус рубашки;
5 - днище рубашки; 6 - фланцы
Рис. 3. Конструкция разъемного крепления
рубашки к корпусу аппарата: 1 - корпус реактора; 2 – обечайка рубашки; 3 - фланец реактора; 4 - прокладка; 5 - фланец рубашки
В пространство между корпусом реактора и рубашкой подается теплоноситель. Пар подают в нее через верхний штуцер, а конденсат отводят через нижний. Жидкие теплоносители вводят через нижний штуцер, а выводят через верхний.
Диаметр рубашки обычно принимают на 50-100 мм больше диаметра реактора. Таким образом, зазор между корпусом аппарата и рубашкой колеблется в
пределах от 25 до 150 мм. Зазоры между стенками стараются сделать минимальными, чтобы увеличить скорость теплоносителя. Большие зазоры характерны для
парообразных теплоносителей.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рубашки стальных и чугунных аппаратов выполняются сварными из
листовой стали и стальных выпуклых днищ. К остальным сварным котлам они
крепятся различными методами. Крепление гладких рубашек к корпусу реакторов может быть разъемным и неразъемным.
Разъемное крепление применяют для аппаратов, работающих в тяжелых
условиях, когда необходимо периодически контролировать поверхность нагрева, очищать ее. Конструкция разъемного крепления рубашки к корпусу представлена на рис. 3.
Недостатком такой конструкции является наличие дополнительного фланцевого соединения, что ведет к увеличению расхода материалов и веса реактора.
К котлу приваривается фланец 3, к которому на болтах крепится рубашка, фланец 3 приваривается на 50-100 мм ниже уровня жидкости в аппарате. Следует
заметить, что фланец для крепления рубашки на чугунных аппаратах отливается
заодно с корпусом. Этот способ крепления позволяет легко осуществить монтаж
и демонтаж рубашки. Если требуется, чтобы рубашка полностью покрывала боковую поверхность реактора, то ее крепят прямо к фланцу аппарата, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Крепление рубашки к корпусу аппарата с Рис. 5. Неразъемное крепление рубашки к корпукоэффициентом заполнения, равным единице
су: а - сферическим переходом; б - плоским кольцом
Более простым и надежным является неразъемное соединение крышки реактора с обечайкой рубашки сваркой, которую осуществляют с помощью отбортовки (рис. 5, а) или приварного кольца (рис. 5, б).
Крепление рубашек кольцами экономически выгодно в условиях мелкосерийного и индивидуального производства, так как это не требует применения дорогостоящей оснастки. Недостатком конструкции 5, б является высокая концентрация напряжений в месте приварки кольца к корпусу и к рубашке, а также повышенный расход металла и увеличение веса реактора.
Поэтому более удобны плавные конические переходы, называемые воротниками, которые являются и компенсаторами температурных удлинений
(рис. 5, а). Кстати, этот компенсатор необходим и тогда, когда конус изготовлен
из стали Х18Н9Т, а корпус рубашки из стали Ст.З.
Для изготовления воротников требуется специальная оснастка, что экономически выгодно при серийном их производстве.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При больших давлениях в рубашке, особенно при отсутствии крепления
рубашки к днищу аппарата, когда уравновешиваются силы давления, стремящиеся вытолкнуть корпус аппарата из рубашки, это соединение неприменимо.
Наличие рубашки усложняет крепление нижнего спускного штуцера. При
небольшой разнице линейных удлинений рубашки и корпуса возможна приварка
штуцера одновременно к корпусу и рубашке.
Для удаления инертных газов, создающих подушку, которая исключает
часть теплообменной поверхности из процесса теплообмена, в верхней части
рубашки предусматривается продувочный штуцер.
Гладкая рубашка изготавливается из углеродистой стали. Однако следует
учитывать, что приварка углеродистой стали к корпусу из нержавеющей стали
небольшой толщины (3-6 мм) может ухудшить антикоррозионные свойства металла корпуса. Поэтому, когда среда обладает значительной агрессивностью или
требуется высокая чистота продукта, приварка рубашки из стали Ст.З к корпусу
аппарата из стали Х18Н9Т, например, без промежуточной детали из нержавеющей
стали, недопустима.
Змеевиковая рубашка. Она представляет собой спираль из прокатного профиля, приваренную к корпусу аппарата. Приваривать спираль виток к витку не
следует, так как это ведет лишь к перерасходу металла, усложняет изготовление
аппарата, повышает гидравлическое сопротивление теплообменного устройства.
Участок внутренней поверхности корпуса между витками рубашки можно
рассматривать как ребра, от шага змеевика зависит длина ребер. Такие аппараты
легче, чем аппараты с гладкими рубашками, так как толщина корпуса и рубашки
в первом случае меньше, чем во втором. Приварные элементы располагаются на
поверхности аппарата по-разному — в виде спирали, навитой на цилиндрический корпус аппарата, или зигзагообразно по образующей цилиндра.
В тех случаях, когда не требуется большой поверхности теплообмена или
когда теплоноситель находится под большим давлением, применяют приварные
теплообменные элементы в виде труб или полутруб (рис. 6). Возможно также
применение приварных элементов из проката — швеллеров (рис. 6, б) или
уголков. Минимальное расстояние между приварными элементами определяют
из условий доступа к сварным швам.
Рис. 6. Реактор со змеевиковой рубашкой
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На практике обычно не бывает необходимости устанавливать теплообменные элементы очень близко, так как благодаря хорошей теплопроводности
металла участки стенки, прилегающей к приварному элементу, также участвуют в теплообмене.
Преимуществом змеевиковых рубашек по сравнению с гладкими является
также большая скорость теплоносителя, что позволяет интенсифицировать теплообмен со стороны теплоносителя к стенке рубашки, когда коэффициенты теплоотдачи либо одинаковы, либо отличаются незначительно.
Недостаток змеевиковой рубашки - большой объем сварочных работ. Кроме того, приварка такой рубашки из углеродистой стали к корпусу из нержавеющей стали толщиной меньше 5 мм резко снижает антикоррозионные свойства
металла корпуса.
Рубашки с вмятинами. Такие рубашки имеют форму аппарата, но отличаются от нее рядом вмятин, которые расположены в определенном порядке (рис.
7). При значительном диаметре аппарата и повышенном давлении в рубашке
толщина стенки аппарата, нагруженного наружным давлением, получается значительной. Чтобы уменьшить толщину стенки, применяют рубашки с вмятинами.
Рис. 7. Рубашка с вмятинами
Для этого на их поверхности делают круглые отверстия, края которых отгибают и приваривают к корпусу аппарата точечной сваркой. Корпус реактора оказывается жестко связанным с корпусом рубашки. Расстояние между корпусом
рубашки и стенкой корпуса реактора – 20-30 мм. Шаг вмятин 120-200 мм (в зависимости от давления). Рубашку с вмятинами применяют при давлениях в ней до
3-4 МПа.
При расчете аппарата на прочность стенку его можно рассматривать как
состоящую из отдельных пластин, укрепленных анкерными связями. Это позволяет уменьшить толщину стенок аппарата и рубашки.
Интенсификация теплообмена в такой рубашке невелика по сравнению со
змеевиковой рубашкой. Однако объем сварочных работ при изготовлении такой
рубашки по сравнению со змеевиковой значительно меньше.
Недостатком такой конструкции рубашки является также большой объем
работ по отбортовке отверстий, выполняемых вручную. Достоинство - возможность значительно снизить толщину стенок корпуса реактора и рубашки.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Каркасная рубашка. Она приваривается к кольцам жесткости, выполненным из уголков или полос. Расстояние между кольцами жесткости выбирается
таким образом, чтобы обечайка корпуса в пролете между ними работала в условиях простого сжатия. Это позволяет изготовлять корпус реактора минимальной
толщины, как и в случае со змеевиковой рубашкой. В каркасных рубашках интенсифицируется теплообмен со стороны теплоносителей, но этот эффект ниже,
чем при изготовлении змеевиков.
Змеевики и стаканы. Они устанавливаются внутри аппаратов при недостаточной внешней поверхности и невысокой вязкости реакционной массы. Змеевики обычно изготовляют из стальных, алюминиевых, свинцовых труб. Витки
змеевиков крепятся к специальным стойкам хомутиками (рис. 8,а) или отрезками труб (рис. 8, б).
Рис. 8. Крепление змеевиков к стойкам
Трубы змеевиков (для входа и выхода теплоносителя) выводят из реактора
через крышку и крепят так, как показано на рис. 9.
Рис. 9. Вывод змеевика через крышку аппарата:
1 – верхний фланец змеевика; 2 – нижний фланец змеевика;
3 – фланец штуцера; 4 – штуцер
Длинные змеевики применять невыгодно, так как в нижних витках при паровом обогреве может скапливаться конденсат, в результате чего значительная
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
часть поверхности змеевика не будет участвовать в процессе теплообмена. Из
длинных змеевиков также затруднительно удалять инертные газы. Обычно змеевики делят на несколько секций, включаемых параллельно, но это усложняет
конструкцию.
Змеевики для обогрева котлов изготавливаются из стали, свинца, алюминия и сплавов титана.
Стаканы изготовляют из листовой стали, и они могут применяться при более высокой вязкости, чем змеевики. Однако удельная поверхность теплообмена
ниже, чем змеевика.
Методы обогрева. Обогрев реакторов жидкими и парообразными теплоносителями может быть местным, циркуляционным и смешанным.
При местном обогреве источник тепла находится непосредственно в рубашке. Обычно он представляет собой пакет электрообогревательных элементов. При
этом методе обогрева можно применять лишь гладкие рубашки. Обогрев электрическим током можно разделить на обогрев при помощи нагревателей электросопротивления и индукционный обогрев. При индукционном обогреве снаружи или внутри аппарата устанавливается индуктор, вследствие чего стенка аппарата равномерно разогревается.
При циркуляционном обогреве теплоноситель подогревается в котле и циркуляционным насосом подается в рубашку, откуда обратно поступает в котел.
Недостаток - наличие циркуляционной системы и трубопроводов, что обусловливает повышенное потребление тепла в окружающую среду.
Теплоносители.. Применяемые в химической промышленности теплоносители должны отвечать следующим требованиям:
- достижение высоких температур при собственных низких давлениях;
- большая термическая устойчивость, определяющая рабочий диапазон температур;
- отсутствие корродирующего воздействия на материал оборудования;
- высокий коэффициент теплоотдачи к стенке поверхности теплообмена;
- высокий коэффициент полезного действия;
- большая удельная теплота испарения;
- отсутствие токсичных свойств, взрыво- и пожаробезопасность при эксплуатации;
- доступность и низкая стоимость теплоносителя.
Рассмотрим некоторые виды теплоносителей.
Наиболее распространенными теплоносителями являются водяной пар, электрический ток, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ).
Водяной пар. Это один из наиболее эффективных теплоносителей для нагревания реакционных масс до 160-165 °С.
При избыточном давлении 0,81 МПа температура насыщенного пара
175 °С, теплота конденсации 2040 кДж/кг; при давлении 2,0 МПа температура
насыщенного пара около 200 °С. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке
при конденсации колеблется от 3500 до 11500 Вт/(м2 • К) в зависимости от
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
скорости движения пара, его давления и средней разности температур между
паром и стенкой.
Из турбин ТЭЦ, как правило, отбирают пар давлением 0,3 – 0,55 МПа.
Пар более высокого давления (до 4,0 МПа) отбирают непосредственно из паровых котлов. В реакционных аппаратах пар высокого давления подают в погружные или приварные змеевики, в рубашки со «вмятинами».
В некоторых случаях применяют пар давлением примерно 0,05 МПа, конденсирующийся при 80 °С, что позволяет вести процесс с высокой эффективностью в мягких температурных условиях. Коэффициент теплоотдачи от «вакуумного» пара к стенке составляет 2300 - 7000 Вт/(м2 • К).
При использовании насыщенного водяного пара в качестве теплоносителя достигаются легкость и точность регулирования температуры в реакторе
выбором необходимых параметров и расхода пара. Высокое значение удельной
теплоты конденсации, коэффициента теплоотдачи при конденсации обеспечивает компактность теплообменных устройств. Элементы поверхности теплообмена, в которых используют насыщенный водяной пар, должны быть рассчитаны на избыточное давление, что, в свою очередь, определяет их конструктивное оформление.
В технологии органического синтеза давление применяемого пара ограничено примерно 4,0 МПа и, следовательно, достигаемая при этом температура- обогреваемой массы не превышает 220 – 230 °С.
Достижение более высоких температур обеспечивается применением топочных газов, высококипящих органических теплоносителей (ВОТ), нитритнитратной смеси (для контактно-каталитических процессов) и электрообогрева.
Топочные газы. Их получают сжиганием природного газа, генераторного
газа или мазута в токе воздуха в специальных печах, в которых установлены и
реакционные аппараты. Температура топочных газов 500 – 800 °С, температура реакционных смесей в аппаратах — 300 – 350 °С. При таком большом перепаде температур через стенку возможны местные перегревы и пригорания реакционной массы к стенке аппарата. Чтобы избежать этих нежелательных процессов, аппаратуру часто не устанавливают непосредственно в печи, а помещают в специальный кожух, свободный же объем заполняют свинцовосурьмяным расплавом.
Большой перепад температур, низкое значение коэффициента теплоотдачи, которое для топочных газов не превышает 25 Вт/(м2·К), затрудняют точное
регулирование температуры в аппаратах. К недостаткам использования этого
теплоносителя относятся также низкий коэффициент полезного действия (0,20,3) и необходимость создания специальных печей для получения топочных
газов.
Высококипящие органические теплоносители (ВОТ). В качестве ВОТ
применяют органические жидкости, не разлагающиеся при высоких температурах и не образующие смолистых пленок на поверхности теплообмена. В промышленности органического синтеза часто используют эвтектическую смесь
бифенила (26 мас. %) и дифенилового эфира (73,5 мас. %), называемую дифе35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нильной смесью (ДФС). Температура ее застывания 12,3 °С, смесь термически
устойчива до 380 °С. При температуре 300 °С давление насыщенного пара
ДФС равно 0,25 МПа, теплота парообразования 264 кДж/кг; при 350 оС эти показатели составляют соответственно 0,55 МПа и 247 кДж/кг. Для пленки пара
ВОТ коэффициент теплоотдачи равен 1750 Вт/(м2 ·К).
Использование ВОТ требует создания специальных котельных для
нагревания и испарения теплоносителей. При размещении таких котельных следует учитывать, что температура ВОТ значительно выше температуры водяного пара при давлении 0,3-0,9 МПа, а энтальпия (980 1090 кДж/кг) примерно в 2 раза меньше, поэтому потери тепла в окружающую среду значительно больше при обогреве парами ВОТ. Это обусловливает
необходимость приближения котельных ВОТ к потребителям и создания локальных установок для отдельных производств. В отличие от водяного пара
пары ВОТ могут проникать через прокладки, сальники и даже через сварные
швы. Поэтому при проектировании такого способа теплообмена следует предусматривать минимальное число фланцевых соединений на трубопроводах. На
трубах для паров ДФС применяют прокладки толщиной 0,5 – 1,5 мм из стали,
алюминия меди и паронита специальных марок, устанавливают аммиачные
вентили. Для жидкой холодной ДФС применяют стальные бесшовные трубы.
В качестве жидких ВОТ наряду с ДФС применяют дитолилметан, представляющий собой смесь о- и п-изомеров в соотношении 7:3, с температурой
кипения 289 °С; термостабильное масло НТ марки С, получаемое на основе
арилсиликатов (темп. кип. масла 380 оС; тетраарилсиликаты (ТАС) марки
ТАС-160 в интервале температур от -18 до 325 °С, марки ТАС-180 - от 10 до
325 °С.
В табл. 5 приведены экспериментальные данные эффективности обогрева топочными газами и конденсирующим паром ВОТ.
Таблица 5
Сравнительные показатели обогрева топочными газами и паром ВОТ
Показатели процесса
Максимальная температура реакционной массы, оС
Температура теплоносителя, оС:
на входе
на выходе
Полезная разность температур между теплоносителем и реакционной
массой
Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке, Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К)
Тепловая нагрузка поверхности теплопередачи, Вт/м2
Продолжительность нагрева, ч
Способ обогрева
топочными паром
газами
ВОТ
280
280
500
400
185
310
300
43
21.0
1420
10.0
106.5
1910
8.2
4640
4.4
В качестве теплоносителя и хладагента при температурах 300 – 450 °С
широко используют нитрит-нитратную смесь - эквимольную смесь нитрита
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
калия и нитрата натрия. Температура плавления смеси 142 - 144° С; при рабочих температурах расплав очень подвижен и при интенсивной циркуляции
имеет высокий коэффициент теплоотдачи - 500 - 800 Вт/(м2 К). В условиях
эксплуатации нитрит-нитратная смесь должна быть защищена от действия
влаги, диоксида углерода, кислорода, что обеспечивается созданием над
ней «подушки» из азота.
Электрообогрев является наиболее удобным способом нагревания. Он дает
возможность достигать высоких температур, легко и точно их регулировать, КПД
электрообогревателей достигает 95 %. Однако электроэнергия – весьма дорогой
вид энергии. Поэтому электронагревательные печи омического или индукционного нагрева применяют в промышленности тонкого органического
синтеза в тех случаях, когда требуется строго выдерживать температурный режим при высоких температурах.
Хладагенты. В качестве хладагентов в промышленности тонкого
органического синтеза применяют воду, холодильные рассолы, лед, ВОТ.
Пресная вода рек, озер, специальных запруд до подачи в теплообменную аппаратуру подлежит отстаиванию и фильтрованию от взвешенных в
ней ила, песка, механических примесей. Начальная температура пресной
воды в зависимости от климатических и погодных условий, характера водоемов колеблется в пределах 4-30 оС. Выходящая из теплообменников вода обычно поступает в водооборотный цикл. Она охлаждается воздухом в
градирнях, отстаивается в бассейнах и возвращается в производство. Температура воды из градирен примерно на 5 оС выше, чем из водоема. Потери
воды в водооборотных циклах составляют около 5 %. Температура воды,
охлажденной в пароэжекторных или аммиачных холодильных установках,
должна быть не ниже 5 оС.
Кипящая вода, применяемая для отвода тепла при высоких температурах, поступает под давлением в котлы-утилизаторы. Давление в котле
зависит от допустимой разности температур теплоносителя и реакционной
массы. Если эта разность не лимитирована, давление в котле принимают таким, чтобы образующийся пар мог быть направлен в цеховые сети (избыточное давление 0,3 или 0,9 МПа). Котлы-утилизаторы могут быть встроенными в
реакционный аппарат или выносными. Коэффициент теплоотдачи от стенки к
кипящей воде в них составляет 2000-5800 Вт/(м2·К) в зависимости от диаметра
труб, в которых происходит парообразование. Для питания котловутилизаторов применяют паровой конденсат, что позволяет избежать отложения солей на теплообменных поверхностях.
Охлаждение реакционных масс до температур 5 – 10 °С и ниже достигается применением предварительно охлажденных (в холодильных аммиачных
или фреоновых установках) холодильных рассолов или органических теплоносителей. Холодильные рассолы - это растворы хлоридов натрия или кальция в
воде. В качестве хладагента, загружаемого непосредственно в реакционную
массу при проведении процессов в водной среде, применяют лед. В настоящее
время выпускают льдогенераторы, в которых получают чешуированный лед
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при -9 оС. Такой лед можно подавать пневмотранспортом в бункер, установленный над реактором и снабженный надежной теплоизоляцией.
В качестве хладагентов для высокотемпературных экзотермических процессов применяют кипящие ВОТ. Кроме того, для отвода тепла при высоких
температурах (150-500 °С) используют воздух или расплавы солей, например нитрит-нитратную смесь, состоящую из 7 % NaNO3, 40 % NaNO2, 53 % KNO3.
4.2. Гарнитура реакционных аппаратов
Фланцевые уплотнения
Для герметизации реакционного объема реакционных аппаратов между
фланцами аппарата и крышки помещают прокладку. Такая прокладка, сжатая
при затягивании болтов, при закрытии аппарата препятствует проникновению
из реактора газов и паров в местах соприкосновения фланцев.
В качестве прокладочных материалов применяют шнуровой и листовой
асбест, резину, каучук, паронит, тефлон, мягкое железо, алюминий, медь и т.д.
Выбор материала прокладки определяется химическими свойствами перерабатываемых веществ, температурой, давлением, взрыво- и огнеопасными показателями и другими факторами.
Рис. 10. Расположение уплотняющего асбестового шнура на фланцах
Наиболее распространены асбестовые прокладки, применяемые в виде
шнура. Шнур, уложенный на фланце аппарата «змейкой» (рис. 10), раздавливается при затягивании болтов и образует уплотнение, препятствующее проникновению паров и газов из реактора. Это наиболее надежное уплотнение,
способствующее созданию равномерного распределения напряжения на фланцах.
Часто для повышения надежности уплотнения на фланцах емкостей вытачивают канавки (рис. 11), в которые укладывается уплотняющий шнур. В
непосредственной близости к фланцам крышки во многих аппаратах располагается прилив (рис. 11), называемый капельницей. Капельница направляет в
аппарат жидкость, образующуюся в результате конденсации паров на внутренней поверхности крышки. Благодаря этому жидкость не затекает во фланцевое уплотнение.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 11. Уплотняющие канавки на фланцах: 1 – уплотняющий шнур;
2 – канавки; 3 – прилив (капельница)
В тех случаях, когда необходима высокая герметичность аппарата, применяют уплотнение типа «впадина-выступ» (рис. 12). Для реакторов, работающих под давлением, в этих случаях в качестве прокладки применяется
медь.
Рис. 12. Фланцевое уплотнение типа «впадина-выступ»
Рис. 13. Фланцевое уплотнение стального футерованного котла:
1 – стенка котла; 2 – диабазовая плитка; 3 – диабазовая замазка; 4 – свинцовая обкладка.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рис. 13 показан разрез фланцевого уплотнения футерованного котла.
Стенка котла 1 защищена двойным слоем диабазовой плитки 2, фланцы защищены свинцовой обкладкой 4.
Люки
Люки служат для загрузки твердых материалов, а лазы для внутреннего
осмотра, очистки и ремонта аппаратов.
По форме люки делят на круглые и овальные; диаметры круглых люков
– 100, 200, 300 и 400 мм, размеры овальных люков 300×400 мм. На рис. 14
приведены типы люков и лазов.
б
а
Рис. 14. Типы люков:
а – круглый люк: 1-горловина, 2- крышка, 3- валик, 4- уплотняющая канавка;
б – люк со скобой: 1- ворот, 2- натяжной винт, 3- скоба, 4- вилка
Круглый люк реакционного аппарата (рис. 14, а) состоит из цилиндрической горловины 1, прикрепленной к крышке аппарата, и плоской крышки 2,
которая при помощи валика 3 прикреплена к горловине и может плотно прикрывать ее благодаря резиновой или асбестовой прокладке, находящейся в уплотняющей канавке 4. Люк может закрываться герметически, для этого крышку плотно прижимают к горловине и затягивают откидные болты.
Наличие откидных болтов значительно осложняет открывание и закрывание люков, поэтому часто применяют люки со скобой (рис. 14, б). Вместо
болтов они имеют скобу 3, ворот 1 , натяжной винт 2 и вилку 4. При закрывании люка скобу подводят под вилку и, вращая ворот, плотно прижимают
крышку люка к горловине, так как при вращении ворота натяжной винт поднимает скобу и, опираясь на нее, давит на крышку.
Байонетный люк кроме скобы имеет и затвор, и применяется он для особо агрессивных реакционных сред.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Люки аппаратов, предназначенных для переработки агрессивных сред,
защищают от коррозии так же, как и сами аппараты. На рис. 15 изображен
круглый освинцованный люк, защищенный кислотоупорной плиткой, а крышка люка покрыта слоем свинца. Для лучшей защиты сварного шва свинцовый
воротник подведен под слой футеровки. Диаметр защищенных люков и лазов
должен быть не менее 400 мм, что необходимо для периодического осмотра
аппарата.
Рис. 15. Люк, защищенный кислотоупорной плиткой
Штуцера. Трубы для наполнения и передавливания. Нижние спуски
Аппараты сообщаются друг с другом посредством трубопроводов, присоединяемых к соответствующим штуцерам, которые располагаются обычно
на крышке аппарата. К стальным крышкам штуцеры привариваются, а в чугунных аппаратах отливаются совместно с крышкой аппарата и составляют с
ней одно целое.
Для аппаратов, работающих под давлением, штуцера ставятся на специальные «наливы» и крепятся на фланцах с помощью шпилек и применяются
уплотнения «впадина-выступ» (рис. 12).
Обычно все штуцеры, расположенные на крышке аппаратов, имеют одинаковый диаметр, что обеспечивает их взаимозаменяемость. В зависимости от
емкости аппаратов выбирают следующие объемы штуцеров:
Емкость, л.
d, мм
До 3000
70
3000-6000
80
6000-10000
100
Штуцера реакционных котлов, предназначенные для залива жидкостей,
снабжаются трубами наполнения (рис. 16), представляющими собой короткие
патрубки, вставленные в загрузочные штуцера, и крепятся болтами. Чтобы
жидкость при загрузке не разбрызгивалась и не попадала на стенки котла,
нижний конец загрузочных труб должен быть срезан под углом 45о. После наполнения реактора трубы обычно вынимаются, а на штуцер ставится заглушка.
В футерованных котлах устанавливают трубы из коррозионностойких материалов.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Трубы для передавливания (передавливающие трубы) служат для эвакуации жидких веществ из аппарата сжатым воздухом или вакуумом. Установка передавливающей трубы в реакционном котле показана на рис. 17. Для
полной эвакуации жидкости нижний конец трубы должен примерно совпадать
с центром днища в низшей точке аппарата. В ряде случаев трубы не вынимаются из котла, а крепятся к стенке аппарата скобами или кольцами. Иногда в
качестве передавливающих труб используются полые валы мешалок.
Рис. 16. Труба для наполнения
Рис. 17. Труба для передавливания
Нижний спуск в реакционных котлах, не имеющих рубашек, не отличается от обычного штуцера. В реакционных котлах, снабженных рубашкой,
нижние спуски крепятся различными способами, показанными на рис. 18. Если рубашка не приваривается к котлу, то нижний спуск крепится как к котлу,
так и к рубашке или нижний спуск выполняется чаще всего в форме сальниковых устройств (рис. 18, в).
а
б
в
Рис. 18. Способы крепления нижнего спуска:
а – нижний спуск в котлах с приваренными рубашками;
б - нижний спуск у стальных футерованных чанов: 1 – диабазовая плитка; 2 – керамический
патрубок; 3 – диабазовая замазка; 4 – полиизобутилен;
в - нижний спуск в котлах с рубашками, установленными на фланцах: 1 – патрубок; 2 - рубашка аппарата; 3 – сальниковая коробка; 4 – уплотняющий материал; 5 – нажимная втулка;
6 – шпильки; 7 – фланец; 8 – болты
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При переработке агрессивных сред нижние спуски, как и аппараты,
должны быть защищены от коррозии. На рис. 18, б показан способ защиты
нижнего спуска стального футерованного чана. Чан изнутри защищен диабазовой плиткой (1), уложенной в два слоя. Спускной штуцер защищен керамическим патрубком (2), установленным на диабазовой замазке (3) с подслоем
полиизобутилена (4).
4.3. АРМАТУРА ХИМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Арматурой называется устройство, которое устанавливается на трубопроводах и емкостях, и обеспечивает управление потоком (движением) рабочих сред.
По области применения арматуру разделяют на пароводяную, энергетическую, нефтяную и т.п. По материалу корпусных деталей арматура делится
на чугунную, стальную, из коррозионностойкой стали, цветных металлов, а
также из неметаллических материалов.
Арматура любого класса включает три основных элемента: корпус, привод и
рабочий орган (запорный, регулирующий и т.д.), состоящий из седла и перемещающегося или поворачивающегося относительно него затвора (золотника).
По конструкции корпуса арматуру подразделяют на проходную, в которой
среда не меняет направления своего движения на выходе по сравнению с входом,
и угловую, в которой это направление меняется на угол до 90°.
В зависимости от способа герметизации рабочего органа в корпусе различают сальниковую, сильфонную и мембранную арматуру. В первой герметичность обеспечивается сальником, во второй - сильфоном, а в третьей - мембраной. В зависимости от конструкции привода рабочего органа арматуру подразделяют на автоматически действующую, в которой привод осуществляется самим
потоком среды, и управляемую, с ручным или механическим (электрическим,
пневматическим и др.) приводом.
По функциональному назначению, арматура делится на основные классы
(виды), к которым относятся следующие.
Запорная арматура предназначена для перекрытия потока среды. По
количеству применяемых единиц она составляет 80 % всей арматуры. К запорной относят и пробно-спускную, используемую для отбора проб, проверки
уровня жидкости.
Регулирующая арматура предназначена для регулирования параметров
среды (температуры, давления и т.д.) посредством изменения ее расхода. В состав регулирующей арматуры входят клапаны – регуляторы давления, клапаны
– регуляторы уровня.
Предохранительная (защитная, отсечная) арматура служит для автоматической защиты оборудования от аварийных изменений параметров рабочей среды отключением обслуживающей линии. К предохранительной арматуре относятся предохранительные клапаны и мембраны.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фазоразделительная арматура предназначена для автоматического
разделения рабочих сред в зависимости от их фазы и состояния. К ней относятся конденсатоотводчики, маслоотделители и т.п.
Распределительная арматура используется для распределения потока
среды по определенным направлениям. Это распределительные клапаны и краны.
Запорная арматура
Серийно выпускают запорную арматуру следующих типов: краны, вентили,
задвижки и заслонки.
Кранами называется арматура с затвором в форме тела вращения, который
может поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной направлению потока.
Краны имеют простое устройство, состоят из корпуса и плотно пришлифованной к корпусу пробки. Они имеют малые габаритные размеры, низкое
гидравлическое сопротивление и простой цикл управления – поворот пробки
на 90 о. Краны с ручным управлением могут устанавливаться на трубопроводе
в любом рабочем положении. По типу затвора клапаны подразделяются на
пробковые, конусные и шаровые, а по методу присоединения к трубопроводу
– на муфтовые, фланцевые и с патрубками под приварку к трубопроводу.
На рис. 19 изображен пробковый проходной чугунный кран. В качестве
набивки сальника могут быть использованы пенька, пропитанный асбест или
резина. Краны требуют применения больших крутящих моментов, тщательного ухода и периодической смазки. В противном случае возможно «прикипание» пробки к корпусу. Направление проходного отверстия в пробке обычно
указывается риской на торце квадрата пробки.
Рис. 19. Пробковый проходной кран
Вентили представляют собой запорную арматуру с затвором в виде плоской или конической тарелки (золотника), которая перемещается возвратно-поступательно вместе со шпинделем относительно седла (рис. 20). Вентили выполняются с ручным управлением или с электроприводом. Вентили на трубопроводе ус44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
танавливаются так, чтобы среда в них попадала из-под золотника. Область применения вентилей весьма обширна.
Рис. 20. Вентиль с прямым шпинделем: 1 – сальник; 2 - ходовая гайка; 3 – шпиндель;
4 – крышка; 5 - тарелка клапана; 6 - седловина; 7 – корпус.
Вентили позволяют регулировать как расход среды, так иногда и давление. Регулировка потока жидкости производится с помощью передачи «винтгайка». Запирающей парой в вентиле является седло и клапан. Сопряжение
седла с клапаном может происходить по конической или цилиндрической поверхности. Седло и клапан тщательно притираются друг с другом.
Вентили имеют больший диаметр по сечению трубопровода, чем краны.
В связи с большим гидравлическим давлением вентили применяются в основном на тупиковых участках или в тех случаях, когда гидравлическое сопротивление арматуры не имеет существенного значения.
На рис. 20 изображен вентиль с прямым шпинделем. Шпиндель (3) и маховик крепятся к корпусу вентиля (7) ходовой гайкой (2). Герметизация вентиля осуществляется с помощью сальника (1), где в качестве уплотняющих материалов применяются резина, фторопласт, латунь, паронит. К шпинделю шарнирно прикрепляется тарелка клапана (5) (золотник).
На рис. 21 изображен угловой вентиль, который кроме функции регулировки расхода жидкости, изменяет направление движения среды. Он так же,
как вентиль с прямым шпинделем, крепится к трубопроводу фланцами.
Для коррозийных сред применяется вентиль косой (прямоточный) (рис.
22). Эти вентили устанавливаются в горизонтальном и вертикальном положении. Корпусные детали изготавливаются из сталей 12Х18Н9Т и 10Х14Г14Н4Т.
Прямоточные вентили обладают меньшим гидравлическим сопротивлением, чем вентиль с прямым шпинделем. Эти вентили не рекомендуется использовать для сред, содержащих взвешенные частицы.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 21. Угловой вентиль
Рис. 22. Вентиль прямоточный гуммированный
Рис. 23. Мембранный чугунный вентиль.
В последнее время широкое применение находят и другие конструкции мембранные (диафрагмовые) вентили и шланговые затворы. На рис. 23 пока46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зан запорный мембранный чугунный вентиль с защитным покрытием. Мембрана (2), закрепленная на штоке (1) соединительной шпилькой (4), изготовлена из резины и полиэтилена или фторопласта. Температура рабочей среды не
должна превышать 120 оС. Запорный орган в мембранных вентилях образуется
седлом в корпусе, имеющем два разделенных перемычкой окна, и упругой
мембраной.
Для управления арматурой с помощью сжатого воздуха используются
мембранные устройства. Для обеспечивания силового замыкания в мембранном приводе используют пружину и поэтому полное название привода – мембранно-пружинный исполнительный механизм. На рис. 24 показан мембранный привод для трубопроводов. Он предназначен для регулирования расхода
жидкости. В верхней части жидкости имеется мембрана, закрепленная фланцами. Мембрана соединена со штоком и находится в равновесном состоянии с
силовой пружиной. При подаче на мембрану сжатого воздуха под давлением
0,2-1,0 кгс/ см2 пружина сжимается и происходит смещение штока.
Рис.24. Мембранный привод для трубопроводов.
Шток осуществляет обратную связь с регулирующим органом – вентилем.
Заслонками называют арматуру, в которой затвор выполнен в виде диска,
поворачивающегося на оси, перпендикулярной потоку и проходящей через диаметр диска. Их используют обычно на трубопроводах большого диаметра при малом давлении среды и нежестких требованиях к герметичности запорного органа.
Их устанавливают на паро- и водопроводах, на линиях транспортирования, не
загрязненных осадками жидкостей, так как твердые частицы, попадая под седло,
могут нарушить его герметичность.
Задвижка - это арматура, в которой затвор в виде диска или клина перемещается вдоль уплотнительной поверхности перпендикулярно оси потока.
Задвижки применяются на больших диаметрах трубопровода и имеют
малое гидравлическое сопротивление. В задвижках проход закрывается вследствие перемещения плотного диска перпендикулярно движению среды. Для
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
создания плотного прилегания к седлу клапан изготовляется из двух половинок: тарелок или клиньев.
На рис. 25 изображена клиновая задвижка.
Рис. 25. Задвижка клиновая с выдвижным шпинделем.
Клиновой клапан имеет угол наклона 5 - 10о. Закрытие или открытие
прохода осуществляется шпинделем. Но так как необходимо затратить большие усилия на шток, их часто снабжают электроприводом. Уплотнительным
материалом сальника служат латунные кольца.
Обратные клапаны являются самодействующим предохранительным механизмом для предотвращения обратного потока среды в трубопроводе. Они
могут быть подъемными или поворотными. Клапаны срабатывают автоматически под действием энергии среды, транспортируемой по трубопроводу.
На рис. 26 изображены обратные клапаны, закрывающиеся за счет веса
тарелки (а), и клапан – захлопка (б).
б
а
Рис. 26. Обратный клапан.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обратные клапаны создают гидравлическое сопротивление в связи с необходимостью поддержания золотника в случае клапана - захлопки, или тарелки в открытом положении. Клапаны - захлопки несколько проще по устройству, чем тарельчатые, но при работе в загрязненных средах возможно заедание золотника. Обратные клапаны устанавливаются в таком рабочем положении, чтобы при открывании тарелка или золотник двигались вверх.
Предохранительная арматура
Назначение предохранительной арматуры – предотвращение возможности возникновения недопустимо высокого давления в установках и системах.
Предохранительные клапаны по производительности, определяемые относительно подъемом тарелок над седлом, подразделяются на мало- и полноподъемные.
Малоподъемным клапаном является грузовой клапан, а полноподъемным – пружинный клапан.
Рис. 27. Грузовой предохранительный клапан.
На рис. 27 приведен грузовой предохранительный клапан. Входной и
выходной патрубки клапана разделяются седлом, на котором расположена тарелка. Клапан настраивается на рабочее давление установкой на шток соответствующих грузов.
Грузовые клапаны конструктивно просты и не требуют специальной регулировки, однако очень низка их пропускная способность.
Наиболее применяемый малоподъемный пружинный клапан используется до давления 6 кгс/см2. Золотник клапана прижимается к седлу пружиной.
Сила сжатия пружины регулируется в зависимости от требующего давления
среды ввертыванием резьбовой втулки в крышку корпуса. Сверху клапан прикрыт колпаком, предохраняющим втулку от случайных ударов. Пружинные
клапаны предназначены для воды, пара и других газообразных сред до 400 оС.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Регулирующая арматура
Это, прежде всего, регулирующие клапаны и вентили, смесительные клапаны, редукционные клапаны и регуляторы уровня. В системах автоматического
регулирования регулирующие клапаны управляют расходом среды в соответствии с поступающей командой.
Фазоразделительная арматура
Фазоразделительная арматура в основном состоит из конденсатоотводчиков, которые используются для отделения конденсата от пара и вывода конденсата. В настоящее время преимущественно используют термостатические и
поплавковые конденсатоотводчики, которые бывают двух видов: с закрытым и
открытым поплавком.
Рис. 28. Конденсатоотводчики:
а – отводчик с закрытым поплавком; б – отводчик с открытым поплавком.
На рис. 28, а изображена схема конденсационного горшка с закрытым
поплавком. Работает он следующим образом. Конденсат с паром поступает в
корпус (1), в котором вмонтирован поплавок (2). К нижней части поплавка на
стержне прикреплен клапан (3), закрывающий отверстие для выхода жидкости. На верхней части поплавка закреплен стержень (4), который своим концом входит в направляющий стакан (5). При достижении определяемого уровня жидкости в корпусе поплавок всплывает, выпуская часть конденсата через
двойной клапан. При понижении уровня жидкости поплавок опускается, и
клапан (3) закрывает отверстие.
Конденсатоотводчик с открытым поплавком (рис. 28, б) имеет следующий принцип действия. Конденсат через входной патрубок и продувочный
вентиль поступает в корпус. Под напором жидкости открытый поплавок
всплывает и закрывает выход конденсата обратным клапаном. По мере накопления жидкости она доходит до верхнего уровня открытого поплавка и наполняет его. Когда стакан будет наполнен, он опускается вниз. Жидкость под действием давления пара по патрубку направляется через двойной и обратный
клапан к выходному штуцеру. После удаления жидкости из стакана поплавка
происходит закрывание обратного клапана и цикл повторяется.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выбор трубопроводной арматуры
Основной тип запорной арматуры, рекомендуемый для трубопроводов
диаметром от 50 мм и более, - задвижка; она имеет минимальное гидравлическое сопротивление, надежное уплотнение затвора и допускает изменение направления движения среды.
Вентили рекомендуется устанавливать на трубопроводах диаметром до 50
мм; при диаметре более 50 мм вентили используют главным образом в случаях,
когда по условиям технологического процecca требуется ручное дросселирование.
Основное преимущество вентилей - отсутствие трения уплотнительных поверхностей, что позволяет их использование при более высоких давлениях. В связи с
этим вентили устанавливаются на трубопроводах высокого давления.
Краны используют, когда требуются запорные устройства, обладающие незначительным гидравлическим сопротивлением или способные управлять несколькими расходящимися потоками, в последнем случае используют трех- или
четырехходовые краны.
4.4. ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
В химической технологии перемешивание применяют для улучшения тепло- и массообмена, получения равномерных смесей нескольких жидкостей,
жидкости и твердого тела, жидкости и газа. Хотя основной задачей перемешивания в большинстве случаев является равномерное распределение вещества или
температуры в перемешиваемом объеме, иногда задача перемешивания заключается в создании высоких скоростей среды около теплообменных поверхностей с
целью интенсификации теплообмена.
Способы перемешивания. Известны несколько видов перемешивания:
- механическое;
- циркуляционное;
- барботажное.
Барботажное перемешивание осуществляется путем барботажа инертного
газа или газообразных веществ через жидкость.
Циркуляционное перемешивание происходит за счет больших скоростей
движения (насосом). Это перемешивание целесообразно применять в том случае,
когда имеется необходимость отвода тепла через развитую поверхность теплообмена, т.е. через выносной теплообменник.
Механическое перемешивание в жидкой среде, а также в пастообразных
и вязких материалах. Для интенсификации процессов массо- и теплообмена
практически все емкостные аппараты снабжают перемешивающими устройствами - мешалками. Выбор конструкции мешалки зависит от необходимой интенсивности перемешивания и консистенции (вязкости) реакционной массы. В
случае гетерофазных систем (жидкость - жидкость, жидкость - твердое вещество и т. д.) перемешивание позволяет получить развитую поверхность контакта фаз, что способствует переходу процесса из диффузионной области в
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кинетическую и увеличению скорости процесса. С ростом интенсивности перемешивания (числа оборотов мешалки) увеличиваются значения критериев
Рейнольдса и Нуссельта и, следовательно, значение коэффициента теплоотдачи от стенки к реакционной массе или наоборот. Это позволяет устранить местные перегревы и пригорание реакционной массы к стенкам аппарата.
Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: вала, на котором закреплена мешалка, мешалки, являющейся рабочим элементом; и привода, с помощью которого вал приводится в движение за счет механической энергии. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от
электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу.
Мешалки по конструктивной форме, в зависимости от устройства лопастей,
разделяются: 1) на лопастные; 2) листовые; 3) якорные; 4) рамные; 5) турбинные; 6) пропеллерные; 7) специальные.
В зависимости от числа оборотов мешалки условно делят на тихоходные и
быстроходные. К тихоходным относят лопастные, рамные, якорные и листовые,
имеющие скорость более 80-100 об/мин. К быстроходным - турбинные и пропеллерные.
При выборе типа мешалки и ее параметров учитывают требования технологического процесса, свойства жидкости, наличие осадков, форму аппарата и другие факторы. К сожалению, отсутствуют единые критерии для выбора мешалки.
Обычно при этом руководствуются производственным опытом или лабораторными исследованиями. В некоторой степени можно предложить следующие рекомендации.
Лопастные мешалки (рис. 29) применяют для перемешивания жидкостей
с небольшой вязкостью (до 0,1 Па·с), растворения и суспензирования твердых веществ с малым удельным весом, а также для грубого смешения жид.
костей вязкостью меньше 20 Па с и с плотностью до 2000 кг/м3.
Рис. 29. Двухлопастная эмалированная мешалка с углом
наклона лопасти α = 45о
При высоте сосуда, превышающей диаметр, или при перемешивании вязкой жидкости устанавливают несколько пар лопастей по высоте вала. При перемешивании очень вязких жидкостей на стенках сосуда устанавливают радиально
расположенные перегородки, над которыми проходят лопасти мешалки. При
этом поток дробится и повышается эффективность работы мешалки. Максимальный эффект турбулизации потока достигается при применении 4-х пере52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
городок высотой (0,11-0,13) × D, где D - диаметр аппарата. Перегородки препятствуют образованию центральной воронки, а также увлечению жидкости вращающимися лопастями, что может привести и к прекращению эффекта перемешивания. Установка слишком длинных лопастей нерациональна, так как с возрастанием линейных размеров лопасти быстро растет потребляемая мощность.
Нормализованные диаметры мешалок от 700 до 2100 мм. Лопастные мешалки отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью изготовления. Наиболее просты по устройству мешалки с плоскими лопастями из полосовой или угловой стали, установленные перпендикулярно или наклонно к направлению их движения. Частота вращения таких мешалок колеблется от 18 до 80 мин-1.
Недостатки таких мешалок - малая интенсивность перемешивания и отсутствие значительных вертикальных потоков, вследствие чего их не рекомендуется
применять для взмучивания тяжелых осадков и работы с расслаивающимися
жидкостями. Достоинство мешалок - они просты по конструкции, обеспечивают
удовлетворительное перемешивание при работе с вязкими жидкостями, могут
применяться в аппаратах значительного объема.
Пропеллерные мешалки. Для интенсивного перемешивания подвижных
реакционных масс, позволяющего получить в емкостных аппаратах режим,
близкий к идеальному смешению, используют пропеллерные мешалки. Они
представляют собой обычный гребной винт с числом лопастей от двух до четырех.
Частота вращения пропеллера должна быть не менее 150 мин-1, а рекомендуемая – 400-500 мин-1.
Пропеллерные мешалки применяют для перемешивания взаимно растворимых жидкостей, тонких суспензий, содержащих до 10 % взвешенных частиц с размерами до 0,15 мм, они не пригодны для совершенного смешивания
.
жидкостей значительной вязкости (более 0,6 Па с). При работе мешалки осуществляется интенсивная циркуляция жидкости с сильным вихреобразованием.
Их рекомендуют использовать для перемешивания сред вязкостью до 2 Па•с и
плотностью до 2000 кг/м3. Чтобы избежать образования воронки, вал мешалки
смещают по отношению к оси аппарата на величину до 0,25 мм, либо устанавливают его с наклоном 10-20° к оси сосуда.
Для улучшения циркуляции перемешиваемой жидкости пропеллерные
мешалки часто устанавливают в диффузоре, который представляет собой стакан, имеющий форму цилиндра или слегка усеченного конуса.
В высоких аппаратах на одном валу устанавливают два, а иногда и три
пропеллера. При установке второго пропеллера потребляемая мешалкой
мощность увеличивается в 1,5 раза. Потребляемая мешалкой мощность зависит также от конструкции реактора. Так, при установке в аппарате змеевиков
расход мощности на перемешивание пропеллерными мешалками возрастает в
2 раза.
Для трудно смешиваемых вязких жидкостей применяются мешалки, состоящие из 2-х пропеллеров, установленных на одном валу. Оба пропеллера толкают
жидкость в одну сторону или навстречу друг другу. Нормализованные диаметры
мешалок — от 300 до 700 мм.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Турбинные мешалки работают по принципу центробежного насоса, т.е. всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасывают ее к периферии. Их делают открытыми и закрытыми. Закрытые мало отличаются по конструкции от колеса центробежного насоса и подразделяются, в свою очередь, на
мешалки одностороннего и двустороннего всасывания. Открытая мешалка представляет диск с радиально расположенными лопатками. Они более просты по
конструкции и поэтому чаще применяются в технике.
Скорость вращения турбинной мешалки более 500-700 мин-1. Их применяют для интенсивного перемешивания и смешения жидкостей с вязкостью до
50 Па.с, создания и перемешивания устойчивых суспензий , содержащих до
60 % и более твердой фазы с размерами до 2,5 мм.
Не рекомендуется их использовать в реакторах большой емкости. В аппаратах с турбинными мешалками обязательна установка отражательных перегородок. При отсутствии такой перегородки образуется глубокая воронка, иногда доходящая до основания мешалки, и перемешивание резко ухудшается (обычно устанавливают четыре перегородки).
Рамные мешалки применяют для перемешивания жидкостей вязкостью
.
не более 10 Па с, а также, когда возможно выпадение осадка или загрязнения
теплопередающей поверхности, они очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений. Они представляют собой комбинацию лопастных
мешалок с вертикальными и наклонными лопастями (рис. 30). Эти мешалки
применяются в тех же случаях, что и лопастные, а также при перемешивании
значительных объемов вязких материалов. Нормализованные диаметры мешалок до 2520 мм. Эти мешалки используют в реакторах с большой емкостью (до
100 м3).
Рис. 30. Рамная мешалка
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Якорные мешалки. По своей форме соответствуют сосуду, в котором работают. Расстояние между лопастью и стенкой реактора обычно выбирают в пределах 25—140 мм.
Рис. 31. Якорная мешалка
Якорные мешалки (рис. 31) предназначены для перемешивания жидкостей
вязкостью 300 Па.с и выше, особенно при нагревании среды через стенку реактора. Вследствие небольшого зазора между лопастью и стенкой сосуда возникает сильное турбулентное движение, препятствующее выпадению на стенках
осадка и перегреву среды. НИИХИММАШ рекомендует для якорных мешалок
те же скорости, что и для лопастных. Следует отметить, что при перемешивании очень вязких жидкостей якорные мешалки снабжаются дополнительными
вертикальными лопастями — пальцами.
Листовые мешалки. Их применяют сравнительно редко, в основном для маловязких жидкостей (вязкостью менее 0.05 Па.с), при интенсификации теплообмена, взвешивании твердого вещества, при проведении химической реакции в
объеме и растворении. Конструкция мешалки приведена на рис. 32.Листовые
мешалки имеют лопасти большей ширины, чем у лопастных мешалок.
Рис. 32. Листовая мешалка
Несколько слов о мешалках специальных типов. К ним относятся импеллерные мешалки (рис. 33), которые применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 33. Импеллерная мешалка:
1 – центральная труба; 2 – лопасти статора; 3 – лопасти мешалки (ротора)
Вал мешалки помещен внутри трубы, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением. На мешалке имеется ряд лопастей, а на конце
трубы установлен статор с лопастями. Наличие двух рядов лопастей - подвижного и неподвижного - обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа.
Конструирование и изготовление мешалок. Мешалки изготавливают из различных металлических и неметаллических материалов, обладающих достаточной
механической прочностью. Наиболее распространены сварные перемешивающие устройства, выполненные из легированной стали. Мешалки сложной конструкции отливают из чугуна. В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако, как правило, рабочие элементы крепятся на
валу с помощью разъемных соединений.
Рис. 34. Способы крепления мешалок на валу:
а – стопорным винтом; б – концевой гайкой; в - полукольцами
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обычно к ступице приваривают лопасти. Ступица крепится на валу с помощью шпонки и стопорных устройств, препятствующих осевому смещению. В случае установки мешалки в середине вала ее закрепляют стопорным винтом, как
показано на рис. 34, а, при установке на конце вала - концевой гайкой
(рис. 34, б) или полукольцами.
При конструировании мешалок необходимо учитывать условия их монтажа.
Мешалки небольших аппаратов (диаметр 1200 мм и менее) обычно собирают совместно с крышкой и вместе с ней устанавливают в реактор.
Мешалки для крупногабаритных аппаратов целесообразно делать разъемными из частей таких размеров, которые можно пронести через лаз аппарата. Это
дает возможность разбирать мешалку при ремонтных и монтажных работах, не
снимая крышку и привод. В цельносварных аппаратах мешалка обязательно
должна быть разборной. Необходимо иметь в виду, что резьбовые соединения
внутри химических реакторов работают в очень тяжелых условиях. Резьба легко
загрязняется и корродирует даже при действии слабых агрессивных сред. Поэтому во многих случаях части мешалок изготавливают из нержавеющей стали.
Открытые турбинные мешалки выполняют сварными. Лопасти приваривают к диску, который, в свою очередь, сварен со ступицей. Применение полимерных материалов для мешалок ограничено их низкой механической прочностью. Более распространены стальные мешалки, защищенные антикоррозионными покрытиями, или комбинированные из стального вала и неметаллических
лопастей.
Приводы мешалок. Быстроходные мешалки при 400-500 об/мин и выше
соединяются с электродвигателем через клиноременную передачу, а в некоторых
случаях могут быть установлены и на одном валу с электродвигателем. Однако
обычно привод осуществляется от электродвигателя через редуктор. Приводы
мешалок могут быть с конической, червячной, цилиндрической или планетарной
передачей. Конические и червячные приводы имеют горизонтальный быстроходный вал, соединенный с электродвигателем через муфту или клиноременную
передачу. Конические и особенно червячные приводы до недавнего времени широко применялись для аппаратов с мешалками.
В настоящее время выпускают планетарные приводы. Они компактны, надежны в работе, имеют высокий КПД и работают в значительном диапазоне частоты вращения и мощностей. Но эти приводы не дают возможности изменять
число оборотов мешалки во время работы, что является существенным их недостатком.
Изменение числа оборотов мешалки необходимо во многих случаях: при
изменении консистенции перемешиваемой массы, при отработке нового, еще неизученного процесса, а также, когда режим перемешивания должен меняться во
времени. Приводы мешалок во взрывоопасных цехах снабжают взрывобезопасными электродвигателями. В помещениях, содержащих особо взрывоопасные
вещества, установка электродвигателей иногда вообще исключается. Двигатель
приходится выносить в соседнее взрывобезопасное помещение, передача осуществляется с помощью горизонтального вала, проходящего через стену, разде57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ляющую помещения. Вал в стене уплотняют сальниками. Приводы мешалок устанавливают на стойку, которую, в свою очередь, крепят к аппарату, для чего к
его крышке приваривают толстые пластины. Стойки делают чугунными или
стальными, сварными.
Для комбинированных мешалок применяются приводы типа, изображенного
на рис. 35.
От вала 1 вращение передается через две конические зубчатые передачи:
через колеса 3 и 5 в одном направлении и через колеса 2 и 4 в обратном направлении. Если передаточные числа обеих пар одинаковы, то валы колес 4 и 5
будут вращаться с одинаковой скоростью, но в разные стороны.
Если комбинированная мешалка состоит из тихоходной и быстроходной
мешалок, ставятся два независимых привода. Якорная мешалка приводится во
вращение от электродвигателя через пару конических колес, а турбинная - от
своего электродвигателя (валы соединены муфтами).
Если места на крышке сосуда или над ней недостаточно, привод располагают под сосудом, что, однако, требует установки хорошего сальникового
уплотнения.
Рис. 35. Привод комбинированной мешалки:
1 – вал; 2, 3, 4, 5 – зубчатые колеса
Для улучшения работы вала мешалки устанавливают концевой подшипник
(подпятник) или промежуточные подшипники в верхней части вала мешалки.
Они служат для подвижного закрепления нижнего конца вала перемешивающего органа. Опоры состоят (рис. 36) из стойки 1, к которой болтами 7 прикреплен подшипник 2, в нем закреплена штифтами 5 неподвижная втулка 4. На
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нижнем конце вала закреплена болтом 6 подвижная втулка 3, которая вращается вместе с валом внутри неподвижной втулки 4.
Втулки изготавливают из чугуна, графита, капрона, текстолита или фторопласта-4, остальные детали из углеродистой стали для нейтральных сред
или из коррозионно-стойких материалов для агрессивных сред.
Рис. 36. Опоры концевые внутренние для вертикальных валов
перемешивающих устройств: 1 – стойка; 2 – подшипник; 3 – подвижная втулка; 4 –
неподвижная втулка; 5 – штифты; 6,7 - болты
Концевые подшипники в аппарате работают в очень тяжелых условиях:
их невозможно смазывать, они плохо доступны для осмотра и ремонта. Конструкция подшипника должна обеспечивать свободную циркуляцию жидкости
через него. На рисунке 37, а показан типовой концевой подшипник (подпятник).
Рис. 37. Концевые подшипники:
а – типовая конструкция; б – подпятник для футерованных аппаратов
Подпятник, показанный на рис. 37, б, применяется для футерованных
аппаратов. Коническое основание этого подпятника обеспечивает ему высокую жесткость и предохраняет футеровку вблизи подпятника от разрушения.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При работе мешалки без концевого подшипника возможно появление
крутильных колебаний консольного вала мешалки, являющихся следствием
динамических нагрузок на вал от перемешиваемой среды, условий закрепления вала в опорах, конструкции мешалки. При неправильном учете в процессе
конструирования таких важных критериев надежности, как жесткость и виброустойчивость, эксплуатация аппаратов с мешалками встречает ряд затруднений.
С точки зрения распределения нагрузок наиболее рациональны приводы с
концевыми подшипниками, однако, во многих случаях из-за коррозионного или
абразивного действия среды их нельзя использовать, в полимерной среде тоже
нельзя устанавливать подшипники.
Крепление мешалок. В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако элементы крепятся на валу с помощью разъемных соединений. Обычно мешалка состоит из ступицы, к которой привариваются лопасти.
Ступица крепится на валу с помощью шпонки и стопорных устройств, препятствующих осевому смещению. В случае установки мешалки в середине вала ее закрепляют стопорным винтом (рис. 34, а), при установке на конце вала - концевой гайкой (рис. 34, б) или с помощью двух полуколец, которые закладываются в кольцевую выточку на валу (рис. 34, в).
Муфты служат для соединения вала привода с валом мешалки. Применяют в основном нормализованные муфты трех типов - продольно-разъемные,
зубчатые, фланцевые.
Рис. 38. Продольно-разъемная муфта:
1 – корпус; 2 – накидные фланцы; 3 – разъемное кольцо; 4 – пружины; 5 – шпильки.
Продольно-разъемные муфты применяют для жесткого соединения выходного вала редуктора (мотор - редуктор) с валом перемешивающего устройства с промежуточным валом при любом числе промежуточных опор. Муфта
состоит (рис. 38) из корпуса 1 (образующегося двумя половинками), накидных
фланцев 2 и шпилек 5 с шайбами и гайками. Соединяемые концы валов имеют
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кольцевые проточки, на которые надето разрезное кольцо 3, половинки его
скрепляются двумя пружинами 4. Сверху надеты на шпонке половины корпуса, после затяжки шпилек фланцев получается жесткое соосное соединение валов.
Зубчатые муфты применяют для соединения выходных валов моторредуктора и электродвигателя (гидромотора) с промежуточным валом при
двух промежуточных опорах. Муфта состоит (рис. 39) из зубчатой обоймы 1,
укрепленной шпонкой на валу мотор-редуктора, и зубчатой втулки 2, сидящей
на шпонке на промежуточном валу. Зубья втулки входят во впадины обоймы.
Муфта передает крутящий момент, но не соединяет валы жестко по оси.
Рис. 39. Зубчатая муфта: 1 – обойма зубчатая; 2 – втулка зубчатая;
3 – крышка; 4 – уплотнение; 5 – масленка.
Уплотнения вращающихся деталей
Для вывода вала мешалки из реактора используют специальные устройства – уплотнения. Они должны обеспечивать возможность свободного вращения вала мешалки и не пропускать наружу газы и пары, находящиеся в аппарате под давлением, или же не пропускать воздух в реактор, работающий
под вакуумом. В зависимости от физико-химических характеристик и параметров рабочих сред, а также требований производственной санитарии и техники безопасности и пожароопасности аппараты для перемешивания жидких
сред комплектуются сальниковыми или торцевыми уплотнениями и гидрозатворами или имеют герметичный привод.
Несмотря на то, что узел уплотнения занимает сравнительно небольшую
часть реактора, от него зачастую зависит качество работы всей установки.
Особенно это относится к производствам с ядовитыми и взрывоопасными веществами и к аппаратам, работающим под вакуумом и давлением.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сальники
Валы мешалок выводятся из реакционных котлов наружу через приспособления, называемыми сальниками. Эти приспособления обеспечивают возможность свободного вращения вала мешалки и не пропускают наружу газы и
пары. В технике используют весьма разнообразные сальники, однако сальники
обычных реакционных аппаратов по устройству однотипны. Они состоят из
сальниковой коробки (3), нажимной втулки (1), грундбуксы (5) и уплотнительного материала (рис. 40).
Сальниковая коробка отливается из чугуна и крепится шпильками к
крышке аппарата. В сальниковую коробку вставляют грундбуксу и прочно закрепляют ее при помощи стопорного винта. Назначение грундбуксы «направлять» вал мешалки, т.е. препятствовать его вибрированию и колебаниям при
вращении, а также поддерживать уплотняющий материал. Зазор между валом
мешалки и сальниковой коробкой заполняется уплотняющей набивкой, в качестве которой применяют льняную плетенку, асбестовый шнур или хлопчатобумажные шнуры круглого или квадратного сечения, пропитанные маслом,
воском, битумом, жидким стеклом, синтетическими материалами, графитом и
т.д. Пропитка служит для улучшения герметизации и снижения коэффициента
трения набивки о вал.
Рис. 40. Круглый сальник:
1 – нажимная втулка; 2 – шпильки; 3 – сальниковая коробка; 4 - стопорный винт;
5 – грундбукса; 6 – уплотняющий материал
При больших числах оборотов, высоких давлениях и температурах используют сальники с твердой набивкой, выполненных из разрезанных колец
цветного металла, твердых пластмасс или прессованного графита, фторопласта.
Нажимная втулка крепится к сальниковой коробке посредством шпилек
(обычно две или четыре). При наличии двух шпилек фланцы нажимной втулки
имеют форму эллипса, а при четырех – форму окружности. Сальники обычно
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
устанавливаются на бобышках. Сальниковая коробка может находиться вне
аппарата или быть утоплена внутрь.
Хотя сальник, утопленный в реакторе, и позволяет несколько уменьшить
высоту привода, эту конструкцию нельзя признать удачной, так как обслуживание такого сальника затруднено. Особенно нежелательно применять такой
сальник при высокой температуре в реакторе.
При высоких температурах ускоряется процесс окисления сальниковой
набивки, она теряет эластичность, нарушается ее герметичность. Другим осложняющим фактором является химическое воздействие перерабатываемых
материалов.
Рис. 41. Сальник с водяным охлаждением и защитой от коррозии:
1 – нажимная втулка; 2 – трубка для подвода воды; 3 – фланец; 4 - коробка для охлаждающей воды; 5 – корпус сальника; 6 – грундбукса; 7 – слой антикоррозионного металлического покрытия; 8 – набивка; 9 – трубка для отвода воды; 10 – трубка для подвода смазки
На рис. 41 показана конструкция сальника с водяным охлаждением, защищенного от действия агрессивных сред. Сальник состоит из корпуса (5),
при помощи которого сальник крепится к аппарату, грундбуксы (6), набивки
(8), нажимной втулки (1), трубки (10) для подачи смазки и коробки (4) для охлаждающей воды. Вода подводится в коробку по трубке (2) и удаляется через
трубку (9).
Торцовые уплотнения
Торцовые уплотнения предназначены для герметизации аппаратов, работающих под давлением, вакуумом, и валов центробежных насосов.
Торцовые уплотнения находят широкое применение, так как обладают
следующими достоинствами:
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1) при нормальной их работе не требуется их обслуживания;
2) правильно подобранные торцовые уплотнения отличаются большей устойчивостью и, следовательно, долговечностью;
3) торцовые уплотнения удовлетворительно работают при перекосах и биениях вала;
4) торцовые уплотнения обладают высокой герметичностью.
Торцовое уплотнение состоит из двух колец – одного подвижного и другого неподвижного, которые прижимаются друг к другу по торцевой поверхности с помощью пружины сильфона (рис. 42).
Самым ответственным узлом торцового уплотнения является пара трения. Качество уплотнения и надежность его работы зависят в основном от материала и качества обработки поверхности трущихся колец. Материал, из которого она изготовлена, должен обладать износостойкостью и малым коэффициентом трения. Обычно одно из колец изготовляется из более твердых материалов. Используют следующие материалы: кислотостойкая сталь - одно
кольцо; углеграфит, бронза или фторопласт – другое кольцо. Фторопласт применяется только в случае небольших давлений и при невысоких скоростях пары трения, так как он обладает хладотекучестью.
Рис. 42. Торцевое уплотнение:
1 – корпус; 2 – вращающееся кольцо; 3 – шпилька; 4 – водило; 5 - пружина; 6 – тяга;
7 – неподвижное кольцо; 8 – сильфон.
Уплотнение состоит из неподвижного кольца (7), связанного с валом с
помощью хомута. Неподвижное кольцо прижимается к подвижному с помощью пружин и связано с корпусом с помощью сильфона (8). Водило (4) крепится на валу аппарата и связано шпильками с подвижным кольцом (2). Трущиеся детали закрыты корпусом (1), который соединяется с фланцем. Смазка
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пары трения и охлаждение производится проточной водой, циркулирующей в
полости корпуса.
Недостаток торцевых уплотнений – высокая стоимость и сложность ремонта.
Гидрозатворы
Гидрозатворы представляют собой уплотнительный узел, предназначенный для предотвращения контакта газовой среды, заполняющей внутреннюю
полость аппарата с атмосферой (рис. 43).
Гидрозатвор состоит из неподвижного цилиндрического корпуса, внутрь
которого с зазором δ относительно его неподвижных элементов вставлен вращающийся совместно с валом мешалки цилиндрический колпак. При атмосферном давлении в корпусе аппарата и правильно выбранных размерах гидрозатвор надежно предохраняет уплотняемые плотности от взаимного контакта.
Рис. 43. Гидразатвор для аппаратов общего назначения (левая часть рисунка) и для малогабаритных аппаратов (правая часть рисунка): 1 – корпус; 2 – вращающийся колпак; 3 – кольцо уплотнительное; 4 - неподвижный стакан; 5 - корпус
Манжетные уплотнения
Манжетные уплотнения применяют в аппаратах, работающих при атмосферном давлении и температуре до 120 оС. Конструктивно уплотнение представляет собой диск, укрепляемый на болтах над отверстием крышки, в кольцевой проточки диска установлена стандартная манжета, герметизирующая зазор между валом и внутренней поверхностью отверстия диска.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Герметичные электроприводы
Аппараты для перемешивания высокотоксичных, высокоагрессивных
или пожароопасных сред обычно комплектуются герметичными электроприводами.
Рис. 44. Аппарат с герметичным
приводом перемешивающего устройства:
1 – мешалка; 2 – циркуляционная
труба; 3 – вал; 4,8 – подшипники
качения; 5 – защитная гильза; 6 –
обмотка статора; 7 – железо статора; 9 – штуцер подвода жидкой
смазки; 10 – штуцер подвода
инертного газа; 11 – железо ротора.
Рис. 45. Жидкозаполненный герметичный электропривод на подшипниках жидкостного трения:
1 – упорная пята; 2 – центробежный насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости в приводе;
3,8 – опорные подшипники жидкостного трения;
4 – защитная гильза ротора; 5 – защитная гильза статора; 6 – железо статора; 7 – железо ротора;
9 – вал; 10 – мешалка; 11 – торцевое уплотнение
В газозаполненном электроприводе (рис. 44) ротор, вращающийся в газовой полости, установлен на подшипниках качения. Статорная полость электродвигателя защищена от контакта с парами перемешиваемой среды тонкостенной защитной гильзой (5). В случае необходимости защитная гильза может быть также установлена на роторе (11). В электроприводах подобного типа подшипники качения обычно смазывают консистентной или обычной смазкой, подаваемой через штуцер (9). Герметичный электропривод на подшипниках качения выполняется обычно газозаполненным. В качестве газа, создающего этот своеобразный буфер, препятствующий контакту перемешивающей
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
среды с подшипниками качения, используется один из компонентов реакционной среды или какой-либо инертный газ.
Приводы такого типа представляют собой конструкцию, в которой активные элементы ротора и статора электродвигателя защищены от воздействия перемешиваемой среды с помощью специальной изоляции (мокрый статор) или специальных защитных гильз (сухой статор). Герметичные электроприводы с «мокрым» или «сухим» статором могут быть газо- и жидкостнозаполненными.
Жидкостнозаполненный герметичный электропривод (рис. 45) представляет собой конструкцию, в которой используются гидростатические или гидродинамические опоры скольжения, смазываемые перемешивающей средой,
не содержащей твердых взвесей. Между рабочим пространством аппарата и
внутренней полостью жидкостнозаполненного электропривода обычно устанавливают торцевое уплотнение, уменьшающее обмен между средами, заполняющими эти полости.
Бессальниковые приводы
В аппаратах высокого давления с бессальниковым приводом энергия передается на вал мешалки посредством вращающегося магнитного поля, развиваемого статором асинхронного электродвигателя. Вращающее магнитное поле, создаваемое статором, заставляет вращаться ротор, а вместе с ним и вал
мешалки.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава II
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
2.1. Оборудование для транспортировки и дозирования жидкости,
твердых тел и газов
Успешная работа химического предприятия во многом зависит от четкой
работы промышленного транспорта. Промышленный транспорт делится на две
основные группы: внешний и внутренний.
Внешний транспорт - предназначен для доставки на предприятие сырья,
полуфабрикатов, топлива, отправки готовой продукции и вывоза с предприятия
отходов производства. Внешнезаводские транспортные операции осуществляются следующими видами транспорта: железнодорожным, речным, автодорожным,
воздушным.
Внутренний или внутризаводской транспорт - предназначен для распределения поступающих грузов, полуфабрикатов и готовой продукции между цехами
и складами, между отдельными агрегатами и рабочими местами согласно технологической схеме. Внутризаводские транспортные операции осуществляются
местным железнодорожным и автомобильным транспортом, а также различными
подъемно-транспортными машинами. На предприятиях химической промышленности транспортируются грузы различного агрегатного состояния: твердые
штучные, кусковые, зерновые, порошкообразные, пастообразные, жидкие и газообразные.
При транспортировке жидкости используют цистерны, контейнеры,
бочки.
Для хранения жидкостей применяют стальные хранилища, выполненные в виде горизонтальных или вертикальных цилиндрических, реже прямоугольных резервуаров. Горизонтальные или вертикальные цилиндрические
резервуары имеют сферические (выпуклые или вогнутые) или плоские днища в зависимости от способа эвакуации жидкости из хранилищ.
Для хранения больших количеств минеральных кислот используют железобетонные резервуары – хранилища.
Оборудование для транспортировки и дозирования твердых материалов
В связи с резким уменьшением применения ручного труда в химической
промышленности возросла роль транспортных средств, особенно для твердых
сыпучих материалов. При транспортировке сырья и готового продукта необходимо в частности учитывать их физико-химические свойства.
Наиболее широкое применение при транспортировке больших количеств
продуктов приобрели ленточные транспортеры с плоской или желобковой
лентой (рис. 46). Эти транспортеры имеют барабан привода (8) и барабан натяжения ленты (10). Производительность их достигает до 6 т/час, при угле
поднятия ленты 45о.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 46. Ленточный транспортер: 1 – натяжной барабан; 2 – загрузочная воронка;
3 – лента; 4,9 – опорные ролики; 5,6 – барабаны сбрасывателя; 7 – лоток; 8 – приводной барабан; 10 – груз для натяжения ленты.
Наиболее широкое применение для передвижения твердых веществ нашли винтовые транспортеры (рис. 47). Они удобны тем, что могут транспортировать продукты на большие расстояния, а также их удобно применять с дозирующими устройствами.
Рис. 47. Винтовой транспортер:
1 – желоб; 2 – вал; 3 – загрузочное отверстие; 4 – разгрузочное отверстие.
Для транспортировки сыпучих материалов по вертикали применяются
ковшовые элеваторы (рис. 48). Этот элеватор состоит из барабана привода (1)
и барабана натяжения (6), замкнутой ленты (2), ковшов, закрепленных на ленте (3), и каркаса (4) для защиты окружающей среды от пыли транспортируемого вещества.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 48. Элеватор: 1 – приводной барабан; 2 – лента; 3 – ковши; 4 – кожух; 5 – винт;
6 - натяжной барабан; 7 – воронка; 8 – приемный желоб.
Пневмотранспорт (материал перемещается по трубам струей воздуха) является наиболее эффективным видом передвижения твердых химических продуктов, например, по трубопроводу диаметром 100 мм можно передавать в
час: 1,7 т поваренной соли, 1,4 т кальцинированной соды, 1 т чугунной стружки.
К основным достоинствам этих установок следует отнести:
§ полную герметичность и надежность;
§ высокую скорость транспортировки;
§ возможность перемещения пылевидных, гигроскопических пожароопасных
материалов;
§ незначительные потери материала.
Однако надо отметить, что установки пневмотранспорта не пригодны для перемещения влажных и абразивных материалов.
Пневматические установки делят на всасывающие, нагнетательные и смешанные.
Всасывающие - это установки, в которых материал перемещается по трубам
при давлении воздуха ниже атмосферного (до 0,01 MПа). Материал через сопло
вместе с воздухом засасывается в трубопровод. Основное количество материала
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отделяется в разделителе, затем в циклоне и фильтре. В установках этого типа
наблюдается большой расход энергии при всасывании, главным образом, из-за
малой концентрации твердой фазы в воздухе (10 кг/кг) и высокой скорости воздуха (20-30 м/с).
Нагнетательные - это установки, в которых материал перемещается по трубам сжатым до 0,8 МПа воздухом. Установки нагнетательного типа более экономичны, концентрация твердой фазы допускается до 100 кг/кг, возможно перемещение материала на большие расстояния (до 2000 м).
Установки смешанного типа - это установки, в которых часть трубопровода
работает под разрежением, а другая часть - под давлением
Любая установка пневмотранспорта состоит из загрузочного и разгрузочного устройств, трубопровода, аппаратов для очистки воздуха (циклоны, фильтры) и
воздуходувной машины (вакуумный насос, воздуходувка или компрессор).
Основными исходными данными для выбора и расчета транспортных устройств являются:
- физико-химические характеристики насыпных грузов (дисперсность, размер
кусков (зерен), удельный и насыпной вес, влажность, угол естественного откоса, абразивность);
- токсичность, пожароопасность и взрывоопасность материала;
- температура материала;
- возможность совмещения разных технологических операций (охлаждение,
сушка, доизмельчение и др.);
- траектория перемещения материала;
- производительность;
- режим работы.
На рис. 49 приведена схема пневматической установки транспортировки
твердых продуктов. Установка состоит из воздуходувки или компрессора (5),
всасывающего и нагнетающего трубопроводов (2, 6), системы улавливания,
которая имеет циклон (3, 7) и пылеулавливатель (4, 8).
Рис. 49. Схема пневматической установки:
1 – приемное сопло; 2 – всасывающий трубопровод; 3, 7 – циклон;
4, 8 – пылеулавливатель; 5 – компрессор; 6 – нагнетательный трубопровод.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перспективным способом является транспортировка сыпучих материалов в псевдоожиженном состоянии с применением инертного газа или смеси
воздуха с инертным газом.
Дозирование твердых веществ может производиться периодически или
непрерывно, способы дозирования – взвешивание или измерение объема.
При периодическом дозировании твердых веществ обычно употребляются весы. Непрерывное дозирование твердых материалов осуществляется
при помощи питателей и дозаторов различных конструкций. Из питателей, по
конструкции мало отличающихся от представленных выше транспортеров,
чаще всего применяются винтовые тарельчатые, плунжерные и ленточные питатели.
Оборудование для транспортировки и дозирования жидких и
газообразных продуктов
Для транспортировки жидкости по внутрицеховым трубопроводам, а
также от складов до места потребления, при небольшом их расположении друг
от друга, применяют насосы, вакуум, сжатый воздух или инертный газ, т. е.
следующими способами:
- объемными насосами - путем вытеснения жидкости из замкнутого пространства
насоса телами, движущимися возвратно-поступательно или вращательно;
- лопастными или центробежными насосами - за счет центробежной силы, возникающей в жидкости при вращении лопастных колес;
- вихревыми насосами - за счет интенсивного образования и разрушения вихрей,
возникающих при вращении рабочего колеса;
- струйными насосами - за счет движущейся струи воздуха, воды или пара;
- газлифтами (эрлифтами) - пневматическими подъемниками, в которых используется сжатый воздух или технический газ;
- монтежю и сифонами - перемещение жидкости под давлением воздуха, пара
или газа.
Однако перемещение жидкостей с помощью сжатого воздуха или вакуума ограничено ввиду их существенных недостатков.
Наиболее широкое применение находят поршневые и лопастные насосы.
Поршневые насосы рекомендуется применять для перекачивания небольших количеств жидкости при высоких напорах, а также для перекачивания вязких и текучих горячих и холодных жидкостей. К поршневым насосам
относятся приводные /ГОСТ 12052-66/, паровые /ГОСТ 11376-71/ и дозировочные.
Из лопастных насосов более широко применяются центробежно-консольные и центробежно-погружные. Центробежно-консольные выпускаются
типа Х /ГОСТ 10168-68/, 2Х – 6Т-1, 6Х-9Т-1 и ряд других.
Для перекачивания агрессивных жидкостей применяются погружные
центробежные насосы (рис. 50). Насос устанавливается на люке аппарата, монтежю, к которому прикрепляется с помощью фланца (3).
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Насос состоит из корпуса (4), вала (5), турбинки (7),
защитной втулки (8), всасывающего патрубка (9),
решетки (10), нагнетательного штуцера (2), улитки
(6). На крышке насоса установлен электродвигатель
(1). Насосы изготовляются из серого чугуна или
кислотостойкой стали. Глубина погружения насосов 2,5 – 3,3 м. При использовании погружных центробежных насосов удается предотвратить утечку
жидкостей через сальниковое уплотнение, в отличие от центробежно-консольных насосов. Производительность выпускаемых насосов от 3 до 20 м3/ч,
создаваемый напор до 30 метров.
Сжатый воздух получают обычно поршневыми
компрессорами, а вакуум – водокольцевым ротационным вакуум-насосом, схема которого изображена
на рис. 51.
Корпус (1) вакуумного насоса заливается наполовину водой. При вращении ротора (2) она отбрасывается к внутренним стенкам корпуса, образуя
вращающееся жидкостное кольцо, вследствие эксцентричного размещения ротора в корпусе, создается свободное серповидное пространство, перегоРис. 50. Погружной центро- раживаемое лопатками на изолированные камеры.
Газ всасывается через отверстия (4), расположенбежный насос
ные в самой свободной части серповидного пространства, и при дальнейшем перемещении, благодаря непрерывно уменьшающемуся свободному объему камер, сжимается и через отверстие (3) выталкивается в нагнетательный газопровод.
Рис. 51. Схема водокольцевого ротационного вакуум-насоса:
1 – корпус; 2 – ротор; 3 – нагнетательное отверстие; 4 - всасывающее отверстие.
Компрессоры - это машины, предназначенные для перемещения газа и повышения его давления.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Компрессорные машины, в зависимости от создаваемой степени сжатия,
т.е. отношения давления на выходе из нагнетательного патрубка к давлению на
входе во всасывающий патрубок и наличия охлаждения газа в процессе сжатия,
делятся на три класса:
- вентиляторы (степень сжатия 1-1,1);
- газодувки (степень сжатия 1,1-4);
- компрессоры (степень сжатия более 4).
Наибольшее распространение в химической промышленности получили
лопастные машины для транспортировки жидкостей и газов, так как они обладают рядом преимуществ перед поршневыми:
- более равномерная подача жидкости и газа;
- простота устройства и компактность;
- надежная работа при небольших давлениях и высокой производительности;
- возможность перекачивания агрессивных жидкостей и жидкостей (газов), содержащих твердые частицы.
К недостаткам центробежных машин следует отнести сравнительно небольшой КПД и некоторое уменьшение производительности при увеличении напора. Однако, несмотря на отмеченные недостатки, центробежные машины постепенно вытесняют поршневые в области умеренных давлений.
Поршневые машины применяются, главным образом, когда требуется перекачивать небольшие количества жидкости под большим (до 15 МПа и более)
давлением.
Для транспортировки больших количеств жидкости с небольшими напорами (до 10 - 15 м) применяют осевые (пропеллерные) насосы. Осевые насосы
имеют высокий КПД, компактны, быстроходны могут использоваться для перекачивания загрязненных и кристаллизующихся жидкостей. Осевые компрессоры применяют для сжатия любых газов при больших производительностях и
относительно высоких давлениях.
Для перекачивания высоковязких жидкостей, топлив, нефтепродуктов в
области подач до 300 м3/ч и давлений до 20 МПа применяют винтовые насосы,
эти машины компактны, бесшумны, быстроходны, их КПД составляет 0,75-0,8.
Для перекачивания вязких жидкостей, не содержащих твердых примесей,
при высоких давлениях и производительности 300—360 м3/ч используют шестеренные насосы.
Пластинчатые насосы используются для транспортировки чистых, без твердых примесей, жидкостей при умеренных давлениях и производительности 300350 м3/ч.
Вихревые насосы - просты, компактны и используются для перемещения
маловязких жидкостей с напором до 250 м и сравнительно высокой производительностью.
Поршневые компрессоры высокого давления используются в технологических схемах синтеза технических газов, для обдувки поверхностей нагрева котельных агрегатов и др.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Струйные насосы, монтежю, подъемники чаще всего используются в тех
случаях, когда недопустимо наличие движущихся и трущихся частей при перекачивании агрессивных и пожароопасных жидкостей.
Выбор насоса должен производиться для конкретных условий работы на
основе гидравлического расчета с учетом экономических требований и свойств
транспортируемой жидкости или газа.
Отмеривание жидкостей в производственных условиях производится периодически (мерниками) или непрерывно с помощью специальных приборов.
К мерникам предъявляется ряд требований: полная эвакуация жидкости из
мерника, наличие штуцеров для слива жидкости в емкость для хранения, повышенная точность отмеривания, установка контролирующих средств по отмериванию, возможность необходимого предварительного отстаивания содержимого мерника и т.д.
Материалами для изготовления мерников служат сталь, алюминий, сплавы титана. Внутреннюю поверхность мерников в случае необходимости гуммируют или футеруют. Мерники с плоскими днищами наиболее простые и
дешевые. Применяют их в тех случаях, когда к операции не предъявляют специальных требований. Эти мерники также не рассчитаны на работу под давлением. Мерники с коническими днищами применяются в тех случаях, когда при
отмеривании требуется полное удаление жидкости или предварительное отстаивание.
На рис. 52 и 53 представлены мерники с вогнутыми и сферическими
днищами.
Рис. 52. Мерник с вогнутым днищем и плоской крышкой
Рис. 53. Мерник со сферическими днищем и
крышкой
Мерники с вогнутыми днищами и плоскими крышками применяются
при таких операциях, когда требуется полная эвакуация жидкости. Такие мерники несколько удобнее при монтаже, чем мерники с коническими днищами.
Мерники со сферическими днищами и крышками служат для отмеривания при
разрежении или под давлением.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Все рассмотренные мерники соединяются с атмосферой через соответствующую запорную арматуру. При помощи мерников измеряют вес или объем
жидкости. В первом варианте мерники устанавливают на весах, во втором –
снабжают измерительными устройствами.
2.2. Аппараты для разделения неоднородных систем
Неоднородные системы подразделяются на жидкие (эмульсии и суспензии)
и газовые - аэрозоли (пыль, туманы, дым). Для разделения суспензий применяют
фильтры, для эмульсий - центрифуги и сепараторы, для разделения аэрозолей аппараты сухой и мокрой пылеочистки и электрофильтры.
Фильтрующая аппаратура
Фильтрацией называют процесс разделения суспензий с помощью пористой перегородки, пропускающей жидкость, но удерживающей частицы
твердой фазы.
В качестве фильтровальных перегородок используют различные ткани,
проволочные и полимерные сетки, металлические, стеклянные, керамические
пористые пластины и др.
В зависимости от способа работы различают фильтры периодического и
непрерывного действия.
К наиболее распространенным фильтрам периодического действия относятся нутч-фильтры, друк-фильтры, фильтр-прессы и листовые фильтры.
Рис. 54. Нутч-фильтр
Простейший нутч-фильтр (рис. 54) представляет собой коробку открытую сверху, с двойным дном, причем верхнее ложное дно выполняется в виде
решетки, на которую укладывается фильтрующая ткань или пористая керамическая плитка. В пространство между дном аппарата и ложным днищем вво76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дится вакуумная линия, по которой отсасывается фильтрат. Основной недостаток нутч-фильтра – ручная выгрузка осадка. В некоторых конструкциях предусмотрены мешалки для механизированной выгрузки осадка.
Друк-фильтр с механизированной выгрузкой осадка (рис. 55) имеет
решетку (4) с фильтрующей тканью.
Рис. 55. Друк-фильтр
На решетку подается суспензия, а затем создается избыточное давление
0,2 Мн/м2 с помощью сжатого воздуха. Выгрузка осадка производится через
боковой люк с помощью мешалки (5). Наклонно поставленные гребки мешалки перемещают осадок от центра к периферии. Во время фильтрации мешалка
находится выше поверхности зеркала фильтрации. После окончания фильтрации мешалка медленно опускается и, вращаясь, удаляет слой осадка. Подъем
мешалки осуществляется гидравлическим цилиндром (2). Для облегчения обслуживания фильтрующей поверхности и смены ткани днище фильтра опускается с помощью гидравлического цилиндра (3) на 0,4 – 0,5 м.
В зависимости от коррозийных свойств среды, фильтры изготавливаются из кислотостойкой стали или стали с эмалированными рабочими поверхностями.
Большое распространение получили фильтры периодического действия рамного типа благодаря простому устройству и возможности осуществлять
фильтрацию при повышенном (до 0,5 МПа) давлении. Типичным представителем аппаратов данного типа является плиточный рамный фильтр-пресс, имею77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щий большую удельную поверхность и высокую производительность благодаря
значительной движущей силе. Движущей силой процесса фильтрации является
разность давлений над осадком и под фильтрующей перегородкой. Однако негерметичность, сложность и трудоемкость разгрузки фильтра ограничивают область их использования. В основном рамные фильтр-прессы применяют для разделения малоконцентрированных суспензий, жидкая фаза которых или промывная жидкость не являются ядовитыми, пожароопасными и легколетучими веществами.
Фильтр-пресс (рис. 56) состоит из комплекта плит (2) и рам (3), разделенных фильтрующей тканью.
Рис. 56. Фильтр-пресс:
1 – упорная плита; 2 – плита; 3 – рама; 4 – опорные балки; 5 – нажимная плита; 6 –
винт зажима; 7 – зажимное устройство; 8 – стойка зажимного устройства; 9 – корыто с
крышкой для отвода фильтрата.
Весь комплект сжимается с помощью гидравлического или механического зажимного устройства. Плиты и рамы имеют отверстия. При сборке
комплекта эти отверстия совмещаются и образуют канал для подачи суспензии
и промывной жидкости. Суспензия подводится в аппарат под давлением и через отверстия в верхних стенках рам попадает в камеры, образованные плитами и рамами. Фильтрат стекает по вертикальным канавкам, выполненным на
поверхности плит, и выводится из плит по внутренним каналам. По мере заполнения камеры осадком фильтрацию прекращают, в случае необходимости
промывают и продувают осадок, затем раздвигают комплект плит и рам и выгружают осадок. Основой фильтра служат упорная плита (1) и головка, связанные двумя стяжками (4). На стяжки опираются плиты и рамы, по ним же
перемещается подвижная рама (5), связанная с зажимным механизмом. Сила
сжатия, создающаяся зажимным устройством, весьма велика и составляет десятки тонн. Фильтрат поступает из краников, установленных на плитах, в корыто и уходит в сборник. Осадок выгружается в выдвижное корыто, в бункер.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Достоинства фильтр-пресса – большая поверхность фильтрации, возможность создания значительного перепада давления, что позволяет фильтровать в нем трудно фильтрующиеся суспензии.
Меньшие размеры при той же поверхности фильтрации имеет камерный
фильтр-пресс.
Рис. 57. Автоматический камерный фильтр-пресс с механическим зажимом плит:
1 – фильтрующие рамы; 2 – фильтровальная ткань; 3 – ножи; 4 – затяжное устройство; 5 –
упорная плита; 6 – стойка; 7 – нижняя нажимная плита; 9 – камера регенерации; 10 – механизм
передвижения ткани.
Существенным недостатком обычных рамных и камерных фильтр-прессов
является длительность и трудоемкость выгрузки осадка, которая обычно проводится вручную. Поэтому, несмотря на простоту их конструкции и низкую металлоемкость, их заменяют автоматизированными камерными фильтр-прессами
с горизонтальным и вертикальным расположением пакетов из фильтровальных
плит (ФПАК и ФПАКМ). На рис. 57 представлена схема устройства автоматического фильтр-пресса.
Фильтр-пресс собирается из ряда горизонтально расположенных фильтрующих рам (1), зажатых между крайними плитами – верхней (5) и нижней
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(7). Фильтрующая ткань (2) натянута между плитами при помощи натяжных
роликов (4). Фильтруемая суспензия подается по верхней линии одновременно
во все камеры, фильтрат удаляется по нижней линии. Для уплотнения зазора
между плитами поставлены шланги, в которые подается вода под давлением 8
-10 атм. Фильтрация проводится под давлением до 5 атм. После окончания
фильтрации отключается подача воды в уплотнительные шланги, затем автоматически включается электродвигатель, приводящий в движение ленту (10).
Осадок с ленты срезается ножами (3), собирается в корыте и далее шнеками
выводится из аппарата. Фильтрующая ткань на участке (9) проходит специальную камеру, где она регенерируется.
Основные преимущества такого фильтра - возможность фильтрации и отжима осадков при давлениях до 1,5 МПа и полная автоматизация процесса. Эти
фильтры широко используются для установок очистки сточных вод.
К аппаратам непрерывного действия относится барабанный вакуумфильтр, представляющий собой медленно вращающийся цилиндрический барабан с двойной стенкой и работающий под вакуумом (рис. 58).
Рис. 58. Барабанный вакуум-фильтр
В зависимости от назначения барабанные вакуум-фильтры изготавливают с
различными углами погружения барабана (от 80 до 270°).
Фильтры малого погружения в основном используются для легко фильтруемых суспензий; для трудно фильтруемых используются фильтры с углом погружения около 200°; для низко концентрированных суспензий с волокнистой
твердой фазой - фильтры с углом погружения 210-270°. Фильтры общего назначения имеют угол погружения в пределах 135—145°.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основной элемент барабанного вакуум-фильтра – вращающийся барабан, покрытый фильтровальной тканью, внутри которого при помощи вакуумнасоса создается разряжение.
Внутренняя полость барабана разделяется продольными перегородками
на отдельные секции. Барабан вращается на валу, один конец которого соединен с приводом, а полая цапфа другого примыкает к распределительному устройству. Поверхность барабана частично погружена в суспензию, находящуюся в корыте. Каждая секция барабана с помощью трубки соединена с распределительным устройством. При вращении барабана каждая секция соединяется с различными полостями неподвижной головки распределительного устройства и проходит последовательно зоны фильтрования, первой подсушки,
промывки, второй подсушки, удаления осадка и регенерация ткани.
В зоне фильтрования (зона I) поверхность секции соприкасается с суспензией, находящейся в корыте, а трубка соединена с источником вакуума.
При этом жидкость уходит через трубку в сборник фильтрата, а на поверхности секции образуется осадок. При дальнейшем повороте барабана секция
поднимается из суспензии и под действием вакуума воздух вытесняет из пор
осадка остатки фильтрата (II зона первой подсушки). Затем фильтрующая секция попадает в зону, где осадок промывается путем орошения водой. Промывные воды также отсасываются вакуумом, но через другую полость головки.
В зоне второй подсушки из осадка удаляются остатки промывных вод.
В зоне удаления осадка (зона III) секции соединяются с линией сжатого
воздуха, который отдувает осадок от ткани. Разрыхленный слой осадка срезается ножом. Регенерация фильтровальной ткани производится продувкой ее
сжатым воздухом (зона IV).
Чтобы предотвратить отрыв ткани от поверхности барабана, ткань обматывают проволокой.
Важная деталь фильтра – распределительная головка, при помощи которой производится чередование циклов процесса фильтрации. Головка состоит
из тщательно пришлифованных дисков – вращающегося и неподвижного. Отверстия подвижного диска, связанные с соответствующими секциями барабана, последовательно соединяются с различными полостями неподвижного
диска.
Барабаны вакуум-фильтров имеют диаметр до 3,5 м и длину до 8 м. Поверхность их достигает 100 м2. Барабан вращается со скоростью 1-3 об/мин.
Осадок снимается с ткани ножом или роликом, который прижимается к фильтрующей поверхности.
Основным недостатком этих фильтров является их громоздкость. В этом отношении более выгодными являются ячейковые дисковые вакуум-фильтры, в которых фильтрующая поверхность образована несколькими полыми дисками. Эти
фильтры преимущественно применяются в крупнотоннажных производствах, горнорудной, металлургической и угольной промышленности.
Тарельчатые вакуум-фильтры применяются для разделения крупнозернистых быстро осаждающихся суспензий, так как направления фильтрации и от81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стаивания суспензии совпадают. Тарельчатые вакуум-фильтры в основном применяются для обезвоживания и промывки крупнозернистых концентратов каменного угля и других кристаллических продуктов. К недостаткам этих фильтров можно отнести их большие размеры и неравномерность промывки осадка
из-за разной линейной скорости его движения в центральной и периферийной
частях зоны промывки. Эти недостатки отсутствуют у ленточных вакуумфильтров, область применения которых аналогична области применения тарельчатых вакуум-фильтров.
Ленточные вакуум-фильтры. Имеют примерно вдвое большую производительность по сравнению с барабанными фильтрами и широко используются в
химической промышленности.
Производительность барабанного фильтра, работающего под давлением, в
1,5-2 раза превышает производительность обычного барабанного фильтра. Кроме
того, использование барабанных фильтров под давлением позволяет снизить остаточное влагосодержание осадка и расход промывной жидкости. Полная герметичность аппарата позволяет использовать его для разделения суспензий, жидкая
фаза которых представляет собой легкокипящее или ядовитое вещество.
Основными исходными данными для расчета или выбора фильтра являются следующие:
§ характеристика суспензий (физико-химические свойства, концентрация,
крупность и плотность твердой фазы, свойства жидкой фазы, характер образующегося осадка и др.);
§ условия работы (непрерывный или периодический процесс);
§ рабочая температура и давление;
§ свойства и толщина осадка;
§ категория исполнения аппарата по возможности обработки в нем взрывоопасных и токсичных веществ;
§ конструкционный материал и материал фильтрующей перегородки;
§ степень автоматизации и механизации и др.
Кроме того, для окончательного выбора фильтра необходимо иметь сведения об опыте применения данного фильтра в аналогичных условиях и производствах.
Центрифуги
Широкое применение находят центрифуги. Центрифугирование - это
процесс механического разделения неоднородных систем в поле центробежных
сил, создаваемых во вращающемся барабане центрифуги. В центрифугах разделяют самые разнообразные неоднородные системы: суспензию поливинилхлоридной смолы, сырую нефть, смеси кристаллов солей с маточными растворами,
шламы, смазочные и растительные масла и др.
По характеру работы они делятся на осадительные и фильтрующие, по
принципу действия на непрерывные и периодически действующие, по способу
разгрузки на центрифуги с ручной и механизированной выгрузкой. Различают
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
центрифуги с горизонтальным и вертикальным ротором. Осадительные центрифуги имеют сплошной ротор, фильтрующие – перфорированный, покрытый фильтрующей тканью.
В химической промышленности используются центрифуги с пульсирующей
выгрузкой осадка для разделения суспензий с кристаллической твердой фазой и
при обработке волокнистых материалов. Главные преимущества этих центрифуг высокая производительность и непрерывность работы. Они выпускаются одно-,
двух- и многокаскадными.
Осадительные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка предназначены
для разделения суспензий с нерастворенной твердой фазой. Это центрифуги непрерывного действия, их применяют для обезвоживания кристаллических и зернистых продуктов, для классификации материалов по крупности, а также для
осветления суспензий малой концентрации.
Центрифуги непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка работают под действием составляющих инерционных, центробежных и вибрационных сил. Основное отличие их от центрифуг со шнековой выгрузкой заключается в отсутствии каких-либо выгружающих устройств.
Осадительные сверхцентрифуги (скоростные), предназначенные для разделения стойких эмульсий и осветления тонких, низко концентрированных суспензий с размером твердых частиц от 0,1 мкм, называются сепараторами.
В зависимости от назначения сепараторы делятся на разделяющие и осветляющие, однокамерные и многокамерные, при этом многокамерные пригодны
для классификации суспензий по размерам частиц.
Трехколонная центрифуга с нижней выгрузкой
К числу наиболее распространенных центрифуг периодического действия относятся трехколонные центрифуги с нижней выгрузкой (рис. 59).
Корпус центрифуги подвешен при помощи тяг на трех колоннах, вибрация барабана воспринимается пружинами. Привод центрифуги - от электродвигателя (5) через клиноременную передачу. Ротор мешалки сблокирован с
электродвигателем. Блокирующее устройство автоматически тормозит ротор
при выключении двигателя. Трехколонные центрифуги нормализованы и выпускают их с фильтрующими и осадительными роторами с диаметром от 450
до 1500 м. Основной недостаток этих центрифуг – тяжелая ручная выгрузка и
периодичность работы.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 59. Трехколонная центрифуга с нижней выгрузкой осадка
Автоматическая подвесная центрифуга периодического действия
Также весьма распространенной в химических производствах является
подвесная центрифуга с нижней выгрузкой (рис. 60). Вал этой центрифуги
подвешен к опоре, включающей в себя шариковые и роликовые подшипники,
и расположенной значительно выше центра инерции вращающейся системы.
Благодаря такой подвеске достигается большая устойчивость системы и ее самоцентрируемость.
Операции рабочего цикла, например, центрифуги АПН-1250 осуществляется в следующей последовательности:
1) скорость вращения ротора доводится до 180-270 об/мин;
2) открывается кольцевой клапан, вследствие чего происходит заполнение
ротора центрифугируемым продуктом;
3) путем подачи воды через специальные сопла кольцевой канал очищается
от продукта и скорость ротора доводится до 480 об/мин, а затем до рабочего – 1500 об/мин;
4) осуществляется центрифугирование продукта;
5) по сигналам реле времени, которым можно задаваться, производится
промывка осадка, торможение ротора до скорости 300, а затем до
50-100 об/мин;
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6) производится выгрузка осадка из ротора скребком, возвращение скребка
в исходное положение и закрытие задвижки ротора.
Затем цикл автоматически повторяется в той же последовательности.
Рис. 60. Автоматическая подвесная центрифуга периодического действия АПН-1250
Наличие автоколебаний навесных центрифуг при срезе осадка обуславливает необходимость устанавливать зазор между лезвием ножа и стенкой ротора, превосходящий по величине амплитуду автоколебаний. Серьезным недостатком существующих вертикальных центрифуг является необходимость
останавливать их или уменьшать число оборотов ротора для выгрузки осадка,
из-за чего непроизводительно расходуются время и энергия.
Гидроциклоны
Для сгущения, осветления и классификации суспензий в химической, нефтеперерабатывающей и горнорудной отраслях промышленности, а также в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод широко используются гидроциклоны. Это аппараты, в которых разделение жидких систем происходит под
действием центробежных сил, возникающих в закрученном потоке жидкости.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По назначению гидроциклоны делятся на классификаторы, сгустители и
разделители.
Эффективность работы гидроциклона зависит от многих факторов, которые
необходимо учитывать при выборе типа аппарата:
§ диаметр конуса (с увеличением диаметра увеличивается его производительность, однако качественные показатели работы ухудшаются);
§ диаметры питающего, сливного и разгрузочного патрубков;
§ характеристика эмульсий и суспензий;
§ давление на входе;
§ концентрация и размер частиц твердой фазы в исходном продукте;
§ разность плотностей твердой и жидкой фаз и др.;
§ режимные параметры процесса.
Для увеличения производительности гидроциклона применяют одно- и
двухступенчатые батарейные гидроциклоны.
Пылеочистное оборудование
Многие виды химического оборудования (сушилки, смесители, диспергаторы и др.) не могут работать без эффективной системы, предназначенной для
очистки газов от взвешенных в них твердых частиц или капель жидкостей.
Различают три вида аэрозолей - пыль, туман и дым. Размеры частиц пыли 370 мкм. Она образуется при сушке, дроблении, транспортировке сыпучих материалов. Дым получается при сгорании топлива или конденсации паров, при этом
образуются твердые и жидкие частицы размером 0,3-5,0 мкм. Дисперсная фаза
тумана представляет собой капельки жидкости также размером 0,3-5,0 мкм.
С целью охраны окружающей среды промышленные газы очищают от взвешенных частиц. Кроме того, газы очищают с целью улавливания ценных продуктов или вредных примесей, которые затрудняют последующую его переработку.
Используются следующие способы разделения: осаждение частиц в гравитационном, электрическом и центробежном поле; фильтрование запыленных газов через пористые перегородки; улавливание частиц жидкостью (мокрая очистка), абсорбция.
Для выделения твердых частиц из запыленного газа под действием центробежных сил используют циклоны. В химической промышленности используются различные конструкции циклонов. Для обеспечения заданной производительности часто используют не один, а несколько параллельно работающих циклонов - групповые и батарейные. Использование нескольких циклонов меньшего
диаметра вместо одного - большего - предпочтительнее, так как при одинаковой
линейной скорости газа в циклоне малого диаметра развиваются большие центробежные силы и обеспечивается лучшее пылеулавливание. В электрофильтрах для
отделения твердых частиц из газа используют осаждение их в электростатическом поле. Электрофильтры имеют множество труб круглого или шестигранного
сечения, установленных в корпусе аппарата. Вместо труб можно использовать
сетки, решетки и пластины из металла. Проходя по трубам или пластинам, час86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тицы приобретают отрицательный заряд и осаждаются на положительно заряженных пластинах или трубах. Для удаления пыли фильтр отключают от источника напряжения, а трубчатые или плоские электроды встряхивают. Электрофильтры используют для наиболее полной очистки газа от мельчайших частичек
пыли и капель размером от 0,005 мкм. Эти аппараты применяют, например, для
извлечения ценных металлов при переработке полиметаллических руд, в производстве серной кислоты для очистки газа от огарковой пыли, мокрые циклоны
применяются для улавливания капелек кислоты и примесей из газа, поступающего в контактное отделение.
Газовые неоднородные системы можно разделить фильтрованием через пористые перегородки, задерживающие взвешенные твердые частицы и пропускающие сплошную фазу. В химической промышленности наиболее распространены рукавные фильтры, в которых используются фильтровальные материалы из
натуральных и синтетических волокон, работающие при температуре не выше 250
°С и обладающие хорошей коррозионной стойкостью. В связи с этим для очистки горючих и агрессивных газов от пыли применяют керамические и порошковые фильтры, обладающие высокой термо- и кислотостойкостью.
Мокрые фильтры или скрубберы - это аппараты мокрой очистки газов от
растворенных вредных примесей и взвешенных твердых частиц. Очистка газов
происходит за счет прилипания твердых частиц к поверхности жидкости с последующим переходом их в жидкую фазу. Мокрые пылеуловители отличаются сравнительно небольшой стоимостью и обычно более эффективны, чем сухие.
Конструкции аппаратов мокрой очистки весьма разнообразны: полые
форсуночные скрубберы, барботажные и пенные аппараты, аппараты ударноинерционного действия, орошаемые циклоны, скоростные промыватели и др.
При выборе типа аппарата для пылеочистки необходимо учитывать следующие факторы:
§ взрывоопасность и агрессивность пыли;
§ размер частиц пыли;
§ концентрацию пыли;
§ нужная степень удаления частиц определяется санитарно-гигиеническими нормами для чистоты атмосферного воздуха либо условиями работы технологического оборудования;
§ температуру, влажность, скорость газа;
§ наличие влаги и агрессивных компонентов в газах, их количество и температура;
§ объем аппарата и скорость потока, предпочтительнее более компактные аппараты, несмотря на их большую энергоемкость;
§ возможности и особенности пылеуловителя;
§ гидравлическое сопротивление и возможности автоматизации и др.
Таким образом, при выборе типа установки для пылеочистки необходимо,
наряду с вышеперечисленными факторами, учитывать технико-экономические
показатели и специфику производств.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3. Дробилки и мельницы
В химико-технологических процессах измельчение (диспергирование)
твердой фазы производится с целью:
- уменьшения размеров кусков твердых материалов (исходное горно-химическое
сырье, обжиг и др.);
- раскрытия зерен чистых включений, входящих в состав сростков перед процессами механического обогащения продуктов;
- увеличения свободной наружной поверхности зерен твердого материала перед
операциями растворения, экстрагирования, химического взаимодействия, и т.д.
В зависимости от размеров исходного и измельченного материала различают несколько классов измельчения (табл. 6).
Для характеристики измельченного материала используют линейную степень измельчения i = dн /dк; объемную степень измельчения i’ = d3н /d3к; удельную поверхность, фракционный (гранулометрический состав), характеристику по
верхнему (—d) и нижнему (+d) пределу.
В зависимости от физико-химических свойств материалов существуют четыре основных метода измельчения: раздавливанием, раскалыванием, истиранием и ударом.
Таблица 6
Классы измельчения
Класс измельчения
Дробление:
крупное
среднее
мелкое
Помол:
грубый
средний
тонкий
коллоидный
Размер кусков, мм
исходных
полученных
1000
250
20
250
20
1-5
1-5
0,1-0,04
0,1-0,04
<0,1
0,1-0,04
0,015-0,005
0,005-0,001
< 0,001
Для крупного и среднего дробления используются щековые, конусные и
зубовалковые дробилки. Измельчение в этих дробилках происходит в основном за счет раскалывания и размалывания. Эти аппараты позволяют получить
измельченный материал с размером частиц до 20 мм.
Измельчающие машины истирающе-раздавливающего действия - это бегуны, гладкие валки. Измельченный материал имеет размер частиц до 40 мкм и ниже. Для получения более тонкодисперсного материала используются мельницы барабанные (шаровые, стержневые) и газоструйные. Измельчение материала
происходит за счет удара и истирания.
Высокая степень измельчения не может быть получена в одном аппарате
или в нескольких аппаратах одной конструкции. Процесс измельчения чаще всего является процессом многостадийным, и каждой стадии измельчения отвечает
своя оптимальная степень измельчения.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На практике установлено, что в аппаратах доля крупного и среднего дробления (при кусках более 50 мм), степень измельчения (i) составляет 2-3, для мелкого
дробления (от 50 до 5 мм) i = 3-5. При более тонком измельчении i = 6-8. Зная требуемую степень измельчения, с учетом указанных конкретных степеней измельчения, можно определить число стадий процесса измельчения.
Все технологические схемы измельчения должны быть построены так, чтобы сократить степень возможного переизмельчения продукта.
Во-первых, желательно сразу, до начала процесса, удалить из исходного
сырья ту его часть, которая представляет собой уже готовый продукт, т.е. все
зерна целевой фракции, и уже переизмельченные зерна. Это сократит количество измельчаемого сырья и предотвратит неоправданные расходы энергии на переизмельчение целевого продукта и на бессмысленное дальнейшее измельчение
уже переизмельченной фракции. Для этого целесообразно прибегнуть к предварительной классификации исходного материала по крупности частиц, на измельчение должен поступать, по возможности, только недоизмельченный продукт.
Во-вторых, режим измельчения должен быть построен так, чтобы измельченный материал не задерживался на длительный срок в измельчительных установках. Тогда полученный продукт не будет доизмельчаться и переизмельчаться.
Однако сокращение времени пребывания частиц в измельчающем устройстве делает более вероятным прохождение недоизмельченных частиц через весь
аппарат без требуемой степени измельчения. Поэтому из аппарата может выходить продукт со значительным содержанием недоизмельченной фракции. В этом
случае на выходе из аппарата необходимо поставить классифицирующее устройство, отделяющее готовый продукт от недоизмельченной фракции. Выделенная недо-измельченная фракция будет поступать на повторное измельчение.
Выбор той или иной схемы измельчения (аппаратов для измельчения) зависит от следующих факторов:
§ физико-химических свойств измельчаемого материала (твердость, хрупкость,
налипание, сыпучесть, насыпной вес и др.);
§ размера частиц исходного материала;
§ степени измельчения;
§ степени использования полезного объема измельчительных установок;
§ данных по производительности рекомендуемых измельчителей и др.
Измельчители можно разделить на следующие основные группы:
1) раскалывающего и разламывающего действия;
2) раздавливающего действия;
3) истирающе-раздавливающего действия;
4) ударного действия;
5) ударно-истирающего действия;
6) коллоидные измельчители.
В основу предлагаемой классификации измельчителей положен главный
способ, которым в нем измельчается материал.
Измельчители раскалывающего и разламывающего действия:
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- щековые дробилки;
- конусные дробилки;
- зубовалковые дробилки.
Измельчители раздавливающего действия:
- гладковалковые дробилки;
- ролико-кольцевые мельницы:
- горизонтальные;
- вертикальные.
Измельчители истирающе-раздавливающего действия:
- жерновые мельницы;
- бегуны;
- катково-тарельчатые мельницы;
- шаро-кольцевые мельницы;
- бисерные мельницы.
Измельчители ударного действия:
- молотковые мельницы;
- дезинтеграторы и дисмембраторы;
- центробежные мельницы;
- барабанные мельницы;
- газоструйные мельницы.
Измельчители ударно-истирающего действия:
- вибрационные мельницы;
- планетарные мельницы;
- гироскопические мельницы.
Коллоидные мельницы:
- конусные;
- бильные (кавитационные);
- виброкавитационные;
- реактроны.
На рис. 61 показаны шаровые мельницы периодического действия, применяемые при перетире паст с металлическими шарами и броней (а) и с керамическими шарами и футеровкой (б).
Особенности мельниц: гладкая поверхность футеровки барабана, наличие
рубашки у мельниц со стальными шарами и установка решетки с отверстиями
малых размеров над разгрузочным патрубком для задержания мелющих тел и
образующихся при их раскалывании кусков.
При получении пигментных суспензий белых и светлых колеров, а также,
когда недопустим примол металла, применяют мельницы с шарами и футеровкой
из керамики (фарфора, ультрафарфора, стеатита, уралита и др.). В остальных
случаях используют мельницы со стальными шарами. Футеровка мельниц со
стальными шарами состоит не из отдельных плит (рис. 61, а), а из съемной цилиндрической обечайки из листовой стали, вставляемой в корпус мельницы.
Шаровые мельницы периодического действия для диспергирования пигментов в связующих выпускаются емкостью от 0,1 до 8 м3.
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 61. Шаровые мельницы со стальными (а) и керамическими шарами (б):
1 – корпус; 2 – футеровка; 3 – загрузочный люк; 4 – рубашка; 5 – зубчатый венец; 6 – редуктор;
7 – электродвигатель; 8 – решетка; 9 – разгрузочный патрубок; 10 – стойка; 11 – днище.
Шаровые мельницы с мешалкой, известные под названием Атриторы, выпускаются периодического (рис.62,а) и непрерывного действия (рис. 62,б).
Рис. 62. Шаровые мельницы (атриторы) периодического (а) и непрерывного действия (б) с мешалками: 1 – корпус; 2 – рубашка; 3 – вал; 4 – лопасти; 5 – циркуляционная труба.
В корпусе мельницы, заполненного шарами, вращается вал с лопастями, расположенными по спирали под углом 60 – 90о друг к другу. Длина лопастей составляет ~0,8 радиуса цилиндрического корпуса. При вращении мешалки создается интенсивное движение шаров вокруг движущихся лопастей, а также их колебательное движение при прохождении последних через слой шаров.
На рис. 62, а показана конструкция мельницы периодического действия. Лопасти мешалки чаще всего круглые. Скорость вращения мешалки в зависимости
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
от типоразмера машины колеблется от 60 до 250 об/мин. Корпус снабжен рубашкой. В мельницах периодического действия в процессе диспергирования осуществляют рециркуляцию суспензии с помощью насоса. Пигментную суспензию из
нижней части корпуса насосом подают в верхнюю. Этим же насосом ускоряют
разгрузку суспензии и перекачивают ее в приемники.
Диаметр стальных и керамических шаров в мельницах периодического действия составляет 7 – 5 мм, а в мельницах непрерывного действия не более 3 мм.
В мельницах непрерывного действия (рис. 62, б) пигментная суспензия подается насосом в нижнюю часть корпуса и разгружается через решетку, расположенную в верхней части корпуса.
В бисерных машинах непрерывного действия, называемых также песочными, в цилиндрическом корпусе (рис. 63) с большой скоростью (500 –
1500 об/мин) вращается вал с дисками.
Рис. 63. Бисерная машина: 1 – вал с дисками; 2 – корпус; 3 – электродвигатель; 4 – станина.
Корпус заполнен на 50 – 60 % бисером из специальных сортов стекла или
песком с округленными гранями размерами 0,6 – 2 мм. Вследствие вязкого трения, возникающего на поверхности вращающегося диска, смесь бисера с пастой
центробежными силами отбрасывается вдоль диска к стенкам корпуса и возвращается в многократно циркулирующий между дисками поток.
2.4. Сушилки
Сушка - это процесс удаления влаги из твердого (пастообразного) материала
путем испарения. Сушку материалов можно производить естественным и искусственным способом. Естественная сушка на открытом воздухе малоэффективна,
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
так как требует больших площадей, является весьма продолжительной и зависит
от времени года и влажности воздуха.
Наиболее эффективным способом является искусственная сушка, производимая в специальных устройствах - сушилках, в которых сушильный агент, поглотивший пары влаги, отводится от поверхности, высушиваемого материала
при помощи вентиляторов, инжекторов и других устройств.
Сушилки, применяемые в химической промышленности, обычно классифицируются по способу подвода теплоты к высушиваемому материалу:
§ конвективные (для сушки материалов в слое, барабанные, для сушки материалов в режиме псевдоожижения и фонтанирующего слоя, распылительные,
в режиме пневмотранспорта и др.);
§ кондуктивные (полочные, вальцовые, вакуумные, сушильные шкафы и др.);
§ специальные (высокочастотные, радиационные, сублимационные).
Большое распространение получили конвективные сушилки, в которых в
качестве сушильного агента используют топочные газы, воздух или смеси воздуха и топочных газов. Основным способом передачи тепла в этом случае является конвекция.
В кондуктивных сушилках необходимая для сушки теплота передается теплоносителем влажному материалу через разделяющую их стенку. Здесь основной
способ передачи тепла - теплопроводность.
Специальные сушилки являются дорогостоящими и применяются реже,
чем обычные конвективные или кондуктивные сушилки.
Полочная и камерная сушилки периодического действия широко используются для сушки различных порошкообразных материалов - центрифугированного осадка, пигментов, силикатных материалов (цемент, глина и др.).
Для сушки термочувствительных кристаллических материалов, а также
крупных изделий (например: кирпич, керамика, фарфор, осадок вискозы, пиломатериалы и др.) применяются полочные вакуум-сушилки периодического действия.
Сушку материалов, чувствительных к высокой температуре, производят
в вакуум-сушилках с мешалками (рис. 64).
Сушилка состоит из корпуса 1 с паровой рубашкой 2 и горизонтальной
мешалкой 3. Гребки мешалки насажены на квадратный вал, причем одна половина гребков имеет правое направление, другая – левое. Гребки – литые из чугуна или стали.
Мешалка приводится в действие от трансмиссии или электродвигателя
через редуктор, причем привод 4 снабжен автоматическим переключателем,
меняющим направление вращения вала сушилки через каждые 8 мин.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 64. Вакуум-сушилка с мешалкой:
1 – корпус; 2 – паровая рубашка; 3 – горизонтальная мешалка; 4 – привод.
Туннельные полочные сушилки непрерывного действия широко применяются для сушки твердых материалов и изделий разных форм и размеров, например на заводах строительных материалов, керамических изделий, производствах вискозы и др.
Рис. 65. Туннельная сушилка:
1 – двери; 2 – вентилятор; 3 – каналы для отработанного воздуха; 4 - калорифер;
5 – вагонетка; 6 – канал; 7 – лебедка для передвижения вагонеток; 8 – рельсовый путь.
Туннельная сушилка (рис. 65) представляет собой камеру, состоящую из
одного или нескольких параллельно расположенных закрытых каналов 6, в которых высушиваемый материал медленно перемещается в вагонетках 5. Через
известные промежутки времени вагонетки с сухим материалом выводятся из
одного конца канала, а с другого конца вводится такое же количество вагонеток со свежим материалом. Сушильный агент просасывается вдоль канала вентилятором 2, установленным со стороны выхода вагонеток. Подогрев сушильного агента (в данном случае воздуха) осуществляется при помощи калорифера 4.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Распылительные сушилки нашли широкое применение для сушки эмульсий, суспензий, шламов, экстрактов и других материалов, в том числе в производстве минеральных удобрений и солей.
Вращающийся сушильный барабан - недорог, работает в широком интервале
мощностей, используется для сушки материалов различных по степени дисперсности и природе, но не мелких и не чувствительных к нагреву.
Вальцовые сушилки, работающие под вакуумом или при атмосферном давлении, применяются для сушки паст, шламов, суспензий, отработанных щелоков, каучукового латекса и др.
На рис. 66 изображена одновальцовая сушилка, применяемая для сушки
жидких материалов.
Рис. 66. Одновальцовая сушилка: 1 – корыто; 2 – шнековый транспортер; 3 – нож;
4 – барабан; 5 – кожух; 6 - запасной бак; 7 – насос.
В корыте 1 вращается барабан 4, часть поверхности которого погружена
в жидкость. Горячий воздух омывает барабан, проходя в направлении противоположном вращению барабана внутри кожуха 5. Тонкий слой высушенного
материала снимается с барабана ножом 3. Выпущенный материал отводится
шнековым транспортером 2. Из запасного бака 6 высушиваемый жидкий материал подается насосом 7 в корыто 1.
Для того чтобы правильно выбрать сушильное оборудование, необходимо
учитывать следующие факторы:
§ свойства высушиваемого материала (размер частиц, агрессивность, токсичность, воспламеняемость, абразивные свойства, физические характеристики
сухого и влажного материала);
§ сушильные характеристики материала (начальное и конечное влагосодержание, тип влаги, допускаемая температура сушки, вероятная продолжительность сушки);
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
§ подача материала в сушилку и выгрузка из нее (часовая производительность,
непрерывный или периодический процесс и т.д.);
§ качество продукта (усадка, пересушивание, равномерность распределения остаточной влаги, разложение продукта, температура, степень измельчения
при сушке, насыпная плотность и др.);
§ проблемы регенерации пыли и растворителя;
§ условия на месте предполагаемой установки аппарата (занимаемое пространство, наличие топлива, температура, влажность и чистота воздуха, способ подачи влажного материала и разгрузки и др.).
2.5. Смесители для твердых сыпучих тел
Аппараты для перемешивания твердых сыпучих материалов по конструкции можно разделить на несколько групп:
1) смесители с вращающимися лопастями;
2) шнековые смесители;
3) смесовые барабаны;
4) смесители с поступательно-движущимися лопастями.
Последние применяются для перемешивания значительных количеств
твердых материалов, расположенных на большой площади в тонком слое, и в
химической промышленности практически не применяются.
Смесители периодического действия
Смесители с вращающимися лопастями. Для перемешивания сыпучих материалов широко применяют смесители с мешалками, состоящими из
двух параллельно установленных горизонтальных роторов специальной формы. Роторы вращаются в противоположные стороны в корытообразном сосуде, дно которого имеет форму двух полуцилиндров.
В таких смесителях происходит смешивание вминанием и одновременно деление перемешиваемой массы.
Процесс перемешивания в аппарате этого типа сопровождается частичным перетиранием масс и другими нежелательными процессами. Путем
выбора соответствующей формы лопастей и корыта, а также числа оборотов
лопастей можно усилить или ослабить протекание указанных процессов.
Машиностроительные заводы изготовляют смесители трех типов:
1) легкие; 2) средние; 3) тяжелые.
Смеситель легкого типа (рис. 67) предназначен для перемешивания порошкообразных или мягких тестообразных материалов с добавлением жидкостей или без них. Смеситель снабжен приспособлением для опрокидывания корыта при разгрузке.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 67. Смеситель легкого типа:
1 – корыто; 2 – лопасти; 3 – противовес для опрокидывания корыта;
4 – привод.
Шнековые смесители. Для смещения различных сыпучих материалов
применяют так называемые дифференциальные смесительные шнеки.
Такой шнек (рис. 68) представляет собой корыто 1, в котором вращаются два параллельных горизонтальных вала 2 с плоскими лопастями 3. Лопасти насажены на валы по винтовой линии через определенные промежутки.
Лопасти образуют прерывистую винтовую поверхность. Корыто шнека
закрывается крышкой. При вращении валов измельчаемый материал перемешивается по направлению их вращения и вдоль оси шнека.
Рис. 68. Дифференциальный смесительный шнек:
1 – корыто; 2 – валы; 3 – лопасти.
На рис. 69 представлен планетарно-шнековый смеситель типа ПШ.
Смеситель состоит из следующих основных узлов: корпуса 1, шнековой мешалки 2, клапанной коробки 4 с гидро- или пневмоприводом 3, крышки 8,
приводов мешалки 6 и 7.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 69. Схема планетарно-шнекового смесителя ПШ – 630:
1 – корпус; 2 - шнековая мешалка; 3 - гидро- или пневмопривод; 4 - клапанная коробка;
5 – люк; 6,7 - приводы мешалки; 8 – крышка.
Шнековая мешалка 2 вращается вокруг собственной оси (привод от мотор-редуктора 7) и совершает планетарное вращение вокруг оси корпуса смесителя (привод от мотор-редуктора 6). В крышке вварены технологические
штуцера, люк для осмотра внутренней полости смесителя и смонтированы
приводы шнековой мешалки. Отверстие в корпусе, через которое готовая
смесь поступает в клапанную коробку 4, перекрыто клапаном с шарнирной
опорой. Клапан приводится в движение механизмом 3, сотоящим из пневмоцилиндра (или гидроцилиндра) и рычажной передачи.
Смеситель типа ПШ работает следующим образом. Подлежащий смешиванию сыпучий материал загружают в корпус смесителя через штуцер в
крышке 8. При планетарном вращении шнековой мешалки 2 частицы сыпучего материала, прилегающие к ее виткам, поднимаются вдоль стенок корпуса 1 вверх и частично отбрасываются к центру смесителя. В верхней части
корпуса они движутся по спирали к его оси, где затем образуют нисходящий
поток. В узкой части корпуса материал снова захватывается витками шнека и
опять транспортируется вверх вдоль стенок корпуса. Сыпучий материал движется прерывисто вверх только в моменты прохождения шнековой мешалки
через рассматриваемую зону рабочего объема смесителя. После завершения
процесса смешивания открывается клапан в клапанной коробке 4, через отверстие в корпусе готовая смесь поступает в коробку, а из нее – в приемное
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
устройство для хранения готовой смеси. Выпуск готовой смеси производится
при вращающейся мешалке.
Смесовые барабаны. В производстве органических красителей и многих других сухие продукты смешивают в смесовых барабанах.
Смесовой барабан (рис. 70) представляет собой горизонтальный стальной барабан 1, на который надеты чугунные бандажи 2. Барабан вращается
на опорных роликах 3.
Рис. 70. Смесовой барабан:
1 – барабан; 2 – бандажи; 3 – опорные ролики; 4 – винтообразные лопасти; 5 – перегородки; 6 – шнек; 7 – загрузочный патрубок; 8 – разгрузочный патрубок.
На внутренних стенках барабана укреплены винтообразные лопасти 4 и
тангенциальные перегородки 5, не доходящие до оси барабана. Такое устройство способствует энергичному перемешиванию материала при вращении
барабана.
Для загрузки и выгрузки материала служит шнек 6. Материал поступает в барабан через верхний патрубок 7. После окончания перемешивания направление вращения барабана меняется на обратное и материал тем же шнеком выгружается из барабана через нижний патрубок 8.
Смесовые барабаны приводятся во вращение от фрикционной (при малой производительности) или зубчатой передачи.
Смесители непрерывного действия
Такие смесители обладают высокой производительностью, позволяют
полностью автоматизировать процесс смешивания, имеют небольшую энерго- и металлоемкость, могут быть установлены в непрерывно действующих
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
технологических линиях без промежуточных емкостей. Однако при всех этих
преимуществах по сравнению со смесителями периодического действия они
не получили еще достойного применения в промышленности из-за сложности организации непрерывной подачи потоков сыпучих материалов в строго
заданных количествах. Поэтому они практически не используются для приготовления многокомпонентных смесей и смесей высокой однородности.
Непрерывнодействующие аппараты позволяют выполнять несколько
процессов одновременно, например, смешивание и гранулирование; смешивание, гранулирование и сушку; смешивание и измельчение и т. п.
Рис. 71. Схема прямоточного центробежного смесителя А.М. Ластовцева:
1 – корпус; 2 – вал; 3 – конус; 4 – радиальная лопасть; 5 – пересыпная воронка;
6 – штуцер для ввода компонентов; 7 – штуцер для выгрузки смеси; 8 - привод.
К практически применяемым в промышленности можноно отнести центробежный смеситель А.М. Ластовцева, роторный смеситель «Интолетер»
(Англия), гравитационный полочный смеситель.
Центробежный смеситель А.М. Ластовцева (рис. 71) состоит из цилиндрического корпуса 1, составленного из нескольких царг и имеющего в верхней крышке штуцера 6 для ввода компонентов смеси, а в нижней царге штуцер 7 для выгрузки смеси; вала 2, на котором закреплены конусы 3 и радиальная лопасть 4; пересыпных воронок 5, закрепленных в корпусе смесителя;
привода вала, состоящего из электродвигателя 8 и клиноременной передачи.
Смеситель работает следующим образом. Через штуцера 6 компоненты
смеси поступают в верхний конус, оттуда они в виде пылевидного факела
сбрасываются на воронку 5. Ударившись о поверхность воронки, частицы
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сползают внутрь следующего вращающегося конуса, где процесс повторяется. Смешивание частиц происходит на конусах, в факеле и на внутренних поверхностях воронок.
Роторный смеситель «Интолетер» (Англия) (рис. 72) используется тогда, когда необходимо совместить операцию смешивания с измельчением
частиц.
Рис. 72. Схема роторного смесителя непрерывного действия типа «Интолетер»:
1 – корпус; 2,3 – диски; 4 – пальцы; 5 – электродвигатель; 6 – распределительный
конус; 7 – штуцер для загрузки компонентов.
В верхней части корпуса смесителя 1 размещен ротор, состоящий из
двух дисков 2 и 3, жестко соединенных между собой штырями (пальцами) 4.
На крышке корпуса смесителя установлен двухскоростной фланцевый электродвигатель 5, на выходном валу которого насажена ступица ротора. Смешиваемые компоненты непрерывно загружаются через штуцера 7 и распределительный конус 6 в ротор, вращающийся с большой скоростью. Под действием центробежной силы частицы отбрасываются к периферии ротора. Наталкиваясь на штыри 4, частицы изменяют траекторию движения, за счет чего и происходит их смешивание. При ударе о внутреннюю поверхность корпуса частицы измельчаются.
Смесители «Интолетер» выпускаются нескольких типов с производительностью от 2 до 450 т/ч.
Гравитационные полочные смесители используются редко и лишь тогда, когда не предъявляются высокие требования к качеству смеси.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рекомендуемая литература
1. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии:
учеб. для вузов. 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. с изд. 1973 г.
- М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.
2. Павлов, К.Ф., Романков, П.Г., Носков, А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов. 11-е изд.,
стереотипное. Перепеч. с изд. 1987 г. - М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004. 576 с.
3. Плановский, А.Н., Гуревич, Д.А. Аппаратура промышленности органических полупродуктов и красителей. – М.: Госхимиздат, 1961. -504 с.
4. Перевалов, В.П., Колдобский, Г.И. Основы проектирования и оборудование
производств тонкого органического синтеза: учеб. для вузов. - М.: Химия,
1997. - 288 с.; ил.
5. Козулин, Н.А., Горловский, И.А. Оборудование заводов лакокрасочной промышленности. Изд. 2-е, доп. и перераб. – М.: Химия, 1968. - 588 с.
6. Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование: В 5 т. Т. 2. Механические и
гидромеханические процессы / Д.А. Баранов, В.Н. Блиничев, А.В. Вязмин и
др.; под ред. А.М. Кутепова. - М.: Логос, 2001. - 600 с.
7. Плановский, А.Н., Николаев, П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1987. - 496 с.
8. Основы проектирования химических производств: учеб. для вузов / Под ред.
А.И. Михайличенко. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 332 с.
9. Леонтьева, А.И. Оборудование химических производств: учеб. пособие. В 2
ч. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. Ч. 1. - 232 с. Ч. 2. - 280 с.
10. Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т. 1. -Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 852 с. Т. 2. -Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 1028 с. Т. 3. -Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 980 с.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ
ГЛАВА I. МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ
ТИПОВОЙ РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
1. МАТЕРИАЛЫ ТИПОВОЙ РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
Стали
Чугуны
Сплавы и биметаллы
Цветные металлы, редкие металлы и сплавы
Неметаллические материалы
2. ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Металлические покрытия
Неметаллические неорганические покрытия
Покрытия из органических материалов
3. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АППАРАТУРЫ
4. КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ
4.1. Элементы поверхности теплообмена вертикальных котлов
4.2. Гарнитура реакционных аппаратов
Фланцевые уплотнения
Люки
Штуцера. Трубы для наполнения и передавливания. Нижние
спуски
4.3. АРМАТУРА ХИМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Запорная арматура
Предохранительная арматура
Регулирующая арматура
Фазоразделительная арматура
Выбор трубопроводной арматуры
4.4. ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Уплотнения вращающихся деталей
Сальники
Торцовые уплотнения
Гидрозатворы
Манжетные уплотнения
Герметичные электроприводы
Бессальниковые приводы
Глава II. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
2.1. Оборудование для транспортировки и дозирования
жидкости, твердых тел и газов
Оборудование для транспортировки и дозирования твердых
материалов
Оборудование для транспортировки и дозирования жидких и
газообразных продуктов
103
3
4
4
4
9
11
12
15
18
18
19
22
26
27
27
38
38
40
41
43
44
49
50
50
51
51
61
62
63
65
65
66
67
68
68
68
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2. Аппараты для разделения неоднородных систем
Фильтрующая аппаратура
Центрифуги
Трехколонная центрифуга с нижней выгрузкой
Автоматическая подвесная центрифуга периодического
действия
Гидроциклоны
Пылеочистное оборудование
2.3. Дробилки и мельницы
2.4. Сушилки
2.5. Смесители для твердых сыпучих тел
Смесители периодического действия
Смесители непрерывного действия
Рекомендуемая литература
104
76
76
82
83
84
85
86
88
92
96
96
99
102
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
36
Размер файла
6 058 Кб
Теги
7626
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа