Машины и аппараты химических производств

МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. 1. Основные положения. 1.1. Предмет и содержание курса. В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Несмотря на разнообразие методов химической технологии, получение различных химических продуктов связано с проведением однотипных химических и физико-механических процессов, являющихся общими для большинства химических производств. Аппаратное оформление современных химико-технологических процессов также весьма разнообразно, однако для одних и тех же целей в различных отраслях химической технологии в большинстве случаев применяются сходные по конструкции машины и аппараты. В курсе «Машины и аппараты химических производств» изучаются основы теории процессов протекающих в них, рассматриваются конструкции машин и аппаратов, принцип работы и методика их комплексного расчета. Целью изучаемой дисциплины является ознакомление с основными типовыми машинами и аппаратами, составляющими основу современных химических производств. На основе типовых стандартизированных машин и аппаратов рассматриваются конструкции и принцип работы машин и аппаратов, их узлов и деталей, основные принципы комплексных расчетов и конструирования, выбора оптимальных режимов работы, тенденции и перспективы их развития. В курсе машин и аппаратов химических производств рассматриваются расчеты, имеющие инженерный характер, доводимые до определения основных 1 размеров аппаратов и их элементов, потребляемых мощностей и возникающих усилий. В качестве машин и аппаратов для изучения в данном курсе выбраны такие, которые нашли широкое применение в химической промышленности, на примере которых можно показать комплексные методы расчета, объединяющие вопросы гидродинамики, механизмов, а также тепломассообмена, методы монтажа, энергетики транспортировки и динамики и ремонта оборудования, испытаний и его эксплуатации. Различные химико-технические процессы (фильтрование, выпаривание, перегонка, сушка и др.), для проведения которых применялась примитивная аппаратура, были известны еще в древности. Собственно химическая промышленность начала создаваться на рубеже 18-19 веков и за исторически короткий период, насчитывающий около 200 лет, превратилась в развитых странах в одну из основных и ведущих отраслей народного хозяйства. В нашей стране наиболее значительный вклад в науку о процессах, машинах и аппаратах химических производств внесли русские и советские ученые: Денисов Ф.А. (1828 г.), Крупский А.К. (1909 г.), Тищенко И.А. (1911 г.), Коновалов Д.П. (1924-1925 г.), Фокин Л.Ф., Павлов К.Ф. (1923-1925, 1929, 1932 гг.), Касаткин А.Г. и целый ряд других современных ученых. За последние 10-15 лет произошли большие изменения как в науке о химической технологии, так и в самой химической и нефтехимической промышленности. Обусловлено это прежде всего развитием теории процессов, созданием принципиально новой аппаратуры и внедрением во все области деятельности общества, в том числе и в промышленности, электронновычислительных машин. Все это предъявляет повышенные требования к подготовке инженеровмехаников по машинам и аппаратам химических производств. Современное химическое предприятие – это сложный комплекс машин и оборудования, в который входят: аппараты машины химического производства, предназначенные для химических и физико-химических процессов; емкостное 2 оборудование для хранения жидкостей и газов, трубопроводы с соответствующей арматурой, машины для перемешивания жидкостей и газов; машины для транспортирования твердых материалов, расфасовки и затаривания сыпучих продуктов; КИП и автоматика, электрооборудование. 1.2. Классификация процессов химической и нефтехимической технологии. Несмотря на разнообразие продукции химических предприятий, для производства всего ее ассортимента достаточно сравнительно небольшого числа типов химических и физических процессов: 1) химические процессы, осуществляемые в реакционных аппаратах различного типа; 2) процессы массообмена – ректификация, перегонка, абсорбция, …, проводимые преимущественно в аппаратах колонного типа; 3) гидравлические процессы – отстаивание, центрифугирование, фильтрация, протекающие в различных отстойниках, центрифугах, фильтрах; 4) процессы теплообмена – нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, проводимые в теплообменниках различных типов; 5) механические процессы – измельчение, рассев, транспортирование жидких, газообразных и твердых материалов и пр Конструкции аппаратов и способы проведения процессов в значительной степени зависят от агрегатного состояния реагирующих веществ. В технологических аппаратах возможны следующие фазовые системы (6 шесть): 1) газ + газ; 2) жидкость + газ; 3) жидкость + жидкость; 4) жидкость + твердое вещество; 5) газ + твердое вещество; 3 6) твердое вещество + твердое вещество. В системе 1 (газ + газ) проводят высокотемпературные химические процессы, для которых применяют змеевиковые и контактные аппараты и конвертеры различных систем, а также процессы газоочистки (циклоны). В системе 2 (газ + жидкость) производят ректификацию, абсорбцию, мокрую газоочистку, а также многие химические реакции. При этом применяют колонные и башенные аппараты с устройствами, обеспечивающими хороший контакт между жидкостью и газом. Для газов, хорошо растворимых в жидкости, когда достаточно небольшая поверхность контакта, процесс проводят в простейших аппаратах барботажного типа или в поверхностных абсорберах (контакт по поверхности раздела фаз). В системе 3 (жидкость + жидкость) осуществляются физико-химические и различные химические процессы. Для этого применяют емкостные аппараты с мешалками или без них и аппараты змеевикового типа. Для обработки взаимно нерастворимых жидкостей с различным удельным весом иногда используют аппараты колонного типа с противоточным движением жидкостей. Сепарацию проводят в сепараторах центробежного типа. Химические и физико-химические процессы в системе 4 (жидкость + твердое вещество) осуществляют в емкостных аппаратах с мешалками или в проточных камерах, заполняемых твердым продуктом. Фильтрацию, отстаивание и центрифугирование проводят соответственно в фильтрах, отстойниках и центрифугах. В фазовой системе 5 (газ + твердое вещество) проводят газоочистку, сушку, адсорбцию, а также высокотемпературных. ряд химических Простейший аппарат процессов, для сушки, в основном обжига или химического взаимодействия – камера, заполненная твердым продуктом, омываемым потоком газа. Для интенсификации процесса применяют аппараты гребкового типа, аппараты в виде вращающихся барабанов и аппараты с псевдоожиженным слоем. 4 Систему 6 (твердое вещество + твердое вещество) в химической технологии применяют сравнительно редко в (основном при переработке резин и полимеров). Для обработки используют аппараты гребкового типа, валковые машины, червячные смесители, пластификаторы и т.п. Периодический или непрерывный способ проведения процесса существенно влияет на конструкцию аппарата, так как определяет конфигурацию, способ загрузки и разгрузки компонентов и другие конструктивные особенности. 1.3. Классификация машин и аппаратов химических производств Единой классификации пока нет. Известны следующие принципы классификации: по конструктивному признаку, по принципу организации процесса (периодический или непрерывный), по агрегатному состоянию реагирующих веществ, по основному процессу протекающему в аппарате. Все оборудование химических производств можно разделить на три класса: 1. Аппараты; 2. Машины; 3. Транспортные средства. Аппарат – устройство, имеющее рабочий объем, в котором протекают определенные процессы (тепловые, диффузионные, химические, физические, гидромеханические и т.п.). аппараты в большинстве случаев лишены движущихся узлов и деталей (но не всегда). Машины – механизм или сочетание механизмов, осуществляющих определенные целесообразные движения для преобразования энергии или производства работы. Существует 2 класса машин: 1) Машины – двигатели, с помощью которых один вид энергии преобразуется в другой удобный для эксплуатации: тепловые, гидравлические, ветровые, электрические, пневматические и т.п. 5 Рабочие машины, с помощью которых производится изменение 2) формы, свойств, состояния и положения объекта труда (последнее – транспортные средства). Это машины транспортирующие технологические (насосы, (станки, компрессоры, центрифуги, вентиляторы), дробилки), транспортные (автомобили, транспортеры) Всякая машина состоит из трех основных механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного. Четкого разделения между аппаратом и машиной провести можно не всегда (фильтры, сушилки и т.п.). В зависимости от назначения химическое оборудование делится на: К 1) Универсальное; 2) Специализированное; 3) Специальное. универсальному относят оборудование общего назначения или общезаводское. Его можно применять без каких-либо изменений в различных химических производствах. Сюда относятся насосы, компрессоры, вентиляторы, калориферы, центрифуги, сушилки, экстракторы, сепараторы, а также газоочистное и пылеулавливающее оборудование и транспортные средства. К специализированному относят оборудование для использования одного процесса различных модификаций: теплообменники, колонны ректификационные, абсорберы и др. К специальному относят оборудование, предназначенное только для проведения одного процесса: каландры, вулканизационные прессы, хлораторы, сублиматоры и др. Технологическое оборудование делят на: 1) Основное; 2) Вспомогательное (емкости, резервуары, хранилища и т.п.). 6 К основному технологическому оборудованию относят аппараты и машины, в которых осуществляют различные технологические процессы – химические и физико-химические и др., в результате чего получают целевые продукты. К основному технологическому оборудованию можно отнести следующую аппаратуру: ректификационную – контактные аппараты, реакторы, конверторы, колонны синтеза и другие аппараты, в которых протекают химические реакции, а также аппараты и машины для физико-химических процессов – абсорберы, экстракторы, ректификационные колонны, сатурационные башни, сушилки, выпарные и теплообменные аппараты, вальцы, каландры, прессы и т.п. Продукты обычно получают на ряде установок, связанных единым технологическим процессом; при этом физическое состояние или химический состав, перерабатываемого продукта, будет меняться и соответственно аппараты и машины, входящие в состав каждой установки, будут работать в различных рабочих условиях. Поэтому аппарат по своей конструкции – форме, размерам и внутреннему устройству – должен соответствовать свойствам обрабатываемых веществ, условиям и требования проводимого в нем процесса. Важнейшими факторами, определяющими тип аппарата, является агрегатное состояние веществ, участвующих в процессе, их химические свойства, температура, давление, тепловой эффект, а также способ проведения процесса (периодический или непрерывный). Для учебных целей наиболее удобно использовать классификацию химических машин и аппаратов по основному процессу, протекающему в аппарате. Ниже дана классификация химических машин и аппаратов по этому признаку. 7 Для смешивания жидкостей Для очистки газов Для разделения суспензий В твердой фазе Аппараты тепловых процессов Жидкофазные Тепловые процессы Каталитические газо-фазные Некаталитические газо-фазные Для кристаллизации Для разделения экстракцией Экстракторы Адсорберы Для разделения адсорбцией Для разделения абсорбцией Для разделения ректификацией Ректификационные колонны Абсорбционные колонны Для сушки влажных материалов Сушилка, барабан, в К.С. Термомеханохимические процессы Вальцы, каландры, прессы экструдеры, шприцмашины Кристаллизаторы Для смешения сыпучих материалов Смесители различного типа Оборудование для переработки полимеров и эластомеров Для выпаривания жидкостей Для сортировки сыпучих материалов Грохот Тепломассообменн ые процессы Выпарные установки Для нагревания, испарения, конденсации, охлаждения Гидромеханические процессы Оборудование гидромеханических процессов Теплообменники Для измерения твердых тел Дробилки, мельницы Механические процессы машины и аппараты механических процессов Вспомогательные машины и аппараты Емкости, резервуары, хранилища и т. п. Смесители различного типа Циклоны, фильтры, абсорберы Отстойники, фильтры, центрифуги Машины и аппараты химических производств Аппараты массообменных аппаратов Химические процессы Реакторы Реакторы различного типа 1.4 Основные требования, предъявляемые к химическим машинам и аппаратам. Химические производства имеют ряд особенностей, обуславливающих специфику оборудования цехов и заводов. К ним относятся: 8 1) большинство обрабатываемых жидкостей и газов являются горючими и легко воспламеняющимися веществами; 2) большинство исходных продуктов в смеси с воздухом способны образовать взрывоопасные смеси; 3) многие продукты являются токсичными, ядовитыми и агрессивными к различным материалам; 4) многие процессы протекают при большом давлении и высокой температуре. Такие жесткие специфические условия работы требуют создания такой аппаратуры, которая исключала бы попадание вредных веществ в воздух помещения, и предъявляют следующие требования к машинам и аппаратам химической промышленности: 1) Механическая прочность – способность выдерживать рабочие нагрузки – обеспечивается соблюдением при конструировании соответствующих расчетных нормативов. Прочность является главным условием безопасной эксплуатации оборудования. 2) Устойчивость – способность аппаратов сохранять в рабочем состоянии свою первоначальную форму – достигается тем, что при расчетах учитывают силовые факторы, способствующие потери устойчивости (например, опрокидывающий момент от ветровых нагрузок для вертикальных колонных аппаратов). 3) Долговечность – расчетный срок службы аппарата или машины; обычно при расчетах его принимают равным 10 – 15 годам. 4) Герметичность – способность оборудования не пропускать находящуюся в них под давлением рабочую среду, так как ее утечка может привести к аварии или отравлениям. Герметичность достигается в результате изготовления цельносварных конструкций или установки уплотнений в разъемных соединениях. 5) Простота устройства, обслуживания и ремонта. 9 Технологичность конструкции – простота и невысокая стоимость 6) изготовления, стандартизация и нормализация узлов и деталей, правильный выбор доступов. Надежность и безопасность во время эксплуатации – наличие 7) оградительных и предохранительных устройств. Транспортабельность 8) – возможность транспортирования оборудования по железной дороге к месту монтажа. К перевозке железнодорожным транспортом допускаются по согласованию с МПС аппараты, имеющие следующую массу (М), диаметр (D), и длину (L) не более чем: М, т 400 240 120 120 120 D, мм 4380 3900 4000 3800 3200 L, м 11 22 21 37 48 Экономичность 9) – минимальная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации. 10) Высокие производительность и КПД. 11) Стабильное обеспечение требуемых технологических режимов в условиях непрерывного автоматизированного производства. Удовлетворение требованиям технической эстетики. 12) Конструирование аппарата начинают с выбора его устройства, определения формы и его размеров. Размеры аппарата определяют с помощью технологических, массообменных, тепловых и гидравлических расчетов. Форма аппарата и машины определяется их технологическим назначением и конструкцией их рабочих элементов, в значительной степени зависящими от гидродинамики процесса. Существенное влияние на форму аппарата оказывают свойства конструкционных материалов и возможности машиностроения (например, аппараты высокого давления делают малого диаметра и большой длины, чтобы уменьшить толщину стенки). 10 1.5 Основные направления развития химического машиностроения. В связи с этим важнейшее значение приобретает опережающее развитие производства оборудования для химических отраслей промышленности. Оно необходимо как для обеспечения потребности в оборудовании новых предприятий так и , что чрезвычайно важно, в ускорении технического перевооружения действующих предприятий химической и нефтехимической промышленности. Техническое перевооружение включает замену устаревшего или изношенного оборудования новым или более совершенным, а также модернизацию действующего оборудования. В настоящее время в промышленности еще велик удельный вес физически и морально устаревшего оборудования. По данным на начало 80-х годов распределение машин и оборудования в химической промышленности (в среднем по отрасли) по сроку их эксплуатации следующее: До 5 лет 5 – 10 лет 10 – 20 лет Более 20 лет 43 % 36 % 16 % 5% Учитывая, что фактический среднеотраслевой срок службы работы оборудования в среднем ≈ 12 лет, требует замены только по физическому износу ≈ 21 % машин и аппаратов. Значительная часть выпускаемого оборудования направляется на нужды капитального строительства (новые предприятия), потребности же действующих предприятий удовлетворяются не полностью. Переход на новый уровень развития производственных сил предполагает повышение эффективности оборудования. Для этого при конструировании и изготовлении химических машин и аппаратов стремятся осуществить следующие меры: 1) Максимально интенсифицировать технологические процессы, что достигается путем развития рабочей поверхности (поверхности 11 теплообмена, фильтрации, контакта фаз и др.), а также путем интенсификации тепло- и массообмена. Большое значение имеет разработка процессов на принципиально новой физико-химической основе, изготавливающих в некоторых случаях в десятки и в сотни раз увеличить производительность и организовать процесс принципиально по новому. В настоящее время осваиваются процессы с применением ультразвуковой, магнитной и вибрационной техники, мембранной технологии и низкотемпературной плазмы. 2) Увеличивать размеры аппаратов в тех случаях, когда возможности интенсификации процесса исчерпаны. Агрегаты и установки большой единичной мощности выгоднее нескольких малых, так как занимают меньшую производительную площадь, менее металлоемки, требуют меньшей численности обслуживающего персонала. Это ведет к уменьшению удельных капиталовложений и затрат на производство продукции, увеличивает производительность труда. Увеличение мощности установок первичной перегонки, нефти с 3-х до 6-ти млн. т/год (сейчас 12 млн. т/год) уменьшены капитальные вложения на 31%, металла на 47%, увеличена производительность труда в 2,4 раза. Мощности технологических линий синтеза аммиака увеличились в 4 раза и составляют 400 – 500 тыс. т/год, мощность установок производства этилена увеличилась в 5 раз до 300 тыс. т/год. В последнее время эксплуатируются реакционные аппараты и ректификационные колонны высотой до 90 м и диаметром до 16 м, емкостные реакционные аппараты объемом до 1000 м 3, вращающиеся печи длиной до 150 м и др. Однако, увеличение габаритов аппаратов ограничивается возможностью удовлетворительного перемешивания или газораспределение в большом объеме, а также возможностями изготовления и транспортирования крупногабаритной аппаратуры. При функционировании установок большой единичной мощности усложняются проблемы управления процессом и многократно возрастают требования к надежности оборудования. Эти обстоятельства 12 требуют всесторонней оптимизационной проработки проекта и ограничивают потолок увеличения единичной мощности установок. 3) Повышать качество и надежность машин и аппаратов химического производства, так как аварийная остановка современной высокопроизводительной технологической системы иногда приносит убытки, превышающие стоимость самого оборудования. Частые причины выхода из строя машин и аппаратов химического производства коррозия и повреждение наиболее ответственных узлов. 4) Изготовлять и поставлять технологические линии, агрегаты и установки комплектно со всем входящим в них оборудованием в максимальной заводской готовности. 5) Создавать и внедрять в производство гибкие автоматизированные модульные установки малотоннажной химии из универсальных элементов. 6) Создавать безотходные производства. 13 1.6. Общие методы расчета химической аппаратуры. Методика расчета МиАХП Технологический расчет Материальный и тепловой балансы, движущаяя с сила процесса, коэффициенты скорости п ппроцесса. Определяют: D, H, V, F и т.п. Материально -конструктивный расчет Компоновка основных параметров. Технический расчет конкретных узлов и деталей, поверочные расчеты, уточнение всех размеров. Энерго-силовые расчеты Определение мощности привода, электродвигателя, редуктора, …. Прочностной расчет Определение всех основных усилий, действующих на узлы и детали: Р, М, σрасч ≥ [σдоп. ] Экономический расчет и оптимизация всех расчетных параметров Гидравлика, теплопередача, ПиАХП, физика, химия,…. Тепломассоперенос, гидродинамика, расчет и конструирование ПАХП, энергетические дисциплины Сопромат, детали машин, технологическое машиностроение, материаловедение, расчет и конструирование Экономические дисциплины, математика 14 2. МАТЕРИАЛЫ ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 2.1. Общие требования, предъявляемые к материалам Общие требования к материалам, применяемым для изготовления аппаратуры в химических производствах, определяются свойствами перерабатываемых веществ, температурными условиями процесса и давлением, при котором работает аппарат. В производствах химической и нефтеперерабатывающей промышленности приходится иметь дело с разнообразными органическими и неорганическими веществами, относящимися к различным классам. Поэтому первостепенное значение имеет выбор материала, стойкого к воздействию рабочей среды. Следует также иметь в виду, что не только перерабатываемые вещества могут влиять на материал аппаратов, но и сам материал аппарата может воздействовать на перерабатываемые вещества и влиять на технологический процесс. Например, обычные сорта стали при высоких температурах, способствуют разложению паров спирта с образованием углерода, отщеплению боковой цепи при дегидрировании алкилбензолов; железо оказывает каталитическое действие в процессах хлорирования углеводородов. Температуры, при которых работают аппараты в промышленности ООС и СК, колеблются в широких пределах. Наиболее высокие температуры встречаются в процессах пиролиза, в частности при пиролизе метана, который осуществляется при 1500—1600 °С. Очень распространены различные каталитические процессы, проводимые при температурах от 300 до 600 °С. Работа многих реакторов и разделительной аппаратуры протекает в зоне температур, намного отличающихся от нормальной. Наконец, имеются такие процессы, которые полимеризация требуют изобутилена, весьма низких разделение температур. Например, углеводородных газов ректификационным методом проводятся при —100 °С. Совершенно ясно, что в 15 одних случаях необходимо применять для изготовления аппаратуры материалы, обладающие жаростойкостью, в других — морозостойкостью, которая характеризуется сохранением пластических свойств этих материалов (в том числе и металлов) при низких температурах. Давление, применяемое в технологических процессах, также колеблется в широких пределах: от 0,005—0,01 кгс/см2 при перегонке гидроперекиси изопропилбензола до 700— 1000 кгс/см2 в процессах гидрирования (например, бутиндиола или альдоля), синтезов из окиси углерода и водорода (например, гликолевой кислоты) и т. д. Металлы, применяемые для изготовления аппаратуры высокого давления, должны обладать высокими механическими показателями. Кроме того, необходимо учитывать, что в условиях высоких давлений очень усиливается газовая коррозия, причем коррозионные свойства приобретают даже те вещества, которые обычно не агрессивны, в частности водород. Ниже приведены данные о зависимости температуры начала водородной коррозии ТНАЧ углеродистой стали от давления Р: Р, кгс/см2 .... 30—100 100-200 200-300 300-400 400-600 600-800 Тнач. 0С ..... 280—300 240-270 220-230 210-220 200-210 190-200 Аппараты высокого давления, как правило, применяются для реакций с участием водорода, поэтому их необходимо изготовлять из материалов, стойких к водородной коррозии, или покрывать защитным слоем. Из сказанного следует, что условия работы аппаратуры чрезвычайно разнообразны как по природе перерабатываемых веществ, так и по температуре и давлению. Вследствие этого для изготовления аппаратов приходится применять различные металлы и сплавы, не защищенные и защищенные с поверхности покрытиями (металлическими и неметаллическими). Кроме металлов и сплавов получили распространение и неметаллические материалы, которые особенно пригодны для изготовления трубопроводов и арматуры. Помимо рассмотренных основных показателей при выборе материала необходимо учитывать его механические свойства, легкость обработки, 16 теплопроводность, дешевизну и доступность, а также климатические и температурные условия, в которых будут работать монтируемые на открытом воздухе аппараты и коммуникации. 2.2. Металлы и сплавы Из всех металлов и сплавов для изготовления аппаратуры в химических производствах, чаще всего применяются железоуглеродистые сплавы, т. е. стали и чугуны. различного качества. Стали и чугуны. Сталь является сплавом железа и небольшого количества углерода (до 2%) с примесями серы, кремния, фосфора, марганца. Содержание углерода оказывает большое влияние на качество стали. С его увеличением повышается предел прочности и предел текучести, снижается пластичность, уменьшается склонность стали к старению, повышается хрупкость и ухудшается свариваемость. Сталь, содержащая углерода меньше 0,25%, называется низкоуглеродистой, от 0,25 до 0,6% —среднеуглеродистой и от 0,6 до 2% (предельное содержание) — высокоуглеродистой. Различают сталь обыкновенного и повышенного качества, качественную и высококачественную. Большую часть химических аппаратов изготовляют из углеродистой стали обыкновенного и повышенного качества (ГОСТ 380—71). Сталь обыкновенного качества используется для изготовления деталей и аппаратов, к которым не предъявляется особых требований в отношении прочности и коррозии (с антикоррозионными покрытиями она пригодна и для изготовления аппаратов, работающих в агрессивных средах). В химическом аппаратостроении наиболее часто применяются следующие марки сталей: Ст. 3, Ст. 4 и Ст.5. Цифра за буквами Ст. (сталь) означает условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Для изготовления ответственных деталей аппаратов, работающих в неагрессивных средах, применяется углеродистая качественная сталь (ГОСТ 17 1050—60). В зависимости от содержания углерода эта сталь условно маркируется цифрами: 08, 10, 15, 25, 30 и т. д. Двухзначные цифры указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 10 содержит в среднем 0,10% углерода). Другим видом железоуглеродистых сплавов являются чугуны. Они отличаются повышенным содержанием углерода (более 2%). Для изготовления химической аппаратуры чугуны применяются в значительно меньшей степени, чем стали. Вследствие хрупкости и меньшей прочности чугуны обычно используются в виде литья для аппаратуры, работающей под избыточным давлением не выше 6 кгс/см2, а при диаметре аппарата более 2м — не выше 3 кгс/см2. В основном применяется наиболее распространенный серый чугун (ГОСТ 1412—70) марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и др. (обозначения в марке: С— серый, Ч—чугун, первые две цифры— предел прочности при растяжении, цифры после дефиса — предел прочности при изгибе). При проектировании аппаратов и сосудов из серого чугуна необходимо считаться с ограничениями инспекции Госгортехнадзора, которая допускает применение этого чугуна для аппаратов с температурой стенок не выше 250 °С. Большей прочностью и вязкостью обладает ковкий чугун (ГОСТ 1215—59) марок: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8 и др. (первые две цифры означают предел прочности при растяжении, цифры после дефиса—относительное удлинение). Стали и чугуны не обладают высокой коррозионной стойкостью. Они мало устойчивы даже к действию воды при доступе кислорода. В растворах таких солей, как А1С1з, NaCI, K2S04 и т. п., при взаимодействии которых с железом образуются растворимые соединения, коррозия протекает в еще большей. степени. Однако соли, дающие нерастворимые соединения с железом (например, Na2CO3, Na3P04 и т. п.) уменьшают коррозию, а соли с окислительными свойствами (например, К2Сг04) даже при незначительном содержании в растворах пассивируют железо. В растворах солей, катионы 18 которых более электроположительны, чем железо (CuS04, NiS04 и т. п.), коррозия происходит вследствие вытеснения железом металла из солей. В растворах щелочей на поверхности железоуглеродистых сплавов образуются нерастворимые продукты, защищающие их от коррозии. Образование защитных пленок начинается уже при рН > 9,5; но при концентрациях щелочей более 30%, особенно при повышенных температурах, защитное действие этих пленок резко снижается. В кислотах, не обладающих окислительными свойствами (например, в НС1), сталь, а тем более чугун, очень сильно разрушаются, В кислотах с окислительными свойствами (H2SO4, НNОз) на поверхности железа образуются защитные пленки, препятствующие дальнейшей коррозии. Это относится к сравнительно концентрированным кислотам. Так, НNОз при концентрации более 30% пассивирует железо, а при концентрации выше 50% практически не действует на него. H2SO4 пассивирует железо при концентрации более 75%. В органических кислотах, не являющихся окислителями, железоуглеродистые сплавы быстро разрушаются. В других органических средах (спирты, углеводороды, хлорпроизводные и т. п.) в отсутствие воды они практически не корродируют. Разрушение железоуглеродистых сплавов наблюдается и в сухих газовых средах, особенно .при повышенных температурах (выше 300°С). Газовой коррозии способствует наличие окислителей, которыми чаще всего являются кислород воздуха, а также ,перегретый водяной пар при температурах выше 500 °С. При 200—300 °С и давлении 300 кгс/см2 водород вызывает водородную коррозию, в результате которой резко ухудшаются механические свойства металла. Причиной разрушения является диффузия водорода в металл, вызывающая в нем глубокие изменения, обусловленные образованием гидридов и их разложением. Кроме того, водород реагирует с карбидом железа Fe3С + 2Н2 = 3Fe + CH4 19 в результате чего происходит разрыхление структуры и постепенное обезуглероживание стали. При высоких температурах и давлениях окись углерода, а также другие газообразные агенты вызывают коррозию. Легированные стали. Для улучшения механических показателей и химической стойкости сталей в их состав могут вводиться специальные добавки, к которым относятся такие металлы, как никель, хром, титан, вольфрам, ванадий, марганец и др. Стали с такими добавками называются легированными. В зависимости от количества добавок они делятся на низколегированные (до 5% легирующих добавок), среднелегированные (5— 10%) и высоколегированные (выше 10%). При маркировке стали легирующие элементы условно обозначаются соответствующими буквами; Х — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Д — медь, С — кремний, Б — ниобий, Г — марганец, Ю—алюминий, В—вольфрам, Ф—ванадий, Р—бор и т. д. Цифра, стоящая после буквенного обозначения легирующего элемента, указывает примерное содержание (в %) данного элемента в сплаве; при содержании элемента до 1% цифра 1 опускается. В марках низколегированной стали цифры, стоящие слева от букв, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Так, сталь марки 14Г2 содержит углерода около 0,14% (и марганца ~2%). Из низколегированных сталей большое применение в аппарато- и котлостроении получила хромомолибденовая сталь марки 12МХ с содержанием молибдена около 0,5% и хрома около 0,5%. Из этой стали изготавливаются теплообменники, работающие при высоких температурах, горячие коллекторы и паропроводы высокого давления. Высоколегированные стали (ГОСТ 5632—61) в зависимости от основных свойств подразделяются на три группы: к I группе относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой и др.); ко II группе— жаростойкие (окалиностойкие) стали, 20 работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии и обладающие при этом стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше 550 °С; к III группе— жаропрочные стали, выдерживающие высокие температуры в нагруженном состоянии и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью. Основным легирующим элементом всех типов нержавеющей стали является хром, влияние которого на коррозионную стойкость связано с образованием на поверхности стали устойчивой защитной пленки окислов. Минимальное содержание хрома в нержавеющей стали должно составлять примерно 12%. Дальнейшее повышение коррозионной стойкости стали достигается введением в нее никеля, титана, молибдена и других присадок. Широко применяются стали марок ОХ18Н10 (содержание хрома 18%, никеля 10% и содержание углерода не более 0,08%), Х18Н10Т (содержание хрома 18%, 10% никеля, титана до 0,8% и углерода не более 0,12%). Повышение жаростойкости стали достигается в основном введением в сталь хрома, алюминия и кремния. Легированные чугуны получаются подобно легированным сталям. Особый интерес представляют сплавы, известные под названием ферросилидов, или кремнистых чугунов, с содержанием кремния до 15—17% (марки С15, С17, ГОСТ 2233—70). Они стойки к HNO3 всех концентраций, даже при температуре кипения, к серной кислоте (до 98%), нагретой до 100°С, Однако стойкость их к НСl растворам едких щелочей и восстановительным средам недостаточна. Если ввести в состав ферросилида С15 3,5— 4% молибдена, получается кремнемолибденовый чугун марки С15М4, известный под названием антихлор. Этот материал пригоден для изготовления деталей, работающих в среде горячей НС1. Изделия из ферросилидов (отливки) обладают высокой твердостью, хрупкостью и плохо переносят местный или быстрый нагрев. 21 Для изготовления аппаратуры, эксплуатируемой в условиях воздействия горячих водных растворов или расплавов NaOH и КОН, используются щелочестойкие чугуны (СЧЩ-1, СЧЩ-2). Металлургической промышленностью выпускаются высокопрочные чугуны (ВЧ 45-5, ВЧ 50-2 и др., ГОСТ 7293—70), представляющие большой интерес как конструкционные материалы для химического аппаратостроения. Медь и ее сплавы. Вследствие дефицитности, высокой стоимости и недостаточной химической стойкости во многих средах (минеральные кислоты, аммиак, хлориды и т. д.) медь находит ограниченное применение в качестве материала для химической аппаратуры. Однако она имеет очень ценное свойство - сохраняет пластичность при весьма низких температурах. Поэтому для аппаратуры, работающей в таких условиях, медь—очень удобный материал. Верхняя предельная температура применения меди 400 °С. Следует отметить высокую теплопроводность меди (в 6—7 раз выше, чем у железа) и легкость ее обработки, как в холодном, так и в горячем состояниях. В зависимости от количества примесей медь подразделяется на ряд марок: МО, Ml, М2, МЗ, М4 и др. (ГОСТ 859—66). Наименьшее количество примесей содержится в марке МО. Для изготовления, аппаратуры применяют медь Ml, М2 и МЗ. Для изготовления отдельных деталей аппаратов, насосов, кранов широко используются различные медные сплавы — латуни и бронзы. Латунями называют сплавы меди с цинком. Широко применяются латуни с содержанием цинка до 50%. Они обладают хорошими механическими и технологическими свойствами. Марки простых латуней: Л96, Л90, Л80, Л70, Л68, Л62 (ГОСТ 15527—70); двухзначные цифры в марке означают среднее содержание меди. Латуни с большим содержанием меди (90—96%) называются томпаками. Введение в латунь небольших количеств олова, никеля, алюминия, марганца, железа и других, добавок во многих случаях улучшает механические свойства сплава и его коррозионную стойкость—специальные латуни 22 (например, алюминиевая— ЛА77-2, оловянистая—Л070-1, Л090-1, свинцовая — ЛС74-3, ЛС64-2 и др.). Из бронз (сплав меди с алюминием или оловом) следует особо отметить алюминиевые (Бр. АЖН 10-4-4, Бр. АЖМц 10-3-1,5 и др.; ГОСТ 493—54), значительно превосходящие по коррозионной стойкости оловянистые бронзы и латуни. Они стойки в фосфористой, уксусной, лимонной и других органических кислотах, в условиях атмосферной коррозии, в морской воде и т. д. Кремнемарганцовистая бронза марки Бр. КМцЗ-1 применяется для изготовления аппаратуры, работающей под давлением, а также для взрывоопасной аппаратуры, так как эта бронза не дает искр при ударах. Никель и его сплавы. Никель и сплавы на его основе благодаря высокой механической прочности и значительной химической стойкости во многих агрессивных средах, пластичности и способности к обработке различными способами представляют большой интерес для химического аппаратостроения. Никель выпускается пяти марок: Н-0, Н-1, Н-2, Н-3 и Н-4 (ГОСТ 849—70). Для изготовления химической аппаратуры применяют две марки НП2 и НПЗ (в виде проката). Никель отличается высокой стойкостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей, высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах во многих органических средах, в том числе в жирных кислотах, феноле, спиртах и т. д., выдерживает действие слабых холодных растворов соляной кислоты и ее солей. Вследствие дефицитности и высокой стоимости никель применяется для изготовления 'аппаратуры сравнительно редко. Значительно чаще используются сплавы никеля с медью, молибденом и другими металлами, обладающими более высокой коррозионной стойкостью, чем никель. Сплавы никеля с медью известны под названием монель-металл, они обладают высокой стойкостью в окислительных средах при температурах до.750°С и сохраняют механическую прочность до 500 °С. Монель-металл стоек в чистой НзР04 высокой концентрации при нагревании и в растворах HF 23 всех концентраций (включая и безводный HF) при всех температурах вплоть до кипения при ограниченном доступе воздуха. К другим высокостойким в агрессивных средах сплавам никеля относятся никельмолибденовые (Н70М26Л, Н65МЗОЛ, Н60М35Л), пригодные для отливки арматуры и отличающиеся высокой коррозионной стойкостью в слабых (до 5%) растворах соляной кислоты и 65—78%-ных растворах серной кислоты. Алюминий. Высокой степени чистоты (не ниже 99,6%) алюминий стоек к действию кислот — азотной, ортофосфорной, уксусной — и очень многих органических сред. Сернистые соединения и газы, содержащие сероводород, сернистый ангидрид, пары серы, сухой хлористый водород, также не действуют на алюминий. Поэтому он находит применение в химическом аппаратостроении. Из алюминия изготовляют сборники, баки и цистерны для хранения и перевозки азотной кислоты, трубы, реакторы, теплообменники и другие аппараты, работающие без давления и при температуре стенок не выше 150 °С. Марки алюминия А995, А99, АО и др. (ГОСТ 11069—64). Находят применение сплавы алюминия с кремнием (силумины СИЛ-1 и СИЛ-2—сплавы алюминия с 10—13% кремния, отличающиеся высокой стойкостью к азотной кислоте), марганцем (АМд), магнием (АМг1,АМг2 и др.), медью и магнием (Д1, ДЛ6 и др.), бериллием. Свинец. Обладает высокой химической стойкостью, особенно как в чистой H2S04, так и в ее растворах. Однако свинец весьма мало прочен. Поэтому его чаще всего применяют не непосредственно, а в качестве защитного покрытия стальных и чугунных аппаратов и деталей. Как самостоятельный материал он употребляется для изготовления труб. Верхний температурный предел применения свинца 150— 200°С, при более высоких температурах он постепенно теряет прочность и коррозионную стойкость, что затрудняет его применение. Для защиты от коррозии используют свинец марки С2 (ГОСТ 3778—65). 24 Серебро. Этот металл очень редко применяется для изготовления химической аппаратуры из-за высокой стоимости. Однако в отдельных производствах, где перерабатываются особенно сложные агрессивные смеси (например, производство хлоруксусной кислоты), он является единственным подходящим материалом. Титан. Это самый перспективный материал для изготовления химического оборудования. Отличается жаростойкостью и жаропрочностью, сопротивляемостью технологическими исключительно эрозии и свойствами малой усталостным и высокой высокой прочностью, плотностью, напряжениям, коррозионной высокой хорошими стойкостью, превосходящей в ряде случаев стойкость высоколегированных кислотостойких сталей. Исключительные антикоррозионные свойства титана обусловлены образованием на его поверхности защитной окисной пленки. Поэтому титан стоек в тех средах, которые способствуют созданию такой пленки или, по крайней мере, не разрушают ее. Он стоек в разбавленной H2S04, разбавленной и концентрированной НNОз (за исключением дымящей), Н202, H2S, сухом и влажном хлоре, царской водке, уксусной и молочной кислотах, а также во многих других средах, агрессивных для большинства металлов. Для титана характерна исключительно высокая стойкость в морской воде; в НС1иНзР04 она зависит от концентрации кислот и их температуры. Титан стоек в очень разбавленных растворах этих кислот при относительно невысоких температурах, но с повышением концентрации кислот и их температуры скорость коррозии увеличивается. Большим преимуществом титана перед другими коррозионно-стойкими металлами и сплавами является то, что его коррозионное разрушение протекает равномерно—межкристаллитная и точечная виды коррозии наблюдаются в очень редких случаях. Однако титан взаимодействует при повышенных температурах с кислородом, азотом и водородом, а также с СО, CO2, NНз, водяным паром и 25 многими летучими органическими соединениями. Марки технического титана: ВТ-1, ВТ1-2. Представляют большой интерес также сплавы титана с различными металлами: алюминием, молибденом, хромом, ванадием и др. (например, марки ВТ4, ВТ5, ВТ14, ВТ15, ОТ4 и др.). Добавки этих металлов приводят к улучшению механических свойств и повышению коррозионной стойкости титана. Предельная температура эксплуатации титановых сплавов 350—500°С. Несмотря на сравнительно высокую стоимость, титан и его сплавы быстро внедряются в химическую промышленность, главным образом для изготовления ответственных деталей химической аппаратуры. Другие металлы. Помимо титана, важное значение, в химическом машиностроении приобретают цирконий, тантал, молибден, ниобий (и сплавы на их основе). Отличительной характеристикой циркония является его стойкость в НС1, НNОз и H2S04 (до концентрации кислоты 80%). По стойкости в щелочах цирконий превосходит титан и тантал; он стоек в горячих концентрированных растворах NaOH и обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью в морской воде при комнатной температуре. Тантал стоек в горячей НС1 и в царской водке. Однако он нестоек к действию олеума, горячей НзР04, соединений фтора и концентрированных растворов щелочей. Следует также отметить склонность этого металла к водородной коррозии. 2.3. Неметаллические материалы Древесина. Наиболее старым неметаллическим материалом, применяемым для изготовления химической аппаратуры, является древесина. Она устойчива к действию ряда агрессивных веществ, в том числе органических кислот, разбавленных H2SO4, НС1, HF, концентрированной НзР04, к спиртам, хлорированным углеводородам и т. д. Поэтому из древесины изготовляют хранилища, баки, мерники, трубопроводы (из фанеры), рамы для фильтр26 прессов и т. д. Однако в связи с огне- и взрывоопасностью производств ООС и СК применение древесины в этих производствах крайне ограничено. Огне- и коррозионная стойкость древесины могут быть повышены пропиткой ее сответствующими веществами. Уголь и графит. Все возрастающее применение для изготовления химической аппаратуры получают уголь и графит, что объясняется прежде всего высокой инертностью этих материалов к большинству агрессивных сред. Уголь и графит стойки к неорганическим и органическим кислотам (кроме окисляющих), в том числе к НС1, HP, НзР04, СНзСООН, к щелочам, органическим растворителям и растворам солей. Особенно высока химическая стойкость угля, который разрушается только сильными окислителями. Угольные и графитовые изделия обладают высокой тепло- и электропроводностью и, вследствие малого коэффициента расширения, стойки к резким многократным перепадам температур. Графит отличается от угля более высокими физико-механическими свойствами. Так, электропроводность графита в 4 раза, а теплопроводность в 13—15 раз выше, чем у угля, и в 5—6 раз выше, чем у стали (марки Х18Н9). Поэтому графит незаменим, например, для изготовления теплообменной аппаратуры, когда по характеру агрессивной среды металлы и сплавы непригодны. Основным недостатком графитовых материалов (как и угольных, но в несколько меньшей степени) является их пористость и вследствие этого проницаемость для жидкостей и газов. Для устранения пористости графит пропитывают различными химически стойкими органическими смолами, чаще всего фенолоформальдегидной. Представляют большой интерес материалы на основе графитовых порошков и связующих—графитопласты и графитолиты. Графитопласты материалы, (антегмиты)—коррозионно-стойкие получаемые прессованием композиций теплопроводные из графита и 27 фенолоформальдегидной смолы с последующей термообработкой. Выпускаются три марки: АТМ-1, АТМ-10 и АТМ-1Г. Графитолиты, или литьевые графиты, представляют собой материалы, полученные методом литья при холодном отверждении композиций на основе графитового порошка, синтетических смол и отвердителей. Выпускаются три марки графитолитов: НЛ, ГФНЛ и 5ЭФНЛ соответственно на основе фенолоформальдегидной, фуриловой и эпоксидной смол. Достоинством этих материалов является способность при литье хорошо заполнять форму и прочно соединяться с металлическими деталями (болты, гайки и др.), помещаемыми в форму. Из пропитанного графита, графитопластов и графитолитов изготовляют самую разнообразную аппаратуру: теплообменники, испарители, абсорберы, центробежные насосы, футеровочные плитки и т. д. Существенный недостаток таких материалов—низкая по сравнению с металлами механическая (особенно ударная) прочность, что ограничивает их применение. Керамика. Большое значение имеют керамические кислото- и огнеупорные материалы, благодаря особой стойкости к действию высоких температур и агрессивных сред. Каменно-керамические и фарфоровые изделия широко применяются в виде футеровочных плиток, кирпичей и т. п. для футеровки стальной аппаратуры, а также в качестве самостоятельных конструкций для , работы с рядом агрессивных жидкостей и газов (реакционная аппаратура, насосы, трубопроводы, арматура и др.). Огнеупорные материалы широко Используются для футеровки аппаратов, работающих под воздействием агрессивных сред при высоких температурах. Стекло. Обладает высокой химической стойкостью к кислотам (кроме HF, НзР04, горячей H2SiF6), холодным щелочам, органическим растворителям и другим агрессивным средам, имеет малый коэффициент линейного расширения, сохраняет свои свойства в значительном интервале температур, обладает высокими электроизоляционными свойствами. Стекло непористо , 28 негорюче, прозрачно, гигиенично, легко очищается. Особенно целесообразно его применение для производства труб, причем употребляется нетермостойкое стекло (обычное оконное марки ВВС) и термостойкое (боросиликатное и безборное слабощелочное). Стоимость стеклянных труб значительно ниже .стоимости труб из многих коррозион-ностойких материалов. Существенным недостатком стеклянных трубопроводов является их хрупкость, невысокое сопротивление растяжению и изгибу. Это требует соблюдения специальных правил монтажа стеклянных трубопроводов и высокой культуры эксплуатации. Недостатком стеклянных трубопроводов из обычного оконного стекла является также небольшой допустимый перепад температур между перекачиваемой по трубопроводу жидкостью и окружающей средой. Широкую известность приобрели новые своеобразные стеклокристаллические материалы, получаемые из твердого стекла путем полной или частичной его кристаллизации и отличающиеся высокой прочностью и стойкостью к термическим воздействиям, а также хорошими диэлектрическими и химическими свойствами. Они известны под названием ситаллов. Изделия из ситаллов могут работать в агрессивных средах при температуре до 1000 °С и выдерживать резкие перепады температур. Они отличаются высокой стойкостью во всех минеральных кислотах до 300 °С, в том числе в смеси азотной и серной. Относительный температурный коэффициент линейного расширения ситаллов близок к нулю. Пластмассы. В практику химического аппаратостроения во все возрастающей степени внедряются также пластические массы. Большое значение приобрел винипласт, представляющий собой поливинилхлорид, стабилизованный добавками соответствующих веществ. Винипласт обладает высокой механической прочностью при обычных температурах, повышенной огнестойкостью и высокой химической стойкостью. Он отлично сопротивляется действию почти всех кислот, щелочей 29 и растворов солей любых концентраций. Исключение составляют сильные ,окислители (концентрированная НNОз, олеум и т. п.). Винипласт нерастворим и во многих органических соединениях, за исключением ароматических и хлорированных углеводородов. Однако необходимо иметь в виду, что он имеет довольно узкие пределы рабочих температур: от —15 до +60 °С. Выше 60 °С он заметно размягчается. Несмотря на это, винипласт получил очень большое распространение благодаря своим исключительным технологическим свойствам: 1) он термопластичен, и при повышенной температуре из него можно формовать различные изделия, без труда изменять их форму при нагревании (например, гнуть трубы); 2) легко поддается механической обработке, его можно сверлить, строгать, резать и т. д.; 3) листы и изделия из винипласта можно сваривать с помощью сварочного прутка, изготовленного из пластифицированного поливинилхлорида, струёй горячего воздуха (200—220°С), что представляет огромные удобства при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования. Винипласт широко применяется для изготовления труб, арматуры, различных деталей, сосудов и реакторов, заменяя с успехом в ряде случаев цветные металлы и высоколегированные стали. Из винипласта ВН, ВП, ВНТ выпускаются листы, трубы, стержни, сварочные прутки. Для химического аппаратостроения применяется полиэтилен, сочетающий высокую химическую стойкость с морозостойкостью, небольшой плотностью, легкой перерабатываемостью, механической прочностью и хорошими диэлектрическими показателями. Полиэтилен выдерживает действие растворов щелочей, солей и кислот, в том числе и HF, но разрушается в присутствии окислителей (растворов НNОз, перекисей). При повышенных температурах он набухает, даже растворяется в бензоле, толуоле; т. пл. от 110 до 135 °С. Промышленностью выпускаются полиэтилены высокого, низкого и среднего давления, различающиеся по свойствам. Еще больший интерес представляет полипропилен, обладающий многими положительными качествами, присущими полиэтилену. Это объясняется 30 значительно большим средним молекулярным весом полипропилена и большей степенью его кристалличности по сравнению с полиэтиленом. В отличие от полиэтилена, полипропилен меньше подвержен окислительной деструкции; при обычной температуре он обладает незначительной хладотекучестью и может, сохраняя форму, длительное время находиться под нагрузкой при 100 °С. Полиэтилен и полипропилен исключительно легко поддаются литью, хорошо свариваются методом контактной сварки( без применения присадочного материала) и сварки с присадочным прутком, изготовленным из того же материала. Их можно подвергать всем видам механической обработки. Все большее значение эти полимеры приобретают в производстве труб благодаря их механической прочности, легкости и простоте изготовления и сборки. Особенно высокое качество труб достигается при их ориентации (вытяжке) непосредственно после формования. Из полиэтилена и полипропилена изготавливают листы различной толщины, которые можно использовать для корпусов приборов и аппаратов. Очень широкое применение эти пластики находят при изготовлении тары для агрессивных, сред и пленочного упаковочного материала. Пленки из полипропилена по сравнению с пленками из полиэтилена имеют более высокую газо- и паронепроницаемость, они более эластичны, но морозостойкость их ниже (—35 вместо—60 °С). Исключительно ценными качествами обладают фторопласты: фторопласт-4, фторопласт-4Д, фторопласт-40 и др., представляющие собой политетрафторэтилены, и политрифторхлорэтилены, выпускаемые под названием фторопласт-3, фторопласт-3М и др. Фторопласт-4 практически стоек к действию любых органических и неорганических сред (в том числе концентрированной HNO3 и перекисей при повышенной температуре, паров ртути, озона), разрушается лишь под влиянием расплавленных щелочных металлов "или их растворов в жидком аммиаке, а также под действием фтора при высоких температурах. Фторопласт-4 исключительно стоек к атмосферным воздействиям. Температурный интервал 31 его применения находится в пределах от —269 до +260 °С, т. е. гораздо шире, чем у других термопластов и очень многих отвержденных материалов. Его недостатки — повышенная хладотекучесть под нагрузкой, сравнительно невысокая прочность при статических нагрузках и большая трудность изготовления из него деталей, а также сборки последних. Фторопласт-4Д является модифицированным политетрафторэтиленом и представляет собой водные суспензии или пасты тонкодисперсного порошка фторопласта-4. Из паст методом экструзии с последующим спеканием получают трубы, стержни и другие изделия с более сложным профилем. Фторопласт-40 и фторопласт-42 также представляют собой мо- дифицированные фторопласты, которые можно обрабатывать прессованием, экструзией, литьем под давлением и сваривать горячим способом. Несмотря на сравнительно высокую стоимость, фторопласты, во все возрастающих размерах, используются в химической промышленности для изготовления ответственных деталей химических аппаратов и арматуры: уплотнительных прокладок, сальниковых набивок, мембран и клапанов, фонарей, смотровых и мерных стекол (из прозрачных фторопластов), а также более сложных деталей. Помимо перечисленных пластических масс, относящихся к термопластам, большой интерес для химического аппаратостроения представляют отверждающиеся пластические массы (термореактивные полимеры). Пресс-изделия из термореактивных полимеров имеют ряд преимуществ по сравнению с изделиями из термопластов: практически полное отсутствие хладотекучести под нагрузкой (ниже температуры теплостойкости) и, как правило, более высокая теплостойкость, нерастворимость и незначительная набухаемость, а также малые изменения объема и физико-механических свойств. Большое применение представляющие собой в промышленности сочетание находят отверждающей волокниты, смолы 32 (фенолоформальдегидной и др.) с волокнистым наполнителем (хлоп- чатобумажными очесами, асбестовым волокном, стекловолокном). Фенолоформальдегидные асбоволокниты, вальцованные в виде листов, известны под названием фаолитов. Наибольшее применение нашел фаолит А (наполнитель—кислотостойкий асбест), химически стойкий ко всем кислотам (за исключением окисляющих и концентрированной H2S04), растворам различных солей, некоторым органическим соединениям (бензол, формалин, дихлорэтан) и некоторым газам (хлор, сернистый газ при 90—100 °С). Однако фаолит А нестоек в щелочах. Фаолит Т (наполнитель—смесь молотого графита и хризотилового асбеста) по сравению с фаолитом А обладает повышенной теплопроводностью, но труднее поддается механической обработке. Химическая стойкость фаолитов во многих агрессивных средах, низкая плотность (1500—1670 кг/м3) и способность к формованию позволяют изготовлять из них самую разнообразную химическую аппаратуру (трубы, насосы, абсорбционные и ректификационные колонны и др). Среди асбоволокнитов чрезвычайно стойким материалом является асбовинил, в качестве связующего применяется лак этиноль (продукт полимеризации дивинилацетилена). Асбовинил по свойствам близок к фаолиту, но имеет по сравнению с ним, а также с винипластом некоторые преимущества: хорошую адгезию к металлу, бетону, дереву, керамике; способность отверждаться и переходить в необратимую форму не только при повышенных, но и при обычных температурах; защитные свойства, сохраняющиеся в пределах от —50 до +110°С. Асбовинил можно использовать не только как футеровочный, но и как самостоятельный конструкционный материал для изготовления труб, арматуры, а также отдельных деталей аппаратов. Все большее применение находят стекловолокниты, получаемые на основе стекловолокон и различных смол—полиэфирных, фенолоформальдегидных, эпоксидных, кремнийорганических и т.д.,—обладающие высокой механической 33 прочностью и негорючестью. Стекловолокниты на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол отличаются высокой химической стойкостью к агрессивным средам. Широко применяются текстолиты, выпускаемые в виде листов, плит и труб. Они выгодно сочетают достаточно высокую механическую прочность с низкой плотностью, износостойкостью и высокой химической стойкостью к различным средам, а также хорошо обрабатываются на. механическом оборудовании. 2.4. Защитные покрытия Использование цветных металлов и легированных сталей для изготовления аппаратуры сопряжено с большими затруднениями вследствие высокой стоимости и дефицитности этих материалов; поэтому широкое распространение получили способы, заключающиеся в покрытии обычных сталей защитными слоями, предохраняющими металл от разрушающего действия перерабатываемых в аппаратах веществ и исключающими контакт железа с реакционной средой. Такие защитные покрытия могут быть металлическими и неметаллическими. Металлические покрытия. Могут наноситься на поверхность защищаемого металла различными способами. Наиболее старым способом является обкладка—наложение на стенки аппарата листов свинца, меди, легированной стали и т. п. Существенным недостатком метода обкладки является то, что между стенкой аппарата и обкладкой остается воздух. При нагревании аппарата или создании в нем вакуума может произойти деформация и даже разрушение обкладки. Особенно важно учитывать это "при обкладке свинцом, механические показатели которого весьма низки. Для покрытия свинцом лучше всего подходит второй способ—гомогенное покрытие, которое осуществляется наплавлением свинца на предварительно луженую поверхность аппарата. 34 Термодиффузионный способ нанесения металлических покрытий заключается в обработке защищаемой поверхности жидким, твердым (в виде порошка) или газообразным металлом при высокой температуре. Чаще в качестве наносимых металлов применяют алюминий, хром и кремний. Эти операции соответственно называют: алитирование, термохромирование (в отличие от электролитического хромирования) и силицирование. Алитированное железо прекрасно сопротивляется газовой коррозии до 900— 1000 °С. Оно стойко к парам серы, сернистому газу и другим сернистым соединениям и не оказывает какого-либо действия на спирты и углеводороды при высоких температурах. Однако вследствие хрупкости алитированного слоя последующая механическая обработка и сварка алитированных деталей недопустимы, поэтому необходимо алитировать уже готовые аппараты. Термохромированное железо по химической стойкости подобно хромистым сталям, а силицированное—кремнистым. Надежным способом защиты является плакирование, осуществляемое совместной прокаткой или горячим прессованием защищаемого металла с металлическим практически не защитным покрытием. отличаются от Защитные свойств свойства металла, покрытия применяемого для плакирования. Толщина защитного слоя обычно составляет 10—20% от толщины основного металла. Плакированную сталь (биметалл) можно подвергать всем видам механической обработки, в том числе штамповке и сварке. Аппаратура из плакированной стали находит широкое применение в химической промышленности. В настоящее время появилась возможность плакирования тонкими листами титана и тантала. Неметаллические покрытия. Различаются как по характеру используемого защитного материала, так и по способам их нанесения. Для предохранения поверхностей металлов от коррозионного действия они могут быть подвергнуты эмалированию, футеровке силикатными и другими материалами, защищены резинами (гуммирование), а также пластическими массами. 35 Эмалирование заключается в покрытии поверхности металла стеклообразной массой — эмалью, получаемой сплавлением кварцевого песка и других материалов с плавнями (бура, поташ, селитра). Эмаль устойчива в большинстве органических и минеральных кислот, за исключением HF, H2SiF6 и НзР04, в слабых растворах щелочей, а также практически во всех органических средах. Одновременно она превосходно защищает среды от вредного действия материала аппаратов. Применение эмали возможно до 300—400 °С, но при этом эмалируемый металл должен иметь определенный состав и обладать определенным коэффициентом расширения, в противном случае возможно растрескивание эмали. Главный недостаток эмалевых покрытий—легкость растрескивания эмали при резких колебаниях температуры и механических воздействиях. При этом следует иметь в виду, что даже незначительные повреждения слоя эмали быстро прогрессируют: она растрескивается и выкрашивается. Эмалевые покрытия имеют и другие недостатки, в частности относительно высокую стоимость; кроме того, изготовление из них крупных и сложной конфигурации аппаратов и деталей представляет известные трудности, так как сварка эмалированных деталей недопустима. Для футеровки аппаратуры силикатными материалами используют различной формы плитки из фарфора, керамики, диабаза. Чаще всего такая футеровка применяется для защиты стальной аппаратуры, предназначенной для работы с растворами, содержащими НС1, а также газообразными агрессивными средами. Футеровка заключается в покрытии рабочей поверхности аппарата двумя (реже одним или тремя) слоями кислотоупорных керамических или диабазовых плиток, сцементированных кислотоупорными замазками. Последние приготовляют из растворимого стекла, наполнителя—диабазового или базальтового порошка—и ускорителя процесса схватывания — кремнефтористого натрия. Для футеровки подготовленную металлическую поверхность промазывают в несколько слоев замазкой и затем укладывают плитки в два-три слоя таким 36 образом, чтобы швы нижнего слоя были перекрыты плитками верхнего слоя . Затем, снова покрывают слоем замазки и производят «окисловку», которая заключается в обработке поверхности покрытия кислотой, например 40%-ной H2S04. Большой материалами, интерес представляет обладающими футеровка высокой аппарата теплопроводностью, графитовыми близкой к теплопроводности углеродистой стали и чугуна. Для такой футеровки применяют замазку повышенной теплопроводности—арзамит (наполнитель— молотый графит). Так как в состав замазки вводят катализатор отверждения (nтолуолсульфохлорид), вызывающий коррозию стали, рекомендуется перед футеровкой стальную поверхность покрывать защитным слоем кислотостойкого лака, либо раствором жидкого стекла, замешанного с графитом, либо бакелитовым лаком в смеси с графитом. Футеровка обеспечивает хорошую защиту от действия разнообразных агрессивных сред при высоких температурах. Недостатком этого метода является то, что при наличии даже незначительных трещин, возникающих чаще всего при температурных колебаниях из-за разницы в коэффициентах расширения металла и футеровки, агрессивное вещество легко проникает к поверхности металла, разрушает ее, вызывая тем самым разрушение и слоя покрытия. Для предотвращения этого рекомендовано проводить футеровку аппаратов, предварительно обложенных резиной или пластмассой. При этом слой футеровки защищает резину от действия органических веществ и повышенных температур. Резина же предохраняет футеровку от общего разрушения, компенсируя разницу в коэффициентах расширения металла и футеровки. Такие комбинированные покрытия могут быть не только двух-, но и трехслойными и более . Весьма эффективным и часто применяемым способом является внутреннее и наружное гуммирование аппаратуры—покрытие слоем резины. Достоинство резиновых покрытий заключается в том, что они не только хорошо выдерживают действие различных агрессивных , агентов, но и хорошо 37 противостоят абразивному износу, кавитационным воздействиям, знакопеременным деформациям, а также резким колебаниям температуры. Наиболее распространенным в настоящее время приемом является обкладка поверхностей аппаратов сырой резиной с последующей вулканизацией. Для этого на тщательно подготовленную—обработанную гравеструйным аппаратом и промытую бензином—поверхность металла наносят несколько слоев клея, после чего накладывают промазанные клеем заготовки из листов сырой резины. После тщательной прикатки резины к поверхности металла для удаления воздуха и устранения неплотностей между металлом и резиной проводят вулканизацию (паром под давлением в автоклаве или кипящей водой при нормальном давлении—в зависимости от типа выбранной резины и характера гуммируемого объекта). Большой интерес представляют обкладочные резины на основе бутадиенстирольных каучуков, стойкие во многих агрессивных средах, а также резины на основе бутадиеновых и изопреновых каучуков регулярного строения — СКД и СКИ. Ценными эксплуатационными свойствами обладают обкладочные резины на основе бутадиен-нитрильных каучуков—СКН-18, СКН-26, СКН-40, противостоящие действию бензина и других органических растворителей, а также характеризующиеся высоким сопротивлением истиранию. Широко используются в качестве антикоррозионных обкладок резины на основе хлоропренового каучука (наирита). Наиритовые резины характеризуются повышенной стойкостью к действию минеральных и растительных масел, бензина и некоторых других неполярных растворителей (уступая, однако, в этом отношении бутадиен-нитрильным каучукам), повышенной износостойкостью, высокой клеящей способностью. Ценным свойством наирита является его способность вполне удовлетворительно вулканизоваться на воздухе при 90—100 °С с помощью окислов металлов. Защитные наиритовые обкладки отличаются хорошим сопротивлением старению и могут эксплуатироваться при контакте с кислотными, щелочными, 38 солевыми и другими агрессивными водными растворами до 70 °С и выдерживать кратковременный перегрев до 90—95 °С. Очень большое распространение имеют защитные обкладки из листовых материалов на основе полиизобутилена. Полиизобутилен обладает высокой химической стойкостью к различным агрессивным средам, слабо подвержен тепловому и кислородному старению, отличается высокими водостойкостью и газонепроницаемостью, а также диэлектрическими свойствами, которые, однако, утрачиваются в саженаполненных композициях. Большим удобством является возможность сварки отдельных листов полиизобутилена, что обеспечивает герметичность защитного слоя. Так как полиизобутилен и смеси на его основе не способны вулканизоваться, полиизобутиленовые покрытия не обладают эластичностью, а также имеют невысокую прочность и небольшое сопротивление истиранию. Для защитных покрытий применяется не собственно полиизобутилен, а смеси его с порошкообразными ингредиентами (сажа, тальк и др.) или термопластичными органическими веществами (полиэтилен, полистирол). Полиизобутиленовые покрытия, в отличие от обычных резиновых, очень долговечны. Обкладки из полиизобутилена с учетом стоимости работ обходятся в 3 раза дешевле, чем обкладки из резины. Защитные обкладки на основе бутилкаучука превосходят по свойствам таковые из полиизобутилена вследствие способности подвергаться вулканизации. Резины на основе бутилкаучука выдерживают действие некоторых органических растворителей, разрушающих полиизобутилен и даже бензомаслостойкие бутадиен-нитрильные каучуки. К числу таких растворителей относятся ацетон, анилин, нитробензол и др. Для защиты оборудования помимо мягких резин применяют твердые резины—эбониты, превосходящие соответствующие им мягкие резины по химической стойкости, теплостойкости и по прочности сцепления с металлом; 39 последним свойством пользуются для крепления резин, применяя эбонит как промежуточный слой. Однако эбониты, по сравнению с мягкими резинами, имеют существенные недостатки. Являясь неэластичными материалами, они плохо противостоят абразивному износу, знакопеременным деформациям, ударам и резким температурным перепадам. Новым простым и прогрессивным методом получения защитных резиновых покрытий является гуммирование поверхностей каучуковыми растворами или пастами с последующей термической или холодной вулканизацией пленки. Покрытия наносят кистью защищаемого предмета или с помощью пульверизатора, окунанием в жидкий рабочий состав и другими способами. Полученное такими методами резиновое покрытие не имеет стыков и швов и поэтому однородно по свойствам. Для гуммирования химической аппаратуры способом окраски применяются различные жидкие каучуки, которые помимо антикоррозионной защиты широко используются также в качестве герметиков. Нанесение покрытий перспективным, но Предназначаемый для из еще латексов мало и других освоенным покрытий латекс дисперсий методом должен является гуммирования. быть высококон- центрированным и не слишком вязким, чтобы его можно было наносить способами, применяемыми при нанесении лаков и красок (пульверизацией, наливом, погружением и др.). В латекс должны быть введены все необходимые для получения резины ингредиенты. Метод газопламенного напыления заключается в напылении на подогретую защищаемую поверхность порошкообразной смеси каучука, вулканизующих агентов и других необходимых для изготовления резины ингредиентов при помощи специальной горелки автогенного типа. При соприкосновении с поверхностью смесь расплавляется и после остывания образует завулканизованное непроницаемое покрытие, прочно соединенное с металлом. Для получения покрытий этим методом пригодны синтетические каучуки, способные превращаться в мелкодисперсный стабильный порошок и при 40 нагревании переходить в вязкотекучее состояние без существенного разложения. В качестве материалов для защиты аппаратуры широко используются и пластмассы: винипласт, полиэтилен, полипропилен, фаолит, асбовинил и др. Винипласт может применяться для защиты аппаратуры в виде сравнительно тонких пленок предварительно (толщиной 0,5—1 подготовленную мм), которые поверхность наклеиваются металла с на помощью перхлорвинилового клея (раствор перхлорвиниловой смолы в ацетоне, дихлорэтане или хлористом метилене). Однако такой метод обкладки приклеиванием имеет ряд Недостатков, главными из которых являются недостаточная прочность связи с металлом и недостаточная механическая прочность покрытия. Поэтому в ответственных случаях производят футеровку при помощи сварных вкладышей из листового винипласта толщиной от 2 до 8 мм. Основным методом получения защитных покрытий из полиэтилена и полипропилена является газопламенное напыление этих материалов. Разработан также способ нанесения покрытий из полиэтилена и полипропилена вихревым напылением или напылением в псевдоожиженном слое. При вихревом напылении покрываемое изделие нагревают до температуры, превышающей температуру размягчения полимера, и затем погружают на короткое время в ванну с псевдоожиженным порошком полимера. Последний соприкасаясь с нагретой поверхностью изделия, плавится и образует хорошее и равномерное покрытие. При удалении изделия из псевдоожиженного порошка оплавленное покрытие образует сплошную пленку, толщина которой зависит от времени пребывания изделия в псевдоожиженном слое. В последнее время применяется способ прокатки металлического листа с нанесением на него с одной или двух сторон слоя полимера (полиэтилена, фторопласта и др.). Такой материал получил название металлопласта. Асбовинил применяют для обкладки аппаратуры в виде пасты (из асбестового волокна и лака этиноля). Пасту наносят на защищаемую 41 поверхность, затем аппарат выдерживают в сушильной камере для отверждения массы при повышенной температуре в течение трех суток. Толщина покрытия составляет 10—12 мм. Отверждение покрытий на крупногабаритных конструкциях, которые не могут быть помещены в сушильную камеру, проводят на воздухе при обычной температуре, продолжительность отверждения 25—30 сут. Асбовиниловые покрытия обладают стойкостью к воздействию многих агрессивных сцед, в том числе SO2, влажного Cl2, H2SO3, Н2SO4 (не выше 75%ной), НС1 всех концентраций, слабых растворов NaOH, хлорбензола и др. Асбовинил может быть применен также в виде подслоя в комбинированных футеровках. Широкое распространение в промышленности находят бакелитовые покрытия. Они применяются главным образом при защите теплообменной аппаратуры от коррозионного действия охлаждающей воды. В бакелитовый лак, представляющий собой растворенную в этиловом спирте резольную фенолоформальдегидную смолу, вводят алюминиевую пудру, и полученную краску наносят на тщательно подготовленную поверхность металла 3—6 слоями. Каждый из слоев высушивают (отверждают) при определенном температурном режиме. В качестве наполнителя рекомендуется также графит. 42 3. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ Аппараты и трубопроводы, работающие при температурах, значительно отличающихся от температуры окружающей среды, покрывают тепловой изоляцией, назначение которой заключается в уменьшении потерь тепла или холода, а также в обеспечении нормальных условий труда (предохранение от ожогов, от сильного повышения или понижения температуры в рабочих помещениях). К тепловой изоляции предъявляется ряд требований. Прежде всего, она должна обладать низким коэффициентом теплопроводности, кроме того, иметь возможно меньшую объемную плотность, минимальную гигроскопичность, достаточную стойкость к рабочей температуре и ее колебаниям, химическую стойкость и инертность (отсутствие агрессивного действия на изолируемые поверхности), а также достаточную механическую прочность. Кроме того, укладка теплоизоляционного материала на изолируемые поверхности должна занимать минимальное количество времени. 3.1.Теплоизоляционные материалы Материалы для тепловой изоляции имеют пористое строение, благодаря чему обладают малой насыпной плотностью и низкой теплопроводностью. Теплоизоляционные материалы классифицируются (ГОСТ 16381—70) по структуре, форме, виду сырья, объемной массе, сжимаемости, теплопроводности. По структуре теплоизоляционные материалы подразделяются на: 1) пористо-волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые и др.); 2) пористозернистые (перлитовые, совелитовые и др.);3) ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло, пено-пласты). По форме материалы для теплоизоляции могут быть: штучными (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, сегменты), рулонными (маты, полосы, матрацы), шнуровыми и сыпучими. 43 По виду сырья теплоизоляционные материалы делятся на неорганические (минеральная и стеклянная вата, ячеистые бетоны, изделия из асбеста, теплоизоляционная керамика и др.) и органические (древесноволокнистые, торфяные и пробковые плиты, теплоизоляционные пластмассы и др.). Выпускаются также смешанные материалы. Неорганические теплоизоляционные материалы обладают более высокой температуре-, водо-, биостойкостью и прочностью, чем органические материалы. Изоляционные материалы различаются также по температурному пределу применения: высокотемпературные (выше 450 °С), среднетемпературные (150—450 °С) и низкотемпературные (до 150°С). В качестве теплоизоляционных материалов применяются асбоцементные изделия, диатолит молотый и изделия из него, минераловатные плиты, пеностекло, перлитовый песок, пенопласт, торфосегменты и др. 3.2. Основные конструкции тепловой изоляции Основные конструкции тепловой изоляции подразделяются на мастичные (выполняются преимущественно из порошкообразных материалов, из которых замешиванием с водой готовится пластичная масса—изоляционная мастика), засыпные (волокнистая или зернистая масса засыпается в заранее изготовленные кожухи), формованные (изготовляют из штучных жестких формованных изделий — кирпичей, плит, сегментов и т. д.) и сборноблочные (выполняются из отдельных блоков, панелей и сборных заводской готовности конструкций, изготовленных из различных теплоизоляционных элементов). Наиболее прогрессивными являются последние два типа конструкций. При высокой температуре изолируемого аппарата применяют многослойную изоляцию: сначала ставят материал, выдерживающий высокую температуру, но, как правило, имеющий невысокие теплоизоляционные свойства, а затем уже материал, обладающий малой теплопроводностью. Толщину первого слоя берут такой, чтобы температура на границе со вторым 44 слоем была не выше предельной температуры применения теплоизоляционного материала. Для повышения поверхностной прочности и долговечности тер- моизоляционного слоя на него наносят защитные покрытия—металлические листы (стальные и из алюминиевых сплавов), листовые и рулонные синтетические материалы, рулонные гидроизоляционные материалы (рубероид, толь), асбоцементные штукатурки и др. Наиболее долговечным и качественным является покрытие из металлических листов. Для установки каркаса на плоских и криволинейных поверхностях изолируемого аппарата к нему приваривают шипы из стальной проволоки. Шипы обычно располагают в шахматном порядке; длина шипов на 10—15 мм больше толщины основного изоляционного слоя. Комплект полносборной теплоизоляционной конструкции – ТК (конструкция заводской готовности) состоит из теплоизоляционного слоя, покровного слоя и крепежных деталей, соединенных между собой. Монтаж конструкции сводится к установке их и закреплению на изолируемом объекте. Второй тип конструкций заводской готовности — СТК (сборные теплоизоляционные конструкции). Комплект, состоящий также из теплоизоляционного слоя, покровного слоя и крепежных деталей, собирается на заводе-изготовителе временно для доставки на объект. При монтаже производится разборка конструкции с последующей сборкой ее на изолируемом объекте. При компоновке и монтаже оборудования и трубопроводов необходимо исходить из их размеров с учетом толщины изоляции. 3.4.Расчет тепловой изоляции Расчет тепловой изоляции проводят по формулам теплоотдачи и теплопередачи. Коэффициент теплоотдачи В [Вт/(м2 * 0С) )] от изоляции в окружающую среду (воздух) для аппаратуры, находящейся в помещении, при температуре 45 наружной поверхности изоляции tн до 150 °С можно рассчитать по приближенной формуле: В= 9,77+0.07(tн-tв) (2.1) где tВ—температура окружающего воздуха. В формуле (2.1) учитывается как конвекция, так и лучеиспуcкание. Для аппаратуры, расположенной на открытом воздухе, коэффициент теплоотдачи в зависимости от скорости ветра может быть найден по табл. 2.1. Таблица 2.1 Зависимость коэффициента теплоотдачи [в Вт/(м2* 0С)] от скорости ветра Скорость ветра, *м/с 5 10 15 Цилиндрические диаметром менее 2 м 21 29 35 Плоские и цилиндрические диаметром более 2 м 23 35 46 * При отсутствии сведений о скорости ветра принимается коэффициент теплоотдачи, соответствующий скорости 10 м/с. Толщина изоляции ИЗ определяется по уравнениям теплопередачи, которые для плоской и цилиндрической стенок имеют различный вид, что приводит к некоторой разнице и в методе расчета изоляции плоской и цилиндрической стенок. Однако для цилиндрических аппаратов большого диаметра расчет тепловой изоляции ведется как для плоской стенки. Плоская стенка. Удельный тепловой поток q tС  t В  1   С  В 1 (2.2) где tс – температура рабочей среды в аппарате; с – коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке аппарата;   – сумма термических сопротивлений стенки аппарата (в общем случае многослойной) и изоляции;  и  – толщина и теплопроводность соответствующих слоев стенки и изоляции. 46 При малом термическом сопротивлении стенки аппарата (стальная стенка и отсутствие футеровки)   ИЗ    ИЗ из берется при средней температуре изоляции, причем при высоком значении с за температуру изоляции со стороны стенки аппарата принимается температура рабочей среды в аппарате. Значение 1/с принимается в расчет только в случае, когда рабочей средой является воздух или газ. Порядок расчета из: 1. Задают температуру поверхности изоляции tН. 2. По формуле (2.1) или табл. 2.1 определяют В. 3. Определяют удельный тепловой поток: q=В(tН—tВ) (2.3) 4. Подставляя найденное значение q в уравнение (2.2), определяют толщину изоляции. В случае больших значений C и при малом термическом сопротивлении стенки для определения из можно воспользоваться более простым уравнением: q ИЗ t  t   ИЗ С Н (2.4) из которого  ИЗ  ИЗ t С  t Н  q Если при расчете изоляции определяющей является величина допустимых тепловых потерь аппарата, то температуру поверхности изоляции можно найти по формуле: t Н  t В  69,8  4870  14,29q , (2.5) которая получается в результате совместного решения уравнений (2.1) и (2.3) или графическим путем (рис. 2.1). Разумеется, для расчета следует задавать тепловые потери, при которых температура поверхности изоляции не 47 превышала бы допустимую для соблюдения санитарных норм и безопасной работы. Зависимость удельных тепловых потерь q от температуры поверхности изоляции tН при температуре окружающего воздуха 20 °С. Рис 2.1. Цилиндрическая стенка Уравнение теплопередачи имеет следующий вид: ql   (t c  t B ) d 1 1 1  ln 2   c d1 2из d1  B d 2 (2.6) где ql – тепловой поток на 1 м длины аппарата (трубопровода), Вт/м; d1 и d2 – диаметры неизолированного и изолированного трубопровода, м. В уравнении (2.6) не учитываются термическое сопротивление стенки. Значение 1/сd1 принимается в расчет при небольших значениях с. Для нахождения искомой величины задают температуру поверхности изоляции и диаметр изолированного трубопровода (это возможно потому, что влияние члена 1/вd2 относительно невелико) и d2 определяют из выражения ln(d2/d1)/ В тех случаях, когда можно пренебречь термическим сопротивлением 1/сd1 теплоотдачи от рабочей среды к стенке, из можно находить по уравнению: ql  2из (t c  t H ) ln( d 2 / d1 ) (2.7) где tс – температура трубопровода без изоляции. 48 Порядок расчета следующий. Устанавливают допустимые тепловые потери ql (или задаются ими), задают температуру поверхности изоляции и по уравнению (2.6) находят d2, а затем и из. После этого проводят проверочный расчет и определяют значение температуры поверхности изоляции. Если последняя существенно отличается от предварительно принятого значения, то весь расчет повторяют до тех пор, пока расхождение температур не будет незначительным. С целью упрощения расчетов из по уравнению (2.6) можно пользоваться специальными таблицами или формулой, составленной на основе этих таблиц и позволяющей определить толщину изоляции (в мм) с точностью до 3-5 % при теплоотдаче в условиях свободной конвекции и температуре окружающей среды 20С:  из d11, 2 1из,35 t c1, 73  2,81  ql1,5 (2.8) Следует иметь в виду, что увеличение толщины изоляции трубопроводов малых диаметров не всегда приводит к снижению тепловых потерь. Это объясняется тем, что при увеличении толщины изоляции быстро увеличивается поверхность теплоотдачи в окружающую среду, в результате чего термическое сопротивление слоя изоляции 1 2из ln d2 d1 возрастает медленнее, чем убывает термическое сопротивление теплоотдачи в окружающую среду 1/вd2. Поэтому при изолировании трубопроводов малых диаметров следует применять наименее теплопроводные материалы. 49 50