/
Text
-—-.........-ДХ
V_/ школы
В.А.Хуснутдинов, Р.ССайфуллин,
И.Г.Хабибуллмн
Оборудование
производств
неорганических
веществ
Допущено Министерством
высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по специальности
^Технология неорганических веществ»
Ленинград ,,ХИМИЯ”
Ленинградское отделение
1987
Хорошей кислото-, щелоче- и атмосферостойкостью обладают
лакокрасочные материалы на основе эпоксидных смол (лак Э-4100,
эмали Э-5, Э-11, шпатлевка Э-4020 и др.). Перед применением в
них вводят отвердитель (4—5 % полиэтиленполиамина или гекса-
метиленДиамина). Эпоксидная смола, составляющая основу этих
материалов, начинает твердеть через 2—3 ч после смешения с
отвердителем.
Нанесение полимеров на поверхность металла
в виде тонкой пленки осуществляют методами напыления:
газопламенного, вибровихревого, струйного, струйно-электрофоре-
тического, теплолучевого и др. Таким образом можно получить
защитные покрытия из полиэтилена, полипропилена, поливинил-
хлорида, фторопластов и других полимеров. Сущность указанных
методов заключается в том, что порошкообразный полимер в смеси
ср стабилизаторами и наполнителями, улучшающими свойства по-
крытия, наносят на металлическую поверхность и оплавляют на
ней.
Например, при газопламенном напылении частички термопла-
стичного полимера проходят с большой скоростью через пламя
распыляющего пистолета, подвергаются при этом кратковремен-
ному нагреву до 250—300 °C, размягчаются и, попадая на пред-
варительно нагретую металлическую поверхность, оплавляются на
ней в сплошную пленку. Для нанесения покрытия этим методом
используют, в частности, передвижную установку УПН-4Л. Для
защиты химической аппаратуры методом струйного напыления
применяют стационарные установки конструкции УкрНИИхим-
маш, позволяющие механизировать процесс нанесения покрытия
на аппаратуру, имеющую форму тел вращения.
Способ многослойного нанесения суспензии ис-
пользуют для получения, например, покрытия из фторопласта-ЗМ.
Спиртовую суспензию (30%-ную), стабилизированную поверхност-
но-активным веществом с добавкой пластификаторов, наносят в
10—15 слоев на защищаемую поверхность пульверизатором в про-
дольном и поперечном направлениях до полного покрытия по-
верхности. Сушку каждого слоя проводят при 120°C в течение
20 мин, а оплавление (спекание) покрытия — при 260 °C в течение
25—40 мин.
Одним из наиболее эффективных способов защиты металлов
от коррозии является эмалирование. Процесс состоит в нане-
сении на внутреннюю поверхность стальных и чугунных аппаратов
тонкого слоя стекловидной массы и обжиг ее при 800—900 °C. Для
получения стекловидного слоя (эмали) в качестве сырья исполь-
зуют смесь кремнезема, полевого шпата и различных глин, кото-
рые спекают с плавнями (карбонатом, боратом и др.).
Эмалевое покрытие можно применять в аппаратах, работаю-
щих под давлением до 5 МПа и при температурах среды от —30
до 300 °C. Оно стойко во всех кислотах (за исключением плави-
ковой). Скорость растворения его в кислотах не превышает
29
6П7.1
X 985
УДК 66.01 : 546(07)
Рецензенты: 1. Кафедра технологии неорганических веществ ЛТИ
имени Ленсовета (зав. кафедрой профессор М. Е. П о-
з и н).
2. Профессор О. С. Чехов (МИХМ),
УДК 66.01 : 546(07)
Хуснутдинов В. А., Сайфуллин Р. С., Хабибуллин И. Г.
Оборудование производств неорганических веществ: Учеб-
ное пособие для вузов. — Л.: Химия, 1987. — 248 с. ил.
Описано оборудование, используемое для производства неорганических веществ,
реактивов и особо чистых веществ. Рассмотрены свойства конструкционных материа-
лов, применяемых в химическом машиностроении. Освещены вопросы масштабирова-
ния и моделирования аппаратов. Изложены основы организации монтажных и
ремонтных работ. Уделено внимание оценке надежности аппаратов и технологиче-
ских линий и способам ее повышения.
Для студентов химико-технологических специальностей вузов.
Табл. 19. Ил. 141. Библиогр. список: 18 назв.
2801020000-052
Х 050 (01)-87
52-87
© Издательство «Химия», 1987 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ................................................... б
Глава 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ ХИМИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ.................................................... 8
1.1. Требования к химической аппаратуре................... 8
1.2. Стандартизация в химическом машиностроении............ 10
1.3. Приемка и испытание аппаратов.......................... Ю
Глава 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В
ПРОМЫШЛЕННОСТИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 12
2.1. Коррозия конструкционных материалов................. 12
2.2. Металлы и сплавы.................................... 16
2.3. Неметаллические конструкционные материалы............. 23
2.4. Способы защиты аппаратов от коррозии.................. 27
2.5. Конструкционные материалы для производства реактивов и
«особо чистых» веществ ....*.............................. 34
2.6. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы........... 39
2.7. Прокладочные и набивочные материалы................. 42
Глава 3. ЭЛЕМЕНТЫ АППАРАТОВ И ИХ РАСЧЕТ....................... 44
3.1. Напряжения в элементах аппаратов.................... 44
3.2. Обечайки и днища.................................... 46
3.3. Элементы аппаратов, работающих под высоким давлением . . 48
3.4. Элементы аппаратов, работающих под низким давлением . . 51
3.5. Устройства для обслуживания, осмотра и установки аппаратов 56
Глава 4. АППАРАТЫ С МЕШАЛКАМИ................................. 60
4.1. Основные показатели процесса перемешивания.......... 60
4.2. Гидродинамика перемешивания......................... 61
4.3. Влияние перемешивания на протекание технологических процес-
сов ..................................................... 70
4.4. Аппараты с мешалками и их выбор..................... 76
Глава 5. КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ...................................... 84
Глава 6. АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ............... 91
6.1. Отстойники.......................................... 91
6.2. Фильтры............................................. 97
6.3. Центрифуги......................................... 108
6.4. Гидроциклоны...................................... 122
6.5. Аппараты для промывки осадков...................... 123
6.6. Выбор аппаратов.................................... 129
1*
3
Глава 7. МАШИНЫ И АППАРАТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ МА-
ТЕРИАЛОВ ЗАДАННОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СО-
СТАВА ....................................................... 131
7.1, Оборудование для измельчения.................. 131
7.2. Оборудование для фракционного разделения сыпучих материа-
лов ..................................................... 143
7.3. Оборудование для гранулирования химических продуктов . , 148
Глава 8. ТЕРМО- И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 154
8.1. Термотехнологическое оборудование............. 154
8.2. Аппараты для отделения пыли и капель от газов........... 165
Глава 9. ТРАНСПОРТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗАВОДОВ НЕОРГАНИ-
ЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ.................................................... 170
9.1. Внешнезаводской транспорт............................... 170
9.2. Транспорт для перемещения твердых материалов............ 176
9.3. Транспорт для перемещения жидкостей..................... 185
9.4. Транспорт для перемещения и сжатия газов................ 191
9.5. Трубопроводы и арматура................................. 199
Глава 10. ОБОРУДОВАНИЕ СКЛАДОВ................................... 203
10.1. Склады для хранения твердых материалов................. 203
10.2. Склады для хранения жидких продуктов................... 209
10.3. Оборудование для хранения газов........................ 219
Глава И. НАДЕЖНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ТЕХНОЛО-
ГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ................................................... 220
11.1. Основные показатели надежности аппаратов............... 221
11.2. Способы повышения надежности технологических линий . . . 225
11.3. Надежность резервированных аппаратов и технологических
линий................................................... 230
Глава 12. МОНТАЖ И РЕМОНТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 233
12.1. Организация монтажных работ............................ 233
12.2. Система планово-предупредительного ремонта............. 237
Рекомендуемая литература.......................................... 243
Предметный указатель.......................................... 244
ПРЕДИСЛОВИЕ
В решениях XXVII съезда КПСС и «Основных направлениях
экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы
и на период до 2000 года» отмечено, что высшей целью экономи-
ческой стратегии партии был и остается неуклонный подъем ма-
териального и культурного уровня жизни народа. Реализация этой
цели требует социально-экономического развития, всемерной ин-
тенсификации и повышения эффективности производства на базе
научно-технического прогресса. Ускорение научно-технического
прогресса будет осуществляться широким внедрением автоматиза-
ции и механизации различных процессов, снижением материало-
емкости и металлоемкости производственных изделий. В широких
масштабах будет осуществляться химизация народного хозяйства.
За 12 пятилетку объем производства химической продукции уве-
личится на 30—32 %, расширится ее ассортимент и повысится ка-
чество. В 1990 г. выпуск минеральных удобрений должен возрасти
до 41—43 млн. т в пересчете на элементы питания в сравнении
с 33,2 млн. т в 1985 г. Продукция химического машиностроения
должна увеличиться к 1990 г. в среднем на 40%. Это относится
в первую очередь к производству оборудования и технологических
линий повышенной единичной мощности в комплектном и блочно-
комплектном исполнении, автоматизированных линий по производ-
ству многотоннажной химической продукции: кислот, щелочей, ме-
танола, минеральных удобрений, в том числе карбамида и других
веществ. Должен наращиваться выпуск прогрессивного реактор-
ного тепло- й массообменного, вакуумного оборудования на основе
новых технологических процессов.
В промышленности предусматривается широкое использование
экономичных видов металлопродукции и конструкционных мате-
риалов, в частности композиционных материалов. Должны быть
улучшены прочностные и антикоррозионные характеристики этих
материалов.
Особое значение приобретает расширение ассортимента и уве-
личение производства чистых и сверхчистых реактивов, требующих
использования аппаратуры с высокой коррозионной стойкостью.
Увеличение выпуска химической продукции при одновременном
снижении себестоимости не может быть обеспечено только строи-
тельством новых заводов или увеличением числа действующих
б
производств, а может быть достигнуто совершенствованием техно-
логии и созданием аппаратов большой единичной мощности. Такие
аппараты более экономичны, занимают меньшую площадь, менее
металлоемки и требуют меньше обслуживающего персонала, чем
эквивалентное по мощности число малопроизводительных аппа-
ратов.
При значительном росте производительности отдельных уста-
новок и цехов становится экономически нецелесообразным приме-
нение резервных и буферных емкостей для обеспечения ритмичной
работы производства, так как это требует резкого увеличения про-
изводственных площадей. В связи с этим весьма актуальной ста-
новится задача повышения надежности машин и аппаратов. По-
следнее достигается усовершенствованием конструкции, примене-
нием новых материалов и надежных способов защиты от коррозии.
Для обеспечения ритмичности работы предприятия необходимо
улучшение научной организации планово-предупредительного ре-
монта.
Увеличение габаритов аппаратов ограничивается технологиче-
скими возможностями их изготовления и эксплуатации, а также
сложностью транспортировки. Наиболее эффективным способом
повышения производительности установок является интенсифика-
ция процессов путем использования «кипящего слоя», повышенных
давлений, катализаторов, ультразвуковых воздействий и т. д. Эти
меры требуют особого аппаратурного оформления технологиче-
ского процесса.
Технология и применяемое оборудование тесно взаимосвязаны.
Каждому процессу соответствует определенный оптимальный на-
бор типов машин и аппаратов. Создание надежного и экономич-
ного производства требует от специалиста четких знаний о маши-
нах, аппаратах и устройствах, которыми оборудовано данное про-
изводство. От него требуется знание устройства и принципов дей-
ствия машин и аппаратов, их достоинств и недостатков, методов
расчета производительности, умение ориентировочно оценивать
механическую надежность аппаратуры, а также знание основных
способов защиты аппаратов от коррозии и антикоррозионное по-
ведение различных материалов.
При организации нового производства или реконструкции су-
ществующего инженер-технолог должен уметь использовать ре-
зультаты исследований на лабораторных и полузаводских уста-
новках, знать принципы масштабирования аппаратов. При этом
он использует знание смежных дисциплин: процессы и аппараты
химической технологии, физико-химические основы процессов, спе-
циальная технология производства, прикладная механика и эко-
номика химической промышленности.
Данное учебное пособие базируется на дисциплинах «Основы
механики промышленных производств» и «Процессы и аппараты
химической технологии». Оно предназначено для студентов вузов,
обучающихся по специальности 0803 «Технология неорганических
веществ»,
6
При изложении материала внимание уделено, в первую оче-
редь, оборудованию химических предприятий, его технологиче-
скому назначению и возможности выбора для конкретных произ-
водств. Пособие не содержит описания узко специальных аппара-
тов, которые рассматриваются обычно в единстве с конкретными
технологическими процессами в специальных курсах технологии
неорганических веществ.
В основу учебного пособия положен курс лекций «Оборудова-
ние и основы проектирования», который авторы читают в Казан-
ском химико-технологическом институте имени С. М. Кирова. Вве-
дение и главы 2, 6 написаны В. А. Хуснутдиновым и Р. С. Сайфул-
линым, главы 1, 4, 5, 7 и 11 — В. А. Хуснутдиновым, главы 3, 8, 9,
10 и 12 — И. Г. Хабибуллиным (разделы 9.1 и 10.2 — В. А. Хуснут-
диновым). Общее редактирование проведено Р. С. Сайфуллиным.
Авторы благодарны сотрудникам кафедры технологии неорга-
нических веществ Ленинградского технологического института
имени Ленсовета (зав. кафедрой проф. М. Е. Позин) доц. В. Н. Бе-
лову, ст. научн. сотр. М. А. Шапкину и заведующему кафедрой
техники основной химии и промышленной экологии Московского
института химического машиностроения профессору О. С. Чехову
за ценные замечания и пожелания, высказанные при рецензиро-
вании рукописи книги.
Авторы будут благодарны всем читателям за их замечания,
отзывы и пожелания, направленные на улучшение учебного по-
собия.
Глава 1.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
В качестве орудий производства в основной химической про-
мышленности используют многочисленные аппараты и машины
с целевыми назначениями. Успешное ведение процесса с высокими
технико-экономическими показателями возможно лишь тогда,
когда эти аппараты отвечают определенному комплексу требо-
ваний.
1.1. ТРЕБОВАНИЯ К ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЕ
Аппараты и оборудование должны обладать высокими эксплуа-
тационными характеристиками, быть механически надежными и
конструктивно совершенными, они должны обеспечивать соблюде-
ние закона об охране окружающей среды.
Механическая надежность характеризуется прочностью, жест-
костью, долговечностью и герметичностью. Прочность тесно
связана с требованиями долговечности и безопасности аппарата.
Однако проектирование оборудования предусматривает создание
оптимального запаса прочности с учетом массы и стоимости кон-
струкции. Для некоторых аппаратов определяющим требованием
может быть не прочность, а жесткость. Например, по условиям
жесткости рассчитывают цилиндрические обечайки, работающие
под внешним давлением, стенки крупногабаритных футеруемых
емкостей и аппаратов.
Важный показатель качества оборудования — его долговеч-
ность (срок службы). Различают расчетную и действительную
долговечность. Первая из них — величина условная, задаваемая
отраслью. Так, для многих видов оборудования ее принимают рав-
ной 10—12 годам, что берут за основу при определении аморти-
зационных отчислений. Действительный срок службы аппаратов
обычно превышает эти значения. Долговечность определяется мно-
гими факторами, в частности коррозионным и эрозионным изно-
сом оборудования. Планирование оборудования излишне долго-
вечным не всегда экономично ввиду его морального старения.
Целесообразно через определенные сроки заменять аппараты
новыми, более производительными и совершенными, чтобы достичь
более высоких экономических показателей. В настоящее время
конструкторы предусматривают в ряде случаев долговечность обо-
8
рудования до 6 лет. Но нет необходимости сокращать долговеч-
ность аппаратов, слабо подверженных моральному старению и не
требующих частого и дорогостоящего ремонта. С целью сокраще-
ния расходов на капитальный ремонт конструкционные материалы
различных узлов и деталей одного аппарата следует подбирать
так, чтобы срок службы их был примерно одинаков.
Герметичность оборудования является важным требова-
нием с точки зрения техники безопасности и промышленной эко-
логии, охраны труда, особенно для аппаратов, перерабатывающих
токсичные, едкие, огне- и взрывоопасные вещества. Необходимо
полное исключение попадания в окружающую среду альтерогенов,
т.-е. веществ, вызывающих изменение структуры и функции биоло-
гических систем. Аппарат с утечкой не допускается к эксплуата-
ции также из-за потерь сырья и продукта.
Конструктивное совершенство оборудования характеризуется
простотой устройства, малыми габаритами, массой и затратами
дефицитных материалов, высоким к. п. д. Оно должно обеспечи-
вать технологичность и эксплуатационные достоинства оборудо-
вания.
Под технологичностью понимают дешевизну, легкость
и удобство изготовления, простоту сборки и монтажа, достигаемые
за счет простоты формы, малого числа деталей и операций на их
изготовление.
Эксплуатационные достоинства оборудования опре-
деляются удобством, простотой и дешевизной эксплуатации, обес-
печиваемой ремонтопригодностью, технологической надежностью,
безопасностью ведения процесса, транспортабельностью.
Ремонтопригодностью называют свойство аппарата, заклю-
чающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаруже-
нию и устранению неисправностей и отказов. Она обеспечивается
удобством, простотой и дешевизной сборки, разборки и ремонта,
легкостью замены вышедших из строя частей.
Технологическая надежность характеризуется бесперебой-
ностью в работе и легкостью поддержания технологического ре-
жима, малочисленностью обслуживающего персонала, возмож-
ностью подсоединения КИП и трубопроводов обвязки, обеспечи-
вающих быстрое отключение аппарата от технологической схемы,
его опорожнение, продувку или промывку.
Безопасность призвана обеспечить охрану труда. Конструкция
должна быть герметичной, отличаться бесшумностью и отсутствием
вибраций во время работы, исключать избыточное излучение (теп-
лоты) и выбросы, обеспечивать возможность контроля за состоя-
нием аппарата и проведения испытаний.
Транспортабельность характеризуется удобством транспортиро-
вания и гарантией сохранности и исправности при перевозке. Ап-
паратура, предназначенная к перевозке по железной дороге,
должна отвечать существующим нормам перевозки по габариту
и другим покзателям. Так, аппараты диаметром до 3,25 м и длиной
до 10,5 м могут перевозиться по железной дороге без специаль-
9
кого согласования. Перевозка аппаратов больших габаритов тре-
бует специального согласования с органами управления железных
дорог.
Водным транспортом можно перевозить аппараты диаметром
до 8 м, длиной до 55 м, а буксировкой на плаву — диаметром до
10 м и длиной до 100 м.
Аппараты с очень большими размерами собирают на месте
монтажа из отдельных частей и деталей.
Наиболее общими критериями, характеризующими степень со-
вершенства оборудования, являются технико-экономические пока-
затели: удельная производительность, стоимость аппарата и рас-
ходы на его эксплуатацию. Удельная производитель-
ность показывает количество продукции, получаемой с 1 м3 или
1 кг массы оборудования за единицу времени.
Стоимость оборудования определяет величину единовре-
менных капитальных вложений. Иногда дорогой, но более совер-
шенный, аппарат может оказаться значительно рентабельнее де-
шевого. Чем выше удельная производительность оборудования,
тем меньше расходы на эксплуатацию и меньше себестои-
мость продукта, которая характеризует степень совершенства ап-
паратов и всего технологического процесса в целом.
1.2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Химические аппараты разнообразны по своей конструкции, но
состоят из небольшого числа однотипных деталей: обечаек, днищ,
фланцев, штуцеров и т. д. Это позволяет конструировать их из
стандартных и нормализованных деталей и узлов. Стандартиза-
цию и нормализацию деталей аппаратов осуществляют отбором
наиболее удачных конструкций, применяемых в промышленности,
а также проведением специальных экспериментальных и расчетно-
конструкторских работ.
Основой для стандартизации и нормализации аппаратов яв-
ляются ГОСТы (в частности, ГОСТ 9617—76 «Сосуды и и аппа-
раты. Ряды диаметров»). Разработаны ГОСТы и нормали на все
основные узлы аппаратов: днища, штуцеры, фланцы, опоры, и лапы
аппаратов, мешалки, сальниковые уплотнения и т. д. Нормализо-
ваны многие виды аппаратов общего назначения: теплообменники,
выпарные аппараты, фильтры, емкости и др.
1.3. приемка и испытание аппаратов
При приемке в эксплуатацию аппаратов, работающих под дав-
лением или вакуумом, проводят гидравлические испытания для
проверки плотности сварных швов, правильности монтажа, герме-
тичности и надежности основных узлов и механизмов, в соответ-
ствии с правилами Госгортехнадзора, после изготовления аппа-
рата на заводах-изготовителях, а также после монтажа их на
заводах.
Завод-изготовитель поставляет аппараты заказчику с паспор-
тами и инструкциями по монтажу и безопасной эксплуатации. Кор-
пус аппарата снабжается табличкой с паспортными данными.
После монтажа, до начала эксплуатации, аппарат регистрируют
в местной инспекции Госгортехнадзора с отметкой в паспорте.
Каждый аппарат, работающий под давлением, подвергают
внутреннему осмотру не реже одного раза в три года, а гидравли-
ческому испытанию — не реже одного раза в шесть лет, кроме
случаев, когда существуют особые дополнительные требования.
Перед проведением гидравлических испытаний проводят внеш-
ний осмотр аппарата, швы очищают от окалины, люки и патрубки
заглушаются. Затем аппарат заливают водой до полного вытесне-
ния воздуха, подключают к испытательному насосу, которым про-
изводят опрессовку. Воду нагнетают в аппарат до достижения
пробного давления. Последнее поддерживают в течение 10—
60 мин (в зависимости от толщины стенки). После этого давление
медленно снижают до рабочего, аппарат обстукивают металличе-
ским молотком и осматривают. Аппарат отвечает нормам при от-
сутствии остаточных деформаций, признаков разрыва, течей через
швы и уплотнения.
Все сосуды, кроме литых, работающие под избыточным давле-
нием до 0,5 МПа (5 кгс/см2), испытывают на пробное давление
Рпр = 1,5РР[о]20/[о]t (но не менее 0,2 МПа), где Рр— рабочее
давление; [о] — допускаемые напряжения соответственно при
20°C и рабочей температуре. Сосуды, работающие при избы-
точном давлении выше 0,5 МПа,, испытывают под давлением
1,25Рр [ст] 20/ [ст] t, но не менее 0,8 МПа. Литые сосуды независимо
от рабочего давления испытывают на давление: на заводе-изгото-
вителе в 1,5 раза, а на химическом предприятии в 1,25 раза выше
рабочего, но не менее 0,2 МПа.
Аппараты, работающие под вакуумом, испытывают под внут-
ренним избыточным давлением 0,2 МПа, а сосуды, работающие
без давления, проверяют на налив.
Для проверки герметичности сквозных трещин и свищей можно
пользоваться, в частности, относительно простой «керосиновой
пробой». При этом зачищенный шов покрывают снаружи мелом,
а изнутри смачивают керосином. Керосин, проникая через тре-
щины, вызывает потемнение мела.
Высокие вертикальные аппараты (колонны) под действием
столба жидкости будут иметь значительную разницу давлений
в верхней части и у днища. Если они рассчитаны на работу без
давления, то проведение гидравлических испытаний может при-
вести к появлению трещин в нижней части аппарата. Поэтому их
подвергают пневматическим испытаниям, при этом принимают
большие меры безопасности, чем при гидравлических испытаниях.
В этом случае давление превышает рабочее только на 5—10%.
Компрессором создают необходимое давление, отключают его,
перекрывают вентиль и в течение длительного времени определяю!
величину падения давления. Пробой мыльного раствора легко
11
обнаружить места утечки воздуха. Обстукивание аппарата прово-
дят в этом случае до испытания. Пневматические испытания про-
водят обязательно в присутствии инспектора Госгортехнадзора.
Глава 2.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Выбор конструкционного материала для химического оборудо-
вания основан на учете ряда его свойств (химическая стойкость,
прочностные характеристики, стоимость, доступность и др.) и ус-
ловий, в которых будет протекать производственный процесс
(температура, давление, вид и концентрация химического веще-
ства и др.). Нет абсолютно идеальных материалов. Химически
стойкий материал может быть недостаточно прочным или термо-
стойким. Дорогой, но очень прочный и коррозионно-стойкий мате-
риал, может оказаться выгоднее дешевого из-за возможности изго-
товления из него более тонкостенных и легких аппаратов. Все
материалы, как металлические, так и неметаллические, в той или
иной мере подвержены химическому и механическому разрушению,
с чем связаны долговечность и надежность работы.
Описанные ниже конструкционные материалы в силу своих
индивидуальных физико-химических свойств, стоимости и степени
дефицитности предназначены ориентировочно для определенных
областей применения. Снижение стоимости новых перспективных
материалов и расширение их производства приводят к вытеснению
ими некоторых старых конструкционных материалов в тех или
иных производствах. Например, широко использующийся ранее
в сернокислотной промышленности, свинец в настоящее время
почти полностью вытеснен органическими конструкционными ма-
териалами (фаолитом, полиэтиленом, ATM и др.). Если до не-
давнего времени в содовом производстве все основное оборудова-
ние было изготовлено полностью из чугуна, то в настоящее время
отдельные его детали изготавливают из легированной стали; на-
мечается использование титана для футеровки массообменных
аппаратов новых конструкций.
При подборе конструкционных материалов для конкретных
случаев следует пользоваться справочными данными.
2.1. КОРРОЗИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Коррозия металлов и сплавов. Под коррозией понимают раз-
рушение поверхности металла вследствие протекания химических
или электрохимических процессов. По характеру распространения
коррозия бывает сплошной и локальной (местной) (рис. 2.1).
12
При сплошной коррозии поверхность аппарата изнашивает-
ся равномерно. Это наименее опасный с точки зрения контроля
вид коррозии.
При местной коррозии разрушение распространяется только
на отдельные участки и локализуется на них. Разновидностями
местной коррозии являются язвенная и точечная. Местной корро-
зии подвергаются металлы с инородными включениями, места
сварки или повышенной механической нагрузки, сплавы крупно-
зернистой структуры, когда защитная пленка имеет неодинаковую
Рис. 2.1. Виды коррозии:
а — сплошная равномерная; б — сплошная неравномерная; в — язвенная; г — точечная; д —
межкристаллитная; е — структурно-избирательная.
прочность и химическую стойкость на различных участках из-за
образования гальванических микро- и макроэлементов (пар).
Межкристаллитная коррозия — разрушение металлов по гра-
ницам зерен (кристаллов), при этом внешний вид детали не изме-
няется. Этот вид коррозии является более опасным, чем точечная
коррозия. Ей подвержены хромсодержащие стали, медьалюминие-
вые сплавы и др. Межкристаллитная коррозия может быть обус-
ловлена рекристаллизацией сплава, образованием в нем новой
фазы: новых зерен и кристаллов, образующих между собой галь-
ванические пары. Склонность сплава к межкристаллитной корро-
зии можно предотвратить специальной термической обработкой
и введением некоторых легирующих добавок (Ti, Та, V и др.).
Опасность возникновения межкристаллитной коррозии особенно
велика около сварных швов.
Избирательная (селективная) коррозия представляет собой
разрушение одной или одновременно нескольких структурных со-
ставляющих сплавов. Такой коррозии подвержены, главным обра-
зом, серые чугуны и латуни, в которых в первую очередь происхо-
дит растворение электрохимически более активных кристаллов
железа и цинка (процесс графитизации чугунов и обесцинкование
латуней).
По механизму действия различают химическую и электрохими-
ческую коррозию.
Химическая коррозия — результат взаимодействия металла
с химически активными веществами. Частным случаем хими-
ческой коррозии является газовая (водородная, карбонильная,
13
кислородная, сероводородная и некоторые случаи атмосферной
коррозии).
Особого внимания заслуживает водородная и карбонильная
коррозия, которая имеет место в производствах аммиака, метанола
и некоторых других веществ. Молекулы и особенно атомы водо-
рода обладают малыми размерами и большой подвижностью,
легко диффундируют в металл, вызывая внутренние напряжения
и химические реакции. Водород, реагирует, в частности, с цемен-
титом стали по реакции: FesC + 2Н2 = 3Fe + СН4. Выделившийся
при обезуглероживания стали метан вызывает появление в ней
микротрещин по границам зерен.
Оксид углерода (II) способен соединяться с некоторыми метал-
лами и образовывать легколетучие карбонилы [например, Fe(CO)s
и Ni(CO)4], которые в свою очередь при определенных условиях
разлагаются на металл и оксид углерода. При атмосферном дав-
лении действие СО на металл обнаруживается только с повыше-
нием температуры до 500—600 °C. При давлении 20—30 МПа кар-
бонильная коррозия протекает при 150—200 °C.
Электрохимическая коррозия заключается в переходе
в электролит ионов металла под действием разности потенциалов,
обусловленной химической и структурной неоднородностью отдель-
ных участков поверхности металла и градиента температуры.
Электрохимическая коррозия основного металла (например, же-
леза) возникает при наличии более электроположительных ино-
родных включений (углерод, никель, медь), гетерофазности сплава,
наличии защитных пленок на поверхности металла с микропорами,
неравномерности концентрации электролита и температуры на
различных участках корродирующей поверхности и т. д.
Частным случаем электрохимической коррозии являются не-
которые виды влажной атмосферной и почвенной коррозии, про-
текающей под действием блуждающих токов, а также контактная
коррозия (в зоне контакта различных металлов, при соприкосно-
вении их с электролитом).
На скорость коррозионных процессов влияют многие факторы:
природа металлов и сплавов, состояние и качество обработки по-
верхности металла, характер агрессивной среды, температура, дав-
ление и др.
Обычно скорость растворения металлов при равномерной кор-
розии выражают потерей массы с единицы поверхности в единицу
времени — К, г/(м2-ч). При конструировании аппаратуры удобнее
оценивать возможную коррозию по глубинному показателю (про-
ницаемости П, мм/год), который связан с массовым показателем
зависимостью:
П =® 8,7бЛ7р.
Здесь р — плотность металла, г/см8.
Коррозионную стойкость металлов и сплавов в соответствии
с ГОСТ 13819—68 определяют по десятибалльной шкале:
14
Группа стойкости Скорость коррозии, мм/год Балл
Совершенно стойкие Менее 0,001 1
Весьма стойкие 0,001—0,005 2
0,005—0,010 3
Стойкие 0,01—0,05 4
0,05-0,10 5
Пониженно стойкие 0,1—0,5 6
0,5—1,0 7
Малостойкие 1,0—5,0 8
5,0—10,0 9
Нестойкие Более 10,0 10
Материал, из которого изготавливают химическую аппаратуру,
дблжен обладать высокой химической стойкостью не только »для
обеспечения необходимой долговечности аппарата, но и для безо-
пасности условий работы и сохранения чистоты продукта. Разру-
шившийся материал загрязняет продукт, снижает его качество и
может проявить каталитические свойства в побочных процессах
или, наоборот, может быть каталитическим ядом, например в про-
цессе окисления аммиака.
Разрушение неметаллических материалов представляет собой
химическое их разрушение, происходящее в результате воздей-
ствия внешней среды (жидких и газообразных реагентов, нагрева
и охлаждения), метеорологических условий и микробиологического
процесса.
Воздействие водных растворов веществ на неметаллические ма-
териалы неорганического происхождения можно свести к двум ви-
дам процессов: растворению и выщелачиванию. Под растворением
понимают переход всех компонентов материала в жидкую фазу,
а под выщелачиванием — процесс избирательного растворения от-
дельных компонентов. Так как многие неорганические неметалли-
ческие конструкционные материалы (неорганические полимеры)
представляют собой в основном силикаты и алюмосиликаты ще-
лочных и щелочноземельных металлов, то растворяющее действие
на них оказывают щелочные растворы, плавиковая кислота и
фторкремниевая кислота. Вода, растворы солей и кислоты (кроме
плавиковой) могут выщелачивать из силикатов оксиды щелочных
и щелочноземельных металлов.
Нагревание неорганических неметаллических материалов мо-
жет вызвать их термическую деструкцию, в результате чего сни-
жаются механическая и химическая стойкость. Деструкция вызы-
вается процессами структурной и собирательной рекристаллиза-
ции, приводящей к нарушению прочности материала, изменению
его объема, пористости и т. д.
Органические конструкционные материалы — органические по-
лимеры (пластмассы) — обладают высокой химической стой-
костью ко многим агрессивным средам, но подвержены термиче-
ской и фотохимической деструкции, биологической коррозии в ре-
зультате действия жидких и газообразных агрессивных сред.
Характер термической деструкции зависит от химического со-
става полимера. Например, полимеры, содержащие функциональ-
15
ные группы —ОН или —С1, при нагреве теряют соответственно
воду и хлорид водорода, а полимеры, не содержащие подобных
групп, претерпевают разрыв отдельных участков цепей.
В результате воздействия излучений происходит фотохимиче-
ская деструкция полимеров. При этом в материале протекают те
же процессы, что и при термической деструкции.
Для уменьшения окисления в полимеры вводят антиоксиданты,
пигменты или создают из пластмасс композиционные материалы
за счет введения в них порошковых и волокнистых материалов,
в основном неорганического происхождения (углерод, оксиды,
карбиды и другие вещества).
Высокой стойкостью в кислотах, щелочах и солях обладают
полимеры, у которых макромолекулы состоят из углеводородных
цепей. При введении в эти цепи заместителей снижается химиче-
ская стойкость полимера, за исключением замены водорода фто-
ром (политетрафторэтилен) или хлором. Наличие в полимерах
двойной связи также снижает их устойчивость к действию окис-
лителей.
Сопротивляемость действию растворителей определяется поляр-
ностью полимера и растворителей. Неполярные полимеры набу-
хают и растворяются в неполярных растворителях, а полярные —
в полярных растворителях (вода, спирт и т. д.).
Все конструкционные материалы под действием рабочей и
окружающей среды претерпевают постепенное изменение, теряют
свою механическую прочность и претерпевают химические изме-
нения. Однако материалы, отвечающие требованиям коррозионной
стойкости к определенной среде и пригодные для данных условий
работы, всегда имеются. Конструкционные материалы выбирают,
руководствуясь многими описанными выше условиями, но в пер-
вую очередь — экономическими»
2.2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Стали. В зависимости от условий и среды для изготовления
химического оборудования используют весьма разнообразные ма-
териалы. Для аппаратуры, соприкасающейся с неагрессивными
или слабоагрессивными средами, широко используют углеродистые
стали, которые подразделяют на обыкновенные (ГОСТ 380—71) и
качественные (ГОСТ 1050—74). Они содержат от 0,06 до 0,6 %
углерода.
В зависимости от степени раскисления различают три вида
сталей. «Спокойные стали» содержат минимальное количество
FeO, что обеспечивает «спокойное» застывание стали в изложнице.
«Кипящие стали» полностью нераскислены, поэтому при застыва-
нии в изложнице из металла выделяются пузырьки СО, образую-
щиеся за счет реакции FeO с углеродом стали. Эти стали обла-
дают худшими механическими и технологическими показателями,
но наиболее дешевы. «Полуспокойные стали»—это стали проме-
16
жуточного типа. Указанные виды сталей в маркировках обозна-
чают соответственно: сп, кп, пс.
В зависимости от гарантируемых характеристик различают три
группы сталей обыкновенного качества; А, Б, В. К группам А от-
носятся стали с гарантированными механическими свойствами,
к группе Б — с гарантированным химическим составом, к группе
В — с гарантированными химическим составом и механическими
свойствами.
Стали обыкновенного качества маркируют следующим образом. Стали груп-
пы А обозначают буквами Ст (сталь) и цифрами 0, 1, 2, 3, ..., 6 (что отвечает
содержанию углерода в десятых долях процента). Чем больше цифра, тем боль-
ше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность. Например,
Ст1пс, СтЗпк, СтЗсп, Стбсп и т. д. В обозначениях сталей групп Б и В впереди
ставят соответственно эти буквы, например: БСт2кп, ВСт4сп.
В сталях, предназначенных для изготовления аппаратуры свар-
кой, содержание углерода не должно превышать 0,4 % - При боль-
шем содержании углерода стали склонны к воздушной закалке,
в результате чего в зоне сварки при охлаждении могут возникнуть
высокие напряжения и закалочные трещины.
Сталь, предназначенная для изготовления котлов и аппаратов,
работающих при повышенных давлениях и температурах, должна
иметь относительное удлинение не менее 17%. Это вызвано, в
частности, тем, что при гибке и вальцовке обечаек материал под-
вергается большим пластическим деформациям. Следует учиты-
вать, что эти стали могут надежно работать в диапазоне темпе-
ратур -30-4-200 °C и при давлениях не выше 1,6 МПа (16 кгс/см2).
Аппаратуру, работающую при давлении до 20 МПа и в интер-
вале температур от —40 до 450 °C, изготавливают из конструк-
ционных качественных сталей марки 10, 15, 20. Эти стали выпу-
скают следующих марок: 05, 08, 10, 15, 20, 25 и так далее с ша-
гом 5 до стали марки 85. Они содержат марганец (0,25—0,80 %),
хром и кремний (0,2%). Содержание углерода в них пропорцио-
нально номеру стали. Так, сталь марки 25 содержит 0,25 % С.
Углеродистые стали достаточно устойчивы к серной кислоте
концентрацией 70—95 % до 60°C, к слабощелочным растворам и
к растворам некоторых солей. Поэтому они получили широкое
применение в производствах серной кислоты, щелочей и ряда ми-
неральных солей. В кислотных цехах углеродистые стали исполь-
зуют в основном для изготовления корпусов аппаратов, которые
футеруют кислотоупорными материалами.
Для изготовления оборудования, работающего в более агрес-
сивных условиях и при высоких температурах, используют леги-
рованные стали, содержащие никель, хром, ванадий, титан и дру-
гие металлы.
Никель и хром — основные легирующие элементы. Никель по-
вышает коррозионную стойкость и механическую прочность сталей
и улучшает их обрабатываемость. Хром увеличивает жаропроч-
ность сталей и при содержании 11-—14 % делает ее устойчивой к
атмосферной коррозии (нержавеющая сталь).
17
Марганец незначительно влияет на коррозионную устойчи-
вость стали. При увеличении его содержания до 10—15 % полу-
чается сталь с высокой сопротивляемостью к ударам и эрозии. Из
этих сталей изготовляют детали дробилок и мельниц.
Молибден повышает коррозионную устойчивость сталей к го-
рячим серной и фосфорной кислотам и к хлоридам. Ванадий по-
вышает стойкость стали к водородной коррозии. Титан и ниобий
делают сталь малочувствительной к межкристаллитной коррозии.
В марках сталей легирующие элементы обозначают следующими буквами:
никель — Н, хром — X, марганец — Г, титан — Т, молибден — М, вольфрам — В,
ванадий — Ф, ниобий — Б, кремний — С, медь — Д, алюминий — Ю. Цифры,
стоящие справа от букв, означают содержание легирующего элемента. Если его
содержание менее 1,5 %, то цифру не ставят. Двузначные цифры, приводимые
в начале марки, показывают среднее содержание углерода в сотых долях про-
цента. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит 0,12 % С, 18 % Сг, 10 % Ni и до
1,5 % Ti.
Сталь 12Х18Н10Т получила широкое применение в химической
промышленности. Она устойчива к азотной кислоте, к щелочам,
нитратам, к газовой коррозии. Благодаря высокому содержанию
хрома эта сталь может работать при температуре до 800°C. Од-
нако с повышением температуры прочность стали понижается, что
следует учитывать при расчетах аппаратов на прочность. В про-
изводстве фосфорной кислоты используют стали, содержащие мо-
либден и медь, например, ЭИ-943 или 0Х23Н28МЗДЗТ.
Хромистые стали 15Х25Т, 15Х28Т и 15X28 отличаются высокой
стойкостью к окислению и при нагреве открытым пламенем в усло-
виях слабоагрессивной среды выдерживают температуры 1000—
1100 °C.
Для работы в высокоагрессивных средах при давлении до
100 МПа и интервале температур от —196 до 700 °C можно ис-
пользовать сталь 10Х17Н13М2Т.
Благодаря повышенной химической стойкости высоколегиро-
ванные стали находят широкое применение в различных отраслях
химической промышленности: в производстве сложных удобрений,
фосфорной кислоты, соды и щелочей, в азотной промышленности
и в производстве большинства солей. Вследствие высокой прочно-
сти этих сталей аппараты, изготовленные из них, более легки и
надежны, чем изготовленные из углеродистых сталей для тех же
условий работы. Однако легированные стали намного дороже
углеродистых. Поэтому для изготовления химической аппаратуры ‘
промышленность выпускает двухслойную листовую сталь, состоя-
щую из основного материала (углеродистая сталь), и защитного
(плакирующего) слоя из стали 12Х18Н10Т, 08X13 и др. Но со-
гласно техническим условиям применение двухслойной стали огра^-
ниченно, в частности, для материала, состоящего из ВСтЗсп и
12Х18Н10Т, температурой стенки аппарата 250 °C и давлением
5 МПа. Это вызвано различием в значениях температурного ко-
эффициента линейного расширения основного ц плакирующего
слоев.
16
Чугуны. Низкая стоимость чугунов наряду с удовлетворитель-
ными механическими свойствами обеспечила широкое применение
их в технике как конструкционного материала. Чугуны хорошо
поддаются обработке резанием, но не обладают пластичностью.
Промышленность выпускает 10 марок серого чугуна (от СЧ10
до СЧ45). Цифра после букв указывает среднее значение прочно-
сти при растяжении в десятках мегапаскалей (ГОСТ 1412—79).
Для изготовления химической аппаратуры серые чугуны ис-
пользуют ограниченно. Они работают при температуре до 250 °C
и давлении не более 0,6—0,8 МПа. Химическая стойкость их до-
вольно низкая.
Чугуны СЧ21 и более высоких марок можно использовать для
изготовления деталей, подверженных действию знакопеременных
нагрузок (например, поршни насосов и компрессоров), а чугуны
низких марок — для менее ответственных деталей.
Для изготовления аппаратов, работающих со щелочными рас-
творами и расплавами, выпускают щелочеустойчивый чугун двух
марок (СЧЩ-1, СЧЩ-2), легированный хромом (0,4—0,8 %) и
никелем (0,5—1,0%). Эти чугуны успешно используют в произ-
водстве твердого едкого натра,.
Для изготовления аппаратов и труб, подверженных воздей-
ствию азотной и соляной кислот, применяют высококремнистые
чугуны, содержащие 15—17 % кремния (ферросилициды С-15, С-17
и «антихлор»). Антихлор МФ-15 содержит 15% Si и 4 % Мо. Он
устойчив к действию горячей концентрированной соляной кисло-
ты. Однако эти материалы очень хрупки, поддаются обработке
только абразивными материалами, очень чувствительны к пере-
падам температур. Поэтому их используют ограниченно.
Цветные металлы. Наибольшее распространение в химической
промышленности находят алюминий, медь, свинец и титан.
Алюминий ввиду образования в окислительной среде на
своей поверхности прочной оксидной пленки наиболее широко при-
меняют в производстве азотной кислоты. Из него изготовляют по-
чти всю аппаратуру для производства, хранения и транспорти-
ровки концентрированной кислоты. Сюда относятся отбелочные
колонны, поглотительные башни, холодильники, цистерны и дру-
гое оборудование.
Алюминий стоек к концентрированной азотной кислоте, но не
стоек к действию щелочных растворов и разбавленных кислот.
Согласно ГОСТ 11069—74 алюминий выпускают 11 марок: от
АО чистотой 99,0 % до А999 чистотой 99,9999 %• Для изготовления
химического оборудования используют алюминий марки А7, А6,
А5 и АО чистотой соответственно 99,7; 99,6; 99,5 и 99,0 %.
Положительными свойствами алюминия являются его высокая
теплопроводность (в 4,5 раза выше, чем у стали), малая плот-
ность и высокая пластичность, обеспечивающая хорошую прока-
тываемость и способность штамповаться. Но он обладает низкими
литейными качествами, плохо обрабатывается резанием и имеет
малую прочность.
19
Для упрочнения алюминий модифицируют добавкой меди и
магния (дуралюмины). Прочность дуралюминов в 4—5 раз выше,
чем у немодифицированного металла, но коррозионное сопротив-
ление ниже, так как стойкость оксидной пленки (А12О3) при этом
понижается.
Для повышения коррозионной стойкости на листы дуралюмина
при прокате наносят с двух сторон плакирующий слой чистого
алюминия так, чтобы толщина его составляла 3—5 % от толщины
основного листа. Температура в аппаратах, изготовленных из алю-
миния, должна быть не выше 200°C, а давление не более 0,6 МПа.
Сварку алюминия проводят в атмосфере аргона и гелия.
Весьма ценным конструкционным материалом для создания
химической аппаратуры является медь. Ее выпускают 6-тн ма-
рок; от М00 (99,99 %) до М4 (99,0 %) по ГОСТ 859—78. Для кон-
струирования химического оборудования применяют медь марок
М2 (99,7%) и М3 (99,5%). Важная характеристика меди — мак-
симальная среди конструкционных материалов теплопроводность.
Медь не образует прочных защитных оксидных пленок, поэтому
не устойчива к воздействию «окислительных» кислот. В раство-
рах щелочей и аммиака, соляной кислоты она достаточно стойка
при отсутствии других окислителей и контакта, в частности, с воз-
духом. Разрушение аппаратуры из меди в указанных средах будет
происходить при образовании оксидов Сп2О и СиО, которые за-
тем будут переводиться в растворимые соединения Н+-ионами, ам-
миаком и другими комплексообразователями.
Ценное свойство меди — это способность сохранять прочность,
теплопроводность и ударную вязкость при низких температурах,
что делает ее незаменимым материалом для изготовления аппа-
ратов глубокого холода и теплообменной аппаратуры. Изделия из
меди могут эксплуатироваться в интервале температур +250°C.
Основными способами неразъемного соединения частей аппа-
ратуры из меди служат клепки, сварка и иногда пайка. Сварку
желательно проводить в среде аргона.
В химическом машиностроении используют также сплавы ме-
ди— латунь и бронзу. Латунями называют сплавы меди с цинком,
а бронзами — сплавы меди с оловом или другими металлами. Эти
сплавы легируют и другими элементами (алюминием, железом,
марганцем, никелем).
Обозначение сплавов меди расшифровывают следующим образом. Буквы Л
и Бр означают соответственно латунь и бронзу. Следующие за ними буквы ука-
зывают на содержание в сплаве компонентов, которые обозначаются соответ-
ствующими начальными русскими буквами: А—алюминий, Мц — марганец,
О — олово, Ж — железо, Ц — цинк, Н — никель, Б — бериллий, Ф — фосфор
и т. д. Цифры показывают процентное содержание соответствующего металла в
сплаве. Например. ЛАН59-3-2— латунь, содержащая 59 % меди, 3% алюминия,
2 % никеля и остальное — цинк; БрА.Ж9-4— алюминиевожелезная бронза, со-
держащая 9 % алюминия и 4 % железа, остальное — медь.
Коррозионная стойкость латуней в ряде случаев более высокая,
чем у меди. Для изготовления теплообменной аппаратуры и ап-
20
паратов глубокого холода (например, для разделения воздуха)’
наибольшее применение находят латуни Л68 и Л62.
Бронзы обладают хорошими прочностными и антифрикционны-
ми показателями. Они могут работать в условиях сильного эро-
зионного износа. Например, бронзы БрОЦ10-2; БрАЖ9-4;
БрАЖМц 10-3-1,5 и некоторые другие используют для изготовления
червячных колес, сальников, деталей центробежных насосов, арма-
туры и т. п. Добавление в бронзы свинца улучшает ее антифрик-
ционные свойства. Поэтому БрОСП5-5-5 и БрОС8-12 широко при-
меняют для изготовления подшипников скольжения.
С в и не ц в свое время играл важную роль в аппаратостроении.
Его высокая устойчивость к серной кислоте (ниже 80 %) и рас-
творам сульфатов, объясняемая образованием защитной пленки
из PbSO4, обеспечивали ему применение в аппаратуре сернокис-
лотных заводов. Однако его мягкость, высокая плотность и доро-
говизна заставляют в настоящее время ограничить его использо-
вание и применять другие конструкционные материалы.
Титан — это один из перспективных металлов для изготовле-
ния химической аппаратуры. Его выпускают следующих марок:
ВТ1-00 (99,53 %), ВТ1-0 (99,48 %) и ВТ1-1 (99,44 %). Он химиче-
ски стоек к кипящей азотной кислоте, но при концентрации кис-
лоты 98 % происходит его возгорание, сопровождающееся взрывом.
Титан стоек к растворам нитратов, хлоридов, карбамида во влаж-
ном хлоре, но разрушается в серной, соляной, плавиковой и фос-
форной кислотах, в щелочах, в азотной кислоте, содержащей окси-
ды азота. Его целесообразно применять в средах, в которых ле-
гированные стали подвергаются точечной коррозии или проявляют
склонность к межкристаллитной коррозии.
Из-за дороговизны титан большей частью используют в каче-
стве плакирующего материала с толщиной листа 0,5—3 мм. Стои-
мость оборудования, футерованного листовым титаном, примерно
в 3 раза превышает стоимость таких же аппаратов, изготовленных
из хромникелевой стали. Однако высокая стоимость окупается низ-
кими затратами на ремонт, долговечностью оборудования и со-
кращением простоев из-за неисправностей. Титановая запорная
арматура служит в 5—10 раз дольше, чем стальная, облицованная
резиной, пластмассами и эмалью. Применяемые в производстве
хлора теплообменники из титана намного дешевле стеклянных и
занимают в 8 раз меньшую площадь.
Титан — незаменимый конструкционный материал в производ-
стве хлоридов кальция и аммония методом выпаривания. Выпар-
ные аппараты, изготовленные из легированной стали, в производ-
стве хлорида кальция требуют капитального ремонта через 3—
4 месяца, а титановые аппараты работают в течение 3—4 лет.
В последнее время в качестве конструкционных материалов
начинают использовать сплавы титана и циркония с танталом.
Сплав титан — тантал обладает высокой антикоррозионной стой-
костью, приближаясь в этом отношении к платине. Например,
21
Сплав, содержащий 50 % тантала, стоек к горячим концентриро-
ванным растворам серной, фосфорной и соляной кислот.
Никель и его сплавы широко применяют в химическом
машиностроении. Из них делают котлы, тигли, трубы и емкости,
особенно в производстве реактивов. Как высококоррозионностой-
кие в химическом аппаратостроении используют сплавы никеля с
Основные механические свойства
некоторых конструкционных сплавов и металлов
Таблица 2.1
Материал Плотность, т/м3 Прочность при растя- жении, МПа Предел текучести, МПа Относи- тельное удлинение, 7о Коэффициент теплопро- водности, Вт/(м-К)
СЧ18 ВЧ60-2 * 7.2 7,2 180 600 420 2 25,6—32,6
СтЗпс, СтЗсп 7,8 300—490 210—250 23—26
Стбпс, Стбсп 7,8 600—630 300—320 13—16
Ст08 7,8 330 200 33 46,5-58,1
Ст70 . 7,8 730 430 9
12ХМФ 7,8 450-590 260-300 18—21
12X13 —— 600 420 20
12Х18Н10Т 7,9 550 200 40
10X17H13M3T 7,9 500 200 35 j 14,0—18,6
12Х18Н2А15 7,9 1200 700 30
Медь М2 8,9 220 60 48 377.4
Л62 8,5 330—360 100-110 34—49 104,6.
БрОС8-12 9,1 150—200 100-120 3-8 116,3
БрАЖН 10-4-4 8,2 600—700 600 5-30 75,6
Алюминий (А7, А6) 2,7 70—100 30-40 30—40 218,6
Свинец 11,4 1,4-1,8 40—50 34,3
Титан ВТ1-1 4,5 450—700 380—600 20—25 16,3
Ниобий 8,5 350 260 50 52.0
* Высокопрочный чугун.
молибденом, например сплав марки Н70МФ, а также с хромом и
молибденом, например ХН65МВ.
Цирконий применяют главным образом для изготовления
аппаратуры, соприкасающейся со смесями кислот и щелочей при
переменном pH. Сплав циркония, содержащий 60 % тантала, не
подвергается точечной коррозии. Его можно применять в любых
растворах соляной кислоты. Скорость коррозии этого сплава в
36 %-ной соляной кислоте при 60 °C не превышает 0,01 мм/год.
Однако следует добавить, что все сплавы, содержащие тантал,
имеют высокую стоимость.
Ниобий стоек к действию основных минеральных кислот и
«царской водки», но разрушается в растворе HF, горячей H2SO4
и расплавах щелочей. Из-за образования пассивных пленок при-
меним в производстве концентрированной HNO3.
22
Различные металлы и сплавы получили неодинаковое распро-
странение в химическом машиностроении. Наибольшее применение
для изготовления аппаратов в технологии неорганических веществ
находят высоколегированные и углеродистые стали, что обуслов-
лено в значительной степени их большей доступностью. Обзор
основных свойств некоторых металлических материалов приведен
в табл. 2.1.
2.3. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ
И ОБКЛАДОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Неметаллические материалы, особенно неорганические, исполь-
зуют для создания химического оборудования в гораздо меньшем
объеме. Они обладают высокой химической стойкостью, но проч-
ность и пластичность их ниже, чем у металлов.
Неорганические неметаллические материалы. Наибольшее рас-
пространение из них получили фарфор, асбест, эмаль, диабаз, ке-
рамика, стекло. Многие из них используют в производствах особо
чистых веществ (см. разд. 2.5).
Плавленый диабаз получают обработкой определенных гор-
ных пород основного состава в мартеновских печах при 1400 °C.
Он содержит примерно 48 % диоксида кремния и 16 % оксида
алюминия, устойчив к минеральным кислотам, за исключением
плавиковой и фторкремниевой. Щелочи его разъедают. Кислото-
стойкость других силикатных горных пород сложного и непостоян-
ного состава, также используемых Для создания футеровок в кис-
лотостойких аппаратах, несколько ниже, чем у андезита и бештау-
нита. Каменное литье из диабаза обладает высокой стойкостью к
абразивному износу и газонепроницаемостью. Из каменного литья
изготавливают футеровочные плитки, трубы, штуцеры и др.
Асбесты — тонковолокнистые материалы, в основном состоя-
щие из гидросиликатов магния. Важнейший из асбестов (до 95 %
всего используемого)—хризотил. Это щелочестойкий материал.
Амфиболовые асбесты представляют собой изоморфные силикаты
магния, кальция и железа; они содержат до 5 % химически свя-
занной воды. Стойки к кислотам и щелочам. Асбесты обладают
низкой теплопроводностью. Их можно применять в качестве теп-
лоизоляторов и прокладок при температурах до 600—800°C. Из
асбестов изготовляют листы с площадью до 1 м2 и толщиной от 2
до 12 мм, огнестойкие ткани, шнуры и асбестовую вату.
Керамика обычно состоит из 50—75 % кремнезема и 20—
30 % глинозема, поэтому она устойчива к действию минеральных
кислот, но разрушается под действием плавиковой кислоты и ще-
лочей, а при высокой температуре и от фосфорной кислоты.
Изделия из керамики получают формовкой и обжигом спе-
циально подобранной глины, в которую добавляют кремнезем и
полевой шпат. Из керамики изготавливают кислотоупорный
кирпич, плитки, трубы и арматуру, холодильники и колонны,
23
центробежные насосы и емкости, насадочные тела для адсорб-
ционных колонн.
Недостатками керамических изделий являются их хруйкость и
низкая механическая прочность. Коэффициент теплопроводности
керамики близок 1,2 Вт/(м-К). Она обладает значительной по-
ристостью (3—10%), поэтому изделия из керамики обычно по-
крывают изнутри и снаружи глазурью.
Органические неметаллические материалы. Графитовые
материалы занимают одно из ведущих мест среди неметалли-
ческих конструкционных материалов. Такие ценные свойства, как
высокая химическая стойкость, низкий температурный коэффи-
циент линейного расширения, хорошая теплопроводность и доста-
точная механическая прочность, определяют целесообразность их
использования в качестве конструкционного и защитного материа-
лов. Из простых веществ графит — самый тугоплавкий (/пл =
= 3500+ 100 °C).
Различают углеграфитовые материалы естественного (природ-
ный графит) и искусственного происхождения. Последние полу-
чают смешением в определенных соотношениях антрацита, нефтя-
ных и литейных коксов и других добавок, последующим их прес-
сованием и термической обработкой при 1200—2300°C.
Графит инертен ко многим агрессивным средам, термостоек и
теплопроводен. Коэффициент теплопроводности X его находится
в пределах 90—360 Вт/(м-К), что отвечает значениям, характер-
ным для большинства металлов. В присутствии кислорода он
начинает окисляться при 550—600 °C. Искусственные графитовые
материалы из-за значительной пористости (20—30 %) можно при-
менять в химической аппаратуре только после устранения пори-
стости, что достигается, в частности, пропиткой их фенолоформ-
альдегидными смолами.
Антегмиты представляют собой теплопроводные [X, = 35 +
+ 100 Вт/(м-К)], коррозионно-стойкие, антифрикционные мате-
риалы, полученные прессованием композиций из графита и фено-
лоформальдегидной смолы и последующей термообработкой их
при 160—200 °C. Промышленность выпускает антегмиты марок
ATM-1, ATM-10 и ATM-1 Г.
Графитолиты — это изделия, полученные литьем и холодным
отверждением композиций. Применяют три марки графитолитов:
НЛ, ГФНЛ, 5ЭФНЛ, изготовленные соответственно на основе фе-
нолоформальдегидной, фуриловой и эпоксидной смол.
Каждый из указанных материалов имеет свое назначение.
Графитовые и угольные блоки используют, например, в каче-
стве фильтрующей перегородки.
Из антегмитов изготавливают футеровочные плитки, трубы и
формовые изделия. Широкое применение они нашли при изготов-
лении теплообменников различных конструкций: оросительных,
блочных, кожухотрубных, типа «труба в трубе» и погружных. Наи-
более простыми по конструкции и надежности являются ороси-
24
тельные холодильники, выпускаемые в виде секций труб длиной
от 300 до 9000 мм.
Теплостойкость антегмитов определяется теплостойкостью свя-
зующего. Антегмит, полученный на основе фенолоформальдегид-
ной смолы, можно применять до 180 °C, на основе кремнийоргани-
ческого полимера — до 400 °C.
Антегмит АТМ-1 стоек к аммиаку, хлору, диоксиду серы, рас-
творам соляной, серной и фосфорной кислот (до 70%) и неустой-
чив к действию азотной и бромоводородной кислот и растворов
щелочей. Антегмит ATM-10 стоек ко всем кислым и щелочным сре-
дам, не разрушается под действием галогенов и сильных окисли-
телей.
Из графитолитов изготавливают центробежные насосы, арма-
туру и трубопроводы для производства соляной и серной кислот.
Методом холодного литья получают сосуды, колонны (из сборных
царг), а также реакторы с мешалками и теплообменными устрой-
ствами.
Достоинством графитолитов является их способность при литье
хорошо заполнять форму и прочно соединяться с металлическими
деталями (болтами, стержнями и др.), помещенными в форму.
Графитолиты хорошо обрабатываются на металлорежущих стан-
ках, поэтому из них можно получить детали с достаточно точными
размерами.
Ф а о л и т — композиция фенолоформальдегидной смолы и
кислотостойкого наполнителя (асбеста, графита) соответственно
марок А и Г.
Фаолит относится к термореактивным пластмассам. Так назы-
ваемый сырой (неотвержденный) фаолит выпускают в виде листов
(толщиной от 5 до 20 мм, длиной от 1000 до 2000 мм и шириной
от 700 до 1000 мм) или массой, которую можно формовать и прес-
совать. Формованные изделия отверждают, подвергая их постепен-
ному нагреванию в течение 30—50 ч до 130 °C в специальных ка-
мерах. При этом фаолит приобретает механическую прочность.
Для соединения отдельных фаолитовых деталей применяют
фаолитовую замазку («сырой» фаолит), которая затем отверж-
дается нагреванием.
Из фаолита изготавливают трубы диаметром от 33 до 300 мм
и длиной 1000—2000 мм, запорную арматуру и детали центробеж-
ных насосов в соответствии с машиностроительной нормалью
МН 3206—62 «Сосуды из фаолита. Типы, параметры и основные
размеры». Нормалью предусмотрено изготовление сосудов диа-
метром от 250 до 2000 мм для работы при температуре 0—140 °C
и избыточном давлении не выше 60 кПа.
Фаолит устойчив к растворам соляной кислоты любых кон-
центраций, к серной и фосфорной кислотам (0—80%) ДО 70 °C,
к растворам многих солей. Его не рекомендуют применять для
растворов щелочей, азотной кислоты и некоторых окислителей
(Вг2, 12 и др.).
25
Известен также кислотощелочестойкий фаолит (фуралит), ко-
торый представляет собой композицию на основе фуриловофеноло-
формальдегидной смолы с наполнителями (асбест, стекло). Испы-
тания фуралита на химическую стойкость показали, что он стоек
при 120 °C к соляной, серной кислотам (до 28,7%) и к раствору
NaOH (до 40 %).
Винипласт представляет собой термопластичный конструк-
ционный материал на основе поливинилхлорида с различными до-
бавками. Из него делают листы толщиной от 2 до 20 мм, трубы
с внутренним диаметром от 6 до 160 мм, стержни диаметром от 5
до 22 мм и сварочные прутки диаметром 2, 3 и 4 мм.
Винипласт обладает высокой химической стойкостью, удовле-
творительной прочностью и легко перерабатывается в изделия
прессованием. Для соединения элементов и деталей аппаратов при-
меняют прутковую сварку, которую проводят при одновременном
разогреве струей горячего воздуха (220°C) свариваемых кромок
и присадочного прутка. Отдельные детали из винипласта можно
соединять склеиванием. Для этого поверхность склеивания зачи-
щают и обезжиривают дихлорэтаном. Склеивание проводят
10 %-ным раствором перхлорвиниловой смолы в дихлорэтане.
При проектировании и эксплуатации изделий из винипласта
следует учитывать его низкую ударную вязкость, исключающую
работу в условиях вибрации, большой температурный коэффи-
циент линейного расширения (в 6 раз выше, чем у стали) и малую
теплостойкость. Аппараты из винипласта изготовляют согласно
нормали МН 207—62 диаметром от 250 до 1400 мм для работы
в интервале температур 0—40°C, когда винипласт устойчив к со-
ляной, серной и фосфорной кислотам любой концентрации, к
азотной кислоте концентрацией до 50%, к щелочам и растворам
большинства солей.
Как конструкционный материал все более широкое применение
начинает находить полиэтилен (ПЭ). Различают полиэтилен
высокого давления (полимеризация этилена при 150 МПа) и низ-
кого давления (получают с использованием катализаторов). По-
следний отличается от ПЭ высокого давления большей плотностью,
прочностью, жесткостью, повышенной теплостойкостью.
Полиэтилен может работать в интервале температур от —70
до 60 °C. Он устойчив к серной кислоте концентрацией до 50%,
к соляной и фтороводородной кислотам при любой концентрации,
к щелочам и растворам большинства солей. Он обладает низкими
газопроницаемостью и влагопоглощением. Применяется для изго-
товления вентиляторов, труб, трубопроводной арматуры, обкладок,
для различных аппаратов и тары.
Преимущества полиэтиленовых труб по сравнению с металли-
ческими — низкая плотность, химическая стойкость и морозостой-
кость. Эти трубы не разрушаются при замерзании в них воды. Они
рассчитаны на давление до 1 МПа.
Перспективен для использования в химической промышленно-
сти полиизобутилен, стойкий ко многим агрессивным средам.
26
Это каучукоподобный термопласт, в который для улучшения проч-
ности вводят тальк, графит и другие наполнители.
Для защитных покрытий (гуммирования) используют резины
(ГОСТ 19198—73), обладающие достаточно высокой химической
стойкостью. Их выпускают в виде листов шириной 500—1000 мм и
толщиной от 0,5 до 6 мм. Для этих целей пригодны резины марок
ИРП-1256, ИРП-1257, ИРП-1309 и некоторые другие.
Резины ИРП-1256 и ИРП-1309 имеют высокую химическую
стойкость к 30 %-ной HNO3 до 50°C, к 33 %-ной H2SO4 до 110°С,
к 70 %-ной H2SO4 до 70°C и к 50%-ным щелочам до 90°C. Ре-
зина ИРП-1257 стойка к 70 %-ной H2SO4 и к 75 %-ной Н3РО4 до
70 °C, а к 50 %-ным щелочам до ПО °C.
Резины указанных марок крепят к стальной поверхности клея-
ми (например, «лейконат»). Недостаток резин — старение, в ре-
зультате которого снижается долговечность и надежность защи-
щаемой аппаратуры.
2.4. СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ АППАРАТОВ ОТ КОРРОЗИИ
Один из основных методов борьбы с коррозией химического
оборудования — нанесение на его поверхность защитного покры-
тия из химически стойкого к этой среде материала. В этом случае
металлический корпус обеспечивает прочность аппарата, а защит-
ное покрытие предохраняет его от воздействия среды.
Существует множество видов покрытий. Основные из них:
1) пленочное; 2) листовое; 3) футеровка.
Выбор вида покрытия определяется физико-химическими усло-
виями работы аппарата, свойствами материала и степенью слож-
ности геометрической формы защищаемой поверхности.
Пленочные защитные покрытия. Покрытия наносят одним из
следующих способов;
1) осаждением слоя коррозионно-стойкого металла электрохи-
мическим методом;
2) многослойной окраской поверхности лаками, красками и
битумами;
3) напылением порошкообразных полимерных материалов и
последующим их спеканием;
4) многослойным нанесением эмульсий (суспензий) из поли-
мерных материалов, сушкой и спеканием;
5) механическим или электрофоретическим нанесением шихты
из порошкообразных материалов и ее спеканием в стекловидное
состояние (кислотоупорная эмаль).
Толщина пленочного покрытия обычно составляет 0,1—0,5 мм.
К достоинствам защитного покрытия, полученного
электрохимическим методом, относят простоту его об-
разования, возможность нанесения слоя на поверхности сложной
конфигурации, сохранение полезного объема аппарата и его мас-
сы. Однако этот метод защиты в основной химической промыш-
ленности используют пока редко.
27
Окраску аппаратов применяют для защиты их наружной
поверхности от атмосферной коррозии. Лакокрасочный материал
многокомпонентен. Он состоит из смеси пленкообразующего ве-
щества с растворителями, пластификаторами и пигментами.
Пленкообразующее вещество может растворяться в воде (водо-
растворимые полимеры) и не растворяться (растительные масла,
полимеры и олигомеры, битумы и т. д.). В качестве растворителей
используют скипидар, толуол, ацетон, спирты и пр.
Пластификаторами служат хлорированный нафталин и дибу-
тилфталат. Они сообщают покрытию необходимую пластичность.
Пигменты придают лакокрасочному материалу необходимый
цвет, а иногда повышают механическую прочность. В качестве
пигментов обычно используют высокодисперсные порошки окси-
дов металлов.
Растворы пленкообразующих веществ в органических раство-
рителях называют лаками, при добавлении в лак пигмента полу-
чают эмаль. Лакокрасочный материал, полученный на основе во-
дорастворимых пленкообразующих с добавлением пигмента, на-
зывают краской. Основой масляных красок служат олифы.
В химическом машиностроении применяют грунтовки, шпат-
левки, лаки, эмали, приготовленные на основе природных и син-
тетических олигомеров и полимеров (эпоксидные, фенолоформаль-
дегидные, перхлорвиниловые), битумов, эфиров целлюлозы (ни-
траты целлюлозы).
Технологические режимы окраски поверхностей различными
лакокрасочными материалами различны, но в общем процесс об-
разования защитного слоя покрытия сводится к следующему:
1) подготовка поверхности — очистка от загрязнений (ржавчи-
ны, старой краски и т. д.) и обезжиривание;
2) нанесение на поверхность грунтовки — для обеспечения хо-
рошей адгезии (сцепляемости) лакокрасочного материала с по-
верхностью; зачистка абразивом высохшего слоя грунта;
3) шпатлевание поверхности — для получения ровной окрасоч-
ной пленки; зачистка абразивом высушенной поверхности шпат-
левки;
4) окраска поверхности (при многослойной окраске последую-
щие слои наносят после высыхания предыдущего).
В химической промышленности широкое распространение
имеют лак-177, «Кузбасслак», лаки и эмали на основе перхлор-
виниловой смолы (ХСЛ, ХСЭ-3, ХСЭ-14, ХСЭ-23 и др.). «Куз-
басслак»— раствор каменноугольного пека в сольвенте. Он стоек
к слабым кислотам и щелочным средам. Лак-177 — это раствор
битумов в органических растворителях, его используют для изго-
товления термостойкой «алюминиевой» краски. Перхлорвиниловые
эмали представляют собой раствор перхлорвиниловой смолы в ле-
тучих растворителях с добавками пластификаторов и соответ-
ствующих пигментов. Их применяют для окраски оборудования
в цехах с атмосферой, содержащей пары минеральных кислот и
хлора.
28
репадом более 800 °C) и воздействии кислых шлаков их применять
не следует.
Примером использования магнезиальных огнеупоров могут
служить печи для восстановительного обжига сульфата натрия
в сульфид, который обладает сильнощелочными свойствами.
К материалам высшей огнеупорности относят карборунд
SiC (огнеупорность 2100°C), бориды, нитриды, карбиды,
силициды (/-элементов (до 2500°C), нитрид кремния
Si3N4 (до 3000°C). Многие из них хрупки и склонны к окислению
и применяются часто в виде спеченных композиционных материа-
лов. Они обладают металлической проводимостью и высокой тем-
пературой плавления:
Вещество TiB2 ZrB2 ZrC ТаС TiN TaN MoSi2
/пл, °C 2980 3040 3540 3900 2950 3090 2100
В качестве теплоизоляционных материалов используют веще-
ства, обладающие низкой теплопроводностью и достаточной стой-
костью в интервале рабочих температур. Для теплоизоляции реко-
мендуется применять материалы с коэффициентом теплопровод-
ности не более 0,3 Вт/(м-К). Теплоизоляционные материалы
должны быть химически стойкими, негигроскопичными, возможно
легкими, дешевыми и не должны вызывать коррозию оборудо-
вания.
По способу использования при монтаже и ремонте оборудова-
ния теплоизоляционные материалы подразделяют на мастичные,
оберточные и мастично-формованные. Мастичные материалы
применяют в виде порошков; при затворении их на воде получают
тестообразные массы, которые наносят на изолируемые поверхно-
сти. Примером оберточных материалов являются рулоны
стекло- и шлаковаты, заключенные между металлическими сет-
ками. Мастично-формованные теплоизоляционные детали
изготовляют в виде готовых изделий определенной формы (скор-
лупы, плиты, кирпича и т. д.).
Теплоизоляционные материалы делят на высоко-, средне- и
низкотемпературные. Первые применяют при температурах выше
450 °C. К ним относят следующие материалы:
1. Асбест низких сортов и асбестовые отходы;
2. Диатомит (трепел), который употребляют в виде кирпи-
чей или порошков как добавку в теплоизоляционные смеси, содер-
жащие также асбест, отходы слюды или цементно-шиферного про-
изводства.
3. Пенобетон, получаемый затворением цемента с добавкой
пенообразующих веществ (эмульсии); его используют реже из-за
высокой стоимости;
4. Шлаковую вату; вследствие малой механической проч-
ности ее используют только в засыпных и набивных конструкциях.
К среднетемпературным теплоизоляционным материалам
(150—450°C) относят асбозурит и ньювель. Асбозурит со-
стоит из 70 °/о молотого диатомита, 15 % асбеста и 15 % шиферных
41
Хорошей кислото-, щелоче- и атмосферостойкостью обладают
лакокрасочные материалы на основе эпоксидных смол (лак Э-4100,
эмали Э-5, Э-11, шпатлевка Э-4020 и др.). Перед применением в
них вводят отвердитель (4—5 % полиэтиленполиамина или гекса-
метиленДиамина). Эпоксидная смола, составляющая основу этих
материалов, начинает твердеть через 2—3 ч после смешения с
отвердителем.
Нанесение полимеров на поверхность металла
в виде тонкой пленки осуществляют методами напыления:
газопламенного, вибровихревого, струйного, струйно-электрофоре-
тического, теплолучевого и др. Таким образом можно получить
защитные покрытия из полиэтилена, полипропилена, поливинил-
хлорида, фторопластов и других полимеров. Сущность указанных
методов заключается в том, что порошкообразный полимер в смеси
ср стабилизаторами и наполнителями, улучшающими свойства по-
крытия, наносят на металлическую поверхность и оплавляют на
ней.
Например, при газопламенном напылении частички термопла-
стичного полимера проходят с большой скоростью через пламя
распыляющего пистолета, подвергаются при этом кратковремен-
ному нагреву до 250—300 °C, размягчаются и, попадая на пред-
варительно нагретую металлическую поверхность, оплавляются на
ней в сплошную пленку. Для нанесения покрытия этим методом
используют, в частности, передвижную установку УПН-4Л. Для
защиты химической аппаратуры методом струйного напыления
применяют стационарные установки конструкции УкрНИИхим-
маш, позволяющие механизировать процесс нанесения покрытия
на аппаратуру, имеющую форму тел вращения.
Способ многослойного нанесения суспензии ис-
пользуют для получения, например, покрытия из фторопласта-ЗМ.
Спиртовую суспензию (30%-ную), стабилизированную поверхност-
но-активным веществом с добавкой пластификаторов, наносят в
10—15 слоев на защищаемую поверхность пульверизатором в про-
дольном и поперечном направлениях до полного покрытия по-
верхности. Сушку каждого слоя проводят при 120°C в течение
20 мин, а оплавление (спекание) покрытия — при 260 °C в течение
25—40 мин.
Одним из наиболее эффективных способов защиты металлов
от коррозии является эмалирование. Процесс состоит в нане-
сении на внутреннюю поверхность стальных и чугунных аппаратов
тонкого слоя стекловидной массы и обжиг ее при 800—900 °C. Для
получения стекловидного слоя (эмали) в качестве сырья исполь-
зуют смесь кремнезема, полевого шпата и различных глин, кото-
рые спекают с плавнями (карбонатом, боратом и др.).
Эмалевое покрытие можно применять в аппаратах, работаю-
щих под давлением до 5 МПа и при температурах среды от —30
до 300 °C. Оно стойко во всех кислотах (за исключением плави-
ковой). Скорость растворения его в кислотах не превышает
29
0,05 мм/год. Однако в щелочах эмаль растворяется с большей
скоростью, например 2,7 мм/год в 10%-ном NaOH при 100°С.
Химическое машиностроение обеспечивает выпуск эмалирован-
ной аппаратуры вместимостью до 50 м3 и более. Эмалированное
оборудование (колонны, холодильники, кристаллизаторы, запорная
арматура и др.) используют в производстве реактивных кислот
(серной, соляной) и некоторых солей.
Низкая теплопроводность эмалевого покрытия неблагоприятно
влияет на термостойкость аппарата, долговечность которого за-
висит от термостойкости покрытия. При резких изменениях тем-
пературы в эмалевом слое возникают микротрещины, которые со
временем создают сколы и являются очагами местной коррозии,
поэтому рекомендуется нагревать и охлаждать аппарат со ско-
ростью не более 1—3°С/мин. Допустимые скорости нагрева зави-
сят от конструкции аппарата и его размеров.
Листовые покрытия. Покрытие производят наклейкой на по-
верхность раскаленных листов полимерных материалов или пла-
кированием (обкладкой без наклейки).
Достоинствами покрытия являются сравнительно простая тех-
нология работ по наклейке листов и возможность применения стан-
дартного листового материала. Однако защищаемая поверхность
должна иметь простую геометрическую форму. В некоторых слу-
чаях возможна недостаточная адгезия клея.
Широко распространено гуммирование (покрытие резиной)
аппаратов, трубопроводов и арматуры. К положительным каче-
ствам таких покрытий следует отнести хорошую химическую стой-
кость резин к ряду агрессивных сред при температурах до 70—
НО °C, высокую адгезию покрытия к защищаемой поверхности,
хорошую его деформируемость, обеспечивающую надежную сов-
местную работу покрытия и защищаемой поверхности при изме-
няющихся условиях.
Технологический процесс гуммирования включает следующие
операции:
1) очистку поверхности от загрязнений, промывку бензином,
нанесение клея;
2) подготовку листов сырой резины и кромок, промывку их
бензином, нанесение клея;
3) обкладку поверхности листами и прокатку их роликами;
4) вулканизацию и проверку качества покрытия.
Наклеиванием можно наносить на защищаемую поверхность
листы из винипласта, полипропилена, полиизобутилена и полиэти-
лена. Для улучшения способности к склеиванию поверхность непо-
лярных полимеров (полиэтилен) подвергают специальной обра-
ботке (например, хромовой смесью). Можно также привить поли-
этилену другой полимер, обладающий адгезионной способностью,
например полистирол.
Неклеющиеся листовые материалы, в том числе жесткие, из-зд
большой толщины крепят на болтах (рис, 2.2), Болты привдрй-
30
вают к стенке аппарата, защищают «колпаками» из того же поли-
мера, приваривая их к слою покрытия.
Из-за сложности технологии метод обкладки без наклейки
редко применяют в химической аппаратуре. Как при наклеивании,
так и при обкладке без на-
клеивания стыки отдельных
листов полимера соединяют
прутковой или тепловой свар-
кой.
Футеровка аппаратов штуч-
ными кислотоупорными изде-
лиями. Плитки и кирпичи из
кислотоупорной керамики,
плавленого диабаза, фарфора,
стекла и антегмита закреп-
ляются на защищаемой по-
верхности специальными вяжущими, обычно силикатной замазкой.
Ее готовят из «жидкого стекла» (раствор Ыа28Юз), фторсиликата
натрия Na2SiF6 (ускоритель твердения) и наполнителей (андезито-
вой, кварцевой, фарфоровой муки и других кислотоупорных по-
рошков).
Рис. 2.3. Схемы футеровок:
а — однослойная; б — многослойная; в — комбинированная; 1 — стальная стенка; 2 — вя-
жущий материал; 3 — плитка; 4 — кирпич; 5 — полиизобутилен.
Рис. 2.4. Схема защиты штуцера:
1 — стенка аппарата; 2 — штуцер стальной; 3 — свинцовая обкладка; 4 — вкладыш фаоли-
товый на диабазовой замазке; 5 — полиизобутилен; 6 — футеровка; 7 — диабазовая замазка;
V — асбест шнуровой, смоченный в жидком стекле.
По конструкции футеровки (рис. 2.3) делят на простые (одно-
слойные), многослойные и комбинированные (многослойная футе-
ровка с подслоем из листового органического материала).
Однослойную футеровку применяют для защиты поверхности
газоходов, полов в химических цехах, аппаратов с парогазовой
средой, в которой не происходит конденсации паров.
Многослойную и комбинированную футеровки используют для
защиты стенок аппаратов, работающих в наиболее тяжелых усло-
виях. Футеровочные материалы (керамика и др.) обладают чаще
31
всего определенной пористостью, поэтому при защите аппаратуры
от высокоагрессивных сред на нее наклеиваются непроницаемые
подслои покрытия из органического материала (резин, полиизо-
бутилена и др.).
Проницаемость футеровок можно снизить разделкой швов наруж-
ного слоя замазками на органической основе (арзамит, битумные
мастики, эпоксидная смола). Применение в подслое органических
материалов, обладающих благоприятным сочетанием механической
прочности со значительной деформируемостью, предупреждает об-
разование трещин в футеровке. Однослойную и многослойную
футеровку используют, например, в аппаратах сушильно-абсорб-
ционного отделения сернокислотного производства, комбинирован-
ную футеровку — для защиты сушильной башни в производстве
хлора и промывной башни в производстве серной кислоты.
Достоинства футеровок: высокая механическая .прочность (мож-
но применять при механическом и абразивном воздействиях
среды), высокий предел рабочей температуры среды (300—400°C)
и низкая стоимость. Недостатки: увеличение массы аппарата и
уменьшение его полезного объема.
Защита штуцеров и люков штучными изделиями возможна
лишь при их диаметре не менее 500 мм. Практика показала, что
наиболее надежной конструкцией защиты штуцеров является
вставка в них специального вкладыша (отрезка трубы) из мате-
риала, химически стойкого к данной среде при рабочей темпера-
туре. Наиболее распространены вкладыши из кислотоупорной
керамики, диабазового литья, фаолита и антегмита. Пример схемы
защиты штуцеров показан на рис. 2.4.
Для защиты оборудования от коррозии в производстве неор-
ганических веществ довольно часто применяют методы катодной
защиты и ингибирования (торможения) коррозионных процессов.
Метод катодной защиты используют для предохранения от
коррозии подземных трубопроводов для транспорта электролитов
и воды. Его обычно сочетают с битумной изоляцией трубопрово-
дов. Для защиты от коррозии рассолопроводов перед укладкой
в землю их покрывают битумом, что однако не обеспечивает на-
дежной защиты. На участках с дефектами покрытия развиваются
интенсивные коррозионные процессы, для подавления которых ме-
таллический трубопровод соединяют с катодом источника по-
стоянного или выпрямленного тока; положительный полюс при-
соединяют к анодному заземлению, расположенному параллельно
трубопроводу на расстоянии 60—100 м от него. Заземление пред-
ставляет собой несколько стальных труб, зарытых вертикально в
землю на расстоянии 5—6 м друг от друга и соединенных между
собой полосовым железом. В качестве источника тока применяют
селеновые выпрямители напряжением 22—24 В.
При наличии разности потенциалов между рассолопроводом
и анодным заземлением протекает слабый ток, под действием ко-
торого в местах дефекта на поверхности трубопровода (катод) про-
исходит разряд ионов водорода и медленное разрушение анодов.
32
Одна станция катодной защиты мощностью 400 Вт обслужи-
вает трубопровод длиной до 4 км. Катодная защита может быть
использована также и для подавления коррозии емкостных аппа-
ратов, содержащих другие агрессивные жидкости.
Ингибиторы коррозии — вещества, обладающие свойством
уменьшать скорость коррозионных процессов. Например, диэтил-
амин может быть использован в качестве ингибитора коррозии
черных металлов. Добавление его в выпариваемую щелочь до кон-
центрации 0,016 % замедляет коррозию аппаратов в 4 раза. Вве-
дение в водные растворы NaCl и СаС12, применяемых в качестве
охлаждающих рассолов, хромата калия и щелочи до 0,2 % при-
водит к снижению коррозии стальных трубопроводов в 4—5 раз
и позволяет увеличить срок службы их до 7—10 лет.
Эффективность действия ингибиторов характеризуется коэф-
фициентом торможения или степенью защиты от коррозии. Коэф-
фициент торможения показывает, во сколько раз уменьшается ско-
рость коррозии в результате действия ингибитора:
V == ///,
Здесь / и Л — скорость коррозии соответственно в отсутствие и при наличии
ингибитора.
Степень защиты (%) характеризует полноту подавления кор-
розии:
Z = [(/ — /,)//]. 100.
Способность ингибитора защищать определенный металл от
коррозии в тех или иных средах зависит от его индивидуальных
химических свойств. На эффективность его действия оказывает
влияние температура и концентраций агрессивного агента.
Добавка к ингибитору некоторых веществ иногда вызывает
усиление ингибирующего действия. Например, ингибитор ПБ-5
(продукт конденсации анилина с уротропином) при концентрации
0,5 % уменьшает коррозию стали в 20 %-ной НС1 при 20 °C в
42 раза. При добавлении в эту систему 0,2 % 2-пропин-Кола ко-
эффициент торможения повышается до 110.
Ингибитор ПБ-5 получил сравнительно широкое применение
в промышленности, в частности для ингибирования в соляной кис-
лоте. Смесь ингибитора ПБ-5 с уротропином рекомендуется добав-
лять в 2—6 %-ные растворы кислот, используемых для освобожде-
ния теплообменной аппаратуры от накипи (при концентрации этих
веществ по 0,5 % при 60—80 °C у =40 4- 50). Сам уротропин яв-
ляется кислотным ингибитором коррозии не только черных метал-
лов, но и алюминия в соляной кислоте и титана в серной.
Механизм действия некоторых ингибиторов (например, ПБ-5)
связывают с их способностью избирательно адсорбироваться на
поверхности металла. Скорость коррозии металла обратно про-
порциональна катодной поляризации (затруднению) выделения
водорода. На поверхности металла (но не окалины или на-
кипи) образуется ориентированная пленка из молекул ингибитора,
2 Зак. 162
33
которая повышает перенапряжение выделения водорода и создает
высокое переходное сопротивление между раствором и поверх-
ностью металла.
Механизм действия других ингибиторов связан с образованием
на поверхности металла плотных, устойчивых кристаллических
пленок или с процессом нейтрализации веществ (например ионов
водорода и кислорода), разрушающих защитную пленку.
В содовом производстве для уменьшения коррозии чугунных
аппаратов в производственные жидкости вводят сульфиды, кото-
рые образуют на поверхности металла плотную пленку FeS. На-
личие в жидкостях сульфид-ионов (0,02-—0,04 г/л) способствует
также «нейтрализации» растворенного кислорода по реакции
2S2- 4- ЗО2 = 2SO2' и тем самым предохраняет от окисления суль-
фидную пленку. Соблюдение «сульфидного режима» позволяет
снизить скорость коррозии с 1,5 до 0,1—0,2 мм/год.
Рекомендовано много всевозможных ингибиторов. Различие
их физико-химических свойств и механизма действия требует при
выборе в каждом конкретном случае индивидуального подхода.
2.5. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕАКТИВОВ И «ОСОБО ЧИСТЫХ» ВЕЩЕСТВ
Интенсивное развитие техники предъявляет к качеству хими-
ческих продуктов все более высокие требования. Неуклонно рас-
тет потребность в реактивах высокой чистоты. Для получения
таких продуктов требуется аппаратура из качественно новых кон-
струкционных материалов. Если в производстве технических про-
дуктов конструкционные материалы подбирают в основном с уче-
том условий долговечности и надежности работы аппаратов, то
в производстве реактивов и особо чистых веществ (о., ч.) их выбор
основывается на условиях обеспечения необходимого качества
готового продукта.
Технические продукты содержат обычно 90—99 % основного
вещества, в них регламентируется в большинстве случаев только
содержание не более 5—6 видов примесей. Химические продукты
реактивной квалификации (х. ч. и ч. д. а.) содержат более 99 %
основного вещества, а число регламентируемых примесей доходит
до 12—15. Область особо чистых веществ начинается примерно
с содержания суммы всех примесей не более 10-5—10~4 % (масс.).
Термины «стойкий» или «совершенно стойкий» еще не опреде-
ляют возможности использования данного конструкционного ма-
териала в технологии особо чистых веществ и реактивов. Терми-
ном «стойкий» можно характеризовать, например, никель в горя-
чих растворах щелочей, где он теряет в массе примерно
0,1 г/(м2-ч). Но в этом случае в аппарате вместимостью 100 л
через 1,5 ч содержание никеля в растворе будет более 10-4 %
и щелочь по чистоте не будет отвечать классу особо чистых ве-
ществ. Для производства реактивов следует подбирать конструк-
ционные материалы из групп «весьма стойкие» или «совершенно
34
стойкие». А подбор этих материалов для получения особо чистых
веществ требует в большинстве случаев постановки специального
эксперимента или учета результатов опубликованных научных ис-
следований.
Металлы и сплавы. В технологии солей реактивной квалифи-
кации, не обладающих окислительными свойствами, довольно
широко применяют высоколегированные стали. Например, для
получения MoSO4-7H2O марок «х. ч.» и «ч. д. а.» используют
нейтрализаторы и кристаллизаторы, изготовленные из стали, ле-
гированной молибденом. Низколегированные стали в производ-
стве реактивов применяют очень редко.
. В технологии особо чистых веществ рекомендуется использо-
вать такие материалы, скорость коррозии которых в данной среде
меньше 10~"5 г/(м2-ч).
Распространенные технические металлы и сплавы имеют огра-
ниченное применение в технологии особо чистых веществ ввиду
их относительно высокой скорости коррозии. Для получения особо
чистых веществ в средах, не содержащих окислители, перспек-
тивны конструкционные материалы из благородных металлов
(например, платина и палладий в производстве HF). Из платины
изготовляют, например, контейнеры Для зонной плавки (до
1500°C), электроды для электродиализаторов и много другого
оборудования.
Однако и благородные металлы нельзя считать совершенно
или универсально стойкими к агрессивным средам. Платина раз-
рушается в сухом хлоре (выше 260 °C) со скоростью 0,62 г/(м2-ч),
довольно интенсивно корродирует в* 96 %-ной серной кислоте и
36 %-ной соляной при температурах выше 100°C в присутствии
О2, HNO3, FeCl3 и других окислителей. Палладий подвергается
коррозии в азотной, а также фосфорной и соляной кислотах при
наличии кислорода.
Среди металлов особого внимания заслуживает тантал. Ско-
рость его коррозии в 60 %-ной HNO3 при 20—30°C меньше
10-5 г/(м2-ч), а в 36 %-ной НС1 до 100°С меньше 10~4 г/(м2-ч).
Тантал не реагирует с хлором, бромом и иодом до температур
соответственно 250, 300, 400 °C. Устойчивость тантала к коррозии
объясняется стойкостью поверхностной оксидной пленки.
При выборе конструкционного материала следует отдавать пред-
почтение металлу, соединение которого будут подвергать обработ-
ке, при условии, если он относится к числу химически стойких и
содержание микропримесей в нем не более 10~3%. Например, опе-
рации кристаллизации и сушки особо чистых солей никеля можно
проводить в аппаратах из высококачественного никеля.
В технологии особо чистых веществ с применением растворов
электролитов нежелательно использовать аппараты с гальванопо-
крытиями из благородных и других металлов, так как при нали-
чии в них пор (десятки и сотни на 1 см2) они будут вызывать
ускорение электрохимической коррозии «защищаемого» металла
как анода в гальванической паре.
2*
35
Неорганические неметаллические конструкционные материалы
(эмали, фарфор, стекло и углеграфитовые материалы) широко
используют в производстве реактивов.
Сравнительно высокая скорость растворения эмалей в кисло-
тах [0,15—2,5 г/(м2-ч)] и чувствительность к местным перегре-
вам приводят к появлению трещин и местных отколов, поэтому
эмалированные аппараты допустимо применять в производстве
реактивов, но не особо чистых веществ. Для производства послед-
них следует использовать стеклянную и фарфоровую аппаратуру.
Фарфор получают спеканием массы, содержащей 45—60 %
каолина и в разных соотношениях кварцевый песок и полевой
шпат. Фарфор обладает лучшими механическими показателями,
чем керамика. Он относительно стоек к кислотам (за исключе-
нием HF) при всех рабочих температурах, но разрушается в ще-
лочах. Скорость растворения его в кислотах не превышает
0,9 г/(м2-ч), а в 1 М растворе Na2CO3 составляет более 3 г/(м2-ч).
Из фарфора изготовляют нутч-фильтры с площадью фильтро-
вания до 1 м2, ректификационные и абсорбционные колонны диа-
метром до 1100 мм, реакторы с мешалками-вместимостью от 25
до 300 л, трубы диаметром от 13 до 300 мм для давления до
0,6 МПа, футеровочные плиты, кольца Рашига, центробеж-
ные насосы производительностью до 50 м3/ч и запорную ар-
матуру.
Фарфоровые изделия можно шлифовать, что особенно необхо-
димо при изготовлении герметично запирающейся арматуры и де-
талей аппаратов и трубопроводов. Герметичность в этом случае
обеспечивается без применения прокладочных материалов.
По химическому составу стекла, применяемые для изготовле-
ния аппаратов, разнообразны. Их можно разделить на различные
группы: натриево-кальциевосиликатные, боросиликатные, алюмо-
силикатные и алюмосиликатные безборные или малоборные, квар-
цевые.
Натриево-кальциевосиликатные стекла содержат 13—20 %
Na2O (КгО), 5—10 % СаО и 1,5—4 % А12О3. К таким стеклам, на-
пример, относится стекло № 23. Высокое содержание щелочей
снижает термическую и химическую стойкость стекла, поэтому его
можно применять при перепаде температур не более 80 °C.
Боросиликатные и алюмосиликатные стекла содержат 6—18 %
В2О3, 4—10 % Na2O. Некоторые из них включают 5—6 % оксида
алюминия. К этой группе относится стекло типа «пирекс», термо-
стойкое при резком охлаждении на 200 °C, например от 220
до 20 °C.
Алюмосиликатные безборные стекла характеризуются понижен-
ным содержанием щелочей и отличаются высокой прочностью на
изгиб. К таким стеклам относится, например, стекло № 13, из ко-
торого изготовляют трубы промышленного назначения, способные
выдерживать перепад температур до 85 °C.
Многие стекла обладают высокой химической стойкостью
к растворам минеральных кислот, за исключением плавиковой
36
Рис. 2.5. Стеклянный
реактор.
и фосфорной. Скорость растворения, например, стекла «пирекс»
в кипящей 20 %-ной НС1 составляет всего лишь 3,7 мг/(м2-ч),
а в растворах щелочей — более 5,5. При выборе стекла в качестве
конструкционного материала для производства особо чистых ве-
ществ следует учитывать, что оно подвергается процессу выще-
лачивания и в дистиллированной воде. Так, при кипячении стек-
лянного порошка в воде в течение 1 ч потеря массы достигает
2-10-3%.
Из стекла получают трубы, способные работать под давле-
нием до 8 МПа, запорную арматуру и реакторы с мешалками
вместимостью до 100 л (рис. 2.5). Максималь-
но допустимая частота вращения мешалки в
реакторах составляет 5 об/с. Из стекла можно
изготавливать колонную аппаратуру диамет-
ром до 500 мм и центробежные насосы.
Кварцевые стекла характеризуются высо-
ким содержанием диоксида кремния (более
99 %) • Они имеют малый температурный ко-
эффициент линейного расширения (в 10 раз
меньше, чем для обычного стекла), поэтому
отличаются высокой термостойкостью (до
1000°C). Кварцевые стекла получают плавле-
нием или спеканием «чистых» кварцевых пе-
сков, в зависимости от чего различают про-
зрачные и непрозрачные стекла. Они имеют
более высокую химическую стойкрсть, чем
другие стекла. Их размягчение начинается
при температурах выше 1200°C. Для изготовления кварцевых ап-
паратов, применяемых в производстве особо чистых веществ, ис-
пользуют «особо чистый» кварц или же подвергнутый специальной
очистке от примесей кварцевый песок.
Непрозрачное кварцевое стекло имеет пористость (3—4 %),
поэтому обладает меньшей химической стойкостью. Из него изго-
тавливают аппараты диаметром обычно до 400—500 мм. Чтобы
предотвратить просачивание жидкости, внутреннюю поверхность
аппаратов оплавляют с помощью кислородной горелки. Изделия
из непрозрачного кварца используют в основном только как под-
собное оборудование.
Из прозрачного кварца изготавливают ректификационные и аб-
сорбционные колонны, контейнеры для зонной плавки, тару для
хранения особо чистых азотной и серной кислот. Из-за тугоплав-
кости из прозрачного кварца трудно изготовить аппараты диамет-
ром более 130—150 мм.
Благоприятные физические характеристики стеклокристалли-
ческих материалов (ситаллов) способствовали широкому их рас-
пространению для создания арматуры и химической аппаратуры.
Существуют сотни марок этих материалов, позволяющих выбирать
их для конкретного назначения. Ситаллы получают регулируемой
кристаллизацией стекол, когда кристаллическая составляющая
37
в них (кристаллы размером менее 1 мкм) распределена в стекло-
видной фазе — примерно 50 °/о (по объему).
Из органических конструкционных материалов в технологии
особо чистых веществ используют в основном фторопласты и по-
липропилен. Полиэтилен, винипласт и оргстекло, широко исполь-
зуемые в технологии обычных реактивов, в производстве особо
чистых веществ применяют только для изготовления подсобного
оборудования, которое не имеет непосредственного контакта с
этими веществами.
У г л е г р а ф и т о в ы е материалы. Для производства кис-
лот реактивной квалификации и некоторых особо чистых веществ
используют насосы, теплообменники, массообменные колонны и
трубы, изготовленные из графитопдастов ГФ-2 и АТМ-1. Их хи-
мическая стойкость определяется стойкостью полимеров, которыми
пропитывают графит для уменьшения его пористости. В последнее
время разработаны способы получения модифицированного гра-
фита с незначительной пористостью (пирографит, рекристаллизо-
ванный графит и т. д.).
Из особо чистого графита изготавливают электроды для
установок электродиализа, предназначенных для получения особо
чистых веществ.
Фторопласты. Из всех известных видов пластмасс наибо-
лее высокой химической стойкостью обладает политетрафторэти-
лен (фторопласт-4, тефлон). Он не растворяется ни в одном из
известных растворителей, не склеивается никакими клеями, не
горит, не смачивается и обладает низким коэффициентом трения.
Он может работать как конструкционный материал в интервале
температур ±260°C, устойчив к «царской водке». На него дей-
ствуют только F2, C1F3 и расплавленные щелочные металлы. Су-
щественным недостатком фоторопласта-4 является его хладотеку-
честь. При продолжительном воздействии щелочных растворов
повышается его смачиваемость. Политрифторхлорэтилен (фторо-
пласт-3) не обладает хладотекучестью и имеет повышенную
прочность, но химическая стойкость его ниже, чем у фторопласта-4.
Для изготовления смотровых стекол, работающих в агрессив-
ных средах, можно использовать фторопласт-ЗБ, отличающийся
высокой прозрачностью в видимых и инфракрасных лучах.
Фторопласт для изготовления оборудования можно использо-
вать в производстве таких чистых веществ, в которых не регла-
ментируется жестко содержание органических примесей, поскольку
и он не является абсолютно инертным.
Из фторопластов изготовляют центробежные насосы произво-
дительностью до 90 м3/ч и напором до 34 м, сильфоны, реакторы,
мерники и т. д. Например, для получения особочистых плавиковых
кислот применяют ректификационные колонны, изготовленные из
фторопласта-4. Разработаны конструкции трубчатых теплообмен-
ников с рабочей площадью поверхности до 36 м2. Несмотря на
низкий коэффициент теплопроводности фторопласта-4 [0,23 Вт/(м-
•К)] по сравнению со сталью [35 Вт/(м-К)], в этих теплообмен-
38
никах достигается Значение коэффициента теплопередачи 350—•
520 Вт/( м2-К) благодаря использованию трубок диаметром 2,5—
6,4 мм и толщиной стенок менее 0,5 мм.
Тонкие ленты из фторопластов Ф-40 и Ф-ЗМ применяют для
обмотки нагревательных элементов, работающих в агрессивных
жидкостях.
Полипропилен по своей химической и термической устой-
чивости уступает фторопласту, но превосходит другие распро-
страненные полимерные материалы. Температура размягчения его
160—170 °C. Полипропилен производят каталитически анионной
полимеризацией, поэтому зольность его довольно высокая (0,1 %).
Это следует учитывать при выборе его как конструкционного ма-
териала.
Полиметилметакрилат (или органическое стекло
—СН2—СН3ООСН3—) устойчив к разбавленным растворам кис-
лот и водным растворам неорганических солей. По сравнению
с рассмотренными выше полимерными материалами он обладает
меньшей химической и термической стойкостью (до 105—115°C).
Достоинством оргстекла является его прозрачность, позволяю-
щая вести визуальное наблюдение за процессом. Массообменные
аппараты из него успешно эксплуатируются в производстве
соляной кислоты и тиосульфата натрия реактивных квалифи-
каций.
Отдельные детали из оргстекла соединяют между собой прут-
ковой сваркой в струе горячего воздуха. Для этой цели можно ис-
пользовать винипластовые прутки.
2.6. ОГНЕУПОРНЫЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Многие технологические процессы в промышленности основной
химии протекают при высоких температурах (800—1300°C). Для
их осуществления необходимы особые конструкционные материа-
лы (огнеупоры).
Для сохранения постоянства температур в аппаратах и трубо-
проводах, для уменьшения потерь теплоты и холода (уменьшения
энергетических затрат на получение готовой продукции) и созда-
ния нормальных условий при обслуживании агрегатов требуется
соответствующая изоляция оборудования. Для этих целей про-
мышленность выпускает разнообразные огнеупорные и теплоизо-
ляционные материалы.
Огнеупоры в зависимости от исходного сырья делят на 6 основ-
ных групп: 1) кремнеземистые; 2) алюмосиликатные; 3) магне-
зиальные, хромомагнезиальные; 4) углеродсодержащие; 5) оксид-
ные; 6) карбидные, боридные, нитридные.
Важнейшие их свойства:
а) способность противостоять высокой температуре без плав-
ления или размягчения;
б) шлакоустойчивость или способность противостоять действию
кислых и основных расплавленных веществ, золы и т. д.;
39
в) термическая стойкость (способность огнеупоров выдержи-
вать без разрушения резкие колебания температуры);
г) достаточная механическая прочность при высоких темпе-
ратурах.
Выбор материала производят в соответствии с наибольшей ра-
бочей температурой агрегата.
По огнеупорности материалы разделяют на огнеупорные
(1580—1770°C), высокоогнеупорные (1770—2000°C) и высшей
огнеупорности (выше 2000°C).
Представителем кремнеземистых огнеупоров является динас.
Его изготовляют из кварцитов или песчаников. Динас хорошо про-
тивостоит действию кислых шлаков, но не устойчив к основным
шлакам, золе топлива и оксидам металлов, которые его разъедают,
образуя легкоплавкие силикаты. Недостатком динаса является
низкая термическая стойкость. Огнеупорность динаса первого и
второго класса составляет соответственно 1710 и 1690°С(/плзю2 —
= 1720°С).
К алюмосиликатным огнеупорам относят шамот, получивший
наибольшее распространение в промышленности основной химии.
Из шамотных кирпичей футеруют топки, печи для сжигания серы
и колчедана, шахтные, тамбурные печи в производствах хлорида
бария и гидроксида натрия и т. д. Шамотные изделия содержат
до 46 % А12О3 (/пл = 2050°C), остальное — SiO2 и примеси. Они
достаточно устойчивы к основным и кислым шлакам, а также
к резким изменениям температур. Шамотные изделия классов А,
Б и В имеют соответственно огнеупорность 1730, 1670 и 1610 °C.
Температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа состав-
ляет 1350—1400 °C.
Из магнезиальных огнеупоров наибольшего внимания заслу-
живают магнезитовые, доломитовые и хромомагнезиальные.
Магнезитовые огнеупоры на 90 % и более состоят из
MgO (/пл = 2880°C). Они стойки до 2000°C и выше. Магнезито-
вые изделия хорошо противостоят основным шлакам. Кислые
шлаки их разъедают. Не допускается примыкание футеровки из
динаса и шамота к магнезитовым огнеупорам, так как SiO2 дина-
са и шамота будет взаимодействовать с MgO магнезита. При
необходимости перехода от динаса к магнезиту (что является
редким случаем), его можно осуществить через огнеупоры, состоя-
щие в основном из минерала форстерита (2MgO-SiO2). Термо-
стойкость магнезитовых огнеупоров ниже, чем динасовых.
Доломитовые огнеупоры изготавливают из обожженного
при 1500—1800 °C доломита CaMg(CO3)2. Огнеупорность доломи-
товых изделий равна 1870—1920 °C. Начало деформации под на-
грузкой 0,2 МПа наступает при 1500—1600 °C. Термическая стой-
кость составляет 10—20 воздушных теплосмен.
Хромомагнезиальные огнеупоры изготавливают из
обожженного при высокой температуре магнезитового порошка
и измельченной хромитовой руды. Огнеупорность изделий должна
быть не ниже 2000 °C. При резких колебаниях температуры (с пе-
40
Учитывая, что в модельном аппарате и аппарате натурального
размера используют одну и ту же жидкость и /м = /и, получим
уравнение:
а /ам = nfd^D~
или
(4-46)
При сохранении геометрического подобия отношение D/a
в обоих аппаратах будет одинаковым и равно, например, f. Тогда
выражение (4.45) можно переписать в следующем виде:
</< = dlad/(dfd\ = d2“-4df-x
н/м М Н/ \ Н М/ м / н
(4.45)
i2a-1
или
2а —1
пнМм= (dM/dH) . (4.47)
Таким образом, частота вращения мешалки в промышленном
аппарате будет меньше, чем в модельном.
Потребляемую мешалкой мощность определяют по уравнению:
N = Kpn3d5.
Отсюда можно записать:
V.'WW «48)
Подставляя в это уравнение значение п из (4.47), получим:
з 2а~*
NH/NM = (dM/dH) а (dH/dM)3
или
-1-1
ВДУм = (^Л)а • (4.49)
Подставляя а — 0,67 из выражения (4.31) в уравнения (4.47)
и (4.49), получим, что увеличение размера аппарата при сохране-
нии значения коэффициента теплоотдачи должно сопровождаться
уменьшением частоты вращения мешалки пропорционально отно-
шению dM/dH в степени 0,5 и увеличением мощности, потребляемой
мешалкой, пропорционально отношению dH/dM в степени 3,47.
Глава 5.
КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ
Методы кристаллизации. Для осуществления процесса кристал-
лизации необходимо создать в растворе пересыщение. По способам
его создания различают следующие методы кристаллизации:
1) изогидрическая, при которой содержание растворителя в си-
стеме не изменяется, а пересыщение создается за счет охлаждения
раствора;
84
репадом более 800 °C) и воздействии кислых шлаков их применять
не следует.
Примером использования магнезиальных огнеупоров могут
служить печи для восстановительного обжига сульфата натрия
в сульфид, который обладает сильнощелочными свойствами.
К материалам высшей огнеупорности относят карборунд
SiC (огнеупорность 2100°C), бориды, нитриды, карбиды,
силициды d-элементов (до 2500°C), нитрид кремния
Si3N4 (до 3000°C). Многие из них хрупки и склонны к окислению
и применяются часто в виде спеченных композиционных материа-
лов. Они обладают металлической проводимостью и высокой тем-
пературой плавления:
Вещество TiB2 ZrB2 ZrC ТаС TiN TaN MoSi2
/пл> °C 2980 3040 3540 3900 2950 3090 2100
В качестве теплоизоляционных материалов используют веще-
ства, обладающие низкой теплопроводностью и достаточной стой-
костью в интервале рабочих температур. Для теплоизоляции реко-
мендуется применять материалы с коэффициентом теплопровод-
ности не более 0,3 Вт/(м-К). Теплоизоляционные материалы
должны быть химически стойкими, негигроскопичными, возможно
легкими, дешевыми и не должны вызывать коррозию оборудо-
вания.
По способу использования при монтаже и ремонте оборудова-
ния теплоизоляционные материалы подразделяют на мастичные,
оберточные и мастично-формованные. Мастичные материалы
применяют в виде порошков; при затворении их на воде получают
тестообразные массы, которые наносят на изолируемые поверхно-
сти. Примером оберточных материалов являются рулоны
стекло- и шлаковаты, заключенные между металлическими сет-
ками. Мастично-формованные теплоизоляционные детали
изготовляют в виде готовых изделий определенной формы (скор-
лупы, плиты, кирпича и т. д.).
Теплоизоляционные материалы делят на высоко-, средне- и
низкотемпературные. Первые применяют при температурах выше
450 °C. К ним относят следующие материалы:
1. Асбест низких сортов и асбестовые отходы;
2. Диатомит (трепел), который употребляют в виде кирпи-
чей или порошков как добавку в теплоизоляционные смеси, содер-
жащие также асбест, отходы слюды или цементно-шиферного про-
изводства.
3. Пенобетон, получаемый затворением цемента с добавкой
пенообразующих веществ (эмульсии); его используют реже из-за
высокой стоимости;
4. Шлаковую вату; вследствие малой механической проч-
ности ее используют только в засыпных и набивных конструкциях.
К среднетемпературным теплоизоляционным материалам
(150—450°C) относят асбозурит и ньювель. Асбозурит со-
стоит из 70 °/о молотого диатомита, 15 % асбеста и 15 % шиферных
41
отходов. Он обладает хорошей сцепляемостью с металлом и при-
меняется для мастичной изоляции. Ньювель — это смесь из
85 % жженной магнезии (MgO) и 15 % асбеста. Это ценный изо-
ляционный материал.
К низкотемпературным изоляционным материалам относят
войлок (кошма), стекловату, пенопласт, отходы
текстильной промышленности и т. д. Эти материалы
применяют при температурах не выше 150 °C. Войлок и текстиль-
ные отходы используют в производственных помещениях с по-
ниженной влажностью, так как они подвержены гниению.
2.7. ПРОКЛАДОЧНЫЕ И НАБИВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Прокладочные материалы. Для герметизации разъемных со-
единений между фланцами помещают прокладки из эластичного
материала. При затягивании болтов прокладки деформируются
и создается прочноплотное соединение.
Прокладки должны быть достаточно прочными и эластичными,
чтобы хорошо уплотнять соединение и воспринимать внутреннее
давление и температурные удлинения трубопроводов. Кроме того,
они должны сохранять свои физические характеристики под дей-
ствием агрессивной среды. Материал для прокладок выбирают
с учетом рабочего давления, концентрации и температуры агрес-
сивной среды, стоимости и дефицитности.
Для разъемных фланцевых соединений аппаратуры и трубо-
проводов применяют картон, асбест, полипропилен, текстолит,
свинец, медь, алюминий и другие материалы.
Картон в виде листов толщиной от 0,2 до 2,5 мм применяют
для уплотнения фланцевых соединений масло- и рассолопроводов.
Для предохранения от размокания прокладки из картона предва-
рительно пропитывают горячим машинным маслом или олифой.
Прокладки из листового асбеста применяют на газопроводах
сухих агрессивных газов с температурой до 600 °C. Прокладки
толщиной более 4 мм применять не рекомендуется, так как они
легко разрушаются под давлением.
П а р о н и т, представляющий собой спрессованную смесь из
асбеста (60—70 %), каучука (12—15%) и минеральных наполни-
телей (в том числе 1,5—2,0 % серы), является основным прокла-
дочным материалом для паропроводов. Его широко применяют
также для уплотнения трубопроводов, транспортирующих мине-
ральные кислоты и щелочные растворы при температурах до
150—170 °C и давлении не более 0,3 МПа. Для уплотнения газо-
проводов паронитовые прокладки применяют при гладких флан-
цах до давления 2,5 МПа, а при фланцах с выступом и впади-
ной — до 5 МПа.
Для холодной и горячей воды, слабых растворов минеральных
кислот и щелочей при температурах до 50—100 °C в качестве про-
кладочного материала можно использовать соответствующие сорта
резины, в частности на основе полисилоксанового каучука, кото-
42
рая способна работать в интервале температур от —65 до 250 °C.
Полиизобутилен ПСГ, выпускаемый в виде листов толщи-
ной 2,5 и 4 мм, применяют для уплотнения трубопроводов слабых
кислот и щелочей. Из-за хладотекучести полиизобутилен исполь-
зуют при давлениях не выше 0,05 МПа и температурах ±40 °C.
Улучшенной прочностью обладает композиция полиизобутилена с
полиэтиленом. Такой материал используют в качестве прокладок
для стеклянных трубопроводов при температурах —30 ±80 °C.
Прокладкой может служить также «чистый» полиэтилен
(без добавок). Его применяют, например, в производстве реактив-
ной соляной кислоты.
’.Фторопласт в качестве прокладки используют обычно в
установках для получения продуктов реактивной квалификации
и особочистых веществ. Прокладки, полученные прессованием
композиции фторопласта-4Д и наполнителей (асбеста, стеклово-
локна, сульфата бария и т. д.), способны работать в интервале
температур от —195 до 250 °C и при давлениях до 5 МПа. Фторо-
пласт весьма устойчив, его используют в виде тонкой ленты для
обертывания прокладок из паронита в производстве разбавленной
азотной кислоты.
Пластичные прокладки из свинца, меди и алюми-
ния служат для уплотнения трубопроводов высокого давления.
При этом следует учитывать их коррозионное поведение в данной
среде.
Для обеспечения герметичности сальниковых уплотнений ма-
шин и аппаратов используют набивки и набивочные материалы:
хлопковую, пеньковую и льняную пряжу для неагрессивных сред;
асбестовую пряжу, стекловолокно, пластмассы, мягкие металлы
и прессованный графит при высоких давлениях.
Набивки — это сплетенные из пряжи шнуры круглого, квадрат-
ного и прямоугольного сечения. Если их используют в сальниках
валов и штоков, то пропитывают антифрикционными составами,
содержащими вазелин, парафин, вискозин и графит, или приме-
няют фторопласт Ф-4ДП. Для увеличения прочности шнуров их
армируют медной или латунной проволокой. В настоящее время
промышленностью освоен эластичный уплотнительный материал
ФУМ из промасленного порошка фторопласта-4Д. Его применяют
в качестве химически стойкого и теплостойкого (150 °C) самосма-
зываемого набивочного материала.
Кольца, предназначенные для сальников насосов и компрессо-
ров, изготовляют из меди, бронзы, баббитов (свинцово-оловяни-
стые антифрикционные сплавы), прессованного графита, тексто-
лита и пластмасс. Уплотнительные кольца изготовляют на токар-
ном станке с последующей шлифовкой трущихся поверхностей.
Они имеют внутренние полости (кольцевыепазы),которые запол-
няются хлопьевидным графитом для уменьшения трения вала или
штока о поверхность сальника. В последнее время начинают при-
менять различные композиционные самосмазываемые материалы,
43
содержащие твердую смазку. Кольца бывают цельные и составные
(обычно из двух половин).
Для арматуры высокого давления применяют набивки марок
ИВДТ-1 и НВДТ-2. Последние эксплуатируют при давлениях до
32 МПа и температурах до 250 °C. Это асбестовый, прорезинен-
ный и снаружи графитизованный плетеный шнур с латунной про-
волокой.
Глава Зс
ЭЛЕМЕНТЫ АППАРАТОВ И ИХ РАСЧЕТ
В химической технологии в основном используют стандартизо-
ванную и нормализованную аппаратуру. Однако при отыскании
оптимальных режимов процесса возможно значительное варьиро-
вание давления, температуры, состава рабочей среды. В связи с
этим необходим поверочный расчет деталей и узлов аппаратов на
прочность.
3.1. НАПРЯЖЕНИЯ в ЭЛЕМЕНТАХ АППАРАТОВ
Рис. 3.1. Схема действия
кольцевых и меридио-
нальных напряжений.
На аппарат действует одновременно несколько видов нагрузки,
которые возникают при повышении давления, температуры, под
действием гидростатического давления жидкости. Для определе-
ния напряжения в стенках оболочек, широ-
ко распространенном в технике, рассматри-
вают элемент оболочки, образованный в
результате ее рассечения двумя параллель-
ными горизонтальными и перпендикуляр-
ными плоскостями (рис. 3.1). Расчет ведут
по уточненным формулам безмоментной
теории оболочек, полагая, что напряжение
равномерно распределено по толщине, а
толщина стенки оболочки очень мала по
сравнению с ее размерами.
Основным уравнением безмоментной
теории для расчета на прочность осесим-
метричных оболочек вращения, работаю-
щих под давлением, является уравнение Лапласа:
<TM/7?M + aK//?K = P/S. (3.1)
Здесь (Тм — меридиональное напряжение, Па; ок — кольцевое напряжение,
Па; — радиус кривизны срединной поверхности оболочки в направлении ме-
ридиональной кривой, м; — радиус кривизны срединной поверхности оболочки
в направлении, перпендикулярном меридиональной кривой, м; Р — давление, Па;
S — расчетная толщина стенки оболочки, м.
С помощью уравнения (3.1) можно получить уравнения для
расчета кольцевых и меридиональных напряжений, которые яв-
44
ляются базовыми при расчете толщины стенки различных элемен-
тов аппарата:
1. Растягивающее усилие в элементе длиной, равной единице,
можно выразить через кольцевое напряжение, которое для ци-
линдра определяют из уравнения (3.1) при 7?м = оо и RK = R:
ак = pR/S. (3.2)
Меридиональное напряжение в стенке цилиндра определяют
из условия равенства нагрузки на днище
давления и усилия в кольцевом сечении
стенки аппарата:
л&Р = 2nRSaM, ам = PR/(2S). (3.3)
2. В стенке цилиндрических аппара-
тов, заполненных жидкостью, кольцевое
напряжение рассчитывают по формуле,
учитывающей гидростатическое давле-
ние:
сгк = hpiKR/S. (3.4)
Здесь h — высота столба жидкости, м; рж —
плотность жидкости, кг/м3.
аппарата от внутреннего
Рис. 3.2. Коническое днище.
3. Для сферы или части сферы при
условии равенства ом = ок = о имеем:
о = PR/(2S). (3.5)
4. При расчете на прочность коцических днищ, находящихся
под внутренним давлением, возможны три случая: 1) днище на-
ходится только под действием давления газов или паров; 2) днище
находится только под действием гидростатического давления жид-
кости; 3) в аппарате над уровнем жидкости создается давление
газов. Рассмотрим расчет только для первого случая.
Кольцевые напряжения в любом сечении п—п конического
днища (рис. 3.2) можно найти из уравнения Лапласа. Радиус
кривизны образующей конуса RM = оо. Из уравнения Лапласа
имеем:
ак = PRJS.
Из треугольника ABC: 7?K = r/cosa, тогда
ак = Pr/(S cos а).
(3.6)
Меридиональное напряжение можно определить из условия ра-
венства силы давления на части конуса ниже сечения п—п и вер-
тикальной составляющей усилия, возникающего в сечении п—п
стенки конического днища:
лРг2 = 2rrtrScrM cos а, crM = Prl(2S cos а). (3.7)
Максимальное кольцевое напряжение в коническом днище бу-
дет при г — DIе!
Ок. макс = RD/(2S cos а). (3.8)
45
3.2. ОБЕЧАЙКИ И ДНИЩА
Расчет обечаек. Толщину стенки цилиндрических обечаек, ра-
ботающих под внутренним давлением, согласно третьей теории
прочности, удовлетворительной для сложного напряженного со-
стояния относительно пластичных материалов (стали и др.)» с уче-
том прибавки на коррозию можно рассчитывать по формуле:
с — 1 в । г
2 [о] ф - Р +
(3.9)
Здесь DB — внутренний диаметр цилиндра, м; [о] — допускаемое напряжение,
Па; ф — коэффициент прочности сварного шва, определяемый в соответствии со
стандартом (ОСТ 26-291—71); с—при-
бавка на коррозию, м.
Рис. 3.3. Эллиптическое днище.
Толщину стенки цилиндриче-
ских обечаек, работающих под
внешним давлением, определяют
по формуле
S = 1,06£>в ^/pjE + с, (3.10)
если выполняется условие
//£>в = 0,768 д/Ё/Л (3.11)
Если это условие не выполняется, то расчет производят по
формуле
5 = 0,47
Рв ( Р I W
100 V 10~2 * * * 6£ DB )
(3.12)
при выполнении следующего условия:
Здесь I — расчетная длина обечайки, м; Е — модуль упругости материала
при рабочей температуре, Па; чт — предел текучести материала, Па.
Расчет днищ и крышек, работающих под внутренним давле-
нием. По форме различают днища полушаровые, эллиптические,
конические, сферические неотбортованные.
Эллиптические днища (рис. 3.3; ГОСТ 6533—68) ши-
роко применяют в аппаратах, работающих под внутренним и
внешним давлением. Толщину стенки днища с учетом прибавки на
коррозию вычисляют по формуле:
PR*
2 [о] ф — 0,5Р
Здесь Р = £>|/4//в — радиус кривизны в вершине днища, м; Н-в — внутрен-
няя высота днища в его вершине, м.
Для стандартных днищ с /?в = DB и Нв = 0,25DB толщина стен-
ки днища близка к толщине стенки цилиндрической обечайки. Эти
днища выполняют малых и больших диаметров.
(3.13)
46
Конические днища и переходы (см. рис. 3.2;
ГОСТ 12619—67) используют в случаях вязких и сыпучих сред и
при переходе от большого диаметра к меньшему. Конические
днища и переходы изготовляют с отбортовкой и без нее.
Толщину стенки конического элемента без отбортовки опреде-
ляют по формуле:
(2 [ст] <р — Р) cos а
(3.14)
Здесь а — угол между осью и образующей конуса.
. Сферические днища (ОСТ 26-01-1297—75) применяют в
аппаратах с диаметром DB >> 4 м; толщину стенки рассчитывают
Рис. 3.4. Варианты присоединения плоских днищ к обечайке и значения коэффи-
циента конструкции днища К.
(3.15)
по формуле:
PR
2 [а] ф — 0,5Р
Плоские днища и крышки (рис. 3.4; ГОСТ 12625—67;
12626—67) используют в качестве люков, заглушек на вертикаль-
ных аппаратах. Толщину стенки определяют по формуле:
S = KDB л/P/io] + с. (3.16)
Здесь К — коэффициент, учитывающий конструкцию днища (находится в
пределах от 0,4 до 0,55).
При больших диаметрах аппарата и давлениях толщина стенки
крышек достигает существенных значений. С целью ее уменьше-
ния, а также для снижения массы и экономии металла крышки
изготавливают с ребрами жесткости. В этом случае в формулу
вместо диаметра аппарата подставляют значение диаметра наи-
большей окружности, вписанной между ребрами, а К применяют
равным 0,5.
47
Расчет днищ и крышек, работающих под внешним давлением
(ГОСТ 14249—73). Толщину стенки эллиптического днища при-
нимают равной большему из двух значений;
8=^-\/-тг + с’ <ЗЛ7>
(3.18)
Z [О]
Здесь Ki — коэффициент, приближенно равный единице; Pi — коэффициент,
рассчитываемый по формуле
₽! = 0,5 + д/°’25+12/<?(ат/£)(М/Р)-
Толщину стенки конического элемента принимают равной тол-
щине стенки сопрягаемой с ним цилиндрической обечайки, рассчи-
танной по формулам для обечаек, работающих под внешним дав-
лением. Затем определяют расчетную силу, сжимающую днища
(3.19)
и допускаемую осевую сжимающую силу Fa:
Fn = л/Сг [о] (S — с) cos2 а£>р. (3.20)
Здесь £>вн т- внешний диаметр конического днища, м; Рва — внешнее давле-
ние, Па; /С 2 — коэффициент, определяемый по справочным данным; Dp — расчет-
ный диаметр днища, вычисляемый по формуле
Dp = (0,9£>Bi + 0,1D82)/cos а, (3.21)
£>В1 и £>в2 — больший и меньший внутренние диаметры конического днища, м.
3.3. ЭЛЕМЕНТЫ АППАРАТОВ,
РАБОТАЮЩИХ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
К аппаратам высокого давления, согласно ГОСТ 25215—82, от-
носят аппараты, работающие под давлением от 10 до 100 МПа. Эти
аппараты применяют в производствах аммиака, карбамида, водо-
рода, метанола. Проектирование и изготовление таких аппаратов
имеет ряд специфических особенностей. Их корпуса изготавливают
в виде различных конструкций; цельнокованые, кованосварные,
штампосварные, многослойные, витые и рулонные.
Цельнокованые корпуса изготавливают при помощи тя-
желого кованого оборудования из цельной стальной отливки, в
середине которой высверливают отверстие, а потом заготовку на-
девают на оправу, проковывают, после чего механически обраба-
тывают. Кованосварные корпуса состоят из нескольких ко-
ваных царг длиной 3—4 м, сваренных встык; штампосвар-
ные— из штампованных полукорыт; многослойные-—из не-
скольких обечаек, насаженных друг на друга с натягом. Витые
корпуса изготавливают наматыванием стальной ленты в несколько
слоев в горячем виде на цилиндрическую гильзу. При остывании
лента сжимает гильзу, что создает равномерное распределение
48
напряжения по толщине стенки. Рулонные корпуса состоят из
внутренней обечайки толщиной 10 мм, на которую наматывают
с натягом ленту толщиной 3—4 мм.
Днища емкостей высокого давления изготавливают плоскими
прямоугольного сечения, со слабовыпуклыми и выпуклыми дни-
щами, крышки — в виде плоских массивных плит.
Рис. 3.5. Болтовый за-
твор принудительного
уплотнения с пластичным
плоским обтюратором:
1 — корпус; 2 — крышка; 3 —
шпилька; 4 — гайка; 5 —<•
прокладки.
Рис. 3.6. Болтовый двух-
конусный радиально-са-
моуплотняющийся затвор
с пластичным обтюрато-
ром:
** I — корпус; 2 — крышка; 3 —
обтюратор; 4 — кольцо; 5 —
специальные каиавки; 6 —
планка.
Расчет на прочность аппаратов высокого давления имеет не-
которые особенности и производится по ГОСТ 25215—82.
Расчет обечаек. Толщина (м) стенки сплошной обечайки:
S = 0,5£>в (Р - 1) + с. (3.22)
Здесь р — DBH/DB — коэффициент толстостенности, равный In Р = Р/( [о] ф).
Расчет днищ. Толщина (м) стенки плоского и слабо-
выпуклого днища:
S = 0,45£>в Vp/( [о] Ар). (3.23)
Здесь ф = 1 + У rfOTB/Dr ~~ коэффициент ослабления днища отверстиями;
У, rfOT3 — максимальная сумма диаметров отверстий, расположенных на дни-
ще, м.
Толщина стенки выпуклого днища;
е_ Р* ,.с
2 [а] ф - 0.5Р •
Радиус (м) кривизны днища:
(3.24)
49
Здесь RB = DB для эллиптических днищ с Нв = 0,25Z)B; RB — 0,5£>в для
полусферических днищ с Нв = 0,5£)в.
Уплотнения. Для обеспечения герметичности разъемных соеди-
нений используют различные затворы с металлическими (медь,
алюминий) обтюраторами. Чаще применяют затворы с принуди-
тельным уплотнением (за счет усилия, развиваемого болтами) и
самоуплотняющиеся
счет давления среды внутри аппарата).
По способу крепления крышки к кор-
пусу затворы подразделяют на болтовые
и безболтовые.
Болтовой затвор принуди-
тельного уплотнения пластич-
ным плоским обтюратором
(рис. 3.5) используют в аппаратах, рабо-
тающих при температуре ниже 200 °C.
Прокладка 5 зажимается между корпу-
сом 1 и крышкой 2 с помощью шпильки 3
и гайки 4. Достоинством затвора являет-
ся его простота, недостатками — его чув-
ствительность к колебаниям температу-
ры, значительное усилие затяжки шпи-
лек.
Болтовой двухконусный ра-
диально - самоуплотняющийся
затвор с пластичным обтюрато-
ром (рис. 3.6) благодаря относительной
простоте конструкции, высокой надежно-
сти и малой чувствительности к измене-
нию температуры нашел широкое при-
менение при 400 °C и давлении до
100 МПа.
Самоуплотнение происходит за счет
давления среды в аппарате на кольцо 4.
в пространство между плоской поверх-
(за
твор принудительного
уплотнения с пластичным
трапецеидальным обтюрато-
ром, нажимными винтами и
разъемной муфтой:
1 — корпус; 2, 3 — вспомогатель-
ные кольца; 4 — муфта; 5 —
нажимный винт; 6 — крышка;
7 —• кольцо; 8 — трапецеидаль-
ный пластичный обтюратор.
Для попадания среды
ностью кольца и крышкой на поверхности крышки и планки 6
фрезеруются канавки 5.
Для присоединения трубопроводов и аппаратов диаметром
до 300 мм используют линзовые уплотнения (ГОСТ 10493—75).
Их изготавливают на давление до 100 МПа и температуру до
540 °C.
Безболтовый затвор принудительного уплот-
нения с пластичным обтюратором трапецеидаль-
ного сечения (рис. 3.7), с нажимными винтами и разъ-
емной муфтой применяют при давлениях 10—100 МПа и
температуре до 540°C. Корпус колонны 1 без фланца соединяется
с крышкой 6 при помощи разъемной муфты 4. Полукольца муфты
удерживаются в рабочем положении вспомогательными кольца-
ми 2, 3. Уплотнения обеспечиваются трапецеидальным пластичным
обтюратором 8. Винты 5 и кольцо 7 служат для затяжки обтюра-
50
тора. Достоинство данного затвора — малая чувствительность к
перепаду температур.
3.4. ЭЛЕМЕНТЫ АППАРАТОВ,
РАБОТАЮЩИХ ПОД НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
Фланцевые соединения. Фланцы — это наиболее распространен-
ные разъемные соединения аппаратов и трубопроводов. Они слу-
жат для соединения крышек, царг, люков, трубопроводов. Самой
ответственной частью фланца является узел уплотнения. Разли-
чают уплотнения с пластической и упругой деформацией прокла-
Рис. 3.8. Виды поверхностей уплотнения фланцевых соединений:
а — плоская; б — выступ — впадина; в — «шип — паз»; г — «в замок»; д — коническая; е —
овальная.
док. Наиболее широко используют уплотнение с пластиче-
ской деформацией. Это достигается размещением между по-
верхностями уплотнения более мягких прокладок, которые при
затягивании соединения деформируются и заполняют все неров-
ности на привалочной поверхности фланцев. Уплотнение с
упругой деформацией применяют в основном при повышен-
ных давлениях. Их недостаток — необходимость тщательной об-
работки поверхностей уплотнения.
Самый простой по конструкции — фланец с плоской по-
верхностью (рис. 3.8, а). Довольно распространенным является
фланец типа «шип — паз» (рис. 3.8,в). Его используют при
повышенных давлениях (6 МПа), работе с агрессивными веще-
ствами и в условиях глубокого вакуума. В соединении «шип — паз»
прокладка, уложенная в кольцевую канавку, при затягивании со-
единения деформируется и заполняет все неровности канавки. Не-
достаток соединения «шип — паз» — трудность извлечения про-
кладки из канавки.
Разновидностью соединения «шип — паз» является соедине-
ние «в з а м о к», где указанный выше недостаток устранен. Это
соединение применяют при высоких давлениях (рис. 3.8, а).
Для соединения аппаратов и трубопроводов с диаметрами до
300 мм используют линзовые уплотнения. Уплотнение в
этом соединении достигается за счет соприкосновения шаровых
поверхностей линзы с коническими поверхностями уплотняемых
деталей по кольцевой линии. Под действием осевых сил в месте
51
касания возникает узкий поясок деформации материала, который
обеспечивает уплотнение (рис. 3.8,д').
По способу соединения (со штуцером или корпусом) и кон-
струкции различают фланцы: плоские приварные; с утолщением
у основания (с «шейкой»); свободные на отбортовке и бурте
(рис. 3.9).
Наиболее просты по конструкции плоские фланцы. Их
применяют при давления до 20 МПа. Основной недостаток плоских
Рис. 3.9. Основные виды фланцев:
а—в — плоские приварные; г — типа «шип — паз»; д — с шейкой; е — с отбортовкой; ж —
с буртом.
фланцев — малая жесткость у основания. Эти фланцы имеют пло-
ские привалочные поверхности, поверхности в виде «выступ — впа-
дина» и «шип — паз». Наиболее широко распространены фланцы
с «шейкой», приваренные встык. Их применяют и с металличе-
скими прокладками. На аппаратах, изготовленных из цветных
металлов, поддающихся отбортовке, применяют стальные флан-
цы с отбортовкой. Для соединения аппаратов и труб, изго-
товленных из керамики, стекла и пластмасс и не поддающихся
пластической деформации, а также при недопустимости сварки и
с целью экономии легированных сталей и цветных металлов (на-
пример, патрубок из чугуна, высоколегированной и углеродистой
стали) используют фланцы с буртом.
Фланцы на резьбе применяют на трубопроводах высокого
давления, где сварка нежелательна.
Фланцы для соединения труб и трубопроводной арматуры
имеют большие размеры, чем для соединения частей аппаратов,
ибо они работают в более жестких условиях (температурные ко-
лебания, большая нагрузка от действия массы трубопроводов).
52
Поэтому в качестве исходных данных при их проектировании при-
нимают наибольшую толщину стенки трубы.
Для соединения частей аппаратов диаметром от 400 мм и
более применяют аппаратурные фланцы, при диаметре ме-
нее 400 мм — арматурные.
Специальные разборные фланцы применяют для соединения
трубопроводов и аппаратов, изготовленных из стекла, керамики и
Рис. 3.10. Виды разборных фланцев:
а — разъемный; б — с разъемным кольцом /; в — с разъемным закладным кольцом 1.
других хрупких материалов. Они бывают двух видов: разъемные
из двух частей (рис. 3.10, а) и с разъемным кольцом (рис. 3.10,б).
Фланец с разъемным кольцом имеет диаметр несколь-
ко большего размера, чем выступ на конце трубы или царги, и
упирается в кольцо 1, состоящее йз двух частей (рис. 3.11,6).
Фланцы с разъемными кольцами проще в эксплуатации, дешевле
разъемных, но менее компактны.
Если фланец необходимо снять для разборки узла, то в данном
случае применяют съемный фланец с разъемным заклад-
ным кольцом (рис. 3.10,в).
Для эмалированных аппаратов используют фланцы со
стяжными скобами небольших размеров (рис. 3.11). Этим
достигается уменьшение массы и улучшение температурного ре-
жима при обжиге эмали. Такие соединения выдерживают давле-
ние 0,5—0,6 МПа.
Для увеличения герметичности разъемных соединений приме-
няют фланцы со сварными пластинами (рис. 3.12). В таком со-
единении между фланцами размещают тонкие пластинки, которые
сваривают швом. При разборке соединения швы срезают, а при
повторной сборке снова заваривают.
Фланцы нормализованы, выбор их производят в зависимости
от условного прохода и условного давления Ру. Условный проход
должен быть согласован с диаметром обечайки или трубы, но он
не всегда им соответствует. Условное давление выбирают в зави-
симости от температуры, свойств среды и рабочего давления Рр.
Если температура не превышает 200°C и рабочая среда нетоксич-
на, то условное давление равно рабочему. При температуре выше
53
200°C условное давление больше рабочего. Условные и рабочие
давления для стальных трубопроводных фланцев и арматуры вы-
бирают по ГОСТ 356—68.
При работе в вакууме и с сильно ядовитыми веществами тре-
буется высокая герметичность. Поэтому применяют фланцы, имею-
щие Ру 1,6 МПа. При конструировании штуцеров аппаратов вы-
Рис. 3.11. Фланцевое со-
единение со стяжными
скобами.
Рис. 3.12. Фланцевое со-
единение со сварными
пластинами.
бирают фланцы с Ру> 1,0 МПа, так как трубопроводную арма-
туру, присоединяющуюся к штуцерам, выпускают на Ру не ниже
1,0 МПа.
Фланцы сами по себе не могут обеспечить герметичность со-
единения, поэтому для их крепления используют различные де-
тали.
Крепежные детали фланцевых соединений. Для фланцевых со-
единений, работающих при давлении до 1,6 МПа и температуре
до 200°C, используют болты, а при более высоких температурах
и давлениях — шпильки, снабженные гайками с обеих сторон.
Для соединений, требующих постоянной разборки, применяют от-
кидные болты (рис. 3.13).
Крепежные детали в основном изготавливают из качественных
углеродистых и легированных сталей с соответствующей термооб-
работкой. При этом твердость, прочность болтов и шпилек должны
быть выше, чем у гаек.
Прокладки (рис. 3.14). Материал и конструкцию прокладки
выбирают, исходя из условий их эксплуатации (температуры, дав-
ления, свойств среды и т. д.). Прокладка должна быть химически
стойкой и пластичной на все время эксплуатации.
54
Прокладки изготавливают из резины, паронита, асбеста, поли-
хлорвинила, фторопласта, картона и других неметаллических ма-
шнуров круглого и прямоугольного сече-
а иногда используют прокладки слож-
формы, например зубчатого сече-
териалов. Резиновые прокладки применяют
туре до 90 °C и небольших давлениях. Рези-
ну для прокладок выпускают в виде листов
или
НИЯ,
ной
НИЯ.
При повышенных давлениях используют
металлические прокладки, а для
агрессивных сред — прокладки с фторо-
пластовым чехлом, состоящие из метал-
лической и паронитовой сердцевины, проме-
при темпера-
жуточного слоя из мягкого материала и фто-
ропластовой обкладки. Широко распростра-
нены асбометаллические проклад-
к и (например, асбест, армированный прово-
локой; спиральный витой металл с асбестовым
заполнением; тонколистовой металл с про-
слойками из асбеста, резины, паронита и др.).
Прокладки из резины, асбеста, паронита
и других неметаллических материалов изго-
тавливают плоскими.
При больших диаметрах используют про-
Рис. 3.13. Фланцевое
соединение с откид-
ными болтами:
/ — откидной болт; 2 —
ось; 3 — упоры.
Рис. 3.14. Прокладки:
1 — плоская; 2 — комбинированная асбо-
металлическая; 3 — асбестовая с фторо-
пластовым чехлом; 4 — комбинированная;
5 — овальная; 6 — линзовая.
кладки, составленные из нескольких листов.
Сальниковые и торцевые уплотнения (рис. 3.15). Для уплот-
нения поверхностей вращающихся частей применяют сальниковые
и торцевые уплотнения. Сальники без натяжения используют для
неответственных уплотнений
(в подшипниках, корпусах мель-
ниц), а с осевым натяжением —
при высоких температурах, дав-
лениях и больших частотах вра-
щения валов.
С целью достижения хороше-
го уплотнения поверхность вту-
лок и нажимных крышек, обра-
щенных к набивке, делают кони-
ческой. Сальники устанавливают
на бобышках. Охлаждение саль-
ника, работающего при высокой
температуре, обеспечивают во-
дяной рубашкой.
В аппаратах, содержащих ядовитые вещества, устанавливают
сальники с противодавлением. Для этого набивку разделяют коль-
цами, и в пространство около колец вводят инертный газ под дав-
лением, превышающим давление в аппарате. При больших часто-
тах вращения вала используют сальники с твердой набивкой, они
55
выполнены в виде разрезных колец из цветного металла, пласт-
масс и прессованных графитов.
Торцевые уплотнения типа ТД и ТДП применяют для работы
в кислых, слабощелочных и газообразных средах при избыточном
давлении до 1,6 МПа, остаточном давлении (вакууме) до 400 Па,
при температурах от —20 до
250°C. Их достоинство — незначи-
тельная утечка газов, большая на-
дежность.
Одинарное торцевое уплотнение
(рис. 3.15,6) из подвижного коль-
ца 3 крепится к втулке, а последняя
закреплена на валу. Неподвижное
кольцо 2 связано с корпусом по-
средством сильфона 1. Кольца при-
жаты друг к другу с помощью пру-
жин. Силу прижатия пружины ре-
Рис. 3.15. Уплотнения:
а —сальниковое; б — одинарное торцевое; / — сильфон; 2 — неподвижное кольцо; 3 — по-
движное кольцо.
гулируют в зависимости от давления в аппарате. Трущиеся по-
верхности помещены в ванну с маслом. Для охлаждения трущихся
поверхностей в корпусе имеется охлаждающая рубашка.
Более совершенным является двойное торцевое уплотнение с
двумя парами колец. Уплотнение осуществляется за счет создания
давления между кольцами большего, чем в аппарате.
3.5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ,
ОСМОТРА И УСТАНОВКИ АППАРАТОВ
Штуцеры служат для присоединения фланцев и других
устройств к аппаратам. Для аппаратов с изоляцией штуцеры де-
лают удлиненными, и при значительных длинах их укрепляют про-
бе
дольными ребрами жесткости (рис. 3.16). Приваривают штуцеры
к аппаратам различным образом. Аппараты, изготавливаемые
литьем, отливают вместе со штуцером. При необходимости обо-
грева штуцеры снабжают рубашка-
ми. Штуцеры для слива жидкости
из аппарата в основном распола-
гают в днище — для обеспечения
полного удаления жидкости. Ино-
гда используют изогнутый штуцер
(рис. 3.17). '
Бобышки— это фланцы, прива-
ренные непосредственно к корпусу
аппарата. К бобышкам с помощью
шпилек присоединяют трубопрово-
ды. Бобышки применяют для уста-
новки контрольно-измерительных
приборов и других устройств и в
Рис. 3.16. Штуцер, укрепленный
ребрами жесткости.
тех случаях, когда нельзя или нежелательно устанавливать шту-
церы. Они имеют разную конструкцию. При больших размерах
бобышек их изготавливают из углеродистой стали, а защитные
накладки — из кислотостойкой стали. На аппаратах, изготовлен-
ных из меди и алюминия, применяют стальные бобышки, защи-
щенные цветным металлом.
Для установления бобышек и штуцеров в обечайках, крышках
и днищах делают отверстия. Они существенно ослабляют проч-
ность стенок днищ и обе-
чаек. При размещении
отверстий на эллиптиче-
ских днищах следует учи-
тывать следующие требо-
вания Госгортехнадзора;
а) расстояние от края
отверстия до края дни-
ща (измеряется в проек-
ции) не должно быть
меньше 0,1ПВН;
б) расстояние между
двумя соседними отвер-
стиями должно быть не менее диаметра меньшего от-
верстия;
в) не следует размещать отверстия в отбортованной части
днищ;
г) не рекомендуется устанавливать несколько штуцеров на од-
ной образующей;
д) при диаметре аппарата менее 1500 мм отверстие в эллип-
тическом днище должно быть не более ’/2, а при диаметре свыше
1500 мм не более 1/3 диаметра.
Ослабление оболочек отверстиями компенсируют приварива-
нием колец укрепления (рис. 3.18). Нет необходимости укреплять
67
все отверстия. Определение наибольшего диаметра отверстия в ци-
линдрической оболочке, которое можно оставить неукрепленным,
производят по формуле;
d = 3,7 ^DB (S — с) (1 — К).
(3.25)
Здесь К — коэффициент прочности обечайки, равный
К = PDb/[(2,3 [а] - Р) (S — с)].
Эллиптические днища работают в более благоприятных усло-
виях, чем цилиндрические обечайки, поэтому в них допускаются
Рис. 3.18. Способы укреплений отверстий:
а—плоские кольца; б — втулка; в — штуцер с утолщением.
неукрепленные отверстия большего диаметра, чем в цилиндриче-
ских обечайках при тех же условиях.
Смотровые окна (рис. 3.19) служат для наблюдения за ходом
процесса, за засорением труб и т. д. Их диаметр обычно состав-
ляет от 5 до 150 мм. Уста-
навливают их в основном
на бобышках на противопо-
ложных сторонах. На од-
ном из них размещают све-
тильник. В стандартных смо-
тровых окнах применяют
толстые илюминаторные
Рис. 3.19. Смотровое окно.
стекла, рассчитанные на
давление до 0,6 МПа и температуру до 150°С. Для промывания
стекла устанавливают патрубки, в которые периодически подают
промывную жидкость. Для наблюдения за уровнем жидкости в ап-
парате служат мерные стекла.
Люки (рис. 3.20) предназначены для осмотра аппарата, мон-
тажа, демонтажа, ремонта устройств, расположенных внутри ап-
парата, для загрузки сырья и очистки аппарата. Они нормализо-
ваны. Имеется следующий ряд диаметров люка: 150, 250, 400, 500,
600, 800 мм. В зависимости от условий эксплуатации аппарата
люки и лазы выполняют различной конструкции. В случае частого
использования крышки делают на откидных болтах. При редком
58
открывании применяют заглушку. Уплотнение крышек осуществ-
ляют с помощью нажимного винта. Люки могут быть уста-
новлены на горизонтальной, наклонной и вертикальной плоско-
стях. В последнем случае необходимо обеспечить подвеску
крышки.
Опоры служат для установки аппаратов на фундаменты и не-
сущие конструкции. Их выбирают в зависимости от конструкции
оборудования, нагрузки и способа установки. Для установки вер-
тикальных аппаратов на полу или на фундаменте применяют
Рис. 3.20. Люки и лазы:
а — в виде заглушек; б — на откидных болтах; в — для частого открывания с нажимным
винтом; г — при редком открывании; д — подвесная крышка.
опорные лапы, а при подвеске их между перекрытиями — бо-
ковые опоры.
Площадь (м2), на которую опирается лапа, определяют исходя
из максимального удельного давления на опорную конструкцию:
F — уд)
(3.26)
Здесь бмакс — максимальная масса аппарата, включая футеровку, термоизо-
ляцию, трубопроводы и массу продукта, кг; т — число лап; Руд — удельное дав-
ление.
Горизонтальные аппараты устанавливают на седловидные
опоры, охватывающие аппарат не менее чем на 120° по окруж-
ности.
69
Глава 4.
АППАРАТЫ С МЕШАЛКАМИ
Перемешивание — необходимый процесс в химической промыш-
ленности. Механическое перемешивание производят в аппаратах,
носящих общее название аппаратов с мешалками. В частных слу-
чаях они носят названия, исходя из конкретного назначения аппа-
рата (реактор, экстрактор, репульпатор, каустификатор и т. д.).
Перемешивание производят с целью создания однородных раство-
ров и суспензий и интенсификации процессов тепло- и массообмена
(физического или в сочетании с химической реакцией).
Для достижения указанных целей используют мешалки и ап-
параты различных конструкций с учетом особенностей каждого
конкретного процесса. Например, смеситель содового производства
и каустификаторы I ступени в производстве едкого натра снаб-
жены рамными мешалками, а сборники и напорные баки извест-
кового молока — лопастными; пропеллерные мешалки применяют
в реакторах и вакуум-кристаллизаторах производства соединений
бария, экстракторы фосфорной кислоты оборудованы турбинными
мешалками.
4.1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ
ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Процесс перемешивания характеризуется степенью смешения,
интенсивностью и эффективностью перемешивания.
Степень (однородности) смешения — в общем случае это взаим-
ное распределение нескольких веществ после совершенного пере-
мешивания системы. Чем выше степень смешения (/), тем меньше
разница в концентрациях смешиваемого вещества в разных ча-
стях объема реактора. Ее определяют (по анализу проб) по фор-
муле:
7 = (Xi + x2+ ... (4.1)
Здесь k — число проб; Xi.Xk — относительные концентрации вещества
в пробах, определяемые по формулам:
Х1 = ei/eo (п₽и Ч < ео) и xi = 0 - - ео) (ПРИ Ч > ео)’
Ei, е0 — объемные доли анализируемого компонента в i-й пробе и во всем аппа-
рате.
Интенсивность перемешивания (ИП) не имеет конкретного
определения. Под ней понимают скорость изменения степени сме-
dl
шения во времени .
ИП выражают через следующие величины: частоту вращения
мешалки п или окружную скорость (скорость концов лопастей) и;
критерий Рейнольдса для процессов перемешивания ReM; мощность
N, приходящуюся на единицу перемешиваемого объема V(N/V),
60
Однако может оказаться, что при и2 > ил и Re2 > Rei ИП в
аппарате 1 будет больше (например, при использовании мешалок
разной конструкции в аппаратах 1 и 2). Более точно об ИП можно
судить по величине отношения N/V, но и оно не является универ-
сальным критерием оценки ИП ввиду неравномерности рассеива-
ния энергии в объеме. Последняя для разных аппаратов различна.
Наименее точные данные получают при использовании для
оценки ИП значения п. В этом случае при соблюдении геометри-
ческого подобия двух аппаратов значения Re потоков в них и от-
ношения N/V будут различны. Это различие будет тем больше,
чем больше разница в объемах аппаратов.
. Эффективность перемешивания определяется количеством
энергии, затрачиваемой на него для достижения заданного техно-
логического эффекта. Из двух аппаратов с мешалками более эф-
фективно будет работать тот, в котором достигается требуемый
технологический эффект при меньшей затрате энергии.
4.2. ГИДРОДИНАМИКА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
При ламинарном движении жидкости элементарные объемы ее
движутся параллельно в направлении движения потока. При тур-
булентном режиме возникают вихри, хаотически перемещающиеся
в объеме движущейся жидкости. Элементарные массы жидкости
переходят из отдельных слоев жидкости в другие слои.
Турбулентность движения жидкости характеризуется крите-
рием Рейнольдса, который для механических мешалок имеет сле-
дующий вид:
= nd2/уж = Рж^2/Рж- (4.2)
Здесь d — диаметр мешалки, м; тж— кинематическая вязкость, м2/с; рж—
плотность жидкости, кг/м3; р.ж — динамическая вязкость, Па-с.
При перемешивании механическими мешалками различают
два основных режима: ламинарный (ReM < 30) и турбулентный
(ReM > 100). Соответственно существуют область переходного ре-
жима (ReM = 30 -г- 100) и область развитой турбулентности
(ReM > 105). Приведенные цифровые значения ориентировочны и
существенно зависят от конструкции и геометрических размеров
мешалки и аппаратов.
Ламинарный режим соответствует перемешиванию, при кото-
ром жидкость плавно обтекает кромки лопасти мешалки, захва-
тывается лопастями и вращается вместе с ними. При таком ре-
жиме перемешиваются только те слои жидкости, которые непо-
средственно примыкают к лопастям мешалки.
С увеличением частоты вращения мешалки возникает турбу-
лизация пограничного слоя и образуется турбулентный кормовой
след в пространстве за движущимися лопастями.
В области развитой турбулентности (ReM > 105) наблюдается
вихревое движение жидкости в пространстве, прилегающем к
объему, описываемому мешалкой, по мере удаления от которого
турбулентность уменьшается и в аппаратах большого объема
61
переходит в ламинарное движение. Итак, критерий Рейнольдса не
может однозначно характеризовать интенсивность перемешивания
по всему объему аппарата.
Кроме критерия Рейнольдса основой для оценки работы раз-
личных типов аппаратов с мешалками могут служить такие па-
раметры, как насосный эффект мешалки, время циркуляции, вре-
мя смешения системы.
Насосный эффект Ун показывает объемный расход жидкости
через мешалку, рассматриваемую как ротор насоса. Математиче-
Таблица 4.1
Экспериментально определенные значения коэффициента Сн
для некоторых мешалок (л — c—1, d — м, Ун — м3/с)
Номер по пор. Характеристика мешалки и сосуда Сн
тип мешалки ЧИСЛО лопа- стей b d а ~d наличие перего- родок
1 Турбинная, ские лопатки пло- 8 8 0,2 0,3 — Нет 0,34 0,47
2 То же 8 0,2 — Есть 1,34
3 » 6 0,2 — Нет 1,1 4- 1,2
4 Турбинная, ские лопатки, наклона 45° пло- угол 6 0,2 — Есть 0,947 (й/О)-0’19
5 6 Лопастная, угол наклона 45° Пропеллерная 7б 1 2 Нет 1,64(1 - k) 0,4 0,65
7 8 То же » 3 1 0,5 4- 2,0 Есть Диффу- зор 0,7 4- 0,99 CRe^AlOd)2 Frs
ское определение этой величины следует из баланса массового рас-
хода для объема, описываемого вращающимися лопатками.
В случае турбинной мешалки объемный расход жидкости, от-
брасываемой мешалкой, опишется уравнением:
VH = nbdvr. (4.3)
Здесь Ъ — ширина лопатки, м; vr — средняя радиальная скорость жидкости
(произведение nbd представляет собой площадь цилиндрической поверхности, че-
рез которую отбрасывается жидкость), м/с.
В случае пропеллерной мешалки это уравнение примет вид:
VH = nd2^/4. (4.4)
Здесь vz — средняя осевая скорость жидкости в плоскости мешалки, м/с.
Средняя радиальная скорость vr в уравнении (4.3) пропорцио-
нальна окружной скорости мешалки vr = kidn, откуда получаем:
VH = nkxd2nb. (4 5)
62
Для семейства геометрически подобных мешалок, у которых
ширина лопатки находится в определенной пропорции к диаметру
мешалки (b — k2d), можно написать уравнение в виде:
Ун = CHnd3.
(4.6)
Здесь Сн — характеристическая постоянная для данного типа мешалки.
К тому же уравнению можно прийти и в случае пропеллерной
мешалки.
Значение Сн зависит от многих факторов. Экспериментально
определенные значения Сн для турбинных и пропеллерных меша-
лок приведены в табл. 4.1.
. В случае № 8 (см. табл. 4.1) при ReM >> 103 и a/d = 1 (а — шаг
мешалки) коэффициент С равен 0,76, а показатель степени А =
= —0,06. Показатель степени В
является функцией критерия
Фруда (рис. 4.1); Fr = rPd/g.
Для турбинных мешалок, наи-
большее влияние на Сн оказы-
вает ширина лопаток и наличие
отражательных перегородок (по-
вышает значение Сн), а также
высота расположения мешалки и
число лопаток, для пропеллерных
мешалок — отношение шага ме-
шалки а к ее диаметру d.
Рис. 4.1. График функции В = f(Fr)
для пропеллерных мешалок.
В случае лопастных мешалок для приближенного определения
насосного эффекта можно, видимо/ пользоваться значениями Сн
для турбинных мешалок, приведенными в табл. 4.1 (№№ 1, 4),
отличающихся от лопастных отношением d/D и числом лопастей
{D — диаметр аппарата).
Насосный эффект мешалок может быть определен также тео-
ретическим путем, исходя из упрощенной теории вихревых насо-
сов. Для мешалок, создающих радиально-осевой поток (турбинные
и лопастные с наклонными лопастями), общий насосный эффект
Ун будет равен сумме радиального (Унг) и осевого (Ун2) потоков:
Ун — Унг + Унг.
Насосный эффект радиального потока для сечения окружности
цилиндра nbd составит:
VHr = n2bnt/2cos2 а (1 — k). (4.7)
Здесь а — угол наклона лопасти; k — коэффициент, учитывающий разницу
в окружных скоростях мешалки и жидкости (окружная скорость мешалки
и = cor — ndn\ со — угловая скорость мешалки).
Насосный эффект осевого потока для площади круга, описы-
ваемого мешалкой, выражается уравнением:
d/2
Унг = (1 — &) 2лп sin a cos а 2л г2 dr. (4.8)
0
63
После интегрирования этого уравнения и сложения с уравне-
нием (4.7) получится выражение для общего насосного эффекта:
VH = n2bnd2 (1 — k) [cos2 a + d sin a cos a/(6&)]. (4.9)
Если принять a = 45° получим:
VH = 4,93bnd2 [1 + d/(6&)] (1 — k). (4.10)
Коэффициент k определяют экспериментально. Он изменяется
от 0 (для радиального потока) до 1 (для тангенциального по-
тока) .
Проведя сравнительные расчеты по уравнениям (4.10) и при-
веденному в табл. 4.1 (ч 4), можно заключить, что значение ко-
эффициента k находится в пределах 0,3 ч- 0,5.
Если для пропеллерной мешалки принять a/d = 1 и k = 0 (по-
ток чисто осевой), то на основании теории вихревых насосов по-
лучается следующее уравнение:
VH = (WZ3. (4.11)
Время смешения (гомогенизации) — это период, необходимый
для достижения технологически необходимой степени однородно-
сти системы. Знание его необходимо при ведении обменных реак
ций и процессов кристаллизации, приготовлении растворов и сус-
пензий. Оно особо важно при проведении непрерывных процес-
сов. Кроме того, время смешения (тсм) может служить критерием
для сравнения интенсивности работы различных аппаратов с ме-
шалками. Для его расчета предложена следующая зависимость:
Тсм = Л'Еж/Ен = Ктц. (4.12)
Здесь Уж — объем жидкости в аппарате, м3; К — коэффициент пропорцио-
нальности; тц — время циркуляции, с.
Экспериментальным путем доказано, что для достижения со-
стояния полного смешения необходима четырех- или пятикратная
рециркуляция раствора в аппарате, т. е. /( = 4 4-5. Уравнение
(4.12) справедливо для аппаратов периодического действия.
Следует отметить, что возрастание вязкости жидкости и уве-
личение объема сосуда при сохранении размеров мешалки уве-
личивают время смешения.
В случае рамных и якорных мешалок можно пользоваться сле-
дующими формулами;
для ReM < 80 тсмп = 2100 Re"c’7 (4.13)
для ReM > 200 тсм п = 90 Re“0,15 H/D. (4.14)
Здесь Н — высота жидкости в сосуде, м.
Время пребывания элементарного объема реакционной массы
в реакторе (каскаде реакторов) непрерывного действия является
характеристикой вероятностной.
При достаточно интенсивном перемешивании практически во
всем объеме реактора достигается устойчивый турбулентный ре-
жим. Движение отдельного элемента объема жидкости (твердой
64
частицы)' имеет чрезвычайно сложный характер. В этих условиях
любой элемент объема за сравнительно короткое время может
оказаться в любой точке реактора, причем невозможно заранее
предсказать траекторию его движения. Поэтому в реакторе с ин-
тенсивным перемешиванием любой введенный компонент доста-
точно быстро и равномерно распределяется по всему объему. Вре-
мя смешения в таких реакторах измеряется секундами, а время
пребывания — десятками минут. С учетом этого для реактора с
интенсивным перемешиванием вполне приемлемые результаты по-
лучаются на основе допущения об идеальном перемешивании, при
котором равномерное распределение загрузки по всему объему
достигается мгновенно. Любая из находящихся в реакторе частиц
или молекул с равной вероятностью может оказаться в любой точ-
ке реактора, в том числе и на выходе из него. Наряду с этим в
реакторе имеются частицы, которым за очень продолжительное
время не удалось попасть к выходу из реактора. Таким образом,
время тПр пребывания частицы в реакторе идеального смешения
еСть случайная величина, которая может принимать значения от О
до бесконечности.
Допустим, имеется система из т последовательно соединенных
реакторов, через которые непрерывно пропускают жидкость.
В определенный момент времени (нулевой) введем в первый ре-
актор мгновенную (импульсную) загрузку, содержащую No ча-
стиц. Если число частиц достаточно велико, то вероятность того,
что время пребывания частицы в первых k ступенях каскада за-
ключено между т и т + Дт выразится формулой:
^(т^Тпр<т + Лт)-^(т, At)/7V0. 6 (4.15)
Здесь Nk (т, Дт) — число частиц, покидающих k-ю ступень в интервале вре-
мени т + Дт.
Плотность Ф*(т) распределения вероятностей есть предел от-
ношения вероятности Pk (т тпр < т + Дт) к интервалу времени
Дт при Дт->0:
Ф^(т) = lim Pk (т < тпр < т + Дт)/Дт = dPk (x)/dx. (4.16)
Вероятность времени пребывания Pk (т тпр < т + Дт), кото-
рая с точностью до бесконечно малых высшего порядка относи-
тельно dx совпадает с дифференциалом вероятности dPk(x), мож-
но записать в виде следующего выражения:
Pk (т < тпр < т + Дт) « dPk (т) = Ф/г (т) dx. (4.17)
Дифференциал вероятности dPk (т) = Ф/г (т) dx есть вероятность
того, что введенная в первую ступень каскада реакторов частица
пробудет (пробыла) в первых k ступенях каскада время, заклю-
ченное в пределах от т до тф Дт.
Соотношение между значениями Р*(т) и ФА(т) можно нагляд-
но представить по рис. 4.2.
Если учесть, что lim [Д^. (т, Дт) /Дт] = Нk (т) [где Я*(т)—ско-
рость вывода частиц из /г-й ступени каскада], то из уравнений
3 Зак 162
65
(4.15) и (4.16) получим:
% (т) = Hk (т)/А'о.
(4.18)
Из этого выражения вытекает вторая интерпретация величины
Ф/? (т) dx — как доли частиц на выходе, имеющих время пребыва-
ния в интервале от т до т + Дт.
Рис. 4.2. Соотношение между зна-
чениями вероятности времени пре-
бывания Рь и плотностью распре-
деления вероятности Ф*.
Рис. 4.3. Плотность распределения
вероятностей Фт(у) времени пре-
бывания в каскаде реакторов рав-
ного объема.
Обозначив рабочий объем /-го реактора через Vi, а объемную
скорость потока через w, запишем выражение для среднего вре-
мени прохождения жидкости через i-й реактор:
0Z = VJw.
(4.19)
Тогда плотность распределения вероятностей для одиночного
реактора может быть описана следующим выражением:
Ф1 (т) « ехр (— т/0)/0. (4.20)
Для каскада реакторов равного объема плотность распреде-
ления вероятностей принимает вид:
ф (т) = Tk~x ехр (- т/0)/[(Л - 1)! efeJ; k = 1, 2, 3.п. (4.21)
FV
В некоторых случаях важно знать вероятность того, что время
пребывания тпр частицы в k ступенях каскада меньше некоторого
фиксированного значения т. Эта вероятность носит название функ-
ции распределения вероятностей F*(t). Известно, что функция
распределения равна интегралу от плотности распределения:
Р (° < Тпр < Т) = <Т) =
т
J (<) dr.
о
(4.22)
Выражения для ДДт) могут быть получены интегрированием
соответствующих выражений для ФЛ(т). Если все ступени каскада
66
имеют одинаковый объем, то интегрирование уравнения (4.21J
дает:
k-i
Fk (т) = 1 - exp (- т/6) У -1 . (4.23)
i=0
Для системы, содержащей большое число частиц, функция
распределения вероятностей может также интерпретироваться как
доля частиц, время пребывания которых меньше т. Обычно каскад
состоит из реакторов одинакового объема. Тогда среднее время
пребывания жидкости (а также и частиц) в каждой ступени будет
одинаковым: 01 = 02= ... =0. Суммарное среднее время пре-
бывания частиц в каскаде запишется в виде:
0С = пб. (4.24)
Однако для расчета гетерофазного процесса важно знать не
только среднее время пребывания (среднее значение случайной
величины тПр), но и законы распределения времени пребывания,
которые существенно зависят от числа ступеней каскада.
Допустим, имеется каскад аппаратов, состоящий из т одина-
ковых ступеней, причем общий объем каскада жестко фиксирован.
Тогда значение 0с постоянно и время пребывания частиц в каскаде
можно выражать в долях 0С, т. е. ввести новую случайную вели-
чину у, представляющую собой безразмерное время пребывания
в каскаде реакторов:
у = т/0с. (4.25)
Подставив в уравнение (4.21) значение т из выражения (4.25)
г = yQc — утВ, можно записать следующую формулу для плот-
ности распределения вероятностей безразмерного времени пребы-
вания у во всех т ступенях каскада:
фт (у) = 1)1 Ут~1 ехР (— тУ)- (4.26)
Таким же образом можно получить выражение для функции
распределения вероятностей:
т— 1
Fm (у)=1 — ехр (— ту) {ту)1. (4.27)
/=о
Использование выражений (4.26) и (4.27) позволяет проана-
лизировать законы распределения независимо от конкретных зна-
чений объема реакторов и скорости подачи, так как плотность и
функция распределения вероятностей времени пребывания не за-
висят от значений этих величин, если используется безразмерное
время у — т/0с.
На рис. 4.3 приведены кривые плотности распределения ве-
роятностей безразмерного времени пребывания у для различного
числа ступеней т каскада. Общий объем каскада фиксирован и
при сравнении кривых для различных т нужно помнить, что
§7
всякое увеличение числа ступеней связано с соответствующим
уменьшением объема каждой ступени. Из этого рисунка видно, что
число ступеней существенно влияет на характер распределения
частиц по времени пребывания. Например, для одноступенчатого
аппарата (m = 1) функция Ф1(у) имеет максимальное значение
при у = 0, а с увеличением у значение Ф1 (у) резко уменьшается,
т. е. в продукте на выходе из одноступенчатого аппарата частицы
с минимальным (близким к 0) временем пребывания имеются в
большем количестве, чем частицы с любым другим временем пре-
бывания. Такой характер распределения частиц по времени пре-
бывания крайне неблагоприятен для осуществления технологиче-
ского процесса.
Для каскада из двух ступеней распределение частиц по времени
пребывания имеет уже совсем другой характер. Как видно из ри-
сунка, вероятность того, что частица, введенная в первую ступень,
мгновенно окажется на выходе из второй ступени, равна нулю.
Это обусловлено следующим.
Частицы, введенные в первую ступень, в то же мгновение нач-
нут поступать и во вторую. Но их концентрация в первое время
во второй ступени ничтожно мала, а следовательно, крайне мала
вероятность обнаружить эти частицы на выходе из второй ступени.
Постепенно, по мере вымывания частиц из первой ступени, их
концентрация во второй ступени растет до тех пор, пока число
поступающих из первой ступени частиц не станет меньше ч.исла
уходящих из второй ступени. Максимум на кривой плотности рас-
пределения вероятностей при т = 2 соответствует у — 1 /2. Это
значит, что в продукте, выходящем из второй ступени, больше
всего содержится частиц с временем пребывания, в 2 раза мень-
шим среднего времени пребывания.
Дальнейшее увеличение числа ступеней уже не приводит к су-
щественному изменению характера распределения частиц по вре-
мени пребывания. Но с увеличением числа ступеней возрастает
доля частиц, время пребывания которых приближается к среднему
времени пребывания 6С. Положение максимума на кривых плот-
ности распределения вероятностей с увеличением т сдвигается
вправо и стремится к у — 1. Значение максимума возрастает, а
ширина пика уменьшается. Это соответствует известному положе-
нию: реактор идеального вытеснения можно рассматривать как
каскад реакторов идеального смешения с бесконечно большим чис-
лом ступеней.
Те же особенности распределения времени пребывания частиц
в каскаде реакторов идеального смешения проявляются и при ана-
лизе функции распределения вероятностей, показывающей, какова
в выходящем продукте доля частиц с временем пребывания мень-
ше у. Из рис. 4.4 видно, что число ступеней сильно влияет на
время пребывания частиц в каскаде реакторов. В продукте на
выходе из одиночного аппарата содержится 39 % частиц с време-
нем пребывания меньше О,50с- Для 2-ступенчатого каскада эта
доля составляет 24 %, а при т=8 —лишь 4 %. Таким образом,
68
с увеличением числа ступеней уменьшается доля частиц с малым
временем пребывания в каскаде реакторов.
Доля частиц с временем пребывания от 0 до 6С (0 < у <Z 1)
мало зависит от числа ступеней (63,2 % при т — 1, 59,4 % при
т— 2 и 56,7 % при т=4). Однако, если при т—1 среди этих
частиц много таких, которые пробыли в реакторе очень недолго,
Рис. 4.4. Функция распределения ве-
роятностей Fm(y) времени пребыва-
ния в каскаде реакторов равного объ-
ема.
Рис. 4.5. Влияние неидеальности смеше-
ния на распределение частиц по време-
ни пребывания в одиночном реакторе.
то при т > 1 таких частиц тем меньше, чем больше число сту-
пеней. *
С увеличением числа ступеней распределение по времени пре-
бывания становится более благоприятным. Однако, легко заметить,
что по мере увеличения числа ступеней дополнительный эффект
уменьшается. Определить оптимальное число ступеней только по
функциям распределения невозможно. Для этого следует также
учитывать кинетические характеристики процесса и экономические
показатели, включающие стоимость аппаратов и их эксплуатации.
Приведенные выше уравнения получены для модели реактора
идеального смешения. В реальном реакторе смешения неизбежны
отклонения от идеальной модели. Распределение введенных в ре-
актор частиц совершается не мгновенно. Этот процесс требует не-
которого времени, называемого временем смешения (тсм). Чем оно
больше, тем выше отклонения от модели идеального смешения.
Плотность распределения вероятностей безразмерного времени
пребывания у частиц в одиночном реакторе неидеального смеше-
ния может быть описана выражением:
Ф (г/) в (1/6) [1 — ехр (“ 4f//x)J ехр (— у) ехр {и [1 — ехр (— 4у/и)]/4}. (4.28)
Здесь х — время смешения, выраженное в долях среднего времени пребыва-
ния (X = Тсм/0).
Чем больше значение х, тем существенней отклонения от иде-
ального смешения (рис, 4.5), Если время смешения тсм = 0, то
69
х = 0 и зависимость (4.28) примет вид, соответствующий реак-
тору идеального смешения (4.20).
С ростом Тем характер распределения частиц по времени пре-
бывания изменяется — уменьшается доля частиц, время пребыва-
ния которых очень мало, и увеличивается число частиц с време-
нем пребывания, близким к 0. Таким образом, отклонения от иде-
ального смешения, связанные с запаздыванием усреднения состава
суспензии в объеме аппарата, положительно влияют на характер
распределения частиц по времени пребывания. В тех случаях,
когда время смешения очень мало по сравнению со средним вре-
менем пребывания (и ^0,1), что обычно наблюдается при ис-
пользовании пропеллерных и турбинных мешалок в аппаратах с
относительно малым объемом, отклонения от идеального смеше-
ния незначительны и ими можно пренебречь.
Лишь тогда, когда время смешения приближается по значению
к среднему времени пребывания, обнаруживаются заметные от-
клонения от идеального смешения. Это наблюдается в отсутствие
радиально-осевой циркуляции, например при использовании ло-
пастных и рамных (см. рис. 4.8) мешалок, создающих только
окружную циркуляцию. Отклонения от идеального смешения на-
блюдаются также при неравномерном распределении частиц по
высоте аппарата, которое может быть вызвано неоднородностью
гранулометрического состава твердой фазы или существенной раз-
ницей в плотностях твердой и жидкой фаз.
Плотность распределения вероятностей безразмерного времени
пребывания частиц в каскаде из т реакторов неидеального сме-
шения, имеющих одинаковые объемы, можно определить из выра-
жения:
Фт (у) = { [1 — ехр (— 4ту/к]/(т — 1)!} {ту — х [1 — ехр (— 4m«//x]/4}m-1 X
X ехр (— ту) ехр {х [1 — ехр (— 4ту/и)/4] }. (4.29)
При выводе уравнений (4.28) и (4.29) принято, что динамика
смешения описывается формулой:
а (т) =» 1 — ехр (— т/тц).
Здесь а — относительная концентрация частиц на выходе из реактора.
4.3. ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
НА протекание ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Перемешивание ускоряет все операции, связанные с передачей
теплоты или массы (нагревание или охлаждение, суспензирование,
растворение, кристаллизация, адсорбция и другие гетерофазные
процессы). Оно приводит к повышению температурных и концен-
трационных градиентов у поверхности раздела взаимодействую-
щих фаз из-за снижения их в объеме аппарата и уменьшения тол-
щины пограничного слоя.
Суспензирование твердой дисперсной фазы в жидкости ис-
пользуют в процессах промывки осадков методом разбавления»
ГО
Оно предшествует также процессу растворения и протеканию ге-
терофазной реакции. Образование суспензии в аппаратах с мешал-
кой возможно при соответствующих осевых скоростях жидкости
в аппарате, ниже которых дисперсные частицы будут седименти-
ровать на дно аппарата. Интенсивность перемешивания в этом
случае можно рассчитать исходя из закона Стокса (см. гл. 6) и
насосного эффекта мешалки.
В аппаратах с мешалками условно различают два вида цир-
куляции: окружную и радиально-осевую. Окружная скорость
циркуляции Wo связана с движением массы жидкости вокруг оси
вращения мешалки. Радиально-осевая скорость циркуляции о>ц
представляет собой составляющую общего потока, учитывающую
движение частиц жидкости в вертикальных (меридиональных)
плоскостях, пересекающих ось аппарата. Последнюю иногда назы-
вают просто циркуляцией. Она связана с насосным эффектом ме-
шалки зависимостью о?ц = 1,9Ун.
Поделив значение на половинное значение площади попе-
речного сечения аппарата, можно приближенно определить сред-
нее значение осевой скорости жидкости в аппарате, которое долж-
но быть не менее скорости свободного оседания наиболее крупных
частиц суспензии. В случае рамных и якорных мешалок осевую
скорость жидкости можно принять равной 0,05 от значения окруж-
ной скорости.
При растворении твердого тела в жидкости строгая равномер-
ность концентрации взвеси во всем объеме аппарата существен-
ного значения не имеет, но важно, <»чтобы все частицы твердого
тела находились в жидкости во взвешенном состоянии и была
создана достаточно большая турбулентность жидкости вокруг зе-
рен в целях уменьшения толщины ламинарного слоя на границе
жидкость — твердое тело. Для этой цели рекомендовано проекти-
ровать аппараты с мешалками на минимальную частоту враще-
ния, необходимую только для создания суспензии, поскольку даль-
нейшее ее увеличение оказывает уже незначительное влияние на
скорость растворения. Это будет понятно, если учесть, что мощ-
ность, расходуемая при турбулентном режиме на перемешивание,
возрастает пропорционально третьей степени частоты вращения, а
интенсивность массообмена — в степени 0,5—1. Минимальную ча-
стоту вращения (п0, с-1) мешалки для создания взвеси можно
определить по формуле:
п0 = ы°-25 Ap0’6X0’17^1/z0-,9n/(d2’09p^7). (4.30)
Здесь k — коэффициент, равный для турбинной мешалки 12,9, для пропел-
лерной — 28,8; d4 — диаметр частиц, м; Ар = рт — рж — разность плотностей
твердой и жидкой фаз; X — массовое отношение содержания твердой фазы к со-
держанию жидкой; h — высота расположения мешалки, м; D и d — диаметры
соответственно аппарата и мешалки, м.
Теплоотдача в аппаратах с мешалками — явление более слож-
ное, чем в трубчатых теплообменниках, из-за сложной гидро-
динамики процесса. Коэффициенты теплоотдачи в аппаратах
71
с мешалками различны и зависят от многих факторов. Экспери-
менты показывают, что в случае турбинных мешалок, создающих
радиальный поток жидкости, наиболее интенсивная теплоотдача
происходит на уровне установки мешалки. Поэтому далее будет
обсуждаться только среднее значение коэффициента теплоотдачи,
действительное для всей поверхности.
Коэффициент теплоотдачи сст в аппаратах с мешалками пред-
ложено рассчитывать по формуле:
Nu = k Re0’67 Рг0-33 (Нж/Нст)0,14. (4.31)
Здесь Nu = a.DI'K — критерий Нуссельта; k — коэффициент пропорциональ-
ности; Re — рпсР/цж— критерий Рейнольдса; Рг = сцжД— критерий Прандтля;
Цж — динамическая вязкость жидкости при средней температуре (/СР. ж + *ст)/2,
Па-с; Цст — динамическая вязкость жидкости при температуре стенки рубашки;
7. — коэффициент теплопроводности, Вт/ (м К); с — теплоемкость жидкости,
Дж/К; ?ср. ж — средняя температура жидкости, К; tex — температура стенки, К.
Для турбинных, лопастных, рамных мешалок, работающих в
сосудах без отражательных перегородок, k — 0,36. В сосудах с пе-
регородками для турбинных мешалок k = 0,74. Для пропеллерных
мешалок, работающих в сосудах с перегородками и без них, k
можно принять равным 0,51. Эти значения коэффициента k спра-
ведливы при следующих значениях инвариантов геометрического
подобия: для турбинных мешалок D/d — 3, H/D = 1, h/D — Уз*,
для пропеллерных мешалок D/d = 3, H/D = 1; h/d — 1; для ло-
пастных D/d = 2, h/D = 0,3.
При отличии геометрических параметров от указанных в урав-
нении (4.31) следует вводить поправочный коэффициент.
В аппаратах со змеевиками коэффициент теплоотдачи меньше,
чем в аппаратах с рубашками. Для гидродинамически подобных
систем при одинаковых поверхностях змеевика и рубашки имеется
соотношение:
«зм = 0,65аРУб. (4.32)
Наличие взвешенных частиц в жидкости уменьшает значение
коэффициента теплоотдачи пропорционально объемной доле ча-
стиц в суспензии.
Растворение (декристаллизацию) большинства солей и других
твердых веществ можно рассматривать как сравнительно быструю
реакцию взаимодействия их с водой (или другим растворителем),
протекающую поэтому в диффузионной области.
Скорость процесса растворения выражается формулой:
^L==feMF(C*-CT). (4.33)
а%
Здесь т — масса растворяющегося вещества, кг; kM — константа скорости
растворения (коэффициент массопередачи); F— суммарная площадь поверхности
частиц растворяемого вещества к моменту времени т, м2; С* — концентрация
насыщения, кг/м3, С — концентрация к моменту времени т, кг/м3.
Массу растворенного за определенное время вещества пи в
случае полного растворения или время растворения т можно рас-
72
считать по формуле:
тА == W» (ДСн ’ ДСк) М3 1П (ДСн/ДСк)]- <4'34)
Здесь FH — начальная площадь поверхности частиц, м2; ДСН, ДСК — движу-
щие силы процесса [можно вычислить, зная концентрацию насыщения С* и кон-
центрации раствора в начале (Сн) и конце (Ск) процесса].
Для пользования формулой (4.34) необходимо иметь экспери-
ментально определенную зависимость kM от температуры, скорости
движения жидкости или интенсивности перемешивания. Значение
коэффициента массоотдачи зависит от химической природы рас-
творяемого вещества и жидкости.
Константу скорости растворения для диффузионнорастворяю-
щихся солей можно определить по формуле:
в «м ДЛЖ’ (пРж)2/з- (4.35)
Здесь <Хм — постоянная для всех диффузионнорастворяющихся солей (коэф-
фициент массоотдачи; <хм = 70±10); — эффективный (при = 1) коэф-
фициент диффузии.
Значение £)рж можно определить из равенства:
(ПИж)с г = (ПИж)с ^7/298.
Здесь (£)рж)с, т и (£>р.ж)с, 298 — эффективные коэффициенты диффузии соли
при концентрации раствора С и температурах Т и 298 К.
Значения 7)рж или рж при 298 К (25 °C) для растворов многих
солей имеются в справочной литературе.
Большинство исследованных сол°ей растворяются по диффузи-
онному механизму (NaCl, КС1, Na2SO4- 10Н2О, K2SO4, M.gSO4»
•7Н2О, CaSO4-2H2O, CuSO4-5H2O, Na2SO4-MgSO4-4H2O и др.).
Недиффузионно (кинетически) растворяются MgSO4-H2O и K2SO4«
•2MgSO4.
Перемешивание при растворении солей необходимо для:
уменьшения толщины ламинарного диффузионного слоя у по-
верхности твердых частиц за счет увеличения скорости движения
жидкости;
выравнивания за кратчайшее время концентрации растворен-
ного вещества по всему объему и поддерживания тем самым воз-
можно высокой движущей силы процесса (С* — Сх).
Кристаллизация — процесс, противоположный растворению, и
поэтому для определения массы выкристаллизовавшегося веще-
ства можно пользоваться формулой (4.34), подставляя вместо FH
конечную площадь поверхности твердой фазы FK.
При кристаллизации протекают два основных параллельных
процесса: образование зародышей кристаллов и их линейный рост.
Соотношение скоростей этих процессов определяет значение ко-
нечной поверхности твердой фазы. Перемешивание ускоряет оба
процесса, но в разной степени. Когда необходимо получать кри-
сталлы с минимальной удельной поверхностью, т. е. крупные, то
рыбирают оптимальную интенсивность перемещивания,
73
В общем случае можно записать:
£м = t (Re, Ar, £),
FK == f (Re, Ar, £, AC). (4.36)
Здесь E — энергия активации процесса, Дж/моль; AC — абсолютное пересы-
щение раствора.
При абсорбции труднорастворимых газов сопротивление мас-
сопередаче оказывает в основном жидкая фаза, и сопротивлением
газовой фазы при расчетах можно пренебречь. Тогда скорость про-
цесса абсорбции запишется:
М = aMF АРср. (4.37)
Здесь F— площадь поверхности раздела фаз, м2; АРср — движущая сила
процесса (разность между парциальным и равновесным давлением газа).
При барботаже, например, диоксида углерода через щелочные
растворы и кислорода через растворы солей коэффициент массо-
отдачи можно рассчитать по уравнению:
= 0,33 W (_!Ьр_у5. (4.88)
Ож V Иж •/ V. Рж-^ж J
Здесь d и dr — диаметры соответственно мешалки и пузырьков газа, м;
£)ж — кинематический коэффициент диффузии в жидкой фазе.
Уравнение (4.38) справедливо при значениях критерия Рей-
нольдса Re = /idf/грж/цж = 200 4- 4000 для аппарата с турбинной
мешалкой и отражательными перегородками, имеющем инвариан-
ты геометрического подобия: h/D — 0,3; d/D = 0,3 и H/D = 1.
Диаметр пузырьков связан функциональной зависимостью с
удельной межфазной поверхностью Fr ,(м2/м3) и объемной долей
Фг пузырьков газа в жидкости:
dr = 6ФГ/£Г. (4.39)
Максимальный размер пузырьков в турбулентном потоке жид-
кости определяется отношением сил динамического давления, стре-
мящихся раздробить их, к силам поверхностного натяжения, ока-
зывающим обратное воздействие. Поэтому наиболее интенсивное
дробление пузырьков происходит на концах лопаток мешалки.
С уменьшением размера пузырьков снижается скорость их всплы-
вания, что приводит к увеличению объемной доли газа в жидкости.
Объемная доля пузырьков газа, содержащихся в жидкости, не
является постоянной величиной и зависит от многих параметров
процесса: физических свойств системы, расхода газа, инвариантов
геометрического подобия, способа подачи газа и интенсивности
перемешивания. По В. В. Кафарову значение ег для турбинных ме-
шалок определяется из зависимости
ФГ/А*=/(А), (4.40)
которая представлена на рис. 4.6.
74
Здесь
А = (H/D)0'4 [Vr We/(nrf3)]0’67^
/С =1O0,003 (1 — цж/цв),
(4.41)
(4.42)
Vr — расход газа, м3/с; We = п2сРрж/о — критерий Вебера для процессов пере-
мешивания; о — поверхностное натяжение жидкости, Н/м; Fr — n2d/g—критерий
Фруда для процессов перемешивания; цв — динамическая вязкость воды, Па • с.
Удельная межфазная поверхность может быть рассчитана по
формуле:
(4.43)
Здесь N/V — мощность, приходящаяся на единицу объема раствора: цг —
динамическая вязкость газа, Па-с.
При механическом перемешивании в случае абсорбции труд-
норастворимых газов достигается:
Рис. 4.6. График функции Фг//С = /И).
увеличение межфазной поверхности, вызванное дроблением пу-
зырьков под влиянием тангенциальных напряжений;
возрастание времени контакта фаз, вызванное тем, что в ре-
зультате дробления пузырьков уменьшается скорость их всплы-
вания;
уменьшение толщины ламинарного диффузионного слоя, через
который молекулы газа должны проникнуть в жидкость;
равномерное распределение пузырьков газа во всем объеме
жидкости.
При пропускании газа через перемешиваемую жидкость вяз-
кость и плотность системы снижаются, что приводит к уменьше-
нию критерия мощности перемешивания:
Здесь Kn, Knt — критерий мощности перемешивания для жидкости и газо-
жидкостной системы; Е параметр снижения мощности.
75
Для аппаратов, имеющих отношение D/d — 3, параметр £ в
первом приближении можно определить по формулам:
Е = 1 — 1,2КГ (при 0 < Кг < 0,04),
Е = 0,6 — 1,4КГ (при 0,04 < Кг < 0,25).
Критерий подачи газа Кг определяют из соотношения:
Кг = Vr/(nd3).
4.4. АППАРАТЫ С МЕШАЛКАМИ И ИХ ВЫБОР
Аппараты с мешалками имеют самое разнообразное примене-
ние. Они могут быть использованы в качестве подогревателей, вы-
Рис. 4.7. Схема работы турбинной и пропеллерной мешалок'.
а— турбинная, аппарат с перегородками; б — пропеллерная, аппарат с перегородками; в —
пропеллерная, аппарат без перегородок.
парных аппаратов, кристаллизаторов, смесителей, растворителей,
реакторов и абсорберов.
Конструкция мешалки, как и тип сосуда, играют наиболее
важную роль в процессе перемешивания. Так, аппарат с отража-
тельными перегородками обеспечивает режим перемешивания
иной, чем аппарат без перегородки, даже если в них установлена
одна и та же мешалка.
В основной неорганической технологии используют пропеллер-
ные, турбинные, лопастные и рамные мешалки. В наиболее об-
щем случае их можно разделить на быстроходные и тихоходные.
76
К быстроходным относят пропеллерные и турбинные мешалки.
Эти мешалки в зависимости от формы лопастей и способа их уста-
новки могут создавать радиальный, осевой и радиально-осевой по-
токи жидкости. Быстроходные мешалки обычно работают в аппа-
ратах с отражательными перегородками. Отсутствие перегородок
приводит к завихрению жидкости и образованию воронки (рис. 4.7).
При этом жидкость плохо перемешивается, снижается турбулент-
ность потока и полезный объем аппарата.
Число перегородок в аппаратах составляет обычно четыре, а
ширина их В 0,17). В случае жидкостей, имеющих вязкость,
близкую к вязкости воды, перегородки располагают у самой стенки
Рис. 4.8. Типы мешалок:
а, б — турбинные с наклонными лопатками; в —^трехлопастная; г, д турбинные с пря-
мыми лопатками; е — лопастная; ж—и — рамные.
аппаратов. Для жидкостей с повышенной вязкостью (ц > 7 Па-с)
такое расположение перегородок приводит к образованию застой-
ных зон вокруг перегородок, поэтому в этом случае их распола-
гают на некотором расстоянии (0,2 — 0,5 В) от стенки аппарата.
Роль перегородок, предотвращающих образование воронок, могут
исполнять стойки змеевиков, гильзы термометров, погруженные
патрубки наполнения и т. д.
К тихоходным относят лопастные и рамные мешалки. Они соз-
дают в основном окружной поток жидкости.
Наиболее часто применяемые типы мешалок показаны на
рис. 4.8. ГОСТ 20680—75 регламентирует 12 основных типов ме-
шалок.
Выбор мешалки
В литературе отсутствует универсальный критерий, который
позволил бы сделать выбор соответствующей мешалки для дан-
ного процесса. При выборе мешалки часто руководствуются
опытными данными (лабораторными и промышленными).
ВажнуЩ роль при выборе мешалки играют физические пара-
метры жидкости и, прежде всего, вязкость и объем жидкости.
77
Предварительный выбор типа мешалки можно сделать по рис. 4.9,
где соответствующая кривая показывает ограничение верхнего
диапазона работы мешалки данного типа. Турбинные мешалки
могут быть использованы, как это видно из рисунка, в более
широком диапазоне вязкостей жидкости, чем пропеллерные. Окон-
чательный выбор мешалки производят из учета назначения про-
цесса и свойств перемешиваемой
системы и мешалки.
Пропеллерные (винтовые) ме-
шалки) (рис. 4.10) считают наибо-
лее эффективными, когда необхо-
димо создать в аппарате значитель-
ную осевую циркуляцию при мини-
мальном расходе энергии. Отноше-
Рис. 4.9. Диапазон применения раз-
личных типов мешалок:
1 — модифицированные лопастная и рам-
ная; II — лопастная и рамная; //7—тур-
бинная; IV — пропеллерная.
Рис. 4.10. Пропеллерная (винтовая)
мешалка.
ние диаметра мешалки к диаметру аппарата составляет d/D =
= 0,20 4- 0,33; окружная скорость концов лопастей и = 3,6 4-
4- 16 м/с.
Одной из наиболее важных характеристик винтовой мешалки
является ее шаг, связанный с углом наклона а лопасти на ра-
диусе г зависимостью:
а = 2лг tg а.
Обычно эти мешалки конструируют с неизменным шагом по
радиусу. Наклон лопастей меняется. Минимальный наклон — на
наружной поверхности, максимальный — у втулки. Наиболее рас-
пространены мешалки с шагом а = d или а ж 18°. Встречаются
также мешалки, имеющие угол наклона конца лопастей 45°. Эти
мешалки имеют шаг а = nd. Они обеспечивают лучшую циркуля-
цию жидкости в аппарате.
Иногда пропеллерные мешалки снабжают диффузором (цирку-
ляционной трубой), который дает возможность обеспечить явно
осевую циркуляцию жидкости в аппарате и позволяет устанавли-
вать пропеллер выше, что сокращает длину вала.
Пропеллерные мешалки имеют от 2 до 4 лопастей (чаще 3)
и частоту вращения 7—40 с-1. При отношении a/d = <x> пропел-
лерная мешалка превращается в турбинную с прямыми лопат-
ками эллиптической конфигурации.
78
Пропеллерные мешалки наиболее эффективны при необходи-
мости создания значительной циркуляции жидкости в аппарате,
особенно в сосудах с выпуклым дном. В аппаратах с плоским
дном применять их не следует. Диаметр дисперсных частиц не
должен превышать 0,5 мм, а их объемная доля 10 %.
При перемешивании в очень больших емкостях пропеллерные
мешалки дают больший эффект, чем турбинные, но они неприем-
лемы для диспергирования газа в жидкости.
Ввиду сложности изготовления винтовых мешалок рекомен-
дуется вместо них использовать трехлопастные мешалки с углом
наклона лопаток к плоскости вращения 24° и их шириной b —
~ 0,2d (см. рис. 4.8,в). Эти мешалки имеют характеристики,
близкие с винтовыми.
Турбинные мешалки снабжены 4—8 лопатками (обычно 6).
Отношение d/D, как и для пропеллерных, составляет 0,20—0,33.
Частота вращения п — 2 4- 20 с“1, так что окружная скорость
и — ndn концов лопаток колеблется в пределах 3—16 м/с.
Турбинные мешалки с прямыми лопатками (см. рис. 4.8, г, д)
создают в основном радиальный поток жидкости, а мешалки с на-
клонными лопатками (см. рис. 4.8, а, б)—радиально-осевой поток.
Угол наклона лопаток составляет обычно 45°.
Рекомендуется использовать турбинные мешалки для процес-
сов растворения, теплообмена, суспензирования, абсорбции газов
и проведения химических реакций.
В процессах с использованием суспензий предпочтительно при-
менять турбинные мешалки с наклонными лопастями, предупреж-
дающими седиментацию частиц.
Быстроходные мешалки устанавливают в сосуде на высоте
~0,3D. Высота жидкости в аппарате составляет (1,0—1,3)D.
Лопастные мешалки (см. рис. 4.8, е) отличаются от турбинных
отношением d/D, частотой вращения и числом лопастей. Диаметр
d и ширину Ь лопастей обычно принимают в пределах d =
= (0,5 4- 0,8)D и b = 0,Id. Высота установки от дна сосуда h~
= (0,1 4- 0,3) D, а высота жидкости в сосуде Н = (0,8 4- 1,3) D.
Число лопастей составляет обычно 2, редко 4. Для перемешивания
в высоких аппаратах на одном валу можно установить несколько
мешалок по высоте, расстояние между которыми выбирают
0,3—0,8d. Окружная скорость их находится в пределах 1,5—5 м/с.
Лопасти мешалок располагают обычно вертикально или с накло-
ном в 45°. Наклонные лопасти более интенсивно перемешивают
жидкость, чем прямые.
Лопастные мешалки из-за простоты изготовления являются
наиболее давними перемешивающими устройствами в химической
промышленности и применяются до настоящего времени в тех слу-
чаях, когда нет необходимости в интенсивной радиально-осевой
циркуляции жидкости в аппарате. Они создают главным образом
окружную циркуляцию жидкости и лишь незначительную радиаль-
но-осевую. Недостаток их — слабая интенсивность перемешивания.
Рамные мешалки (см. рис. 4.8, ж—и) отличаются низкими зна-
чениями частоты вращения (0,3—1 с-1) и окружной скорости
(0,5—2,5 м/с). Диаметр мешалок приближается к диаметру аппа-
рата, и зазор между лопастью и стенкой сосуда обычно находится
в пределах (0,005—0,l)D; b — 0,06d. Рамные мешалки можно ис-
пользовать для перемешивания жидкостей (суспензий) с высокой
вязкостью (до 100 Па-с).
Для усиления турбулентности жидкости и интенсивности пе-
ремешивания во всем объеме аппарата внутри рамы могут уста-
навливаться дополнительные мешалки, лучше всего с наклонными
лопастями (см. рис. 4.8, з).
Используют рамные мешалки при необходимости создания
интенсивного перемешивания за счет окружной циркуляции. Они
препятствуют (замедляют) обрастанию стенок аппарата твердыми
частицами вследствие высоких скоростей жидкости вдоль стенок.
Выбор аппарата
Сосуды для аппаратов имеют цилиндрическую форму и пло-
ское, коническое либо эллиптическое днище. Обычно их устанав-
ливают вертикально. В настоящее время химическое машинострое-
ние изготовляет 10 типов стандартизированных сосудов для аппа-
ратов с мешалками (ГОСТ 20680—75) вместимостью от 0,01 до
100 м3 и диаметром от 273 до 3200 мм. Они могут работать под
вакуумом и под давлением до 6,4 МПа. Корпуса аппаратов изго-
тавливают в 22-х исполнениях.
Индекс стандартного аппарата обозначают по ГОСТ 25167—82
следующим образом. Например, индекс 1110-25-0,6У-001-У2 озна-
чает, что аппарат имеет эллиптическое днище и приварную эллип-
тическую крышку — первая цифра (1); гладкую приварную ру-
башку— вторая цифра (1); рамную мешалку (10); вместимость
25 м3; может работать под давлением 0,6 МПа; выполнен из угле-
родистой стали — буква У; номер модели 001, следующая буква У
указывает климатическое исполнение, а последняя цифра (2)—ка-
тегорию размещения.
Выбор и заказ стандартных аппаратов с мешалками произво-
дят по каталогам.
Внутри корпуса аппарата могут быть смонтированы перего-
родки для предотвращения завихрения жидкости и образования
воронки. Наличие отражательных перегородок в аппарате вызы-
вает значительное увеличение потребляемой мешалкой мощности,
но мало влияет на интенсивность массообмена. Поэтому размеще-
ние их в растворителях и кристаллизаторах считается нецелесооб-
разным.
Корпус аппарата может быть изготовлен цельносварным
(рис. 4.11, а) или со съемной крышкой (рис. 4.11,6). На крышке
аппарата располагают штуцеры для наполнения, монтажа конт-
рольно-измерительных приборов, смотровые окна и люк, служащий
для осмотра внутренней поверхности и ремонта. По требованию
монтажных условий аппараты изготовляют с боковыми лапами
80
и нижним штуцером для опорожнения (рис. 4.11,6) или на стой-
ках, приваренных к днищу и с трубой для передавливания
(рис. 4.11, а) сжатым воздухом или инертным газом. Аппараты
последней конструкции используют обычно для периодического
процесса.
В зависимости от условий ведения технологического процесса
аппараты изготовляют с теплообменной рубашкой или без нее.
Рис. 4.11. Реакторы с мешалками:
а — периодического действия с рамиой мешалкой и трубой передавливания; б — непрерывного
действия с пропеллерной мешалкой и диффузором.
1 — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — сальниковые уплотнения; 4 — люк; 5 — термометр;
6 — штуцер для подачи пара; 7 — штуцер для конденсата; 8 — опорная лапа; 9 — воздуш-
ник; 10 — труба передавливания; 11 — штуцеры для подачи реагентов; 12 — сливной шту-
цер; 13 — диффузор; 14 — штуцер опорожнения.
Если разбавление раствора не играет существенной роли, нагрев
его можно производить острым паром, подаваемым через эжектор,
введенный в раствор. Использовать аппараты со змеевиками в про-
изводстве кристаллических веществ нежелательно из-за быстрого
их обрастания осадком и затруднения очистки.
При необходимости быстрого смешения двух растворов шту-
церы ввода обоих растворов размещают в верхней части централь-
ной трубы, охватывающей вал мешалки. Верхняя часть трубы вы-
ступает из раствора, а нижняя подходит к пропеллерной мешалке,
толкающей раствор вниз. Такая конструкция аппарата позволяет
быстро смешивать концентрированные растворы, не разбавляя их
прореагировавшим раствором, что важно при проведении процесса
с целью получения высокодисперсного осадка (например, в произ-
водствах сульфата и карбоната бария).
Быстрое снижение пересыщения (при получении крупнокри-
сталлического осадка) достигается за счет разбавления исходных
реагентов прореагировавшей смесью. Для этого растворы вводят
Раствор
Рис. 4.12. Каскад аппаратов с мешалками (батарея кристаллизаторов).
в реактор через погружные штуцеры, опущенные до нижнего
среза диффузора, в котором расположена пропеллерная мешалка,
толкающая раствор вверх (рис. 4.11,6). Имеющаяся в реакторе
твердая фаза может служить затравкой для вновь кристаллизую-
щегося вещества.
Хотя конструкции аппаратов с мешалками и относятся к аппа-
ратам идеального смешения, в непрерывных процессах полное
смешение не может быть достигнуто в одиночном аппарате. Кроме
того, при ведении процессов массообмена (растворение, кристал-
лизация и т. д.) в нем трудно обеспечить необходимое время пре-
бывания твердых частиц. Поэтому аппараты смешения объединяют
в многоступенчатые системы, в которых раствор перетекает из
одного аппарата в другой самотеком.
Конструктивно многоступенчатые системы оформляют или
в виде каскада последовательно соединенных аппаратов (рис. 4.12)
или в виде горизонтального аппарата, разделенного на секции пе-
регородками (рис. 4.13).
В аппаратах (секциях) большой вместимости для создания
интенсивного перемешивания во всем объеме следует устанавли-
вать несколько мешалок (рис. 4.13, а).
В случаях, когда выравнивание концентрации раствора по
всему объему аппарата несущественно, но необходимо продолжи-
тельное пребывание частиц (медленно оседающих) в аппарате,
используют обычно сосуды с большим отношением H/D, снабжен-
ные рамными или лопастными мешалками, создающими интен-
сивную окружную циркуляцию (например, смеситель известкового
82
молока с фильтровой жидкостью содового производства или кау-
стификатор первой ступени каустификации в производстве едкого
натра известковым способом).
При абсорбции газов можно использовать аппараты, высота
которых в несколько раз превосходит диаметр, а на валу распо-
ложены несколько турбинных мешалок на расстоянии 0,8D друг
а 6
Суспензия сроссрогипса
б кислоте
Рис. 4.13. Реакторы производства экстракционной фосфорной кислоты:
а — цилиндрический секционный экстрактор; б — прямоугольный секционный экстрактор.
от друга. Такое решение дает возможность обеспечить интенсив-
ное перемешивание во всем объеме, добиться большого и точно
определенного времени контакта, что в итоге позволяет достичь
большой движущей силы процесса. Расход энергии в этом случае
ниже, чем в аппарате большего диаметра с одной мешалкой. При
установке на одном валу нескольких мешалок расстояние между
ними не должно быть менее d и обычно не превышает 3d. Уровень
жидкости над верхней мешалкой составляет (1,5—2,0) d.
Принцип масштабирования аппаратов с мешалками
Принцип масштабирования, т. е. увеличение размеров модели
до размеров промышленного аппарата, заключается в том, чтобы
качественно одинаковые явления были в них подобны. Здесь не-
достаточно только сохранения геометрического подобия, необхо-
димо равенство определяющих процесс критериев.
Допустим, что определяющей стадией процесса является теп-
лоотдача и нужно сохранить значение коэффициента теплоотдачи,
которое находят из уравнения (4.31):
CtD/Л = k (Ржга<^2/Нж)а (^Р’ж)М)^ (Рж/Рст)т-
Если объединить величины, одинаковые в модели и в промыш-
ленном аппарате, в постоянный множитель /, то можно записать:
а = МаЛ)-1. (4.44)
83
Рис. 6.15. Подвесная центрифуга:
/ — металлоконструкция; 2 — лоток; 3 — механизм среза осадка; 4 — корпус подшипников;
5 — корпус привода; 6 — электродвигатель; 7 — муфта; 8 — тормоз; 9 — амортизатор; 10 —•
привод; II — вал; 12 — кожух с крышкой; 13 — ротор.
114
Учитывая, что в модельном аппарате и аппарате натурального
размера используют одну и ту же жидкость и /м = /и, получим
уравнение:
а /ам =
н/м НН Н / \ М М М/
или
= (4.46)
При сохранении геометрического подобия отношение D/а
в обоих аппаратах будет одинаковым и равно, например, f. Тогда
выражение (4.45) можно переписать в следующем виде:
па1п“ = Л/(Л ) = d^~4dla~x
н/м М Н/ \ Н М/ м / н
(4.45)
(2а-1
или
2а-1
пи/пм — (^мМн) а • (4.47)
Таким образом, частота вращения мешалки в промышленном
аппарате будет меньше, чем в модельном.
Потребляемую мешалкой мощность определяют по уравнению:
W = Kpn3d5.
Отсюда можно записать:
= «/(«Х)- <4-48)
Подставляя в это уравнение значение п из (4.47), получим:
3 2а-1
ВДУм = (dM/dH) а (JhMm)5
или
-1-1
^н/^м=(^нМм)а • (4.49)
Подставляя а — 0,67 из выражения (4.31) в уравнения (4.47)
и (4.49), получим, что увеличение размера аппарата при сохране-
нии значения коэффициента теплоотдачи должно сопровождаться
уменьшением частоты вращения мешалки пропорционально отно-
шению dM/dH в степени 0,5 и увеличением мощности, потребляемой
мешалкой, пропорционально отношению d^/d™ в степени 3,47.
Глава 5.
КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ
Методы кристаллизации. Для осуществления процесса кристал-
лизации необходимо создать в растворе пересыщение. По способам
его создания различают следующие методы кристаллизации:
1) изогидрическая, при которой содержание растворителя в си-
стеме не изменяется, а пересыщение создается за счет охлаждения
раствора;
84
2) изотермическая — пересыщение создается вследствие удале-
ния части растворителя испарением;
3) кристаллизация в результате химической реакции с образо-
ванием труднорастворимых веществ;
4) кристаллизация высаливанием, при котором пересыщение
создается путем введения в раствор постороннего вещества, вы-
зывающего понижение растворимости целевого продукта;
5) кристаллизация вымораживанием — пересыщение в растворе
создается благодаря удалению части растворителя в виде льда.
Последние два метода кристаллизации в неорганической тех-
нологии используют очень редко. По способу создания пересыще-
ния кристаллизаторы можно условно подразделить на три группы:
1) аппараты изогидрической кристаллизации;
2) аппараты изотермической кристаллизации;
3) вакуум-кристаллизаторы, в которых пересыщение создается
за счет охлаждения раствора при самоиспарении его под вакуу-
мом. При этом удаляется до 10—15 % растворителя.
Кристаллизаторы, в которых пересыщение создается химиче-
ской реакцией, рассматривают обычно как реакторы с мешалками
(например, реакторы в производствах сульфата и карбоната ба-
рия или смеситель в отделении дистилляции содового производ-
ства).
Кристаллизаторы изогидрической кристаллизации используют
как для периодического, так и для непрерывных процессов. Про-
стейшим кристаллизатором этого вида является аппарат с мешал-
кой и рубашкой.
В периодически работающие кристаллизаторы охлаждающую
воду подают в рубашку обычно спустя некоторое время после
заполнения их горячим раствором, когда в растворе образуются
первичные зародыши, выполняющие роль затравки. Расход охлаж-
дающей воды регулируют так, чтобы разность температур между
охлаждающей поверхностью и раствором не превышала 10 °C. Эти
меры позволяют получить более крупнокристаллический продукт.
При непрерывном ведении процесса кристаллизации аппараты
с мешалками и рубашками соединяют в батарею каскадно распо-
ложенных кристаллизаторов (см. рис. 4.12). Для уменьшения
вероятности проскока неохлажденных порций в следующую сту-
пень каскада раствор вводят в аппарат снизу через специальный
карман или погружной штуцер, а выводят сверху.
Интенсивное перемешивание обеспечивает быстрое выравни-
вание концентрации (степени пересыщения) по всему объему
раствора и в принципе должно приводить к получению крупных
кристаллов. Однако перемешивание не на все растворы действует
одинаково. Например, оно приводит к получению крупных кри-
сталлов K2SO4 и очень мелких кристаллов Na2SO}-ЮН2О. В по-
следнем случае должны использоваться кристаллизаторы со сла-
бым перемешиванием. Такими аппаратами являются кристаллиза-
торы со шнековой (ленточной) мешалкой и барабанный кристал-
лизатор с воздушным охлаждением.
85
Элемент шнекового кристаллизатора имеет ширину примерно
600 мм, длину около 3 м и снабжен водяной рубашкой. Ленточная
(шнековая) мешалка, вращаясь со скоростью 0,5—1,0 рад/с, соз-
дает слабое перемешивание раствора, достаточное, однако, для
поддержания кристаллов во взвешенном состоянии. Аппарат со-
стоит обычно из четырех элементов. Переток охлаждающей
воды из одной секции в другую осуществляется через соедини-
тельные патрубки, что предупреждает смешение воды вдоль всей
рубашки.
Производительность аппарата при среднем значении коэффи-
циента теплопередачи 60—120 Вт/(м2-К), зависящем от свойств
раствора, составляет до 1200—1600 кг/ч. Если требуется большая
производительность, то монтируют несколько четырехсекционных
кристаллизаторов друг над другом, что одновременно обеспечи-
вает движение раствора из аппарата в аппарат самотеком и эко-
номию производственной площади.
Подача воды в батарею (каскад) кристаллизаторов водяного
охлаждения противотоком более экономична и позволяет избе-
жать резкого охлаждения раствора. Увеличение числа ступеней
в каскаде приводит к уменьшению пересыщения на каждой сту-
пени, что способствует получению более крупных кристаллов. При
необходимости охлаждения раствора до низких температур в ру-
башки аппаратов последних ступеней вместо воды подают холо-
дильный рассол, что позволяет снизить температуру маточного
раствора до —5 4- 10 °C.
Кристаллизатор с воздушным охлаждением представляет собой
теплоизолированную снаружи трубу диаметром от 0,6 до 1,0 м,
длиной 16—20 диаметров, опирающуюся бандажами на ролики
и приводимую во вращение электромотором через редуктор и зуб-
чатый венец со скоростью 1,43—1,87 рад/с. Раствор охлаждается
струей воздуха, подаваемого вентилятором внутрь барабана про-
тивотоком движению раствора. Конец барабана, откуда выходит
влажный воздух, помещается в кожух, соединенный с вытяжной
вентиляцией.
Недостаток этих кристаллизаторов — их производительность
сильно зависит от погодных условий (температуры и влажности
воздуха).
Для кристаллизации расплавов и сильно инкрустирующих кри-
сталлогидратов солей, когда объем остающегося маточного рас-
твора невелик по сравнению с выходом кристаллов, используют
вальцовые кристаллизаторы. Они представляют собой полый мед-
ленно вращающийся барабан, касающийся поверхности раствора
(расплава) и охлаждаемый изнутри водой. Закристаллизовав-
шийся продукт с поверхности барабана срезается ножом.
Вальцовые кристаллизаторы используют, например, для полу-
чения в виде чешуек кристаллов гидроксида натрия, Na2S-9H2O,
Na2Cr2O7-2H2O и др. Но продукты в этом случае обычно загряз-
нены примесями, так как они содержат в себе значительную часть,
а иногда и весь маточный раствор.
86
Вакуум-кристаллизаторы благодаря своим достоинствам все
более вытесняют кристаллизаторы изогидрической кристаллиза-
ции из промышленности. Они в значительно меньшей степени под-
вержены инкрустациям. Это обусловлено тем, что вскипание,
а следовательно, и охлаждение раствора происходит в объеме,
а не у стенок аппарата. Стенки обрастают солью в основном на
уровне поверхности раствора. Отсутствие теплопередающих по-
верхностей позволяет футеровать их любым коррозионностойким
Рис. 5.1. Горизонтальный многоступенчатый вакуум-кристаллизатор:
1 — корпус; 2 — перегородки; 3 — труба для отвода суспензии; 4 — лопастная мешалка; 5 —
штуцер; 6 — разбрызгивающее устройство.
материалом, в том числе и с малой теплопроводностью. Выделяю-
щаяся теплота кристаллизации полезно расходуется в них на ис-
парение растворителя.
Использование многокорпусных (многоступенчатых) вакуум-
кристаллизационных установок (ВКУ) позволяет снизить перепад
температур между корпусами, что ведет к снижению пересыщения
в каждом корпусе, а следовательно и к увеличению размера кри-
сталлов. При этом уменьшается также обрастание стенок аппа-
рата солью.
Например, использование в процессе кристаллизации КО
14-ступенчатой установки, в которой перепад температур между
ступенями составляет 4—5°, удается получить кристаллы со сред-
ним размером 0,20—0,25 мм вместо 0,05—0,10 мм в однокорпус-
ном аппарате.
Наиболее благоприятным считается охлаждение раствора
в каждой ступени на 2—8 °C. При перепаде менее 2 °C размер кри-
сталлов уже не увеличивается, а при перепаде более 8°C полу-
чаются очень мелкие кристаллы.
Чтобы установку сделать компактнее, иногда в одном корпусе
размещают 2—4 ступени. Например, в калийной промышленности
используют двух-, трех- и четырехступенчатые горизонтальные
вакуум-кристаллизаторы (рис. 5.1) диаметром 3 и 3,6 м и
длиной до 16,4 м. Горизонтальный корпус 1 аппарата разделен на
Ь7
отдельные камеры перегородками 2 с полукруглыми отверстиями
в нижней части для перетока суспензии. В каждой камере поддер-
живается свой постепенно повышающийся вакуум. Горячий раствор
непрерывно поступает в первую ступень по штуцеру 5, а суспен-
зия отводится по трубе 3. Для смыва инкрустаций стенки каждой
ступени могут орошаться водой, подаваемой разбрызгивающим
устройством 6. Лопастная мешалка 4, вращающаяся с частотой
0,25 с-1, способствует выравниванию концентраций и температуры
в объеме раствора и поддерживает кристаллы во взвешенном со-
стоянии, что способствует более равномерному их росту.
Недостатком этих аппаратов является малая высота парового
пространства, что ведет к значительному брызгоуносу и быстрому
зарастанию паровоздушных труб.
Вертикальные вакуум-кристаллизаторы лишены этих недо-
статков, а кроме того, занимают меньше производственной пло-
щади.
Применение в установках пропеллерных мешалок позволяет
интенсивнее проводить испарение растворителей, быстрее вырав-
нивать концентрацию по всему объему раствора и полностью
устранить гидростатический эффект. Последнее обстоятельство
дает возможность приблизить температуру суспензии в последнем
корпусе В КУ к температуре воды, покидающей барометрический
конденсатор (Д/ = 4 4-6°).
При использовании пароструйных эжекторов остаточное дав-
ление в кристаллизаторе может быть снижено до 930 Па
(7 мм рт. ст.), а температура раствора — до 10°C (например,
в производстве гидрата оксида бария).
Большим достинством многокорпусных В КУ является возмож-
ность экономного использования охлаждающей воды и теплоты
конденсации соковых паров, если их направить в поверхностные
конденсаторы, в которые вместо охлаждающей воды подается
какой-либо раствор, подлежащий нагреванию (см. рис. 5.3). Этим
способом в производстве хлорида калия регенерируется до 70 %
всей теплоты, затрачиваемой на нагрев маточного раствора, ис-
пользуемого для выщелачивания сильвинита.
За последнее время широкое распространение получили цир-
куляционные вакуум-кристаллизаторы. Они отличаются от аппа-
ратов со взвешенным слоем высокой производительностью и по-
зволяют получить более крупнокристаллический продукт, например
хлорид и нитрат натрия с размерами частиц до 0,7—0,8 мм.
Благодаря интенсивной циркуляции суспензии горячий питаю-
щий раствор предварительно смешивается с уже охлажденным
маточным раствором, в результате чего температура раствора
становится всего лишь на несколько десятых градуса выше темпе-
ратуры кипения при данном вакууме и при самоиспарении рас-
твора в нем возникает сравнительно небольшое пересыщение. За
счет циркуляции в зоне кипения поддерживается высокое содер-
жание кристаллов, которые быстро снимают пересыщение, снижая
тем самым скорость образования новых зародышей. Это позволяет
й
снабженный смотровыми
Рис. 5.2. Циркуляционный ва-
куум-кристаллизатор:
/ — отбойник; 2 — сепаратор; 3 —
коллектор; 4 — циркуляционная
труба; 5 — центробежный насос; 6,
7, 11 — штуцеры; 8 — труба для от-
вода суспензии; 9 — фонарь; 10 —
соединительная трубка.
также существенно уменьшить или даже устранить образование
инкрустаций.
Схема такого аппарата приведена на рис. 5.2. Горячий раствор
(суспензия) поступает в штуцер 7 и центробежным насосом 5,
где он смешивается с охлажденной суспензией в соотношении
1: 100-4-1 :200, подается в сепаратор 2 по циркуляционной трубе 4,
над которой расположен отбойник 1 для предотвращения брызго-
уноса. Соковый пар отводится через штуцер 11. Суспензия отво-
дится по трубкам 8 через фонарь 9,
окнами и соединенный трубкой 10 с
паровым пространством сепаратора,
что предотвращает накапливание в
нем воздуха. Опорожнение кристалли-
затора в период остановок на ремонт
проводят через штуцер 6.
Во избежание истирания кристал-
лов частота вращения колеса центро-
бежного насоса не должна превышать
500 об/мин, скорость циркуляции 1,5—
2 м/с.
Коллектор 3 с вертикальными
трубами служит для отвода части
маточного раствора, который содер-
жит мелкие кристаллы, в раствори-
тель.
Ведение процесса кристаллизации
с избирательным растворением мел-
ких кристаллов позволяет получить
продукт со средним размером кристал-
лов 0,65—0,80 мм (рис. 5.3). По этой
схеме горячий раствор поступает в
первую ступень В КУ, где в результате
испарения охлаждается. 'Часть соко-
вого пара идет в поверхностный конденсатор 3, а другая часть —
в контактный растворитель 2, орошаемый маточным раствором, со-
держащим мелкие кристаллы и выводимым из последующей (вто-
рой) ступени. В растворителе за счет теплоты сокового пара ма-
точный раствор нагревается на несколько градусов и мелкие кри-
сталлы растворяются. Маточный раствор из растворителя посту-
пает на третью ступень В КУ и т. д.
Кристаллизаторы изотермической кристаллизации представ-
ляют собой выпарные аппараты, обычно с выносной греющей
камерой, а иногда и с принудительной циркуляцией. Эти аппараты
используют для кристаллизации солей, растворимость которых
с повышением температуры мало возрастает или даже несколько
снижается (например, хлориды натрия и бария, сульфат лития).
Удаление растворителя, естественно, приводит к повышению кон-
центрации примесей в растворе, что снижает в последующем ка-
чество продукта.
89
Если кристаллизуемый раствор выпаривается в одном корпусе,
то в нем обычно поддерживают атмосферное давление. Понижен-
ное давление используют только в случае испарения высококипя-
щих растворов.
Понижение давления при выпарке становится экономически
выгодным при организации многокорпусной выпарки, когда соко-
вый пар одного аппарата служит для обогрева последующего.
Питание каждого корпуса раствором осуществляется обычно па-
раллельно. Например, успешно используется для кристаллизации
раствор
Рис. 5.3. Схема ВКУ с избирательным растворением мелких кристаллов:
1 — вакуум-кристаллнзаторы; 2 — растворители мелких кристаллов; 3 — поверхностные кон-
денсаторы; 4 — барометрические конденсаторы; 5 — пароструйный эжектор; 6 — барометри-
ческий бак.
хлорида бария трехкорпусная выпарная установка, разработанная
в УкрНИИхиммаш.
Как изотермическую кристаллизационную установку можно
рассматривать и выпарную установку производства гидроксида
натрия, где в ходе концентрирования из раствора щелочи кри-
сталлизуются хлорид или карбонат натрия.
Для получения крупных кристаллов (средним размером до
2 мм и более) используют выпарные аппараты типа «Кристалл»
с выносной греющей камерой, принудительной циркуляцией и
взвешенным слоем кристаллов.
При выборе типа кристаллизатора учитывают многие факторы:
физико-химические свойства раствора, требования к качеству про-
дукта, особенности технологии данного продукта и технологиче-
ской схемы, достоинства и недостатки кристаллизаторов различ-
ных типов, их производительность. В итоге учет всех этих факто-
ров представляется как оценка технико-экономических показате-
лей производства при использовании данного кристаллизатора.
Окончательный выбор кристаллизатора производят по катало-
гам заводов-изготовителей,
90
Расчет кристаллизаторов всех типов можно провести по мето-
дикам, изложенным в литературе. Выбрать оптимальное число
ступеней В КУ с избирательным растворением мелких кристаллов,
режим ее работы, подобрать основное и вспомогательное оборудо-
вание, можно, решив на ЭВМ. математическую модель данной
установки.
Глава 6
АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ
Разделение суспензий является одной из основных операций
в технологии неорганических веществ, особенно в технологии со-
лей. Эта операция может выступать как подготовительная, про-
межуточная и заключительная стадия производств, характеризую-
щихся различной мощностью и степенью автоматизации.
Движущей силой процессов разделения суспензии могут быть
гравитационное поле земного шара, перепад давлений и центро-
бежная сила. В зависимости от использования указанных потен-
циалов и конструкций аппараты для разделения подразделяют на
отстойники, фильтры, центрифуги и гидроциклоны.
Процесс фильтрования складывается из нескольких отдельных
операций: собственно фильтрование, промывка осадка, его обез-
воживание и удаление с фильтровальной перегородки. На проте-
кание этих процессов решающее влияние оказывают физико-хи-
мические свойства веществ и их суспензий (концентрация, дисперс-
ность осадка и его сжимаемость, адгезионные свойства и т. д.).
Ввиду разнообразия технологических условий и физико-хими-
ческих свойств суспензий разработаны аппараты различных кон-
струкций, приспособленные проводить процессы разделения сус-
пензий и промывку осадков в оптимальных режимах.
6.1. отстойники
Процесс отстаивания используют для отделения жидкой фазы
суспензий от твердой (в процессах очистки рассолов и сточных
вод, водоподготовки и т. п.) либо для повышения концентрации
твердой фазы (обычно проводят перед подачей суспензий на
фильтры или центрифуги). В последнем случае отстойники назы-
вают сгустителями.
Принцип работы отстойников основан на использовании энер-
гии гравитационного поля земного шара.
Скорость (м/с) осаждения (или всплывания) твердых частиц
в жидкости может быть рассчитана, исходя из закона Стокса, по
формуле:
^с = ^(Рт~Рж)/(18М- (6.1)
Влесь 4« — диаметр частиц,
91
Как видно из этой формулы, чтобы ускорить процесс осажде-
ния, нужно уменьшить вязкость жидкости путем ее нагревания и
увеличить размер частиц твердой фазы.
Отстаивание при высоких температурах проводят обычно в тех
случаях, когда необходимость нагрева раствора связана с потреб-
ностями основных технологических стадий процесса. Например,
очищенный раствор хлорида натрия, подаваемый на электролиз,
должен иметь температуру 80°C, поэтому на стадии очистки рас-
сола от солей кальция и магния в отстойниках поддерживают
оптимальную температуру 50°C.
Увеличить размер частиц дисперсной фазы можно, создавая
специальные условия кристаллизации. Однако во многих случаях
их размеры, обусловленные природой кристаллизующегося веще-
ства, остаются весьма малыми (1—10 мкм). Такие частицы осе-
дают очень медленно (менее 0,1 м/ч), и получается довольно
устойчивая суспензия. Причиной такой устойчивости является гид-
ратация (сольватация) поверхности взвешенных частиц, которая
препятствует их слипанию и рекристаллизации. Ускорить оседание
частиц можно за счет добавления в суспензию коагулянтов (фло-
кулянтов), которые вызывают образование хлопьевидной струк-
туры твердой фазы. Образовавшиеся хлопья оседают со значи-
тельно большей скоростью (до 5—7 м/ч).
Однако присутствие коагулянтов допускается, если осадок не
является целевым продуктом. В качестве коагулянтов используют
хлориды и сульфаты алюминия и железа, крахмал, муку и поли-
акриламид (0,1—0,3 % от массы шлама).
Формула (6.1) исходит из допущения, что оседающая частица
имеет форму шара и движется свободно в ламинарном режиме
(Re<2). В случае переходного режима (Re = 2 4-500) и замет-
ного отклонения формы частиц от шарообразной в уравнение
Стокса вводят различные поправки. Однако учитывая, что отстой-
ник проектируется в расчете на осаждение самых мелких частиц,
находящихся в суспензии, а также, что критерий Рейнольдса Re
при оседании даже крупных кристаллов (~200 мкм) часто не
превышает 5, формулу (6.1) можно использовать для расчета от-
стойников крупно- и среднетоннажных производств технологии не-
органических веществ.
Вместо диаметра частиц в формулу подставляют их приведен-
ный размер, определенный с помощью седиментационного или си-
тового анализа. В последнем случае рассчитанное значение иос
следует умножить на коэффициент формы <р:
Гос = Ф%с- <6-2)
Для частиц круглой формы (например, ЫаНСОз) принимают
<р « 0,77, для некруглых частиц (NaCl, NaNOs, MgSO4-6H2O)
<р » 0,66, для продолговатых (MgSO4-7H2O) ф » 0,58, для пла-
стинчатых [А1(ОН)3] <р « 0,43. Если же размер частиц взят из
данных седиментационного анализа, то ф = 1,
92
На практике процесс отстаивания суспензии всегда протекает
в режиме стесненного осаждения. Скорость стесненного осаждения
можно рассчитать по эмпирической формуле:
/ 2 ,п-1.82(1-Е )
°ос==%сеж-1° '
(6.3)
Здесь еж — объемная доля жидкой фазы
еж = ГЖ/(УЖ + Гт) = Х/(Х + рж/рт), (6.4)
Уж и Ут — соответственно объемы жидкой и твердой фазы, м; X — массовое от-
ношение жидкой фазы и твердой.
Уравнение (6.3) справедливо при еж > 0,7, что установлено
практикой технологии неорганических веществ. Обычно суспензии
крупнокристаллических веществ сгущают перед подачей на фильт-
рование до значения отношения Ж/Т =1,5 4-2, а суспензии вы-
сокодисперсных веществ (например, ВаСО3 или BaSO4) —до
Ж/Т = 3, обеспечивающих возможность ее перекачивания на сле-
дующие технологические стадии. Сгущать высокодисперсные (тон-
кие) суспензии до более низких значений Ж/Т нежелательно вви-
ду возможного образования тиксотропной системы.
Определив скорость стесненного осаждения частиц, рассчиты-
вают площадь (м2) отстойника:
F = б0СВ/(ржуСт). (6.5)
Здесь боев — масса осветленной жидкости, кг.
Для обеспечения надежности работы отстойника значение пло-
щади поверхности, рассчитанное по формуле (6.5), в случае цен-
трального ввода суспензий рекомендуется увеличить на 30—35 %
из-за возможности вихреобразования, условности выбора коэф-
фициента ср и т. д.
Скорость оседания хлопьевидного осадка невозможно рассчи-
тать на основании уравнений (6.1—6.3). В данном случае необхо-
димо иметь экспериментальные данные о скорости движения гра-
ницы осветленного слоя.
Если преобразовать уравнение (6.5), получим:
Гоев = (6.6)
Отсюда видно, что объемная производительность отстойника
Уосв (м3/с) зависит от его площади и скорости оседания частиц
и не зависит от высоты. Поэтому высоту отстойника принимают
конструктивно, исходя из технологических соображений.
В табл. 6.1 приведены основные размеры наиболее часто ис-
пользуемых типовых отстойников.
Отстойник (рис. 6.1) представляет собой невысокую цилинд-
рическую емкость с плоским или слегка коническим днищем.
В верхней внутренней части к его корпусу приварен кольцевой
желоб 1 с зазубренными краями, предназначенный для сбора
осветленной жидкости. Отстойник снабжен мешалкой, состоящей
из вала, соединенного через двойной планетарный привод с элек-
тромотором, и гребкового устройства 4, Гребки, установленные
93
Таблица 6.1
Основные размеры отстойников непрерывного действия
(ГОСТ 10876—75)
Диаметр, м Глубина, м Площадь осаждения, м2 Продолжительность одного оборота вала, мин Мощность электродвигателя, кВт
2,5 1,5 5 2,0 0,8
4,0 2,5 12 3,0 1,1
6,0 2,5 28 4,0 2,2
9,0 3,0 63 5,0 3,0
12,0 3,0 НО 6,0 3,0
15,0 3,0 175 7,5 4,0
18,0 3,6 250 9,0 4,0
под углом к направлению их движения, передвигают осадок к раз-
грузочному штуцеру 6. Скорость движения гребков подбирают так,
ф чтобы жидкость обтекала их
2
Рис. 6.1. Типовой отстойник с централь-
ным вводом суспензии:
/ — кольцевой желоб; 2— загрузочная труба;
3 — сливной штуцер; 4 — гребковое устрой-
ство; 5 — устройство для уплотнения шлама;
6 — разгрузочный штуцер.
ламинарно и они не взмучи-
вали осадка. В центре аппа-
рата вокруг вала расположе-
на загрузочная труба 2, опу-
щенная на некоторую глубину
в жидкость.
Подобные отстойники при-
меняют, например, в производ-
ствах карбоната бария и
BaSO4 («бланфикса»). При
переработке агрессивных сред
и при производстве чистых
продуктов отстойники футе-
руют органическими и кисло-
тоупорными неорганическими
материалами.
В содовой промышленности
в настоящее время для очист-
ки рассола от соединений
кальция и магния используют
отстойники диаметром 18 м,
высотой 7,9 м с центральным
вводом суспензии. Суспензию
вводят на глубину 4 м. Зна-
чительная высота отстойника
и глубина ввода суспензии
обусловлена технологическими
особенностями очистки рассо-
ла.
По способу ввода суспензии отстойники можно подразделить
на аппараты с центральным и периферийным вводом. При цент*
94
ральном вводе суспензии в зоне ввода наблюдается турбулизация
жидкости, что уменьшает полезную площадь отстойника. При пе-
риферийном вводе благодаря большой площади кольцевого се-
чения скорость истечения суспензии из-под кольцевой перегородки
очень мала, и оседающие частицы не испытывают возмущения
Рис. 6.2. Отстойник с периферийным вводом суспензии.-
1 — кольцевой желоб; 2 — кольцевая перегородка; 3 — корпус; 4 — гребковая ферма; 5 —
устройство для уплотнения шлама.; 6 — разгрузочный штуцер; 7 — сливная труба; S —
кольцевой резервуар.
потока. В связи с этим предложено переоборудовать существую-
щие в содовой промышленности отстойники с центральным вво-
дом суспензии на отстойники с периферийным вводом, что должно
повысить их производительность примерно в 2 раза.
Отстойник такой конструкции (рис. 6.2) работает следующим
образом. Смесь сырого рассола с реактивами вводится в карман
кольцевого желоба 1 и благодаря его уклону растекается по нему,
переливаясь через борта в кольцевое пространство, образованное
корпусом отстойника 3 и кольцевой перегородкой 2. Кольцевое
пространство служит одновременно реактором, в котором обра-
зуется твердая фаза. Осевший шлам отгребается гребковой фер-
мой 4, делающей один оборот за 12 мин, к центру и непрерывно
95
отводится через нижние штуцеры 6. Осветленный рассол сли-
вается через центральный открытый кольцевой резервуар 8 и при-
соединенную к нему трубу 7.
Примером аппарата с периферийным вводом суспензии может
служить отстойник-декантер, используемый в производстве гидр-
оксида натрия известковым способом (рис. 6.3). Диаметр его раз-
вей 9 м, высота цилиндрической части — 4 м, конической — 3,75 м.
Рис. 6.3. Отстойник-декантер:
1 — корпус; 2 — колокол; 3 — слив-
ная труба; 4 — труба подачи; 5 —
приемник осветленного щелока; 6 —
распределительная чаша; 1 — греб-
ковое устройство; 8 — разгрузочный
штуцер.
Рис. 6.4. Четырехкамерный отстойник:
1 — диафрагма; 2— гребки; 3 — переточный ста-
кан; 4 — распределительная коробка; 5 — кольце-
вой желоб; 6 — сливная коробка; 7 — сливной
штуцер; 8 — сливные трубы; 9 — конус нижней
камеры; 10 — разгрузочный штуцер.
К корпусу 1 отстойника в верхней его части жестко прикреплен
колокол 2 диаметром 7,8 м, на котором установлена кольцеобраз-
ная распределительная чаша 6 с зазубренными краями. Сквозь
колокол и приемник осветленного щелока 5 свободно проходит вал
мешалки, делающий один оборот за 10 мин. Суспензия поступает
по трубе 4 в распределительную чашу 6 и разливается по поверх-
ности колокола, освобождаясь от пузырьков воздуха, способных
нарушить процесс отстаивания. Таким образом, колокол служит
одновременно устройством для выделения воздуха из суспензии и
для периферийного ее ввода.
Осветленный раствор поступает в приемник 5 и выводится из
отстойника по трубе 5, пропущенной сквозь его корпус. Осевший
шлам выводится через штуцер 8, расположенный в днище отстой-
ника.
При переработке больших объемов жидкостей может возник-
нуть необходимость установки нескольких отстойников большого
диаметра, что приведет к резкому увеличению капитальных за-
трат. С целью сокращения последних используют многоярусные от-
стойники. Наиболее совершенными являются отстойники сбалан-
96
сированного типа, например четырехкамерный отстойник, приме-
няемый в производстве глинозема для отделения алюминатного
раствора от «красного шлама».
Отстойник (рис. 6.4) представляет собой цилиндрическую ем-
кость диаметром 20 м и высотой 10,5 м, поделенную диафрагма-
ми 1 на четыре камеры, которые сообщаются между собой через
переточные стаканы 3. Осевший шлам сдвигается гребками 2 к
центру и по переточным стаканам поступает с каждого яруса в
корпус 9 нижней камеры, откуда непрерывно удаляется через шту-
цер 10 с помощью насоса. Камеры отстойника работают парал-
лельно. Для распределения суспензии между камерами служит
распределительная коробка 4. По периферии отстойника установ-
лены четыре сливные коробки 6. Слив из верхней камеры посту-
пает в сливную коробку через кольцевой желоб 5, из остальных
же камер — по сливным трубам 8. В верхней своей части сливные
трубы снабжены телескопическими устройствами, позволяющими
поднимать или опускать уровень слива в той или иной камере и
тем самым регулировать в ней уровень границы осветленного слоя.
Осветленный раствор удаляется из сливной коробки через шту-
цер 7.
Общая площадь поверхности осаждения четырехъярусного от-
стойника составляет 1256 м2.
Независимая параллельная работа камер возможна благодаря
разнице плотностей осветленного раствора и сгущенной суспензии,
а также наличию гидрозатвора, который образуют переточные
стаканы, опущенные в слой сгущенной суспензии.
Для сгущения быстроразделяющихся суспензий применяют
обычно отстойники, имеющие угол при вершине конического дни-
ща 120°. Они также снабжены тихоходными мешалками.
К достоинствам отстойников относят низкие энергетические за-
траты на разделение суспензий, простоту устройства, а следова-
тельно, высокую надежность в работе и простоту ремонта и из-
готовления. Отстойники имеют большую производительность и
могут разделять суспензии с высокими значениями отношений
Ж/Т.
Недостатками отстойников являются низкая степень разделе-
ния и большие габариты.
6.2. ФИЛЬТРЫ
Фильтр — устройство, в котором разделение жидкостного или
газового потока и твердых примесей осуществляется путем пропу-
скания сквозь пористую перегородку.
В технологии неорганических веществ применяют фильтры
различных конструкций; барабанные, дисковые, ленточные и ка-
русельные вакуум-фильтры, листовые, фильтр-прессы рамные и
автоматические типа ФПАКМ, нутч-фильтры. Такое разнообразие
конструкций объясняется существенным различием свойств сус-
пензий и разным назначением процесса фильтрования.
4 Зак. 162
97
Фильтровальные перегородки
Фильтровальные перегородки являются основным элементом
фильтров. От правильного их выбора во многом зависят произво-
дительность фильтров, чистота фильтрата, срок службы перего-
родки, а следовательно, и экономичность процесса фильтрования.
Они должны отвечать следующим требованиям: быть устойчивыми
к воздействию среды, иметь достаточную механическую прочность
и теплостойкость, хорошо задерживать твердые частицы, иметь
низкое гидравлическое сопротивление и малую адгезию к осадку.
В качестве фильтровальных перегородок обычно используют
различные ткани. Они отличаются способом переплетения нитей,
степенью их кручения и толщиной, числом нитей основы и утка
на единицу длины и т. д. Эти характеристики определяют свой-
ства ткани применительно к процессу фильтрования.
Наиболее широкое применение нашли хлопчатобумажные тка-
ни (бязь, миткаль, диагональ, бельтинг). Их используют для раз-
деления нейтральных суспензий при температуре до 100°C. В кис-
лой и щелочной среде они довольно быстро разрушаются.
Кроме хлопчатобумажных применяют также шерстяные, стек-
лянные, перхлорвиниловые (хлориновые), полиамидные, лавсано-
вые и другие ткани.
Шерстяные ткани изготавливают в основном из овечьей шерсти
в виде сукна и байки. Они гораздо устойчивее хлопчатобумажных
тканей к действию кислых растворов и менее стойки к действию
щелочей. Шерстяные ткани уступают хлопчатобумажным по за-
держивающей способности, но превосходят по упругости. Перхлор-
виниловые и лавсановые ткани устойчивы к действию кислот, ще-
лочей и окислителей, не набухают в воде. Полиамидные ткани
устойчивы к действию щелочей даже при 100 °C. Стеклянные ткани
отличаются высокой устойчивостью в кислых растворах, большой
прочностью при растяжении, но плохой сопротивляемостью исти-
ранию.
Кроме указанных материалов в качестве фильтрующих пере-
городок могут использоваться металлические ткани, сетки, а также
пористые плиты из керамики, стекла, графита.
Из-за разнообразия видов фильтровальных перегородок, кон-
струкций фильтров и свойств суспензий выбор фильтровальной пе-
регородки весьма сложен. Предварительный выбор ткани произ-
водят при лабораторных испытаниях. При этом необходимо уяс-
нить назначение фильтрования (получение осадков или фильтра-
та), знать размер и форму частиц, свойства суспензии (pH, тем-
пературу, агрегацию частиц и т. д.) и тип фильтра. Конструкция
фильтра определяет следующие характеристики ткани:, прочность
на растяжение, устойчивость при изгибании и к истиранию, спо-
собность принимать форму опорной перегородки и уплотняющие
свойства. Окончательный выбор фильтровальной ткани производят
при полузаводских испытаниях.
98
Конструкции фильтров
Барабанные вакуум-фильтры нашли наиболее широкое приме-
нение (в особенности с наружной фильтрующей поверхностью).
Достоинством их является непрерывность действия И' возможность
промывки осадка на фильтре. К недостаткам можно отнести отно-
сительную сложность конструкции, невозможность произвольно
менять в широких пределах продолжительность отдельных опера-
ций в цикле. Поэтому следует поддерживать постоянными свой-
ства суспензии. Данные фильтры не пригодны для фильтрования
полидисперсных суспензий.
Барабанные вакуум-фильтры согласно ГОСТ 5448-79Е маркируют следую-
щим образом. Например, БОК 1-1; БЛУ 5,6-1,8; БТР 30-3-4; БОУ 40-3-4. Пер-
вая буква означает, что фильтр барабанный. Вторая указывает на назначение
фильтра: О — общего назначения, Л — для легкофильтрующихся суспензий, Т —
для труднофильтрующихся суспензий. Третья буква означает исполнение филь-
тра по материалу деталей, соприкасающихся с обрабатываемым продуктом:
К — из коррозионно-стойкой стали, У — из углеродистой стали, Р — с гуммиро-
ванными деталями, П — с деталями из пластмассы. Первая цифра после букв —
площадь поверхности фильтрования (м2), вторая — диаметр барабана (м), тре-
тья — модификация.
Фильтр имеет полый барабан с перфорированной боковой по-
верхностью, внутренняя сторона которого разделена ячейками на
прямоугольные участки. Барабан покрывают сначала металличе-
ской сеткой, а затем фильтровальной тканью. Он вращается на
полом валу, один конец которого соединен с приводом, а другой
примыкает к распределительному устройству, которое служит для
последовательного соединения каждой ячейки с источниками ва-
куума и сжатого воздуха. Это позволяет чередовать операции
фильтрования, промывки, обезвоживания, удаления осадка, реге-
нерации ткани.
С целью уплотнения осадка после первого обезвоживания и
промывки фильтры снабжают уплотняющими валиками или спе-
циальными устройствами. Это предотвращает растрескивание
осадка и способствует более полному удалению жидкости из него.
Для эффективной работы фильтра важное значение имеет спо-
соб удаления осадка с поверхности ткани. Наиболее распростра-
ненным является удаление с помощью ножа (широкой металли-
ческой полосы), установленного наклонно вдоль образующей
барабана на некотором расстоянии от его поверхности. Его наклон
и расстояние можно изменять специальным устройством. Этот спо-
соб позволяет удалять осадки толщиной не менее 8—10 мм.
Удалить осадок можно также с помощью валика, изготовлен-
ного из материала, к которому прилипает осадок. Валик вращается
в направлении, противоположном вращению барабана, и снимает
с ткани осадок, который затем удаляется с валика ножом.
Липкие осадки толщиной 2—4 мм хорошо снимаются шнурами
(рис. 6.5). Бесконечные шнуры 1 натянуты параллельно друг другу
на расстоянии 6—25 мм. Они движутся по замкнутому контуру,
огибая барабан натяжной 2 и направляющий 4 ролики. При
4* 99
этом шнуры отделяются от ткани вместе с осадком, который за-
тем отрывается от них при огибании натяжного ролика. Сохра-
нение нужного расстояния между шнурами обеспечивается на-
правляющей гребенкой 3. Таким образом удаляют, например,
осадки Mg (ОН) 2 и СаСО3.
Вакуум-фильтры общего назначения в соответствии с ГОСТ
5748—79Е могут иметь площадь фильтрования от 0,25 до 100 м2.
Угловую скорость вращения барабана можно регулировать от
0,011 до 0,21 рад/с (0,1—2 об/мин). Их используют для фильтро-
вания суспензий А1(ОН)з, BaSO4, карбонатов кальция, магния,
бария и других. Фильтры типа БЛ приме-
няют, например, для выделения галитовых
хвостов в калийной промышленности;
фильтры типа БТ — в производстве диокси-
да титана.
Кроме фильтров с наружной фильтрую-
щей поверхностью промышленность выпу-
скает также вакуум-фильтры с внутренней
фильтрующей поверхностью следующих
типоразмеров: ВУ 10-2,5, ВУ 25-2,5 и
ВК 25-2,5.
Рис. 6.5. Схема снятия
осадка шнурами:
1 — шнур; 2 — натяжной ро-
лик; 3 — направляющая гре-
бенка; 4 — направляющий
ролик; 5 — барабан.
ния от 1,0 до 20 м2.
В обозначении типоразмера первая буква озна-
чает, что фильтр с внутренней фильтрующей поверх-
ностью, вторая указывает на материал фильтра;
цифра после букв — площадь фильтрующей поверх-
ности (м2); далее — диаметр барабана (м).
Ленточные вакуум-фильтры (ОСТ
26-01-1269—75) имеют площадь фильтрова-
Схематическое их устройство показано на
рис. 6.6. Опорная тканерезиновая бесконечная лента 2 огибает два
вращающихся барабана 1, один из которых является приводным,
а другой — натяжным. Верхняя ветвь ленты скользит по горизон-
тальному столу 3 с продольными прорезями, которые соединяют
область фильтрования перегородки с вакуум-камерами 4, располо-
женными под столом.
Рабочая поверхность ленты рифленая. Поперечные рифления
сообщаются с продольным углублением на середине ленты. Через
сквозные отверстия углубление сообщается с отверстиями в столе
и соответственно с вакуум-камерами. Благодаря рифлениям под
фильтровальной тканью образуется свободное пространство. Ткань
по краям прикреплена к ленте резиновым шнуром, заложенным в
продольный паз, и покрывает всю ее рабочую поверхность. Края
резиневой ленты мягкие и на верхнем горизонтальном участке от-
гибаются специальными направляющими кверху, в результате чего
лента принимает форму желоба. Нижняя часть ее опирается на
роли* и или свободно провисает.
Суспензия поступает на фильтр из лотка 7. Осадок удаляется
с фильтра либо ножом, либо под действием силы тяжести, либо
отдувкой воздухом. После отделения осадка ткань промывается из
100
специальных разбрызгивающих устройств 9. Зоны фильтрования 1,
промывки II и просушки /// разграничены завесами 5 из мягкой
резины или ткани в несколько слоев. Эластичные края завесы
скользят по осадку, не снимая его', но предотвращая смешение
жидкостей над ним. Завесы устанавливают над перегородками ме-
жду вакуум-камерами. Протяженность отдельных рабочих зон
можно регулировать за счет перемещения вдоль фильтра завес 5
и промывного устройства 6.
Ленточные вакуум-фильтры предназначены для фильтрования
полидисперсных суспензий. Оседание в первую очередь крупных
Суспензия
Жидкость на
промывки
осадка 3
Фильтрат 8
9 Промывная
Слив регене- [Жидкость на жидкость
рационной регенерацию
жидкости ткани
Рис. 6.6. Ленточный вакуум-фильтр:
1 — барабан; 2 — лента; 3 — стол; 4 — вакуум-камеры; 5 — завесы; б — промывное устрой-
ство; 7 — лоток; 8 — поддон; 9 — разбрызгивающее устройство; 10 — нож.
частиц уменьшает закупоривание пор ткани мелкими кристаллами.
Достоинствами ленточных фильтров являются простота устрой-
ства и регулирования продолжительности отдельных операций
фильтрования, а также возможность организации многоступенча-
той промывки осадка. Недостаток заключается в малой площади
фильтрования и нечетком разграничении зоны фильтрования и
промывки, что приводит к некоторому разбавлению фильтрата.
Используют ленточные вакуум-фильтры в производствах борной и
экстракционной фосфорной кислот, хлорида калия.
В обозначении типоразмера, например Лех 10-1.4К, буква Л означает лен-
точный, сх — со сходящей лентой, О — с отдувкой осадка; цифры после букв —
соответственно площадь поверхности фильтрования (м2) и ширина ленты (м).
Последняя буква указывает на исполнение по материалу.
Карусельный вакуум-фильтр. Фильтры К-Ю0-15К и К-50-11,5К
применяют в производстве экстракционной фосфорной, кислоты.
Они состоят из горизонтальной вращающейся рамы кольцевой
формы, опирающейся на ролики, которые катятся по круговым
рельсам. На раме установлено 24 опрокидывающихся фильтро-
вальных лотка (нутчи), в которые уложены перфорированные
опорные перегородки, покрытые фильтровальной тканью. Вакуум-
10,1
ная полость лотков соединена гибкими шлангами с распредели-
тельной головкой, аналогичной применяемой в барабанных ва-
куум-фильтрах.
При вращении рамы каждый лоток последовательно проходит
зоны фильтрования, двух (или более) промывок осадка, раз-
грузки и регенерации ткани. После фильтрования и каждой про-
мывки осадок обезвоживается путем просасывания через него
воздуха.
В зоне выгрузки лоток автоматически опрокидывается, и оса-
док под действием собственной тяжести и сжатого воздуха сбра-
сывается в бункер. После этого ткань промывается струями воды,
направленными вверх, а затем
просушивается просасываемым
воздухом. К моменту заливки
суспензии лоток возвращается в
исходное положение.
Благодаря наличию в кару-
сельном фильтре изолированных
друг от друга лотков можно полу-
чить концентрированный, не раз-
бавленный промывной жидкостью
фильтрат и проводить многосту-
пенчатую противоточную промыв-
Рис. 6.7. Дисковый вакуум-фильтр:
1 — диск; 2 — ножи; 3 — секция корыта;
4 — распределительный коллектор: 5 —
распределительное устройство; 6 — реси-
вер.
ку осадка минимальным количе-
ством воды. Кроме того, карусель-
ные вакуум-фильтры отличает вы-
сокая производительность и дли-
тельный срок службы ткани.
Недостатком являются большие габаритные размеры (19,1 X
X 17,7X4,9 м) и масса, приходящаяся на единицу фильтрующей
поверхности (933 кг/м2).
Общая площадь фильтрующей поверхности карусельного
фильтра К-100-15К составляет 105 м2, площадь зоны активного
фильтрования — 80 м2. Наружный диаметр поверхности фильтро-
вания равен 15 м, а длина лотка — 3,3 м. Основные детали фильт-
ра изготовлены из стали 0Х23Н28МЗДЗТ.
Дисковый вакуум-фильтр (ГОСТ 5747—80Е) (рис. 6.7) состоит
из горизонтального вращающегося вала, на который насажены
диски 1. Диски погружены в корыто, состоящее из секции 3, при-
чем каждый диск погружен в отдельную секцию. Диски разделены
на двенадцать секторов с перфорированными стенками, обтяну-
тыми тканью. Каждый сектор посредством отдельного канала, про-
ходящего внутри вала, соединен с распределительным устрой-
ством 5, аналогичным применяемому в барабанном вакуум-фильт-
ре. В зоне съема осадка внутрь сектора из ресивера 6 через рас-
пределительное устройство подается сжатый воздух, способствую-
щий отделению осадка от ткани и съему его ножами 2. Ножи
установлены с обеих сторон дисков. Снятый с ткани осадок про-
валивается между секциями 3 корыта в бункер под фильтром,
Суспензия на фильтры подается через коллектор 4. Постоянный
уровень суспензии в фильтре поддерживается при помощи пере-
ливных трубок. На фильтрах, имеющих более 4—6 дисков, распре-
делительные устройства устанавливают на обоих концах вала.
Дисковые вакуум-фильтры (например, ДК 9-1,8-2; ДУ 68-2,5-2) имеют сле-
дующее условное обозначение типоразмера. Первая буква означает дисковый,
вторая — исполнение по материалу; цифра после букв — площадь фильтрования
(м2), следующая — диаметр диска (м), третья цифра — модификация.
Дисковые фильтры изготавливают с площадью фильтрования
от 0,3 до 250 м2 и количеством дисков до 14. Они предназначены
для разделения суспензий с частицами примерно одинаковой дис-
персности. Осадок, образующийся на фильтре, при просушке не
должен растрескиваться.
К достоинствам дисковых фильтров следует отнести компакт-
ность конструкции и малую массу на единицу фильтрующей по-
верхности (200—300 кг/м2). Недостатком является то, что при
промывке осадка фильтрат разбавляется.
Фильтр-прессы относят к аппаратам периодического действия.
Они предназначены для фильтрования суспензий с высокодисперс-
ной твердой фазой. Фильтр-прессы бывают рамные с площадью
фильтрования от 2,5 до 140 м2, автоматические камерые (ФПАКМ)
с площадью фильтрования от 2,0 до 50 м2.
Основные детали рамных фильтр-прессов могут быть изготов-
лены из углеродистой и коррозионностойкой стали, дерева и стек-
лопластика. Использование двух последних материалов значи-
тельно облегчает конструкцию. Из стеклопластика на основе фу-
рилово-фенолоформальдегидной смолы со стекловолокнистым и
графитовым наполнителями изготавливают рамы и плиты фильтр-
прессов, устойчивые в кислых и щелочных средах средних кон-
центраций при 100—120 °C.
Фильтр-прессы ФПАКМ (ГОСТ 19756—74) предназначены для
фильтрования под избыточным давлением высокодисперсных труд-
нофильтрующихся жидкотекучих суспензий, которые можно транс-
портировать по трубопроводам диаметром 25 мм. Они могут ра-
ботать при отношении Ж/Т — 2-~ 10 и температуре до 80 °C. Эти
фильтры используют, например, для фильтрования растворов хло-
рида бария и суспензии сульфата бария.
Цикл работы фильтр-пресса ФПАКМ состоит из следующих
операций: сжатие плит, подача суспензий, фильтрование, промывка
осадка, его обезвоживание, раздвигание плит и разгрузка осадка
с одновременным промыванием ткани. Обезвоживание осадка
можно производить либо путем уплотнения твердой фазы диафраг-
мой, либо продувкой воздухом. Разгрузка осадка происходит на
обе стороны фильтра.
Управление фильтр-прессом полностью автоматизировано. Си-
стема автоматики обеспечивает работу в автоматическом и полу-
автоматическом режимах. Она предусматривает возможность
сблокированной работы фильтр-пресса и технологических приво-
103
дов-насосов для подачи суспензий и промывной жидкости. Рабочее
давление в камере фильтр-пресса составляет от 1,2 до 1,5 МПа.
Типоразмер фильтр-пресса (например, ФПАКМ5У или 1ФПАКМ25Н) обо-
значают следующим образом: ФПАКМ — изготовлен с диафрагмами, 1ФПАКМ —
без диафрагм, продувка осадка воздухом; цифра между буквами — площадь
фильтрования (м2); последняя буква — исполнение по материалу (У — СтЗ,
Н — сталь 12Х18Н9Т, Т — титан ВТ1-0 и т. п.).
Достоинствами фильтров ФПАКМ. являются развитая поверх-
ность фильтрования, отнесенная к единице площади, занимаемой
фильтром, возможность при помощи диафрагмы регулировать
влажность осадка, а также полная автоматизация управления.
Осадок получается с меньшей влажностью, чем на фильтрах дру-
гих типов. Недостаток — сложность конструкции, а следовательно,
низкая вероятность безотказной работы и сложность ремонта.
Листовые фильтры предназначены для фильтрования суспензий
через ткань или сетку с использованием в ряде случаев вспомога-
тельного фильтрующего вещества (ВФВ).
В обозначении типоразмера листового фильтра (например, ЛГв20У,
ЛВАж125К) буква Л означает листовой, Г — горизонтальный, В — вертикальный,
А — автоматизированный, в — с вибросбросом осадка, г — гидростатический;
ж — с гидросмывом осадка; цифра после букв—площадь поверхности фильтро-
вания (м2); буквы У, Р, К после цифры — исполнение фильтра по материалу.
Применение ВФВ рекомендуется в тех случаях, когда суще-
ствует опасность закупоривания фильтровальной перегородки вы-
сокодисперсными частицами суспензии и сложность ее регенера-
ции. Размеры частиц суспензий, фильтруемых по этому методу,
обычно не более 5 мкм, а массовая их доля в растворе менее 0,5 %.
В качестве ВФВ могут быть использованы диатомит, перлит,
древесная мука, асбест, целлюлоза, уголь и другие материалы.
Диатомит (инфузорная земля или кизельгур) представляет собой
окаменевшие остатки микроскопических морских растений. Пер-
лит— минерал вулканического происхождения, называемый иначе
природным стеклом. Он также, как и диатомит, состоит в основном
из кремнезема. При использовании ВФВ следует учитывать их
стоимость. Например, целлюлоза в 2—3 раза, асбест — в 10—
30 раз дороже, чем диатомит или перлит.
Сущность фильтрования с использованием ВФВ заключается
в том, что суспензию пропускают через слой вспомогательного
фильтрующего вещества, предварительно «нафильтрованного» на
сетку или ткань.
Процесс фильтрования с использованием ВФВ может идти по
двум механизмам;
1) частицы, размеры которых меньше, чем поры слоя ВФВ, за-
держиваются в глубине слоя в результате сужения пор от- поверх-
ности к глубине, а также вследствие осаждения их в изгибах пор;
2) главную роль в процессе играют поверхностные явления
взаимодействия фаз. Процесс протекает наиболее эффективно, если
частицы суспензии и ВФВ имеют противоположные заряды. При
104
этом может происходить адсорбция частиц на стенках капилляров,
а также их коагуляция.
В случае преимущественного действия второго механизма эф-
фективность удаления высокодисперсных примесей зависит от кон-
центрации электролита в
Рис. 6.8. Принципиальное
устройство вертикально-
го листового фильтра:
1 — обечайка; 2 — фильтро-
вальные элементы; 3 —
планка; 4 — крышка; 5 —
коллектор; 6—8 — штуцеры.
суспензии, диэлектрических свойств рас-
твора, природы примесей и вспомога-
тельного вещества.
В производстве глинозема для
фильтрования алюминатного раствора
с использованием ВФВ применяют
вертикальные листовые автоматизи-
рованные фильтры с гидросмывом
осадка ЛВАж125К. В качестве ВФВ
используют крафт-целлюлозу.
Принципиальная схема вертикаль-
ного листового фильтра показана на
рис. 6.8. Он состоит из цилиндриче-
ской обечайки 1 с коническим дни-
щем, прямоугольных фильтровальных
элементов 2, опирающихся на планку
3 и коллектор 5, съемной крышки 4.
Рис. 6.9. Каркас фильтровального эле-
мента мешочного фильтра:
1 — планки; 2 — труба; 3 — цепочки.
Суспензия нагнетается внутрь фильтра насосом по штуцеру 7, а
фильтрат вытекает из штуцера 8. Осадок смывается с фильтро-
вальных элементов водой и удаляется через штуцер 6. Фильтрую-
щий элемент представляет собой раму прямоугольной формы, в
которую вставлены дренажная и фильтрующая сетки, создающие
полость, сообщающуюся со штуцером отвода фильтрата.
Цикл работы фильтра состоит из следующих операций. Сна-
чала фильтр заполняют суспензией целлюлозы (3—3,5 г/л), при-
105
Рис. 6.10. Нутч-фильтр фар-
форовый:
1 — сборник; 2 — царга; 3 —
фильтрующая решетка; 4 —
опорное устройство; 5 — сталь-
ные кольца; 6, 8 — штуцеры;
7 — подставка.
готовленной в растворе алюмината натрия, и фильтруют ее. При
этом на сетке образуется намывной слой толщиной 2—4 мм. Затем
производят операцию фильтрования с получением чистого раство-
ра — до повышения избыточного давления в фильтре 0,2 МПа
(2 атм). После этого фильтруемая суспензия спускается в соответ-
ствующий сборник, а осадок и намывной слой с поверхности ли-
стов смываются водой в сборник шлама.
В производстве серной кислоты для очистки расплавленной
серы используют горизонтальные листовые фильтры, например
ЛГв20У. Они состоят из набора фильтро-
вальных листов, соединенных с коллек-
торной трубой отвода фильтрата, которая
проходит через неподвижно закреплен-
ную на раме эллиптическую крышку.
Горизонтальный цилиндрический корпус
перемещается на катках по рельсам ра-
мы. Корпус, крышка и запорная армату-
ра фильтра снабжены паровыми рубаш-
ками.
Фильтрование серы производят через
намывной слой из диатомита. Процесс
прекращается при достижении макси-
мального давления. Намывной слой и
осадок с фильтрующей перегородки сни-
маются вибрацией фильтровальных ли-
стов, а со дна удаляются неподвижно
закрепленными скребками при откаты-
вании корпуса. Управление работой
фильтра осуществляется дистанционно с
пульта.
Наиболее простыми по конструкции
и компактными являются фильтры Лг40
и Лг70 с площадью фильтрования соответственно 40 и 70 м2.
Их называют чаще мешочными. Они предназначены для освет-
ления растворов, содержащих небольшое количество твердых
частиц, и применяются обычно для контрольного фильтрования,
т. е. для повторного фильтрования после фильтр-прессов, вакуум-
фильтров или сгустителей. Процесс фильтрования в мешочном
фильтре проводят под гидростатическим давлением слоя суспензии
(4—7 м).
Мешочный фильтр состоит из плотно закрытого корпуса пря-
моугольного сечения с размещенными в нем фильтровальными эле-
ментами. Основной деталью фильтровального элемента является
каркас (рис. 6.9), состоящий из планок 1, соединенных между со-
бой и прикрепленных к трубе 2 с отверстиями, по которой отво-
дится фильтрат. Внутри каркаса натянуты цепочки 3. Этот каркас
помещен в мешок из фильтровальной ткани и вставлен в корпус
фильтра, в котором размещено более 40 фильтровальных эле*
ментов.
При работе фильтра суспензия, поступающая в пространство
между мешками, образует осадок на их наружной поверхности,
а фильтрат отводится по трубе 2 в коллектор. Мешочные фильтры,
как и листовые, являются аппаратами периодического действия.
Удаление осадка с фильтровальных элементов можно проводить
либо обратной подачей фильтрата, либо вручную, вынимая из кор-
пуса фильтровальные элементы и смывая осадок струей воды.
Таблица 6.2
Техническая характеристика некоторых фильтров
Типоразмер фильтра Площадь фильтрую- щей поверх- ности, м2 Масса на еди- ницу фильтрую- щей поверх- ности, кг/м2 Площадь фильтро- вания на единицу площади, занимаемой фильтром, м2/м2 Обрабатываемый продукт. Про изводитель- ность, т/ч Промывка осадка
БОК 5-1,75 5 500 080 ВаСОз 2,8-3,0 Одноступенчатая
БЛУ 5,6-1,8 5,6 2026 0,44 NaHCO3 10—12 То же
БТР 30-3-4 30 750 1,21 СаСО3 в производстве каустика. 11 — 15 »
БОУ 40-3 40 447 1,40 Флотацион- ный КС1, 30—34
ДК 51-2,5 51 170 3,09 NiCO3 Без промывки
ДУ 250-3,75 250 176 5,95 А1(ОН)3 200—250 То же
Лех 10-1,4К 10 2050 0,16 Г алитовый шлам 120—140 Многоступенча- тая
К 100-15К 105 933 0,31 Фосфогипс 50-70 То же
ФПАКМ-25 25 612 2,9 BaSO4 0,4 Одноступенчатая
ЛГв20У 20 194 1,95 Жидкая сера 11 — 13 Без промывки
ЛВАж125К 125 79 9,98 Раствор КаАЮг 270—280 То же
Нутч-фильтры применяют в малотоннажных производствах с
периодической технологией, где нет необходимости (экономически
нецелесообразно) использовать фильтры непрерывного действия.
Обычно такими являются производства реактивов.
Ввиду высоких требований к чистоте реактивов, нутч-фильтры
изготавливают из эмалированного чугуна или фарфора. Они имеют
площадь фильтрования от 0,1 до 0,8 м2 и диаметр от 0,38 до 1,0 м.
Масса, приходящаяся на 1 м2 фильтрующей поверхности, состав-
ляет примерно 1450 кг для чугунных и от 600 до 690 кг для фар-
форовых фильтров.
107
Нутч-фильтр (рис. 6.10) состоит из сборника фильтрата /,
царги 2, фильтрующей решетки 3 и опорного устройства 4. Сбор-
ник снабжен штуцерами: 6 — для подсоединения к вакуум-насосу
и 8 — для спуска фильтрата. Фильтрующая решетка, опорное
устройство, царга и сборник пришлифованы друг к другу для
предотвращения подсосов воздуха. На решетку укладывается
фильтровальная ткань из соответствующего материала. Для устой-
чивости фильтр устанавливают на специальную подставку 7. Цар-
га прижимается к сборнику с помощью болтов специальными
стальными кольцами 5, под которые подкладывается резиновая
прокладка.
Краткая характеристика некоторых фильтров приведена в
табл. 6.2.
6.3. ЦЕНТРИФУГИ
Классификация и обозначения центрифуг
Отечественная промышленность производит центрифуги различ-
ных типоразмеров. Тенденция к увеличению единичной мощности
технологических установок и появление производств новых хими-
ческих продуктов обусловливает расширение ассортимента выпу-
скаемых центрифуг. Их классифицируют по характерным техно-
логическим признакам и конструктивным особенностям.
К характерным признакам центрифуг относят принцип разде-
ления суспензии, технологическое назначение и характер проте-
кания процесса; к конструктивным особенностям — расположение
вала и его опор, способ выгрузки осадка, исполнение центрифуги
(герметичность и взрывозащищенность).
По принципу разделения различают центрифуги фильтрующие,
осадительные и комбинированные. Фильтрующие предназна-
чены для разделения суспензий, когда требуется глубокое обезво-
живание и высокая степень промывки осадка. Осадительные
центрифуги в зависимости от технологического назначения подраз-
деляют на обезвоживающие и осветляющие. Первые предназна-
чены для разделения высококонцентрированных суспензий со сред-
незернистой твердой фазой, когда чистота фугата не лимитируется,
но необходимо обеспечить высокую производительность по осадку
и низкую его влажность. Вторые используют для очистки раство-
ров от высокодисперсных частиц при малой их концентрации, а
также для классификации материалов по дисперсности и плотно-
сти. Комбинированные центрифуги сочетают в себе два или
более принципов разделения суспензий.
По характеру протекания процесса центрифуги делят-на ап-
параты периодического и непрерывного действия.
По конструктивному признаку центрифуги подразделяют на
центрифуги с горизонтальным и вертикальным
расположением вала. Среди центрифуг с вертикальным рас-
1С8
положением вала наиболее распространены подвесные и маятни-
ковые.
По способу выгрузки осадка различают центрифуги с выгруз-
ками: ручной, ножевой, пульсирующим поршнем, выталкивающим
поршнем, шнековой, механико-пневматической и др. Ручная
выгрузка может производиться через борт и днище ротора.
Выгрузку чере§ днище используют на маятниковых и подвесных
центрифугах, через борт — только на маятниковых. Ножевую
выгрузку применяют на механизированных маятниковых, под-
весных центрифугах, а также на горизонтальных центрифугах пе-
риодического действия. На маятниковых центрифугах применяют
также комбинацию ножевой и пневматической выгрузки, называе-
мую механико-пневматической. Принцип ее заключается
в том, что осадок, срезаемый скребком, подхватывается и отса-
сывается из ротора струей воздуха. Выгрузку пульсирую-
щим поршнем используют только на фильтрующих центрифу-
гах непрерывного действия, где загрузку суспензии производят не-
прерывно, а выгрузку осадка за счет возвратно-поступательного
движения поршня осуществляют циклично, отдельными порциями.
Шнековая выгрузка осадка совершается вследствие разницы
частот вращения ротора и расположенного внутри него шнека.
Этот способ применяют в осадительных, а также в фильтрующих
центрифугах непрерывного действия.
Обозначают центрифуги исходя из вышеприведенной классификации следую-
щим образом. Впереди буквенных обозначений стоят цифры, указывающие на
конструкцию ротора: цифра перед чертой — одинарный ротор или сдвоенный,
цифра за чертой — число каскадов ротора. 0
Первая буква указывает на принцип разделения суспензии (Ф — фильтрую-
щая центрифуга, О — отстойная или осветляющая, Р — разделяющая, К — ком-
бинированная), вторая — на основной конструктивный признак (Г — горизон-
тальная, П — подвесная, М—маятниковая и т. д.), третья — на способ выгрузки
осадка (Б — ручная через борт, Д — ручная через днище, Н — ножевая, Ш —
шнековая, П — поршневая и т. д.). Число за буквами показывает максимальный
внутренний диаметр ротора (см), последняя цифра не входит в его обозначение,
а показывает исполнение центрифуги (1—негерметизированная, 2 — негермети-
зированная со взрывозащищенным оборудованием, 5 — с теплообменной рубаш-
кой и т. д.). Следующая за числом буква означает конструкционный материал,
соприкасающийся с обрабатываемым продуктом (У — сталь углеродистая, Л —
легированная, К — коррозионно-стойкая, Т — титан, Г — гуммированные покры-
тия и т. д.). Последняя цифра соответствует номеру модели.
Например, обозначение ОГШ 353К-2 показывает, что центрифуга осадитель-
ная, горизонтальная, со шнековой выгрузкой осадка, с максимальным диаметром
ротора 350 мм, в герметизированном взрывозащищенном исполнении (3), с ос-
новными деталями из коррозионно-стойкой стали (12X17H13M3T), модель вто-
рая.
Центрифуга 2/2ФГП 2001У-1 — фильтрующая, горизонтальная, с выгрузкой
осадка пульсирующим поршнем, с двухкаскадным сдвоенным ротором диаметром
2000 мм, в негерметизированном исполнении (1), с деталями из углеродистой
стали, модель первая.
Конструкции центрифуг
Маятниковые центрифуги представляют собой аппараты пери-
одического действия с вертикальным подвесным самоустанавли-
вающимся ротором. Особенностью их конструкции является ниж-
109
нее расположение привода и наличие трехколонной шаровой под-
вески, которая обеспечивает самоустановление отклоняющихся
от вертикальной оси масс. Благодаря этому данные центрифуги
малочувствительны к неравномерному распределению материала
в роторе. К достоинствам этих центрифуг следует отнести также
простоту конструкции, компактность, малую массу и низкую стои-
мость. Применяют их для разделения суспензий со средне- и вы-
сокодисперсной твердой фазой, широким интервалом концентраций
Рис. 6.11. Центрифуга типа ФМН:
1—корпус привода; 2—штуцер; 3 — ротор; 4—механизм среза осадка; 5 — нож.
и склонных к неравномерному распределению дисперсной фазы
при загрузке. Наиболее эффективно использование этих машин
в малотоннажных производствах для получения осадков с мини-
мальной влажностью.
В зависимости от технологического назначения центрифуги
этого типа выполняют фильтрующими и отстойными. Фильтрую-
щие центрифуги изготовливают с ручной выгрузкой через борт —
ФМБ и через дно — ФМД, а также с механизированной (ножевой)
выгрузкой через дно — ФМН (рис. 6.11). Ротор 3 прикрепляют
к верхнему концу вертикального вала, который вращается в под-
шипниках качения, расположенных в корпусе 1 привода. Привод
110
центрифуги осуществляют от электродвигателя или гидропривода
через клиноременную передачу.
Фильтрующие центрифуги имеют перфорированный ротор, вы-
ложенный изнутри дренажной и фильтровальной сетками или
тканью (вместо фильтровальной сетки).
Суспензии средних концентраций подают в ротор обычно через
отверстие в крышке кожуха на ходу машины. Суспензии высокой
концентрации с абразивной твердой фазой загружают в непо-
движный ротор до пуска центрифуги. Фильтрат и промывную воду
отводят из кожуха через сливной штуцер 2. Остановку ротора
производят тормозом после остановки двигателя.
В настоящее время созданы маятниковые центрифуги с меха-
низированной (нижней и верхней) выгрузкой осадка.
Центрифуга типа ФМН (см. рис. 6.11) имеет механизм среза
осадка 4 с возвратно-поступательным движением ножа (скреб-
ка 5). Скребок, находящийся в верхнем положении, при срезе
осадка сначала поворачивается и врезается в осадок на всю его
глубину, затем движется вниз до днища ротора. Срезаемый оса-
док выгружается через днище ротора. При таком способе вы-
грузки предотвращается затирание (закупоривание пор) осадка,
остающегося на ситах по окончании его выгрузки, и нож испы-
тывает меньшие усилия. Использование механизма среза с ши-
роким поворотным ножом упрощает конструкцию центрифуги,
поскольку нож совершает только одно движение: поворот вокруг
оси, при котором осадок срезается по всей высоте ротора. Зати-
рание осадка в этом случае можно уменьшить за счет срезания
его при малых оборотах ротора. ’
Применение гидроприводов позволяет выполнять основные
технологические операции (загрузку, отжим, промывку, выгрузку)
при различных оптимальных частотах вращения ротора. Прове-
дение разгрузки при малых частотах вращения ротора особенно
важно, когда недопустимо разрушение кристаллов осадка.
Выгрузку достаточно рассыпчатых, не склонных к налипанию
на поверхность труб осадков с влажностью не более 10 % можно
произвести механико-пневматическим способом с одновременной
их подсушкой (рис. 6.12).
Основной элемент выгрузного устройства — раструб 1 отводя-
щей осадок трубы 2 — вместе со скребком поворачивается вокруг
вертикальной оси. Скребок врезается в осадок и отбрасывает его
в раструб, где он подхватывается горячим воздухом и уносится
в циклон 3. Воздух в ротор засасывается вентилятором 4 через
калорифер 5.
Для выгрузки пастообразных осадков может быть использо-
вано шнековое устройство, показанное на рис. 6.13. Шнековый
выгружатель снабжен скребком, имеющим такую форму, благо-
даря которой срезанный осадок отбрасывается в приемное
устройство шнека. Вращательное движение наклонному шнеку
передается от вертикального через коническую шестеренчатую
пару.
Ill
Осадительные центрифуги типа ОМ отличаются от центрифуг
типа ФМ только тем, что имеют сплошной ротор и устройство для
отсасывания осветленной жидкости. В роторе центрифуг типа ОМ
(рис. 6.14) на внутренней стороне обечайки вдоль образующей
привариваются ребра 5, препятствующие проскальзыванию сус-
пензии. Механизм отсоса 7 позволяет отводить жидкость с раз-
личного расстояния от стенки ротора. С помощью гидромуфты 11
Рис. 6.12. Центрифуга типа ФМ. с
механико-пневматическим спосо-
бом выгрузки осадка:
1 — раструб; 2 — отводящая труба;
3 — циклон; 4 — вентилятор; 5 — ка-
лорифер.
Рис. 6.13. Шнековое устройство
для разгрузки центрифуги типа
ФМ.
осуществляется плавный пуск ротора, что предохраняет электро-
двигатель от перегрузок.
Подвесные центрифуги. Особенностью их конструкции является
наличие шарнирной подвески вертикального вала с ротором на
нижнем конце, обеспечивающей самоцентрирование вращающейся
массы. Благодаря этому подвесные центрифуги малочувствительны
к неравномерной загрузке ротора. Их широко применяют для обра-
ботки многих продуктов: сульфата аммония, хлорида натрия, бор-
ной кислоты, гидроксида бария и т. д.
Для примера рассмотрим центрифугу ФИН 1001У-1 (рис. 6.15).
Основными узлами ее являются ротор 13, привод 10, кожух
с крышкой 12, тормоз 8 и металлоконструкция 1. Электродвига-
тель 6 соединен с валом 11 центрифуги с помощью эластичной
резиновой муфты 7. Вал в приводе закреплен на шарнирной опоре
(поверхность корпуса подшипников 4 в месте соприкосновения
с корпусом привода 5 имеет шаровую форму). Между корпусом
привода и корпусом подшипников установлен резиновый аморти-
затор 9, благодаря упругой деформации которого вращающийся
112
вал может отклоняться от вертикального положения и тем самым
обеспечивать самоуравновешивание вращающейся массы. Ротор
центрифуги — цилиндрический с перфорированной обечайкой, вну-
три выложен дренажным и фильтровальным ситами.
Загрузку центрифуги производят при пониженных оборотах
ротора с помощью специального лотка 2, закрепленного на кожухе
и входящего внутрь ротора. Выгрузку осуществляют при малых
Рис. 6.14. Центрифуга типа ОМД:
1 — фундаментная плита; 2 — станина; 3— опорные колонки; 4—кожух; 5 — ребра; 6 —
сплошной ротор; 7 — механизм отсоса; 8 — загрузочное устройство; 9 — опора ротора; 10 —
электродвигатель; // — гидромуфта; 12 — клиноременная передача; /3 — шкив привода;
14 — тормоз.
оборотах с помощью механизма среза осадка 3, устройство и прин-
цип действия которого такой же, как и в центрифугах типа ФМН.
Жидкость отводится через расположенный внизу кожуха штуцер.
Управление центрифугой полуавтоматическое, осуществляемое
от станции управления через кнопочный пост.
Центрифуги ФПД по конструкции аналогичны центрифугам
ФПН. Отличие состоит лишь в том, что в центрифугах ФПД нет
механизма среза осадка, и имеется запорный конус, который за-
крывает выгрузное отверстие ротора и тем самым предотвращает
попадание неотфильтрованного продукта в бункер. Кроме того,
запорный конус обеспечивает равномерное распределение суспен-
зии по стенке ротора. Он свободно скользит по валу, и при вы-
грузке осадка его поднимают вверх и закрепляют на специальном
крючке.
Центрифуги типа ФПС предназначены для фильтрования сус-
пензии, дающих средне- и крупнозернистые осадки хорошей сыпу-
113
ствует слипанию мелких частиц и закатыванию гранул. Крупные
гранулы под действием центробежной силы быстрее скатываются
к периферии чаши, чем мелкие, и в зоне И, где наблюдается наи-
большая толщина слоя, выбрасываются из нее. Мелкие гранулы,
испытывающие большее сопротивление порошка их движению,
Рис. 7.12. Тарельчатый гранулятор:
1 — чаша; 2 — электродвигатель; 3 — редуктор; 4 — устройство для регулирования угла на-
клона; 5 — станина; 6 — труба для отсоса пыли и пара; 7 — труба для разбрызгивания
жидкости; 8 — течка; 9—11 — зоны чаши.
вращаются, перекатываясь по дну чаши. Таким образом, в та-
рельчатых грануляторах происходит одновременно и классифика-
ция гранул.
Диаметр чаши рассчитывают по формуле:
D == (7.10)
Здесь Q — производительность грануляторов, кг/ч; q — удельная производи-
тельность [770—910 кг/(м2-ч)].
Достоинства тарельчатых грануляторов: однородность грануло-
метрического состава продукта, удобство визуального наблюдения
и регулирования процесса, компактность. Благодаря своим до-
стоинствам тарельчатые грануляторы получили наиболее широкое
распространение. Их используют для гранулирования сложносме-
шанных удобрений, суперфосфатов, различных шихт (например,
барита с коксом). Недостаток — большая чувствительность к со-
держанию жидкой фазы в гранулируемой смеси (узкие пределы
рабочих режимов).
Валковые пресс-грануляторы используют для гранулирования
смешанных удобрений, хлорида и сульфата калия, соды, шихты
сульфата натрия с коксом и т. д. В этих грануляторах могут быть
получены куски с поперечным размером до 30 мм.
Валковый гранулятор (рис. 7.13) отличается от валковой дро-
билки тем, что материал (порошок) подается в него через бункер
(воронку) /, снабженный шнеком J?. Шнек служит для предвари-
тельного уплотнения материала. При повышении давления про-
150
Рис. 6.15. Подвесная центрифуга:
1 — металлоконструкция; 2 — лоток; 3 — механизм среза осадка; 4 — корпус подшипников;
5 — корпус привода; 6 — электродвигатель; 7 — муфта; 8 — тормоз; 9 — амортизатор; 10
привод; Ц — вал; 12 — кожух с крышкой; 13 — ротор.
114
чести. Нижняя часть обечайки ротора этих центрифуг выполнена
в виде конуса. Выгрузное отверстие ротора закрывается механи-
чески поднимаемым конусом. При остановке центрифуги осадок
под действием силы тяжести сползает вниз по наклонной стенке
обечайки. Таким образом предотвращается измельчение кристал-
лов при выгрузке из ротора. Дополнительно центрифуги могут
быть снабжены трубой с форсунками (для подачи промывной
воды) и датчиком уровня загрузки.
Центрифуги типа ОПН имеют цилиндрический сплошной ро-
тор. Суспензия на его днище подается на полном ходу центрифуги,
под действием центробежной силы она течет вверх, вдоль стенок
ротора, постепенно заполняя его. Излишек осветленной жидкости
переливается через борт ротора в кожух или отсасывается по
отводной трубке. Благодаря этому в роторе постоянно поддержи-
вается определенный уровень жидкости. В бункер осадка жидкость
не стекает, поскольку диаметр отверстия, образуемого кольцевым
бортом, больше диаметра отверстия в днище.
Горизонтальные центрифуги с ножевой выгрузкой осадка так
же, как и подвесные и маятниковые, являются аппаратами перио-
дического действия. Фильтрующие центрифуги ФГН применяют
для разделения суспензий с размерами частиц более 30 мкм, когда
допускается их дробление. Основное преимущество этих центри-
фуг заключается в возможности проведения всех стадий процесса
в автоматическом режиме при постоянной частоте вращения ро-
тора, недостаток — в измельчении кристаллов при срезе осадка
и трудности регенерации фильтрующей перегородки при обработке
суспензии с нерастворимой твердой фазой.
В центрифугах типа ФГН (рис. 6.16) суспензия через загру-
зочный клапан 7 и питатель 10 подается в ротор 5, заключенный
в кожухе 4 центрифуги. Дозировка суспензии осуществляется ре-
гулятором 6, позволяющим производить загрузку до получения
слоя осадка заданной толщины. После загрузки ротора произво-
дят отжим (просушку) твердой фазы, а затем промывку продукта
водой, поступающей через промывной клапан 9. По окончании
промывки повторяют операцию просушки.
Далее следует операция разгрузки. Маслонасосная станция 14
подает масло через блок электрогидравлических золотников 11
под поршень гидравлического цилиндра 3 механизма среза. Шток
поршня постепенно поднимает раму ножа 2. Осадок срезается
ножом, ссыпается в желоб 1 и выводится из центрифуги. Остаточ-
ный слой осадка удаляют путем промывки (регенерации) фильт-
рующей основы водой, которая подается через клапан 8 регене-
рации.
Фильтрат, промывная вода и жидкость регенерации по оче-
реди отводятся из центрифуги через разделительный клапан 17.
Длительность всех операций контролирует реле времени, уста-
новленное на станции автоматического управления 12. Программа
продолжительности и очередности операций задается на пульте
управления 13. Масло в гидросистему автоматики и в систему
115
С5
Рис. 6.16. Центрифуга типа ФГН:
/ — желоб; 2 —нож; 3 — гидравлический цилиндр механизма среза; 4 — кожух центрифуги; 5 — ротор; 6 — регулятор дозировки суспензии; 7 —
загрузочный клапан; 8 — клапан регенерации; 9 — промывной клапан; 10— питатель; //—блок электрогидравлических золотников; /2 — стан-
ция автоматического управления; /3 — пульт управления; /4 — маслонасосная станция; /5 — виброизолирующее устройство; 16 — сильфоны;
17 — разделительный клапан; 18 — вибратор.
смазки подшипников подается маслонасосной станцией. Распреде-
ление подачи масла к гидроцилиндрам загрузочного, промывного,
разделительного клапанов, клапана регенерации, регулятора за-
грузки и механизма срезания осуществляет блок электрогидрав-
лических золотников 11.
С целью уменьшения вибрационного воздействия на фунда-
мент центрифугу устанавливают на виброизолирующее устройство
15. Отводящие жидкость трубопроводы подсоединяются к центри-
фуге через гибкие связи (сильфоны) 16. Для облегчения выгрузки
осадка желоб 1 снабжен вибратором 18.
Для срезания осадка в горизонтальных центрифугах приме-
няют три типа механизма выгрузки: с возвратно-поступательным
Рис. 6.17. Схема расположения роторов центрифуг типа ФГН:
а—между опорами; б — сдвоенный ротор между опорами; в — консольное расположение.
и поворотным движением скребка, с широким радиально переме-
щающимся ножом, с широким поворотным ножом. Наибольшее
распространение получил механизм среза с широким поворотным
ножом благодаря простоте своей конструкции.
Выгрузка осадка механизмом срезания с возвратно-поступа-
тельным и поворотным движением скребка осуществляется так
же, как и в маятниковой центрифуге.
Центрифуги типа ОГН имеют сплошной ротор. В зависимости
от способа отвода осветленной жидкости из ротора различают
центрифуги с переливом фугата через борт и без перелива. В пер-
вом случае осветленная жидкость переливается через борт и уда-
ляется из кожуха центрифуги через штуцер, расположенный
в нижней части корпуса. При заполнении ротора осадком загрузка
центрифуги прекращается, производится отсос оставшегося над
осадком слоя жидкости и выгрузка осадка с помощью механизма
среза. Во втором случае загрузка центрифуги прекращается после
заполнения ротора суспензией, уровень которой контролируется
сигнализатором уровня. Осветленная жидкость отводится из ро-
тора с помощью трубы отсоса.
Центрифуги типа ФГН и ОГН выполняют: а) с расположением
ротора между опорами; б) со сдвоенным ротором, расположенным
между опорами; в) с консольным расположением ротора (рис. 6.17).
Последние изготавливают с диаметром ротора до 1700 мм.
117
Горизонтальные центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка
предназначены для разделения концентрированных суспензий
с частицами размером более 0,1 мм. Оптимальное значение мас-
совой доли твердой фазы в суспензии составляет 40—50 %. Цент-
рифуги этого типа можно использовать для фильтрования таких
продуктов, как сульфаты аммония и натрия, хлорид натрия, кар-
бонат калия.
Достоинствами пульсирующих центрифуг являются непрерыв-
ность процесса и высокая производительность при низком удель-
ном расходе энергии, относительно малое дробление кристаллов,
хорошая степень обезвоживания осадка; недостатками — повышен-
ный унос твердой фазы с фильтратом, низкая стойкость сит при
обработке абразивных материалов.
Пульсирующие центрифуги могут быть одно-, двух- и много-
каскадными. Общим конструктивным признаком однокаскадных
центрифуг является наличие внутри ротора толкателя, совершаю-
щего возвратно-поступательное движение и продвигающего осадок
вдоль сит к выгрузному краю ротора. У двухкаскадных центрифуг
возвратно-поступательное движение совершает внутренняя обе-
чайка ротора (первый каскад).
Конструкция двухкаскадной пульсирующей центрифуги пока-
зана на рис. 6.18. Центрифуга собрана на станине 9, отлитой из
чугуна. На одном конце вала 7 закреплено днище с наружной
обечайкой ротора 2, на втором установлен стакан гидроци-
линдра 11, который одновременно является приводным шкивом.
На одном конце штока 6, входящего внутрь ротора, смонтирован
диск толкателя 14 с внутренней обечайкой ротора, на другом —
поршень 10 гидроцилиндра. Внутренняя обечайка 3 образует пер-
вый, а наружная 2— второй каскад ротора. Кожух центрифуги
1 закреплен на фланце станины. Передняя часть кожуха является
приемником 19 сухъго осадка. Внутри кожух разделен вертикаль-
ными перегородками, препятствующими смешению фильтрата с
промывными водами. В нижней его части имеется штуцер, служа-
щий для раздельного отвода промывных вод и фильтрата. В верх-
ней части кожуха закреплена труба 18 подачи в ротор суспензии
и труба 17 промывки осадка.
Масло в гидроцилиндр центрифуги подается от маслонасосной
станции по трубопроводу через торцовую муфту 12, а сбрасывается
из него во внутреннюю полость станины, в которой смонтирован
змеевик для охлаждающей воды, через канал 8, просверленный
по оси штока. Для предотращения попадания масла в ротор шток
имеет специальное уплотнение 5.
Наиболее важным узлом центрифуги является ротор. К восьми
стоякам днища ротора 13, проходящим через овальные отверстия
диска толкателя, с помощью болтов крепятся защитный конус 15
с опорным кольцом, к которому присоединяется конус 16. Обе-
чайки перфорируются крупными овальными отверстиями. Внутрь
их вставляются щелевидные колосниковые сита, которые с торца
закрепляются прижимными кольцами.
118
Рис. 6.18. Двухкаскадная пульсирующая центрифуга:
2 —кожух центрифуги; 2 — наружная обечайка ротора; 3—внутренняя обечайка ротора; 4 — кольцевой желоб; 5 — специальное уплотнение1
6 — шток; 7 — вал; 8— канал; 9 — станина; 10 — поршень гидроцилиндра; //—стакан гидроцилиндра; 12 — торцевая муфта; /3 — стояки днищ»
ротора; 14 — диск толкателя; /5 — защитный конус; 16 — приемный конус; /7 — труба промывки осадка; /3 — труба подачи суспензии- 19 — ппи-
емник сухого осадка. и
Суспензия, подаваемая в центрифугу, под действием центро-
бежной силы равномерно стекает по внутренней поверхности при-
емного конуса 16 на поверхность сит каскада. При движении внут-
ренней обечайки влево осадок на ситах второго каскада прижим-
ным кольцом сдвигается и частично сбрасывается в приемник
сухого осадка. При движении внутренней обечайки вправо осадок,
находящийся на ситах первого каскада, наталкивается на опорное
Рис. 6.19. Центрифуга типа ОГШ?
1, 6, 11 — опоры; 2 — выгрузные окна; 3 — кожух; 4— питающая труба; 5 — сливные окна;
7, 10 — штуцеры; 8 — шнек; 9 — ротор; 12 — редуктор.
кольцо конуса 15 и сдвигается на сита второго каскада. Шток
толкателя делает в минуту 25—45 двойных ходов.
В кольцевой желоб 4, приваренный к днищу ротора, по тру-
бопроводу подается вода. Под действием центробежной силы через
отверстия в днище и его стояках вода поступает в тыльную по-
лость ротора, промывая ее и предотвращая зарастание опорного
кольца, диска толкателя и стояков кристаллами.
Отечественная промышленность выпускает двух-, четырех- и
шестикаскадные центрифуги. При одинаковом факторе разделе-
ния * двухкаскадные центрифуги имеют большую производитель-
ность (на 10—20%), чем однокаскадные. Последние в настоящее
время не изготавливают. В производстве неорганических веществ
в основном применяют двухкаскадные центрифуги — как более
надежные и простые по конструкции. Для крупнотоннажных со-
левых производств создана сдвоенная двухкаскадная пульсирую-
щая центрифуга 2/2 ФГП 1201К—1- Производительность ее со-
ставляет при разделении суспензии хлорида калия 30—40 т/ч
(в зависимости от размера кристаллов и конечной влажности
продукта).
Осадительные горизонтальные центрифуги со шнековой вы-
1рузкой осадка являются аппаратами непрерывного действия
(рис. 6.19). Их общий конструктивный признак — горизонтальное
* Fг = (sPrlg, где со — угловая скорость ротора, рад/cj г — радиус ротора!
g— стандартное ускорение свободного падения,
120
Положение неперфорированного цилйндроконического или кониче-
ского ротора 9 с соосно расположенным внутри него шнеком 8.
Ротор и шнек вращаются в одном направлении, но с разными
скоростями. Благодаря этому образующийся осадок перемещается
шнеком вдоль ротора. Последний расположен на двух опорах 6,
11 и приводится во вращение от ротора центрифуги через плане-
тарный редуктор 12. Ротор закрыт кожухом 3, имеющем штуцеры
10 и 7 для отвода соответственно осадка и фугата.
Суспензия по питающей трубе подается во внутреннюю полость
шнека, откуда через окна обечайки поступает в ротор. Под дей-
ствием центробежной силы частицы твердой фазы (осадок) осе-
дают на стенках ротора. Осадок транспортируется шнеком к вы-
грузным окнам 2, а осветленная жидкость течет в противополож-
ном направлении к сливным окнам 5. В зависимости от сочетания
направлений движения в роторе осадка и жидкости различают
центрифуги противоточные (см. рис. 6.19) и прямо-
точные.
Технологический режим в центрифугах типа ОГШ можно регу-
лировать, изменяя скорость подачи суспензии, частоту вращения
ротора и диаметр сливного порога. Последний можно изменять
с помощью сменных заслонок, а частоту вращения ротора —
путем смены приводных шкивов.
Центрифуги типа ОГШ применяют для разделения суспензии
с объемной долей твердой фазы от 1 до 40 % и размером частиц
более 5 мкм. Разность плотностей твердой и жидкой фаз должна
быть более 200 кг/м3. Центрифуги этого типа можно использовать
также для классификации суспензий по крупности твердых частиц.
В зависимости от технологического назначения их условно подраз-
деляют на 3 группы: 1) осветляющие и классифицирующие;
2) обезвоживающие; 3) универсальные.
Осветляющие и классифицирующие центрифуги
имеют одинаковое конструктивное исполнение и отличаются только
назначением. Они характеризуются высокими значениями фактора
разделения (>>2400), отношения длины ротора к диаметру
(>-2,2), производительности по суспензии. Обезвоживаю-
щие центрифуги используют для разделения высококонцен-
трированных грубых суспензий. Фактор разделения этих цен-
трифуг до 3140, отношение длины ротора к диаметру менее 1,8.
Достоинствами центрифуг типа ОГШ являются: высокая про-
изводительность при малых габаритах, непрерывность процесса,
возможность использования их для обработки тонких суспензий
различной концентрации. Недостатки: невозможность промывки
осадка в машине, сравнительно быстрый износ шнека и ротора,
невысокая степень обезвоживания осадка (влажность его прибли-
зительно такая же, как после фильтрования на барабанных ва-
куум-фильтрах). Техническая характеристика некоторых центри-
фуг приведена в табл. 6.3.
121
Таблица 6.3
Техническая характеристика некоторых центрифуг
Типоразмер Максимальная загрузка ротора (кг) или производитель- ность * (кг/ч) Вмести- мость ротора, дм3 Частота вращения ротора, об/мин Фактор . разделе- ния Мощность привода, кВт ** Масса, кг
ОМБ 601 к £0 45 1520 800 2,8 —
ФМД 801У 180 80 1250 700 4,0 —
ФМБ 1501К 400 350 730 450 10,0 —
ОПН 1005У 320 215 1500 1180 40,0 4160
ФПД 1202Т 450 300 1000 620 20,0 3342
ФПС 1253К 5С0 430 1000 700 100,0 10 720
ОГН 903К 140 125 1500 ИЗО 32(1,7) И 610
ФГН 903К 140 125 1500 ИЗО 32 (2,2) 11 610
ОГН 1801К 1000 850 720 520 55 (2,2) 15 496
2ФГН 2201У 3500 2750 600 445 125 (2,2) 29 540
ОГШ 202К 100 —. 6000 4000 5,5 790
ОГШ 1203К 14 000 —. 800 430 90 (0,6) 14 200
1/2ФГП 401К 1000 —. 1000 225 Ю(4) 4875
1/2ФГП 1201Т 13 000 — 750 400 40 (40) —
2/2ФГП 1201К 45 000 — 700 330 75 (55) —’
* Максимальная загрузка ротора дана для центрифуг периодического дей-
ствия. Для центрифуги типа ФГП приведена производительность по сульфату
аммония и внутренний диаметр первого каскада ротора, для центрифуг типа
ОГШ— расчетная производительность по осадку.
** В скобках указана мощность электродвигателя насоса подачи масла.
6.4. ГИДРОЦИКЛОНЫ
Разделение суспензий с использованием центробежных сил
можно проводить не только в центрифугах, но и в аппаратах, не
имеющих вращающихся деталей, — гидроциклонах. Достоинства
их — компактность, низкая стоимость, простота и легкость обслу-
живания.
По устройству гидроциклоны аналогичны циклонам, применяе-
мым для очистки газов от пыли. Гидроциклоны, используемые
в неорганической технологии, имеют диаметр от 50 до 750 мм
и угол конусности от 5 до 90°. Чем меньше диаметр гидроциклона,
тем больше возникающие в нем центробежные силы и тем меньше
размер отделяемых частиц. Обычно гидроциклоны малого диа-
метра объединяют в один аппарат, в котором они работают па-
раллельно— мультигидроциклоны. Лучшее разделение суспензии
(осветление) достигается при малых углах конусности (10—15°).
Гидроциклоны нашли широкое применение для сгущения сус-
пензий и разделения материалов на фракции по размерам твердых
частиц в калийной промышленности, а также в производствах ка-
тализаторов и едкого натра известковым способом.
Производительность (Q, м3/ч) гидроциклонов может быть
приближенно рассчитана по уравнению:
Q = k DdH
122
Здесь k — коэффициент, зависящий от геометрических параметров гидроцик-
лона и равный 1,0 3,19 [70]; D — диаметр цилиндрической части циклона, м;
— диаметр нижнего сливного патрубка, м; ДР — перепад давлений в гидро-
циклоне.
Максимальный размер частиц, уходящих в верхний слив,
можно определить по уравнению:
^ч. макс
1,33^
ё (Рт Рж) hVc
Здесь da и dB — диаметры патрубков соответственно питающего и верхнего
слива, м; h — высота гидроциклона, м.
Недостатком гидроциклонов является быстрый износ деталей,
особенно нижней части конуса, патрубков питающего и верхнего
слива. Для увеличения сроков службы циклоны изготавливают
иногда со сменной футеровкой из износостойких материалов.
6.5. АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОМЫВКИ ОСАДКОВ
Аппаратов, специально предназначенных для промывки осад-
ков, нет. Для этой цели служат обычно аппараты, используемые
для разделения суспензий (отстойники, фильтры, центрифуги).
Промывку осадков осуществляют с целью более полного из-
влечения жидкой фазы (например, в производстве едкого натра
известковым способом), либо для получения осадка высокого
качества, свободного от примесей (например, в производстве кар-
боната бария). Правильная организация процесса промывки осад-
ков играет важную роль в повышении качества получаемого про-
дукта.
Существует несколько методов промывки осадков: метод вы-
теснения жидкой фазы осадка промывной жидкостью, метод раз-
бавления жидкой фазы осадка промывной жидкостью, метод диф-
фузии жидкой фазы осадка в промывную жидкость. Последний
метод используют редко и только в шнековых осадительных цент-
рифугах. Промывной жидкостью в производстве неорганических
веществ служит обычно технологическая или деминерализованная
вода (в зависимости от требований, предъявляемых к качеству
продукта).
Промывка методом вытеснения. Промывку осадка этим мето-
дом можно организовать в одну или несколько ступеней на фильт-
рах и центрифугах периодического и непрерывного действия. Мно-
гоступенчатую промывку выполняют обычно на фильтрах непре-
рывного действия.
Одноступенчатую промывку осадков осуществляют
на нутч-фильтрах, фильтр-прессах, листовых и барабанных фильт-
рах, центрифугах непрерывного и периодического действия. Такую
промывку применяют, если осадок крупнозернистый и легко про-
мывается или если нет необходимости получения промывных вод
С высокой концентрацией извлекаемого из осадка вещества.
123
При промывке осадка на фильтрах периодического действия
объем промывной жидкости (Пп. ж, м3), необходимый для сниже-
ния степени насыщения т осадка фильтратом до заданного значе-
ния, можно определить по уравнению:
Fn. ж = k^kik^V(6.7)
Здесь kt, kz, ks — коэффициенты, учитывающие влияние соответственно вяз-
кости ц жидкости, толщины 60с слоя осадка и размера частиц d4\ Vo — объем
фильтрата в порах осадка перед промывкой, м3.
Численные значения k\, &2, в зависимости от т, d4, р. и 6ОС
можно определить по справочной литературе. При составлении
уравнения (6.7) условно считалось, что промывная жидкость в по-
рах осадка не смешивается с фильтратом. Степень насыщения,
представляющая собой отношение объема фильтрата к общему
объему пор, перед промывкой осадка составляет 1.
Уравнение, отражающее закономерность процесса промывки
осадка на фильтрах непрерывного действия, имеет вид:
Rm = (1 — mJ exp [— (m2 — т0/(1 — mt)]. (6.8)
Здесь Rm — массовая доля растворенного вещества, оставшегося в осадке
после промывки (до промывки Rm = 1); mi — отношение объема промывной
жидкости, поступившей в поры осадка на первой стадии промывки, к объему
фильтрата в порах перед промывкой (значение mi определяется эксперименталь-
но либо принимается по аналогии с осадком, имеющим близкие свойства);
m2 = Vn. «/Vo.
С повышением температуры промывной воды осадок лучше
отмывается от маточного раствора, поскольку при этом умень-
шается вязкость воды и ускоряются диффузионные процессы.
Процесс промывки осадка в центрифугах может быть рассчи-
тан в первом приближении по вышеприведенным уравнениям.
Следует учитывать, что закономерности процесса промывки в
центрифугах и в фильтрах значительно различаются. Наиболее
точные результаты можно получить экспериментальным путем.
Многоступенчатую промывку осадков на фильт-,
рах непрерывного действия проводят в случае необходимости
получения промывных вод с более высокой концентрацией извле-
каемого вещества. Так, этим способом в производстве экстрак-
ционной фосфорной кислоты на карусельных и ленточных фильт-
рах отмывают фосфогипс. При данном способе промывная жид-
кость поступает на последнюю ступень промывки (считая по дви-
жению осадка) и встречается с почти отмытым осадком. С этой
ступени жидкость, содержащая извлекаемое вещество (например,
Н3РО4) в небольшой концентрации, направляется на предыдущую
ступень, где встречается с менее промытым осадком. В результате
этого концентрация извлекаемого вещества в ней возрастает. На
первой ступени, где жидкость проходит через непромытый осадок,
концентрация извлекаемого вещества в ней повышается до мак-
симального значения.
Увеличение числа ступеней промывки приводит к сокращению
расхода жидкости или при одном и том же ее расходе — к более
полной отмывке осадка от маточного раствора,
124
Расчет процесса промывки осадка этим способом можно про-
водить по уравнению (6.8), последовательно для каждой ступени
методом постепенного приближения.
Многоступенчатую противоточную промывку осадка методом
вытеснения можно организовать также и на центрифугах периоди-
ческого действия, например на центрифугах типа ФПД. Однако
при этом намного увеличится продолжительность цикла работы
центрифуги и, следовательно, снизится ее производительность,
а также усложнится обслуживание.
Промывка методом разбавления. При фильтровании суспензий
с дисперсными частицами в слое осадка обычно образуются тупи-
ковые поры, из которых нельзя вытеснить фильтрат промывной
Рис. 6.20. Схема трехступенчагой последовательной промывки осадка:
1—3 — репульпаторы.
жидкостью. В этом случае используют метод разбавления, кото-
рый заключается в следующем. Осадок репульпирует в промывной
жидкости, в результате чего фильтрат, содержащийся в тупико-
вых порах, разбавляется водой. Полученную суспензию снова под-
вергают разделению. Этим способом промывают нерастворимые
или малорастворимые осадки, например осадки карбонатов бария,
магния или кальция, гидроксидов алюминия и магния и т.д.
Промывку методом разбавления осуществляют обычно много-
ступенчато. При этом различают последовательную и противо-
точную промывку.
Последовательная промывка целесообразна в том
случае, если промывная вода с растворенным в ней веществом
не может быть использована в производстве, а к чистоте осадка
предъявляются повышенные требования. Примером может слу-
жить промывка сульфата бария частично деминерализированной
водой.
На рис. 6.20 показана схема трехступенчатой последователь-
ной промывки осадка с использованием барабанных вакуум-
фильтров. Осадок, образовавшийся в предыдущем аппарате для
разделения суспензий, направляется в репульпатор Туда же
подается промывная вода. Полученная суспензия из репульпатора
перекачивается на фильтр первой ступени, где разделяется на
частично промытый осадок, который направляется в репульпатор 2,
и фильтрат, который удаляется по трубопроводу. На фильтре вто-
125
рой ступени и в репульпаторе 3 происходят аналогичные операции.
Окончательно промытый осадок с фильтра третьей ступени по-
дается в бункер или на транспортер. Промывные воды по трубо-
проводам поступают в сборник и далее направляются на станцию
нейтрализации.
Если промывку проводить водой, не содержащей извлекаемого
вещества, а долю жидкой фазы в осадках всех ступеней принять
одинаковой, то процесс можно описать следующими уравнениями:
6 = lg (CH/CK)/lg (т3 + 1), (6.9)
k
(6.10)
Здесь k — число ступеней промывки; Сн, Ск — массовые доли извлекаемого
вещества в жидкой фазе соответственно исходного и промытого осадков (в долях
3-я ступень 2-я ступень у 1-я ступень
Промывная вода
Рис. 6.21. Схема трехступенчатой противоточной промывки:
1—3 — репульпаторы.
единицы); — расход промывной жидкости, подаваемый на одну ступень про-
мывки, % к массе твердых частиц; Gi — массовая доля жидкой фазы в осадке,
% к массе твердых частиц; m3 = Wi/Gi.
Значения Gi и Сн находят экспериментально или берут по дан-
ным действующего предприятия, Ск рассчитывают исходя из тре-
бований ГОСТ к качеству продукта. Задаваясь числом ступеней
промывки, можно определить расход промывной воды и наоборот.
Общий расход промывной воды для всех ступеней определяют
из выражения:
W* =kW..
обш I
С увеличением числа ступеней промывки уменьшается расход
промывной воды или при одном и том же расходе получается
более чистый осадок. Расход воды также снижается (или повы-
шается чистота осадка при том же расходе) с уменьшением содер-
жания жидкой фазы в осадке.
Противоточная промывка позволяет получить всю про-
мывную жидкость с достаточно высокой концентрацией извлекае-
мого вещества. На рис. 6.21 показана схема трехступенчатой про-
тивоточной промывки с применением барабанных вакуум-фильт-
ров. Осадок, образовавшийся в аппарате для разделения суспен-
зий, подается в репульпатор 1 первой ступени промывки, куда
поступает также промывная вода из фильтра второй ступени. По-
126
лученная суспензия на фильтре первой ступени разделяется на
осадок, который подается в репульпатор 2, и фильтрат, представ-
ляющий собой конечную промывную жидкость с максимальной
концентрацией извлекаемого вещества. В репульпаторе 2 осадок
суспензируется в промывной жидкости, поступающей с фильтра
третьей ступени. Полученная суспензия на фильтре второй ступени
разделяется на осадок, который поступает в репульпатор 3, и
фильтрат (промывную воду), направляемый на суспензирование
осадка в репульпаторе 1. В репульпатор 3 подается свежая про-
мывная вода, не содержащая извлекаемого вещества. Образовав-
шаяся здесь суспензия разделяется на фильтре третьей ступени
промывки. Промывная вода поступает в репульпатор 2, а отмы-
тый от маточного раствора осадок выгружается в бункер или на
транспортер.
Из приведенной схемы видно, что промываемый осадок и про-
мывная вода движутся противотоком, при этом концентрация
извлекаемого вещества в промывной жидкости возрастает (в на-
правлении от третьей ступени к первой), а в осадке уменьшается
(в направлении от первой ступени к третьей).
Процесс противоточной промывки осадка методом разбавления
может быть рассчитан по следующим соотношениям:
(С».ж)к = (Сн-С')/ф (6.11)
<р = W + GH + GK
m4=W/GK; CK = C'K/GK (6.12)
^ = lgl(Cn. ж)к/Ск)(т4 —1) +l]/lgm4. * (6.13)
Здесь (Сп. ж)к — массовая доля извлекаемого вещества в конечной промыв-
ной жидкости, %, Сн и Ск — массовая доля извлекаемого вещества в исходном
и промытом осадках, % к массе твердых частиц; GH и GK — массовая доля жид-
кой фазы в исходном и промытом осадках, % к массе твердых частиц.
Как уже указывалось, значение с'к может быть рассчитано,
исходя из требований ГОСТ к качеству твердого продукта. Зна-
чения С', Он и GK принимают по данным эксперимента или дей-
ствующего производства. Задаваясь расходом W промывной воды,
можно рассчитать (Сп. ж)к и число ступеней промывки k.
С увеличением числа ступеней промывки та же степень от-
мывки осадка получается при меньшем расходе промывной воды.
При этом (Сп. ж) к будет выше. При одинаковом числе ступеней
промывки увеличение расхода воды повышает качество осадка
и уменьшает значение (Сп. ж)к.
Объем промывной воды должен быть таким, чтобы обеспечить
достаточную текучесть суспензии при транспортировании ее по
трубопроводам. Это особенно важно при обработке осадков высо-
кодисперсных суспензий, склонных к образованию тиксотропных
систем. Например, при 50°C такую систему карбонат бария обра-
зует при содержании его в суспензии более 35%, а сульфат ба-
рия — при более 25 % •
127
Число ступеней промывки (или расход промывной жидкости),
рассчитанное (или принятое) по уравнениям (6.9) — (6.13), сле-
дует увеличить на 15—25%, поскольку эти уравнения выведены
для условий идеального протекания процесса, без учета наличия
друзовых кристаллов, адсорбционной способности твердых частиц
и неравномерности перемешивания суспензий.
Преимуществом противоточной промывки по сравнению с по-
следовательной является то, что одинаковая степень отмывки
осадка от маточного раствора достигается при меньшем расходе
воды (хотя число ступеней промывки возрастает) и промывные
2-я ступень
Рис. 6.22. Схема трехступенчатой про-
мывки осадка методами вытеснения
и разбавления:
1, 3 — вакуум-фильтры; 2—регулятор; 1—
VII — потоки.
кальция в производстве едкого
воды получаются с большим со-
держанием извлекаемого веще-
ства. Последнее важно не только
для дальнейшей переработки, на-
пример упаривания конечной
промывной жидкости, но и при
направлении ее на шламовые по-
ля или станцию нейтрализации.
Для промывки осадка мето-
дом разбавления могут быть ис-
пользованы не только фильтры,
но и отстойники и осадительные
центрифуги. Например, противо-
точной промывке в отстойниках
подвергают шлам карбоната
натра известковым способом, а в
производстве глинозема методом Байера — «красный шлам». Но
поскольку осадок из отстойников выходит с высоким содержанием
жидкой фазы, в этом случае требуется большее число ступеней
промывки, чем при использовании фильтров или центрифуг типа
ОГШ. Однако в случае применения центрифуг типа ОГШ следует
считаться с уносом твердой фазы фугатом.
Многоступенчатая промывка методами вытеснения и разбавле-
ния. Этот вид промывки является сочетанием последовательных
процессов вытеснения и разбавления при противоточном движении
осадка и промывной жидкости.
На рис. 6.22 показана схема трехступенчатой противоточной
промывки осадка методами вытеснения и разбавления с примене-
нием барабанных вакуум-фильтров. Исходная суспензия на бара-
банном вакуум-фильтре 1 разделяется на фильтрат (поток /)'
и осадок, который промывается на этом же фильтре методом вы-
теснения частью промывных вод (поток III), поступающих со
второй ступени: Промывная жидкость (поток II) с первой ступени,
в которой содержание извлекаемого вещества несколько ниже,
чем в фильтрате (поток /), направляется на дальнейшую перера-
ботку, а осадок подается в репульпатор 2, где суспензируется
водой (поток V) с третьей ступени и частью промывной воды
(поток IV) со второй ступени. Таким образом, часть промывной
воды второй ступени циркулирует внутри нее между репульпато-
128
ром и фильтром. Это связано с тем, что для репульпации в еди-
ницу времени требуется больше жидкости, чем может ее профильт-
роваться через готовый слой осадка. Однако содержание извле-
каемого вещества в смеси вод, поступающих на вторую ступень
(потоки IV и У), всегда меньше его содержания в жидкой фазе
осадка после первой ступени промывки.
Полученная в репульпаторе 2 суспензия разделяется на сле-
дующем фильтре 3 на осадок и фильтрат (поток VII), образую-
щий затем два потока (III и IV). Осадок промывается (третья
ступень) на этом же фильтре свежей промывной водой (поток VI),
которая, пройдя слой осадка, образует промывную жидкость (по-
ток- V). Окончательно промытый осадок выгружается на транспор-
тер или в бункер.
Из описанной схемы видно, что на первой и третьей ступенях
осадок промывается на фильтрах методом вытеснения, а на вто-
рой ступени — методом разбавления. Рассмотренный метод позво-
ляет увеличить число ступеней промывки, не повышая числа
фильтров, но схема при этом усложняется.
6.6. ВЫБОР АППАРАТОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ
На выбор аппарата для разделения суспензий влияют многие
факторы. К основным из них относят: свойства суспензии, условия
процесса, назначение разделения, мощность производства и кон-
струкционные материалы. Например, разделение легкорасслаиваю-
щйхся суспензий с высоким отношением Ж/Т лучше всего произ-
водить в отстойниках, особенно если жидкость имеет низкую стои-
мость, а осадок является отходом производства. Для суспензий,
дающих сильносжимаемый осадок, удельное сопротивление кото-
рого увеличивается с ростом давления, а также для суспензий,
осадок которых обладает сильным адгезионным свойством, авто-
матизированные фильтр-прессы и центрифуги неприменимы. В этом
случае целесообразнее использовать барабанный вакуум-фильтр
со сходящей лентой или с устройством для снятия осадка шнура-
ми. Плотность твердой фазы играет существенную роль при вы-
боре осадительной центрифуги. Если разность плотностей жидкой
и твердой фаз значительно меньше 200 кг/м3, то осадительные
центрифуги неприменимы для такой суспензии. В этом случае наи-
более приемлемыми будут центрифуги типа ФПД или фильтры
(в зависимости от других свойств осадка и требований к нему).
Вакуум-фильтры являются более дешевым оборудованием, чем
ФПАКМ или центрифуги. Поэтому, если процесс может быть осу-
ществлен под вакуумом, целесообразно использовать вакуум-
фильтры.
Большое значение при выборе фильтров имеют требования к
чистоте и концентрации фильтрата, чистоте и влажности осадка.
С наименьшей влажностью осадок получается на автоматизиро-
ванных фильтр-прессах, а наилучшая промывка осадка с полу-
чением концентрированных промывных вод достигается на кару-
5 Зак. 162
129
сельном фильтре. Поэтому при выборе аппарата необходимо Иметь
в виду назначение и особенности его конструкции.
При выборе и расчете фильтров по результатам лабораторных
опытов следует использовать только такие данные, которые полу-
чены при условиях, моделирующих работу фильтра данного типа.
При этом считается, что поверхность лабораторного фильтроваль-
ного элемента должна быть не менее 100 см2.
Значение скорости фильтрования, полученное на лабораторной
установке, при переходе к промышленному фильтру надо умно-
жить на коэффициент запаса К, равный произведению коэффи-
циентов А, В и С. Коэффициент забивки ткани С определяют из
циклических опытов по фильтрованию суспензии и регенерации
ткани (10—15 циклов); он равен обычно 0,7—0,8. Коэффициент
стабильности В находят из значения доверительного интервала
экспериментальных данных (доверительная вероятность назна-
чается при этом в зависимости от мощности производства и со-
ставляет 0,90—0,98). Значение масштабного коэффициента А вы-
бирают (обычно в пределах 0,7—0,9) в зависимости от масштаба
эксперимента (площади фильтровальной поверхности), особенно-
стей конструкции фильтра, свойств суспензии и осадка.
Фильтрующие центрифуги используют, как правило, для раз-
деления суспензий с крупнозернистой растворимой твердой фазой.
В производстве большой мощности с высоким уровнем автомати-
зации и механизации для разделения суспензий с растворимой
твердой фазой с размером частиц более 100 мкм наиболее подхо-
дящими являются центрифуги типа ФГП. Образующийся в них
осадок имеет низкую влажность и при выгрузке не измельчается.
Эти центрифуги дают возможность промывать осадок. Однако при
их выборе следует учитывать, что производительность зависит не
только от размера ротора, но и от вида обрабатываемого осадка.
Например, производительность центрифуги 1/2ФГП 801К-2 при
фильтровании суспензии хлорида натрия составляет 6 т/ч, а при
фильтровании шенита (K2SO4-MgSO4-6H2O)—4 т/ч (при одина-
ковой влажности осадка). С уменьшением размера частиц и их
концентрации увеличивается влажность осадка и унос твердой
фазы с фильтратом (при Ж/Т == 1,5 он достигает 15 %). Такое же
действие оказывает повышение производительности центрифуги.
Например, в центрифуге ФГН 1801К при производительности 8 т/ч
осадок хлорида калия получается с влажностью 3%, а при про-
изводительности 10 т/ч — 5 % •
При выборе центрифуг типа ФГП необходимо также учиты-
вать, что они не обеспечивают четкого разделения фильтрата и
промывных вод, а также то, что в них возможна утечка масла в
фильтрат.
Для выделения из суспензии нерастворимых частиц с разме-
рами более 5 мкм можно использовать высокопроизводительные
отстойные центрифуги непрерывного действия типа ОГШ. Они
могут работать в широких пределах отношения Ж/Т (1,5—20).
Однако этот тип центрифуг не позволяет промывать осадок; влаж-
130
ность его получается такой же, как и на барабанных вакуум-
фильтрах (20—40 %), а унос твердой фазы с фугатом составляет
от 3 до 10 %.
Предварительный выбор центрифуги производят с учетом опыта
ее использования в промышленности. При этом исследуют свой-
ства суспензии, оценивают эффективность ее разделения тем или
иным методом. Окончательный выбор центрифуги может быть
сделан только после промышленного испытания. При наличии не-
скольких конкурирующих факторов возникает необходимость про-
ведения сравнительных экономических расчетов. Проведение та-
кого расчета для разделения суспензий с промывкой и обезвожи-
ванием является весьма сложным делом. Кроме учета стоимости
всего оборудования и его обслуживания необходимо сравнение
качества полученного на разных аппаратах продукта, возможных
потерь продуктов, а также стоимости его дальнейшей переработки
(сушки, кальцинации и т. д.).
Мощность производства определяет необходимый уровень ме-
ханизации и автоматизации процессов разделения суспензий. Если
в малотоннажных производствах возможно применение немехани-
зированных аппаратов с ручной выгрузкой осадка, то в крупно-
тоннажном производстве это неприемлемо.
В ряде капиталистических стран необходимый уровень меха-
низации и автоматизации оценивают по окупаемости оборудова-
ния. Если мощность производства недостаточна, чтобы в опреде-
ленный срок окупить механизированное или автоматическое обо-
рудование, то его не применяют. Но в условиях социалистического
общества этот критерий не всегда приемлем. Бывают случаи, ко-
гда использование автоматизированного оборудования нецелесо-
образно с экономической точки зрения, но диктуется требованиями
охраны труда и промышленной санитарии.
При оценке необходимого уровня автоматизации должен быть
учтен и общий уровень ее в цехе, а также непрерывность или пе-
риодичность основных процессов производства. Использование не-
прерывнодействующих аппаратов целесообразно в тех случаях,
если процесс разделения суспензии находится в промежуточных
стадиях, после которых этот процесс ведется по непрерывной тех-
нологии.
Глава 7.
МАШИНЫ И АППАРАТЫ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЗАДАННОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
7.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
Общие принципы измельчения
Одна из характеристик измельчителей — степень измельчения,
показывающая, во сколько раз уменьшается средний размер ку-
5*
131
сков (зерен) твердого материала в результате измельчения. На
практике часто дробят сырье с размерами кусков от 1 м и более
до порошкообразного состояния (d < 1 мм). Такая высокая сте-
пень измельчения не может быть достигнута на одной машине,
требуется измельчение проводить в несколько стадий. С этой
целью разработаны измельчители разных конструкций, которые
Рис. 7.1. Схемы измельчителей раскалывающего и размалывающего действия:
а — щековая дробилка; б —конусная дробилка; в — зубчатовалковая дробилка.
условно делят на дробилки крупного, среднего и мелкого дроб-
ления, мельницы тонкого и коллоидного помола.
В неорганической технологии используют в основном измель-
чители: 1) раздавливающего действия, 2) раскалывающего и раз-
ламывающего действия, 3) ударного действия. В некоторых слу-
чаях применяют измельчители истирающе-раздавливающего и
ударно-истирающего действия.
В измельчителях раздавливающего действия тело под дей-
ствием нагрузки деформируется по всему объему, и когда внут-
реннее напряжение в нем превысит предел прочности сжатию, —
оно разрушается. К таким измельчителям относят гладковал-
ковые дробилки и роликокольцевые мельницы.
Измельчение материала раскалыванием и разламыванием осу-
ществляют действием на тело сосредоточенных нагрузок, вызы-
вающих местные разрушающие напряжения. Раскалывание и раз-
ламывание по сравнению с раздавливанием требует меньших уси-
лий для разрушения материала и меньших энергетических затрат
на единицу измельчаемого вещества. Достоинством этого способа
является также снижение выхода мелких фракций, в результате
чего образуется более однородный по размерам продукт. К из-
мельчителям раскалывающего и раздавливающего действия отно-
сят щековые, конусные и зубчатовалковые дробилки (рис. 7.1).
В измельчителях ударного действия разрушение материала
происходит вследствие динамических нагрузок. Они возникают при
падении измельчающих тел на материал, при столкновениях из-
132
мельчающего тела с материалом в полете, летящего материала
с неподвижной поверхностью и при столкновении в полете самих
измельчаемых частиц друг с другом. К измельчителям ударного
действия относят молотковые дробилки, а также шаро-
вые, стержневые и струйные мельницы.
При дроблении куски твердого материала подвергаются сна-
чала объемной деформации, а затем разрушаются по ослаблен-
ным макро- и микротрещинами сечениям с образованием новых
поверхностей. Куски продукта дробления ослаблены трещинами
значительно меньше исходных. Поэтому с увеличением степени
измельчения возрастает удельный расход энергии на измельчение.
Например, при измельчении частиц до размера —20; —0,1;
—0,01 мм расход электроэнергии составляет соответственно 1; 25
и 150 кВт-ч/т. На практике, руководствуясь принципом «не из-
мельчать ничего лишнего», из материала предварительно удаляют
частицы с размером, до которого материал будет доведен на дан-
ной стадии.
Работа, затрачиваемая на измельчение, расходуется на объем-
ную деформацию кусков (частиц) и на образование новых по-
верхностей;
4 = + (7.1)
Здесь а — работа деформирования единицы объема твердого тела, Дж;
ДУ — изменение объема твердого тела; а—работа образования единицы новой
поверхности (поверхностная энергия), Дж/м2; ДГ— площадь вновь образованной
поверхности, м2.
При дроблении крупного куска с малой степенью измельчения
можно пренебречь работой образования новой поверхности. Тогда:
А = аДК
При высокой степени измельчения сравнительно мелких зерен
можно пренебречь работой деформирования, так как она будет
очень мала по сравнению с работой образования новой поверхно-
сти. Тогда уравнение (7.1) запишется:
А = о ДЛ (7.2)
Работу образования новой поверхности можно было бы умень-
шить, если бы удалось снизить значение о. Такой (кажущийся)
эффект наблюдается при мокром помоле.
Под влиянием внешних усилий еще до видимого разрушения
в зоне деформации возникают «зародышевые» микротрещины. При
устранении внешних усилий они под влиянием молекулярных сил
сцепления способны к смыканию.
При мокром помоле жидкость, проникая в микротрещины и ад-
сорбируясь на поверхности, образует сольватные слои, которые
оказывают расклинивающее действие. Причем, чем меньше зазор
между твердыми поверхностями, тем сильнее расклинивающее дей-
ствие. Известно, что разрушение твердых тел в жидкостях идет
тем легче, чем больше энергия (теплота) смачивания (адсорбции).
Соответственно этому гидрофильные тела (кремнезем, карбонаты,
133
силикаты и т. д.) легче разрушаются в воде (растворах), чем
в неполярных жидкостях.
При дроблении в качестве «понизителей твердости» могут быть
использованы некоторые ПАВ. Например, добавление в размалы-
ваемое вещество 0,01—0,002 % соапетока, этаноламинов, алкил-
сульфатов или сульфанола позволяет снизить расход электроэнер-
гии или увеличить производительность мельниц на 20—30 % •
Измельчители
В основной химической технологии используют, как правило,
щековые, конусные, валковые и молотковые дробилки, отличаю-
щиеся формой дробящего органа, а также барабанные и струйные
мельницы, обеспечивающие по сравнению с дробилками более тон-
кий помол.
Техническая характеристика некоторых отечественных дроби-
лок приведена в табл. 7.1.
Щековые дробилки применяют для крупного дробления колче-
дана, известняка, плавов хлорида бария, цианамида кальция
и т. д. Они получили широкое распространение благодаря ком-
пактности, легкости обслуживания, простоте и надежности кон-
струкции. Плиты дробилки, являющиеся рабочим органом, изго-
тавливают из закаленного чугуна или износостойкой с^али. Раз-
мер кусков дробленого материала определяется шириной зазора
между плитами станины и подвижной щеки, который регулируется
с помощью регулировочного клина.
Из-за трудности теоретического расчета производительности и
потребляемой энергии измельчителей используют приближенные
эмпирические формулы. Для щековых дробилок с длиной пасти
400—2100 мм при измельчении материала средней твердости мож-
но пользоваться следующими формулами:
Q == (0,43 + 0.22L) Ы 103, (7.3)
/V = KBL. (1А)
Здесь Q — производительность, т/ч; b — полная ширина разгрузочной щели,
м; В и L — ширина и длина пасти дробилки, м; N— мощность, кВт; /( — коэф-
фициент, который принимают равным 100 при BL от 250X400 до 900 X 1200 и
равным 80—90 при BL > 900 X 1200.
Недостатком щековых дробилок является динамическая не-
уравновешенность, создающая вибрацию, а также забивание рабо-
чего пространства материалом при неравномерной его подаче.
Конусные дробилки (рис. 7.2) по своему назначению делят на
дробилки крупного, среднего и мелкого дробления. Рабочим эле-
ментом дробилок являются поверхности конусов, футерованные
плитами из марганцовистой стали. Внешний конус 1 связан со
станиной дробилки, а внутренний 2 установлен на оси 3. В одних
конструкциях (см. рис. 7.2, а) оси крепят в соосных подшипниках
с эксцентриситетом относительно оси внешнего конуса 1. В дру-
гих (см. рис, 7.2, бг в) нижний конец оси закрепляют эксцентрично
134
Таблица 7.1
Техническая характеристика некоторых дробилок
Типоразмер Максималь- ный размер загружаемых кусков, мм Макси- мальный размер разгру- жаемых кусков, мм Производи- тельность, т/ч Частота вращения вала, мин-1 Мощ- ность двига- теля, кВт Масса» т
Щековые
400 X 600 350 40—100 8,5—22 250 28 5,7
900 X 1200 650 150—200 140—200 170 НО 59,0
1500X2100 1100 250-300 400-500 100 280 215,0
Конусные крупного дробления
В-500 400 75 250 140 130 39,1
В-1200 1000 180 1400 100 400 204,4
Конусные среднего дробления
КСД-600Б 60 12-25 20—40 350 28,0 3,7
КСД-1200А 115 8-25 50—135 260 75 25,7
КСД-2100Б 300 30-60 730-^-1200 200 210 61,8
Конусные мелкого дробления
КМД-1200 КМД-2100 45 100 3—13 5-15 18—90 155-450 260 200 75 210 23,5 61,4
ДДЗ-1М 200 Зубовалковые 25—100 20-55 64 11 3,1
ДДЗ-4 400—1000 125 200 36 35 12
Гладковалковые
ДВГ-2 32 2 5 190/220 4,5 2.12
нкм-з 80 20 104 83,6 85 43,4
Четырехвалко- вая 40 2 34 80/140 46 35,0
Молотковые
С-218 100 35 10-18 1250 14 1,3
ДМ-7 400 10 200 735 260 10,5
135
в стакане 4 с некоторым наклоном. При вращении ось описывает
конус с вершиной в точке 0. При вращении внутренний конус в од-
ной части окружности приближается к неподвижному внешнему
конусу, разрушая материал, а в противоположной части окружно-
сти удаляется от внешнего конуса. Измельченный материал при
этом высыпается через выходную щель.
В отличие от щековых дробилок в конусных дробилках про-
цессы разрушения материала и удаления его из зоны дробления
Рис. 7.2. v>xeMH конусных дробилок:
а — крупного дробления; б — среднего дробления; в •* мелкого дробления; 1 — внешний ко-
нус; 2 —- внутренний конус; 3 — ось; 4 — стакан; б — сферическая опора.
протекают непрерывно. Поэтому они динамически более уравно-
вешены и имеют большую производительность на единицу соб-
ственной массы.
Крупность дробленого материала определяется шириной выход-
ной щели, которую изменяют в дробилках крупного дробления,
опуская или поднимая внутренний конус, а в дробилках среднего
и мелкого дробления — внешний конус.
Дробилки среднего и мелкого дробления отличаются от дро-
билок крупного дробления тем, что внутренний конус в них поса-
жен консольно, а на верхнем конце вала закреплена приемная
тарелка. Воспринимаемые внутренним конусом усилия передаются
на опору 5 со сферическим бронзовым вкладышем. Внешний конус
крепится к станине устройством, состоящим из болта с гайкой и
пружины. По окружности дробилки установлено от 20 до 130 бол-
тов с пружинами, прижимающими конус к корпусу с силой 4—
6 МН. Крепление внешнего конуса с помощью пружин позволяет
исключить возможность поломки машины из-за попадания в нее
металлических предметов.
В дробилках мелкого дробления в нижней части зоны измель-
чения увеличен участок с параллельными поверхностями конусов.
Это позволяет получать измельченный материал более однородным
по размеру частиц.
Конусные дробилки используют для измельчения колчедана,
фосфатного сырья, сильвинита и других твердых материалов.
Производительность (кг/ч) дробилок крупного дробления опре-
деляют по формуле
Q =3 22,6 • 103il?pH (£>ki — b) brn/(tg + tg а2), (7.6)
136
дробилок среднего и мелкого дробления:
Q = 11.3 • 103фрн6Шк2п. (7.6)
Здесь ф — коэффициент разрыхления материала, определяемый опытным пу-
тем; рн — насыпная плотность материала, кг/м3; DKi — диаметр нижней части
наружного конуса, м; b — ширина разгрузочного зазора между конусами, м;
г — эксцентриситет (см. рис. 7.1); п — частота вращения конуса, с-1; I — длина
параллельного участка между конусами (см. рис. 7.2), м; £)к2— диаметр вну-
треннего конуса в середине параллельного участка, м.
Потребляемую мощность (Вт) находят по формуле:
(7.7)
Здесь k = 85 — для дробилок крупного дробления и k — 50 — для дробилок
среднего и мелкого дробления; Dk3 — диаметр основания внутреннего конуса в
дробилках среднего и мелкого дробления и диаметр нижней части наружного
конуса в дробилках крупного дробления, м.
Недостатки конусных дробилок: сложная и дорогая конструк-
ция, большая высота и сложное обслуживание.
Валковые дробилки используют для крупного, среднего и мел-
кого (гладковалковые) дробления малопрочных материалов, та-
ких, как уголь, сера, сильвинит и т. д.
В зубовалковой дробилке (рис. 7.3) материал попадает между
зубьями вращающихся навстречу друг другу валков и раскалы-
вается. Один из валков посажен на подвижные подшипники с
амортизирующими пружинами, чтобы защитить дробилку от по-
ломки при попадании между валками металлических предметов.
Для повышения степени измельчения изготавливают дробилки
с двумя парами валков, которые устанавливают друг над другом
на общей раме. В зубовалковых дробилках нижняя пара валков
имеет зубья меньших размеров с большей частотой их располо-
жения. Такие дробилки дают степень измельчения от 8 и выше.
Ширина выходной щели у верхней пары валков больше, чем у
нижней, поэтому для обеспечения одинаковой производительности
частота вращения нижних валков должна быть больше, чем
верхних.
Производительность (кг/ч) и потребляемую мощность (кВ г)'
валковых дробилок определяют по формулам:
Q = 188,4 • 103фрн£>п1£), (7.8)
N = 1,39 • 10"6 [a2Q/(nP^)] 1g i. (7.9)
Здесь b — ширина зазора между валками, м; L — длина валка, м; D — диа-
метр валка, м; а, р, Е — предел прочности, плотность и модуль упругости из-
мельчаемого материала; т] — к. п. д. дробилки (0,32—0,38 — для гладковалковых
и 0,5—0,7—для зубовалковых); i — степень измельчения; ф « 0,27 (для твер-
дого материала) и ф= 0,5 4-0,6 (для мягкого).
Валковые дробилки компактны, просты по устройству, но чув-
ствительны к неравномерности подачи материала.
Молотковые дробилки предназначены для среднего и мелкого
дробления волокнистых и хрупких материалов умеренной твердо-
сти, таких, как асбест, смерзшийся колчедан, калийная руда, гипс,
137
кокс, известняк и т. д. Размер частиц измельченного материала
определяется размером отверстий в колосниковой решетке, кото-
рую при необходимости можно заменять. Во избежание образо-
Рис. 7.3. Двухвалковая зубчатая дробилка:
/ — рама; 2— ось нескользящего валка; 3 — нескользящий валок; 4 — зубчатые кольца; 5—э
скользящий валок; 6 — ось скользящего валка; 7 — неподвижный подшипник; 8—скользя-,
щий подшипник; 9 — пружина; 10 — направляющая шпилька; 11 — опорная тарелка.
вания продукта с повышенным содержанием пыли и мелочи ча-
стота вращения ротора с молотками не должна превышать расчет-*
кого для данного материала значения.
138
Молотковые дробилки отличаются высокой производитель-
ностью на единицу собственной массы, пониженным расходом
энергии и высокой степенью измельчения по сравнению с конус-
ными дробилками. Недостатками являются быстрый износ молот-
ков и плит, сложность балансировки ротора.
Барабанные мельницы используют для сухого и мокрого по-
мола. Мокрый помол применяют во всех случаях, когда измель-
ченный материал подвергают в дальнейшем переработке в виде
суспензии.
Создано большое число типов барабанных мельниц: шаровые и
стержневые, одно- и многокамерные (две, три, четыре), мокрого
Таблица 7.2
Техническая характеристика некоторых барабанных мельниц
Тип Диа- метр бара- бана, мм Длина бара- бана, мм Частота враще- ния, 1 мин Масса, т Мощ- ность двига- теля, кВт Производительность (т/ч) при крупности продукта (мм)
машины мелю- щих тел -2,36 -0,83 -0,30
ШМ-1 900 600 40 4,5 0,45 14 —— 0,70 0,50
ШР-4 2100 1500 24 37,0 12,4 130 20 16 11,4
ШР-8 3200 3100 18 104,0 47,0 590 140 НО 80
2СМ-1 900 1800 33 8,4 3,0 26 3,60 2,70 1,80
ЗСМ-З 1500 3000 24 24,0 12,5 0 95 19,5 17,3 9.8
и сухого помола. Техническая характеристика некоторых из них
приведена в табл. 7.2.
Изображенную на рис. 7.4 двухкамерную мельницу можно ис-
пользовать для сухого и мокрого помола. Внутренняя поверхность
барабана покрыта защитными плитами 2 из марганцовистой ста-
ли. В первую по ходу сырья камеру загружают стальные шары
рассчитанного диаметра, а во вторую — стальные цилиндры (циль-
бепсы).
Через отверстия в диафрагме 4 проходит только измельченный
материал, а шары и крупные куски остаются. Разгрузочная решет-
ка 6 также имеет отверстия, пропускающие только размолотый
материал и задерживающие цильбепсы. Загрузка и выгрузка ме-
лющих тел осуществляются через люки 3, подача сырья — через
полую цапфу 1, а вывод суспензии — через цапфу 7 при содействии
лифтеров (ребра решетки) 8. В мельницах сухого помола решет-
ка 6 отсутствует. В последних кроме измельчения материала воз-
можна также его подсушка при подаче в барабан для выноса ма-
териала подогретого воздуха. Такие мельницы покрывают тепло-
изоляцией, которая служит одновременно и звукоизоляцией. Вра-
щение барабану передается через венцовую шестерню 5.
Использование мокрого помола приводит к уменьшению рабо-
чего объема и повышению массы мельницы (за счет диафрагмы и
лифтеров), а также к несколько более быстрому износу мелющих
139
Рис. 7.4. Барабанная двухкамерная мельница:
2, 7 — цапфы; 2 — защитные плиты; 3 — люк; 4 — диафрагма; 5 —шестерня; б — разгрузочная решетка; й — лифтеры.
деталей из-за повышенной коррозии металла в растворах (напри-
мер, NaOH, Na2SO4, CuSO4, кислоты).
Создание многокамерных мельниц объясняется стремлением
привести размер мелющих тел (размер и форма которых сильно
влияют на экономичность мельницы) в соответствие с крупностью
измельчаемого материала. Энергия мелющих тел должна быть до-
статочной для разрушения наибольших кусков сырья, иначе они
в мельнице не разрушаются, а шлифуются. Если эта энергия пре-
вышает необходимое значение, то избыток ее расходуется на пере-
измельчение материала и частично превращается в тепловую энер-
гию. Для разрушения крупнокускового сырья требуются мелющие
тела большей массы. Это уменьшает число ударов по материалу
и снижает производительность мельниц. Поэтому считается, что
крупность частиц загружаемого сырья должна быть не более 6—
8 мм. В многокамерной мельнице крупность материала умень-
шается по мере его продвижения к выходу. В соответствии с этим
первая камера загружается крупными мелющими телами, а каж-
дая последующая — более мелкими (в соответствии с расчетом
и опытными данными).
Стержневые мельницы отличаются от шаровых тем, что запол-
няются стальными стержнями диаметром 40—100 мм, длина ко-
торых короче барабана примерно на 50 мм. Их также используют
для сухого и мокрого помола. При падении шаров в мельницах
происходят точечные удары, а при падении стержней удар рас-
пределяется по линии и разрушает только крупные куски. Поэтому
в стержневых мельницах процесс идет без переизмельчения ма-
териала, и в них получается не тонкая пыль, а мелкие зерна
(1—3 мм).
Барабанные мельницы обладают высокой надежностью, безо-
пасностью и простотой обслуживания. Недостатки: громоздкость,
шум и загрязнение продукта металлом из-за износа измельчи-
телей.
На обогатительных фабриках, где перерабатывают большие ко-
личества породы, можно встретить высокопроизводительные мель-
ницы самоизмельчения руды типа «Каскад» и «Аэрофолл».
Струйные мельницы. Измельчение материала в таких мельни-
цах происходит в результате соударения частиц в струях воздуха
или перегретого пара, вытекающих из сопел или разгонных труб
со скоростью более 90 м/с и направленных под углом (например,
плоская размольная камера типа СПБ) или навстречу друг другу
(противоточная камера типа СП). Давление подаваемого в из-
мельчители воздуха (пара) составляет 0,68—0,98 МПа, а расход
его 4—12 м3 на 1 кг размалываемого вещества. Крупность исход-
ного сырья находится в пределах 0,1—0,5 мм, но иногда доходит
до 8—10 мм. Конечный продукт имеет соответственно крупность от
—50—80 до —20 мкм. При работе в замкнутом цикле с сепарато-
ром и многократной циркуляцией размер частиц продукта может
составлять 1—5 мкм.
141
В струйных мельницах могут измельчаться сера, известняк,
уголь, барит, асбест и другие материалы. Производительность
установок составляет от нескольких килограммов до 30 т/ч и
более.
Организация измельчения
В значительной мере организация измельчения определяет эко-
номичность технологического процесса в целом. Подбор типа и
размера измельчителя производят с учетом его технических харак-
теристик; размеров загружаемых и выгружаемых кусков (частиц),
a S 6
Рис. 7.5. Принципиальная технологическая схема измельчения;
J, 14 — питатели; 2, 13 — бункеры; 3 — вагоны; 4, 8, 12 — транспортеры; 5, 9 — грохоты; 6,
10, 15 — дробилки; 7, 11, 16, 18 — желоба; 17 — классификатор.
производительности, потребляемой мощности, сложности обслу-
живания и т. д. Например, конусные дробилки имеют большую
равномерность в работе и производительность на единицу соб-
ственной массы и расходуют меньше энергии, чем щековые
(см. табл. 7.1). Однако это не значит, что во всех случаях нужно
использовать конусную дробилку. Может также оказаться, что для
измельчения данных кусков сырья потребуется крупногабаритная
конусная дробилка, производительность которой будет значительно
превышать требуемую. В этом случае дробилка будет недогружена
и ее коэффициент полезного действия останется низким. Поэтому
без экономического анализа схемы измельчения нельзя однозначно
выбирать тип измельчителя.
Измельчение сырья (руды) проводят обычно в три ступени
(рис. 7.5): крупное, среднее и тонкое. Руду вагонами 3 подают
в бункер 2 с колосковой решеткой, задерживающей куски с раз-
мерами больше ширины пасти дробилки. Из бункера сырье пита-
телем 1 и транспортером 4 подают на грохот 5. Мелкая фракция
по желобу 7 попадает на транспортер 5, а крупная — на дробилку
крупного (среднего) измельчения 6. Раздробленный материал так-
же поступает на транспортер 8, который подает сырье на грохот 9,
где оно делится на две фракции. Нижняя (мелкая) поступает по
желобу 11 на транспортер 12, а верхняя — в дробилку среднего
142
(мелкого) дробления 10. Из дробилки материал подается транс-
портером 12 в бункер 13, а из него питателем 14 в барабанную
мельницу 15, в которую по трубопроводу поступает вода (рас-
твор). Отношение Ж/Т составляет обычно 2—3.
Суспензия из мельницы мокрого помола направляется по же-
лобу 16 в спиральный классификатор 17, где крупные частицы
оседают на дно и шнеком
по желобу 18 возвра-
щаются в мельницу, а
мелкие вместе с жид-
костью подаются на даль-
нейшую переработку.
Подобную схему мок-
рого помола в замкнутом
цикле с использованием
гидравлического .класси-
фикатора применяют для
измельчения бокситов в
производстве глинозема,
серы в производстве тио-
сульфата натрия, фосфат-
ных руд при флотацион-
ном их обогащении
Рис. 7.6. Схема сухого измельчения:
1 — мельница; 2 — питатель; 3, 8 — бункеры; 4 — се-
паратор; 5 — рукавный фильтр; 6 — циклон; 7 —
шнек.
и т. д.
В некоторых схемах перед грохотом 9 помещают магнитный
сепаратор для задерживания стальных* предметов.
При необходимости получения сухого порошка (рис. 7.6) сырье
из бункера 3 питателем 2 подают в мельницу сухого помола 1,
в которую газодувкой 9 нагнетается газ (воздух). Он подхваты-
вает в мельнице мелкие частицы и поступает в сепаратор 4. Здесь
твердая фаза разделяется на две фракции. Крупная возвращается
в мельницу, а мелкая отделяется от воздуха в циклоне (батарее
циклонов) 6, откуда шнеком 7 доставляется в бункер 8. Воздух,
освобожденный в циклоне от основной массы твердых частиц, воз-
вращается газодувкой частично в цикл. Основная часть газа вы-
пускается в атмосферу через рукавный фильтр 5.
7.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФРАКЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Разделение твердых веществ на фракции проводят тремя спо-
собами: в грохотах, гидравлической и воздушной сепарацией.
Грохоты
Грохот служит для разделения частиц (кусков) сыпучих ма-
териалов по крупности просеиванием через сита или решета.
Рабочие элементы грохотов — сита, решета и колосники. Ко-
лосники изготавливают из стержней трапециевидного сечения. Ре-
ИЗ
шетами называют металлические листы с проштампованными
круглыми или щелевидными отверстиями с поперечным размером
до 50 мм. Сита для грохотов выполняют из сеток, изготовленных
из проволоки или металлических стержней (рис. 7.7). Системой
сит в СССР сетки по площади отверстий (мм2) делят на следую-
щие классы: мельчайшая (менее 0,25), мелкая (0,25—1), средняя
(1—25), крупная (25—625), очень крупная (свыше 625). Сетки
класса «средняя» и мельче изготавливают обычно ткаными, а
очень крупные—в виде сварных, стержневых и сборных.
Отечественные сита обозначают номерами, соответствующими
размеру стороны отверстия, выраженному в миллиметрах.
Для промышленного рассева сыпучих материалов ГОСТ
3826—82 предусматривает выпуск проволочных тканых сеток по-
лотняного переплетения с квадратными ячейками, размер сторон
5 6г 3
Рис. 7.7. Виды сеток:
а — тканые; 6 — крученые; в — сварные; г — стержневые; д — сборные.
которых в свету от 0,4 до 20 мм, нормальной и повышенной точ-
ности.
Размеры частиц (кусков) мельче или больше определенного
значения записывают со знаком «—» или «+». Например, при
рассеве материала на двух ситах с размерами ячеек 5 и 1 мм по-
лучают три фракции: 4-5 мм, —5 4- 1 мм и —1 мм.
Грохоты подразделяют на две группы: плоские и барабанные.
Техническая характеристика некоторых из них приведена в
табл. 7.3.
Простейшим плоским грохотом является наклонно установлен-
ная (45°) колосниковая решетка с шириной щелей не менее 50 мм.
Ее используют для крупного грохочения.
Валковые грохоты представляют собой ряд (7—13 шт.) парал-
лельных валов на общей наклонной раме, на которых через равные
расстояния (50—150 мм) закреплены эксцентрично диски, обра-
зующие ячейки между валками. Каждый вал соединен с после-
дующим цепной передачей, приводимой в действие электромото-
ром через редуктор. Вращаясь с окружной скоростью 0,6—1,5 м/с,
диски ворошат и продвигают материал. Достоинство их — высокая
производительность и эффективность разделения. Недостаток—
быстрый износ дисков.
Ситовые грохоты (рис. 7.8) применяют как для классификации,
так и для отмывки кускового и зернистого материала от шлама.
В последнем случае используют штампованные сита с небольшими
щелевидными отверстиями. Подобные сита устанавливают также
И4
Техническая характеристика некоторых грохотов
Таблица 7.3
Тип Пло- щадь сит, м2 Макси- мальная крупность питания, мм Число сит Размер отверстий в сите, мм Частота качаний, коле- баний, враще- ния, —~ 1 мин Потре- бляе- мая мощ- ность, кВт Произ- води- тель- ность, м3/ч Масса гро- хота, т
БКГО-М2А 5,0 К а 250 ч а ю и 2 [неся сит 0,25—1,0 о в ы е 400 6,5 15-30 4,89
ГП-4 8,0 250 4 10—25 500 20,5 200 8.86
ГЛО-4 9,0 250 4 0,25—1,0 500 8,0 35—100 9,79
Вибрационные и полувибрационные ситовые
ГГТ-32 3,75 300 2 50-25 840 3,5 120 2,16
ГЖД-1 0,3 60 2 Сменные 1000 0,6 7 0,14
ВГД-2ЭК 5,25 100 2 » 1300 5,5 30 1,80
ГВП-1 3,13 100 2 80—13 1200 3,8 70 1,11
ГУП-111 4,38 200 3 50—25—13 900 8,0 120 2,40
Барабанные
ГБ-1,5 19,8 350 2 50-10 10,42 4,5 45 5,05
0-89 34,6 350 1 20 16 23,5 40 14,25
С-1.3 11,4 150 1 16 20 7,0 30 5,32
на грохотах, которые служат для просева материала с удлинен-
ными частицами.
Рис. 7.8. Схемы сиговых грохотов:
а — односитовой; б — многоснтовой; / — короб; 2 — сито; 3 — подвеска; 4 — опорная рама;
5 — привод.
В грохотах, предназначенных для классификации кусковых ма-
териалов, применяют сита из стальной проволоки или прутьев с
размером отверстий 6, 8, 10, 13, 25, 50, 70 и 100 мм.
По принципу передачи движения материалу плоские ситовые
грохоты делят на качающиеся, гирационные (полувиб-
рационные) и вибрационные.
Вибрационные грохоты имеют высокую производительность и
эффективность грохочения, низкий расход энергии; пригодны для
145
крупного и тонкого грохочения, компактны, просты в обслужива-
нии. Поэтому они получают все более широкое применение и вы-
тесняют постепенно другие типы грохотов.
Барабанный грохот (рис. 7.9) представляет собой дырчатый
вращающийся барабан 4, собранный из отдельных сит на метал-
лическом каркасе. Барабан своими бандажами 3 опирается на ро-
лики 1, которые в некоторых конструкциях служат одновременно
фрикционной передачей. Вращение барабана в данной конструк-
Рис. 7.9. Схема барабанного грохота:
1 — ролики; 2 — воронка; 3 — бандаж; 4 — барабан;
5 — шестерня; 6, 8— бункеры; 7 — зубчатый венец.
ции осуществляется с по-
мощью зубчатого венца
7 через шестерню 5. Ма-
териал в грохот подает-
ся через воронку 2 и при
вращении наклонно уста-
новленного (5°) бараба-
на продвигается к проти-
воположному концу. При
этом мелкая фракция
собирается в бункере S,
а крупная — в бунке-
ре 6.
При разделении материала на большее число фракций исполь-
зуют барабаны с несколькими последовательно расположенными
ситами.
Серьезными недостатками барабанных грохотов являются гро-
моздкость и низкий коэффициент использования поверхности сит
(20—30 % при заполнении объема барабана на 15—20%)-
Надо иметь в виду, что не все частицы, размер которых меньше
размера отверстий сита, просеиваются. К-и. д. ситовых грохотов
составляет обычно 65—80 % и зависит от его конструкции (спо-
соба передачи материалу движения), влажности материала и тол-
щины его слоя на сите, формы и размера частиц.
Классификаторы
В зависимости от среды, в которой происходит разделение ма-
териалов, различают гидравлические и пневматические (воздуш-
ные) классификаторы.
Спиральные классификаторы используют для разделения мате-
риалов, измельчаемых в барабанных мельницах мокрым способом
в замкнутом цикле. Основными их узлами являются корыто с полу-
круглым наклонным (15—18°) дном и спираль (шнек). Крупные
частицы, осевшие на дно, выводятся из классификатора шнеком,
а мелкие сливаются с жидкостью. В сливе размер частиц доходит
до 0,1—0,15 мм. При необходимости выделения более мелкой фрак-
ции (—0,05 4 0,06 мм), например при очистке известкового мо-
лока, применяют реечно-чашечные классификаторы.
Широкое распространение в промышленности получили кони-
ческие классификаторы автоматического действия (рис, 7,10). Под?
лежащий классификации материал в виде суспензии поступает в
приемную трубу 9 и через диафрагму 14 — в объем конуса
(рис. 7.10, а). Восходящий поток жидкости выносит мелкую фрак-
цию в карман 12, откуда она сливается через патрубок 13. Круп-
ная фракция накапливается на дне конуса.
По мере накопления крупной фракции на дне уровень суспен-
зии в направляющей 10 поплавка поднимается и она давит на по-
плавок 11, который, поднимаясь, с помощью штока 8 поворачивает
Рис. 7.10. Конический классификатор автоматического действия:
а — с верхним поплавком; б — с нижним поплавком; 1 — коромысло; 2 — шаровой клапан;
3 — штанга; 4 — пружина; 5 — корпус; 6 — рычаг; 7 — груз; 8 — шток; 9 — приемная труба;
10 — направляющая поплавка; 11 — поплавок; 12 — карман; 13 — патрубок; 14 — диафрагма.
рычаг 6, соединенный с коромыслом 1 штангой 3. Коромысло, от-
клоняясь вниз, открывает шаровой клапан выходного отверстия
крупной фракции. Сила прижатия клапана регулируется пружи-
ной 4, а подъемная сила поплавка — передвижным грузом 7.
Описанный классификатор используют для выделения из сус-
пензии сравнительно крупных и тяжелых частиц. Если требуется
отделить частицы малых размеров с плотностью, незначительно
отличающейся от плотности жидкости, применяют классификаторы
с нижним поплавком, чувствительным к изменению плотности сус-
пензии (рис. 7.10,6). Изменяя скорость подачи суспензии в клас-
сификатор, можно регулировать крупность получаемых фракций.
Для классификации сухих порошков используют циклоны с
низким фактором разделения и воздушно-проходные классифика-
торы различных конструкций. Наиболее удачным является воз-
душно-проходной классификатор, изображенный на рис. 7.11.
Пылевоздушная смесь поступает в сепаратор через штуцер 1.
В корпусе 4 скорость потока уменьшается, и наиболее крупные
частицы выпадают и отводятся через штуцер 2. Далее поток че-
147
рез створки 7 попадает в циклон 6. Проходя створки, поток при-
обретает вращательное движение, и частицы под действием цен-
тробежной силы оседают и выводятся через штуцер 3. Самые
Рис. 7.11. Воздушно-про-
ходной классификатор:
1—3, 9~ штуцеры; 4 — кор-
пус; 5 — цилиндр-вытесни-
тель; 6 — циклон; 7 — на-
правляющие створки; S —
механизм управления створ-
ками.
мелкие частицы уходят с потоком через
штуцер 9. Они отделяются от воздуха в ба-
тарейных циклонах или в рукавных фильт-
рах. Воздушно-проходной сепаратор приме-
няют в основном в цикле с измельчите-
лем.
7.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
Гранулирование — формирование твер-
дых частиц (гранул) заданных размеров
и формы. В промышленности применяют
грануляторы различных конструкций (ба-
рабанные, валковые, тарельчатые), табле-
точные машины для гранулирования по-
рошков, экструдеры для гранулирования
паст, центробежные и вибрационные раз-
брызгиватели в сочетании с башнями для
гранулирования расплавов.
Гранулирование порошкообразных
материалов
В барабанных и тарельчатых грануля-
торах при смачивании за счет капиллярно-
адсорбционных сил происходит упрочнение
гранул. В качестве смачивателя и связующего можно использовать
воду, растворы силиката натрия, а также солей, которые являются
одним из компонентов гранул, сульфат-спиртовую барду и т. д.
Техническая характеристика некоторых грануляторов для по-
рошков приведена в табл. 7.4.
Барабанный гранулятор представляет собой полый барабан,
опирающийся бандажами на опорные ролики. Во вращение бара-
бан приводится электродвигателем с помощью редуктора через
зубчатый венец. На концах барабана установлены пороговые
кольца, повышающие степень его заполнения. Вода (раствор), ис-
пользуемая для гранулирования, разбрызгивается форсунками
внутри барабана на некотором расстоянии от входа. Для очистки
стенок от налипшего материала устанавливают вдоль образующей
барабана диабазовый нож. В некоторых конструкциях внутренняя
поверхность барабана покрыта листами резины, прикрепленными
к стенке только в отдельных точках (шаг примерно 0,5 м). Очист-
ка стенок от налипшего материала в аппаратах такой конструк-
ции происходит в результате прогибания резиновых листов под
действием силы тяжести в момент достижения ими верхнего по-
ложения.
148
В барабанных грануляторах можно совместить процессы гра-
нулирования и сушки. Барабанный гранулятор-сушилка (БГС)
отличается от сушилки с подъемно-лопастной насадкой тем, что
насадка в нем рассечена обратным шнеком, представляющим со-
бой открытый или закрытый короб, приваренный к стенке бара-
Таблица 7.4
Техническая характеристика
некоторых грануляторов для порошков
Тип гранулятора Размеры рабочего элемента, dXZ, м Частота вращения, мин’-1 Угол наклона, градусы Произво- дитель- ность, т/ч * Выход продукта, % * Вид удобрения
Барабанные 2,4X7,0 6-10 1 15 50-75 Суперфосфат
БГ 1.4Х7.5 7,25 1 26
1,6ХН.5 6,0 1 38
БГС 4,0X16,0 4,0 3 15 — Аммофос, ни-
3,2X22,0 5,0 3 10—11 трофоска
Т арельча- 3,25X0,40 11 45 5 Суперфосфат,
тые 4,0X0,40 11 — 14 40—52 10 80—90 сложносме-
4,4X0,45 13—19 65—70 25 ш энные, нитро- аммофоска
Валковые 0,9X1.2 13—15 — 10—17 35 Хлорид калия,
0,52X0,52 30 < 2—2.6 35—40 аммофос
* Производительность и выход гранул зависят от конкретного вида сырья
и требуемого размера гранул.
бана по спирали, а хвостовая часть занята классификатором
[29, 74].
Достоинством грануляторов барабанного типа является воз-
можность совмещения в одном аппарате процесса гранулирования
с другими процессами: например, с нейтрализацией (аммонизатор-
гранулятор); сушкой и возвратом ретура (БГС); сушкой, возвра-
том ретура и охлаждением гранул (БГСХ). Их используют для
гранулирования сложносмешанных удобрений и суперфосфата.
К недостаткам относят: громоздкость, налипание материала на
стенки, сложность визуального контроля за ходом гранулирования.
Тарельчатый гранулятор (рис. 7.12) представляет собой чашу
(тарелку) 1 с плоским или сферическим дном, укрепленную на
валу редуктора 3, который установлен на станине 5. Вращение
чаше сообщается электродвигателем 2, а угол наклона ее регу-
лируется специальным устройством 4. Гранулируемый порошок
подают на тарелку по течке 8, а жидкость разбрызгивается через
отверстия трубы 7. Пыль и пары отсасываются по трубе 6.
Порошок поступает на тарелку в зоне 10, смешивается с мел-
кими гранулами и в зоне 9 орошается жидкостью, что способ-
149
Руднотермическая электропечь (рис. 8.8) РКЗ-72Ф-М1 пред-
назначена для восстановления фосфора при 1000—1300°C.
Печь состоит из стального цилиндрического корпуса, футеро-
ванного огнеупорным кирпичом, и кожуха 5 для охлаждения во-
Рис. 8.8. Руднотермическая электропечь РКЗ-72Ф-М1:
/ — устройство для перепуска электрода; 2—электрододержатель; 3 — загрузочный патру-
бок; 4 — крышка; 5 — кожух; 6 — труба для охлаждающей воды; 7 — футеровка; 8 —
электрод; 9 — короткая сеть.
дой. На уровне пода имеется летка, служащая для удаления
феррофосфора, а на высоте 400—450 мм от пода расположены
две летки для удаления шлака. Электроды 8 установлены в элек-
трододержателе 2 и вставлены в печь через отверстия, располо-
женные в крышке 4. Для подачи шахтовых материалов в крышке
размещены патрубки 3. Конец электродов выполнен из листовой
162
ствует слипанию мелких частиц и закатыванию гранул. Крупные
гранулы под действием центробежной силы быстрее скатываются
к периферии чаши, чем мелкие, и в зоне И, где наблюдается наи-
большая толщина слоя, выбрасываются из нее. Мелкие гранулы,
испытывающие большее сопротивление порошка их движению,
Рис. 7.12. Тарельчатый гранулятор:
1 — чаша; 2 — электродвигатель; 3 — редуктор; 4 — устройство для регулирования угла на-
клона; 5 — станина; 6 — труба для отсоса пыли и пара; 7 — труба для разбрызгивания
жидкости; 8 — течка; 9—tt — зоны чаши.
вращаются, перекатываясь по дну чаши. Таким образом, в та-
рельчатых грануляторах происходит одновременно и классифика-
ция гранул.
Диаметр чаши рассчитывают по формуле:
D == (7.10)
Здесь Q — производительность грануляторов, кг/ч; q — удельная производи-
тельность [770—910 кг/(м2-ч)].
Достоинства тарельчатых грануляторов: однородность грануло-
метрического состава продукта, удобство визуального наблюдения
и регулирования процесса, компактность. Благодаря своим до-
стоинствам тарельчатые грануляторы получили наиболее широкое
распространение. Их используют для гранулирования сложносме-
шанных удобрений, суперфосфатов, различных шихт (например,
барита с коксом). Недостаток — большая чувствительность к со-
держанию жидкой фазы в гранулируемой смеси (узкие пределы
рабочих режимов).
Валковые пресс-грануляторы используют для гранулирования
смешанных удобрений, хлорида и сульфата калия, соды, шихты
сульфата натрия с коксом и т. д. В этих грануляторах могут быть
получены куски с поперечным размером до 30 мм.
Валковый гранулятор (рис. 7.13) отличается от валковой дро-
билки тем, что материал (порошок) подается в него через бункер
(воронку) /, снабженный шнеком J?. Шнек служит для предвари-
тельного уплотнения материала. При повышении давления про-
150
1
2 3 4-
Рис. 7.13. Схема валкового гра-
нулятора:
1 — бункер; 2 — шнек; 3 — валки;
4 — пружина; 5 — спрессованная
плитка.
исходит упругопластическое сжатие частиц, приводящее к резкому
возрастанию числа контактов между частицами (их осколками).
В результате начинают действовать силы молекулярного притя-
жения (когезии). Давление, при котором начинается гранулиро-
вание, зависит от предела текучести (сгт) наименее прочного ком-
понента порошка. С повышением давления материал может даже
расплавиться (вследствие разогревания). В этом случае гранули-
рование может идти за счет образования между частицами кри-
сталлических связей. Этому также способствует смачивание по-
рошка раствором связующего (смола, жидкое стекло и т. д.) или
водой (в случае хорошо растворимых
солей).
Валки гранулятора могут иметь
гладкую или рифленую поверхность,
что позволяет получать спрессованные
материалы в виде ленты, плиток (бри-
кетов), прутков и т. д. Валковые гра-
нуляторы совмещаются обычно с глад-
ко- или зубчатовалковыми дробилка-
ми (часто в одном корпусе) для по-
лучения гранул нужных размеров.
Производительность валковых гра-
нуляторов различна: от 5 до 100 т/ч.
Она может быть рассчитана ориенти-
ровочно по формуле (7.8).
Порошкообразные материалы мож?
но гранулировать также на таблеточ-
ных машинах. Их используют в
гранул катализаторов (ГИАП-5, 482,
Широкое применение нашли машины Б001Б (96 000 табл/ч),
РТМ-28 (до 30000 табл/ч), ТП-40 (до 80000 табл/ч) и др. Таб-
летки могут иметь форму дисков, цилиндров и колец диаметрами
6, 9, 10 и 12 мм.
В последние годы для гранулирования, например, нитроаммо-
фоски и аммофоса все более широко используют сушилки-грану-
ляторы кипящего слоя типа РКСГ. Верхняя их часть работает как
распылительная сушилка, где испаряется основное количество
влаги из раствора, а в нижней части поддерживается кипящий слой
сухого материала, в котором и происходит гранулообразование
при взаимодействии концентрированного раствора и сухого по-
рошка.
основном для получения
никель-хромовый и т. д.).
Гранулирование паст и расплавов
Гранулирование паст осуществляют в экструдерах — машинах,
рабочим органом которых служит вращающийся червяк (шнек) или
валки. Экструдеры имеют разнообразную конструкцию (рис. 7.14).
Паста через перфорированную матрицу продавливается валками
либо шнеком. Вытекающий из отверстий матрицы материал сре-
зается неподвижными или вращающимися ножами либо отры-
вается под действием собственной тяжести.
Рис. 7.14. Грануляторы экструзионного типа:
а — с двумя перфорированными барабанами; б — с вращающейся матрицей; в — шнековый;
1 — валок; 2 — нож-скребок.
Экструдеры используют для получения гранул катализаторов,
керамзита и некоторых других материалов. Шнековые экструдеры
применяют иногда для питания пастой сушилок КС.
Рис. 7.15. Грануляторы для расплавов.
а — Центробежный секционный; 1 — вал; 2 — перфорированная оболочка; 3 — секционирую-
щие перегородки; 4 — приводной шкив.
б — Вращающийся с пневматическим вибратором: / — вибратор; 2 — мембрана; 3—отвер-
стия; 4 — перфорированная оболочка; 5 — фланец; 6 — полый вал; 7 — патрубок для воз-
духа; 8 — шкив; 9 — узел подшипников.
в — Чашеобразный с верхним мембранным излучателем: / — распределительная решетка;
2 — перфорированное днище; 3 — мембрана; 4 — каток с электродинамическим вибратором.
Гранулирование расплавов проводят охлаждением из капель
в грануляционных башнях диаметром 8—30 м. Плав разбрызги-
вается в башне с помощью специального устройства, являющегося
собственно гранулятором. В промышленности используют грану-
ляторы трех типов: центробежные, статические, вибрационные.
152
Качество полученного в них продукта определяется содержанием
фракции —3 + 2 мм. Наиболее широко распространенные грану-
ляторы показаны на рис. 7.15, а техническая характеристика не-
которых из них приведена в табл. 7.5.
Центробежные грануляторы (см. рис. 7.15, а) вра-
щаются с частотой 170—500 мин-1. Секционирующие перегородки 3
Таблица 7.5
Техническая характеристика грануляторов для расплавов
Тип гранулятора Диаметр грануля- тора, м Диаметр отверстий, мм Частота враще- ния, — 1 мин Произво- дитель- ность, т/ч Содержание фракции, %
—3 + 2 мм — 1 мм
Центробежный ко- нический секционный 0,35 1,1 170 30 42 0,5-0,9
Центробежный ГрЦСа-40 — 2—4 500 30—40 75 0,4
Вибрационный ле- ечный 0,5 1,1 —• 14—20 87 1,5
Вибрационный вра- щающийся с пневма- тическим вибратором — 1,2 70 30 84 1—2
Статический лееч- ный 0,43 1 10-12 42 1-3
в них служат для придания жидкости вращательного движения.
Разбрызгиваемый ими плав падает в1* башне по кольцевому сече-
нию. Центральная часть сечения башни (диаметром 6—8 м) прак-
тически не используется. Кроме того, часто забиваются отверстия
конуса гранулятора. Вибрационные грануляторы ли-
шены этих недостатков.
Расчет грануляторов для расплавов и определение размера
башен можно производить по известным методикам. Расчетная
высота башен составляет: для нитрата аммония 30 м, карбамида
и нитроаммофоса 60 м, нитроаммофоски 70 м. Часто в нижней
части башен организуют кипящий слой гранул для охлаждения
их воздухом. В этом случае высоту башен можно сократить
на 30%.
В качестве грануляторов для расплавов можно использовать
вальцовые кристаллизаторы. В этом случае гранулы
получают в виде чешуек толщиной 2—4 мм.
Выбор грануляторов
Выбор типа гранулятора и схемы процесса гранулирования
осуществляют исходя из требований, предъявляемых к продукту,
и особенностей технологического процесса. При использовании,
например, барабанного или тарельчатого гранулятора для грану-
лирования удобрений полученные гранулы необходимо сушить и
153
охлаждать после сушки. Далее из продукта выделяют товарную
фракцию (обычно —4+1 мм), более крупную фракцию подвер-
гают дроблению, а мелкую возвращают на гранулятор. Слева при-
ведена принципиальная схема грану-
лирования.
Из-за значительного разброса раз-
мера гранул выход товарной фракции
составляет 35—90 % (см. табл. 7.4
и 7.5).
Если гранулирование шихты, пред-
назначенной для переработки в печах,
осуществляют в тарельчатых грануля-
торах, гранулы можно непосредствен-
но подавать в печь. В случае исполь-
зования валкового гранулятора из
схемы гранулирования исключают
сушку и охлаждение.
Экструдеры дают гранулы одинакового размера. Поэтому гро-
хот в схеме применяют только для обеспыливания гранул, а дро-
билку не предусматривают. Также довольно однородные по раз-
мерам гранулы получают при гранулировании расплавов. В этом
случае очевидна необходимость исключения из приведенной
схемы сушилки и дробилки.
Глава 8.
ТЕРМО- И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
8.1. ТЕРМОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Печи
Многие некаталитические процессы проводят при высоких тем-
пературах в печах, в частности восстановление фосфатов или
сульфатов, разложение карбонатов и гидроксидов, сжигание сер-
ного колчедана, серы и т. д.
Существует несколько классификационных признаков, по ко-
торым группируют печи. Так, по теплотехническим особенностям
их подразделяют следующим образом:
1) по тепловому эффекту процесса — экзотермические (в кото-
рых заданная температура поддерживается за счет выделения теп-
лоты химических реакций), эндотермические (для поддержания
температуры реакции необходим подвод теплоты извне);
2) по способу подвода теплоты в печь — с внутренним обогре-
вом (теплоту подают в реакционную зону), с наружным обогревом
(теплоту подводят через стенку);
3) по виду источника теплоты — топливные (работающие на
газообразном, жидком и твердом топливах), реакционные (теплота
154
выделяется в результате химических реакций) , электрические (ра-
ботающие на электроэнергии; включают: дуговые, индукционные,
плазменные и печи сопротивления).
По конструктивным особенностям печи подразделяют на: шахт-
ные, реторные, камерные, полочные, тигельные, муфельные, труб-
чатые, карусельные, барабанные, туннельные, ванные, печи с кипя-
щим слоем.
Ниже описаны некоторые из наиболее распространенных печей.
Рис. 8.1. Вращающаяся печь с откатной головкой двухопорная:
1 — корпус; 2 ~ бандажи; 3 — откатная головка; 4 — патрубок; 5 — ролики; 6 — электро*
двигатель с редуктором.
Барабанные вращающиеся печи (ГОСТ 11875—73) применяют
для процессов окисления, восстановления, кальцинации, обесфто-
ривания, разложения. Они надежны в работе, в них можно исполь-
зовать любой вид топлива и проводить обработку материалов
различной дисперсности. Барабанные печи пригодны для сушки,
грануляции, кристаллизации и транспортировки материалов. Угло-
вая скорость вращения барабанных печей находится в пределах
0,1—0,3 рад/с, длина барабана L — от 8 до 70 м, диаметр D от
1 до 3,5 м. Недостатками их являются: энерго- и металлоемкость,
относительно низкая производительность.
Основной узел печи — вращающийся барабан, опирающийся на
две-три опоры (рис. 8.1). Печь имеет сварной цилиндрический кор-
пус 1, на котором закреплены бандажи 2, опирающиеся на ро-
лики 5. Печь установлена наклонно, продольное смещение бара-
бана устраняется упорными роликами. Барабан приводится в дви-
жение от электродвигателя с редуктором 6, обогревается теплоно-
сителем, который получают сжиганием природного, генераторного
газов и мазута. Печь внутри футерована огнеупорным кирпичом.
Газы для обогрева поступают из отдельной топки или получаются
сжиганием топлива в печи. В последнем случае в откатной го-
ловке 3 печи размещают форсунки или горелки. Откатную головку
присоединяют к корпусу барабана с помощью лабиринтных и
аэродинамических контактных уплотнений, обеспечивающих гер-
метичность соединения. Для выгрузки из печи продукта в нижней
части откатной головки имеется патрубок 4. Надежность уплотне-
155
ния сокращает дополнительные энергозатраты и обеспечивает за-
данную температуру.
Лабиринтное уплотнение (рис. 8.2, а) состоит из подвижных 4
и неподвижных 5 колец. Последние крепятся к коробке или го-
ловке печи, а подвижные приварены к торцу вращающегося ба-
рабана.
Аэродинамическое уплотнение применяют, когда допускается
значительный подсос воздуха в печь (рис. 8.2,6).
Рис. 8.2. Уплотнения бара-
банных печей.
а — лабиринтное; б — аэродина-
мическое; 1 — барабан; 2 —
уголки; 3 — диск; 4 — подвиж-
ные кольца; 5 — неподвижные
кольца; 6 — диск, прикреплен-
ный к коробке или головке
печи; 7 — кольца, прикреплен-
ные к коробу 8; 9, 10 — шту-
церы.
Печь непрерывного действия рассчитана на поточное и проти-
воточное движение теплоносителя и обрабатываемого материала.
Сырье подается дозаторами в питатели барабанной печи. Обжи-
гаемый материал по мере продвижения вдоль печи подсушивается
и подвергается разложению. Продукт из барабана удаляется спе-
циальными выгружателями.
Ш ахтная печь (рис. 8.3) представляет собой вертикальную
цилиндрическую шахту высотой 6,04 м. Диаметр кожуха горла
1,74 м, высота 0,74 м. Печь предназначена для восстановительного
обжига, работает под разрежением (6—8 кПа) и поэтому должна
быть хорошо герметизирована. Теплообмен осуществляется по
принципу противотока: холодная шихта опускается вниз навстречу
горячим газам. Скорость процесса регулируется изменением объ-
ема воздуха, подаваемого для горения топлива.
Основные преимущества печи: непрерывность и высокая интен-
сивность процесса; выход плава из горла самотеком; экономичное
использование топлива и восстановителя; не обязательна загрузка
печи кусковым сырьем,
156
Печь шахтная щелевая (рис. 8.4) двенадцатисекционная при-
меняется для обжига кускового фосфорита перед подачей в рудно-
термическую печь. Печь работает под разрежением. Давление
Рис. 8.3. Шахтная печь для получения сульфида натрия:
1 — механизм для вращения питателя; 2 — питатель; 3 — кожух; 4 — рубашка охлаждения;
5 — летка; 6 — горн.
в подслоевом пространстве 5—6 кПа, в окнах подачи теплоносителя
50—90 Па, в топке 50—80 Па. Камеры разделены на четыре зоны:
подсушки (550°C), прокалки (1000—1050°C), выдержки и охлаж-
дения. Щелевые камеры в горизонтальном сечении прямоугольны.
Объем одной камеры 29,1 м3. Дымовые газы отводятся из каждых
157
двух щелей через короб и два патрубка. Пыль осаждается в рас-
пределительном канале и выводится из печи шнеком. Загрузка
и выгрузка механизированы. Печь футерована шамотным кирпи-
чом класса А и теплоизолирована. Она снабжена двумя топками,
расположенными на разных высотах с двух боковых сторон, что
позволяет поддерживать равномерную температуру по высоте.
Фосфорит в печи проходит сверху вниз последовательно сушку,
обжиг, дозревание и охлаждение до 130 °C, а затем поступает
Рис. 8.4. Печь шахтная щелевая двенадцатисекционная;
/ — каркас; 2 — керн; 3 — механизм загрузки; 4 — кожух; 5 — футеровка; 6 — разгрузочный
шнек; 7 — разгрузочная тележка; 8 — течка; 9 — водоохлаждаемая течка; 10 — горелка.
в водоохлаждаемые течки. Данная печь может работать и в ре-
жиме сушки фосфорита с производительностью 85 т/ч.
Шахтная печь для обжига известняка состоит из шахты, за-
грузочного и разгрузочного механизмов. Диаметр шахты равен
2,3—8 м, а высота 12,3—35 м. Чаще используют печи с диаметром
шахты 6,2 м и высотой 22,6 м. Печи работают при 1100—1250 °C.
Производительность их составляет 300—310 т/сут. В некоторых
печах нижнюю и верхнюю часть шахты делают в виде усеченного
конуса. Это облегчает равномерное распределение шихты и воз-
духа при их поступлении в печь. Кроме того, равномерное рас-
пределение материала по сечению печи достигается применением
распределительного спиралевидного конуса, который автоматиче-
ски поворачивается на 60° после каждой загрузки. Используется
специальная конструкция загрузочного механизма с вращающейся
158
воронкой, которая после выгрузки каждой вагонетки поворачи-
вается на 60°.
В печах для обжига известняка применяют твердое и газооб-
разное топливо.
Печи с кипящим сло-
ем (КС) применяют для
обжига колчедана (на-
пример, в производстве
серной кислоты). Произ-
водительность печей
100—400 т/сут. Они обес-
печивают высокую интен-
сивность и степень выго-
рания серы, просты в ре-
гулировании и контроле,
но сложны по конструк-
ции. Недостатком являет-
ся также большое коли-
чество огарка, выбрасы-
ваемое с печным газом,
что усложняет пылеочист-
ку. Разновидностью печей
типа КС является печь
ДКСМ — печь с двумя
кипящими слоями.
В печи ДКСМ
(рис. 8.5) сжигание кол-
чедана происходит в ниж-
нем слое, а охлаждение
обжиговых газов — в
верхнем. Преимущество
их перед печами типа
КС — интенсивное ис-
пользование теплоты го-
рения колчедана и сни-
Рис. 8.5. Печь ДКСМ для об-
жига колчедана
1 — дутьевая камера; 2 — решетка
дутьевая провальная; 3 — беспро-
вальиая решетка; 4 — камера за-
грузочная; 5 — ретурный питатель;
6 — решетка разделительная; 7 —
циклоны возврата; 3 — барабан
котла; 9 — охлаждающие элементы;
10 — футеровка; 11 — смотровой
люк; 12 — кожух печи; 13 — затвор
выгрузочный.
жение образования триоксида серы, который приводит к сульфа-
тизации огарковой пыли и затрудняет очистку обжигового газа.
Температура в нижней (700—800°C) и верхней (450°C) зонах
159
поддерживается тепловоспринимающими элементами, установлен-
ными в нижнем и верхнем кипящих слоях.
Запыленный газ из верхней зоны направляется в циклон, ога-
рок возвращается в верхний слой печи, а очищенный от огарка
газ направляется на доочистку в электрофильтры. Производи-
тельность печи ДКСМ. 130 т/сут. Степень выгорания серы 96,8 %.
Камерные печи (рис. 8.6) нашли широкое применение для сжи-
гания серы. Они бывают в горизонтальном и вертикальном испол-
1000
12300
Рис. 8.6. Печь камерная для сжигания расплавленной серы:
1 — корпус; 2 — перфорированные перегородки; 3 —• футеровка; 4 — кожух для подвода воз-
духа; 5 — форсунка для серы; 6 — форсунка для мазута.
нении, одно- и двухкамерные. Производительность печи по сжи-
гаемой сере от 30 до 240 т/сут. Наиболее широко известны двух-
камерные печи, представляющие собой стальной футерованный
огнеупорным кирпичом цилиндр 1 с двумя перфорированными
перегородками 2 внутри. Перегородки делят печь на две зоны:
камеру горения и камеру догорания. Серу в печь подают через
форсунки 5, установленные в торцовой части печи, а воздух для
сжигания серы — по дутьевому коробу 4 в зону распыления жид-
кой серы; дополнительный объем воздуха в камеру поступает че-
рез специальные фурмы. Сернистый газ выводится через патрубок.
Тепловое напряжение печи до 100 кВт/м3.
Печь запускают в работу после разогрева поверхности футе-
ровки до 1000 °C специальными горелками. Затем включают бо-
ковые форсунки для подачи сырья и подачу топлива. Разрежение
в печи при пуске должно быть 50—100 Па.
Печь-башню (рис. 8.7) применяют для сжигания жидкого фос-
фора, гидратации оксида фосфора(V) циркуляционной фосфорной
кислотой с целью увеличения ее концентрации и охлаждения га-
зов. Она состоит из вертикально-конического футерованного кор-
пуса 1. Усеченная коническая форма башни способствует равно-
мерному стоку по стенам фосфорной кислоты, обеспечивая тем
160
самым защиту футеровки от воздействия раскаленных газов. Пе-
реливная чаша 2 с крышкой предназначена для приготовления
Рис. 8.7. Печь-башня для сжигания жидкого фосфора:
1 — кожух; 2 — переливная чаша с крышкой; 3 — люк; 4 — трехходовый змеевик; 5 — фор-
сунка для сжигания фосфора; 6 — установка, подводящая воздух на горение; 7 — опора;
8 — коллектор воды; 9 — коллектор кислоты; 10 — форсунка каскадная; 11 — футеровка.
циркуляционной фосфорной кислоты необходимой концентрации.
Концентрацию образующейся кислоты (75 %). поддерживают по-
дачей определенного объема воды.
6 Зак. 102
161
Транспортирование
аппаратов 235
газов 192—199
жидкостей 186—192
твердых материалов 176—185
Трубопроводы 175, 199
Турбовоздуходувки 196
Турбокомпрессоры 196
Уплотнения 156
Фильтровальные перегородки 98
Фильтр-прессы 103
Фильтры
вакуум-фильтры см. Вакуум-филь-
тры
конструкции 99
листовые 104
мешочные 106
рукавные 166
техническая характеристика 107
Фланцы 51—55
Форсунки 165
Фруда критерий 63
Футеровка 31, 158
Хоппер 172
Хранение сырья и продуктов 203—
220
Центрифуги
классификация 108
классифицирующие 121
маятниковые 1Q9—112
обезвоживающие 121
осветляющие 121
подвесные 112—114
пульсирующие 118—120
техническая характеристика 122
фильтрующие 115
шнековые 111, 120
Циклоны 170
Цистерны 172
Шнеки 111, 120, 181, 237
Штуцеры 56
Эжектор пароструйный 88
Элеватор 237
ковшовый 179
Электропечь руднотермическая 162
Электротехнологическое оборудова-
ние 154—170
Электрофильтры 167
Элементы аппаратов, расчет 44—59
Эмалирование 29
Руднотермическая электропечь (рис. 8.8) РКЗ-72Ф-М1 пред-
назначена для восстановления фосфора при 1000—1300°C.
Печь состоит из стального цилиндрического корпуса, футеро-
ванного огнеупорным кирпичом, и кожуха 5 для охлаждения во-
Рис. 8.8. Руднотермическая электропечь РКЗ-72Ф-М1:
/ — устройство для перепуска электрода; 2 — электрододержатель; 3 — загрузочный патру-
бок; 4 — крышка; 5 — кожух; 6— труба для охлаждающей воды; 7 — футеровка; 8 —
электрод; 9 — короткая сеть.
дой. На уровне пода имеется летка, служащая для удаления
феррофосфора, а на высоте 400—450 мм от пода расположены
две летки для удаления шлака. Электроды 8 установлены в элек-
трододержателе 2 и вставлены в печь через отверстия, располо-
женные в крышке 4. Для подачи шахтовых материалов в крышке
размещены патрубки 3. Конец электродов выполнен из листовой
162
стали. По мере сгорания электроды опускают с помощью электро-
додержателя, а к верхней части приваривают дополнительную сек-
цию. Шихта в печь поступает из бункеров по течкам непрерывно
по мере ее отрабатывания. Течки и бункеры должны быть по-
стоянно заполнены шихтой, чтобы препятствовать выходу печ-
ного газа.
Температура отходящих газов 300—500 °C. Для предотвраще-
ния подсоса воздуха в печи поддерживается избыточное давление
0,3—0,6 кПа.
Удаление фосфора производят через каждые 700—900 тыс.
кВт-ч израсходованной электроэнергии. До удаления фосфора
должен быть удален шлак. Детали электрододержателя, короткая
сеть, стенки и свод печи охлаждаются умягченной водой, стенки
пода и шлаковые летки — оборотной водой через градирню. Мощ-
ность современных печей достигает 72 кВт, а производитель-
ность — 40—45 тыс. т фосфора в год.
Разновидностью печи РКЗ-72Ф-М1 является печь РКЗ-80И1,
предназначенная для получения желтого фосфора электротерми-
ческим методом. Мощность печи 80 кВт.
Горелки
Горелки служат для образования смесей газообразного, жид-
кого или пылевидного топлива с воздухом или кислородом и по-
дачи их к месту сжигания. К горелкам относят: газовые горелки,
форсунки и горелочные устройства для пылевидного топлива.
Рис. 8.9. Горелка газовая вихревая:
1 — корпус горелки; 2 — завихритель; 3 — направляющая труба; 4 — центровочные перья;
5, 7 —тяга; 6 — дроссель; 8—шарнир; 9 — рычаг; 10— вал; 11 — сектор; 12 — рукоятка;
13 — труба.
Газовые горелки подразделяют:
1) по создаваемому давлению — низкого давления (до
0,005 МПа), среднего давления (от 0,005 до 0,3 МПа), высокого
давления (выше 0,3 МПа) ;
2) в зависимости от области применения — общего назначения
и специального назначения.
6*
163
Газовые горелки общего назначения. К ним отно-
сят: инжекционные (типа ГИП) и дутьевые (ГНП).
Инжекционные горелки являются горелками с полным смеше-
нием газа и воздуха, что позволяет сжигать газ с коэффициентом
расхода воздуха, близким к единице.
Достоинством горелок данного типа является то, что при
изменяющейся нагрузке сохраняется соотношение между газом
Рис. 8.10. Горелка для сжигания природного газа в кипящем слое:
а — с шамотным стаканом; б — с металлическим стаканом.
и воздухом. Кроме того, горелки обслуживаются одним трубопро-
водом и вентилем, нет необходимости в воздушной линии и дутье-
вом вентиляторе. Однако эти горелки чувствительны к давлению
в печах.
Дутьевые горелки работают на газе и воздухе под давлением.
Их можно применять в топочных устройствах, во вращающихся
и тамбурных печах с различным значением противодавления. Они
практически нечувствительны к изменениям противодавления
в печах.
Газовые горелки специального назначения. На
вращающихся печах применяют длиннопламенные вихревые го-
релки типа ГВП4 — ГВП8, у которых производительность колеб-
лется в пределах 500—30 000 м3/ч. Горелки хорошо работают
и позволяют легко регулировать длину факела (рис. 8.9).
Для сжигания природного газа в кипящем слое служат го-
релки, которые одновременно выполняют роль псевдоожижающего
устройства (рис. 8.10).
В руднотермических печах для сжигания печного газа приме-
няют керамические горелки производительностью 450—4500 м3/ч.
Совместное сжигание природного газа и печного газа от фосфор-
164
ных печей осуществляют в трехпроводной комбинированной
горелке.
Форсунки. Устройства форсунок разнообразны и зависят от
целей, для которых они предназначены: для распыления нефти
и мазута, для распыления дизельного топлива, для распыления
воды и т. д.
Форсунки подразделяют:
по способу распыления — паровые, пневматические и механи-
ческие;
по создаваемому давлению — высокого давления, низкого дав-
ления.
.Форсунки низкого давления типа ФДМ, ФДБ, ФООМ
в основном используют в печах и топках для сжигания мазута.
Расход сжигаемого мазута для форсунок двухступенчатая малая
(ФДМ), двухступенчатая большая (ФДБ), одноступенчатая мо-
дернизированная (ФООМ) соответственно составляет 1,2—8;
10—95 и 7,5—85 кг/ч.
Форсунки высокого давления применяют для распы-
ления расплавленной серы, фосфора и других видов сырья. Произ-
водительность форсунок для серы 1200—4200 кг/ч, для фосфора —
от 60 до 2500 кг/ч.
8.2. АППАРАТЫ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ПЫЛИ
И КАПЕЛЬ ОТ ГАЗОВ
В химических производствах многие процессы сопровождаются
образованием аэрозолей — коллоидных систем, состоящих из га-
зовой среды, в которой взвешены твердые или жидкие частицы.
К. аэрозолям относят: пыли, дымы (газ + твердые частицы) и ту-
маны (газ + жидкие частицы).
В инженерной практике, как правило, пылью называют не
только среду со взвешенными частицами, а также сами пылевые
частицы различного происхождения, в том числе осевшие. Пыле-
вые частицы имеют размеры 5—100 мкм. Размеры частиц в ды-
мах 0,001—5 мкм, в туманах 0,3—3 мкм.
В газовых системах частицы размером 0,1 мкм и ниже нахо-
дятся в броуновском движении и практически не оседают под дей-
ствием силы тяжести.
В зависимости от физического состояния газовой неоднородной
системы можно применять различные методы для ее разделения,
а в ряде случаев — комбинировать несколько методов. Так, раз-
деление туманов осуществляют диффузными, абсорбционными
и другими методами. Для очистки взрывоопасных горячих газов
используют метод звуковой агломерации, основанный на дей-
ствии на неоднородную газовую систему высокоинтенсивных зву-
ковых колебаний. При этом твердые частицы в результате уда-
рения укрупняются, что приводит к облегчению их улавливания.
Разделение неоднородной системы в любом аппарате происходит
под действием многих факторов,
165
В зависимости от природы основных сил, действующих на
взвешенные частицы, т. е. по основному и определяющему (но не
единственному) признаку, методы разделения классифицируют на:
диффузионные, абсорбционные, гравитационные, центробежные,
электрические и др.
Аппараты для очистки газовых неоднородных систем делят на:
аппараты сухой очистки — фильтрующие (тканевые,
набивные и пористые фильтры), осадительные (осадительные
камеры, центробежные аппараты — аэроциклоны, инерционные
осадители, электроосадители); аппараты мокрой очистки
(статические, барботажные и пенные аппараты, динамические га-
зопромыватели, инерционные, струйные и центробежные пылеуло-
вители).
Широкий ассортимент аппаратов объясняется многообразием
технологических процессов, свойств газовых смесей и условий
эксплуатации. Пылеулавливающие установки могут состоять из
нескольких аппаратов различного типа. Так, в сернокислотном
производстве обеспыливание печных газов осуществляют сначала
грубой очисткой в циклонах типа СК-ЦН-34, а затем в электро-
фильтрах типа УНТ 1-20-3. Степень очистки составляет 99,2—
99,9 %.
Аппараты сухой очистки
Аппараты сухой очистки применяют в тех случаях, когда не
допускается увлажнение разделяемой системы.
Фильтры рукавные (ГОСТ 7715—70) служат для разделения
газового потока и твердых примесей путем пропускания сквозь
пористую перегородку (рис. 8.11).
Отделение частиц твердой фазы в фильтре происходит в ре-
зультате потери кинетической энергии в извилистом канале и за-
держании ее на стенке канала (лабиринтный эффект) или на
входном сечении канала (ситовый эффект) при размере частицы,
превышающем сечение.
При длительном использовании фильтра на его поверхности
накапливается слой пыли, который сам становится фильтрующим
слоем.
Фильтровальные перегородки бывают гибкими, полужесткими,
жесткими. Их выбирают в зависимости от химических свойств
газа, его температуры, размеров взвешенных частиц, заданной
степени очистки газа.
Для регенерации фильтровальной ткани существует несколько
способов: встряхивание рукавов, обратная продувка ткани возду-
хом, сочетание обоих приемов.
Промышленность выпускает рукавные фильтры типа ФВС
(фильтры всасывающие) с общей фильтровальной площадью по-
верхности от 30 до 90 м2. Имеются фильтры (ГОСТ 25747—83),
у которых площадь фильтрования достигает 25 000 м2. Для про-
мышленного пылеулавливания и санитарной очистки выбрасывае-
166
мых в атмосферу газов служит рукавный фильтр РФК-300 произ-
водительностью по газу до 30 000 м3/ч и площадью фильтрования
(10 секций) 300 м2.
К достоинствам рукавных фильтров относят: высокую степень
очистки независимо от концентрации частиц; улавливание частиц
независимо от давления; способность работать до 300 °C.
Недостатками являются: необходимость периодической реге-
нерации или замены фильтровальной ткани; громоздкость уста-
новок; повышенный расход электроэнергии.
Рис. 8.11. Рукавный фильтр:
1 — корпус; 2 — встряхиватель; 3 — рукава; 4 — пп&к; 5 — затвор.
Рис. 8.12. Схема трубчатого электрофильтра:
1 — корпус с коническим дном; 2 — рамы; 3 — изолятор; 4 — коронирующий электрод: 5 —
осадительный электрод.
Электрофильтры (рис. 8.12). Принцип работы электрофильтра
заключается в следующем. На коронирующие электроды подается
постоянное напряжение 10—100 кВ отрицательной полярности,
осадительные электроды соединены с землей. Газ, содержащий
частицы, в электрическом поле ионизируется, частицы получают
электрический заряд, за счет чего движутся к противоположно
заряженному электроду и оседают на нем. Скорость передвижения
частиц ич (м/с) к электроду зависит от напряженности электри-
ческого поля Е (В/м), динамической вязкости газа рг (Па-с)
и радиуса частиц гч (м):
v4 = 0,118 • 10~10Е2гч/цг.
Эффективность очистки (%) пластинчатым электрофильтром
определяют по формуле:
Т] = 1 — ехр [— v4L/(Hvr)].
Здесь L — длина электрода, м; Н — расстояние между электродами, м;
vr — линейная скорость газа в фильтре, м/с.
167
Отбор
вторичного
воздуха
Вторичный
воздух
8
В маркировке электрофильтров (например, типа ОГ-3-21;
ОГ-4-16) показано сечение камеры (21 и 16 м2), а цифры 3 и 4
указывают, что они 3- или 4-полюсные.
Электрофильтры применяют в сернокислотном производстве
для очистки обжиговых газов от огарковой пыли (сухие фильтры)
и сернокислотного тумана (мокрые фильтры); в производствах
соды, фосфорной кислоты, хромовых солей; для очистки газа
известково-обжиговых печей и отходящих газов. Так, электро-
фильтр типа ГПФМ-22-9 производительностью по газу 31 680 м3/ч
предназначен для очистки отходящих газов
при производстве термической фосфорной кис-
лоты.
Достоинства электрофильтра: высокая
степень очистки (99,9 %) и производитель-
ность; незначительное гидравлическое сопро-
тивление; возможность осуществления сухой
и мокрой очистки при температуре до 400 °C.
Недостатки: энергоемкость, дороговизна
конструкции, повышенная электроопасность.
Циклоны — аппараты для очистки, осно-
ванные на использовании центробежных сил.
Наиболее распространены циклоны марок
цн, ск-цн, сдк-цн, лиот, вцнииот,
ЦИОТ, имеющие степень очистки газа от
пыли 0,63—0,37 при гидравлическом сопротив-
лении 1 кПа и расходе воздуха 1800 м3/ч.
При больших расходах газа (более
5500 м3/ч) применяют группу циклонов.
Пылеуловители — устройства для улавли-
вания пыли и других механических примесей
из воздушных (газовых) потоков. Имеется
множество типов этих аппаратов, отличающихся по физическому
эффекту, используемому для отделения пыли, и по конструктив-
ному признаку. Выбор пылеуловителя обусловлен степенью запы-
ленности воздуха и требованиями к его очистке.
В последнее время все большее распространение находят вих-
ревые пылеуловители (ВПУ). Степень очистки этими аппаратами
при производительности 330—300 000 м3/ч составляет 0,98—0,99
(рис. 8.13). Запыленный газ поступает по патрубку 2, снабжен-
ному кольцевым лопаточным закручивателем потока 4 и обтека-
телем 5. Вторичный воздух подается по патрубку 8 через кольце-
вой закручиватель 6 и опускается вниз до подпорной шайбы 3.
Пыль отбрасывается к стенкам корпуса и ссыпается в бункер.
Запылен-
ный
газ
Пыль
Рис. 8.13. Вихревой
пылеуловитель лопа-
точного типа:
1 — корпус 2, 7, 8 — па-
трубки; 3 — подпорная
шайба; 4, 6 — закручива-
тели потока; 5~ обтека-
тель.
Аппараты мокрой очистки
Аппараты мокрой очистки применяют в тех случаях, когда до-
пустимо увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а взвешен-
ные частицы малоценны или могут быть использованы во влажном
168
виде. По сравнению с аппаратами сухой очистки они, как правило,
более эффективны. Однако, поскольку для их работы требуются
большие объемы воды и устройство системы оборотного водо-
снабжения с удалением шлама, их целесообразно применять на
предприятиях, где это экономически оправдано.
Пылеуловители. По принципу работы пылеуловители мокрой
очистки условно делят на несколько групп:
I. Полые и насадочные скрубберы, в которых промывание га-
зов осуществляют разбрызгиванием жидкости по ходу потока, по-
перек потока и навстречу газовому потоку, несущему частицы.
Скорость газа в скруббере 0,8—1,25 м/с. Гидравлическое со-
противление в полых скрубберах не превышает 250 Па, а в наса-
дочных колеблется в пределах 300—800 Па в зависимости от тол-
щины слоя насадки. Основной недостаток последних — частое за-
бивание насадки.
В производстве серной кислоты для технической и санитарной
очистки туманов используют двухступенчатый волокнистый тумано-
уловитель производительностью по газу 5000—150 000 м3/ч. Сте-
пень очистки 95—99 %, гидравлическое сопротивление 2—3 кПа,
число фильтрующих элементов— 1 —15.
II. Циклоны, в которых газовый поток промывают водяной
завесой. Прототипом является циклон ЛИСТ с водяной пленкой
производительностью 1250—10 000 м3/ч, при расходе воды 0,13—
0,3 кг/м3 и гидравлическом сопротивлении 400—800 Па. Циклоны
с водяной пленкой марки ЦВП имеют диаметр цилиндра 315,
400, 500, 630, 800 и 1000 мм, гидравлическое сопротивление 400—
2000 Па и рассчитаны на производительность от 1 до 20 тыс. м3/ч.
При компоновке двух циклонов (ЦВП) производительность до-
стигает 40 тыс. м3/ч.
III. Вентиляторный мокрый пылеуловитель (ВМП), применяе-
мый для очистки вентиляционных выбросов от свинцовой, кремне-
земной, угольной и других видов промышленной пыли. Гидравли-
ческое сопротивление пылеуловителя ВМП-ЛИОТ составляет
400—600 Па. При содержании в 1 м3 воздуха более 5 г частиц
необходима его предварительная очистка в сухих пылеуловителях.
IV. Пенные пылеуловители, в которых частицы задерживаются
в подвижной водяной пленке (пене). Скорость подаваемого газа
1,6—2,6 м/с, гидравлическое сопротивление 300—1700 Па. Разра-
ботаны аппараты с провальными (ПГП-ЛТИ) и переливными
(ПГС-ЛТИ) решетками производительностью 0,58—14,45 м3/с.
Электрофильтры мокрой очистки применяют для улавливания
тумана и мелких брызг кислот (например, в производстве серной
кислоты и др.). Принцип действия и устройство этих аппаратов
те же, что и электрофильтров сухой очистки, с той лишь разницей,
что первые изготавливают из коррозионно-стойких материалов.
К достоинствам электрофильтров мокрой очистки относят: вы-
сокую степень очистки при высокой температуре; возможность
одновременного охлаждения, конденсации, адсорбции и очистки
газов. Недостатками являются: возможность растворения пыли,
169
ее цементации в уловителях и коммуникациях; коррозия пылеуло-
вителей; необходимость удаления взвесей из образовавшейся
суспензий.
Методика расчета параметров пенных аппаратов, скрубберов,
электрофильтров приведены в специальной литературе, сравни-
тельные характеристики аппаратов для очистки газов от пыли и
тумана — в табл. 8.1.
Таблица .8.1
Сравнительная характеристика аппаратов
для очистки запыленных газов
Тип аппарата Начальное содержание дисперсной фазы (г/м3) или дисперсность Степень очистки, %
Аппараты сухо й очистки
Фильтры
тканевые 0,2 До 99,5
набивные (насыпные) 1 мкм До 99
пористые 5 мкм До 99,5
Осадительные камеры — 40—60
Аэроциклоны
единичные 1 До 90
батарейные — До 95
Инерционные осадители 0,2-10 60—75
Электроосадители —— До 99,5
Аппараты мокрой очистки
Статические аппараты — 60—75
Динамические газопромыватели 20 До 95
Барботажные и пенные аппараты Пылеуловители 300 До 99
инерционные — 75—90
струйные .— До 99
центробежные 2 До 99
Глава 9.
ТРАНСПОРТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗАВОДОВ
НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Четкая, высокопроизводительная работа современного пред-
приятия неразрывно связана с правильно организованной, надежно
работающей системой транспортировки. По территориальному
признаку транспорт разделяют на внешне- и внутризаводской.
9.1. ВНЕШНЕЗАВОДСКОЙ ТРАНСПОРТ
Внешнезаводской транспорт предназначен для снабжения
предприятия сырьем, материалами, оборудованием и для вывоза
с предприятия готовой продукции и отходов. Операции транспор-
те)
тировки выполняют в этом случае средствами железнодорожного,
водного, автомобильного, трубопроводного и конвейерного транс-
порта.
Железнодорожный транспорт благодаря высокой грузоподъ-
емности, малой зависимости от климатических условий, относи-
тельно высокой маневренности и экономичности обеспечивает
основной грузопоток. Его используют для перевозки штучных, сы-
пучих и жидких материалов.
В настоящее время повсеместно в СССР распространены и
строятся железные дороги широкой колеи (1524 мм). Узкоколей-
Техническая характеристика некоторых вагонов
для твердых материалов
Таблица 9.1
Тип и марка вагона Грузо- подъем- ность, т Масса тары, т Вмести- мость кузова, м3 Угол наклона кузова или открытия люков, градусы Длина, м Число осей
кузова ПО осям авто- сцепок
Полувагон (гондола) ПС-63 63 21,57 72,3 31 12,07 13,92 4
ПС-94 94 31,00 106,0 31 14,69 16,40 6
ПС-125 125 42,5 137,5 31 18,77 20,24 8
Платформа 62 21,0 20,7 — 14,62 4
Хоппер двухосный 25 12 $6 — 5,91 7,14 2
четырехосный 50 21 59,3 — 8,74 10,03 4
Думпкар ВС-60 60 27,5 32 45 10,01 11,72 4
ВС-105 100 49 50 45 14,40 16,1 6
ные дороги (750 мм), хотя и требуют меньших капитальных за-
трат на строительство, менее экономичны в эксплуатации.
Каждый вагон независимо от его назначения состоит из пяти
основных частей: двух тележек, рамы, ударно-тяговых устройств,
кузова и тормозной системы. Тележки могут иметь от двух до
четырех осей. В соответствии с этим вагоны бывают от четырех-
до восьмиосных. По устройству кузова (тары) различают вагоны
крытые, полувагоны, платформы и цистерны. Число осей и масса
тары определяют грузоподъемность вагона. Нагрузка на одну ось
не должна превышать 30 т (давление на грунт 0,4 МПа).
Сыпучие материалы, не портящиеся от влаги, перевозят в по-
лувагонах: гондолах, хопперах и думпкарах.
Гондола имеет вертикальные стенки и горизонтальный пол
с открывающимися люками. При открывании запорных механиз-
мов люки образуют две наклонные плоскости, по которым боль-
шая часть груза ссыпается по обе стороны железнодорожного
пути.
171
Хоппер — саморазгружающийся вагон, кузов которого вы-
полнен в виде бункера с наклонными торцовыми стенками. Раз-
гружается он через люки в днище на обе стороны пути.
Думпкар — это вагон-самосвал. Разгружается он путем
опрокидывания кузова под углом примерно 45° с одновременным
откидыванием борта. Опрокидывание кузова осуществляет раз-
грузочный механизм, включающий в себя четыре пневматических
Рис. 9.1. Цистерна для перевозки сжиженного газа:
1 — тележка; 2 — рама; з — ударно-сцепное устройство; 4 — котел; 5 — теневой зонт; 6 —
предохранительный клапан; 7 — колпак.
цилиндра, по два с каждой стороны вагона. Разгрузку думпкара
можно производить на обе стороны железнодорожного полотна.
Такие продукты, как цемент, кальцинированная сода, глино-
зем, перевозят упакованными в мешки в крытых вагонах или
в цементовозах, которые представляют собой вагоны типа
хоппера с металлическим крытым кузовом, имеющим в крышке
герметично закрывающиеся люки для загрузки вагона.
Техническая характеристика некоторых вагонов представлена
в табл. 9.1.
Для транспортировки жидких продуктов применяют железно-
дорожные цистерны (рис. 9.1), которые представляют собой
сварной цилиндрический резервуар, укрепленный на раме четы-
рехосного вагона.
В обычных стальных цистернах перевозят жидкости, практи-
чески не взаимодействующие с их материалом и замерзающие при
низких температурах, например серную кислоту. Жидкости, кри-
сталлизующиеся при сравнительно высоких температурах (0—
10°C) (олеум, жидкий каустик и др.), перевозят в теплоизолиро-
ванных цистернах. Заливаемый в цистерну продукт может быть
предварительно подогрет. Для перевозки жидкостей, агрессивных
к нелегированным сталям, и высококачественных продуктов (на-
пример, олеум улучшенный, едкий натр марки РР и др.) исполь-
зуют цистерны, футерованные соответствующими материалами
или плакированные нержавеющей сталью.
172
Цистерны для перевозки жидкостей, затвердевающих при вы-
соких температурах (расплавленная сера, фосфор и др.), снаб-
жены паровыми рубашками и теплоизолированы. Перед запол-
нением фосфором цистерны частично заливают горячей водой.
Цистерны для перевозки легкокипящих жидкостей (аммиак, хлор
и др.) во избежание нагрева прямыми солнечными лучами снаб-
жены теневыми зонтами.
Конструкция котла цистерны и оснащение арматурой анало-
гичны конструкции складных резервуаров (см. гл. 10).
Водный транспорт является наиболее дешевым видом транс-
порта для сыпучих и штучных материалов. Сыпучие материалы
и вещества, заключенные в тару, перевозят сухогрузными судами:
буксирными самоходными баржами и катамаранами (суда с двумя
параллельными корпусами). Жидкие продукты перевозят тан-
керами.
Переключение грузопотока в летнее время с железной дороги
на речной транспорт позволяет ускорить доставку груза и сэко-
номить в среднем более одного рубля на тонну груза. Средняя
скорость продвижения груза водным транспортом, несмотря на
относительно низкую техническую скорость, составляет примерно
500 км/сут, в то время как на железной дороге она равна
330 км/сут.
Автомобильный транспорт применяют в основном при малых
грузооборотах и на короткие расстояния. Его преимущества по
сравнению с рельсовым — большая маневренность и мобильность.
Организация автотранспорта требует меньших капитальных затрат
и подготовительных работ. На расстоянии до 100 км автомобиль-
ный транспорт по сравнению с железнодорожным ускоряет до-
ставку в среднем в 20 раз.
Техническая характеристика некоторых автомобилей приведе-
на в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Техническая характеристика
некоторых грузовых автомобилей
Марка автомобиля Грузо- подъем- ность, т Мощ- ность. кВт Ско- рость с грузом, км/ч Радиус пово- рота, м Число осей * Общая масса с грузом, т Угол подъема кузова, градусы Расход топлива, л на 100 км
Урал-4320 КамАЗ 5 154 40 — 3(3) — — —
5320 8 154 80 8 3(2) 15 — 35
5510 7 132 80 7,5 3(2) 15,1 55 35
КрАЗ-256 БелАЗ 10 177 60 10,5 3(2) 21,4 60 65
540 27 276 55 8,3 2(1) 48 55 125
549 75 625 62 14 2(1) 123 65 270
* В скобках указано число ведущих осей.
173
Для перевозки штучных грузов используют бортовые авто-
мобили марок КамАЗ, ЗИЛ, Урал и т. д. Доставку сырья из
карьеров и вывоз сыпучих отходов осуществляют самосвалами
различных марок. При транспортировке на короткие расстояния
(1—3 км) больших количеств груза следует использовать боль-
шегрузные самосвалы. Например, для вывоза фосфогипса успешно
применяют самосвалы марок БелАЗ (рис. 9.2). На небольших
карьерах и на отвалах используют автосамосвалы особой конст-
рукции— думперы, которые отличаются большой маневрен-
ностью и имеют малый радиус поворота. Рациональное расстояние
Рис. 9.2. Автосамосвал БелАЗ-548:
1 — отверстие для выхода выхлопных га
зов; 2 — полые греющие ребра.
Рис. 9.3. Автомобиль-контейнеро-
воз.
транспортирования думперами 1,5—2 км. В этих условиях их
производительность на 20—25 % выше, чем самосвалов. Для
стран — членов СЭВ Венгрия выпускает думперы «Дутра» Г-116
с двигателем мощностью 92 кВт (125 л. с.| и скоростью 50 км/ч
с грузом 10 т. С целью предотвращения смерзания груза автоса-
мосвалы снабжают системой обогрева кузова выхлопными
газами.
При транспортировке грузов на большие расстояния выгоднее
использовать быстроходные автомобили.
Значительную долю времени в доставке грузов потребителю
занимают погрузочно-разгрузочные работы, особенно штучных ма-
териалов. Например, автомобили простаивают под погрузкой и
разгрузкой около половины своего рабочего времени. В плане
ускорения доставки грузов широкую перспективу открывает ис-
пользование универсальных контейнеров, пригодных для
перевозки любым видом транспорта. Транспортирование в контей-
нерах мелкопорционных и штучных грузов сокращает расходы на
20 руб/т и высвобождает 1500 грузчиков на 1 млн. т грузов.
В настоящее время строят контейнерные терминалы в портах и
железнодорожных станциях, выпускают автомобили-контейнеро-
возы, способные самонагружаться и саморазгружаться (рис. 9.3).
Для организации правильной ритмичной работы внешнего
транспорта на заводах создают транспортные цехи (железнодо-
рожные, автотранспортные). Некоторые заводы имеют и собствен-
ные порты. Железнодорожные цехи должны обеспечивать свое-
174
временную подачу вагонов для отгрузки продукции, их чистку
и текущий ремонт. Они также проводят профилактический, годо-
вой и средний ремонты приписанных к заводу вагонов. К конкрет-
ным предприятиям обычно приписывают вагоны специального на-
значения: цементовозы, цистерны для сжиженных газов, олеума,
фосфора и т. д.
Автотранспортные цехи призваны организовать эксплуатацию
собственных автомобилей. Если завод нуждается в дополнитель-
ных автомобилях, то пользуется услугами
хозрасчетных автотранспортных предприя-
тий.
•Трубопроводы широко используют для
внешнезаводской транспортировки газооб-
разного и жидкого сырья и готовой про-
дукции, например природного газа для
АТЗ и водяного пара с ТЭЦ, рассола с
рассолопромыслов, жидкого аммиака с
АТЗ и т. д. Доставка аммиака по системе
разветвленных трубопроводов от завода к
сельскохозяйственным потребителям на
30 % дешевле, чем железнодорожно-авто-
мобильная. Достоинством трубопроводного
Рис. 9.4. Вагонетка под-
весной канатной дороги:
1 — тележка; 2 — приспособ-
ление для сцепления с тя-
говым канатом; 3 — подве-
ски; 4 — кузов; о — тяговый
канат; 6 — несущий канат.
транспорта является высокая производи-
тельность труда. Если производительность
труда на автотранспорте принять за едини-
цу, то на железнодорожном, речном и тру-
бопроводном транспорте она составит*соот-
ветственно 9, 11 и 59.
Трубопроводный транспорт используют также для удаления
с предприятий твердых отходов в виде их водных суспензий. Гидро-
транспортом удаляют, например, колчеданный огарок, фосфогипс,
золу и шлаки.
Конвейерный транспорт применяют для доставки сырья с карье-
ров или рудников и для удаления отходов. Например, ленточными
конвейерами подают руду из рудников на калийные фабрики
и удаляют галитовые отходы. При характерных для современных
условий больших грузопотоках и расположении перерабатываю-
щих предприятий вблизи источников сырья (до 10—20 км) конвей-
ерный транспорт более экономичен, чем железнодорожный или
автомобильный.
Примером конвейерного транспорта является также воздушно-
канатная дорога (ВКД), используемая, в частности, на содовых
предприятиях для доставки карбонатного сырья с карьеров. Ваго-
нетки ВКД (рис. 9.4) по одной движутся по несущему (поддержи-
вающему) канату 6, свободно лежащему на опорах. Тележки 1
приводятся в движение тяговым канатом 5 от стационарного дви-
гателя. Замкнутый тяговый канат обслуживает оба направления:
грузовое и порожняковое. Для приведения его в движение исполь-
зуют систему шкивов. Скорость движения вагонеток составляет
(в зависимости от конструкции ВКД) 1,5—3 м/с, а расстояние
между ними 50—100 м.
Опоры для несущих канатов делают из стального проката
или железобетонными высотой 15—20 м. При пересечении ВКД
авто- и железных дорог или заводской территории устанавливают
защитные сетки (мосты), прочность которых рассчитана на вели-
чину нагрузки от сорвавшейся вагонетки.
Вагонетки с двухколесными тележками имеют вместимость
кузова от 0,25 до 1 м3, грузоподъемность до 500 кг, а с четырех-
колесными тележками — от 0,32 до 3,2 м3 и до 3100 кг.
На конечных участках вагонетки автоматически отсоединяются
и присоединяются к тяговому канату, а также автоматически на-
полняются и разгружаются.
ВКД можно применять в таких трудных условиях местности,
при которых невозможно использование других видов сухопутного
транспорта. Достоинствами их являются также независимость от
погодных условий, простота механизмов, обслуживания и надеж-
ность работы. Недостаток — необходимость промежуточного транс-
порта (от экскаватора).
9.2. ТРАНСПОРТ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Основным видом внутризаводского транспорта для перемеще-
ния твердых материалов (сыпучих, кусковых или штучных) яв-
ляются конвейеры. Они нашли применение в различных отраслях
промышленности, им отведена важная роль в осуществлении
комплексной механизации и автоматизации производства.
В основе классификации конвейеров лежит тип тягового и гру-
зонесущего органов. Различают конвейеры с тяговым органом
(ленточные, цепные, канатные и прочие) и конвейеры без тяго-
вого органа (винтовые, инерционные, вибрационные, роликовые).
По типу грузонесущего органа конвейеры могут быть ленточными,
пластинчатыми, скребковыми, тележечными и др.
Ниже рассмотрены конвейеры, имеющие наибольшее распро-
странение в химической промышленности.
Ленточный конвейер. Основными частями ленточного конвейе-
ра (рис. 9.5) являются: гибкая лента 2, служащая одновременно
несущим и тяговым органом; привод, состоящий из одного или
двух барабанов 1; станина и установленные на ней стационарные
роликовые опоры 3, которые поддерживают ленту по всей ее
длине; натяжное устройство 4 и двигатель с редуктором. Кроме
того, в состав конвейера могут входить погрузочное и разгрузочное
устройства и устройства для очистки ленты.
Транспортируемые материалы могут быть порошкообразными,
зернистыми, мелко-, средне- и крупнокусковыми, а также штуч-
ными. Размеры и масса штучных грузов ограничиваются усло-
виями их перемещения на ленте. Производительность ленточного
конвейера колеблется от нескольких тонн до нескодьких тысяч
176
тонн в час. Длина одного конвейера может доходить до 1000 м,
а конвейерных линий — до 10 000 м.
В зависимости от типа роликовых опор лента может иметь
плоскую или желобчатую форму. Плоскую форму ленты ис-
пользуют для транспортировки штучных грузов, а желобча-
тую — для насыпных грузов. Ленточные конвейеры могут быть
горизонтальными или наклонными с вертикальным
перемещением. Угол наклона конвейера подбирают в зависимости
от возникновения скольжения или осыпания груза вдоль ленты
Рис. 9.5. Ленточный конвейер:
1 — барабан; 2 — гибкая лента; 3 — роликовые опоры; 4 — натяжное устройство.
под действием силы тяжести; он зависит от коэффициента трения
насыпного груза по материалу ленты. Обычно угол наклона кон-
вейера принимают не более 24° во избежание потери производи-
тельности конвейера.
Наибольшее распространение имеют ленты с каркасом из тка-
невых прокладок в несколько слоев*, соединенных между собой
тонкими (0,2—0,3 мм) резиновыми прослойками. Ткани могут
быть хлопчатобумажными (типа бельтинга) или синтетическими
(лавсан, капрон, нейлон и т. д.). Согласно ГОСТ 20—76 выпус-
кают ленты шириной от 100 до 3000 мм.
Загрузку конвейера или перегрузку материала с одного кон-
вейера на другой осуществляют с помощью специальных устройств,
предотвращающих рассыпание материала на пол. На случай воз-
можного налипания транспортируемого материала на ленту кон-
вейеры оборудуют механическими щетками или скребками для
очистки.
Основной расчет ленточного конвейера заключается в опре-
делении ширины ленты и мощности электродвигателя. Ширина
(В, м) ленты:
В = 1,1 [VQ/Mphv/O + 0,05]. (9.1)
Здесь Q — производительность конвейера, т/ч; А — коэффициент, зависящий
от формы ленты и угла наклона роликов: Плоская лента Угол наклона боковых — 20 Желобчатая лента 30 36
роликов а° Угол естественного откоса 15 20 15 20 15 20 15 20
материала р° Д 4 240 325 470 550 550 625 585 655
177
рн — насыпная плотность, кг/м3; v — скорость движения ленты, м/с; К — коэф-
фициент, зависящий от наклона конвейера:
^Угол наклона конвейера До 10 12 14 16 18 20
/< 1,0 0,97 0,95 0,92 0,89 0,85
Скорость ленты назначают в зависимости от рода груза и ши-
рины ленты в соответствии с номинальным рядом скоростей ленты,
установленных ГОСТ 10624—63 (от 0,5 до 6,3 м/с). Для грузов,
Рис. 9.6. Пластинчатый конвейер:
1 — металлическая пластина; 2 — барабаны; 3 — роликовые цепи.
пылящих или подвергающихся крошению при
принимают меньшие значения скоростей.
Приближенное значение мощности (А7, кВт)
рассчитывают по формуле;
N = К' [CLv + 0,00015QL ± Q#/(367ti)].
Здесь К' — коэффициент, зависящий от длины ленты:
Длина ленты, м < 16 16—30 30—45
К' 1.25 1,1 1,05
транспортировке,
электродвигателя
(9.2)
> 45
1,0
С — коэффициент, определяемый в зависимости от ширины ленты:
Ширина ленты, м 0,65 0,8 1,0 1,2
С 0,023 0,028 0,038 0,046
L — длина конвейера, м; Н — высота подъема или опускания груза, м; т) —
к. п.д. привода.
Пластинчатый конвейер (рис. 9.6) по устройству аналогичен
ленточному, только вместо гибких лент используют металличе-
ские пластины 1, закрепленные на роликовых цепях 3. При пере-
мещении сыпучих грузов пластины снабжают бортами. Приме-
няют конвейеры для перемещения крупнокусковых, горячих (жже-
ная известь) материалов на расстояние до 150 м под углом до
45—60° при скорости движения ленты 0,05—1,25 м/с. Иногда при
транспортировке грузов на конвейере одновременно осуществляют
сушку, обжиг материалов и т. д.
Скребковый конвейер состоит из желоба (деревянного, желез-
ного или чугунного), в котором непрерывно движется тяговый эле-
мент 2 с прикрепленными к нему скребками 3 (рис. 9.7). Послед-
ние при движении цепи захватывают поступающий на одном конце
178
желоба материал и перемещают его с собой, пока он не выгру-
зится на другом конце желоба.
Материал может подаваться и выгружаться в любом месте
желоба, в зависимости от наличия в нем отверстий.
При помощи одного скребка со скоростью 0,16—0,40 м/с пере-
мещают за 1 ч 8—15 т материалов на расстояние до 100 м. Произ-
водительность (Q, т/ч) конвейера определяют по уравнению:
Q = 3,6 V Рм^/^ск- (9.3)
Здесь V — объем материала, забираемый одним скребком, м3; v — скорость
перемещения тягового элемента, м/с; аск — расстояние между скребками, м
(0,4—0,6 м).
Скребковые конвейеры находят применение для транспорти-
ровки пылевидных, зернистых и мелкокусковых материалов (кол-
чедана, колчеданного огарка и пыли, суперфосфата, аммофоса,
Рис. 9.7. Скребковый конвейер:
1 — барабан; 2 — тяговый элемент; 3 — гребки.
хлорида калия, извести и т. д.). Их используют также для пере-
мещения и одновременного охлаждения горячих грузов.
К достоинствам скребковых конвейеров относят: простоту кон-
струкции; возможность загрузки и выгрузки материала в любой
точке; герметичность; подъем материала по вертикали; осуществ-
ление перемещения материала при одновременной его сушке, охла-
ждении, промывке и т. д.
Недостатками являются: повышенный расход электроэнергии;
износ цепи, желоба, скребков; измельчение транспортируемых ма-
териалов; малая длина перемещения (до 60—100 м).
Ковшовый конвейер (элеватор) (рис. 9.8) служит для транс-
портировки насыпных грузов по вертикальному или крутона-
клонному направлению. В соответствии с этим конвейеры делят на
вертикальные и наклонные. Угол наклона конвейера обыч-
но больше 60°. Ковшовые элеваторы применяют в производствах
минеральных удобрений и солей, серного колчедана, фосфатного
сырья и др.
Ковшовый элеватор состоит из замкнутого тягового элемента 3
с жестко прикрепленными к нему ковшами 4. Тяговый элемент
огибает верхний приводной 8 и нижний натяжной 2 барабаны.
179
У наклонных элеваторов рабочая ветвь ленты движется по опор-
ным роликам. По типу тягового элемента элеваторы бывают лен-
точные и цепные.
Рис. 9.8. Ковшовые элеваторы:
а — с разомкнутыми ковшами; б — с сомкнутыми ковшами; 1 — нижняя секция кожуха;
2 — натяжной барабан; 3 — тяговый элемент; 4, // — ковш; 5 — загрузочный патрубок; 6 —
средняя секция кожуха; 7 — верхняя секция кожуха; 8 — приводной барабан; 9 — разгру-
зочный патрубок; 10 — направляющее устройство.
По расположению ковшей различают элеваторы с разом-
кнутыми ковшами, т. е. расположенными на некотором рас-
стоянии друг от друга (применяют для погрузки легкосыпучих ма-
180
териалов), и с сомкнутыми ковшами (для плохосыпучнх
материалов: влажных, хлопьевидных).
По способу разгрузки ковшей элеваторы делят на быстро-
ходные (скорость движения ковшей 1—4 м/с) и тихоходные
(скорость 0,6—0,8 м/с). У быстроходных разгрузка происходит
под действием центробежной силы.
Широкое применение нашли три типа ковшей (ГОСТ2036—77):
Рис. 9.9. Ковши:
а — глубокий; б — мелкий; в — с бортовыми направляющими и остроугольным днищем.
1. Глубокие ковши (рис. 9.9, а) со скругленными днищами,
применяемые для легкосыпучих материалов;
2. Мелкие ковши (рис. 9.9, б) со скругленными днищами для
транспортировки плохосыпучих материалов;
3. Ковши с бортовыми направляющими и остроугольным дни-
щем (рис. 9.9, в) для транспортировки легкосыпучих материалов.
Достоинствами ковшовых элеватвров являются: малые габа-
риты в поперечном сечении; возможность подачи грузов на зна-
чительную высоту (до 60 м); широкий интервал производитель-
ности (5—600 м3/ч).
К недостаткам относят: чувствительность к перегрузке; необ-
ходимость равномерной подачи грузов.
Производительность (Q, м3/ч) элеватора определяют по фор-
муле:
г‘о/«к = <2/(3,6ирнфк). (9.4)
Здесь i0 — геометрический полезный объем ковша, м3 (выбирают в соответ-
ствии с ГОСТ 2036—77); ак — шаг ковша, м; v — скорость движения ленты или
цепи, м/с; фк — коэффициент заполнения ковша.
Необходимая мощность (N, кВт) двигателя на элеваторе:
N == (0,754Q#pH/n) [1,15 + 290ц-°>28/(Крн)] ₽м- (9.5)
Здесь рм — коэффициент запаса мощности; К — коэффициент, равный 1 для
ленточных конвейеров и 1,43 — для цепных.
Винтовой конвейер (шнек). Основными узлами шнека
(рис. 9.10) являются желоб 1 с полуцилиндрическим днищем,
винт 3, и привод 5, 7.
Полностью закрытая конструкция шнека необходима для пе-
ремещения сильнопылящих, горячих и остропахучих грузов. Шнек
обладает следующими достоинствами: простота устройства и об-
181
служивания; небольшие габариты; возможность промежуточной
выгрузки. К недостаткам относят: высокий расход электроэнергии;
измельчение материала во время транспортировки; повышенный
износ винтов и желоба; чувствительность к перегрузкам; высокий
уровень шума.
Производительность шнеков не превышает 100 м3/ч, а расстоя-
ние, на которое можно перемещать груз, — 40 м в одном ставе.
Рис. 9.10. Винтовой конвейер (шнек) со сплошным (о), ленточным (б) и лопаст-
ным винтом (в):
1 — желоб; 2 — вал; 3 — винт; 4 — разгрузочный штуцер; 5 — электродвигатель; 6, 8 — муф-
ты; 7 — редуктор; 9, 10, 12—подшипники; 11 — загрузочный штуцер.
При необходимости передачи на большие расстояния транспорт-
ную ленту составляют из нескольких шнеков. В вертикальном на-
правлении шнеки могут подавать материалы на высоту до 15 м.
Производительность (Q, кг/ч) шнека рассчитывают по фор-
муле:
Q = 47 £>2авпфрнс. (9.6)
Здесь D — диаметр винта (ГОСТ 2037—75), м; ав — шаг винта (1,0—0,3.0),
м; п — частота вращения винта (6—300 мин-1); Ф— коэффициент заполнения
(0,4—0,125); с — коэффициент, учитывающий угол наклона шнека:
Угол наклона шнека, гра- 0 5 10 15 20
дусы
с 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6
Частота вращения (мин-1) винта зависит от вида перемещае-
мого груза и определяется по формуле:
Чмакс = Ъ/л/Ъ. (9.7)
Здесь b = 30 60 (выбирают из данных табл. 9.3).
Мощность (N, Вт) привода винтового конвейера:
N = 9,8Q (Lf + Н) ₽м/п. (9.8)
182
Значения коэффициентов ф, Ь и f
Таблица 9.3
Группа грузов Примеры грузов Коэффициенты
b f
Легкие и неабразивные Древесные опилки 0,4 65 .1,2
Легкие и малоабразив- ные Мел, сода 0,32 50 1,6
Тяжелые и малоабразив- ные Гипс, суперфосфат 0.25 45 2,5
Тяжелые и абразивные Апатитовый концентрат, колчеданный огарок 0,125 30 4,0
Здесь L — горизонтальная проекция пути перемещаемого материала, м;
f — коэффициент сопротивления (см. табл. 9.3).
Диаметром винта D предварительно задаются, а затем мето-
дом постоянного приближения находят по формуле (9.7) его окон-
чательное значение. Далее принимают D винта с учетом ряда диа-
Рис. 9.11. Пневмотранспортные установки;
а — всасывающие; б — нагнетательные; в — всасывающе-нагиетательные; 1 — загрузочное
сопло, 2 — трубопровод; 3 — разгрузочное устройство; 4 — затвор; 5 — циклон; 6 — рукавный
фильтр; 7 — вакуум-насос; в — компрессор; 9, /3—бункеры; Ю— аэрирующее устройство;
11 — питатель.
метров по ГОСТ 2037—65. Шнеки изготавливают с диаметром
винтов в пределах от 0,1 до 0,8 м.
Пневматический транспорт (пневмотранспорт)—совокупность
оборудования для перемещения сыпучих, штучных и пластично-
вязких материалов с помощью энергии сжатого воздуха.
По способу создания разности давлений в трубопроводе пнев-
мотранспортные устройства (рис. 9.11) делят на всасывающие,
нагнетательные, всасывающе-нагнетательные.
183
Всасывающий пневматический транспорт при-
меняют для перемещения материала на расстояние до 100 м из
разных мест к одной точке разгрузки при разрежениях не более
0,01 МПа. Нагнетательную пневматическую уста-
новку используют для транспортировки материала из одного ме-
ста по различным направлениям на расстояние до 1800 м при пе-
репаде давления воздуха 0,5—1,3 МПа. Всасывающе-нагне-
тательная установка служит для перемещения сухих
порошкообразных и мелкозернистых материалов на большие рас-
стояния.
В систему пневмотранспорта входит разгрузочная станция,
включающая бункер (для сбора материала), рукавный фильтр
(для очистки выбрасываемого воздуха от пыли), вентилятор (для
отсоса очищенного воздуха). Уловленную пыль подают обратно
в бункер.
Для перемещения значительной массы материала (120—250 кг)
приходящейся на 1 кг воздуха, на высоту до 25 м используют
пневматические подъемники при скоростях воздуха ме-
нее 10 м/с и избыточном давлении 0,05—0,15 МПа.
Расчет пневмотранспорта заключается в определении по за-
данной производительности диаметра трубопровода d, расхода
(скорости) воздуха w и необходимого перепада давления Др.
Внутренний диаметр (м) трубопровода определяют по фор-
муле:
d = л/ шв/(0,785ов).
Здесь wB — расход воздуха в транспортном трубопроводе при стандартных
условиях (Р = 0,098 МПа, рв = 1,2 кг/м3), м3/с
Юв = Q/(xPbY
Q — заданная средняя производительность по транспортируемому материалу,
кг/с; х — концентрация пыли, кг/кг; рв — плотность воздуха, кг/м3; — линей-
ная скорость воздуха, м/с.
Минимальная скорость (м3/ч) протекания воздуха:
И'мин 4 65 Л^чРм/Рв- (9.9)
Здесь d4 — диаметр частиц материала, м; рм — плотность материала, кг/м3.
Полный перепад давления (Др, Па), который необходим для
поднятия материала:
Др = (1+ xtg а) [pMa'7(2g)] (1 + У, В) + Рв# (1 + х). (9.10)
Здесь х — GmIGb—коэффициент смеси; GM—масса транспортируемого твер-
дого материала, кг; GB — масса воздуха, расходуемого на транспортировку, кг;
tgcc = 0,32 4- 0,4; | = 0,76(1 4- 10,64/).
Достоинства пневмотранспорта: герметичность системы; отсут-
ствие потерь перемещаемых грузов; осуществление перемещения
грузов по сложной трассе; удобство сопряжения горизонтальных,
вертикальных и наклонных участков; возможность путем приме-
нения разветвленных трубопроводов обеспечивать перемещение
184
грузов из нескольких мест в одно или из одного места в несколько;
возможность при транспортировке одновременной сушки, нагрева,
охлаждения.
К недостаткам относят: высокий удельный расход электроэнер-
гии; интенсивный износ трубопровода; измельчение материала; не-
возможность перемещать неизмельчаемые и сырые материалы.
Кроме того, при перемещении тонкодисперсных материалов (раз-
меры частиц 10—20 мкм) усложняется их отделение в конечном
пункте от воздуха, а при перемещении порошков разного фрак-
ционного состава происходит расслоение материала.
Гидравлический конвейер используют в тех случаях, когда
свойства материала это позволяют. В этих установках материал
(например, колчеданный огарок, фосфогипс и др.) вводят в струю
воды, он перемещается с ней до места назначения, где отделяется
от воды в гидроциклонах и отстойниках. Длина гидротранспортных
линий доходит до десятков километров.
В низконапорных установках материал смывается водой под
низким давлением (до 0,5 МПа), и смесь самотеком движется по
желобу или канаве. В высоконапорных установках воду подают
под высоким давлением, и смесь перемещается по трубам под
избыточным давлением на расстояние до 1 км. В смешанных уста-
новках материал перемещается в пределах цеха по открытым
каналам, из которых подается затем в высоконапорную установку
для дальнейшей транспортировки.
9.3. ТРАНСПОРТ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Устройства для перемещения жидкостей относят к внутриза-
водскому транспорту.
Перемещение жидкостей может осуществляться в замкнутых
каналах (трубопроводы и др.) под действием разности давлений
на двух участках потока (напорное перемещение жидкости) или
под действием силы тяжести жидкости, имеющей свободную по-
верхность, благодаря гидравлическому уклону (безнапорное пе-
ремещение жидкости). Напорное перемещение жидкостей произ-
водится объемными и лопастными, а также струйными насосами.
В химической промышленности наибольшее распространение
получили поршневые, плунжерные насосы (для работы с пеня-
щимися и другими жидкостями) и центробежные насосы (для
работы с агрессивными, токсичными, взрыво- и пожароопасными
средами).
Основными параметрами насоса любого типа являются подача
Q (м3/с), напор Н (м) и мощность /V (Вт).
Поршневой насос (рис. 9.12) — устройство, в котором рабочий
орган (поршень) совершает в цилиндре возвратно-поступательные
движения, сообщая перекачиваемой жидкости избыточное давле-
ние. В том случае, когда рабочий орган выполнен в виде удли-
ненного поршня (плунжера) поршневой насос называют плун-
жерным.
185
Особенностью поршневых насосов является неравномерность
подачи, в связи с чем важное значение приобретает понятие сте-
пень неравномерности подачи. Эта величина представляет собой
отношение максимальной (мгновенной) подачи данного насоса к
предполагаемой средней подаче (рис. 9.13):
~ Qmskc/Qcp- (9.11)
Для насоса одинарного действия т = 3,14, двойного дей-
ствия— m — 1,5, тройного — m = 1,05. Насос двойного действия
имеет более равномерную подачу, так как он за один двойной ход
Рис. 9.12. Поршневой насос одинарного действия с воздушными колпаками на
всасывающей (4) и нагнетательной (В) линиях:
1 — воздушные колпаки; 2 — всасывающий клапан; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — нагнета-
тельный клапан.
Рис. 9.13. Диаграмма подачи поршневых насосов одинарного (а), двойного (б)
и тройного (в) действия.
делает две подачи. С дальнейшим увеличением числа поршней
степень неравномерности подачи уменьшается очень медленно.
Неравномерность подачи и связанная с этим неравномерность
движения жидкости во всасывающем и нагнетательном (напор-
ном) трубопроводах может быть частично устранена установле-
нием воздушных колпаков (см. рис. 9.12). Сжатие воздуха в кол-
паке при подаче и расширение при всасывании уменьшает нерав-
номерность движения жидкости в напорном трубопроводе. Чем
больше объем воздушного колпака, тем меньше степень неравно-
мерности подачи. На практике обычно ограничиваются такими
размерами колпаков, чтобы колебание давления в напорном тру-
бопроводе не превышало ±3 %.
Высоту всасывания поршневых насосов определяют по фор-
муле:
Р а___Р ж
Рж£ РжЯ
— ht — Л2.
(9.12)
186
Здесь Ра — атмосферное давление, Па; Рж— давление насыщенных паров
жидкости, Па; рж — плотность жидкости, кг/м3; hi и йг — потеря напора в на-
сосе и всасывающем трубопроводе, м.
Поршневые насосы с дисковым поршнем применяют при пе-
рекачке маловязких жидкостей, а плунжерные (рис. 9.14)—для
перекачки вязких жидкостей и суспензий
и создания высоких давлений.
Горизонтальные плунжерные насосы
выпускают с подачей от 180 до
1800 л/мин (0,003 до 0,03 м3/с), верти-
кальные — от 2950 до 38 600 л/мин (0,05
до 0,64 м3/с).
Согласно ГОСТ 12052—77 выпускают хими-
ческие поршневые насосы типов: ХПНП — хи-
мический поршневой насос паровой; ХТр — хими-
ческий трехцилиндровый с регулируемой подачей;
XT — химический трехцилиндровый; РК — регули-
руемый кислотный; РКС — регулируемый для со-
Рис. 9.14. Плунжерный на-
1 — цилиндр; 2 — плунжер; 3 —
сальник; 4 — нагнетательный
клапан; 5—всасывающий кла-
пан.
ляной и серной кислот; РКХ — регулируемый для
суспензии хлорида алюминия.
Маркировка насоса расшифровывается сле-
дующим образом. Например, РКС 1,5/25 озна-
чает: Р — регулируемый; К—кислотный; С — со-
ляная кислота; 1,5 — подача, м3/ч; 25 — давление нагнетания, атм (или
2,5 МПа).
Техническая характеристика некоторых плунжерных насосов
приведена в табл. 9.4.
Таблица 9.4
Техническая характеристика плунжерных насосов
типа ХТр
Марка насоса Подача, м3/ч Давление нагнетания, МПа Число двойных ходов в 1 мин Ход поршня, мм Диаметр поршня, мм
ХТр 1,5/200 0,75-1,5 22 200 60 32
ХТр 3/20 1-3 2 300 45 45
ХТр 8/11'0 4—8 11 182 120 55
ХТр 30/50 15—30 5 205 120 100
Подачу поршневого насоса регулируют с помощью вентиля или
задвижки на перепускной линии, соединяющей всасывающий и на-
гнетательный трубопроводы.
Пуск насоса производят открытием задвижки на всасывающей,
затем на нагнетательной и на перепускной линиях (если работа
насоса регулируется перепускной задвижкой). Включают элек-
тродвигатель, и когда устанавливается необходимая частота вра-
щения двигателя, медленно закрывают перепускную задвижку.
Перед остановкой насоса открывают перепускную задвижку, за-
крывают задвижку на всасывающей линии и выключают элек-
187
тродвигатель, после чего закрывают задвижку на нагнетательной
линии.
Поршневые насосы можно выбрать по каталогу, где указаны:
марка насоса, подача, давление нагнетания, число двойных ходов
поршня в минуту, мощность двигателя, габаритные размеры, мас-
са, изготовитель, характер перекачиваемой жидкости. Например,
насос марки Т 25/340 предназначен для перекачки аммиачной
воды, имеет подачу 25 м3/ч, давление нагнетания 34 МПа, мощ-
ность электродвигателя 440 кВт.
Достоинства поршневых насосов: высокий к.п.д. (до 85%);
возможность достижения высоких напоров при любых подачах;
хорошая всасывающая способность.
Недостатки: тихоходность, а следовательно, громоздкость и
большая масса (из-за наличия редуктора); сложность изготовле-
ния и высокая стоимость самого насоса и его эксплуатации; не-
равномерная подача; отсутствие регулировки подачи.
Эти недостатки делают поршневые насосы менее эффектив-
ными, чем ниже рассмотренные центробежные.
Центробежный насос — устройство, в котором перемещение
жидкости происходит под действием центробежных сил, возникаю-
щих при вращении рабочего колеса.
Центробежные насосы (ГОСТ 17398—72), используемые в тех-
нологии неорганических веществ, бывают одно- и многоступенча-
тые. Первые предназначены для создания напоров до 50 м, вто-
рые— для создания высоких напоров. У многоступенчатых насо-
сов рабочие колеса соединены последовательно и снабжены на-
правляющими аппаратами и переливными каналами, служащими
для направления жидкости из одного колеса в другое. Все рабо-
чие колеса смонтированы на одном валу, имеют одну всасываю-
щую и одну нагнетательную линию. Для подачи большого объема
жидкости применяют насосы двухстороннего всасывания. Чем
больше число, диаметр и частота вращения колеса, тем больше
напор.
Существуют следующие соотношения между подачей Q, напо-
ром Н и радиусом г колеса:
Q1/Q2 = (гМ3-, Щ/Нъ = (rt/r2)2. (9.13)
Следовательно, увеличить подачу насоса или напор можно, уве-
личив частоту вращения или радиус колеса.
Мощность (Вт), потребляемую насосом, определяют по фор-
муле:
= Q/W(102t)). (9.14)
Здесь т]— к. п.д. насоса (от 0,3 до 0,8).
Центробежные насосы, в отличие от поршневых, не обладают
способностью засасывать жидкость в начале работы, ввиду чего
перед пуском насос и всасывающий трубопровод должны быть
аалиты жидкостью,
188
Высоту всасывания центробежных насосов определяют по фор-
муле для поршневых насосов [см. уравнение (9.12)]. Отличие со-
стоит в том, что для создания нормальных условий работы цент-
робежного насоса необходимо обеспечить на всасывании так на-
зываемый кавитационный запас, т. е. минимально допустимое пре-
вышение атмосферного давления над давлением насыщенных па-
ров жидкости, для предотвращения возможного вскипания жидко-
сти в насосе.
При перекачивании горячих жидкостей во избежание кавита-
ции следует создавать подпор, т. е. насос должен быть ниже уров-
ня жидкости, находящейся в резервуаре. Для достижения лучшей
всасывающей способности скорость жидкости на входе в насос
должна быть равна 1 м/с (и не более 2 м/с), а сопротивление
всасывающего трубопровода — минимальным. Высота всасывания
центробежных насосов не превышает 5 м.
В отличие от поршневых насосов, имеющих при постоянной
частоте вращения двигателя постоянную среднюю подачу, центро-
бежные насосы имеют различную подачу (и различный напор)
в зависимости от сопротивления линии. Поэтому каждый насос
снабжается заводом-изготовителем рабочей характеристикой, по-
лучаемой опытным путем.
При подборе насоса и частоты вращения рабочего колеса не-
обходимо учитывать характеристику линии, т. е. трубопровода и
присоединенных к нему аппаратов.
Включение насоса в работу производят при полностью закры-
той задвижке на нагнетательном трубопроводе, так как в этом
случае насос потребляет минимальную мощность. Задвижка (вен-
тиль) на всасывающем трубопроводе перед пуском должна быть
открыта полностью, чтобы предупредить кавитацию.
Регулирование подачи насоса осуществляют вентилем, распо-
ложенным на нагнетательной линии. Этот метод является наибо-
лее простым и удобным, хотя и приводит к снижению г]. Подобное
регулирование на всасывающей линии не допускается ввиду воз-
можности возникновения кавитации.
При необходимости повысить подачу насосы включают парал-
лельно, для увеличения напора — последовательно.
При перекачивании высоковязких жидкостей вследствие увели-
чения сопротивления на трение подача, напор и к. п. д. насоса
уменьшаются. Поэтому для этих случаев рекомендуется подбирать
насосы с высокими значениями частоты вращения рабочего ко-
леса. Иногда бывает экономически выгодно подогревать жидкость
перед перекачиванием, так как при этом уменьшаются ее вязкость
и плотность.
Промышленность выпускает (ГОСТ 10168—75) центробеж-
ные насосы типа X с широким интервалом подачи (от 2,2
до 700 м3/ч при напоре столба жидкости 10—30 м) для перека-
чивания жидкостей с содержанием частиц до 0,2 % (по массе).
Они укомплектованы двигателями с частотой вращения 960, 1450
189
и 2900 об/мин и мощностью от 2,8 до 200 кВт. Техническая ха-
рактеристика некоторых из них приведена в табл. 9.5.
Техническая характеристика некоторых насосов
типа X
Таблица 9.5
Марка насоса Подача, мЗ/ч Напор, м Допустимый кавитацион- ный запас, м Частота вращения рабочего колеса, мин"”1 Мощность на валу (при рж= = 1000 кг/м3), кВт
1,5Х-6(К, Е, И)-5(1) 8 18 4 2900 1,4
2Х-9(К, Е,И)-5(1) 20 18 4,5 2900 2,2
ЗХ-9(А, К, Е, И)-5 45 31 5 2900 7,5
4Х-12(К, Е, И)-5 90 33 6 2900 13
6Х19(К, И,Е)-1 160 29 5 1450 20
Насосы типа X маркируют следующим образом. Например, 8Х-12К-1 озна-
чает: первая цифра — диаметр всасывающего патрубка в дюймах (25,4 мм);
буква X — химический; следующая цифра — коэффициент быстроходности, умень-
шенный в 10 раз; буква К — условная марка материала (А—углеродистая сталь,
Д — хромистая сталь, К — хромоникелевая сталь, Е — хромоникельмолибденовая
сталь, И — хромоникельмолибденмедистая сталь, Л — ферросилид); последняя
цифра — вид уплотнения.
Насосы можно устанавливать в помещениях и на открытых
площадках.
Центробежные гуммированные насосы выпускают
следующих марок: 1Х-2Р-1(2), 8Х-12Р-Ц2), 4АХ-5Р-1, 4ПХ-4Р-1.
Принцип маркировки тот же, что и у насосов типа X. Буква Р означает,
что насос гуммирован, т. е. проточная часть покрыта резиной; буквы АХ — хи-
мический для абразивных суспензий [содержание частиц — 20 % (по массе)];
ПХ — пульповый для неабразивных суспензий [40 % (по массе)].
Допускаемая температура перекачиваемой жидкости находится
в зависимости от марки резины, применяемой для гуммирования.
Обычный температурный интервал от —30 до 80 °C.
Погружные центробежные насосы типа ХП для за-
бора и перекачки жидкости из резервуаров имеют подачу от 2 до
600 м3/ч и напор до 54 м. В сернокислотных производствах ис-
пользуют насосы типа ХПА (Q = 10 -4- 700 м3/ч; Н ~ 15-4-50 м).
Для перекачивания фосфорнокислотной суспензии, сульфата каль-
ция, желтого фосфора, различных кислот, растворов с большим
числом твердых частиц нашли применение насосы ПХП. Техниче-
ская характеристика некоторых из них приведена в табл. 9.6.
Достоинства центробежных насосов: компактность; малая мас-
са; равномерность подачи и легкость ее регулирования, простота
эксплуатации. Недостатком является необходимость заливки
жидкости перед запуском.
Подбор центробежных насосов. Центробежные на-
сосы подбирают в зависимости от их назначения и условий ра-
190
Таблица 9.6
Техническая характеристика некоторых погружных
одноступенчатых насосов
Марка насоса Подача, м3/ч Напор, м Кавита- ционный запас, м Мощность на валу, кВт Частота вращения рабочего колеса, мин
1ХП-3(А, К, Е)-1 2 15 3,5 1,5 2900
ЗХП-6(А, К, Е,)-6 45 54 5,0 28 2900
ЗПХП-5(А, К)-7 45 31 3,0 22 1450
9ПХП-9(А, К)-7 600 20 6,0 160 735
Рис. 9.15. Изменение ха-
рактеристик центробеж-
ных насосов в зависимо-
сти от подачи.
боты. Из требующихся данных в условиях производства обычно
известны объем транспортируемой жидкости и напор Н. Если на-
пор неизвестен, его можно определить по
формуле:
Н = Z. + z2 + [(Р2 - Л)/(рж£)] + h'a + С (9.15)
Здесь Z] — геометрическая высота всасывания;
Z2 — геометрическая высота нагнетания; Рх — давле-
ние на поверхность жидкости в резервуарах на ли-
нии всасывания; Р2—давление на поверхность жид-
кости в резервуарах на линии нагнетания; —
гидравлическое сопротивление трубопроводов на
линии всасывания; /го — гидравлическое сопротивле-
ние трубопроводов на линии нагнетания.
Для подбора насоса необходимо также
знать характер взаимных изменений пода-
чи Q и напора Н в процессе эксплуатации. По своим конструк-
тивным особенностям центробежные насосы могут иметь Q—//-ха-
рактеристики различной кривизны: крутые, средней крутизны и
пологие (рис. 9.15).
Если предполагают, что при существенном изменении подачи
напор должен изменяться незначительно, то выбирают насос,
имеющий пологую характеристику. Например, питательные на-
сосы в котельных должны обладать пологой характеристикой
Q—Н, так как объем подаваемой для питания котлов воды мо-
жет значительно изменяться, но давление в котлах практически
постоянно.
Для подачи суспензии на фильтровальные аппараты (напри-
мер, фильтр-прессы) следует выбирать насосы с крутой характе-
ристикой, поскольку в процессе фильтрования резко изменяется
сопротивление слоя осадка. При правильном выборе таких насо-
сов их подача будет незначительно изменяться даже при суще-
ственном увеличении гидравлического сопротивления фильтро-
вальных аппаратов.
Если в процессе эксплуатации изменяются и подача насоса и
его напор, то применяют насосы с Q—//-характеристикой средней
крутизны.
191
Таким образом, для подбора центробежного насоса в общем
случае необходимо и достаточно знать его производительность,
напор и назначение. Затем по каталогам заводов, производящих
насосы, выбирают насос, удовлетворяющий поставленным требо-
ваниям.
9.4. ТРАНСПОРТ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СЖАТИЯ ГАЗОВ
Для перемещения и сжатия газов используют вентиляторы,
газодувки, компрессоры. Их классифицируют по принципу дей-
ствия (поршневые, центробежные, ротационные, струйные) и в за-
висимости от отношения давления на выходе Р2 к давлению на
входе Pi (Р2/Р1 =3-4- 1000 — компрессоры, Р2/Р1 = 1,06-4- 4,0 —
Рис. 9.16. Центробеж-
газодувки, Р2/Р1 = 1 4- 1,1 — вентиляторы).
Для создания разрежения в системе приме-
няют вакуум-насосы.
Вентиляторы
Вентилятор (рис. 9.16)—устройство, соз-
дающее избыточное давление воздуха или
другого газа до 15 кПа для их перемещения.
По конструкции вентиляторы подразде-
ляют на центробежные и осевые. Первые при-
ный вентилятор. меняют для подачи воздуха или газа при от-
носительно большом напоре, вторые — когда
необходимо перемещать большие объемы воздуха с малым напо-
ром. Техническая характеристика некоторых вентиляторов приве-
дена в табл. 9.7.
Техническая характеристика некоторых вентиляторов
Таблица 9.7
Тип и номер Максимальная подача, мЗ/с Давление нагнетания, Па Частота вращения вала. Мощность, кВт
Осевые вентиляторы
06-320 № 4 0,69 180 47.7 1,0
06-320 № 8 7,44 160 24,0 4,5
06-420 № 12 16,11 200 16.3 7,0
Центробежные вентиляторы
Ц4-70 № 3 0,55 800 40,0 0,55
Ц4-70 № 6 18,06 900 7,9 20,3
Ц9-57 № 8 8,33 2000 16,7 26,0
ЦП-7-40 № 5 1,64 3400 43,3 10,0
ВД № 5 0,50 7500 56,0 5,8
192
Центробежные вентиляторы. В центробежных вентиляторах
движение газа перпендикулярно оси вращения рабочего колеса.
По создаваемому давлению различают вентиляторы низкого
(Р 3 кПа), среднего (Р = 3-4-15 кПа) и высокого
(Р >> 15 кПа) давления. Вентиляторы высокого давления назы-
вают одноступенчатыми- газодувками. Подача вентиляторов со-
ставляет от нескольких сот до нескольких десятков тысяч куби-
ческих метров в час. К- п. д. изменяется от 0,5 до 0,7.
Давление нагнетания, создаваемое вентилятором, может быть
определено по формуле:
Р = + />дин = (fTpL/Z) + £ |) (ро2/2) + (р^2/2). (9.16)
Здесь Рет и Рдин — статическое и динамическое давление вентилятора, Па;
fTp — коэффициент трения (колеблется в пределах 0,025—0,05); L и D — длина
и диаметр газохода, м; £ — коэффициент местных сопротивлений (0,70—0,85);
р — плотность газа при 0 °C и атмосферном давлении, кг/м3; v — скорость газа,
м/с.
Широкое распространение получили центробежные вентилято-
ры типа «Сирокко» в разветвленных вентиляционных установках,
системах пневматического транспорта, в котельных установках в
качестве тягодутьевых устройств, для воздухообмена в помещении
с кратностью обмена от 3 до 6 (при аварии кратность достигает
10—20, включая и аварийную вентиляцию).
Осевые вентиляторы (ГОСТ 11442—74) обеспечивают продоль-
ное перемещение воздуха вдоль оси вращения. В последнее время
широкое распространение получили вентиляторы серии 06-320 для
вентиляции гражданских и промышленных зданий. Максимальная
подача их достигает 0,69—16,1 м3/с, а давление 180—200 Па.
Одним из преимуществ осевых вентиляторов является их бы-
строходность, вследствие чего их можно непосредственно соеди-
нять с быстроходными электродвигателями и паровыми турби-
нами. В зависимости от конструкции лопастей допускается дово-
дить частоту вращения вала до значений 100—200 с-1. Давление
нагнетания осевых вентиляторов рассчитывают по формуле (9.16),
приведенной для центробежных вентиляторов.
Подбор вентилятора. При подборе вентилятора учитывают его
назначение, максимальные значения подачи, давления в рабочих
условиях, температуру газа, его химическую агрессивность, нали-
чие механических примесей. Если известны значения подачи и дав-
ления, вентилятор подбирают по справочным данным.
При использовании для подбора вентилятора индивидуальных
характеристик необходимо определить рабочую точку вентилятора.
Она находится на пересечении вертикальной линии, проведенной
через ось абсцисс в точке принятой подачи Q, и горизонтали, про-
веденной через ось ординат в точке принятого давления Р
(рис. 9.17). По рабочей точке на графике можно определить к. п. д.
вентилятора. Если к. п.д. в выбранном режиме меньше 0,9 (т]Макс),
необходимо изменить условия работы вентилятора (изменяя ча-
стоту вращения) или перейти к подбору другого типа вентилятора.
1/27 Зак. 162
193
Следует помнить, что данные характеристики относятся к стан-
дартным условиям.
При выборе пылевого вентилятора пли дымососа необходимо
иметь в виду, что скорость воздуха или газа в проточной части
должна быть не меньше скорости транспортирования твердых ча-
стиц максимально возможного размера. В противном случае будет
Рис. 9.17. Индивидуальная характе-
ристика вентилятора.
происходить оседание частиц и
засорение каналов.
При оптимальном режиме ра-
боты удобнее подбирать венти-
ляторы по значению коэффициен-
та быстроходности.
Коэффициент быстроходности
ns определяют в зависимости от
подачи вентилятора Q, давления
Р, частоты вращения п:
ns = G,87n VQ (Р/р°)_5/4. (9.17)
Здесь р° — стандартное значение
плотности воздуха, равное 1,2 кг/м3 при
давлении Р° — 101,3 кПа, температуре
t = 20 °C и относительной влажности
Ф = 50%.
Ориентировочно при ns < 100 обычно используют центробеж-
ные вентиляторы, а при ns > 100 — осевые.
Отечественная промышленность выпускает вентиляторы раз-
личных размеров. Номер вентилятора, например № 6, указывает
диаметр рабочего колеса в дециметрах (ГОСТ 5976—73).
Компрессоры
Компрессор — устройство для сжатия воздуха и газа до из-
быточного давления не ниже 0,2 МПа.
По принципу вытеснения газа компрессоры подразделяют на
поршневые, центробежные и ротационные. Техническая характе-
ристика некоторых компрессоров приведена в табл. 9.8.
Поршневой компрессор — устройство, в котором сжатие газа
происходит при уменьшении замкнутого объема. Их подразделяют:
1) по способу действия — простого и двойного дей-
ствия;
2) по расположению цилиндра — с горизонтальным, вер-
тикальным и наклонным цилиндром;
3) по числу ступеней сжатия — одно-, двух- и многосту-
пенчатые;
4) по способу охлаждения — с воздушным и водяным
охлаждением.
Компрессоры могут сжимать газы до давлений 150 МПа и бо-
лее. Процесс сжатия протекает изотермически или адиабатически.
При адиабатическом сжатии до 1 МПа газа, имеющего комнатную
температуру, его температура увеличится до 300°C, при которой
194
компрессорное масло разлагается. Поэтому одноступенчатые ком-
прессоры делают на давление не более 0,8 МПа, а для больших
давлений изготавливают многоступенчатые компрессоры (с чис-
лом ступеней до восьми) с охлаждением между ступенями.
Степень сжатия газа (Р2/Р1) в отдельной ступени принимают
равной 3—4. Объемный к. п.д. выражается отношением: л —
где ui — объем цилиндра; ц2— действительный объем газа, вса-
сываемый поршнем (за вычетом объема газа, оставшегося в
«мертвой» зоне). Для увеличения объемного к. п. д. компрессоров
Техническая характеристика некоторых компрессоров
Таблица 9.8
Марка Среда Подача, мЗ/с Конечное давление, МПа Частота вращения вала, Гц Мощ- ность, кВт Число ступеней сжатия
Поршневые компрессоры
ВУ 6/4 Воздух 0,1 0,4 16,3 27,0 1
2РА 3/350 Азот 0,05 35 24,67 58 4
4М16 100/200 У глекис- лый газ 1,35 20,1 6,25 1208 5
Центробежные компрессоры
К-1500-62-1 Воздух 21,50 0,75 72,83 6300
К-1300-91-1 Азот 21,67 0,112 75 605
КТК-12,5/35 Кислород 4,67 3,5 & 23,0 2700
стремятся уменьшить (заливом цилиндра маслом, использованием
утопленных клапанов и т. д.) объем «мертвой зоны», который со-
ставляет 3—4 % от объема цилиндра. Численное значение ее за-
висит от давления, до которого сжимают газ. Чем больше давле-
ние сжатого газа, тем больший объем займет оставшийся во вред-
ном пространстве газ при его расширении и тем меньший объем
будет засасываться поршнем. При повышении давления сжатия до-
стигается состояние, когда оставшийся во вредном пространстве
газ при обратном ходе поршня полностью займет объем цилиндра.
Тогда засасывания свежего газа не будет, и % (коэффициент по-
дачи— отношение объема газа, подаваемого фактически компрес-
сором, к объему, проходимому поршнем; % находится в пределах
0,7—0,92 и уменьшается с увеличением давления) будет равен
нулю. Отношение P2/Pi, при которой % = 0, называют пределом
сжатия. Таким образом, фактически засасываемый объем всегда
меньше объема, отсасываемого поршнем. Фактически нагнетаемый
компрессором объем, приведенный к условиям всасывания, всегда
меньше засасываемого объема по индикаторной диаграмме. Это
объясняется наличием ряда потерь (неплотности в клапанах и в
цилиндре, сопротивление на всасывании, влажность засасываемого
газа и т. д.),
727* 195
Производительность (м3/с) одноцилиндровых компрессоров:
одинарного действия Q = K\Fsn, (9.18)
двойного действия Q ~ т] (2F — f) sn. (9.19)
Производительность (м3/с) многоцилиндрового компрессора
одинарного действия:
Q = t]Fsni. (9.20)
Здесь F — площадь сечения поршня первой ступени, м2; s — ход поршня, м;
f — площадь штока, м2; i — число цилиндров.
Потребляемая мощность (Вт) электродвигателя:
N = ^N/n. (9.21)
Здесь ₽м — коэффициент запаса мощности, равный 1,1—1,2.
Регулирование подачи поршневых компрессоров осуществляют
путем полного или частичного открытия всасывающих клапанов,
перепуском газа из вса-
сывающей линии в нагне-
тательную.
Центробежный ком-
~) прессор — устройство, в
___ котором силовое воздей-
ствие на газ осушеств-
X__ляется вращающимися
лопатками. Их применяют
4 для подачи больших
Рис. 9.18. Осевой турбокомпрессор: объемов газа или воздуха
1в^жньГеУлопаГКи°ТО₽: 3 ~ рабочие лопатки: - по- ПОд давлением ОТ 0.11 ДО
31,4 МПа.
Центробежные компрессорные машины, сжимающие газ до
0,3 МПа, называют турбовоздуходувками. Число ступеней
в этих машинах не превышает 3—4. Для создания более высоких
давлений применяют турбокомпрессоры с числом ступеней
до 16 (рис. 9.18). В турбокомпрессорах при степени сжатия более
четырех используют промежуточное охлаждение газа. Во много-
ступенчатых турбокомпрессорах колеса разделены на несколько
секций. В пределах каждой секции диаметр и ширина колес оди-
наковы, но в каждой последующей секции размеры колес меньше,
чем в предыдущей.
В СССР для синтеза аммиака разработаны центробежные ком-
прессоры производительностью от 1,06 до 53,8 м3/с с конечным
давлением газа до 32 МПа.
Вакуум-насосы
Вакуум-насосы — устройства для удаления газов и паров из
сосудов с целью получения разрежения газов (вакуума). Разли-
чают вакуум-насосы сухие (только для сухого газа) и мокрые (для
жидкости вместе с газом), поршневые и вращательные.
196
Техническая характеристика некоторых вакуум-насосов приве-
дена в табл. 9.9.
Поршневые вакуум-насосы выпускают с клапанным распреде-
лением типа ВНК и с принудительным распределением (односту-
пенчатые и двуступенчатые) типа ВНП. Эти насосы надежны в
Таблица 9.9
Техническая характеристика некоторых вращательных
вакуум-насосов
Марка насоса Скорость откачивания, м3/мин Максимальное разрежение, % или кПа Потребляемая мощность на валу, кВт
Со скользящими пластинами
РВН-7 250 90 14
РВН-30 1500 90 45
РВН-75 3480 90 100
С жидкостным поршнем
КВН-4 20 0,100 кПа 1.5
КВН-8 40 0,100 кПа 2,2
Ротационные
РМК-2 0 90 10
РМК-3 8,15 90 28
РМК-4 14,1 & 90 70
Водокольцевые типа ВВН
ВВН-0,75 0,75 86 1.3
ВВН-6 6 95 14
ВВН-25 25 98 54
ВВН-50 50 98 100
работе, просты в обслуживании и могут откачивать газы, содер-
жащие капельную жидкость.
Перед пуском поршневого насоса производят его внешний
осмотр и осмотр маслосистемы, подключают воду для охлаждения
цилиндров, отключают вакуум-насос от откачиваемой системы, от-
крывают кран, сообщающийся с атмосферой, и включают элек-
тродвигатель. Первые две-три минуты вакуум-насос работает «на
себя», а затем закрывают кран на линии, сообщающейся с атмо-
сферой, и открывают на линии откачиваемой системы. Для оста-
новки вакуум-насоса поступают в обратной последовательности.
Значение подачи поршневого вакуум-насоса не постоянно, так
как оно снижается с уменьшением давления всасывания. Поэтому
при выборе насоса по каталогу необходимо учитывать не только
всасываемый объем, но и значение вакуума, гарантирующего по-
дачу»
197
Вращательные вакуум-насосы со скользящими пластинами типа
РВН (рис. 9.19) выпускают со скоростью откачивания от 3 до
75 м3/мин при атмосферном давлении на входе.
Основное преимущество — большая скорость откачивания.
Смазку насоса осуществляют с помощью другого насоса, который
приводится в движение от вала вакуум-насоса.
Вращательные вакуум-насосы с жидкостным поршнем типа
КВН-4 и КВН-8 (рис. 9.20) отсасывают газ или воздух в смеси
Рис. 9.19. Вращательный ва-
куум-насос со скользящими
пластинами:
1 — корпус; 2 — ротор; 3 — пласти-
ны.
Рис. 9.20. Вращательный ва-
куум-насос с жидкостным
поршнем:
1 — корпус; 2 — рабочее колесо
с лопатками; 3 — всасывающий
патрубок; 4 — нагнетательный
патрубок.
с жидкостью со скоростью от 0,25 до 460 м3/мин. Они незаменимы
в случае сжатия газов, не допускающих соприкосновения со смаз-
кой и воспламеняющимися жидкостями. Эти насосы выпускают
консольного типа с малой, средней и высокой скоростью откачи-
вания. Средняя скорость откчаивания от 3 до 10 м3/мин (вакуум
90 %, предельное избыточное давление 0,13 МПа).
Во время работы необходима непрерывная циркуляция через
насос воды — для поддержания постоянного объема жидкостного
кольца, а также для охлаждения насоса. Регулирование объема
циркулирующей воды осуществляют вентилем, установленным на
линии воды.
Вращательные ротационные вакуум-насосы с жидкостным
поршнем типа РМК имеют максимальный вакуум 90%, предель-
ное избыточное давление 0,13 МПа. Их применяют для нагнетания
или отсасывания воздуха, газов или паров с целью создания раз-
режения или невысокого избыточного давления в закрытых ап-
паратах.
Принцип работы этих насосов аналогичен работе вращатель-
ных машин с жидкостным поршнем, т. е. всасывание и сжатие
газа осуществляется жидкостным кольцом за счет изменения объе-
ма ячеек ротора. Регулирование вакуума и производительности
ротационных вакуум-насосов достигается в небольших пределах
при помощи впускного крана, находящегося на всасывающей ли-
198
нии, посредством ввода воздуха. Но их нельзя использовать для
откачки взрывоопасных и ядовитых сред.
Вращательные водокольцевые вакуум-насосы типа ВВН вы-
пускают со скоростью откачивания от 0,75 до 50 м3/мин для ра-
боты со взрывоопасными средами. С помощью этих насосов можно
достигнуть остаточного давления порядка 5 кПа. Для создания
остаточного давления 0,5 кПа применяют вакуумные установки,
состоящие из последовательно соединенных вакуум-насоса и
эжектора. Эжектор подсоединяют на стороне всасывания к ва-
куум-насосу и подключают в работу при достижении разрежения
90%. Насосы типа ВВН отличаются простотой в изготовлении,
сборке, ремонте и обслуживании.
9.5. ТРУБОПРОВОДЫ И АРМАТУРА
Трубопроводы
Внутризаводскую транспортировку газов и жидкостей осу-
ществляют по трубопроводам. Система трубопроводов составляет
Рис. 9.21. Фасонные детали трубопроводов:
а — отвод; б — двойник; в — колесо; г — тройник; д — крестовина; е — переход.
до 10—15 % стоимости всего цехового оборудования. Она вклю-
чает: материальные трубопроводы, паропроводы, конденсатопро-
воды, трубопроводы сжатого воздуха, технологический водопровод,
пожарно-хозяйственный водопровод, вакуумные системы и произ-
водственную канализацию.
Для материальных трубопроводов жидкостей обычно приме-
няют трубы диаметром не менее 40 мм, при транспортировке сус-
пензий и кристаллизуемых жидкостей — трубы диаметром не ме-
нее 70 мм.
Для чистки трубопроводов на поворотах предусмотрены шту-
церы с заглушками или фланцевые разъемы. В некоторых случаях
используют продувку воздухом или паром.
При передаче по трубопроводу продуктов, застывающих при
низких температурах, применяют обогрев при помощи паровой
трубы-«спутника», привариваемой к основному теплоизолирован-
ному трубопроводу.
Вакуумные схемы делают по возможности простыми, а трубо-
проводы короткими, чтобы снизить число неплотностей. Для
уменьшения гидравлического сопротивления вакуумпроводы кон-
струируют из труб большого диаметра, а в качестве запорной ар-
матуры применяют краны и задвижки. Использование вентилей
199
Рис. 9.22. Компенсаторы:
а — П-образный; б — лирообраз-
ный.
из-за большого гидравлического сопротивления не рекомендуется.
Трубы изготавливают преимущественно из стали, чугуна, цветных
металлов, стекла, керамики, фарфора
и пластмасс.
Там, где требуется особая чистота
продукта и оптический контроль, уста-
навливают стеклянные трубы. На-
порные трубы изготавливают двух
классов: СТ-8 — для рабочего давле-
ния 0,08 МПа и СТ-4 — для 0,04 МПа.
Они допускают температурный пере-
пад до 40°C при нагреве и 30°C при
охлаждении.
Для осуществления перехода с трубы одного диаметра на тру-
бу другого диаметра, поворота трубопровода, для разветвления
потока служат фасонные детали (рис. 9.21): переходы, трой-
ники, крестовины, колена, калачи. Для компенсации
Рис. 9.23. Конструкции опор трубопроводов:
а — неподвижная; б — подвижная; в — подвесная; г — направляющий хомут; 1—труба;
2 — прокладка; 3 — опорная плита; 4 — катки; 5 — хомут; 6 — подвеска.
температурных удлинений трубопроводов кроме гибких ком-
пенсаторов (рис. 9.22) используют также линзовые и вол-
нистые. В случае стеклянных труб применяют гофрирован-
ные компенсаторы из резины или фторопласта.
Монтаж трубопроводов производят на колоннах, изготовлен-
ных из стали или железобетона. Крепление трубопроводов к ко-
лоннам осуществляют с помощью хомутов, скоб и подвесок
на подвижных или неподвижных опорах (рис. 9.23). Иногда при-
меняют подвесные опоры.
Запорная и регулирующая арматура
Управление потоками газов или жидкостей осуществляют с по-
мощью запорной и регулирующей арматуры: вентилей, кранов,
задвижек, клапанов.
200
Вентиль (рис. 9.24)— приспособление, в котором перекрытие
прохода достигается с помощью клапана, совершающего посту-
пательное движение. Их применяют в широком интервале давле-
ний (ГОСТ 18161—72 и ГОСТ 18722—73).
Диафрагмовый вентиль (см. рис. 9.24), в котором за-
порным органом является эластичная мембрана, выполненная из
Рис. 9.24. Фланцевый (а) и диафрагмовый (б) вентили:
1 — седло; 2 — золотник; 3 — шпиндель; 4 — втулка; 5 — скоба; 6 — корпус; 7 — мембрана;
8 — маховик; 9 — крестовина.
пластмассы или резины, применяют на линиях, передающих кис-
лые растворы и суспензии. Его корпус чугунный, защищенный
резиной, пластмассой или эмалью. Вентиль имеет незначительное
гидравлическое сопротивление. На линиях передачи агрессивных
жидкостей с взвешенными веществами используют шланговые
вентили. В них перекрытие прохода осуществляется заложен-
ным в чугунном корпусе резиновым патрубком. Размер прохода
регулируется путем пережима патрубка колодкой, связанной со
шпинделем.
На линиях, передающих газообразный или жидкий аммиак,
применяют регулирующий вентиль. Точное регулирование
в нем достигается за счет конической формы нижней части зо-
лотника. Положительным качеством является сравнительно не-
большой ход клапана, необходимый для полного открывания. Не-
достаток заключается в большом гидравлическом сопротивлении,
что недопустимо при работе с жидкостями, содержащими взвеси.
Кран (рис. 9.25) — устройство, снабженное конической притер-
той пробкой со сквозным отверстием, поворотом которой осуществ-
ляется регулирование потока.
8 Зак. 162
201
Краны изготавливают из серого высококремнистого чугуна, не-
ржавеющих сталей, керамики, стекла, фарфора, пластмасс, гра-
фита. Краны применяют на линиях вакуума, кислот, щелочей, на
линиях, передающих загрязненные и кристаллизующиеся жидко-
сти. Для транспортировки соляной и серной кислот используют
Рис. 9.25. Чугунный проход-
ной сальниковый фланцевый
кран:
1 — корпус; 2 — сальник; 3 —
пробка.
Рис. 9.26. Задвижка:
1 — шибер; 2 — корпус; 3 —
шпиндель.
покрытые резиной и фаолитом краны. Они могут работать при
60 и 100 °C соответственно.
Преимущество кранов — малое гидравлическое сопротивление,
возможность прочистки трубопроводов через открытый кран. Не-
достатки — плохая герметичность при высоких давлениях, труд-
ность регулирования расхода. Поэтому их нельзя применять на
паровых линиях, на трубопроводах капельных жидкостей, которые
находятся под давлением, могущим вызвать гидравлический удар
при резком открывании и закрывании крана (например, на линиях
водопровода), на линиях, где требуется точная регулировка по-
дачи.
Задвижка (рис. 9.26) — устройство, перекрытие в котором осу-
ществляется благодаря диску (шиберу), перегораживающему по-
ток. Задвижка клинкетная, или клиновая (ГОСТ 12010—75,
20336—74), снабжена диском в поперечном направлении, имею-
щем форму клина, а параллельная, или шиберная
(ГОСТ 8437—75), состоит из двух симметричных тарелок, между
которыми помещен клин. Отличие шиберной задвижки от клино-
вой заключается в том, что уплотняющие поверхности перпенди-
кулярны продольной оси корпуса.
Задвижки используют в основном для трубопроводов больших
диаметров (до 2 м) на линиях подачи воды, масел и других од-
202
нофазных жидкостей и газов. Их изготавливают из чугуна, угле-
родистой и легированной стали диаметрами 0,05—1,5 м для дав-
лений от 0,4 до 10 МПа.
К преимуществам задвижек относят: малое гидравлическое
сопротивление; удобство регулирования расхода; безопасность в
отношении гидравлического удара. Их недостатки: высокая стои-
мость; трудность ремонта уплотняющих поверхностей; непригод-
ность для работы с жидкостями, содержащими взвешенные ча-
стицы.
Клапан — устройство, в котором управление расходом потока
осуществляется путем изменения площади проходного сечения.
На химических предприятиях используют подъемные и пово-
ротные клапаны. Чугунными гуммированными поворотными
клапанами снабжают трубопроводы, транспортирующие сер-
ную и соляную кислоты. Подъемные обратные клапаны
устанавливают только на горизонтальном трубопроводе.
По назначению клапаны подразделяют на обратные, регули-
рующие и предохранительные.
Обратные клапаны применяют для предотвращения об-
ратного потока жидкости на линиях с давлением до 200 МПа.
Регулирующие клапаны служат для регулирования рас-
хода, давления или уровня газов или жидкостей, предохр а н и -
тельные клапаны — для предупреждения возникновения в
трубопроводе или в аппарате давления, превышающего допусти-
мое. Предохранительные клапаны подразделяют на пружинные и
рычажно-грузовые. Давление среды ла золотник в пружинном
клапане уравновешивается натяжением пружины, в рычажно-гру-
зовом— грузом. Пружинные предохранительные клапаны изготав-
ливают из углеродистой стали в расчете на давление 0,1—70 МПа
и из нержавеющей стали — на давление 0,25—2,3 МПа. Рычажно-
грузовые предохранительные клапаны делают чугунными на дав-
ление 1,6 МПа (ГОСТ 5335—75). Они не имеют сальниковых
уплотнений, и поэтому их нельзя устанавливать на линиях для
огнеопасных сред, проходящих внутри помещения.
Глава 10.
ОБОРУДОВАНИЕ СКЛАДОВ
10.1. СКЛАДЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Организация складов
Основное назначение склада сырых материалов — обеспечить не-
обходимый для бесперебойной работы предприятия запас сырья
(от двухнедельного и выше, в зависимости от характера произ-
8*
203
водства). Склады могут быть открытого, полузакрытого и закры-
того типов, в том числе утепленные. В них хранится до отправки
потребителям также и готовая продукция.
Склады открытого типа представляют собой специаль-
но оборудованную под открытым небом площадку. Полуза-
крытые склады имеют навес, предохраняющий материалы от
прямого воздействия ат-
мосферных осадков. На
указанных складах могут
храниться продукты в
герметичной таре и на-
сыпные материалы, каче-
ство которых под дей-
ствием атмосферных
осадков мало ухудшается
(уголь, известняк). Скла-
ды для штучных товаров
должны быть оборудова-
ны подвесными монорельсовыми дорогами с электрической тягой
и рольгангами, склады для насыпного материала — мостовыми
кранами с грейферными ковшами и транспортерами.
Рис. 10.2. Грейферный склад с установкой для крупного дробления:
/ — грейферный кран; 2 —приемный бункер; 3 — пластинчатый питатель; 4 — щековая дро-
билка; 5 — ленточный транспортер.
Сыпучие материалы, пылящие и гигроскопичные (флотацион-
ный колчедан, сода, кокс, известь и т. д.) следует хранить в за-
крытых складах. Склад должен быть организован с учетом
удобства разгрузки и погрузки вагонов. Подача сырья на техно-
логический поток и готовой продукции в вагоны должна быть ме-
ханизирована.
204
Наиболее рациональными для сыпучих материалов являются
заглубленные склады, в которых железнодорожный путь
проходит по середине помещения (рис. 10.1). Они имеют большую
вместимость, чем незаглубленные. Если в цехе используют два
вида сырья, то они разгружаются по разные стороны от пути.
Обычно на завод поступает сырье натуральной крупности и
влажности, т. е. в том виде, в каком его получают из забоя или
карьера. Склад в этом случае служит не только местом приема и
хранения сырья, но обеспечивает также его предварительное дроб-
ление. Такой склад представляет обычно длинное однопролетное
здание, внутри которого про-
ложен приемный железнодо-
рожный путь (рис. 10.2).
Сырье, поступающее в вагонах,
выгружается в приемные тран-
шеи по сторонам железнодо-
рожной эстакады. Склад обо-
рудован мостовыми кранами с
грейферными ковшами, кото-
рые в основном применяют для
штабелирования материала и
подачи его в производство и
лишь частично—для разгрузки
вагонов (открытых платформ).
Транспортная схема преду-
Рис. 10.3. Склад для дробленого мате-
риала:
1, 4 — ленточные транспортеры; 2 — бульдо-
зер; 3 — бункер с питателем.
сматривает подачу -материала а
на дробление и дробленого материала обратно на склад для соз-
дания аварийного запаса на случай длительного ремонта дробилок.
Большей эффективности разгрузочных работ достигают приме-
нением вагоноопрокидывателей. В этом случае вагоны разгружают
прямо в приемные бункеры дробилок и склад служит только для
хранения дробленого материала (рис. 10.3). Загрузка склада про-
изводится посредством транспортера 1 с самоходной сбрасываю-
щей тележкой, смонтированного в верхней галерее склада. В ре-
зультате свободного падения дробленого материала образуется
штабель, длина которого определяется ограничителями хода, уста-
новленными на движущейся взад и вперед тележке. Для доставки
материала из склада на переработку его загружают с помощью
экскаватора или бульдозера 2 в передвигающийся вдоль склада
питатель 3, а с него — на ленточный транспортер 4, проложенный
в подземной галерее, откуда материал поступает в цех.
Достоинство описанного склада состоит в том, что хранение
в нем материала совмещается с его усреднением. Это особенно
важно при колебаниях химического состава сырья каждой партии.
Усреднение достигается тем, что выборку материала производят
вертикальными срезами по всей высоте штабеля, образованного
горизонтальной укладкой материала.
В торце склада, на уровне верхнего транспортера, обычно со-
оружают пробоотборную станцию. Она предназначена для непре-
205
рывного автоматического отбора и обработки проб поступающего
на склад сырья.
Для расчета вместимости таких складов необходимо
знать насыпную плотность материала рн и угол естественного от-
коса [3, т. е. угол между поверхностью свободного (естественного)
Рис. 10.4. Бункерный склад;
1 — ленточный элеватор; 2 — бункер; 3 —
лестница.
Рис. 10.5. Силосный склад:
1 — приемный бункер; 2 — транспортер; 3 —
железобетонное основание; 4 — элеваторы;
5—винтовые наклонные желоба; 6 — течки;
7 — подвижный выгружной стол.
откоса насыпного материала и горизонтальной площадкой, кото-
рую занимает материал. Эти характеристики зависят от природы,
влажности и степени измельчения материала.
Вместимость G заглубленного склада определяют по формуле:*
G = т (VT + Рц) рн.
Здесь т — число приемных траншей; VT = LBH — объем приемной траншеи
(L, В, Н — соответственно длина, ширина и глубина траншеи), м3; VH — объем
насыпи поверх траншеи (заглубление), м3.
Объем насыпи можно рассматривать как сумму объемов ко-
нуса Ук и призмы Vnpi
V„ = VK + Упр = 0,0417лВ3 tg ₽ + 0,25В2 (L - В) tg р.
В последнее время для хранения порошкообразных, (нефели-
новый, апатитовый концентрат, сода и т. д.), мелко- и среднекуско-
вых материалов используют бункерные и силосные склады.
Бункерные склады представляют собой ряд металличе-
ских или железобетонных емкостей, расположенных на определен-
206
ной высоте. Вместимость отдельных бункеров превышает 100 т,
а общая вместимость склада доходит до 1000 т и более (рис. 10.4).
Разгрузка осуществляется снизу самотеком. Для лучшего опорож-
нения бункеров конусность днища должна быть на 5—10° больше
угла естественного откоса, а диаметр выходного отверстия — на
5—6 диаметров больше наиболее крупного куска материала.
Силосные склады представляют собой стальные или же-
лезобетонные башни значительных размеров с коническим днищем
(например, вместимость башни для хранения соды достигает
5000 т). Для предотвращения слеживания материала в башни по-
дают периодически сжатый воздух либо производят пересыпку ма-
териала из одной башни в другую. Например, на складе соды
устанавливают две стальные силосные башни, и шесть укупороч-
ных машин (рис. 10.5). Обе башни обслуживаются одной системой
подъемных устройств. В шахте башни размещен элеватор, состоя-
щий из двух секций. Сода из отделения содовых печей поступает
в приемный бункер 1, откуда через весы шнековым транспорте-
ром 2 подается в нижнюю часть башни. Отсюда элеватором 4
сода подается вверх и по винтовым наклонным желобам 5 ссыпает-
ся в нижнюю часть башни. По мере заполнения башен откры-
ваются более высоко расположенные выпуклые отверстия на же-
лобах. Выгрузка соды из башни осуществляется через течки 6
в укупорочное отделение или в вагоны.
Бункерные и силосные склады занимают малую площадь, лег-
ко поддаются механизации и автоматизации.
(9
Оборудование складов
Помимо указанного выше оборудования, склады оснащают
устройствами для дозирования, измельчения, смешения и подачи
сырья, вспомогательных материалов и реагентов.
Для смешения материалов применяют разнообразную аппара-
туру, в зависимости от агрегатного состояния и других свойств
материала. Так, смешение жидких материалов с твердыми осу-
ществляют в баках с механическим или пневматическим пере-
мешиванием, а также в мельницах мокрого помола. Твердые
порошковые материалы смешивают в барабанах либо шне-
ковых смесителях.
Для автоматического отмеривания (дозирования) заданных
массы или объема материала служат дозаторы. Точную дози-
ровку осуществляют также с помощью весов. Часто применяют
весы с коромыслом и опрокидывающимися ковшами. Поступление
материала в ковш и перемещение гиредержателя вверх продол-
жаются до тех пор, пока масса материала не уравновесится про-
тивовесом, связанным автоматически с перекрывателем доступа
материала в ковш.
Для измельчения материалов используют различных конструк-
ций дробилки, устройство и принцип действия которых подроб-
но описаны в разд. 7.1.
207
Подачу насыпных н штучных грузов из загрузочных устройств
к транспортирующим и перерабатывающим машинам и их дози-
ровку осуществляют питателями. Пластинчатые питатели
применяют для питания дробилок рудой в том виде, в каком она
поступает с рудников, для равномерной подачи дробленых мате-
риалов в аппараты, где их подвергают дальнейшей переработке,
для дозировки крупнокусковых и горячих материалов. Шнеко-
вый питатель используют для подачи порошкообразного ма-
териала (антрацита, извести, мела, кальцинированной соды, це-
мента и других материалов), а ленточный питатель — для
Рис. 10.6. Секционный
питатель:
Рис. 10.7. Тарельчатый
питатель:
1 — горизонтальная тарелка;
2 — вал; 3 — нож; 4 — труба
(телескопическая).
подачи антрацита, апатитового концентрата, флотационного кол-
чедана, фосфатной муки, суперфосфата и поваренной соли.
Устройство этих питателей аналогично устройству конвейеров,
описанных в главе 9 (см. рис. 9.5, 9.6, 9.10).
Для дозировки сухих сыпучих (не кусковых) материалов слу-
жит секционный питатель, представляющий собой барабан,
разделенный продольными перегородками на секции (рис. 10.6).
При вращении барабана (со скоростью 0,3—1,0 м/с) материал по-
ступает последовательно в одну секцию за другой при верхнем их
расположении и последовательно сбрасывается при их нижнем
расположении. Регулировка работы питателя осуществляется из-
менением частоты вращения барабана.
Тарельчатый питатель представляет собой горизонталь-
ную тарелку /, вращающуюся на вертикальном валу 2, который
приводится в движение электродвигателем через редуктор
(рис. 10.7). Материал на тарелку подается через «телескопиче-
скую» трубу 4, сопряженную с ручным маховичком. Вращая по-
следний, трубу можно устанавливать на большей или меньшей
высоте от тарелки. Поступающий на тарелку материал скользит
при ее вращении вдоль неподвижного ножа и сбрасывается в ни-
жерасположенный лоток или иной приемник. Поднимая или опу-
208
ская трубу, регулируют подачу материала. Тарельчатые питатели
применяют для подачи колчедана, мела, серы, поваренной соли,
цемента.
Разгрузочный аппарат предназначен для равномерного
опорожнения бункеров. Он состоит из вращающегося вала, рас-
положенного по длине разгрузочной щели бункера. К валу при-
легают металлические пластины, которыми регулируется толщина
слоя материала, увлекаемого из бункера валом при его вращении
Регулировка осуществляется приближением пластины к валу или
ее отдалением.
10.2. СКЛАДЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ
Организация складов
Условия хранения и организация складов жидких продуктов
определяются физико-химическими и биологическими свойствами
продуктов.
По пожаро- и взрывобезопасности условно различают четыре
группы жидкостей: I — горючие и легковоспламеняющиеся (угле-
водороды, расплавленный фосфор и т. д.); II — негорючие (жид-
кие комплексные удобрения, рассолы, кислоты и др.); III — сжи-
женные газы взрывоопасные (аммиак и т. д.); IV — сжиженные
газы невзрывоопасные (хлор, диоксид серы и т. д.). Продукты
каждой группы хранят на отдельных складах. Оборудование скла-
дов должно отвечать требованиям, «изложенным в нормативных
документах. Некоторые химические вещества классифицируют как
сильнодействующие ядовитые вещества (СДЯВ). К их хранению
предъявляют дополнительные требования. В отношении санитар-
ных правил хранения СДЯВ распределяют на пять групп, из ко-
торых в первые две входят твердые вещества, в третью — жидкие
летучие, хранящиеся под давлением (хлор, аммиак, SO2 и др.),
в четвертую — жидкие летучие, хранящиеся в емкостях без дав-
ления (сероуглерод, синильная кислота), в пятую — «дымящиеся
кислоты» (олеум, азотная, соляная и др.).
На складах осуществляют основные и вспомогательные опе-
рации. К основным относят (условно): прием продуктов с желез-
ной дороги или с производства; хранение; отгрузку в цистернах
или перекачку продуктов потребителям; замер и учет продуктов;
оформление товарно-транспортной документации. Вспомогатель-
ными операциями являются: нагрев или охлаждение продукта;
корректировка концентрации; улавливание и утилизация продук-
тов газовой фазы.
Склады для жидкостей состоят из резервуарного парка, слив-
ного фронта (тупикового пути со стояками для опорожнения или
наполнения цистерн) и внутрискладских технологических комму-
никаций.
Резервуарный парк складов располагают на поддоне, изготов-
ленном из коррозионно-стойких материалов. Свободный объем
209
поддона принимают равным одной трети вместимости склада, но
не менее вместимости наибольшего резервуара. Под железнодо-
рожными путями по длине эстакады для опорожнения и заполне-
ния цистерн также устанавливают поддоны.
Определение вместимости склада производят в зависимости от
требуемого запаса сырья, обеспечивающего бесперебойную работу
предприятия, и от целесообразного накопления продукции, подле-
жащей отправке. Нормы хранения жидкости составляют с учетом
условий ее выработки, потребления, токсичности, пожаро-взрыво-
безопасности и транспортных условий. Запас химикатов состоит
из текущего
Зт = Ат (ЮЛ)
и страхового
Зс = А (2 Ттр + тп). (10,2)
Здесь А — среднесуточное потребление или выработка жидкости, т; т — ин-
тервал между очередными поставками или отправками химиката, сут; ттр — про-
должительность транспортирования груза от станции отправления до станции
назначения, сут; тп — продолжительность подготовки продукта к производствен-
ному использованию, сут.
Продолжительность транспортирования продукта по железной
дороге определяют по формуле:
ттр = L/330. (10.3)
Здесь L — расстояние, км; 330 — средняя скорость движения вагонов, км/сут.
Для компенсации неравномерности отправки грузов вмести-
мость склада рекомендуют увеличивать еще на 2—4-суточный за-
пас. При приеме жидкости по магистральному трубопроводу вме-
стимость склада принимают равной 2—3-суточному расходу.
Число резервуаров на складе определяют, руководствуясь сле-
дующими положениями.
При периодическом и несовпадающем во времени приеме и от-
правке продукта устанавливают два резервуара. При необходимо-
сти непрерывного приема и отправки продукта с проверкой его
качества устанавливают три резервуара.
Число резервуаров на складе может быть большим, чем это
необходимо технологически, если технически невозможно и эко-
номически нецелесообразно изготовление резервуаров большей
вместимости или имеются ограничения на объем резервуара, пре-
дусмотренные органами санитарного и пожарного надзора.
Склады для кислот и щелочей. Принципиальная схема склада
для жидкостей приведена на рис. 10.8.
Если склад предназначен для хранения кислоты, то слив из
резервуаров или их заполнение происходит обычно через сифоны.
Из цистерны 1 (см. рис. 10.8) кислота через стояк 2-поступает
в один из насосов 15 и по нагнетательному трубопроводу 12 через
приемный штуцер сифона 13 закачивается в один из резервуа-
ров 7 или по трубопроводу 5 направляется потребителю. Напол-
нение резервуаров может осуществляться также по трубопрово-
210
ду 4. Все резервуары соединены между собой переливными тру-
бами 8, что исключает их переполнение. Заполнение стояка 2 жид-
костью осуществляют подключением его к вакуумной линии 3.
Зарядку сифонов обеспечивают подключением всасывающего кис-
лотопровода И к вакуумной линии или подачей в них кислоты
насосом по нагнетательному трубопроводу 12. Заполнение сифо-
нов и стояка контролируют с помощью смотровых фонарей 9. Вы-
тесняемый при заполнении резервуара воздух, который содержит
Рис. 10.8. Принципиальная схема склада для жидкостей:
1 — цистерна; 2 — стояк; 3 — вакуумная линия; 4—6, 11, 12, 18, 19 — трубопроводы; 7 —
резервуары; 8 — переливные трубы; 9 — смотровые фонари; 10, 14 — штуцеры; 13 — сифон;
15 — насосы; 16 — гофрированный шланг; 17 — поплавок.
пары кислоты, перед удалением в атмосферу поступает по трубо-
проводу 6 в барботажный аппарат, заполненный раствором ще-
лочи. Соединение резервуаров с насосами нагнетательным 12 и
всасывающим 11 трубопроводами позволяет перекачивать жид-
кость из одного резервуара в другой.
Перед ремонтом резервуары опорожняют через штуцер 10 в
днище. Затем продувают сжатым воздухом, который отводится по
трубопроводу 6.
С использованием той же схемы рассмотрим теперь случай, ко-
гда склад предназначен для хранения раствора гидроксида натрия;
Если гидроксид натрия поступает с производства, его направ-
ляют в резервуары по трубопроводу 19. Если же раствор прини-
мается с железной дороги, то он из цистерны 1 поступает через
стояк 2 в один из насосов 15 и закачивается в резервуар 7 по
напорному трубопроводу 12 через приемо-раздаточный штуцер 14
или по трубопроводу 4. Перед приемом раствор в цистернах подо-
гревают глухим паром до температуры примерно 30°C. Воздуш-
ники резервуаров связаны непосредственно с атмосферой.
Слив продукта производят через основной приемо-раздаточный
штуцер 14. Если скопившийся в резервуаре твердый осадок хло-
211
рида натрия оказывается выше штуцера, то раствор откачивают
через гибкий шланг 16, к концу которого прикреплен поплавок 17.
Затем в резервуар подают по трубопроводу 18 горячую воду. Об-
разовавшийся раствор хлорида и гидроксида натрия откачивают
через штуцер, расположенный в днище, и направляют в произ-
водство или на станцию нейтрализации.
Склады для сжиженных газов устраивают в соответствии с дей-
Рис. 10.9. Принципиальная схема склада для аммиака:
1 — цистерна; 2, 3, 5 — резервуары; 4—передвижной насос; 6—12, /4-/6 — трубопроводы;
13 — выхлопная труба; П—предохранительный клапан.
ваны вместимость складов, расположение резервуаров, коэффи-
циент их заполнения и т. д.
На рис. 10.9 представлена принципиальная схема склада для
аммиака. Сжиженный аммиак поступает с производства по тру-
бопроводу 9. Заполнение или опорожнение железнодорожных ци-
стерн 1 осуществляют по трубопроводам 7 и 14 под давлением па-
ров аммиака. Один резервуар 2 из каждых 4—5 снабжен тепло-
обменным устройством, в который по трубопроводу 11 поступает
водяной пар с давлением 0,6—0,8 МПа. Конденсат отводится по
трубопроводу 12. Давление образующихся паров аммиака может
передаваться в другой резервуар 3 (по трубопроводам 15 и 16)
или в цистерну 1 (по трубопроводам 15 и 6). При необходимости
потребителям может подаваться газообразный аммиак- по трубо-
проводу 8.
При повышении давления в резервуаре выше установленного
срабатывают предохранительные клапаны 17, и избыточный газо-
образный аммиак сбрасывается на свечу 13.
212
Подземный резервуар 5 заполняют только в аварийных слу-
чаях. При этом аммиак из неисправного резервуара поступает са-
мотеком через его нижний штуцер.
Для смыва разлитого продукта над резервуарами проклады-
вают водопровод, снабженный форсунками. Образующаяся ам-
миачная вода собирается, в заглубленной части поддона склада и
откачивается насосом 4 в резервуар аммиачной воды.
Резервуары на складах аммиака располагают на открытой пло-
щадке не более чем в два ряда. Рабочее давление принимают рав-
ным 1,5 МПа.
Склад для жидкого хлора располагают в специальном здании.
Каждый резервуар устанавливают в герметичном, тщательно вен-
тилируемом отсеке. Передавливание хлора из резервуаров и ци-
стерн осуществляют осушенным сжатым воздухом (1,2 МПа). На
складе кроме резервуаров для хранения хлора имеются аппарат
для его испарения и подачи потребителю в газообразном состоя-
нии, установка для компримирования и осушки воздуха, а также
установка для улавливания хлора из абгазов. В остальном склад
хлора по устройству аналогичен складу аммиака.
Резервуарный парк складов
Резервуары являются основным оборудованием складов. По
форме их изготавливают цилиндрическими (вертикальными и го-
ризонтальными) и шаровыми. По способу установки резервуары
могут быть наземными, полуподземными и подземными. В неор-
ганической технологии используют в основном металлические на-
земные резервуары.
Вертикальные цилиндрические резервуары применяют в основ-
ном для хранения больших объемов жидкости. Их изготавливают
вместимостью от 50 до 10 000 м3 и более.
Большие резервуары сваривают из нескольких царг, толщина
которых убывает кверху, что обусловлено уменьшением гидроста-
тического давления. Для стальных резервуаров, исходя из условий
жесткости и надежности сварки, минимальную толщину листа при-
нимают не менее 4 мм. Корпус резервуаров вместимостью до
1000 м3 делают из листов одинаковой толщины, так как расчетная
толщина их не превышает 4 мм. Листы одного пояса сваривают
встык, а пояса приваривают друг к другу внахлест, телескопически
(рис. 10.10).
Верхний край резервуара снабжен кольцом жесткости из
угольника или полосы. Крышку делают с уклоном 1:20. Она опи-
рается на стальные фермы или на двутавровые балки (в зависи-
мости от вместимости резервуара), а те, в свою очередь, — на край
резервуара. Края крыши приваривают к верхнему кольцу жест-
кости.
Разработаны типовые проекты резервуаров из углеродистой
стали для хранения различных продуктов плотностью до
1200 кг/м3, а также из нержавеющей стали для хранения агрес-
213
D=22880
Рис. 10.10. Вертикальный резервуар.
сивных жидкостей плотностью до 1400 кг/м3 (азотной кислоты,
растворов нитрата аммония).
Стальные резервуары для хранения неагрессивных жидкостей
изготавливают вместимостью от 50 до 700 м3, а для хранения
агрессивных жидкостей — вместимостью от 50 до 3000 м3. Послед-
ние должны иметь антикоррозионную защиту (футеровку), на-
грузка от которой на стенки и днище рассчитана на 4900 Па. Тем-
пература жидкости в этих резервуарах не должна превышать
60 °C, во избежание отслаивания футеровки от стенок резервуара.
Резервуары из нержавею-
щей стали имеют вместимость
от 50 до 1000 м3. Для изготов-
ления корпуса, внутренней
осмотровой лестницы и пло-
щадки используют сталь мар-
ки 12Х18Н10Т.
В случае необходимости
корпуса резервуаров теплоизо-
лируют минераловатными ма-
тами, защищенными снаружи
кожухом из алюминиевого ли-
ста. Максимальная температу-
ра продукта в резервуаре не
должна превышать 170°C.
Типовой проект резервуара
состоит из четырех альбомов:
I. Металлоконструкции резер-
вуара; II. Конструкции люков
и лестниц; III. Проект производства работ. IV. Сметы. Фунда*
менты, наружные лестницы, обслуживающие площадки, антикор-
розионную защиту, теплоизоляцию, оснастку резервуаров разра-
батывает организация, производящая привязку резервуара к кон-
кретному промышленному объекту, исходя из условий эксплуата-
ции. Строительство резервуаров по данным типовым проектам
допускается в районах с расчетной температурой наружного воз-
духа до —40°C, со снеговой нагрузкой до 1470 Па и ветровой на-
грузкой до 540 Па.
Указанные выше типовые резервуары не всегда пригодны для
хранения различных химических продуктов. Поэтому часто разра-
батывают индивидуальные проекты, используемые повторно. Так,
серную кислоту концентрацией выше 72 % хранят в вертикальных
сварных резервуарах с коническими крышками и плоскими дни-
щами, к которым для усиления приваривают через определенное
расстояние ряд двутавров (рис. 10.11). Для хранения олеума и
серной кислоты концентрацией ниже 72 % при температурах до
50 °C изготавливают футерованные резервуары.
Горизонтальные цилиндрические резервуары (рис. 10.12) изго-
тавливают обычно в заводских условиях (в соответствии с обще-
союзными нормалями НИИхиммаш на емкостную аппаратуру) и
214
транспортируют на место монтажа. Они имеют вместимость до
200 м3. Оптимальным считается отношение длины к диаметру, рав-
ное 6, толщина корпуса 4—5 мм.
вуаров для хранения умеренно
агрессивных жидкостей внутрен-
нюю их поверхность гумми-
руют.
Рис. 10.11. Вертикальный резервуар для
хранения серной кислоты:
1 — двутавр; 2 — штуцер для переливной тру-
бы; 3, 5 — штуцеры для КИП; 4 — воздушник;
6—-запорное устройство; 7— люк-лаз; 8 —
воздушник сифона; 9— сифонная труба; 10—
пробка; 11 — дренажный патрубок.
При использовании этих резер-
U 6 Ч
Горизонтальные резервуары могут устанавливаться наземно
или заглубленными в землю. При наземной установке резервуары
опираются на седловидные опоры. Наиболее целесообразно уста-
навливать их на двух опорах, так как при большем числе опор
трудно обеспечить на них равномерную нагрузку. Однако крупные
резервуары могут иметь до пяти опор. Более предпочтительны
Рис. 10.12. Горизонтальный цилиндрический резервуар.
стальные опоры, состоящие из горизонтального листа (подошвы)
и вертикальных ребер, связывающих подошву с седлом опоры.
Ширина каждой опоры не менее 300 мм, а центральный угол охва-
та резервуара на опоре седлом не менее 90° (до 120°). У резер-
вуаров, подверженных значительным температурным колебаниям,
одну опору закрепляют на фундаменте жестко, а другие устанав-
ливают на ролики (см. рис. 10.12).
Укрепляют резервуары кольцами жесткости из угольников, ко-
торые располагаются обычно над опорами. Кольца жесткости в
аппаратах вместимостью 50 м3 и более усиливают распорками в
форме треугольника (см. рис. 10.12).
Для хранения больших объемов сильноагрессивных жидкостей
изготавливают горизонтальные резервуары вместимостью до 200 м3
по индивидуальным проектам. Ввиду необходимости футеровки их
диабазовыми или метлахскими плитками усиление корпуса коль-
215
цами жесткости с распорками невозможно. Поэтому толщина сте-
нок этих резервуаров достигает 20 см.
Сжиженные газы (аммиак, хлор) также хранят в горизонталь-
ных резервуарах вместимостью от 40 до 200 м3. Они имеют ша-
ровые днища, изготовлены из качественной стали для котлострое-
ния марок 15К, 16К, 16ГС, толщина их стенок рассчитана на ра-
бочее давление 1,47 МПа и составляет 20—26 мм.
К резервуарам для хранения жидкого хлора предъявляют по-
вышенные требования (из-за его ядовитости). Их подвергают гид-
равлическим испытаниям не реже 1 раза в 2 года (для обычных
Рис. 10.13. Резервуар для хранения жидкого хлора.
а — Танк: 1 — штуцер для уровнемера; 2 — люк; 3— крышка люка; 4— скоростные кла-
паны; 5 — сифоны; 6 — штуцер предохранительного клапана.
б—Расположение штуцеров: 1, 5 — приемные; 2, 4 — раздаточные; 3— для манометра;
6 — для подвода сжатого воздуха; 7 — для сброса абгазов.
сосудов в 4—6 лет) при давлении в 1,5 раза больше рабочего (для
обычных сосудов — в 1,25 раза). Чтобы не ослаблять корпус и
обеспечить высокую герметичность, все штуцеры стараются рас-
положить на крышке люка (рис. 10.13).
Достоинство горизонтальных резервуаров — малая высота, ко-
торая бывает необходима в проектах многих цехов.
Шаровые резервуары (рис. 10.14) используют для хранения
легколетучих жидкостей, сжиженных углеводородных газов и жид-
кого аммиака. Их изготавливают вместимостью от 600 до 4000 м3.
Резервуары объемом 600 и 900 м3 рассчитаны на давление
1,76 МПа (18 ат). Толщина их стенок составляет соответственно
34 и 38 мм.
Шаровые резервуары обладают значительными технико-эконо-
мическими преимуществами перед цилиндрическими. Они имеют
наименьшую поверхность на единицу объема и меньшую толщину
оболочки, поэтому расход металла для их изготовления в 2 раза
меньше по сравнению с горизонтальными цилиндрическими при
одинаковых условиях хранения.
Оборудование резервуаров имеет своим назначением обеспечи-
вать безопасную эксплуатацию, наполнение и опорожнение емко-
сти, замер уровня, отбор проб, чистку и ремонт резервуаров и т. д.
Оборудование резервуаров для жидкостей не стандартизо-
вано и не регламентировано. При его выборе учитывают свойства
жидкостей, назначение резервуара и условия его эксплуатации.
216
Вертикальные цилиндрические резервуары для растворов солей
устанавливают на сплошные железобетонные фундаменты с анти-
коррозионным покрытием. Резервуары для кислот и щелочей раз-
мещают обычно на высоких столбчатых железобетонных фунда-
ментах с настилом из двутавровых балок. Проход между опорами
составляет около 1 м. Такие фундаменты позволяют следить за
состоянием днищ и сливных штуцеров и производить их ремонт.
Рис. 10.14. Шаровой резервуар вместимостью 600 м3.
Каждый резервуар оборудуется площадкой с ограждением, что
необходимо для обеспечения безопасного его обслуживания.
Все резервуары снабжены штуцерами для уровнемеров (для
замера уровня жидкости), люками-лазами и воздушниками, необ-
ходимыми для беспрепятственного заполнения и опорожнения ем-
кости. Воздушники резервуаров «недымящих» жидкостей соеди-
нены непосредственно с атмосферой, а резервуаров для жидкостей,
выделяющих вредные газы (олеум, соляная и плавиковая кислоты
и т. д.), связаны с аппаратами для улавливания газов.
Вертикальные резервуары имеют штуцеры для перелива про-
дукта в другой резервуар в случае его переполнения. Эти штуцеры
располагают по высоте, обеспечивающей коэффициент заполнения
емкости 0,9.
Устройство нижних спусков на больших кислотохранилищах
нежелательно, так как повреждение спускного штуцера в этом
случае представляет серьезную опасность. Слив жидкости из кис-
лотных резервуаров производят обычно через сифонную трубу, за-
сасывание кислоты в которую производят за счет вакуума. Из го-
Q Зак 162
217
ризонтальных резервуаров кислота может откачиваться также по-
гружными насосами.
Резервуары для хранения замерзающих и кристаллизующихся
жидкостей (серная кислота, фосфор, сера, каустик, растворы со-
лей) снабжают устройствами для обогрева. Обогрев осуществляют
с помощью теплообменных элементов (змеевиков, полутруб, уголь-
ников), приваренных к наружной поверхности резервуара, или с
помощью внутренних подогревателей, которые изготавливают в
//7 /7/ /7/ 777 777777777777 777 777777777'777 7>777777/777/77/77/777/
Рис. 10.15. Схема оборудования резервуара для жидкого аммиака:
1— дренажный штуцер; 2 — штуцер для мерного стекла; 3—карман для термометра; 4—
указатель уровня; 5 — штуцер для сигнализатора уровня; 6 — штуцер для продувки; 7 —
приемо-раздаточный штуцер; 8 — штуцер для манометра; 9 — штуцер для указателя уров-
ня; 10 — люк; 11 — предохранительные клапаны; 12, 13 — трехходовый кран и штуцер для
его установки; 14 — штуцер газообразного аммиака; 15 — резервный штуцер; 16 — нагре-
вательное устройство; 17, 18 — штуцеры для входа пара и выхода конденсата.
виде теплообменников и укладывают на дно резервуара. Жидко-
сти застывающие (кристаллизующиеся) при относительно низких
температурах наиболее рационально подогревать в выносных теп-
лообменниках.
Для хранения суспензий, сравнительно быстро расслаиваю-
щихся, применяют резервуары с мешалками, которые могут быть
стационарными и переносными.
Оборудование резервуаров для сжиженных газов регла-
ментировано «Правилами устройства и безопасности эксплуатации
сосудов, работающих под давлением» Госгортехнадзора.
Резервуары снабжены (рис. 10.15) предохранительными кла-
панами, манометрами, указателями уровня жидкости, термометра-
ми, люками, сифонами и т. д. Сифонные трубы доходят до углуб-
ления (грязевика) в нижней части резервуара. Заполнение и опо-
рожнение резервуара осуществляют через сифоны и присоединен-
ные к ним вентили. Опорожнение происходит под давлением па-
ров сжиженного газа или под давлением осушенного воздуха, по-
даваемого в резервуар. Оснащение резервуара сифонами позво-
ляет также продувать всю емкость от остатков газа.
Сифоны снабжены скоростными клапанами, установка которых
позволяет прекратить подачу жидкого газа при разрыве трубо-
провода. В этом случае резко повышается истечение газа и шарик
скоростного клапана перекрывает сечение сифона.
13
Каждый резервуар оборудуется двумя предохранительными
клапанами, предназначенными для быстрого удаления газообраз-
ного продукта из резервуара при повышении в нем давления
выше заданного. В случае агрессивного воздействия среды на
предохранительные клапаны перед последними устанавливают за-
щитные пластины из стойкого в данной среде материала. При по-
вышении давления в резервуаре пластины разрушаются. Для
предохранения клапана от заклинивания осколками предусмотрена
установка между пластиной и клапанами защитного сосуда. Вы-
бросы от предохранительных клапанов направляют в коллектор
для улавливания.
10.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ГАЗОВ
Для хранения газов используют газгольдеры. Они могут быть
низкого давления, избыточное давление газа в которых не
Рис. 10.16. Газгольдер мокрого
типа.
Рис. 10.17. Газгольдер сухого
типа:
1 — крышка; 2 — резервуар; 3 —
шайба.
превышает атмосферного, и высокого давления с избыточ-
ным давлением выше атмосферного. Первые делятся на сухие и
мокрые.
Газгольдеры мокрого типа (рис. 10.16) представляют собой ме-
таллический колокол, погруженный своей открытой частью в бас-
сейн с водой. Под колокол проведены трубы для подачи и рас-
ходования газа. В начальный момент колокол целиком погружен
в воду, а при нагнетании газа выдвигается из воды и свободно
плавает в бассейне, скользя на направляющих. Высота колокола
определяет высоту бассейна. Для больших объемов газа колокол
делают составным, причем отдельные звенья его соединяют гер-
метически при помощи гидравлических затворов, высота которых
должна быть больше внутреннего избыточного давления в газ-
гольдерах. Такие гидравлические затворы называют «телескопи-
ческими кольцами». Толщина стальных листов колокола состав-
ляет 2—3 мм. Листы соединяют заклепками при помощи однород-
ного шва и дополнительно герметизируют.
Газгольдеры устанавливают как в специальных зданиях, так и
на открытой площадке. Постройка специального здания значи-
тельно удорожает стоимость всего сооружения и связана с возмож-
ностью взрыва в случае утечки газа. Поэтому предпочитают уста-
навливать газгольдеры на открытой площадке и в этом случае
воду в бассейне подогревают острым паром. Бассейны газгольде-
ров делают железными и железобетонными.
Полезный объем трехзвенного газгольдера мокрого типа опре-
деляют по формуле;
V = _ Н + -Л- (Н, - Л,) + -f- (Нг - h2 - hQ).
Здесь D и Я —диаметр (м) и высота (м) колокола; Dt, D%, Hz — соот-
ветственно диаметры и высоты 1- и 2-го телескопов; hQ = hn + hm\ hm — высота
столба жидкости, соответствующая наибольшему давлению газа в газгольдере, м;
hn — прибавка (2 мм) в размере на каждый метр диаметра колокола, учитываю-
щая возможность отклонения оси колокола при его подъеме, возможные колеба-
ния зеркала воды в бассейне при ветре и т. д. (другие обозначения см. на
рис. 10.16).
Газгольдеры сухого типа (рис. 10.17) представляют собой вер-
тикальный стальной резервуар 2, изготовленный в виде цилиндра
или призмы и снабженный крышей 1. Внутри резервуара распо-
ложена свободно передвигающаяся по вертикали шайба 3. Она
плотно прижата к стенке корпуса, которая смазывается смазкой
с помощью сальниковых уплотнителей.
Эти газгольдеры взрывоопасны в эксплуатации, так как при
проникновении газа в пространство перед шайбой возможно об-
разование взрывчатой смеси. В них нельзя хранить загрязненные
газы. Трущиеся поверхности требуют тщательной обработки.
Объем газгольдеров может достигать 0,5 млн. м3. Это оборудова-
ние не требует нагрева. Используется для хранения водорода и
углеводородов.
Глава 11.
НАДЕЖНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Разработка вопросов надежности впервые начата в области
радиоэлектроники и все шире переносится на новые отрасли тех-
ники.
220
По мере прогресса техники наблюдается усложнение изделий
машиностроения. Современные аппараты и технологические ли-
нии, а также органы управления ими представляют собой слож-
ные системы, состоящие из большого числа взаимосвязанных ме-
ханических, гидравлических, пневматических и электрических де-
талей, узлов и блоков. Возрастает их стоимость и роль в эконо-
мике предприятия. Поэтому обеспечение требуемой надежности
машин и аппаратов химических производств становится все более
актуальной задачей.
Возросшие требования практики заставляют уже на стадии
технического и рабочего проектов устанавливать показатели на-
дежности, что вызывает необходимость наряду с решением тео-
ретических вопросов накапливать статистические данные по экс-
плуатации оборудования и проводить ускоренные лабораторные
испытания на надежность отдельных деталей, узлов и аппаратов
в целом.
Одной из основных задач конструкторов является повышение
работоспособности аппаратов и снижение частоты отказов.
Работоспособностью называют состояние аппарата, при кото-
ром он способен выполнять заданные функции с параметрами,
установленными требованиями технической документации, отка-
зом— событие, заключающееся в нарушении работоспособности.
11.1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ АППАРАТОВ
Теория надежности основывается йна законах математической
статистики. Большинство показателей надежности аппаратов яв-
ляется функцией времени и показывает вероятность того, что рас-
сматриваемое явление произойдет.
Вероятность отказа Q (т) показывает вероятность того, что
в течение времени т произойдет хотя бы один отказ.
Допустим, что в момент времени т = 0 запускают в работу N
работоспособных аппаратов, наблюдение за которыми ведется в
течение времени т.
Если интервал времени (0, т) разбить на п частичных интер-
валов продолжительностью Ат = т/n и число аппаратов, отказав-
ших на i-м интервале, обозначить через пДт), то можно будет
определить значение вероятности отказа аппарата в момент вре-
мени Т/.
Вероятность отказа Q(t) статистически определяют из фор-
мулы:
п
С(Т) = 7?7Х',<(Т>- <П1>
i = l
Здесь No — первоначальное число работоспособных аппаратов.
В зависимости от характера изменения работоспособности ап-
парата отказы делят на внезапные (скачкообразные) и
постепенные. Например, в производстве серной кислоты сер-
221
нистый газ подается компрессором через теплообменник в кон-
тактный аппарат. К внезапным отказам здесь можно отнести вы-
ход из строя подшипника компрессора и трубки теплообменника,
в результате чего произойдет скачкообразное изменение парамет-
ров процесса. Постепенными отказами являются: разъедание ло-
паток компрессора, спекание и отравление катализатора, которые
приводят к снижению производительности системы и степени кон-
тактирования.
Вероятность безотказной работы Р (т) показывает вероятность
того, что в течение времени т не произойдет отказа в работе ап-
парата. Эту величину определяют по формуле:
Р (т) = 1 - Q (т). (11.2)
Интенсивностью отказов X (т) называют отношение числа ап-
паратов, вышедших из строя за какой-то интервал времени, к
среднему числу аппаратов, находящихся в этом интервале в ра-
ботоспособном состоянии, деленное на этот период времени, т. е.
К (т) = nt (Т)Д AtJ. (11.3)
Здесь Ш{Н — число работоспособных аппаратов в начале t-ro интервала вре-
мени; т1к — число работоспособных аппаратов в конце этого интервала.
Интенсивность отказов определяют из опыта в процессе экс-
плуатации или при проведении специальных испытаний по оценке
надежности аппаратов.
Величина Х(т) связана с вероятностью безотказной работы в
случае экспоненциального распределения отказов следующим вы-
ражением:
/ X X
Р (т) = ехр | — X (т) dx ). (11.4)
х о /
Тогда из формулы (11.2) можно найти;
/ х
Q(t)==1 — ехр J — Л (т) dx }.
\ о /
Рассмотрим пример вычисления вышеуказанных показателей
надежности.
Допустим, что первоначально было 102 работоспособных аппарата. Разде-
лим рассматриваемый период времени на интервалы по 200 ч, в каждый из ко-
торых будет происходить какое-то число отказов.
Предположим, что в первом интервале отказал 1 аппарат, а во втором — 3.
Тогда число работоспособных аппаратов в начале второго интервала будет 101,
а в конце — 98. Имея эти данные, можно подсчитать вероятность отказа Q аппа-
рата и его безотказной работы Р, а также интенсивность отказа X для середины
второго интервала, т. е. для момента времени, равного 300 ч:
Q = £ nt/No = (1 + 3)/Ю2 = 0,0392; Р = 1 — 0,0392 == 0,9608»
Л = з/( 101 * % • 200) == 0,0151« 10~2.
222
В табл. 11.1 приведен пример расчета основных характеристик
надежности аппаратов. Видно, что с увеличением продолжительно-
Таблица 11.1
Расчет основных характеристик надежности
Интервал времени Дт Число исправных аппаратов Число отказов в интер- вале Вероятность отказа Q Вероятность безотказной работы, Р Интенсив- ность отказов й,-102
в начале интер- вала в конце интер- вала
0—200 102 101 1 0,0098 0,9902 0,0049
200—400 101 98 3 0,0392 0,9608 0,0151
400—600 98 90 8 0,1176 0,8824 0,0426
600-800 90 78 12 0,2353 0,7647 0,0714
800—1000 78 52 26 0,4902 0,5098 0,2000
1000—1200 52 32 20 0,6863 0,3137 0,2381
1200—1400 32 18 14 0,8235 0,1765 0,2800
1400—1600 18 10 8 0,9020 0,0980 0,2857
сти работы аппарата вероятность его отказа быстро возрастает,
а надежность значительно уменьшается.
Среднее время безотказной работы (математическое ожидание)
Тср^
со оо
тСр = xQ'(x)dx — j xf (т) dr. а (П.5)
о о
Здесь Q'(t)—производная от функции вероятности отказа, называемая
плотностью вероятности f(x).
Статистически тСр определяют из выражения:
N
Тср e v S
Здесь Хи — момент первого отказа i-ro аппарата; N — число аппаратов, ра-
ботающих в одинаковых режимах.
Плотность вероятности показывает отношение числа отказав-
ших аппаратов в единицу времени к числу первоначально уста-
новленных на испытание при условии, что отказавшие аппараты
не восстанавливаются:
f = п (x)/(N0 Дт). (П.6)
Из выражения (11.2) следует, что Q(t)= 1 — Р(т). Продиф-
ференцировав это уравнение, получим
Q' (х)~-Р' (т).
или
f(T) = -P'(T). (11.7)
223
Умножив обе части уравнения (11.7) на —1 и проинтегриро-
вав, получим
т
Р(т) = 1 - (11.8)
о
так как Р(0) = 1.
Таким образом, по плотности вероятности можно найти вероят-
ность безотказной работы аппарата и наоборот.
Вероятность безотказной работы сложного аппарата или тех-
нологической линии может быть определена из значения вероят-
ностей безотказной работы составляющих узлов. Рассмотрим это
на примере.
Пусть имеется сложный аппарат А (или технологическая линия), который
состоит из п узлов (аппаратов): ait аг, а3, ..., ак, имеющих вероятность безот-
казной работы соответственно РДт), Р2(т), Рз(т). ..., Рй(т).
Допустим, что состояние одного какого-либо узла не зависит от состояния
другого и схемы соединений узлов в сложном аппарате абсолютно надежны.
Естественно, сложный аппарат будет находиться в исправном состоянии,
если исправны все узлы (ai, а2, ak). Отказ сложного аппарата А наступает
при выходе из строя хотя бы одного узла. Иными словами, вероятность безот-
казной работы сложного аппарата станет равной 0, если Pi(x) — 0.
Тогда вероятность безотказной работы аппарата А в интервале времени
(0, т) будет определяться формулой:
РЛ('Г) = ^1(Т)/’2(Т)...РЙ(Т). (11.9)
Например, реактор А с мешалкой и змеевиком состоит из следующих узлов:
электромотора at, редуктора а2, подшипника вала мешалки аз, мешалки at,
змеевика а5, корпуса а3. Вероятность безотказной работы реактора равна про-
изведению вероятностей безотказной работы составляющих узлов.
Поскольку с понятием вероятности безотказной работы аппарата тесно свя-
зано понятие плотности вероятности f(r), найдем связь между этими величинами
в рассматриваемом случае.
Пусть функция /((т) есть плотность вероятности отказов i-го узла сложного
аппарата А, значение которой определяется по формуле (11.7):
По аналогии плотность вероятности Г.д(т) сложного аппарата А
dP(x)
dx
Подставив в последнее выражение формулу (11.9) и проинтегрировав, по-
лучим: ь
Ef; (т)
i = l
Можно также доказать, что интенсивность отказов сложного. аппарата А
(или технологической линии) равна сумме интенсивностей отказов отдельных уз-
лов (аппаратов):
k
кл(т)= £^(т). (11.10)
i-i
224
Коэффициент использования К машины или аппарата представ-
ляет собой произведение коэффициентов экстенсивного и интен-
сивного использования:
К = КЭКИ. (И.И)
Коэффициент экстенсивного использования Кэ аппарата или
машины — отношение времени (7ф), фактически отработанного ап-
паратом или машиной, к календарному времени Тк:
(11-12)
Так как любой аппарат в течение года останавливается на
планово-предупредительный ремонт, коэффициент экстенсивного
использования всегда меньше единицы. Повысить Кэ можно путем
сокращения времени на техническое обслуживание и ремонт за
счет их лучшей организации или использования более ремонто-
пригодного аппарата. Повышение этого коэффициента не отра-
жается на надежности аппарата, если качество ремонта не сни-
жается.
Коэффициент интенсивного использования Ки оборудования —
отношение фактической производительности фф машины или ап-
парата к производительности номинальной (оговоренной в техни-
ческой документации) QHoM:
VW' <п-13)
Значение Ки в пределах 0,8-4- 1,2. Коэффициент К также мо-
жет быть больше или меньше единицы. Например, если Кэ — 0,5,
Ки = 0,8, то К = КэКи =0,5«0,68 = (Г,4; если Кэ=1, Ки = 1,2, то
К — 1 • 1,2 — 1,2. Таким образом, 0,4 < К < 1,2.
С увеличением коэффициента использования сокращается срок
окупаемости оборудования и снижается себестоимость готового
продукта. Однако повышать коэффициент использования обору-
дования следует в первую очередь за счет увеличения Кэ, так как
с повышением Ки аппарат начинает быстрее терять свой ресурс и
надежность его падает.
Ресурс — наработка оборудования (узла) до предельного со-
стояния, оговоренного в технической документации. Наработка
может измеряться в часах, тоннах или других единицах.
Кроме того, различают назначенный ресурс — наработка
аппарата (узла), при достижении которой эксплуатация должна
быть прекращена независимо от состояния аппарата.
11.2. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Способы повышения надежности аппаратов. Надежность аппа-
ратов, машин и технологических линий в химической промышлен-
ности может быть повышена несколькими путями, например, за
счет применения более надежных серийных деталей и узлов,
Сюлее тщательного контроля за качествохм их изготовления, увели-
№
чения запаса прочности и т. д Следует заметить, что одни и те
же узлы и детали, выпускаемые разными заводами, имеют неоди-
наковую надежность. Значения интенсивности отказа некоторых
элементов технологических установок приведены в табл. 11.2.
Таблица 11.2
Значения интенсивности отказа некоторых элементов
технологических установок
Наименование элементов Интенсивность отказов Х-106, ч 1
нижний предел среднее значение верхний предел
Приводные ремни передач 3,60
Подшипники шариковые 0,020 0,65 2,22
Теплообменники 2,210 15,00 18,60
Манометры 0,135 1,30 15,00
Поршни насосов 0,080 0,20 0,85
Прокладки резиновые 0,011 0,02 0,03
Резервуары 0,083 0,15 0,27
Трубопроводы 0,250 1,10 4.85
Разброс интенсивности отказа для одного и того же изделия
довольно значительный. Большую долю в этот разброс вносит
также различие условий эксплуатации (режим работы, характер
и температура среды и т. д.). Поэтому перед определением ста-
тистических характеристик надежности аппаратов и машин сле-
дует производить их группировку по условиям эксплуатации.
Эксплуатационную надежность можно увеличить: 1) путем
разработки рациональных способов и условий хранения оборудо-
вания до его эксплуатации; 2) проведением тщательной проверки
и испытаний после монтажа; 3) строгим соблюдением инструкций
по монтажу и ремонту; 4) соблюдением температурного режима
работы аппарата, 5) использованием оптимальных конструктивных
решений; 6) совершенствованием кинематической схемы; 7) при-
менением стандартизованных деталей и узлов; 8) правильным
подбором высококачественного конструкционного материала и на-
дежной защитой его от коррозии.
Может оказаться, что оборудование, изготовленное промыш-
ленностью химического машиностроения, по своим техническим
данным не обеспечивает необходимых показателей надежности
технологической линии. Тогда в технологическую схему вводят
избыточные (резервные) аппараты и машины, а иногда — и ре-
зервные технологические линии, которые выполняют функции
основных в случае отказа последних. Этот способ повышения на-
дежности позволяет создавать систему аппаратов (технологиче-
скую линию), надежность которой выше надежности входящих
составляющих (аппаратов). Однако излишнее резервирование свя-
зано с увеличением производственных площадей, единовременных
226
капитальных затрат, амортизационных отчислений и, как след-
ствие этого, с увеличением себестоимости готовой продукции.
Способы резервирования,
стадии регенерации аммиака
Рис. 11.1. Принципиальная схема
элемента дистилляции содового
производства.
Рассмотрим технологическую схему
в содовом производстве (рис. 11.1).
Регенерацию аммиака осу-
ществляют в элементе дистилля-
ции, который состоит из не-
скольких последовательно свя-
занных аппаратов: конденсатора
Рис. 11.2. Принципиальная схема
очистки конвертированного газа
от СОг раствором моноэтанолами-
на:
1 — абсорбер; 2 — холодильник; 3 —
теплообменник; 4 — регенератор; 5, 6 —
кипятильники; 7,8 — насосы.
дистилляции КДС, теплообменника ‘Дистилляции ТДС, смесителя
СМ и дистиллятора ДС. Взаимное влияние аппаратов на работо-
способность друг друга можно изобразить следующей схемой:
— КДС |—| ТДС |—| ДС |— см —
Отказ хотя бы одного аппарата в этой схеме ведет к отказу
всего соединения.
Существует три вида соединений аппаратов: основное (при
отсутствии резервных аппаратов), резервное (при подключении
к каждому аппарату системы резервных) и смешанное (при соче-
тании основного и резервного соединений). При резервном соеди-
нении отказ наступает только после отказа основного и всех ре-
зервных аппаратов.
В технологии неорганических веществ резервное соединение
аппаратов встречается редко, в основном преобладает смешанное
(например, технологическая линия моноэтаноламиновой очистки
газа в цехе конверсии метана и оксида углерода (рис. 11.2). Здесь
зарезервированы только кипятильник и центробежный насос.
Различают два принципиально различных способа повышения
надежности путем резервирования: общее, при котором резерви-
руется аппарат или технологическая линия в целом, и раздель-
ное (поэлементное), при котором резервируются отдельные
узлы аппарата или отдельные апапраты технологической линии.
227
Примером общего резервирования является резевирование эле-
мента дистилляции в содовом производстве (рис. 11.3), где ре-
зервируются все четыре аппарата, входящие в элемент.
3-я рабочая линия
Резервная линия
Рис. 11.3. Блок-схема общего резервирования (включение резерва замещением).
Раздельное резервирование (рис. 11.4) обеспечивает больший
выигрыш в надежности, чем общее. Оно особенно выгодно при
большом числе аппаратов в технологической линии.
Рис. 11.4. Блок-схема раздельного резервирования (с постоянно включенным ре-
зервом).
Различают резервирование с целой и дробной кратностью.
Если за основным аппаратом закреплены один или несколько
резервных, то это резервирование с целой кратностью, так как
кратность выражается целым числом. Примером этого -является
резервирование кипятильников регенератора в схеме моноэтанол-
аминовой очистки конвертированного газа от угольной кислоты
(см. рис. 11.2), где на один рабочий кипятильник приходится
один резервный (кратность равна 1).
228
С увеличением кратности резервирования начинает резко воз-
растать надежность технологической линии, однако при этом
также быстро увеличиваются единовременные капитальные за-
траты и амортизационные отчисления.
При резервировании с дробной кратностью опре-
деленное число резервных аппаратов приходится на несколько
основных. Кратность резервирования в этом случае выражается
дробным числом. Следует заметить, что в основной химической
промышленности кратность резервирования очень редко превы-
шает 1,0.
К резервированию с дробной кратностью относят также ре-
зервирование со скользящим (плавающим) ре-
зервом. Примером может служить резервный элемент дистил-
ляции в содовом производстве (см. рис. 11.3), который поочередно
замещает элементы, останавливаемые на чистку от инкрустации
гипса в дистилляторе и смесителе. При скользящем резерве любой
из резервных аппаратов может замещать любой аппарат основ-
ной системы.
Достоинством скользящего резервирования является наиболь-
шая надежность при наименьших капитальных затратах. Однако
это возможно только при однотипности аппаратов. Поэтому при
проектировании технологических линий на это следует обращать
особое внимание. Кроме повышения надежности однотипность
аппаратов облегчает их ремонт и обслуживание. С этой целью
при проектировании цехов стремятся все насосы или компрессоры
сгруппировать в станции или отделения. В таких отделениях,
оборудованных, например, однотипными компрессорами, один ре-
зервный компрессор можно использовать для подмены 4—5 основ-
ных. В содовом производстве один резервный насос приходится
на 2—3 основных центробежных насоса.
Существует два способа включения резерва: постоянное и за-
мещением.
Постоянным называют такое резервирование, при котором
резервные аппараты присоединены к основным в течение всего
времени работы. Различают два вида условий работы резервных
аппаратов. Первый характеризуется тем, что условия работы
резерва полностью совпадают с условиями, в которых находится
рабочий аппарат, поэтому такой вид называют «горячим», или
нагруженным резервом. Ресурс резервных аппаратов в этом слу-
чае начинает расходоваться с момента включения в работу всей
системы (рис. 11.5, а). Второй вид резерва характеризуется тем,
что внешние условия, воздействующие на аппарат до момента его
включения в работу, облегченные. Этот вид резерва называют
«теплым», или облегченным.
Примером горячего резервирования служит попарное располо-
жение грануляционных башен в цехах аммонийной селитры. При
остановке одной башни на чистку цех не прекращает своей работы
и не снижает существенно производительности. Это достигается
229
за счет использования буферной емкости и увеличения нагрузки
на вторую грануляционную башню.
Резервирование замещением — это замещение основных
аппаратов только после их отказа. Здесь имеет место «холодный»
(ненагруженный) резерв. В этом случае условия, в которых нахо-
дится резерв, настолько легче рабочих, что практически резервные
аппараты начинают расходовать
свой ресурс только с момента
включения их в работу вза-
мен отказавших. Резервирова-
ние аппарата замещением схе-
матично изображено на
рис. 11.5,6.
Способом замещения ре-
зервируют, например, теплооб-
Рис. 11.5. Резервирование: менники в производствах реак-
а — горячее; б — способом замещения. ТИВНЫХ СОЛЯНОЙ И СерНОЙ КИС-
ЛОТ, вакуум-фильтры в содо-
вом производстве, центрифуги в производстве хлорида бария, ком-
прессоры в производствах аммиака, соды и серной кислоты.
Таким образом, существуют различные способы резервирова-
ния оборудования и технологических установок. Выбор того или
иного способа резервирования обусловливается его экономической
целесообразностью.
11.3. НАДЕЖНОСТЬ РЕЗЕРВИРОВАННЫХ АППАРАТОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
В химической промышленности используют оба способа вклю-
чения резерва: замещением и постоянное. Дадим оценку эффек-
тивности резервирования аппаратов этими способами,.
Постоянно включенный резерв. Найдем вероятность Р (т) без-
отказной работы системы, состоящей из двух параллельно рабо-
тающих аппаратов (см. рис. 11.5,а). Пусть вероятность безотказ-
ной работы основного аппарата Рь а резервного Р2 (теплый ре-
зерв). Вероятность отказа:
системы Q (т) — 1 — Р (т),
основного аппарата qx (г) = 1 — Рх (%),
резервного </2 (т) = 1 — Рг (т).
Вероятность отказа двух параллельно работающих аппаратов
Q(t)==9i (т)-9г (т)
(отказ системы возможен лишь при отказе обоих аппаратов).
Тогда вероятность безотказной работы рассматриваемой си-
стемы:
Р (т) == 1 — Q (г) ~ 1 — <71 (т) • q2 (т).
Подставляя в полученное выражение значения qi и qz, получим:
Р(т) = 1-[1-Р1 (х)][1 - Р2 (т)1.
230
В случае равнонадежных аппаратов (горячий резерв) Р1(т)=з
= Р2(т) и последняя формула примет вид:
Р (т) - 1 - [1 - Р, (т)]2.
Аналогично можно получить формулы для п параллельно ра-
ботающих аппаратов:
п
для неравнонадежных Р (т) ~ 1 — [1 — Pt (т)]; (11.14)
i = l
дня равнонадежных Р (т) = 1 — [1 — Pi (т)]п. (11.15)
• Преимущество постоянно включенного резерва состоит в про-
стоте схемы, отсутствии кратковременных остановок аппаратов,
необходимых (во многих случаях) для переключения при резер-
вировании замещением.
Недостатком этого способа является то, что резервный аппа-
рат расходует свой ресурс надежности, как и основной рабочий.
Резервирование замещением. Этот способ резервирования дает
большее повышение надежности аппаратов, чем горячее резерви-
рование. Однако его эффективность теряется, если переключатели,
вводящие резервный аппарат в рабочую систему, имеют низкую
надежность, т. е. могут отказать при переключении. Если резер-
вируемый аппарат имеет высокую стоимость, то в этом случае
холодное резервирование может оказаться экономически нецеле-
сообразным.
Достоинство резервирования замещением состоит в том, что
холодный резерв начинает терять свой ресурс только с момента
его включения вместо основного аппарата. Если принять, что пе-
реключатели идеальны (вероятность их безотказной работы в те-
чение всего рассматриваемого интервала времени остается равной
единице), то можно получить следующее выражение для надеж-
ности аппаратов при холодном резервировании (см. рис. 11.5, б) :
-г
Рг (т) = Р (г) ч- J - Р' (То) Р (т - т0) dx. (11.16)
о
Здесь Р'(ха) — производная от функции вероятности безотказной работы,
идентичная плотности вероятности f(To); То — время, через которое аппарат от-
казывает.
В связи с этим формулу (11.16) можно представить в виде:
-г
Pz (т) = р (т) + f (То) р (т — То) dx.
о
(Н.17)
Эти формулы справедливы для случая равной надежности
основного и резервного аппаратов.
Если аппараты неравнонадежные и вероятность исправной
работы основного аппарата равна рДт), а резервного —р2(т), то
получим:
т
Р2 (т) = Р, (т) + pl (То) р2 (т — То) dr. (11.18)
(I
Эффективность резервирования в повышении надежности ап-
паратов. Рассмотрим три системы аппаратов. Первая состоит из
одного нерезервированного аппарата, вторая — из двух парал-
лельно работающих аппаратов, третья — из одного основного ап-
парата и одного аппарата холодного резерва. Предположим, что
аппараты равнонадежны и вероятность безотказной работы изме-
няется по экспоненциальному закону:
Pt (т) = Р2 (т) = ехр (— Лт).
Подставив это выражение в формулу (11.15), получим зави-
симость для вероятности безотказной работы двух параллельно
работающих аппаратов:
Р2 (т) = 1 _ [1 - (Т)]2 = 2Р1 - Pf == 2 ехр (- Хт) - ехр (- 2Лт). (11.19)
Для случая холодного резервирования:
т
Ра (т) = Р (т) + f (то) Р (т — т0) dx —
о
•с
= ехр (— Хт) + X, ехр (— Хт) ехр [— Л (т — т0)] dx.
о
Преобразовав это выражение, получим:
Ра (т) = (1 + Хт) ехр (— Лт). (11.20)
Рассчитаем вероятность безотказной работы каждой из трех
систем для т = 200 ч, предположив, что каждый из аппаратов
имеет интенсивность отказа X = 0,005 ч-1.
Вероятность безотказной работы для нерезервированного ап-
парата:
Pj (т) = ехр (— Лт) = ехр (—1,0) = 0,368.
Из выражения (11.19) вычислим значение вероятности безот-
казной работы для двух параллельно работающих аппаратов:
Ра (т) = 2 ехр (— Лт) — 2 ехр (— 2Лт) == 2 ехр (—1) — ехр (—2) =
= 2 • 0.368 — 0,135 = 0.600.
Подставив значения Хи t в уравнение (11.20), получим зна-
чение вероятности безотказной работы для третьей системы аппа-
ратов:
Р2 (т) = (14-1) ехр (—1,0) = 0,736.
Таким образом, резервирование существенно повышает вероят-
ность надежной работы аппаратов. При холодном резервировании
вероятность безотказной работы выше, чем при горячем,
232
Не приводя доказательства, укажем, что в рассмотренном слу-
чает среднее время безотказной работы нерезервируемого аппарата
Гср = 1/А, при горячем резервировании Тср = 3/2‘к, а при холод-
ном — Тер = 2/Х.
Имея эти соотношения, а также некоторые технико-экономиче-
ские показатели (о цене готового продукта и его себестоимости,
стоимости аппарата и его обслуживании и т. д.), можно составить
алгоритм решения задачи об экономической эффективности резер-
. вирования аппарата и способе его осуществления.
Здесь рассмотрены только простейшие ситуации и не прини-
мались во внимание восстановление резерва, среднее время ре-
монта и т. д. (т. е. системы рассматривались в период времени
от исходного до первого отказа). В практических условиях, осо-
бенно при непоказательном распределении времени отказов обору-
дования, расчеты значительно усложняются. Определение техни-
ко-экономической целесообразности резервирования, способов его
осуществления и организации ремонта оборудования становится
возможным только при использовании электронно-вычислительных
машин.
Глава 12.
МОНТАЖ И РЕМОНТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
""" " ' ' 1 £
12.1. ОРГАНИЗАЦИЯ МОНТАЖНЫХ РАБОТ
Монтаж оборудования на химических заводах производят при
строительстве новых объектов, реконструкции и ремонте действую-
щих. Для осуществления монтажа необходимы первичная, проме-
жуточная (исполнительная) документация и документация сдачи
работ.
Первичная документация включает проект на монтаж
оборудования. Она требуется для вновь строящегося цеха, завода
или при их реконструкции. Для строительства крупных заводов
или цехов по специальному заданию проекты разрабатывают
проектные организации и передают их заказчику — строящемуся
предприятию. Мелкие объекты строительства могут проектировать
сами предприятия.
Перед монтажом крупных объектов, оснащенных уникальным
оборудованием, проектное бюро разрабатывает технологию мон-
тажа по элементам, рассчитывает оснастку и конструирует спе-
циальные монтажные приспособления.
Исполнительная документация включает: акты и
схемы на скрытые работы (основания фундаментов, траншеи,
скрытые части сооружений и др.); акты приемки фундаментов под
оборудования; акты испытания материалов, сварных швов и со-
бранного оборудования в целом; исполнительные чертежи и схе-
23g
мы, в которых отражены все внесенные при монтаже изменения
конструкции и системы. Документацию подготавливает исполни-
тель — монтажная организация. В составлении некоторых актов
участвует и представитель строящегося предприятия.
Документация сдачи работ включает: первичную до-
кументацию: документы, составленные на стадии выполнения
строительно-монтажных работ; документы о сдаче и приемке
оборудования или объекта в целом в эксплуатацию.
Монтажные работы при строительстве крупных объектов вы-
полняет строительная организация — генеральный подрядчик. Для
выполнения работ привлекаются и другие организации — субпод-
рядчики (сантехнические, электромонтажные, по средствам авто-
матики и т. д.), которые с генеральным подрядчиком составляют
договор на те или иные работы.’ Эти организации в зависимости
от габаритов, массы, конструкции и положения аппаратов, вида
площадки, на которой производится монтаж аппарата, оснащен-
ности механизмами и приспособлениями производят работы инду-
стриальным методом, крупными блоками и по месту.
При индустриальном методе оборудование устанавли-
вают на фундамент в максимально готовом виде, т. е. когда осу-
ществлена полная сварка оборудования и обслуживающей его
металлоконструкции, проведены испытания, нанесена тепловая
изоляция, футерована поверхность, установлена запорная арма-
тура и произведен монтаж обвязочного трубопровода. Этим ме-
тодом монтируют теплообменники, оросительные холодильники
и т. д.
Сложным видом работ является монтаж вертикальных круп-
ногабаритных аппаратов (например, контактных аппаратов серно-
кислотных производств). Их устанавливают с использованием
мачт и шевров, оснащенных полиспастами.
При монтаже аппаратов колонного и башенного типов следует
руководствоваться указаниями «Строительных норм и правил»
СНиП Ш-Г10.10—65).
Наиболее безопасным является подъем аппаратов одиночным
и спаренными кранами с использованием облегченных мачт.
В случае большой насыщенности монтажной площадки тяжеловес-
ными и крупногабаритными аппаратами применяют церрик-краны.
Иногда используют и вертолеты-краны.
Если индустриальный метод неприменим, осуществляют мон-
таж крупными блоками. Поставку блочного оборудования
производят заводы-изготовители в соответствии с требованиями
межреспубликанских технических условий МРТУ 2-04-10—63 и
норм машиностроения МН 72—62.
При способе монтажа по месту сборку отдельных дета-
лей и узлов производят непосредственно на монтажной- площадке.
При монтаже транспортные средства выбирают в за-
висимости от габаритных размеров и массы оборудования, рас-
стояния до монтажной площадки, наличия железнодорожных
и водных путей. Железнодорожным транспортом по согласованию
834
с Министерством путей сообщения на транспортерах сцепного типа
можно перевозить негабаритные аппараты длиной до 34 м и диа-
метром до 4 м. Эти аппараты также перевозят трейлерами на
шасси МАЗ, КрАЗ, КамАЗ или водным путем.
Особо тяжелые аппараты перевозят с помощью тягового полис-
паста (рис. 12.1). Практикуется перевозка оборудования и на
катках.
Цилиндрические аппараты перемещают прикатыванием с по-
мощью троса. Оборудование небольших размеров перевозят с по-
мощью самоходных стреловых трубоукладчиков.
Рис. 12.1. Схема перевозки особо тяжелых аппаратов:
1 — аппарат; 2 — салазки; 3, 5 — соответственно подвижный и неподвижный блоки полис-
паста; 4 — сбегающая ветвь троса полиспаста; 6 — якорный трос; 7 — направляющий трак-
тор.
Габаритное оборудование (размеры которого не выходят за
пределы габаритов железнодорожного подвижного состава) пере-
возят по железной дороге без всяких ограничений. Если колонные
аппараты габаритны по диаметру, но не по длине, тогда их пере-
возят частями.
Погрузку и разгрузку оборудования на железнодорожных,
речных станциях или на базах с большим оборотом оборудования
производят стационарными кранами (мостовые, козловые, пор-
тальные) большой грузоподъемности, на монтажных площад-
ках— с помощью самоходных кранов, специальных подъемных
мачт, шевров, порталов и т. д. Широко распространены самоход-
ные автокраны грузоподъемностью 3—16 т и краны на гусенич-
ном ходу. Однако все они ограничены небольшой грузоподъем-
ностью и стрелой вылета.
При отсутствии грузоподъемных механизмов разгрузку или
погрузку осуществляют способом накатывания или скатывания.
Маневренность грузоподъемных механизмов при монтаже и
демонтаже оборудования в действующих цехах весьма ограни-
чена. Поэтому при выборе монтажных средств надо исходить из
возможности их применения в конкретных условиях. Перед началом
монтажных и демонтажных работ оборудование и все трубопро-
воды должны быть опорожнены, надежно и герметично отделены
от демонтируемого аппарата. Подземные коммуникации (кана-
лизация, трубопроводы и др.) должны быть обозначены на по-
верхности площадки видимыми указателями. Территория, на ко-
торой проводят работы, ограждается или обозначается указате-
лями. Составляется протокол по проведению работ. Монтажные
235
й демонтажные работы проводят только в присутствии эксплуата-
ционного персонала.
Для монтажа тяжелых и высоких аппаратов применяют мачты
(рис. 12.2) грузоподъемностью до 100 т. С их помощью можно
поднимать аппараты на высоту до 100 м.
При монтаже на химических заводах применяют ручные
рычажные и приводные лебедки. Последние имеют электрический
или пневматический приводы. Широко рас-
пространены самоходные лебедки, установлен-
ные на шасси трактора.
После завершения всех строительно-мон-
тажных работ производители работ готовят
объект к сдаче заказчику. Каждое обо-
рудование подвергают испытанию вхолостую.
Емкости и аппараты опрессовывают, машины
и механизмы проверяют на холостом ходу,
затем под нагрузкой.
После устранения замечаний и неисправно-
стей в присутствии заказчика производят кон-
трольное испытание и составляют акт о сдаче.
Комплексное опробование объекта производит
заказчик, замечания которого устраняются
подрядчиком.
Рис. 12.2. Грузоподъемная мачта:
1 — решетчатая мачта; 2—вант; 3 — паук для крепления вант;
4 — полиспаст; 5 — сбегающая ветвь полиспаста; 6 — отводный
блок; 7 — страхующий трос.
Оборудование, подведомственное Госгортехнадзору, и аппа-
раты, работающие под избыточным давлением, разрешается экс-
плуатировать только после регистрации их в органах Госгортех-
надзора.
Ниже рассмотрены примеры монтажа оборудования, наиболее
широко используемого в производстве неорганических веществ.
Теплообменные (горизонтальные и вертикальные) аппа-
раты устанавливают на фундамент с помощью кранов. Горизон-
тальные теплообменники выверяют по уровню, а вертикальные —
по отвесу, после чего производят затяжку анкерных болтов. Затем
осуществляют ревизию: проверяют состояние уплотняющих по-
верхностей фланцев, чистоту поверхности труб, отсутствие вмя-
тин труб и кожуха и т. д. После ревизии теплообменник подвер-
гают гидравлическому испытанию, по окончании которого к нему
подсоединяют трубопроводы.
Насосы, компрессоры, газодувки и вентилято-
ры — подаются заводом в основном в собранном виде вместе
с приводом; монтируют их после завершения всех основных строи-
тельных работ. Краны используют только для подачи оборудова-
ния на монтажную площадку, а дальнейшее его перемещение осу-
ществляют с помощью салазок, лебедок, порталов и треног с кат-
236
ками. Смонтированный агрегат подвергают обкатке и испытанию
под нагрузкой.
Шаровые мельницы поступают от заводов-изготовителей
отдельными узлами. Их монтаж начинают с установки общей
рамы на фундамент и ее выверки на горизонтальность. Затем
устанавливают подшипники, барабан, редуктор с электродвигате-
лем. Испытание начинают с опробования редуктора, а затем ре-
дуктор соединяют с валом барабана и испытывают мельницу вхо-
лостую в течение 2—3 ч.
Шнеки поступают на монтажную площадку отдельными сек-
циями. Монтаж начинают с крайних секций. Секции стыкуют на
прокладках, а отдельные части винта соединяют муфтами.
Элеваторы в зависимости от размеров поступают в собран-
ном виде или в виде отдельных узлов. Укрупненную сборку про-
изводят непосредственно на месте установки. Подъем в проектное
положение осуществляют с помощью крана. Монтаж элеваторов
блоками ведут способом наращивания или подращивания.
12.2. СИСТЕМА ПЛАНОВО-ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНОГО РЕМОНТА
Химические процессы часто протекают при температурах от
250 до 1000 °C и давлении до 200 МПа, а также в глубоком ва-
кууме. Такие условия определяют дополнительные требования
к конструкции оборудования и сохранности его в процессе экс-
плуатации.
Оборудование считается надежным,“если оно проработает отве-
денный для него срок работы. Однако в процессе эксплуатации
происходит физический износ и моральное старение оборудования.
Физический износ — это изменение формы, размеров, це-
лостности и физических свойств деталей и узлов.
Моральное старение — это отставание оборудования от
уровня передовой техники, обусловленное низкими производитель-
ностью и к. п. д., неудовлетворительным качеством выпускаемой
продукции, пониженной надежностью и т. д.
Физический износ определяют путем осмотров и замеров от-
клонений от предельно допустимых норм. Превышение норм сви-
детельствует о недопустимости дальнейшей эксплуатации обору-
дования или его деталей без соответствующего восстановления
надежности.
Физический износ включает механический, коррозионный
(сплошная, межкристаллитная, химическая, водородная, почвен-
ная, атмосферная и контактная коррозия), эрозионный, устало-
стный и тепловой (ползучесть, релаксация, графитизация материа-
ла) износ.
Износ определяют качественным (визуальный осмотр под мик-
роскопом продуктов коррозии, изменение окраски омываемой
среды и т. д.) и количественным (например, определение скоро-
сти коррозии и механических характеристик) массовым или объем-
ным методами.
237
В качестве инструмента для определения износа применяют
также микрометр, кронциркуль, штангенциркуль или же весы.
В процессе работы износ оборудования определяют интегральным
методом. Этот метод предусматривает определение количества ме-
талла, перешедшего в смазочное масло в результате износа по-
верхностей трения.
Практика показывает, что половина отказов оборудования про-
исходит из-за низкого качества технического обслуживания. Для
поддержания оборудования в исправном состоянии введена си-
стема планово-предупредительного ремонта (ППР).
Графики ППР должны предусматривать: 1) затраты времени
на ремонт; 2) затраты рабочей силы на ремонт; 3) необходимое
число запасных частей и приспособлений; 4) модернизацию обо-
рудования.
План ремонта составляют с учетом межремонтного цикла
для данного оборудования, т. е. времени работы между двумя
капитальными ремонтами. Для нового оборудования межремонт-
ным циклом будет период от начала ввода этого оборудования
в эксплуатацию до первого капитального ремонта. Продолжи-
тельность межремонтного цикла изменяется в зависимости от
числа проведенных ремонтов, состояния оборудования и качества
эксплуатации. Существует межремонтный цикл, который выра-
жается временем между двумя ремонтами любой категории.
ППР предусматривает межремонтное обслуживание, текущий
ремонт, капитальный ремонт.
При техническом обслуживании проверяют состоя-
ние: крепежных деталей, несущих динамическую нагрузку (шатун-
ных болтов, шпилек и др.); регулируемых деталей (клиньев, за-
тяжных втулок, подшипников) с проверкой зазоров в них; транс-
миссий, зубчатых зацеплений, передаточных ремней и цепей,
фрикционов, сальников и т. д.; масляной и охлаждающей систем,
картеров, масляных ванн и масленок; поверхностей, подверженных
коррозии и изоляции.
Техническое обслуживание проводят согласно «Инструкции по
эксплуатации» или «Инструкции по техническому обслуживанию»,
содержание которых регламентируется ГОСТ 2601—68.
Текущий ремонт предусматривает: замену части деталей;
частичную или полную замену антикоррозионных покрытий; смену
прокладок в уплотнениях и замену крепежных деталей; чистку
аппарата (например, в отделении дистилляции содового произ-
водства); замену фрикционных тормозных линий, тросов, цепей;
перезаливку подшипников; проточку клапанов и штоков с после-
дующей их притиркой; смену поршневых колец; регулировку пре-
дохранительных клапанов; замену или исправление неисправной
арматуры; освидетельствование аппаратуры, работающей под дав-
лением и сдачу ее инспекции Госгортехнадзора.
При капитальном ремонте цех полностью останавли-
вают и осуществляют восстановительные работы путем, например,
полной разборки аппарата или машины и замены изношенных
238
деталей. При этом оборудование может быть снято с места его
установки. На капитальный ремонт составляют дефектную ведо-
мость, смету расходов, а также разрабатывают план организации
работ с учетом нормативов ремонта.
В объем капитального ремонта входят: замена изношенных
деталей и узлов или их восстановление с доведением до монтаж-
ных допусков; выверка, центровка и балансировка машин, а при
необходимости выверка станины или рамы и перезаливка их
бетоном; замена футеровок, катализатора, восстановление защит-
ных покрытий; модернизация агрегата с возможной унификацией
сменных деталей и узлов.
'На химических предприятиях в целях сокращения продолжи-
тельности ремонта введены индивидуальный, стендовый, секцион-
ный, узловой методы ремонта.
При индивидуальном методе ремонта детали и узлы,
снятые с аппарата или машины и восстановленные, устанавли-
вают в тот же аппарат или машину. Из-за длительного простоя
оборудования этот вид ремонта не является прогрессивным.
Стендовый метод заключается в том, что аппараты или
машины, подлежащие ремонту, переносят на стенд, а на их место
устанавливают аналогичные, новые или ранее отремонтированные
аппараты или машины. При таком ремонте сокращаются простои
оборудования или машин, повышается качество ремонта, появ-
ляется возможность ремонта в дневное время. Однако этот метод
может быть использован только при ремонте аппаратов или машин
небольших габаритов (насосов, вентилятора и др.), если имеется
в резерве аналогичное оборудование, и при наличии в цехе широ-
ких проходов и проездов. Метод применяют в основном при капи-
тальном ремонте.
Секционный метод применяют для проведения среднего
ремонта аппаратов и машин, имеющихся в ограниченном числе,
при наличии резервных.
Узловой ремонт оборудования заключается в том, что
часть машин и аппаратов заменяют резервными узлами (ранее
отремонтированными, новыми или заготовленными). Его приме-
няют в случае, если оборудование состоит из отдельных узлов
и агрегатов, например: для ремонта типовых, имеющихся на заводе
в большом количестве моделей; для ремонта лимитируемого обо-
рудования; для ремонта транспортного и трубопроводного хозяй-
ства. Этот метод ремонта позволяет резко сократить простой обо-
рудования и использовать заготовленные в специально организо-
ванных мастерских отдельные узлы таким образом, чтобы работа
ремонтного персонала на открытой площадке ограничивалась
только демонтажом и монтажом этих узлов.
Машины и аппараты после капитального ремонта сдают по
акту комиссии в составе главного механика, инженера отдела тех-
нического надзора, инженера по технике безопасности и началь-
ника производства.
239
Кроме остановок оборудования на текущий и капитальный
ремонт предусматриваются плановые периодические остановки на
ремонт оборудования, которое не может быть отремонтировано
во время работы цеха (газгольдеры, сети вентиляции и канализа-
ции, трубопроводы и другие аппараты большой мощности).
На больших заводах ремонт оборудования производят в ре-
монтно-механическом цехе (РМЦ). Поэтому РМЦ имеет
специализированные участки для ремонта отдельных видов обо-
рудования. Ремонтная служба может быть: централизованной, де-
централизованной и смешанной. При централизованной системе
обслуживания ремонт оборудования осуществляют силами РМЦ,
при децентрализованной системе ремонт проводят при ремонтных
участках механических цехов, при смешанной системе в ремонте
участвуют как РМЦ, так и ремонтные отделения технологических
цехов. В РМЦ осуществляют капитальный ремонт оборудования
и изготовление запасных частей.
Более эффективна централизованная система организации ре-
монта. На химических предприятиях часто применяют смешанную
систему.
Степень централизации ремонтных работ определяют по фор-
муле:
Кц = Р/Р0. (12.1)
Здесь Р — число рабочих, находящихся в РМЦ; Ро — общее число ремонт-
ного персонала предприятия.
Широко практикуется межзаводская централизация
ремонта трестом «Химремстроймонтаж». Такая организация
осуществляет ремонт на химических предприятиях подрядным
способом.
Создаются специализированные ремонтные заводы. Ремонт
оборудования на таких заводах выгоден, если:
Срем + 7^ 4* М < Схим-
Здесь Срем — себестоимость ремонта на специализированном заводе; Т —
расходы на транспорт и упаковку; М — расходы на монтаж и демонтаж обору-
дования; СХим — себестоимость ремонта в условиях химического предприятия.
При наличии на заводах большого числа нетранспортабельного
оборудования ремонтные тресты более экономичны, чем ремонт-
ные заводы.
Специализированные предприятия (ремонтные тресты, управ-
ления по ремонту, ремонтные участки) осуществляют: 1) изготов-
ление запасных частей; 2) разработку и приготовление средств
механизации; 3) разработку технологии ремонта; 4) создание об-
менного фонда оборудования и его отдельных узлов.
Возможна межотраслевая централизация, при ко-
торой ремонт оборудования осуществляют на предприятиях, вы-
пускающих данное оборудование.
По организации работ ремонты классифицируют^
24Q
1. По месту работы — ремонт на месте установки машины;
ремонт всех машин в РМЦ; ремонт «скелета» машин на месте,
а узлов в РМЦ.
2. По объему ремонта — подетальный (замена изношенных
деталей); поузловой (замена отдельных узлов); помашинный (за-
мена всей машины).
3. По времени работ — равномерно распределенный на весь
год; остановочный (во время остановки); сезонный (ремонт в опре-
деленное время года оборудования, установленного на открытых
площадках).
Каждый вид ремонта имеет свои недостатки и достоинства.
В настоящее время осуществляют совершенствование системы
ППР по следующим основным направлениям:
1. Разработка технически обоснованных нормативов межре-
монтных пробегов.
2. Совершенствование структуры межремонтных пробегов пу-
тем применения износостойких материалов и защитных покрытий,
которые ведут к увеличению ресурса изделий.
3. Сокращение времени простоя оборудования в ремонте и сни-
жение затрат на ремонт в результате внедрения узлового метода
ремонта и освоения рабочими смежных профессий.
В последнее время для управления ходом ремонта и монтажа
оборудования используют сетевое планирование и управление.
Применение сетевых графиков позволяет сокращать сроки работ
на 20—30 %.
Сетевое планирование и управление предусматри-
вает: 1) составление и оптимизацию сетевого графика; 2) опера-
тивное управление. Составление сетевого графика на предприя-
тиях осуществляет отдельная группа, входящая в состав РМЦ
или специализированного ремонтного треста. Основой для созда-
ния сетевого графика служит дефектная ведомость.
Оптимизацию ППР осуществляют с целью уменьшения затрат.
Они и являются критерием оптимизации. Оптимизации можно
подвергать любой параметр ППР, т. е. структуру ремонтного
цикла, график ППР. Иногда критерием оптимизации служит про-
стой оборудования в ремонте и трудозатраты.
При оптимизации структуры межремонтного цикла учитывают
ресурсы деталей и сборочных единиц и детали, близкие по ресур-
сам, объединяют в группы.
Структура ремонтного цикла оптимальна, если при этом себе-
стоимость единицы продукции за полный срок службы машины
минимальна, т. е. при построении оптимального цикла некоторые
детали могут заменяться раньше срока службы, что окупается за
счет уменьшения простоев оборудования в ремонте.
Для химических предприятий составление оптимального плана
ППР затруднено из-за того, что установки объединены в техноло-
гические линии и поэтому необходимо учитывать связь между
остановками на ремонт различных аппаратов. В связи с этим
241
оптимальный план ППР составляют для всего предприятия це-
ликом.
График ППР оптимизируют по двум направлениям: 1) обес-
печение максимального выпуска продукции; 2) минимальное от-
клонение трудозатрат от оптимального (среднего) значения. При
осуществлении оптимизации по первому направлению не учиты-
вают требования ремонтных служб, а при оптимизации по вто-
рому направлению не учитывают технологию производства.
Далее осуществляют оптимизацию производственной програм-
мы предприятия совместно с графиком ППР.
Оптимальный график ППР составляют не на год, а на более
длительный срок, в течение которого каждая установка проходит
ремонтный цикл хотя бы один раз в год.
Между отдельными установками возможна следующая связь:
последовательная, при которой остановка одного аппарата
требует остановки других;
параллельная, при которой одновременная остановка всех ап-
паратов не обязательна;
автономная, при которой установки работают независимо друг
от друга и их остановка невзаимосвязана.
Расчет графика ППР проводят в следующей последователь-
ности:
1. Задаются сроками начала ремонта отдельных аппаратов.
При этом время ремонта стараются рассредоточить равномерно.
За начало ремонта принимают первый день ремонта.
2. Задаются сдвигом ремонта по сроку:
/1 = /2 + /о; ti = /f+i +10. (12.2)
Здесь ti — срок ремонта t-ro аппарата; ti+1 — срок ремонта (i-f-l)-ro аппа-
рата; t0 — сдвиг срока ремонта i-ro аппарата по сравнению со сроком оемонта
G+1) -го аппарата.
3. Рассчитывают число п ремонтных рабочих, необходимых на
каждый день в течение всего планируемого срока:
N
п=£пг (12.3)
Здесь N — число аппаратов; nt— число рабочих, занятых ремонтом i-ro ап-
парата.
4. Определяют день, когда требуется максимальное число ра-
бочих для ремонта, и это значение принимают в качестве крите-
рия оптимизации.
Оперативное управление ремонтом осуществляют путем исполь-
зования сетевого графика. При этом возможны корректировки
графика.
В оперативном управлении участвуют: группа сетевого плани-
рования управления; главный инженер или его заместитель; на-
чальник РМЦ; механик цеха; представитель подрядных органи-
заций.
Контроль за выполнением плана ППР возложен на службу
технадзора, созданную при отделе главного механика.
242
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Бережковский М. И. Хранение и транспортирование химических продук-
тов.— М.: Химия, 1973, — 272 с.
Васильцов Э. А., Ушаков В. Г. Аппараты для перемешивания жидких сред:
Справочное пособие. — Л.: Машиностроение, 1979. — 272 с.
Генкин А. Э. Оборудование химических заводов. — 4-е изд. — М.: Высшая
школа, 1986. — 280 с.
Ермаков В. И., Шеин В. С. Ремонт и монтаж химического оборудования.—
Л.: Химия, 1981. — 368 с.
Мужиков В. А. Фильтрование, теория и практика разделения суспензий.—
М.: Химия, 1980. — 400 с.
Исламов М. Ш. Проектирование и эксплуатация промышленных печей. — Л.:
Химия, 1986. — 280 с.
Классен П. В., Гришев И, Г. Основы техники гранулирования. — М.: Химия,
1982, —272 с.
Клинов И. Я-, Удыма П. Г., Молоканов А. В., Горячнова А. В. Химическое
оборудование в коррозионностойком исполнении: Справочник. — М.: Машино-
строение, 1970. — 589 с.
Коузов П. А., Скрябин Г. М., Малыгин А.в Д. Очистка от пыли газов и воз-
духа в химической промышленности. — Л.: Химия, 1982. — 255 с.
Лощинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета хи-
мической аппаратуры: Справочник. — Л.: Машиностроение, 1970. — 752 с.
Лукьяненко В. М., Таранец А. В. Промышленные центрифуги. — М.: Химия,
1974. — 376 с.
Матусевич Л. Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленно-
сти.— М.: Химия, 1968. — 304 с.
Решетников С. М. Ингибиторы кислотной коррозии металлов. — Л.: Химия,
1986. — 144 с.
Румянцев О. В. Оборудование цехов синтеза высокого давления в азотной
промышленности. — М.: Химия, 1970. — 376 с.
Сиденко П. М. Измельчение в химической промышленности. — М. Химия,
1977. — 368 с.
Тетеревков А. И., Печковский В. В. Оборудование заводов неорганических
веществ и основы проектирования. — Минск: Вышэйшая школа, 1981. — 355 с.
Черкасский В. М., Романова Т. М., Каулъ Р. А. Насосы, компрессоры, вен-
тиляторы.— М.: Энергия, 1978. — 212 с.
Шкоропад Д. Е. Центрифуги для химических производств. — М.: Машино-
строение, 1975. — 248 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорбция 74
Антегмиты 24
Аппараты
выбор 80, 129
герметичность 9
долговечность 8
жесткость 8
масштабирование 83
надежность 8, 9, 222
окраска 28
перевозка 235
приемка 10
прочность 8
работоспособность 221
расчет элементов 44—59
резервирование 237—241
ресурс 225
стойкость 10
транспортабельность 9
Арматура 200
Безопасность конструктивная 9
Бобышки 57
Бункерный склад 206
Вагоны 171
Вакуум-насосы 196
техническая характеристика 197
Вакуум-кристаллизаторы 87, 89
Вакуум-фильтры 99—103, 129
Вентили 201
Вентиляторы 192, 236
Вероятность отказа 221
Время гомогенизации 64
Время пребывания в реакторе 64
Выпарные аппараты 89
Газгольдеры 219
Газодувки 236
Герметичность 9
Гетерофазный процесс 67
Гидроциклоны 122
Гондола 171
Горелки, типы 163, 164
Гранулирование
порошков 148
паст и расплавов 151
оборудование 148—154
Гранулятор(ы)
барабанный 148
валковый 149, 151
выбор 153
для расплавов 152
тарельчатый 149
центробежный 153
экструзионный 152
Грохоты 143
Грузоподъемные механизмы 235, 236
Гуммирование 27, 30
Давление в аппаратах 44, 48
Декантер см. Отстойники
Днища, расчет 46
Дозаторы 207, 209
Долговечность оборудования 8
Дробилки
валковые 132, 137, 138
конусные 134
молотковые 137
типы 134
щековые 134
Дробление 132
Думпкар 172
Жесткость 8
Задвижки 202
.Запорная арматура 200
Затворы болтовые 49
Защитные покрытия
листовые 30
методы нанесения 29—32
пленочные 27
Защита от коррозии 27—34
Измельчение 131, 142
244
Измельчители см. Дробилки; Мель- ницы Износ оборудования 237 Ингибиторы коррозии 33 Материалы конструкционные графитовые 24, 25, 43 диабаз 23 диатомиты 41, 104 дуралюмины 20
Кавитационный запас 190 Каскад аппаратов 67, 69, 82 Катодная защита 32 Керамика 23 Клапаны 203 Классификаторы 146 Ковши 180 Компрессоры 194 Конвейеры винтовой 182 гидравлический 185 ковшовый 180 ленточный 176 пластинчатый 178 скребковый 179 Конструктивное совершенство 9 Контейнеры 174 Коррозионная стойкость 14, 15 Коррозия атмосферная 14 защита 27—34 контактная 14 почвенная 14 предупреждение 27 химическая 13 электрохимическая 14 Коэффициент теплоотдачи 72 теплопередачи 71, 86 Краны 202 Кристаллизатор ы барабанный 85 вакуумные 87 вальцовый 86 выбор 90 типы 85 шнековый 85 Кристаллизация изогидрическая 85 изотермическая 89 методы 84 определение 73 Крышки, расчет 46—48 картон 42 керамика 23 коррозия 12—15 латуни 20 медь 20 набивочные 43 неметаллические неорганические 15, 23, 36 органические 1, 24—27, 38 разрушение 13 никель 22 ниобий 22 ныовель 42 оберточные 41 обкладочные 23, 30 огнеупоры 39—41 паронит 42 пенобетон 41 полиизобутилен 43 полиметилметакрилат 39 полипропилен 39 полиэтилен 43 прокладочные 42 резина 42 свинец 21 силикаты 23 сплавы 12—15, 21, 22, 35 стали 16—18 стекла 36 тантал 21, 35 теплоизоляционные 41 титан 21 углеграфитовые 38 цирконий 22 чугуны 19 фаолит 25 фарфор 36 фторопласты 38, 43 Мельницы; см. также Дробилки барабанные 139 роликокольцевые 132 струйные 141 типы 134 шаровые 133, 237 Мешалки
Лаки 28 Люки 58 выбор 77 лопастные 79 пропеллерные 76, 78 рамные 79 типы 76
Масштабирование 83 турбинные 79
Материалы конструкционные алюминий 19 Монтаж оборудования 233—237
асбесты 23, 41, 42 асбозурит 41 бронзы 20 винипласт 26 Набивочные материалы 43 Надежность механическая 8
245
Надежность
показатели 221
технологическая 9
Напряжения механические, расчет 44,
51
Насосы
плунжерные 187
поршневые 185
центробежные 188—192
подбор 190
Нуссельта критерий 72
Нутч-фильтры 107
Оберточные материалы 41
Обечайки, расчет 46, 49
Обкладочные материалы 23, 30
Огнеупоры 39—41
Окраска 28
Отказ
вероятность 221
интенсивность 222, 226
Опоры 59
Особо чистые вещества 34
Отстойники 91—96
Очистка
мокрая 168
сухая 166
Паронит 42
Перемешивание
гидродинамика 61
коэффициент теплопередачи 71, 86
критерии 60
Печь (и)
барабанные вращающиеся 155
-башня 161
для восстановления фосфора 162
для обжига
известняка 158
серного колчедана 159
для получения сульфида натрия 157
для сжигания
жидкого фосфора 160, 161
расплавленной серы 160
камерные 160
руднотермическая электрическая
162
шахтные 156—158
Питатели 208
Плакирование 30, 172
Пленкообразователи 28
Пленочные покрытия 27
Пневмотранспорт 183
Поверхностно-активные вещества
(ПАВ) 29, 134
Прандтля критерий 72
Пресс-грануляторы 150
Приемка аппаратов 10
Проектная документация 233
Прокладки, расчет 54
Прокладочные материалы 42
Промывка осадков 123—129
Производительность удельная 10
Прочность аппаратов 8
Пылеуловители 168
Работоспособность оборудования 221
Разделение
суспензий 129—131
сыпучих материалов 143—148
Растворение 72
Расчет элементов аппаратов 44—59
Резервирование аппаратов 2, 233
Резервуарный парк 213
Резервуары 213
Резины 27
Рейнольдса-критерий 61, 72
Ремонтно-механические цехи 240
Ремонтопригодность 9
Ремонт планово-предупредительный
237
Ресурс оборудования 225
Сгустители 91
Седиментация 91
Сетевое планирование и управление
241
Сетки 144
Силосный склад 207
Смотровые окна 58
Склады для хранения
газов 219, 220
жидких продуктов 209—219
резервуарный парк 213
твердых материалов 203—209
Стандартизация 10
Стойкость оборудования 10
Стокса уравнение 91
Суспензии 29, 87, 118, 190
разделение 91, 129
Суспензирование 70
Сушилки-грануляторы кипящего слоя
151
Танкеры 172
Теплоизоляторы 39, 41
Теплообменники 20, 38
установка 236
Термотехнологическое оборудование
154
Технологичность оборудования 9
Транспорт
автомобильный 173
виды 170
внешнезаводской 170—176
водный 173
железнодорожный 171
конвейерный 175; см. также Кон-
вейеры
Транспортеры 205
246
Транспортирование
аппаратов 235
газов 192—199
жидкостей 186—192
твердых материалов 176—185
Трубопроводы 175, 199
Турбовоздуходувки 196
Турбокомпрессоры 196
Уплотнения 156
Фильтровальные перегородки 98
Фильтр-прессы 103
Фильтры
вакуум-фильтры см. Вакуум-филь-
тры
конструкции 99
листовые 104
мешочные 106
рукавные 166
техническая характеристика 107
Фланцы 51—55
Форсунки 165
Фруда критерий 63
Футеровка 31, 158
Хоппер 172
Хранение сырья и продуктов 203—
220
Центрифуги
классификация 108
классифицирующие 121
маятниковые 1Q9—112
обезвоживающие 121
осветляющие 121
подвесные 112—114
пульсирующие 118—120
техническая характеристика 122
фильтрующие 115
шнековые 111, 120
Циклоны 170
Цистерны 172
Шнеки 111, 120, 181, 237
Штуцеры 56
Эжектор пароструйный 88
Элеватор 237
ковшовый 179
Электропечь руднотермическая 162
Электр отехнол огическое оборудова-
ние 154—170
Электрофильтры 167
Элементы аппаратов, расчет 44—59
Эмалирование 29