Совместными
усилиями
к общему успеху...
с_1997 года
"ИНТЕХ ГмбХ"
На химических производствах задействовано огромное количество всевозможного промышленного оборудования, которое можно разделить на следующие классы:
Кроме этого, все химическое оборудование, в зависимости от его назначения, делят на:
Кроме прочего, технологическое оборудование делится еще на:
Стоит отметить, что какой-либо продукт (или продукты) получают, как правило, не на одном, а на целом ряде оборудования, которое представляет собой один единый технологический процесс. Причем, в каждом из этого оборудования будет происходить изменение химического состава или физической формы этого продукта и, соответственно, все машины и аппараты, которые входят в одну единицу оборудования, будут осуществлять работу в своих индивидуальных рабочих условиях. Для нормального протекания технологического процесса каждая из этих машин и аппаратов должен в максимальной степени соответствовать обрабатываемому продукту по таким параметрам, как размер, форма и внутреннее устройство.
Из этого следует вывод – тип машины или аппарата выбирается, в зависимости от агрегатного состояния, химических свойств, температуры, теплового эффекта и давления тех веществ, которые принимают участие в технологическом процессе.
Оборудование каждого производственного предприятия можно разделить на специальное и общепромышленное. Специальные виды оборудования присущи конкретному производству и не могут быть использованы в других технологических процессах. Общепромышленное оборудование имеет универсальный характер – им оснащаются все предприятия вне зависимости от отраслевой принадлежности.
Технологическое оборудование обеспечивает протекание разнообразных технологических процессов в производственных отраслях. По типу процесса, который протекает благодаря работе технологического оборудования, последнее подразделяют на классы:
Каждый отдельный класс технологического оборудования подразделяется на группы в соответствии с функциональным назначением. Группы, в которые входят определенные технологические аппараты, принято подразделять на типы.
Классы технологического оборудования подразделяется на группы аппаратов в соответствие с функциональным назначением. Термином «классификация» определяется распределение оборудования по группам в соответствии с назначением, характером и организацией технологических процессов, производительностью (мощностью), способами управления (ручной, автоматический, комбинированный). Технологическое оборудование химических производств является специальным и предназначено для реализации последовательной цепочки технологических процессов от подготовки первичного сырья до получения конечного продукта:
С помощью перечисленных групп оборудования происходит очистка первичного сырья от примесей, приведение его в однородное состояние по механическим, физическим и химическим свойствам для последующей переработки. Получение готового продукта происходит в следующей группе технологического оборудования, имеющей обобщенное наименование «химический реактор». В зависимости от характера протекающих в них процессов реакторы могут быть холодного и горячего типа.
Химические реакции, которые протекают в естественных условиях, происходят в холодных реакторах. Если для получения продукта требуются высокие температуры или катализаторы, то реакторами становятся печи, автоклавы и специальные сосуды. В свою очередь группы оборудования распределяются на типы (по способу действия, виду привода и прочее), а те в свою очередь на типоразмеры (по габаритам, мощности, производительности).
Для сопутствующих технологических процессов предназначается вспомогательное оборудование, которое обеспечивает сбор и хранение побочных продуктов, транспортировку и накопление исходного сырья и готового продукта (резервуары, газгольдеры, бункеры и т. п.). Химические реакторы в зависимости от способа воздействия на сырье делятся на аппараты и машины. Аппаратом называется сооружение, внутри которого находится рабочая зона (пространство для химических реакций), где технологический процесс происходит без участия механических устройств. Если для нормального течения процесса требуются дополнительные механизмы (мешалки, рыхлители и прочее), то аппарат становится машиной.
В зависимости от организации технологического процесса и ассортимента готового продукта химические реакторы подразделяются на аппараты и машины непрерывного или периодического действия.
Аппараты и машины периодического действия дают возможность изготавливать на одном и том же оборудовании различные виды близкой по составу продукции (например, полимеры). Для переналадки таких реакторов требуются минимальные затраты времени и средств. Технологическая гибкость является основным преимуществом оборудования периодического действия.
Согласно принципу организации технологического процесса машины принято делить на оборудование периодического и непрерывного действия.
Согласно уровню автоматизации, машины принято подразделять на следующие типы:
Общее описание
Материалы для изготовления химического оборудования следует выбирать, учитывая специфику их эксплуатации и предусматривая то обстоятельство, что физико-химические свойства материалов могут измениться под воздействием рабочих и агрессивных сред, высоких или низких температур и протекающих на производстве химико-технологических процессов. Поэтому при выборе материала для того или иного оборудования, следует руководствоваться установленным в нашей стране стандарта.
Чтобы максимально правильно подобрать материал к оборудованию, следует сначала выяснить, в каких рабочих условиях он будет находиться. То есть, какая будет температура, давление, обрабатываемая среда и ее концентрация. При выборе конструкционного материала для химического оборудования очень важно учесть физические (температурное расширение, теплопроводность) и механические (твердость, трещиностойкость, предел прочности и так далее) свойства материала, а так же его химическую стойкость.
Стоит отметить, что механические свойства материалов, из которых выполнено оборудование, могут меняться и достаточно сильно при низких или, наоборот, высоких температурах. Еще одним, необходимым условием, при выборе материала является способность материала к свариванию, так как в химическом машиностроении самым основным способом выполнения неразъемных соединений является именно сварка, в редких случаях – пайка.
Однако одним из самых главных требований к материалу для изготовления химического оборудования является его коррозийная стойкость. Коррозии, как правило, подвергается не наружная поверхность химических аппаратов, а внутренняя. Именно от коррозийной стойкости будет зависеть, насколько долго прослужит промышленное оборудование.
Защита оборудования химических производств
Экономика нашей страны очень сильно страдает из-за потерь, которые причиняет народному хозяйству коррозия. Она оказывает разрушительное действие на металлы, металлические изделия, строительные конструкции и производственное оборудование. Стоит отметить, что коррозийные разрушения нередко становятся причиной простоев и аварийных ситуаций на предприятиях и ущерб от них порой в разы превышает непосредственную потерю металла.
Зарубежный и российский опыт показал, что сегодня довольно значительную часть существующих кислотостойких сталей способна прекрасно заменить обычная углеродистая сталь, имеющая защитное покрытие. При этом можно сэкономить очень много средств, а так же дефицитных металлов.
Некоторым химическим установкам и коммуникациям (трубопроводам) требуется тепловая изоляция в виду проведения на них реакций при высоких температурах или реакций с использованием высокотемпературных теплоносителей. Тепловая изоляция требуется и оборудованию, где реакции проводятся с применением охлаждающих агентов с отрицательными температурами.
Сегодня химическое оборудование защищают, как правило, несколькими способами:
При выборе материала, конструкции защитного покрытия и изоляции обязательно учитывают конкретные условия работы оборудования, его назначение и место установки. Если аппаратуру, имеющую неметаллическое внутреннее покрытие (к примеру, эмалированное, лаковое, резиновое и так далее) планируется разместить на открытой площадке, то для него выбирают покрытие, которое имеет механическую стойкость к низким и переменным температурам. В тех случаях, когда нет возможности обеспечить оборудование таким стойким к низким температурам воздуха покрытием, его размещают в отапливаемом помещении.
Выбор защитного покрытия и футеровок для изоляции химического оборудования
Сегодня очень важно для того или иного химического оборудования сделать максимально правильный выбор материала покрытия, так как это позволит обойтись без использования дорогостоящих и дефицитных конструкционных материалов для их создания. Кроме того, сейчас существует много химических производств, где среда, вызывающая коррозию, не позволяет даже применять те машины и аппараты, которые выполнены из специальных сталей.
Срок службы защищенного промышленного оборудования зависит не только от стойкости защитного материала к агрессивным средам, но и от качества футеровочных работ. Качественно выполненная футеровка – это гарантия надежности и бесперебойной работы аппаратуры.
Сегодня самыми основными материалами, которые используют для защиты химического оборудования, являются: кислотоупорные и диатомовые кирпичи, андезитовые камни, диабазовые плиты, кислотоупорные цементы, асбозуритовая масса, листовой асбест и полиизобутилен.
Защитные покрытия из полимерных материалов
Среди всех существующих на данный момент защитных покрытий от коррозии химического оборудования самыми эффективными считаются покрытия из полимерных материалов. Особенно эффективными являются фторопласты самых различных марок, которые отличаются высокой прочностью, химической, тепло- и износостойкостью в сочетании с отличными антиадгезионными (устойчивость к прилипанию) свойствами.
К примеру, в производстве серной кислоты сегодня стали использовать пластинчатые теплообменники с элементами из углеродистой стали, которые защищены антикоррозийным покрытием из полимера, обладающего повышенной теплопроводностью. Разборный пластинчатый теплообменный аппарат, изготовленный из углеродистой стали и имеющий антикоррозионное защитное покрытие был специально создан для данного производства. Более того, теплопередающие пластины имеют такие размеры и конфигурацию, которые позволяют создавать для рабочих сред очень интенсивный турбулентный поток. Все это позволяет при одинаковых затратах на преодоление гидравлического сопротивления, в значительной мере увеличивать теплоотдачу в этом химическом оборудовании.
Перед тем, как нанести антикоррозионные покрытия и футеровку, обязательно проверяют прочность, герметичность и качество предварительной подготовки поверхностей оборудования. Защитное покрытие наносят только в том случае, если подготовленная поверхность сухая, имеет равномерный серо-матовый оттенок и на ней отсутствуют следы ржавчины, окалины и каких-либо загрязнений, особенно масла.
Наиболее надежными в плане эксплуатации и самыми распространенными сегодня являются эмалевые защитные покрытия. Эмалированные поверхности химического оборудования очень устойчивы к воздействию кислот, причем, как органических, так и неорганических, а так же их солям и щелочным растворам. Однако эмалевые защитные покрытия не отличаются устойчивостью к кремнефтористоводородной и плавиковой кислотам и их солям.
Окраска химического оборудования
Для защиты оборудования и коммуникаций от воздействия внешней коррозии выполняют окраску перхлорвиниловой эмалью, используют масляную краску, а так же осуществляют покрытия алюминием, цинком (путем металлизации) и другими материалами, учитывая при этом особенности атмосферы, окружающей среды и условия эксплуатации.
Изоляция оборудования химических производств
Изоляцию оборудования и производственных коммуникаций выполняют в том случае, если нагретые поверхности промышленного оборудования имеют температуру более 45 градусов по Цельсию, а трубопроводы – более 60 градусов по Цельсию.
Главными задачами изоляции являются:
Для изоляции химического оборудования используют минераловатные, вулканитовые, совелитовые и диатомовые материалы, а так же изделия из стекловолокна.
Ко всем, без исключения, теплоизоляционным покрытиям химического оборудования предъявляются особые требования. Сегодня такие распространенные теплоизоляционные материалы, как стекловата, шлаковата и асбоцемент, к сожалению, не способны в должной мере обеспечивать качественную изоляцию, так как у них довольно низкая механическая прочность и высокая способность к влагопоглощению. К тому же срок их эксплуатации в агрессивных средах и присутствии атмосферной влаги недолог – они очень быстро разрушаются.
Поэтому были разработаны принципиально новые конструкции теплоизоляционных покрытий, которые оптимально подходят для использования их в условиях химических производств. В этих конструкциях теплоизоляционным материалом выступают, в основном, пенопласты, такие как пенополистирол и пенополиуретан, которые отличаются прочностью, низкой теплопроводностью, малой объемной массой и, практически, не способны поглощать влагу.
Выбор материалов и защитных покрытий для химической аппаратуры, располагаемой на открытых площадках
Выбирая материал для изготовления химического оборудования, которое будет в дальнейшем устанавливаться и эксплуатироваться на открытых площадках, следует обязательно учесть все условия работы аппаратуры, не забывая о возможном его переохлаждении при отрицательных температурах наружного воздуха. Так же необходимо учесть и резкие перепады температур. Стоит помнить, что при переохлаждении металл имеет тенденцию к внезапному разрушению. Поэтому для таких условий лучше всего использовать легированную или углеродистую сталь.
Размещаемое на открытых площадках оборудование нуждается в защите от коррозии, а сами перерабатываемые в нем продукты – в защите в зимнее время от замерзания, а в летнее время от перегрева солнечными лучами. Поэтому таким машинам и аппаратам просто необходимы качественные теплоизоляционные покрытия.
Сам изоляционный слой химического оборудования, находящегося на открытом воздухе, должен быть сверху защищен надежным, стойким к атмосферным воздействиям, покрытием. Таким защитным покрытием может быть асбестоцементные листы или же штукатурка, а так же металлические кожухи, выполненные либо из гофрированных алюминиевых листов, либо из тонколистовой оцинкованной стали (применяют, как правило, для защиты изоляционного материала холодных поверхностей).
Особенности выбора конструкционных материалов для химического оборудования
Выбор материалов, из которых изготавливают технологическое оборудование для химического производства, обуславливается особыми условиями эксплуатации, оказывающими прямое влияние на свойства металлов, полимеров, резинотехнических изделий, смазок и т. д. Среди основных факторов воздействия можно назвать:
При таких воздействиях у металлов кардинально меняются пластичность, устойчивость к ударам, динамическим и статическим нагрузкам, по-иному проявляется старение и усталость. Уплотнители и материалы для футеровки внутренних поверхностей должны выдерживать экстремальные температуры, кислую и щелочную среду.
Техническая литература предлагает достаточное количество готовых таблиц, в которых отражается зависимость изменения предела текучести (σт) при статических нагрузках или упругих свойств (модуль E и коэффициент Пуассона μ) от рабочей температуры. Это важнейшие характеристики для марок рядовой углеродистой стали и серого чугуна. При низкой температуре черные металлы становятся хрупкими, а при высокой становятся проницаемыми для диффузии активных соединений.
Нарушение механических характеристик рядовых металлов заставляет разрабатывать дополнительные системы охлаждения, дополнять оборудование устройствами для компенсации механических нагрузок, внутренних напряжений, гидродинамических ударов и других воздействий. Нормами Ростехнадзора предусмотрено очень ограниченное применение углеродистой стали и чугуна для экстремальных условий эксплуатации. Поэтому в числе основных конструкционных материалов для химического оборудования числятся специальные марки легированной стали, цветные металлы (медь, алюминий) и их сплавы.
У этих материалов пластические характеристики под воздействием низких температур меняются незначительно, не считая того, что они обладают значительно большей устойчивостью ко всем видам коррозии, в том числе в химических процессах с использованием электролитов. Подводя итоги можно отметить, что выбранные конструкционные материалы для химического промышленного оборудования должны соответствовать таким требованиям:
Наряду с металлами схожий подход используется при выборе других конструктивных материалов по параметрам жаропрочности, пластичности, устойчивости к ударным нагрузкам и вибрации. Правильный выбор материалов является гарантией долговечности и надежности химического оборудования.
Общее описание
Промышленное оборудование должно занимать небольшую, по размеру производственную площадь, то есть по возможности быть компактным и обязательно работать с должной производительностью. Что касается материала ее деталей, то они должны быть качественными, надежными и долговечными, а так же способными работать в агрессивной химической среде.
Сама машина (аппарат) так же должна быть надежной, безопасной и максимально удобной в пользовании. Так же по возможности следует сократить до минимума время, которое машина (аппарат) затрачивает на изготовление одной единицы продукции, а так же максимально снизить расход преобразованных энергоресурсов (электричество, вода, пар, тепло и сжатый воздух).
К стальным сварным сосудам и аппаратам предъявляются свои технические требования, установленные отраслевым стандартом. Все используемые в производстве сосуды и аппараты должны быть оснащены люками, которые обеспечат доступ в них в случае очистки или ремонта.
На предприятии допускается использование теплообменных аппаратов, сосудов с рубашками и аппаратов со съемными днищами или крышками без наличия лазов.
Требования к проектированию химического оборудования
Важным аспектом требований к технологическому оборудованию являются требования, предъявляемые к качеству машин и условиям их эксплуатации.
В зависимости от стадии изготовления технологического оборудования, различают показатели:
Общие требования к проектированию любого технологического оборудования - группа показателей, которые должны учитываться при разработке конструкторской и технической документации аппаратов и машин для всех отраслей промышленности, включая химическое производство:
Выполнение требований к проектированию оборудования не должно быть слепым – необходимо также учитывать основные тенденции развития отрасли, перспективы изменений в сфере охраны труда и природной среды, просто заглядывать вперед, чтобы проект не устарел до того, как будет воплощен в металл:
Все перечисленные требования взаимозависимы. Очень трудно или даже невозможно обеспечить идеальные параметры по одной группе требований без ущерба другим. Высокие показатели мощности прямо пропорциональны уровню вредных выбросов, что означает неизбежность создания высокопроизводительных систем очистки. Зато работа над надежностью оборудования автоматически повлечет за собой рост безопасной эксплуатации.
Ключевыми требованиями к разрабатываемому технологическому оборудованию являются эффективность, надежность, конструктивность, транспортабельность, а также несложность эксплуатации.
Эффективность работы оборудования это показатель его производительности в условиях непрерывного технологического процесса.
Показатель надежности объединяет такие параметры как прочность, долговечность, а также устойчивость.
Конструктивность предполагает простоту устройства, небольшой вес и габариты.
Под транспортабельностью оборудования понимается возможность перемещать оборудование по блокам или в полном комплекте.
Несложность эксплуатации заключается в удобстве монтажа, ремонта и контроля работы промышленного оборудования.
Комплекс противоречивых требований, которые предъявляются к современному технологическому оборудованию, ставит вопрос выбора оптимального производственного решения.
Другими словами, хороший проект оборудования – это результат разумного компромисса при соблюдении требований к проектированию, поиска максимального количества точек соприкосновения в противоречивых ситуациях и ориентации на лучшие образцы существующей техники. Только так можно добиться оптимального результата не по отдельным направлениям, а в целом, когда разработанный аппарат или машина вступит в строй действующего химического оборудования.
Все параметры из перечисленных групп требований являются прогнозируемыми на стадии выдачи технического задания, производственными во время разработки проектно-технической документации и испытаний опытных образцов, эксплуатационными с начала работы оборудования на конкретном предприятии.
При проектировании химического оборудования особенно важно учитывать повышенные требования устойчивости материалов к всем видам коррозии (химической, термической и атмосферной). В случае если предполагается монтаж оборудования на открытых площадках, эти требования усиливаются. Существуют также отдельные требования к промышленному оборудованию в зависимости от климатических условий по месту эксплуатации, которые следует учитывать при проектировании и отражать в маркировке изделий:
Цифровые индексы возле буквенных обозначений в маркировке указывают на исполнение техники для открытой эксплуатации (1), в легких постройках и под тентами (2), в закрытых помещениях без регулирования климатических условий (3), в зданиях с климат-контролем (4), в помещениях с высокой влажностью (5). Тем самым учитываются температурные колебания, влияние атмосферного давления, абразивные воздействия и другие параметры, влияющие на выбор материалов, смазки, уплотнителей и т. д.
Описание и требования к конструкционным материалам
Для производства промышленного оборудования в химической и нефтехимической отрасли применяют материалы, обладающие высоким уровнем стойкости к агрессивным средам, механической прочностью, пониженной склонностью к старению и т.п. Причины таких высоких требований обусловлены тем, что химическое оборудование функционирует в широком диапазоне давлений.
Основные требования к конструкционным материалам оборудования для химических и нефтехимических отраслей можно сформулировать следующим образом:
1.1 Классификация процессов химической технологии
Все процессы химической технологии в зависимости от общих кинетических закономерностей протекания процесса разделены на несколько основных групп:
Основные процессы химической технологии по способу организации классифицируются на: периодические, непрерывные и комбинированные (смешанные).
Периодические процессы протекают в одном оборудовании, куда до начала реакции вводят порцию исходных реагирующих веществ. Все стадии: смешивание этих веществ, их химические взаимодействия и получение конечных продуктов, которые и составляют цикл, идут последовательно друг за другом и периодически повторяются через определенный промежуток времени. Между циклами, когда проходит загрузка сырья и выгрузка продукта, аппарат простаивает. Особенностью периодических процессов является то, что все стадии осуществляются в одном аппарате, в последовательном порядке. Промышленное оборудование, в котором проходят периодические процессы, могут быть замкнутой системой или же открытой. К примеру, автоклав является замкнутой системой, во время протекания цикла он герметично закрыт. А вот колонна периодической ректификации, в виду постоянно отводимого во время ее работы дистиллята, является уже открытой системой.
Непрерывные процессы - протекают без вспомогательных стадий в проточных аппаратах. Это значит, что загрузка исходного сырья в оборудование, а так же выгрузка конечного продукта выполняются без простоев оборудования, то есть непрерывно. Все стадии процесса осуществляются одновременно, но при этом в различных точках одного аппарата, либо в разных аппаратах. Причем, все параметры этого процесса, такие как температура, давление и так далее, остаются неизменными во времени.
Комбинированные процессы – это могут быть как непрерывные процессы, в которых какие-то определенные стадии выполняются периодически, так и периодические процессы, где одна стадия или же несколько идут непрерывно.
Применение непрерывных процессов, благодаря их многочисленным достоинствам, значительно повышает производительность аппаратуры, качество и однородность продуктов, уменьшает потребность в обслуживающем персонале, обеспечивает более полную механизацию и облегчает автоматическое регулирование производства, а так же улучшает условия труда.
Периодические процессы, хоть и вытесняются непрерывными, все же продолжают сохранять свое значение. Благодаря своим преимуществам (многофункциональность, использование дешевых средств дозирования реагентов, малое количество оборудования) периодические процессы сегодня находят применение на небольших производствах, где достаточно разнообразный ассортимент продукции. Они позволяют добиться большой гибкости в эксплуатации оборудования при относительно небольших капитальных затратах.
В зависимости от поведения параметров (температура, концентрация, скорость, давление и так далее) процессов, различают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) процессы.
В первых (стационарные) процессах любой из параметров может измениться от одной точки к другой точке внутри химического оборудования, однако он сохраняет свое значение во времени.
Что касается нестационарных процессов, то там значения параметров, в отличие от стационарных, изменяются, причем, как во времени, так и в пространстве. К ним относятся все периодические процессы, а так же полунепрерывные.
Нестационарными процессами в непрерывно действующих аппаратах считаются все переходные процессы, которые появляются в результате изменения параметров работы. Анализ нестационарных процессов в силу того, что все его параметры зависят от времени, будет намного сложнее, чем анализ стационарных процессов.
В зависимости от того, сколько фаз (по количеству) принимает участие в процессе, различают гомогенные (протекают в пределах одной фазы) и гетерогенные (протекают на границе раздела двух фаз) процессы.
В зависимости от того, сколько компонентов (их численность) в системе, различают процессы с однокомпонентными потоками и многокомпонентными.
Теоретическую основу гидромеханических, тепловых и массообменных процессов составляют такие основные законы природы, как законы переноса, сохранения субстанции и термодинамического равновесия.
Общие принципы, применяемые при расчётах процессов и оборудования химической технологии
Расчёт имеет целью определение затрат (энергетических и материальных), требуемых для проведения процесса, создания оптимальных условий при протекании процесса, как и расчёта размеров (основных) для используемых аппаратов.
При расчёте применяется следующий порядок:
Многие процессы, применяемые в химической технологии, являются многостадийными, другими словами, они проходят целый ряд стадий (этапов), развиваются по нескольким путям. Однако только одна из возможных стадий, как правило, является для процесса лимитирующей. Естественно, что воздействие на процесс необходимо оказывать именно на ту стадию, которая является лимитирующей.
Определение лимитирующей стадии зависит от соотношения скоростей на всех стадиях, их последовательности или различных путей протекания. При возможности осуществления процесса параллельно, с применением двух и более различных способов, лимитирующим является способ, обеспечивающий наибольшую интенсивность (скорость протекания) процесса. В том же случае, если процесс осуществляется строго последовательно, то лимитирующей будет являться самая медленная, требующая длительного времени стадия. Можно дать следующее определение: лимитирующей является стадия, определяющая общую скорость протекания многостадийного процесса, которая определяется соотношением скоростей, взаимным расположением и последовательностью стадий.
Встречаются, тем не менее, такие процессы, в которых ни самая быстрая, ни самая медленная из стадий не может быть определена, как лимитирующая процесс. Такое случается, когда не лимитирующая на первый взгляд стадия существенным образом влияет на течение стадии, которая по всем соображениям должна бы играть роль лимитирующей.
Интенсификацией процессов называется увеличение скорости, с которой происходит перенос субстанции в нём. С точки зрения единого кинетического закона, описываемого формулой
↑q = (dA) / (Sdτ) = (↑Δ) / (R↓) = ↑K↑Δ
скорость переноса субстанции в процессе пропорциональна его движущей силе и находится в обратной пропорциии к сопротивлению, при этом:
Через пограничный слой перенос субстанции часто выполняется самым медленным из механизмов переноса – молекулярным, именно поэтому данная стадия является, как правило, лимитирующей. Другими словами, конструктивные и технологические методы, уменьшающие толщину пограничного слоя, приводят к увеличению скорости данной стадии, что ускоряет в целом весь процесс переноса субстанции.
Применяется в химической технологии самая разнообразная аппаратура в соответствии с условиями проведения процессов обработки и свойствами (химическими и физическими) обрабатываемых материалов.
Можно перечислить важнейшие факторы, которые определяют тип используемого химического оборудования, к ним относятся:
В ходе развития химических отраслей промышленности совершается деление, применяемых в ней химических технологий на подотделы, которые охватывают достаточно узкие перечни родственных процессов. Они свойственны только вполне конкретным отраслям. Однако нельзя не заметить, что наличествуют всё же такие аппараты и процессы, которые являются общими для применения во многих отраслях. Разнообразные техпроцессы можно всё же объединить в некоторое количество определенных групп и рассматривать для них общие начала, лежащие в основании процессов каждой данной группы.
Основные физические законы
Химико-технологические процессы имеют, по определению, связь с разнообразными химическими и физическими явлениями, происходящими в реальности. Однако в большинстве случаев эти процессы можно охарактеризовать небольшим числом законов физики. Например, на физических законах сохранения энергии массы и основаны энергетический и материальный балансы. Для понимания многих процессов законы, которые характеризуют условия их равновесия, имеют весьма важное значение, как и законы, которые описывающие изменения, происходящие в системах, которые не находятся в равновесном состоянии.
Уравнение материального баланса. В соответствии с физическим законом сохранения массы, поступающее на переработку количество веществ (∑Gнач), равно количеству веществ, которые получены в после завершения процесса переработки (∑Gкон). Тогда уравнения материального баланса можно представить в следующем виде:
∑Gнач = ∑Gкон
Составление материального баланса для периодических процессов выполняется в расчёте на одну операцию, в то время как для непрерывных процессов — на одну единицу времени, к примеру за один час.
Материальный баланс может быть составлен для одного аппарата, как и для его отдельной части или даже для группы аппаратов. Материальный баланс, в то же время, можно составить для всех веществ, которые подлежат переработке или для одного только из компонентов, входящих в смесь.
Для примера рассмотрим фильтрацию суспензии, в этом процессе происходит получение фильтрата и осадка. Можно сказать, что перерабатываемый материал, в данном случае, состоит только из двух компонентов: жидкости и твёрдого вещества. Тогда уравнение материального баланса составляют либо, исходя из общего количества участвующей в процессе суспензии, либо только для твердой фракции, либо исключительно для жидкого компонента. Из получаемых трёх уравнений материального баланса независимыми можно считать только два последних. Ведь уравнение, описывающее материальный баланс для с участием общего количества суспензии, можно вывести, если выполнить почленное сложение уравнений материальных балансов для жидкости и для твердого вещества.
Уравнение энергетического баланса. В соответствии с законом сохранения энергии, введенное в процесс количество энергии должно быть равным её количеству, которое получено в результате выполнения процесса.
Энергию можно вводить в процесс и отводить из него вместе с веществами, участвующими в нём, или независимо, отдельно от этих веществ. Энергия, которая вводится и отводится вместе с веществами, является совокупностью внутренней энергии этих веществ, а также их кинетической и потенциальной энергий.
Энергия, вводимая и отводимая из процесса независимо от ввода и вывода веществ, участвующих в нем, может быть представлена:
Наиболее общим видом для выражения энергетического баланса, в применении к химико-технологическим процессам, является известное обобщенное уравнение Бернулли:
(ρυ²) / 2 + ρgh + p = const
в этой формуле
ρ — плотность жидкости,
p — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,
h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,
υ — скорость потока,
g — ускорение свободного падения.
Описание условий равновесия Любой процесс будет протекать до тех самых пор, пока окончательно не установится состояние его полного равновесия. Так, жидкости перетекают из сосудов, имеющих более высокий уровень жидкости в сосуды с более низким её уровнем, пока уровни жидкостей не сравняются во всех сосудах. Передача тепла происходит к менее нагретому телу от более нагретого, пока не сравняется температура обоих тел. Соль будет растворяться в воде, пока не станет насыщенным раствор. Можно привести подобных примеров бесчисленное множество. Именно поэтому, условия равновесия показывают так называемую статику любых процессов и характеризуют пределы, до которых могут они протекать.
Условия равновесия могут выражаться разными законами: например, вторым законом термодинамики и законами, характеризующими соотношения, возникающие в различных фазах системы между концентрациями компонентов.
Уравнение скорости протекания процесса. При нахождении какой-либо системы в неравновесном состоянии, обязательно возникнет процесс, который будет стремиться привести данную систему к состоянию равновесия. Обычно скорость процесса при этом тем выше, чем система более отклонена от равновесного состояния. Отклонение от состояния равновесия в любой системе, таким образом, выражает движущую силу происходящего в ней процесса. Поэтому при большей движущей силе будет выше и скорость, с которой проистекает процесс. При приближении к равновесному состоянию как движущая сила, так и скорость протекания процесса будут уменьшаться, достигнув нуля при обретении равновесия. Чем ближе система к состоянию равновесия, тем скорость процесса меньше и она будет продолжать уменьшаться при дальнейшем приближении к равновесию. Теоретически для достижения абсолютно равновесного состояния требуется время бесконечно большое. Однако на практике может достигнуть сравнительно быстро такого состояние системы, что оно будет столь близко к равновесию, что может рассматриваться как равновесное.
При выполнении практических расчётов необходимо знать достаточно точно скорость процесса, которую он имеет в различных стадиях, другими словами, иметь сведения о так называемой кинетике процесса. Следует помнить, что скорость процесса во многих случаях пропорциональна его движущей силе. Эту простейшую зависимость можно наблюдать в процессах фильтрования, в процессах, где тепло передаётся путём конвекции и теплопроводности, в массопередающих процессах. Во всех этих случаях уравнение, отображающее скорость процесса, будет иметь следующий вид:
(N / Fτ) = KΔ
здесь:
N — количество тепла или вещества, которое передаётся за время через поверхность F;
К — коэффициент пропорциональности (скорости процесса);
Δ — движущая сила процесса.
Для тепловых процессов через F обозначается теплообменная поверхность, то есть та поверхность, через которую в систему происходит передача тепла, в массопередающих процессах F обозначает поверхность, по которой соприкасаются фазы.
Левая часть данного уравнения описывает скорость процесса.
Коэффициент же пропорциональности К находят обычно опытным путём, так как произвести его расчёт представляет в ряде случаев значительные трудности.
Материальные и энергетические расчеты
Составляющими, которые участвуют в каждом производственном химическом процессе, являются:
Материалы, которые используются в процессах, как готовые продукты, так и полуфабрикаты, не обладают практически никогда абсолютной чистой и представляют из себя смеси различных компонентов, т.е. нескольких разных индивидуальных веществ.
Состав таких смесей выражается обычно в долях, а также весовых частях или процентах. Чтобы проводить технологические расчеты, тем не менее, более удобно вместо этого выражать состав смесей материалов в молекулярных процентах или молекулярных долях (т.е. долями моля).
Понятие о материальном балансе
Чтобы определить расход исходных материалов, рассчитать выход готового продукта, вычислить размеры и производительность применяемого аппарата, нужно выполнить предварительные расчеты, опираясь на закон сохранения материи и стехиометрические отношения, которые выражаются химическими уравнениями.
В соответствии с законом сохранения материи G1 (вес поступающих на переработку материалов) должен быть равен G2 (весу получающихся материалов в результате переработки):
G1 = G2
Тем не мене, на практике, при реальном осуществлении процессов, всегда происходит некоторая потеря материалов. Поэтому вес полученных в результате протекания процесса продуктов, всегда несколько меньше, чем вес исходных материалов, которые поступают на переработку. Поэтому необходимо изменить исходную формулу на следующую:
G1=G2 + Gn (I)
здесь G обозначает потерю веса материалов, измеряемую в килограмм-силах (кгс).
Уравнение (I) – это и есть уравнение материального баланса, применимое в одинаковой степени как к целому процессу, так и к определенной его операции или стадии.
Составление материального баланса может быть выполнено для всех участвующих в процессе материалов в совокупности или же покомпонентно, для каждого из них, как и для какого-нибудь одного.
К примеру, для процесса, в котором происходит сушка влажного материала, баланс по одному компоненту можно составить, исходя из веса сухого вещества, которое будет находиться в высушенном материале, как и по весу оставшейся в нём влаги.
Составляя материальные балансы химических процессов необходимо пользоваться уравнениями, которые выражают протекающие в данных процессах реакции.
Исходные данные для составления материального баланса можно свести в таблицу, отображающую приход и расход материалов, а для обеспечения большей наглядности, можно составить ещё и диаграмму, изобразив на ней потоки материалов в определенном масштабе.
Материальный баланс играет большую роль для правильного выполнения техпроцессов. Он позволяет во время проектирования новых производственных линий правильно составить схему техпроцесса и выбрать размеры используемых в нём аппаратов. По материальному балансу в процессе производства выявляются непроизводительные материальные потери, рассчитывается количество и состав примесей и побочных продуктов, что позволяет наметить пути оптимизации.
Материальный баланс позволяет составить обоснованное мнение о степени совершенства техпроцессов и общем состояние химического производства. Чем более полно составлен этот баланс, тем более детально выполнено изучение данного технологического процесса. Чем меньше в процессе побочных продуктов и потерь, тем больше уверенность, что процесс проводится правильно.
Если некоторый процесс мало изучен, то невозможно составить для него материальный баланс. Выявленные при изучении процесса большие потери в материальном балансе показывают, что данную технологию необходимо усовершенствовать.
Выход конечного продукта
Выходом конечного продукта или просто выходом называют выраженное в процентах отношение полученного при проведении процесса количества продукта к количеству поступившего для переработки исходного материала.
Для разных процессов в химическом производстве, протекание которых можно выразить количественно стехиометрическими уравнениями, выход выражается в процентах полученного практически количества продукта к его количеству, возможному теоретически, строго соответствующему стехиометрическому уравнению для данной реакции.
Выход на практике всегда меньше 100% вследствие потерь. Процесс тем совершеннее, чем ближе его выход к 100%, так как меньше расходуется исходных материалов и, соответственно, ниже стоимость производимого продукта.
Можно поступить иначе, если нельзя составить точное уравнение протекания некоторых химических процессов. В таком случае выход можно выразить количественно отношением готового продукта к поступившим для переработки исходных материалов, выход тогда будет всегда менее 100%. Можно также отнести вес готового продукта к весу какого-то одного исходного материала, тогда выход может оказаться даже больше 100%.
Производительность процесса
Производительность – это основная характеристика промышленного оборудования. Она выражается количеством поступающих в процесс для переработки материалов в единицу времени, т.е. в секунду, минуту, час или даже в сутки. Можно использовать для измерения производительности также количество получающихся при переработке материалов, рассчитанное также для единицы времени. Для выражения количества перерабатываемых материалов используют следующие единицы измерения:
К примеру, производительность различных мельниц и дробилок выражается обычно в тс/час или кгс/час, для жидкостных насосов могут использоваться м3/сек (/мин или /час), л/мин, а при прессовании пластмассовых изделий производительность прессов может быть выражена в шт./час или шт./сутки, etc.
При одинаковых условиях у различных типов химического оборудования их производительность зависит как от размеров этих устройств, так и от скоростей процессов, протекающих в них. Для бόльших размеров машин и аппаратов характерна бόльшая скорость протекания процессов, а, следовательно, и бόльшая производительность.
Интенсивность протекания технологических процессов
Интенсивность процесса – это производительность химического оборудования, которая отнесена к какой-то из основных единиц, характеризующих данное устройство. К примеру, для выпарных аппаратов интенсивность может характеризоваться количеством воды, которая выпаривается в течение часа с одного квадратного метра поверхности нагрева.
Повышение интенсивности любого процесса ведёт к сокращению требуемого оборудования, рассчитанного по объёмам производства, или же к уменьшению габаритов используемого химического оборудования. Уменьшаются затраты на капстроительство, а также на эксплуатацию оборудования и ремонт, и, тем самым, повышается производительность труда, являющаяся для производства основным показателем его экономичности.
Интенсификация производства, которая является синонимом повышения интенсивности применяемых технологических процессов, – это одно из самых важных условий, позволяющих повысить производительность труда и перевести химическую промышленность на более высокий, по отношению к достигнутому, технический уровень. Для интенсификации производственных процессов характерно стремление, используя одну и ту же аппаратуру, одно и то же оборудование, за один и тот же период времени, силами одного и того же обслуживающего персонала добиться производства возможно большего количества готовой продукции.
Тепловой баланс
Обозначим количества тепла, в ккал, следующим образом:
Q1 — введенного в процесс вместе с материалами;
Q2 — введенного в процесс извне;
Q3 — выделяющегося при ходе процесса;
Q4 — выведенного из процесса вместе с материалами;
Q5 — теряемого безвозвратно в окружающую среду.
Тогда можно уравнение теплового баланса записать в следующем виде:
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 (II)
Коэффициент полезного действия (КПД) и мощность
Промышленное оборудование характеризуется не только производительностью, но и мощностью. Она представляет собой работу, затрачиваемую или получаемую в единицу времени. Мощность, как правило, выражается в единицах измерения квт (киловатт) или л. с. (лошадиная сила). Заметим, что мощность, затрачиваемая на приводном валу у оборудования, отличается от мощности двигателя, приводящего его в движение. У любого двигателя мощность из-за потерь энергии, происходящих в механизмах передачи, должна быть всегда больше, чем мощность, которая будет требоваться на валу машины или аппарата.
Таким образом, можно утверждать, что полезная мощность или полезная работа всегда будет меньше, чем затрачиваемая фактически мощность или работа. Отношение мощности полезной (N) к фактически затрачиваемой (Ne), при учёте всех неизбежных потерь, называют КПД – коэффициентом полезного действия химического оборудования:
η = N/Ne (III)
Величина КПД практически всегда будет меньше единицы. При этом, чем конкретная машина или аппарат работает совершеннее, тем их КПД ближе к единице.
Общие сведения о вспомогательном оборудовании, классификация
Оборудование, имеющее место на любом промышленном объекте или предприятии, можно подразделить на четыре основные группы, исходя из его назначения. Это следующее оборудование:
Производственное оборудование представляет собой все аппараты и устройства, участвующие в рабочем процессе и его технологических операциях. С помощью данной группы оборудования изменяют форму или агрегатное состояние сырья, свойства того же сырья или материалов.
К вспомогательному оборудованию относятся элементы основного оборудования, не принимающие непосредственного участия в процессе выпуска готового продукта. Данные вспомогательные средства выполняют работы по обеспечению нужд технологических производств на производственных предприятиях. Например, это заключается в хранении определённых материалов (кратковременном или длительном хранении).
На многих предприятиях, например, химических фабриках и заводах, существуют складские хозяйственные подразделения, различные по объёму и по своему назначению. В этих подразделениях складируются на хранение различного рода сырьё, промежуточные продукты и виды готовой товарной продукции, вспомогательные виды материалов. Они могут храниться как твердые сыпучие материалы, материалы в виде жидкостей или сжиженных газов.
Выполнение задач по повышению эффективности любого производства требует комплексного подхода не только к проблемам основного оборудования, но и к вспомогательному оборудованию смежных секторов производства. Такими секторами и являются складские отделения или тарные хозяйственные подразделения, где большую роль играют усовершенствование и дальнейшая разработка технологических и технических моментов при хранении и транспортировке материалов: сыпучих, в виде газов или жидкостей.
Химическая промышленность характеризуется большими объёмами вспомогательного оборудования, применяемого при хранении продукции разнообразного вида. Это могут быть разнообразные взрыво- и пожароопасные материалы, летучие материалы и застывающие жидкости, оказывающие коррозионное воздействие, газы, сжиженные и обезвоженные, или газы высокой концентрации, разнообразные сыпучие материалы, хранящиеся в бункерах или силосах. Бункеры и силосы используются как приёмные, погрузочные, промежуточные устройства на поточных и транспортных линиях или технологических агрегатах, или как перегрузочные и аккумулирующие машины. При хранении разнообразных газообразных продуктов применяются газгольдеры. Химические жидкости и газы хранятся в резервуарах, которые могут быть в виде наземных баков или подземных ёмкостей.
В сферах химического производства распространена транспортировка многих технологических продуктов по трубопроводам. Трубопроводные линии промышленных объёмов могут быть проложены на заводской территории или между предприятиями и предназначены для передачи материалов в виде жидкостей, газа или даже воздуха. Они
соединяют технологические линии разных цехов, участвующие в едином производственном процессе, или могут снабжать материалами агрегаты в замкнутой системе.
Ёмкости для жидкостей. Общие сведения
Нефть и нефтепродукты, вода, спирт, сжиженные газы, аммиак и прочие жидкости хранятся в резервуарах или сосудах, служащих не только для их хранения, но и для приёма, обработки и их отпуска. Резервуары изготавливаются, как правило, из стали и могут быть цилиндрическими, расположенными горизонтально или вертикально, сферическими, что определяется их расположением в пространстве и их геометрической формой. Относительно уровня пола строительной площадки резервуары могут быть надземными, установленными на каких-либо подставках или опорах, расположенных выше уровня пола, с зазором между основанием фундамента и подставкой под резервуар; наземными, установленными непосредственно на фундаментное основание без зазора; подземными, устанавливаемыми ниже уровня пола строительной площадки. Цилиндрические резервуары с вертикальным расположением оснащаются стационарными крышами, понтонами и плавающими крышами.
Стационарная крыша резервуара определяется конструкцией покрытия и может быть конической, в этом случае крыша имеет распорную конструкцию; или сферической тоже распорной конструкции или торосферической, с кривизной в двух направлениях.
Основание (днище) вертикально расположенных цилиндрических резервуаров выполняется, как правило, в виде пологой конструкции, имеющей незначительный угол наклона к периферии или к центру.
При использовании резервуаров со стационарной крышей, которые герметично закрываются, при заполнении жидкостью образуется избыточное давление, а при его опорожнении образуется вакуум. Избыточное давление вызывает в стенке резервуара дополнительное растяжение, в крышке создаётся изгибающий момент, нормальное поперечное усилие, а по контуру крыши создаётся краевой эффект. Создание вакуума провоцирует в конструкции резервуара возникновение таких же явлений, как усилия. Но усилия эти имеют обратный знак.
Как избыточное давление, так и вакуум, создаваемые в конструкции резервуара, имеют определённые граничные (предельные) параметры, оговоренные проектом. Для обеспечения этих параметров, во избежание их превышения, на крышах резервуаров устанавливается регулировочная аппаратура, которая регулирует эти параметры в заданных пределах. Для более высокой надёжности аппаратура устанавливается двух типов: гидравлическая аппаратура и механическая.
При подборе резервуара и выборе его конструктивного исполнения определяющее значение имеют физические свойства материалов, как температура кипения, климатические условия, которые определяют степень потерь и величину испарения. Немаловажными факторами при выборе резервуара являются и технико-экономические показатели, которые включают в себя коррозионную стойкость материала, из которого изготовлен резервуар, к продукту, который хранится в нём, а также объёмы потерь продукта при его хранении в данном резервуаре. Легко воспламеняемые и горючие жидкости хранят, как правило, в резервуарах из стали, это 80% резервуаров -хранилищ для хранения нефти и нефтепродуктов. Широко применяются резервуары наземные, вертикальной конструкции и цилиндрической формы.
Несущими элементами резервуаров являются стенки, основание, покрытия. Марка стали для них выбирается в зависимости от климатических условий расположения строительной площадки, вместимости резервуара, частоты смены продукта при его хранении за год, агрессивности среды, пожароопасности хранимого продукта.
Сегодня широкое применение находит изготовление резервуаров из рулонной стали шириной 1,5 м. Метод изготовления носит название «подращивания», используя при этом специальное оборудование. Резервуар можно собрать прямо на рабочем месте и в довольно сжатые сроки, что является преобладающим преимуществом данного метода сборки. Количество сварных швов на конструкции резервуара также значительно меньше при данном методе сборки: всего один сварной вертикальный шов на обечайке. Всё это способствует бесперебойной эксплуатации аппарата без аварий и требует наименьших затрат времени, планируемых на техническое обслуживание и ремонтные работы.
Бункеры и силосы. Классификация бункеров и силосов
Ёмкости больших размеров, служащие временными хранилищами для сыпучих материалов, принято называть бункерами и силосами, опорожнение которых происходит через выпускные отверстия. Эти специальные отверстия располагаются в нижней зоне бункера или силоса. Для формирования улучшенного выхода сыпучего материала бункер или силос к концу имеет суживающуюся часть, так называемую воронку.
Бункер в отличие от силоса имеет высоту стенки, не превышающую полуторного наименьшего размера. Более высокие ёмкости для сыпучих носят название силосов. Силосы изготавливаются обычно из стали и имеют исключительно круглую форму. Их проектирование осуществляется по строительным нормам и предписаниям.
Бункеры находят применение в аккумулирующих, уравнительных т технологических установках. Аккумулирующие установки служат хранилищами для насыпных грузов, в них предусмотрены загрузочные и разгрузочные приспособления, устройства для измерения веса и др. Уравнительными установками являются промежуточные ёмкости для насыпных грузов, которые налаживают стабильность в работе транспортной системы при неравномерном режиме работы её отдельных подразделений; а также при сочетании двух разных транспортных систем в одной линии: непрерывного транспорта и периодического.
Бункеры представляют собой устройства, оснащённые целым рядом приспособлений, как загрузочные и разгрузочные приспособления, затворы, питатели, приборы автоматизации и контроля. Они служат кратковременными хранилищами для сыпучих материалов. Напоминают бункеры по своей форме и рабочим характеристикам пересыпные воронки, полубункеры и силосы.
Пересыпные воронки в отличие от бункеров не имеют затворов и имеют меньшие размеры. Они помогают формировать материал во время пересыпки его с одного транспортного устройства в другое. У пересыпных воронок небольшая ёмкость, и они не могут компенсировать неравномерность подачи сыпучих материалов.
У полубункеров по сравнению с бункерами малая глубина, если сравнивать с размерами в поперечном сечении.
В качестве силосов известны сосуды с вертикальными стенками, служащие хранилищами для сыпучих материалов на длительный период времени. Они отличаются большей высотой, если сравнивать с размерами в поперечном сечении.
Загрузочными устройствами служат транспортирующие машины непрерывного и периодического действия, как ковшовый элеватор, пластинчатый конвейер, скиповый подъёмный механизм и пр. Для облегчения загрузки и разгрузки используются различного вида спуски.
Кроме стали, на изготовление бункеров идёт железобетон, древесина, полимеры и композиционные материалы. Материал для изготовления бункера подбирается в зависимости от рода сыпучего материала и экономических затрат.
Бункер может быть открытого вида и закрытого. В открытых бункерах хранятся не выделяющие пыли материалы и материалы, для которых не страшны атмосферные осадки. В закрытых бункерах с конусной крышкой нет пустых мест при заполнении. В закрытых бункерах с плоской крышкой всегда будут иметь место пустые зоны. Скопление этих пустых зон уменьшает рабочий объём бункера и ведёт к сбору в этих местах взрывоопасных газов и и образованию пыли. Бункеры могут иметь прямоугольную, круглую и корытообразную форму.
Днище прямоугольного бункера может быть двух-, трёх-, четырёхскатным и многоскатным.
Бункеры круглой формы подразделяются на конические и цилиндрические. Цилиндрические бункеры сложнее вписать в здание цеха или разместить их в один ряд, чем прямоугольные. Но круглые бункеры просты в изготовлении, ибо имеют небольшой вес благодаря бескаркасной конструкции.
Среди корытообразных бункеров различают призматические и пирамидальные. Чтобы полностью освободить призматический бункер от груза, необходимо предусмотреть в нем промежуточные скаты.
Среди щелевых бункеров различают по форме симметричные и ассимитричные. Стенки щелевых бункеров могут быть как наклонными, так и вертикальными.
Бункеры при установке можно подвешивать (подвесные), при установке бункеры могут быть подземными или углубленными в грунт.
Бункеры бывают непрерывного и периодического действия. При непрерывной работе бункера материал постоянно движется, верхний уровенб матеотала сосредоточен как бы в одном месте. Поток нового материала поступает непрерывно. Бункер непрерывного действия должен иметь такую форму, чтобы материал в нём не застаивался. При периодическом действии материал в бункере движется только при включении разгрузочного мехинизма, т.е. периодически. Бункеры периодического действия имеются трёх видов:
а) полностью не опорожняемые;
б) полностью опорожняемые при каждом открытии затвора;
в) полностью опорожняемые при нескольних открываниях затвора.
В бункерах периодического действия, которые полностью не опорожняются, уровень сыпучего материала не должен опускаться ниже указанной высоты. Это является основным технологическим требованием к бункерам данного типа. По достижении определённого минимального уровня в бункере загрузочное устройство выключается, что достигается благодаря наличию сигнальных и автоматических устройств в бункере.
Бункерами периодического действия, которые полностью опорожняются при одноразовом открывании затвора, могут быть загрузочные дозировочные бункеры с затворами, способными перекрывать отверстия только порожних бункеров.
В бункерах периодического действия, которые полностью опорожняются при нескольких открываниях затвора, уровень расположения материала не имеет значения, они могут в отделных случаях опорожняться полностью. Для этого их затворы должны перекрывать разгрузочные отверстия для выдачи любого количества материала в пределах ёмкости бункера.
Материалы для изготовления бункеров
На изготовление бункеров идёт металл, железобетон, различные комбинированные материалы.
Бункеры, изготовленные из металла, имеют сравнительно небольшой вес, опоры под них не занимают много места. Как хранилища для сухого груза они долговечны, эксплуатационные затраты на них небольшие. Но при хранении влажных материалов эти бункеры легко подвергаются коррозии, которая способствует их быстрому износу и увеличению трения материала о стенки бункера, что впоследствии затрудняет разгрузку.
Бункеры железобетонные являются хранилищами для сухих и для влажных материалов. Они долго служат, однако дороже и по весу тяжелее металлических бункеров. Горячие материалы в них не хранят, так как бетон при термических нагрузках начинает трескаться. Эти бункеры бывают монолитной конструкции, сборной и смешанной.
Сборный бункер сооружается из отдельных сваренных между собой железобетонных плит. Смешанная конструкция включает в себя стальные каркасы, выложенные изнутри железобетонными плитами.
В комбинированном бункере сочетаются отдельные конструкции, которые изготовлены из различных материалов: железобетонный корпус может быть соединён с основанием из металла или кирпичный корпус соединяется с железобетонным сборным основанием бункера.
Пропускная способность бункеров
Количество сыпучего материала, которое проходит через выпускное отверстие за одну единицу времени, определяет пропускную способность бункера непрерывного действия. Для определения пропускной способности таких бункеров существует формула:
Q = vF0
где v – скорость истечения материала из выпускных отверстий бункера, м /сек.;
F0 – площадь выпускного отверстия, м2.
Бункеры с опорожнением при каждом открывании затвора имеют пропускную способность, характеризующуюся временем их опорожнения t0. Время опорожнения для обычного процесса истечения определяется по формуле:
t0 = V/vF0
где V – ёмкость бункера, м3.
При истечении полужидких материалов гидравлическим методом время опорожнения бункера зависит от его конфигурации и от уровня засыпанного материала. Чем меньше высота засыпки, тем меньше скорость истечения материала.
Чем меньше диаметр кусков материала и чем больше частица материала имеет форму шага, тем больше пропускная способность бункера.
Чем выше плотность материала и меньше трение между стенкой бункера и материалом, тем больше скорость истечения материала из бункера.
Чем выше влажность (чем меньше выпускное отверстие, тем меньше влажность материала) материала, тем ниже скорость истечения.
Горизонтальные резервуары цилиндрической формы
В резервуарах горизонтального типа предусмотрено хранение нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидкостей, находящихся под различным избыточным давлением. Хранение нефтепродуктов предусмотрено под избыточным давлением макс. 0,07 МПа, сжиженные газы хранятся при избыточном давлении 1,8 МПа и выше. Резервуары, предусмотренные для хранения нефтепродуктов, имеют габаритный объём макс. 100 кубических метра, для сжиженных газов резервуары достигают объёма 300 метров кубических. Требования к транспортировке резервуаров по железной дороге ограничивают габариты диаметра стенки (цилиндра) макс. до 3,5 м. По предварительной договорённости этот размер может составлять макс. 4.5 метра.
Для хранения нефтепродуктов наибольшее распространение получили резервуары горизонтального исполнения ёмкостью 5- 100 кубических метра. У таких резервуаров, рассчитанных на избыточное давление макс. 0,05 МПа, днище или основание плоское, а резервуары с избыточным давление 0,08 МПа имеют коническое основание.
Резервуары данного типа могут быть надземными (которые опираются на две опоры-подставки) и подземными, опирающимися на сплошную опору в виде седла.
Внутрь резервуаров монтируются специальные кольца из угловой стали, чтобы придать корпусу ёмкости больше жёсткости. Для колец жёсткости в резервуарах объёмом 50, 75 и 100 кубов предусматриваются соединения в виде треугольника с целью усиления конструкции. При заглублении резервуара необходимо выполнение особых требований: корпус необходимо усилить за счет монтажа внутренних диафрагм, имеющих вид треугольника. А в случае заглубления резервуара в грунт необходимо защитить его конструкцию снаружи антикоррозийным покрытием, обладающим высокой стойкостью.
Если в основание резервуара предусматривается установить приёмо-раздаточный патрубок, то колодец, расположенный в сухом грунте, сооружается из кирпича, а в мокром грунте – из железобетонных колец сборной конструкции. Должна быть исключена передача нагрузки от смотрового колодца на корпус резервуара. Если в котловане имеются грунтовые воды, то резервуар устанавливается на подушке из бетона, толщину которой определяет уровень подъёма грунтовых вод, который должен быть ниже уровня подушки минимум на 0,5 метра.
В резервуарах из оцинкованной стали горизонтального исполнения хранятся неагрессивные жидкости, которые не должны загрязняться продуктами коррозии резервуара. Оцинкованные резервуары служат дольше неоцинкованных. Металл оцинковывают методом напыления.
Ниже мы видим схематичное изображение резервуара для соляной кислоты в горизонтальном исполнении.
Соляная кислота довольно быстро может разрушить нержавеющую сталь и другие металлы. Поэтому внутреннюю поверхность резервуара необходимо гуммировать резиной или эбонитом с целью её защиты от агрессии кислоты. Данный резервуар имеет гуммированный слой (2), оснащён штуцерами (3,5,6) для измерения уровня, загрузки и разгрузки и для слива жидкости, имеется люк (1) для проникновения обслуживающего персонала в корпус резервуара. В верхнюю часть корпуса вварен патрубок (4) для соединения с атмосферной средой. Сам резервуар стоит на нескольких опорах (7).
Вертикальные резервуары
В вертикальных резервуарах хранятся, как правило, нефть и нефтепродукты. Так называемые светлые нефтепродукты (керосин, дизельное топливо) хранятся при избыточном давлении макс. 25 КПа и вакууме 3,5 КПа. Так называемые тёмные нефтепродукты хранятся в резервуарах, свободно сообщающихся с атмосферой.
При изготовлении резервуаров, которые планируется эксплуатировать при температуре минимум -32°С, необходимо использовать сталь марки СтЗкп, а для температур ниже -29°С до -38°С используется сталь СтЗпс для изготовления конструкций основания, стенок и несущих конструкций резервуара. Для остальных элементов резервуара используют сталь марки СтЗкп.
В резервуарах, которые являются хранилищами для тёмных нефтепродуктов, можно хранить фенольную смолу, кубовые остатки, мазут и горючие жидкости с низким давлением пара. В этих резервуарах могут храниться токсичные продукты с низким давлением паров. Однако для улавливания паров продукта с целью его обезвреживания или полной утилизации необходимо оснащать эти резервуары специальными улавливающими устройствами.
Нормативный ряд цилиндрических резервуаров в вертикальном исполнении определяет их проектирование с номинальной ёмкостью: 100-30 000 кубических метров, а также проектирование специальных резервуаров с объёмом от 50 000 до 150 000 куб. метров и более. Максимальная вместимость резервуаров со стационарной крышей для хранения легко воспламеняющихся жидкостей, как бензин, не должна превышать 20 000 кубических метров, для хранения горючих жидкостей, как мазут, не должна превышать 50 000 куб. метров.
Ёмкость резервуаров, предназначенных для хранения нефти, легко воспламеняющихся жидких продуктов, не должна быть более 50 000 кубических метров. Эти же резервуары, но с плавающей крышей не должны превышать объём в 120 000 кубов.
Резервуары, оснащённые стационарными крышами, предусматриваются самонесущими покрытиями, которые могут быть конической или сферической формы.
В точках соединения крыши резервуара с его стенками предусматриваются кольца жёсткости, чтобы избежать изменения формы стенки во время ветровых нагрузок и для восприятия распора от покрытия. Для больших резервуаров ёмкостью 50 000 - 100 000 кубических метров предусматривают и на стенке установку промежуточных колец жёсткости, чтобы избежать уменьшения толщины верхних ярусов стенки, обеспечить устойчивость и стабильность конструкции, избежать изменения формы стенки.
На рис. выше мы видим конструкцию резервуара ёмкостью 5000 кубов с самонесущей крышей конической формы. Резервуар включает в себя корпус (4), основание (1) и коническую крышу (2). Чтобы иметь возможность подняться наверх, снаружи резервуара предусматривают установку лестницы шахтного типа (3).
На данном рисунке мы видим выше описанный резервуар сверху. Если хранить легко воспламеняющиеся продукты с высоким давлением паров в резервуарах, которые предусмотрены для хранения светлых нефтепродуктов, то заведомо следует согласиться с большой потерей продукта по причине его испарения. С целью уменьшения потерь при испарении используют резервуары с понтонами. Сокращая потери продукта вследствие испарения, понтоны предупреждают загрязнение окружающей атмосферной среды парами продукта, предотвращают образование газо-воздушных концентраций в зоне наличия пара, которые могут быть взрывоопасны. Тем самым наличие понтонов как бы улучшает условия безопасности при эксплуатации резервуаров на складе.
Резервуары с понтонами (см. рис. ниже) являют собой вертикальные ёмкости в виде цилиндра, имеющие стационарные покрытия. Внутрь резервуара монтируют понтон из металла, назначением которого является перекрытие зеркала продукта и сокращения в потерях нефти и нефтепродуктов, которые имеют место вследствие так называемых «больших» и «малых» дыханий. Понтон (2) состоит из понтонного кольца, которое обеспечивает плавучесть самого понтона, и средней центральной части, представляющей собой плоские листы из стали.
См. рисунки снизу.
Между стенками резервуара и понтона необходимо предусмотреть зазор, ширина которого должна быть в пределах 200 – 300 мм. Зазор должен быть герметично закрыт с помощью уплотняющего жёсткого или мягкого затвора. В нижнем положении понтонное кольцо опирается на стойку (6). Сам резервуар включает в себя корпус (5), основание (1) и крышу сферической формы (3). Лестница шахтного типа (4) также установлена снаружи. Назначение понтона заключается в том, что он защищает жидкость от нагревания и на 90 – 95% уменьшает площадь испарения жидкости. Если понтон не герметично закрыт вследствие неработающего уплотняющего затвора, то использование только одного металлического поплавка для этой цели недостаточно и себя не оправдывает. При многократных исследованиях было констатировано, что применение негерметичного затвора, при неплотном прилегании даже отдельных его участков к стенкам резервуара, действие его эффективности сильно уменьшается. Это заметно, особенно в жаркое лето, когда температура воздуха окружающей среды гораздо выше температуры продукта, находящегося в резервуаре. Для резервуаров используются понтоны не только металлические, они могут быть и синтетическими, что связано со значительным уменьшением веса самого понтона, габаритов его отдельных узлов, снижением расхода металла и стоимости, затрачиваемой на изготовление понтона в сравнении с затратами на стальной понтон.
Но в резервуарах с синтетическими понтонами невозможно хранить такие материалы, как бензол, метанол, этанол и др., ибо они могут выступать в качестве растворителей для синтетических материалов, идущих на изготовление понтонов. Такие химические продукты, как неагрессивные жидкости, среди которых могут быть легко воспламеняющиеся и горючие жидкости плотностью макс. 1000 кг/куб. м, должны храниться в типовых резервуарах для нефтепродуктов вертикального исполнения.
Резервуары для сжиженных газов.
Потребность в хранении больших объёмов сжиженных газов из разных областей применения вызвала необходимость в проектировании и сооружении большого количества изотермических резервуаров. При температуре + 40° С пары сжиженных газов имеют высокую упругость, поэтому резервуары для их хранения предусматривают под давление 18 МПа. Это зависит также от газа, который находится на хранении в резервуаре. Если искусственным образом снизить упругость газа, подвергнув его охлаждению, то его можно хранить и в обычном резервуаре вертикального исполнения при давлении 0,01 МПа. Это снизит расходы металла на изготовление резервуара в 8 -15 раз, в зависимости от габаритов сооружаемой ёмкости.
Изотермические резервуары имеют, как правило, двойные стенки. Конструкция стенок и основания такая же, как у обычных резервуаров, предусматриваемых для хранения нефтепродуктов. Отличие состоит в конструкции крыши, она является самонесущей в форме торосферической или сферической оболочки.
Ниже мы видим изотермический резервуар ёмкостью 20 000 кубов, имеющий двойную стенку.
Двойную стенку образуют два корпуса: наружный (1) и внутренний (2). Далее резервуар включает в себя кольца жёсткости (3), крышу (4) и (5), так как крышу имеют оба корпуса, и анкеры (6). Установлен резервуар на фундаменте (7). Зазоры между обоими корпусами, основанием и крышами заполняются теплоизоляцией, стенки оснащаются изоляционными плитами. Эти резервуары представляют собой низкотемпературные хранилища, на изготовление которых идут нержавеющие стали, стали с содержанием никеля и алюминиевые сплавы. Несущие конструкции этих резервуаров рассчитываются так же, как и обычные конструкции, только без учёта температурных деформаций. Также нет необходимости использовать специальные компенсаторы в месте врезки трубопроводов.
В резервуары, предусмотренные для хранения сжиженных газов, входят клапаны, индикаторы давления в паровой и жидкой фазах; термометры для измерения температуры в жидкой фазе; запорная арматура для отключения резервуара от подающих и отводящих трубопроводов; люки для обслуживания резервуара персоналом; вентиляционные отверстия, продувочные устройства, используемые для продувки инертным газом, паром, воздухом; сливные устройства для удаления из резервуара остатков промывной воды или тяжелых остатков; устройства для отбора проб в жидкой и паровой фазах.
Вся применяемая для сжиженных газов арматура должна быть изготовлена из стали. При повреждении трубопровода он должен легко отключаться от резервуара. Это происходит с помощью скоростного клапана автоматически. Газ подаётся в резервуар по отдельному трубопроводу, на котором устанавливается обратный клапан, предотвращающий поступление газа обратно из бака в трубопровод.
Любой резервуар обязательного оснащается предохранительными клапанами пружинного типа (рабочим и аварийным), служащими для быстрого удаления газа или другого продукта из ёмкости или трубопровода при резком повышении давления. Эти клапаны всегда должны находиться в исправном рабочем стоянии и быть отрегулированы, поэтому за ними требуется постоянное наблюдение и уход в соответствии с соответствующими инструкциями по обслуживанию этих клапанов, их ревизия проводится не реже 1 раза в течение 4 месяцев. Они выбираются в зависимости от диапазона температур и агрессивности хранимого продукта.
В качестве хранилищ для сжиженных газов в количестве до нескольких сотен кубов используются цилиндрические резервуары горизонтального исполнения. Для хранения аммиака, хлора, хлористого этила предусматривают такие резервуары ёмкостью макс. 200 кубических метров. Если количество хранимого продукта больше, то для его хранения предусматривают шаровые ёмкости, в которых хранятся, например, углеводородные газы, как бутан, пропан.
Химические сжиженные газы производят в небольших количествах. Хлор, аммиак и др. являются сильнодействующими ядовитыми веществами.
Резервуары шарового типа взяли верх над цилиндрическими резервуарами, имея значительные технические и экономические преимущества: у них на единице объёма приходится наименьшая поверхность, минимальная толщина стенки, расход металла на их изготовление в 2 раза меньше, условия хранения при этом одинаковые с условиями хранения в цилиндрических резервуарах.
