/
Text
С. А.ФАРАМАЗОВ
ОБОРУДОВАНИЕ
НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
ЗАВОДОВ
И ЕГО
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для учащихся
нефтяных и химико-механических техникумов
МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯИ978
6П7.43.08
Ф 24
УДК 665.63/.64:6б.О2(075.8)
Фарамазов С. А.
Ф 24 Оборудование нефтеперерабатывающих заво-
де;! и его эксплуатация. М., «Химия», 1978.
352 с.; 205 рис.; 41 табл.,- список литературы 38 ссылок.
' -В тлите рассмотрены основные типы технологического обо-
ру.тоиа.'п;п.чсфтеперср.збаты!ичощих заводов, а также конструк-
тив ыа. элементы и материалы, применяемые для изготовления
этого о 5с,ст грвзния. Специальная глава поемщег я трубопро-
f подом п трубопроводной арматуре. Наряду с расчетами <f> о-
рудования приведены сведения по его эксплуатации и безопас-
ному обслуживанию.
Кгага является учебником дня техникумов по специально-
ст п сОборудопгшгю л-яагн’.-остснх и псфтсгазопсрсрабатнг кнощих
з;;едк». Опа может быть полезна также пнжеперио-техпиче-
скн-м 7обоTWiкии пречпёрпяпО нефтеперерабатывающей, ле ф
те хной-; декой и \ ими ческой промышленности.
31402-086
Ф -ь- Хех,-г~тй’86 •—78
О..’фО1) - /8
6П7.43.08
Издательство «Химия», 1978 г.
Содержание
Предисловие........................................................ 8
Глава I. КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОБОРУДОВА-
НИЯ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ЗАВОДОВ ... 9
Классификация оборудования......................................... 9
Методы и последовательность расчета оборудования................... Ю
Технологический расчет ....................................... Н
Механический расчет......................................... 15
Глава И. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГО-
ТОВЛЕНИЯ НЕФТЕЗАВОДСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ . - 17
Стали............................................................. 17
Углеродистые стали..................... 22
Легированные стали........................................... 24
Чугун . 29
Цветные металлы.................................................. 29
Медь и ее сплавы..............................................31
Алюминий и его сплавы........................................ 32
Сплавы .никеля ...............................................33
Свинец....................................................... 34
Титан,.............................. .....................34
Неметаллические материалы ...................................... 3G
Материалы неорганического происхождения...................... 30
Материалы органического происхождения...........................3 8
Глава 1’1. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОБОРУ-
ДОВАНИЯ. ИХ РАСЧЕТ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУА-
ТАЦИИ . . И
.<<.риуса аппаратов . И
Габаритное ть............................................., 43
Исходные данные .i.aei расчетов............................... 44
Допускаемые напряжения.........................................46
Напряжения, возникающие в стенке обечайки......................49
Расчет тонкостенных цилиндрических корпусов, работающих под
внутренним давлением ........................................ 50
Расчет тонкостенных цилиндрических корпусов, работающих под на-
ружным давлением „,...........................................51
Расчет толстостенных цилиндрических корпусов...................58
Конические обечайки .......................................... 50
Днища цилиндрических 'аппаратов................................61
Укрепление вырезов в стенках аппаратов.........................69
Фланцевые соединения.................................................70
Тилы прокладок.................................................72
Расчет болтов и шпилек........................................ 74
Работа болтов и шпилек при высоких температурах................75
Штуцера........................................................76
Люки...........................................................77
Опоры................................................................78
Опоры горизонтальных аппаратов.................................78
Опоры вертикальных аппаратов................................81
Расчет вертикальных аппаратов на ветровую нагрузку..................84
Расчет вертикальных аппаратов на сейсмическую нагрузку...............92
Сварные швы ....................................................... 94
Расчет сварных швов............................................98
Термообработка сварных швов....................................99
Особенности сварки различных конструкционных материалов . . 99
Эксплуатация аппаратов . ......................................102
Глава IV. ЕМКОСТИ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ, ГАЗА И НЕФТЕ-
ПРОДУКТОВ .............................................104
Цилиндрические вертикальные резервуары.............................. 105
Каплевидные резервуары............................................111
Шаровые резервуары .................................................112
Эксплуатация резервуаров............................................ ИЗ
Газгольдеры..................................................... 118
Глава V. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ 120
Ректификационные колонны.......................................... 121
Насадочные колонны............................................122
Тарельчатые колонны......................................... 126
Корпус ректификационной колонны...............................130
Колпачковые ректификационные тарелки..........................134
Бесколпачковые ректификационные тарелки.......................140
Клапанные тарелки.............................................143
Механический расчет тарелок..................................... 144
Улиты и отбойные устройства ко юнн...............................148
Эксплуатация колонн .......................................... 151
Абсорберы, адсорберы и десорберы...................................156
Жидкостные экстракторы.............................................159
Глава VI. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ...................................161
Тепловой расчет поверхностных теплообменников.........................162
Гидравлические сопротивления в теплообменниках . ................166
.Кожухотрубчатые теплообменники....................................166
Теплообменники жесткой конструкции............................167
Теплообменники с плавающей головкой...........................174
Теплообменники с U-образнымп трубами..........................180
Теплообменники «труба в трубе» . . . . *.......................181
Одноп'оточные теплообменники..................................182
Многопоточные теплообменники..................................184
Кристаллизаторы ..........................,......................187
Подогреватели с паровым 'пространством.............................188
Погружные конденсаторы н холодильники.................................190
Конденсаторы-холодильники воздушного охлаждения....................194
Градирни..................................................... 198
Теплос'бменпики других видов...................... ................199
Г л а в а VII. ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ.........................................202
Принцип работы печей............................ ..................202
Основные показатели работы печей........................ 204
Тепловой баланс печей ..... 205
Конструктивные элементы печей ...................................... 207
'Фундаменты.................................................. 208
Металлические каркасы........................................ 209
Стены..........................................................212
Подвесные своды................................................214
Трубные, змеевики..............................................216
Гарнитура печей ............................................ 218
Топливное оборудование ..................................... 221
Топливоснабжение печей.........................................225
Дымовые трубы и дымоходы.......................................226
Пароперегреватели и рекуператоры ..............................227
Эксплуатация печей....................................................229
Пуск печей....................................................230
Нормальная эксплуатация печей ................................232
Плановая остановка печей......................................233
Аварийная остановка печей.....................................234
Контрольная опрессовка печей..................................235
Глава VIII. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРО
ЦЕССОВ..............................................................236
Оборудование для .перемешивания.....................................237
Способы перемешивания.........................................23й
Лопастные, рамные и якорные мешалки......................... .241
Пропеллерные мешалки..........................................242
Турбинные мешалки....................................... ... 243
Определение мощности привода мешалок . 244
Конструктивные элементы мешалок.............................. 245
Отстойники..........................................................249
Фильтры......................................................... 252
Рамные филь-пр-нрессы....................................... 253
Листовые (пластинчатые) фи астры..............................256
Вакуум-фильтры................................................ , 259
Центрифуги п сепараторы.............................................263
Отстойные центрифуги..........................................263
Фильтрующие центрифуги........................................264
Конструктивные элементы центрифуг.............................265
Эксплуатация центрифуг...................................... 271
Центробежные сепараторы.......................................272
Циклоны.............................................................274
Глава IX. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ....................................................276
Реакторы и регенераторы установок каталитического крекинга .... 276
Аппараты установок с циркулирующим шариковым катализатором 277
Аппараты установок с кипящим (псевдоожиженным) слоем пылевид-
ного катализатора ........................................... 285
Реакторы установок каталитического риформинга.......................295
Реакторы установок гидроочистки дизельных топлив ...... 298
Контакторы установок сернокислотного алкилирования . . ... 301
Глава X. ТРУБОПРОВОДЫ И ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМА ГУРА . . 303
Трубопроводы.................................................... . 3('3
Выбор груб......................................... . . 307
Расчет диаметра трубопроводе*»............................... .312
Расчет трубопроводов па лроччосп................... . ЗИ-
Опоры трубопроводов................................. . 31 б
Определение температурных деформаций; колпевган^; 3 IS
Узлы и детали трубопроводов.................................. 3.22
Трубопроводная арматура . 325
Задвижки ..........................................
Вентили....................................................... 329
Краны.......................................................33
Обратные клапаны..............................................333
Предохранительные клапаны...................................334
Рекоменданки по выбору трубопроводной арматуры................336
Испытание трубопроводов............................................337
Эксплуатация трубопроводов ...................................... 337
Глава XL ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ АППАРАТОВ II ТРУБОПРОВО-
ДОВ .....................................................339
Мастичные конструкции..............................................340
Формованные конструкции..........................................341
Расчет тепловой изоляции.........................................342
Литература......................................................... 347
Предметный указатель.............................................349
Предисловие
Постоянное развитие техники нефтепереработки, повышенные
требования к качеству выпускаемой продукции вызывают необходи-
мость использования высокопроизводительного оборудования, от-
вечающего по своим технико-экономическим показателям лучшим
мировым образцам. Выпускавшиеся ранее машиностроительной
промышленностью кованые литые и клепаные аппараты и машины
малой производительности, работавшие в узких пределах техно-
логических параметров, в настоящее время уступили место круп-
ным и сложным по конструкции аппаратам и машинам, способ-
ным функционировать при температурах от 185 до 3000 °C, в ус-
ловиях глубокого вакуума и давлений до 300 МН/м2, в сильно
агрессивных средах. Это стало возможным благодаря бурному тех-
ническому прогрессу в машиностроении и аппаратостроении, при-
менению передовой сварочной и монтажной техники, а также на-
дежных методов контроля.
Оборудование нефтеперерабатывающих заводов разнообразно
как по назначению, так и по конструктивному оформлению, по-
этому в учебнике приведены только основные, наиболее распрост-
раненные виды оборудования. Они сгруппированы по тем процес-
сам, осуществление которых предназначены обеспечить.
При изложении материала учитывалось, что, согласно утверж-
денной программе, студенты уже знакомы с курсами тех-
нической механики, металловедения, технологии нефти и газа,
а также с основами термодинамики и теплотехники. Поскольку
студенты не проходят специального курса процессов и аппаратов,
в книге даны краткие сведения, позволяющие понять сущность
процессов, происходящих в оборудовании нефтеперерабатывающих
заводов, а также производить некоторые технологические и теп-
ловые расчеты, необходимые для определения основных размеров
аппаратов. В книге отсутствуют разделы, посвященные насосам,
компрессорам, вентиляторам и подъемно-транспортному оборудо-
ванию, так как они предусмотрены в специальных учебных кур-
сах.
Автор с признательностью примет все замечания читателей,
направленные на улучшение содержания книги.
В заключение автор считает своим приятным долгом выра-
зить благодарность рецензентам В. С. Дурову и Л. М. Пильчу,.
чьи ценные советы и рекомендации были учтены при окончатель-
ном редактировании книги.
ГЛАВА I
КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА
ОБОРУДОВАНИЯ
НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ЗАВОДОВ
КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
На нефтеперерабатывающих заводах осуществляется большое
число разнообразных процессов, предназначенных для получения
нз исходного сырья (нефти или газа) целевых продуктов: бензи-
на, керосина, дизельного топлива, масла, парафина, битумов, наф-
теновых кислот, сульфокислот, деэмульгаторов, кокса, сажи и др.,
включая сырье для химической промышленности. Такими процес-
сами являются: транспортирование газов, жидкостей и твердых
материалов; нагревание, охлаждение, перемешивание и сушка ве-
ществ; разделение жидких и газовых неоднородных смесей; из-
мельчение и классификация твердых материалов и другие физи-
ческие и физико-химические процессы. В последние годы в неф-
теперерабатывающей промышленности все больший объем зани-
мают химические процессы как основа глубокой переработки
нефтяного сырья.
Однотипные физические, физико-химические, и химические про-
цессы характеризуются общими закономерностями и в различных
производствах осуществляются в машинах и аппаратах, рабо-
тающих по одному принципу.
Общие для различных производств нефтепереработки процес-
сы в зависимости от основных законов, определяющих их, под-
разделяют на:
1) гидромеханические процессы (перемещение жидкостей и га-
зов, разделение жидких и газовых неоднородных систем, переме-
шивание жидкостей);
2) тепловые процессы (нагревание, охлаждение, выпаривание,
конденсация);
3) массообменные процессы (они объединены законами массо-
передачи и включают перегонку, ректификацию, абсорбцию, ад-
сорбцию, экстракцию, кристаллизацию и сушку);
4) механические процессы (измельчение, транспортирование,
сортировка и смешение твердых веществ);
5) химические процессы (они объединены законами химиче-
ской кинетики и включают разнообразные химические реакции).
Все названные процессы осуществляются в соответствующих
аппаратах и машинах, конструкция которых определяется наибо-
лее целесообразным способом и конкретными условиями осущест-
вления данного процесса.
Классификация технологического оборудования в соответствии
с процессами, которые в нем протекают, удобна не только для
изучения, но и для комплексного технологического и механическо-
го расчета каждого аппарата или машины.
Гидромеханические процессы обеспечиваются-, насосами (для
перемещения жидкостей), компрессорными машинами (для пере-
мещения и сжатия газов), отстойниками (для осаждения под дей-
ствием сил тяжести твердых частиц или капелек воды, равномерно
распределенных в жидкой фазе), фильтрами (для разд'глелчя сус-
пензий, содержащих мелкие взвешенные частицы, которые задер-
живаются пористыми перегородками), центрифугами (для разде-
ления эмульсий и суспензий в поле центробежных сил), мешал-
ками (для получения однородных растворов, эмульсий, суспензий,
а также для интенсификации диффузионных и тепловых процес-
сов) и другими машинами и аппаратами.
Для осуществления тепловых процессов применяют трубчатые
печи — огневые нагреватели, в которых тепло сжигаемого топли-
ва передается сырью — и теплообменные аппараты, в которых ре-
генерируется тепло нефтеперерабатывающих установок или кон-
денсируются пары и охлаждаются отходящие от этих установок
дистилляты.
Для массообменпых процессов применяют главным образом
колонные аппараты — ректификационные колонны, абсорберы, ад-
сорберы, десорберы, экстракторы и т. д.
Механические процессы осуществляются в дробилках, мельни-
цах, классификаторах и дозаторах твердых материалов.
Химические процессы протекают в реакционных аппаратах раз-
личных конструкций — реакторах.
По способу организации основного технологического процесса
аппараты делятся на аппараты периодического и непрерывного
действия.
Аппараты периодического действия через определенные проме-
жутки времени сначала загружаются исходными сырьем и мате-
риалами, а после завершения процесса разгружаются от конечного
продукта. Такой цикл повторяется в течение всего времени осуще-
ствления технологического процесса.
Особенностью аппаратов непрерывного действия является не-
прерывное поступление исходных сырья и материалов и непре-
рывная выгрузка конечных продуктов. При установившемся про-
цессе загрузка и разгрузка аппарата происходит единовременно
без циклов.
МЕТОДЫ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА
ОБОРУДОВАНИЯ
Изготовлению каждого аппарата или машины предшествует его
проектирование (конструирование). В зависимости от значимо-
сти оборудования, его изученности, наличия типовых проектов
или апробированных решений проектная организация проектиру-
ет его в одну или две стадии. В подавляющем большинстве слу-
чаев оборудование проектируют в одну стадию, при этом заказчи-
ку выдается техно-рабочий проект, содержащий всю необходимую
документацию (схемы, чертежи, сметы) для изготовления данно-
го оборудования.
Оборудование, которое не имеет прототипа, мало изучено и
играет определяющую роль в технологическом процессе, проекти-
руют в две стадии. Первая стадия называется техническим про-
ектом. На этой стадии решаются принципиальные вопросы и про-
водятся укрупненные расчеты. Технический проект содержит под-
робные разработки и конкретные решения конструкции оборудова-
ния, что позволяет тщательно разработать и проанализировать
проект и избежать возможных ошибок. На базе уточненного и
утвержденного технического проекта составляют рабочие чертежи
(вторая стадия проектирования).
Основными данными для проектирования обычно являются:
производительность, режим работы, расходные нормы, условия
нормальной работы, коррозионные и токсические свойства сырья
и получаемых продуктов, а также требования техники безопасно-
сти, характерные для данного процесса.
Производительность может быть задана по сырью, целевому
продукту, полуфабрикатам, реагентам, тепло- и хладоносителям
и т. д. Режимом работы предусматривается продолжительность
работы непрерывно действующего оборудования или продолжи-
тельность отдельных операций и циклов для периодически дейст-
вующего оборудования. Некоторые данные, если они не заданы,
находят расчетным путем, например выход целевого продукта или
полуфабрикатов, если задано их качество.
Проектирование аппаратов и машин включает технологический
и механический расчеты их.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Технологический расчет необходим для определения основных
размеров оборудования, обеспечивающих оптимальный режим ра-
боты его. Для этого определяют массовые потоки перерабатывае-
мых материалов, энергетические затраты, необходимые для осу-
ществления процесса. Путем анализа кинетических закономерно-
стей находят такие оптимальные условия процесса, при которых
размеры оборудования минимальны. Например, при проектиро-
вании теплообменных аппаратов можно при различных размерах
поверхностей теплообмена обеспечить равное количество переда-
ваемого тепла за счет соответствующих скоростей движения теп-
лообменивающихся сред. Чем больше эти скорости, тем мепыпе
требуемая поверхность теплообмена, но тем выше затраты энер-
гии на преодоление гидравлических сопротивлений, вызванных
увеличением скорости. Поэтому при проектировании производится
расчет нескольких вариантов, чтобы был возможен выбор наибо-
лее эффективных условий работы при наименьших затратах.
Технологический расчет оборудования проводят в определен-
ной последовательности. Сначала на основе законов сохранения
массы и энергии составляют материальный и энергетический ба-
лансы.
Из закона сохранения массы выводится уравнение материаль-
ного баланса:
2 GH = 2 Gk+ S °н.п O-l)
где G„ — масса исходных (начальных) материалов;
Glt—масса конечных продуктов;
GB. п — масса необратимых потерь вещества.
/Материальный баланс для непрерывных процессов составляется
на единицу времени, а для периодических процессов — на одну
операцию.
Соответственно из закона сохранения энергии следует уравне-
ние энергетического (теплового) баланса:
2 QH=S Qk+S (I-2>
где — вводимое (начальное) тепло;
2Q„—тепло, уходящее из аппарата с продуктами (конечное);
SQn — потери тепла в окружающую среду.
Вводимое тепло включает тепло, вносимое с исходными веще-
ствами, тепло, подводимое извне, и тепловой эффект физических,
или химических превращений. Тепловой эффект является положи-
тельной величиной, если процесс сопровождается выделением теп-
ла, и отрицательной — если в ходе процесса тепло поглощается.
Материальный и тепловой балансы для удобства составляют
в виде схем или таблиц, где указывают все статьи поступления и
расхода. В случае сложных аппаратов материальный и энергети-
ческий балансы составляют для отдельных частей (участков) ап-
парата.
После составления материального и энергетического (теплово-
го) балансов определяют движущую силу и скорость процесса,
протекающего в аппарате, чтобы определить основные, определяю-
щие размеры последнего.
Известно, что всякий процесс протекает до тех пор, пока систе-
ма не придет в состояние равновесия. Например, при контакте
двух тел с разными температурами процесс завершится тогда,
когда температура обоих тел станет одинаковой, т. е. наступит со-
стояние равновесия. Разность температур теплообменивающихся
тел является движущей силой процесса теплообмена. Чем больше
эта разность, т. е. чем больше отличается состояние системы от
условий, соответствующих равновесным, тем интенсивнее протека-
ет процесс. Таким образом, степень отличия системы от равновес-
ной представляет собой движущую силу процесса.
При расчете каждого аппарата необходимо определить движу-
щую силу процесса исходя из величин, характеризующих рабочие
и равновесные параметры. Связь между размерами аппарата, дви-
жущей силой процесса и его скоростью можно выразить уравне-
нием:
7Г = КД (1-3)
где М — количество передаваемого вещества или тепла;
/ — поверхность, через которую они передаются;
т — время, за которое осуществляется эта передача;
Д — движущая сила процесса;
К,—коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость процесса
(выбирается на основании экспериментальных данных либо определяется
расчетным путем).
Из уравнения (1.3) находят рабочую поверхность аппарата,
обеспечивающую процесс при всех остальных заданных величинах,
входящих в уравнение. Из этого уравнения можно также опреде-
лить рабочий объем аппарата V, зная, что F-=aV (где а — поверх-
ность, приходящаяся на единицу объема аппарата).
При известных объеме среды, находящейся в аппарате в еди-
ницу времени УСею и линейной скорости движения среды в аппа-
рате ш можно найти площадь поперечного сечения аппарата:
S=-^- (1.4)
Зная <5, определяют линейные размеры поперечного сечения ап-
парата исходя из формы сечения. Для цилиндрических аппаратов
находят их диаметр:
Д = (1.5)
Высоту или длину аппарата определяют из соотношения
V
Н = -$- (1.6)
где V — рабочий объем аппарата;
S — площадь поперечного сечения;
Я — высота (длина) аппарата.
Расчетную высоту (длину) аппарата уточняют в зависимости
от размеров устройств, которые должны быть в нем размещены,
а также с учетом необходимости проведения ремонтных работ и
удобства обслуживания при эксплуатации.
При технологическом расчете аппаратов периодического дейст-
вия необходимо учитывать время на подготовку процесса перед
каждым циклом, т. е. время, которое затрачивается на загрузку,
выгрузку, промывку и другие вспомогательные операции, не имею-
щие прямого отношения к тому процессу, для которого предназ-
начен аппарат.
Рабочий объем V периодически действующего аппарата опре-
деляют по формуле
Р = -9^ (1.7)
24ср ' '
где Vcvt -суточная производительность аппарата плп группы аппаратов, пред-
назначенных для данного процесса;
т — время технологического цикла, состоящего из собственно процесса и
всех вспомогательных операций;
k —коэффициент запаса производительности;
ф— коэффициент заполнения аппарата.
Коэффициент запаса производительности k, учитывающий не-
производительные простои аппарата на ремонт, наладку и т. д.,
принимается равным 1,1—1,15.
Коэффициент заполнения (р обычно принимают равным 0,4—
0,9. Нижний предел принимается для аппаратов с перемешиваю-
щими устройствами, а также для аппаратов, в которых возможно
образование пены, верхний предел — для аппаратов, в которых
поверхность среды относительно спокойная.
Если при расчете получился очень большой рабочий объем V,
то, задавшись объемом одного аппарата определяют число не-
обходимых для процесса однотипных аппаратов п:
V
я=тг- (1-8)
При установлении объема аппарата следует учесть, что соот-
ветствующий ГОСТ предусматривает нормальный ряд цилиндри-
ческих аппаратов и сосудов объемом до 200 м3. Ниже приводятся
данные из этого ГОСТ (начиная с 1 м3):
1 ,00 2,5 6,3 16,0 40,0 100
1,25 3,2 8,0 20,0 50,0 125
1,60 4,0 10,0 25,0 63,0 160
2,00 5,0 12,5 32,0 80,0 200
Число, выражающее объем проектируемого аппарата, не долж-
но отличаться от диаметра аппарата нормального ряда более чем
на 4-10 и —5%.
Внутренний объем крышек, люков, штуцеров, а также объем
защитной футеровки и других покрытий при определении номи-
нального объема аппарата не учитывается.
Для газгольдеров, емкостей под нефтепродукты, аппаратов
колонного типа, теплообменников и некоторых других аппаратов
приведенный выше нормальный ряд объемов не обязателен.
Зная объем аппарата, нетрудно определить его размеры. Для
этого задаются площадью сечения и определяют высоту (длину)
аппарата или, наоборот, задавшись высотой (длиной), определя-
ют площадь поперечного сечения и, следовательно, диаметр ап-
парата.
Наряду с основными размерами аппарата в результате техно-
логического расчета определяют или задают тепловой режим, рас-
ход теплоносителей, потери напора, потребные мощности и другие
параметры, без которых невозможно проектирование оборудова-
ния.
МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Процессы, для которых проектируется оборудование нефтеперера-
батывающих заводов, отличаются чрезвычайным разнообразием
параметров. Основными эксплуатационными параметрами явля-
ются температура, давление и физико-химические свойства сре-
ды. Для технологического оборудования характерен непосредст-
венный контакт со средами, поэтому при широком интервале па-
раметров работы оборудования часто проявляется сильное агрес-
сивное воздействие среды, зависящее от ее физического состояния
и химических свойств.
Оборудование должно быть надежным и безопасным в экс-
плуатации. Такие условия, как высокая производительность, по-
вышенные взрыво- и пожароопасность среды, продолжительная
непрерывная работа обусловили дополнительные требования к
конструкции оборудования нефтеперерабатывающих заводов.
Оборудование считается надежным, если оно полностью соот-
ветствует технологическому назначению в пределах заданных па-
раметров работы, если исключена возможность нарушения цело-
стности и рабочей пригодности всей конструкции, ее узлов и дета-
лей и, следовательно, возможность аварий.
Автоматическое регулирование и поддержание заданного ре-
жима технологического процесса, которое осуществляется в на-
стоящее время повсеместно, в сочетании с разнообразными част-
ными решениями (например, установка предохранительных
клапанов, систем сигнализации и др.) обеспечивает работу обору-
дования в строго определенных пределах параметров. Поэтому
надежность оборудования обусловлена прежде всего его конст-
рукцией и уходом за ним в процессе эксплуатации.
Надежность конструкции обеспечивается механическим расче-
том, т. е. расчетом на прочность оборудования в целом, его узлов
и деталей. Для изготовления оборудования выбирают такие конст-
рукционные материалы, свойства которых на протяжении установ-
ленного срока непрерывной эксплуатации не ухудшаются по срав-
нению с допускаемыми для каждого конкретного случая нормами.
Конструкция должна обеспечить наибольшую долговечность
оборудования — продолжительность сохранения минимально допу-
стимой надежности в условиях эксплуатации и принятой системы
обслуживания (ухода и ремонтов). Однако при увеличении долго-
вечности конструктивным путем (за счет увеличения толщины
стенки аппарата, диаметра вала машины и т. д.) или путем при-
менения высококачественных конструкционных материалов повы-
шается стоимость оборудования, а это не всегда целесообразно.
Следует помнить, что быстрое совершенствование технологических
процессов в нефтепереработке требует частого переоснащения тех-
нологических установок и целых комплексов. И тогда оборудова-
ние списывается не из-за потери надежности, а вследствие техно-
логической, а иногда и конструктивной отсталости (вследствие
освоения промышленностью новой • технологии процесса, новых
конструкционных материалов и др.). Поэтому при установлении
проектной долговечности следует исходить из перспективности
технологического и конструктивного решения каждого вида обо-
рудования.
Конструкция оборудования должна быть технологичной в из-
готовлении, удобной для транспортировки, монтажа и ремонта.
Она должна быть максимально экономичной, что определяется
прежде всего минимальным расходом конструкционных материа-
лов, особенно дефицитных, дорогостоящих.
Только правильно проведенный расчет на прочность или жест-
кость может удовлетворить все требования, предъявляемые к
конструкции оборудования.
После определения всех конструктивных размеров аппарата
или машины составляют рабочие чертежи, по которым на маши-
ностроительном заводе изготовляют данное оборудование.
Несмотря на многообразие процессов и видов оборудования
нефтеперерабатывающей промышленности, за последние годы про-
ведена большая работа по унификации ряда аппаратов и машин,
а также узлов и деталей к ним. Это значительно облегчило их
проектирование и изготовление и повысило эффективность ис-
пользования.
На многие аппараты и машины утверждены Государственные
стандарты (ГОСТ), на другие распространены отраслевые стан-
дарты (ОСТ) и отраслевые нормали. При проектировании необ-
ходимо строго придерживаться нормативных материалов, область
действия которых постоянно расширяется.
ГЛАВА II
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
НЕФТЕЗАВОДСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Исходя из условий, в которых работает различное оборудование
нефтеперерабатывающих заводов, к конструкционным материа-
лам, применяемым для его изготовления, могут предъявляться
следующие основные требования: высокая механическая проч-
ность, высокая коррозионная стойкость, жаростойкость, жаропроч-
ность, стойкость к высоким и низким температурам, знакопере-
менным нагрузкам и др.
Аппаратуру для нефтеперерабатывающих заводов изготовляют
главным образом сваркой; исключение составляют кованые аппа-
раты, работающие при очень высоких давлениях. Поэтому приме-
няемый конструкционный материал должен обладать хорошей
свариваемостью.
Основным конструкционным материалом для нефтеаппаратуры
являются стали, поставляемые в виде листового и сортового про-
ката, труб, поковок или отливок. Применяют также чугун и цвет-
ные металлы. Неметаллические материалы, в том числе полимер-
ные, в качестве конструкционных применяют редко; они служат
в основном для облицовки или футеровки оборудования и отдель-
ных узлов и деталей.
СТАЛИ
Применяемые в промышленности стали классифицируют по хими-
ческому составу, назначению и способу производства. По хими-
ческому составу различают углеродистые и легированные стали;
по назначению — конструкционные, инструментальные и особые
стали; по способу производства — обыкновенного и повышенного
качества, качественные и высококачественные стали.
Механические свойства стали определяются ее структурой, со-
держанием углерода в ней и количеством примесей.
Для получения стали нужного качества задаются ее структу-
рой (феррит, аустенит, цементит, перлит, мартенсит и др.), кото-
рая обеспечивается в процессе плавки.
По содержанию углерода стали делятся на три группы: доэв-
тектоидную (до 0,8% углерода), эвтектоидную (0,8% углерода) и
заэвтектоидную (0,8—2% углерода). Чем больше в стали углеро-
2—2255
И НВ. X»_______
Библио гема У^И
да, тем выше ее твердость и прочность, но ниже пластические
свойства.
В стали неизбежно присутствуют в качестве примесей кремний
(0,1—0,35%), марганец (0,35—0,7%), сера (0,03—0,05%), фос-
фор (0,03—0,05%). Они оказывают па свойства стали значитель-
ное влияние. Сера и фосфор являются вредными примесями: сера
вызывает красноломкость (повышенную хрупкость в горячек! со-
стоянии), фосфор — хладноломкость (пониженную вязкость, осо-
бенно при отрицательных температурах,).
В незначительных количествах в стали содержатся так:ъс во-
дород, (до 0,001%), азот (до 0,01%) и кислород (до 0,01%). Эти
газы, называемые скрытыми примесями, являются вредными и
ухудшают качество стали.
При плавке в. стгаь попэцчют в г.сбольпшх количествах хном,
никель и медь. Хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, алю-
миний, марганец, кремний и другие элементы в разных сочетаниях
и количествах специально вводят в сталь в качестве легирующих
добавок, улучшающих ее свойства.
Оборудование нефтеперерабатывающих заводов изготовляют
из конструкционной стали, которая делится на углеродистую, низ-
колегированную и легированную. Выбор марки стали требует уче-
та множества факторов, из которых наиболее важны максималь-
ная и минимальная температуры стенки аппарата в процессе экс-
плуатации.
Механические свойства сталей изменяются в широких преде-
лах при высоких и низких температурах.
Поведение сталей при высоких температурах. При повышении
температуры предел текучести сталей падает, поэтому допускае-
мые напряжения должны быть меньше, чем при нормальных усло-
виях.
Влияние температуры на механические свойства углеродистой
стали видно из данных табл. II-1. В этой таблице значения ве-
личин, характеризующих механические свойства стали при темпе-
ратуре 20 °C, приняты за 100%.
Таблица П-1. Влияние температуры на механические свойства углеродистых
сталей, содержащих до 0,4% углерода
Механические свойства Значения (в %) при температуре среды, СС
20 100 200 300 400 500
Предел прочности ои 100 ’,00 120 115 90 60
Предел текучести ат 100 95 85 70 58 40
Относительное удлинение 8 100 80 55 80 100 НО
Модуль упругости при растяжении Е 100 98 95 90 85 75
Ударная вязкость щ 100 ПО 115 110 85 60
Как видно из табл. П-1, повышение температуры наиболее
сильно влияет на предел текучести. Поэтому при расчете аппара-
тов, работающих при высоких температурах, допускаемое напря-
жение следует выбирать в зависимости от предела текучести при
данной температуре, а не от предела прочности.
В напряженном состоянии сталь реагирует на высокие темпе-
ратуры значительно сильнее; возникают ползучесть и релаксация,
а также может нарушиться стабильность ее структуры. Интенсив-
ность ползучести, релаксации и характер нарушения стабильности
сталей зависят от их химического состава, структуры, а также от
напряжений и температур, которым они подвержены в процессе
эксплуатации.
С повышением температуры сталь переходит из упругого со-
стояния в упруго-пластическое и под влиянием нагрузки непрерыв-
но деформируется. Способность стали медленно, непрерывно пла-
стически деформироваться при неизменной нагрузке называют
ползучестью.
У обычных углеродистых сталей ползучесть наступает при тем-
пературах выше 375 °C, у низколегированных конструкционных
сталей при температурах выше 420 °C, у нержавеющих аустенит-
ных сплавов — выше 525 °C. О теплоустойчивости сталей судят по
ее сопротивлению ползучести. Путем продолжительных испытаний
{3000 ч и более) определяют зависимость абсолютной деформации
образца от времени выдержки при данной нагрузке и температу-
ре и вычисляют скорость ползучести:
где t'n — скорость ползучести;
Д/ — абсолютная деформация образца;
I—первоначальная длина образца;
т — время.
Условным пределом ползучести называется такое напряжение,
которое соответствует скорости ползучести, равной 10-6 или
10 7 мм/(мм-ч), т. е. вызывает деформацию ползучести, равную
1%, за время соответственно 10000 или 100000 ч. В зависимости
от времени деформации условный предел ползучести обозначает-
ся <тП1о-в или Опит7 • Он определяется опытным путем для каждой
марки стали и используется тогда, когда важно ограничить общую
деформацию детали.
Для расчетов на прочность, когда необходимо определить допу-
скаемое напряжение стали, пользуются пределом длительной проч-
ности, т. е. напряжением, под действием которого за определен-
ный промежуток времени при определенной (высокой) температу-
ре образец разрывается.
Условный предел ползучести и предел длительной прочности
стали значительно повышаются при добавлении молибдена, воль-
фрама, ванадия, никеля.
у
Различные напряженные соединения, пружины, болты, рабо-
тающие при высоких температурах, подвержены релаксации, т. е.
самопроизвольному снижению напряжения в детали при неизмен-
ной их деформации, приобретенной первоначально. Релаксация
является результатом перерастания упругой деформации в пласти-
ческую под влиянием продолжительного воздействия высокой тем-
пературы. Уменьшение первоначального напряжения (например,
затяжки болтов, пружин) приводит к разгерметизации оборудова-
ния или к расстройству его работы. Чтобы уменьшить влияние ре-
лаксации, прибегают к постепенным двух-трехкратным подтягива-
ниям соединений при рабочей температуре до первоначального на-
пряжения.
В условиях высоких температур некоторые стали склонны к на-
рушению стабильности структуры, главным образом к графитиза-
ции, межкристаллитной коррозии и тепловой хрупкости.
Явление графитизации, наблюдаемое при температуре выше
475 °C, связано с разрушением карбида углерода и образованием
в зоне сварных швов цепочек свободного графита. Особенно склон-
ны к графитизации углеродомолибденовые стали и серый чугун.
Для того чтобы предотвратить графитизацию, в сталь добавляют
некоторое количество хрома.
Хромоникелевые аустенитные стали при температурах выше
400 °C склонны к межкристаллитной коррозии, суть которой за-
ключается в выпадении по границам зерен карбида хрома. Обед-
нение границ зерен хромом приводит к потере коррозионной стой-
кости стали и к ухудшению ее механических свойств. Особенно
сильно подвержена межкристаллитной коррозии сталь марки
1Х18Н9Т, широко применяемая для изготовления аппаратов неф-
теперерабатывающих заводов, поэтому если аппараты работают
при высоких температурах, то сталь необходимо подвергнуть ста-
билизирующему отжигу. Сопротивление стали межкристаллитной
коррозии еще больше увеличивается при добавлении титана.
Некоторые стали в результате длительной работы при темпера-
турах выше 450 °C значительно теряют ударную вязкость, при
этом другие механические свойства сохраняются. Это явление, на-
зываемое тепловой хрупкостью, часто наблюдается у низколеги-
рованных сталей. Поэтому последние стабилизируют добавлением
молибдена, вольфрама, ванадия.
Поведение сталей при низких температурах. В нефтепереработ-
ке некоторые процессы осуществляются при отрицательных тем-
пературах (ниже 0 °C). При выборе стали для оборудования этих
процессов необходимо знать, как изменяются ее механические
свойства при низких температурах.
Предел прочности (временное сопротивление разрыву), предел
текучести, модуль упругости и относительное удлинение стали
с понижением температуры изменяются незначительно. Низкие
температуры вызывают главным образом сильное падение ударной
вязкости для всех сталей.
Ударная вязкость стали характеризует ее склонность к хруп-
кому разрушению. Путем испытания на удар при различных тем-
пературах находят порог хладноломкости, т. е. ту температуру,
при которой сталь от вязкого разрушения переходит к хрупкому.
Состояние хрупкого разрушения для некоторых углеродистых ста-
лей может наступить уже при О °C. В наибольшей степени хлад-
ноломкости стали способствует наличие в ней фосфора. Порог
хладноломкости несколько понижается с уменьшением содержания
углерода.
Аппараты, работающие при низких температурах, изготовляют
из качественной мартеновской стали с небольшим содержанием
серы и фосфора (область применения до —40°C), из низколеги-
рованной стали с добавкой марганца (до —70°C), из высоколеги-
рованных хромоникелевых сталей (до —180°C).
В условиях низких температур самое широкое применение
нашли цветные металлы и сплавы, не подверженные хладноломко-
сти.
Коррозионная стойкость. При выборе конструкционных мате-
риалов для оборудования нефтеперерабатывающих заводов часто
определяющим фактором является агрессивность среды.
Коррозионная стойкость металла необходима не только для
того, чтобы обеспечить долговечность аппарата, но и для того,
чтобы предотвратить воздействие металла и продуктов коррозии
на технологический процесс.
Скорость коррозии металлов зависит от различных внутренних
и внешних факторов. К внутренним факторам относятся структур-
ные особенности металла, механические напряжения, характер-
обработки и т. д. К внешним факторам относятся агрессивные
свойства среды, температура и скорость движения среды, давле-
ние и др.
Коррозионную стойкость металлов и сплавов обычно проверя-
ют в лабораторных условиях. При выборе конструкционного ма-
териала пользуются справочными данными, основывающимися как
на результатах лабораторных испытаний, так и на практических
наблюдениях.
По ГОСТ коррозионная стойкость металлов оценивается де-
сятибалльной шкалой (табл. П-2). Задавшись группой стойкости,
для данной коррозионной среды и принятых параметров эксплуа-
тации по справочникам выбирают тот коррозионностойкий мате-
риал, который лучше отвечает остальным конструктивным требо-
ваниям и менее дефицитен.
Стали неоднородны по химическому и структурному составу,
поэтому коррозионная стойкость их в агрессивных средах невы-
сока. Известно, что при повышенном содержании углерода в угле-
родистой стали значительно ускоряется ее коррозия в среде рас-
творов минеральных кислот. Склонность к коррозии повышается
и при увеличении содержания азота. Низкоуглеродистые стали
склонны к старению.
Т а б л л и а П-2. Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов
Группа стойкости Скорость коррозии, мм/год Балл
I. Совершенно стойкие Менее 0,001 I
II. Весьма стойкие Свыше 0,001 до 0,005 2
Свыше 0,005 до 0,01 3
III. Стойкие Свыше 0,01 до 0,05 4
Свыше 0,05 до 0,1 5
IV. Пониженно стойкие Свыше 0,1 до 0,5 6
Свыше 0,5 до 1,0 7
V. Малостойкие Свыше 1,0 до 5,0 8
Свыше 5,0 до 10,0 9
VI. Нестойкие Более 10,0 10
Коррозионная стойкость сталей существенно снижается от дей-
ствия ряда факторов, к которым относятся: усадочные раковины,
ликвационная рыхлость (неравномерное распределение примесей
по всему объему), красноломкость, хладноломкость, наклеп (по-
верхностное упрочнение металла) и т. д. Интенсивность коррозии
возрастает также под воздействием знакопеременных нагрузок
(коррозионная усталость металла).
Коррозионную стойкость сталей, а также их длительную
прочность повышают добавлением при плавке легирующих эле-
ментов. В качестве легирующих элементов применяют хром, ни-
кель, молибден, титан и т. д. Наличие их в стали в различных со-
четаниях и количествах позволяет придать ей требуемые физи-
ко-механические свойства, в том числе высокую сопротивляемость
коррозии в агрессивных средах при различных температурах.
Рассмотрим области применения в нефтяном аппаратостроении
наиболее распространенных конструкционных сталей.
УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
Большинство аппаратов нефтеперерабатывающих заводов изго-
товляют из хорошо свариваемой углеродистой стали с содержа-
нием углерода не более 0,25%. Углеродистые стали обыкновенно-
го и повышенного качества поставляются согласно ГОСТ. В со-
ответствии с ним выпускают стали двух групп: группы А, если
важно, чтобы были выдержаны определенные механические свой-
ства (стали Ст. 1, Ст. 2 и т. д.), и группы Б, если требуется вы-
держать определенный химический состав (стали МСт 1, МСт. 3
и т. д.). В табл. Н-З приведены механические свойства углероди-
стой стали обыкновенного качества и примерные области приме-
нения в нефтяном аппаратостроении.
Углеродистые стали, выплавляемые в мартеновских, и электри-
ческих печах, делятся на спокойные и кипящие. Хотя механические
свойства спокойной и кипящей сталей одной и той же марки оди-
22
Таблица II-3. Механические свойства и области применения
углеродистой стали обыкновенного качества
Марки стали Предел текучести о-т, МН/м2 Временное СОПрОТИВ’ ление раз- рыву %, МН/м'2 Ос нос И* тел ыюе удлине- ние д, % Возможные области применения
с-. 0 320 18—22 Ящики для погружных холодильников, площадки лестничных клеток, малоот- встственные емкости
Ст. 1 Ст. 1 кп 320—400 28—33 Уплотнительные прокладки для фланце- вых соединений, фасонные переходы
Ст. 2 МСт. 2кн 19-22 340—420 26—31 Отбортованные днища малоотр.стетзси- пых емкостей, детали, изготовляемые X (J л од кон в ы.т я Ж К О1 '1
С г, Зкп Щ — 24 380—470 23—27 Корпуса -аппаратов, работающих под давлением ниже 1,6 МН/м2 при тем- пературе от —10 до +350 °C
Ст. 3 22—24 380—470 21—25 Корпуса, днища, фланцы аппаратов, ра- ботающих иод давлением ниже 5 МН/м3 при температуре от —30 до +450 °C
Ст. 4 24—26 420—520 19—25 Фланцы, трубные решетки теплообмен- ников при давлении ниже 4 МН/м3 и температуре от —30 до +450 °C
Ст. 5 26—28 500—620 15—21 Стяжные кольца, трубные решетки, устанавливаемые без сварки, сильно нагруженные болты, валы насосов
Ст. 6. Ст. 7 30—31 600—740 750 и бо- лее 9—11 Детали, несущие высокие удельные на- грузки Пружины предохранительных клапанов и другие ответственные детали
маковы, кипящие стали для ответственной аппаратуры не приме-
няют или же применяют весьма ограниченно.
Кипящую сталь в процессе выплавки не обрабатывают химика-
тами, способствующими удалению из стали газов и других вред-
ных примесей;*поэтому в затвердевшем слитке остается множест-
во газовых пузырей. При последующей прокатке и ковке слитка
пузыри обычно завариваются, однако если металл вокруг пузы-
рей окислен, то они не завариваются и служат очагами концент-
рации напряжений. Кроме того, из кипящей стали плохо удаляют-
ся сера и фосфор.
Для изготовления ответственных аппаратов, работающих при
давлении до 20 МН/м2 и температурах от —40 до -J-450°C, широ-
ко применяют углеродистые конструкционные стали. Они отлича-
ются повышенной пластичностью и хорошей свариваемостью.
В табл. II-4 приведены механические свойства некоторых наибо-
лее часто применяемых углеродистых конструкционных сталей.
Таблица II-4. Механические свойства й состав углеродистых
конструкционных сталей
Марка стали Предел теку- чести От> МН/М2 Временное со- противление разрыву ав, МН/м2 Относитель- ное удлине- ние 6, % Содержание элементов, %
Мп Si Сг
08 200 330 33 0,35—0,65 0,17—0,37 0,10
10 210 340 31 0,35—0,65 0,17—0,37 0,15
15 230 380 27 0,35—0,65 0,17—0,37 0,25
20 250 420 25 0,5—0,8 0,17—0,37 0,25
30 300 500 21 0,5—0,8 0,17—0,37 0,25
Очень ответственные реакционные аппараты могут изготовлять-
ся из котельной стали и применяемых в котлостроении сталей
09Г2С и 16ГС (табл. П-5). Эти стали хорошо свариваются и об-
ладают высокой вязкостью при низких температурах.
Таблица II-5. Механические свойства и состав основных марок сталей,
применяемых в котлостроении
Марка стали Предел текучести °т- МН/м-’ Временное со- противление разрыву а МН/м2 Относи- тельное удлине- ние 6, % Содержание элементов, %
с Мп Si
09Г2С 320 480 18 0,12 1,3—1,7 0,4—0,7
16ГС 300 480 18 0,14—0,18 0,9—1,2 0,4—0,7
15К 220 360^440 25—28 0,12—0,20 0,65 0,15—0,30
16К 260 410—500 22 0,12—0,20 0,45—0,75 0,17—0,37
18К 280 440—530 20 0,14—0,22 0,55—0,85 0,17—0,37
20К 250 410—520 23—26 0,16-0,24 0,35—0,65 0,15—0,30
Стали 09Г2С и 16ГС относятся к низколегированным, но от-
личаются от котельных повышенным содержанием легирующих
элементов и более высокими показателями прочности (на 15—
35% зыше, чем у котельных сталей).
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
В тех случаях, когда к оборудованию предъявляют особые тре-
бования в отношении прочности и коррозионной стойкости, при-
меняют легированные стали. В зависимости от количества леги-
рующих добавок различают низко-, средне- и высоколегированные
стали.
В табл. П-6 приведены характеристики наиболее часто приме-
няемых в аппаратостроении легированных сталей.
1 а блица 11-6. Состав, механические свойства и область прнмскеаия легированных сталей
Марка стали гост Содержание легирующих элементов, % Механические свойства Область применения
С Мп SI Сг Мо NI ав' МН/м2 °т* МН/м2 6, %
Низколегированные стали
12МХ 12ХМ 4553—60 5759—61 0,15 0,16 0,4— 0,7 0,4— 0,7 0,17— 0,37 0,17— 0,37 0,4— 0,6 0,8— 1.1 0,4— 0,55 0,4— 0,55 0,25 0,3 450 450 240 240 24 22 Корпуса и детали реакци- онных аппаратов с некор- розионной средой, рабо- тающих при повышенных температурах и давлениях
10Г2С1 5520—62 0,12 1,3— 1,65 0,9— 1,2 — — 0,3 460—520 320—380 22 Корпуса ответственных ап- паратов
ЗОХМА 4543-61 0,25— 0,35 0,4— 0,7 0,17— 0,37 0,8— 1,1 0,15— 0,25 0,3 950 750 12 Крепежные детали, двошш- кп, работающие при по- вышенных температурах
С редне легированные стали
Х5М 550—58 0,15 0,5 0,5 4-6 0,45— 0,65 0,5 400 220 20 Печные трубы, двойники, арматура, детали реакто- ров
ЭИ579 10500—63 0,16— 0,22 0,25— 0,5 0,4 2,5—3 0,35— 0,5 0,3 800 50 14 Печные трубы, калачи, де- тали, работающие в при- сутствии водорода при давлениях до 70 МН/м2 и температуре 500 °C
0X13
X23H1S
Х18Н12МЗТ
Продолжение табл. Il-b
^ernp\‘H‘L.HX зледсНТОВ, % | Механические свойства Область применения
! Si Cr M - Ni 1 °в- МН/Ц- °т, МН/м‘2 6. %
'‘j • • С > i: ’ ;i e ? I p о в a и в ы e стал и
°,6 11—13 __ 0,5 600 420 20 Аппараты и детали, рабо- тающие в сернистой сре- де при температуре до 540 “С
! M I ,s 17-20 — 8—11 9-11 550 550 200 200 40 40 Аппараты, подверженные по условиям эксплуатации ме жкрист ? л-т и т н о й кор- розии, дста;111 крепежа, арматура
° 0 4C1 n- — — 17—20 560 — 35 Детали, работающие при высоких температурах и умеренных Напряжениях
,s i i ”T !6—19 11 — 14 700 — 35 Детали оборудования уста- новок сернокислотного алкилирования; детали, стойкие к разбавленной соляной кислоте и нафте- новым кислотам
Легированные стали имеют наименования по названию основ-
ных легирующих элементов — хромистые, хромоникелевые, хромо-
никельмолибденовые и др. Легированные стали маркируются бук-
вами, представляющими условные обозначения легирующих эле-
ментов: Н — никель, М — молибден, Т — титан, X — хром, С —
кремнии, В — вольфрам, Ф— ванадий и др. Цифра, следующая за
буквенным обозначением, определяет процентное содержание соот-
ветствующего легирующего элемента, а цифра, стоящая перед
первой буквой,— содержание углерода.
При выборе марки легированной стали необходимо тщательно
изучить требования, предъявляемые к пей по условиям эксплуата-
ции: прочность при температуре эксплуатации и коррозионную
стойкость в данной среде. Цоэтому нужна полная характеристика,
которая обычно приводится в специальной справочной литерату-
ре или в паспортах завода-изготовителя.
Для удобства ориентировочного выбора марок углеродистых и
легированных сталей в табл. П-7 даны пределы допустимых для
их применения температур и давлений в аппаратах.
Таблица II-7. Пределы допустимых температур и давлений
в аппаратах, изготовленных из различных сталей
Марка стали Рабочие условия
температура стенки, °C давление, МН/м2
Се.Зкп До +200 До 16
Ст.З (спокойная) От —30 до +425 До 5
I5K, 20К, 25К От —40 до +475 Не ограничено
09Г2ДТ(М) От —70 до +450 То же
16ГТ От —40 до +450
12М.Х От —40 до +540 2>
1Х18Н9Т От —196 до -|-600
IX181II2M2T От -196 до -1-700
Высоколегированные стали дороги, весьма дефицитны, поэто-
му в тех случаях, когда необходимо обеспечить коррозионную
стойкость апнарлта, его изготовляют из двухслойной лиеюзой ста-
ли, в которой основным слоем является углеродистая дш низко-
легированная сталь, а защитным, плакирующим, слоем тонкшГ
л ист высоколсгироваиной стали, стойкой к коррозии в дайной
ере те.
Толщин я я,1<)кн|)\ китч о слоя обычно составляет 10% ы тол-
щины основною слоя, ио нс мепес 2 мм
Двухслойные листовые стали выпускают по ГОСТ или ТУ (тех-
ническим условиям). Основным слоем может быть углеродистая
сталь (Ст. 3+0X13; 20К+0Х13; 16ГС+0Х13; Ст. 3+1Х18Н9Т;
20К+1Х18Н12М.2Т; 16ГС+1Х18Н12М2Т) или хромомолибденовая
сталь (12МХ+0Х13; 16ГС+Х18Н10Т). Из этих сталей изготовля-
ют корпуса, днища, патрубки и другие элементы ректификацион-
ных колонн, теплообменников, отстойников. Плакирующий слой
должен свариваться электродами, обеспечивающими стойкость
в данной среде.
Двухслойные листы изготовляют горячей прокаткой заготовок,
при которой основной и плакирующий слои хорошо сцепляются.
Однако при гнутье и штамповке листа иногда происходит его рас-
слоение, что недопустимо. Расслоение возможно также в резуль-
тате эксплуатации при высоких температурах из-за разности тем-
пературных коэффициентов линейного расширения основного и
плакирующего слоев. Поэтому по техническим условиям примене-
ние, например, двухслойной стали из Ст. 3 и 0Х18Н10Т (или
Х18И12М2Т) ограничено температурой стенки аппарата 250 °C.
Однако при специальной прокатке, обеспечивающей улучшенную
спепляемость слоев (например, по способу, разработанному Ин-
ститутом сварки им. Патона), двухслойную сталь можно успешно
применять для изготовления аппаратов, работающих при темпера-
туре стенки до 475 °C.
Марки и области применения двухслойной листовой стали при-
ведены в табл. П-8.
Таблица II 8. Марки* и области применения двухслойной листовой стали
Условия применения
Сталь ТУ температура, 0 С давление, МН/м2
Ст. 3+0X13 20К + 0Х13 16ГТ + 0X13 12ХМ + ОК 13 20К + X17H13M2T Ст. 3+ XI81-ПОТ 16ГТ + Х18Н10Т ЧМТУ 3258—52 ЧМТУ 3258—52 ЧМТУ 3258-52 ЧМТУ 3258—52 ЧМТУ 211—59 ЦНИИЧМ ЧМТУ 211—59 ЦНИИЧМ ЧМТУ цниичм211-59 от —40 до 4-455 от —40 до Д-475 от —30 до +400 от —40 до +540 от —40 до +400 от —30 до 4~350 от —30 до +350 5,0 Не ограничено 5,0 Не ограничено 5,0 5,0 5,0
•) Предназначены для изготовления аппаратов, работающих со средами, вызывающими
межкристаллитную коррозию.
Перспективно применение в аппаратостроении и трехслойных
листовых сталей, состоящих из двух плакирующих слоев и сред-
него— основного слоя. При этом каждый из плакирующих слоев
стоек к той среде, с которой он соприкасается.
ЧУГУН
Из чугуна изготовляют арматуру, фитинги трубопроводов, труб-
ные: решетки трубчатых печей, трубы конденсаторов и холодиль-
ников, иногда внутренние устройства аппаратов и др. Эти детали
изготовляют литьем из серого, модифицированного, высокопроч-
ного и специального чугунов.
Механические свойства изделий из серого чугуна зависят глав-
ным образом от состояния графита. Если свободный графит нахо-
дится в литье в виде зерен, то прочностные свойства чугуна низки,
мала ударная вязкость.
Отливки из серого чугуна имеют ограниченное применение.
Например, из чугуна марки СЧОО изготовляют изделия простой
конфигурации, не испытывающие давления и работающие при
температуре до 120 °C; из чугуна марки СЧ12-28 — трубные ре-
шетки конвекционных камер трубчатых печей; из чугуна марки
СЧ15-32—детали змеевика погружных конденсаторов и холодиль-
ников, работающих при давлении до 1 МН/м2 и температуре до
250 °C. Серые чугуны нельзя применять при температурах ниже
—15 °C и для деталей, подверженных динамическим нагрузкам.
Для улучшения механических свойств чугуна его во время
плавки модифицируют, внося различные присадки, способствую-
щие размельчению зерен графита и более равномерному распре-
делению их'по всему объему. Модифицирующими присадками слу-
жат ферросилиций, спликокальцпй, алюминий.
Модифицированные чугуны применяют для изготовления от-
ветственных деталей машин, аппаратов и арматуры. Они облада-
ют более высокой коррозионной стойкостью, чем серые чугуны.
Качество чугуна значительно улучшается, если он модифици-
рован хромом, медью, никелем и молибденом. Например, чугун
марок Х28 и Х34, содержащий 26—36% хрома и 1—2% никеля,
обладает жаростойкостью при температуре до 1100—1200 °C и хо-
рошо сопротивляется воздействию дымовых газов, содержащих
серу.
Области применения высокопрочного, ковкого, жаростойкого
и других низко-, средне- и высоколегированных чугунов даны в
справочной литературе.
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
В табл. П-9 приведены характеристика и область применения
цветных металлов и их сплавов, наиболее распространенных в неф-
тяном аппаратостроении.
T и 6 .;и и ll-i'. Характеристика некоторых цветных металлов и сплавов, применяемых
для изготовления нефтезаводского оборудования
Материал Марка Химический состав, % Механические свойства Область применения
Zn Sn Al Си От. МН/м2 %’ МН/м2 6, %
Медь | МО 99,95 — Облицовка аппаратов для защиты от
М3 — — — 99,50 0,75 230 50 коррозии в среде горячей серной кислоты
Лаг> 1:Ь •-‘.i-bi- 1II1CTU я J1O/G- i] 24 1,3 — 76—79 150—180 330—380 37 Трубы конденсаторов, работающих па морской воде
Латунь е.юья- ШК’ТЬ'Т „4062-1 36—37 0,7—1,1 — 61—63 150-380 380—440 30—37 Решетки и внутренние детали юп- денсаторов; детали, соприкасаю- щиеся с разбавленной соляной кис- лотой
АлЮМШиД* тех- НИ1 = Ci ! СТО ТЫ А5, Аб, А7 — — 99,99 — -- 120 30—40 Аппараты и емкости, соприкасающие- ся со средами средней и повы- шенной агрессивности
Силас а Н!' С : АМг2 — — — — — 170 18 Трубы теплообменников и холодиль- ников •-(
1!ит<ет енлац ! ЛЮ11С, ; ! нмжмц 1 i 27— 1 - 500—600 2—3 67—70% \1; 2% Fe. Облицовка аппа- ратов, соприкасающихся с разбав- ленной соляной кислотой И С iMOp- ской водой
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Медь. Для изготовления аппаратуры медь применяют в виде ли-
стов и труб. Медная аппаратура может работать при температуре
до 250 °C; при более высоких температурах прочность меди зна-
чительно снижается. С понижением температуры механические
свойства меди, наоборот, улучшаются, поэтому она применяется
для изготовления аппаратов, работающих при температурах до
—254 °C.
Механические свойства отожженной (мягкой) меди при тем-
пературе до 100 °C характеризуются временным сопротивлением
разрыву щ, = 220—250 МН/м2 и модулем упругости Е =
= 108 000 МН/м2. Для нагартованной (твердой) меди ои = 400—
450 МН/м2, Е = 130 000 МН/м2.
Аппараты из меди изготовляют сваркой (автогенной и элект-
родугсвой) и пайкой. Ряд изделий изготовляют из меди прокат-
кой пли штамповкой. При автогенной сварке необходимо регули-
ровать пламя горелки так, чтобы не допустить избытка кислорода
или ацетилена во избежание окисления меди или водородной кор-
розии сварного шва. Сварочной проволокой служит диоксидиро-
ваппая медь с небольшим содержанием кремния. При сварке, при-
меняют флюсы из с,'Кислов бора и буры. При электродуговой свар-
ке электродами служит проволока из меди с содержанием олова
или серебра. Практикуется также электродуговая сварка в потоке
аргона.
Для пайки применяют серебряные припои, а для малоствстст-
вениых аппаратов — оловянио-нинковые припои.
Медь устойчива против атмосферной коррозии, но при темпе-
ратуре выше 180 °C она начинает окисляться. Коррозия меди в
морской воде незначительна, однако при этом медь не. должна
контактировать со сталью. Медь стой'ка к серной кислоте и ще-
лочам в отсутствие воздуху, но не проявляет коррозионной стой-
кости к азотной кислоте, ашшаку, влажному сероводороду, ул ори-
стому водороду, сухому хлору.
Латуни представляют собой сплавы меди с. пинком к широко
применяются для пзготешлешгя тшчлообменрой аппарлтуцы.. Они
очень стойки к действию чистого кислорода, однако в растворах
кислот быстро разрушаются. Иельач применять латуни г, еппа-
р; так, сопрнкзсающвдгш с амлшачпыми растворямш, к гоуш дамп
железа и мс л
Мсхапии- ьче свойства латуней зависят от их химического со-
става и г • '.гуры. Временное сонро'швлшше разпыву тля. раз-
личных мф •/;< латуней оп—240—360 МН/м2, предел тш-у чести
ат —70—1'0 МН/м2. Бале.о. высокими механическими сво^лтвамп
обладают легированные (специальные) латуни (<тг—400—
700 ЛАН/м2, (7t - 100—500 Alil/м2). Латуни, легированные алюми-
нием, оловом, имеют, кроме того, высокую коррозионную стойкость
и жаростойкость.
Стойкость латуни к коррозии обычно выше стойкости чистой
меди. На латунь сильно действуют азотная и соляная кислоты,
относительно слабее — серная кислота. Латуни с увеличенным со-
держанием цинка проявляют повышенную стойкость в среде серо-
водорода.
Оборудование, изготовленное из латуни, при определенных
условиях подвержено особым видам коррозии (обесцинкование,
коррозионное растрескивание и т. д.). Поэтому для каждого слу-
чая применения латуни необходимо по справочнику установить
условия поставки (химический состав) и эксплуатации.
Бронза представляет собой сплав меди с оловом. Олово обес-
печивает повышенную прочность и твердость сплава, но резко
снижает его пластичность.
Применение оловянистой бронзы ограничивается изготовлени-
ем деталей для отдельных узлов оборудования. В настоящее вре-
мя оловянистые бронзы заменяются более экономичными и проч-
ными алюминиевыми бронзами — сплавами меди с алюминием.
Промышленность выпускает также специальные бронзы, в которых
не содержится олово, но имеются добавки алюминия, марганца,
кремния и др.
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий выгодно отличается от других конструкционных цвет-
ных металлов малой плотностью, высокой пластичностью, тепло-
проводностью и коррозионной стойкостью в атмосферных услови-
ях. Механические свойства алюминия зависят от его химической
чистоты. Наличие в техническом алюминии железа и кремния сни-
жает его пластичность, но повышает прочность.
Из алюминия изготовляют теплообменники, сосуды, аппараты,
трубопроводы. Однако прочность алюминия невысока, поэтому ап-
параты, изготовленные из алюминия, не могут работать при высо-
ких давлениях. Максимально допустимая температура стенки ап-
паратов 150 °C.
Сварку алюминия производят вольфрамовыми электродами в
защитной струе аргона.
В аппаратостроении все большее применение находят алюми-
ниевые сплавы, которые превосходят алюминий и другие цветные
металлы по многим свойствам, и прежде всего по показателям
прочности. Алюминиево-марганцовистый сплав марки АМц с со-
держанием 1,6% марганца характеризуется временным сопротив-
лением разрыву до 200 МН/м2, а сплавы алюминия с марганцем
марки АМг с содержанием 6—7% марганца — до 320 МН/м2. Хи-
мический состав, технология плавки и последующая обработка
могут обеспечить многие наперед заданные свойства алюминие-
вого сплава.
Алюминиевые сплавы очень чувствительны к изменению темпе-
ратуры. При повышении температуры временное сопротивление
разрыву сильно падает, при отрицательных же температурах —
возрастает. Особенно сильное снижение прочности сплавов наблю-
дается при температурах выше 200 °C, поэтому их применяют при
температурах до 150 °C. Нижний предел температуры, при кото-
рой применяются алюминиевые сплавы, равен —190 °C.
Характеристика коррозионной стойкости алюминиевых сплавов
в различных средах приведена в специальной литературе. В сре-
де: сырой нефти скорость коррозии их в 6—20 раз меньше, чем
скорость коррозии Ст. 3. В конденсационно-холодильной аппара-
туре коррозионная стойкость сплавов в 2 с лишним раза выше,
чем легированной стали (1Х18Н9Т).
Наиболее рациональный способ сварки алюминиевых спла-
вов— аргоно-дуговая сварка, при которой обеспечивается высокая
(по сравнению с газовой сваркой) прочность сварного шва.
Алюминиевые сплавы выпускают в виде листов, плит, труб,
профилей, прутков. Их применяют для изготовления крыш и верх-
них поясов резервуаров для хранения агрессивных нефтей, емко-
стей для жирных кислот, нефтепроводов, конденсационно-холо-
дильного оборудования и т. д.
СПЛАВЫ НИКЕЛЯ
Основными достоинствами сплавов никеля являются стойкость во
многих агрессивных средах и способность сохранять прочность
при высоких температурах, поэтому их применяют в тех случаях,
когда требуется большая коррозионная стойкость в сочетании с
высокими механическими свойствами при высокой температуре
или с жаростойкостью.
Детали, изготовленные из сплавов на никелевой основе (напри-
мер, сплава Х20Н80ТЗ), работают при температуре до 980 °C.
Никельмолибденовые и никельхромомолибденовые сплавы об-
ладают высокой стойкостью к коррозии в соляной и серной кисло-
тах, которая во много раз выше стойкости нержавеющих сталей и
в 10 раз выше стойкости латуней.
В аппаратостроении широко применяют сплав никеля, называе-
мый монель-металлом. В его состав входит 67—69% никеля, 28%
меди, 1,5—2,5% железа и 1—2% марганца. Монель-металл отли-
чается очень высокой прочностью, пластичностью и хорошими ан-
тикоррозионными свойствами, однако при контакте с другими ме-
таллами коррозионная стойкость его падает.
Из монель-металла изготовляют пучки труб и трубные решетки
теплообменников и холодильников установок, перерабатывающих
агрессивные нефти (в состав которых входят вещества, вызываю-
щие сильную коррозию), решетки реакторов установок каталити-
ческого крекинга, втулки насосов и т. д.
Другим распространенным сплавом на никелевой основе яв-
ляется хастеллой, который поставляется в виде листов, труб и
сортового проката. При высокой кислотоупорности во многих сре-
дах этот сплав обладает очень высокой прочностью (<тв=
=900 МН/м2). Недостатком хастеллоя является склонность его
к межкристаллитной коррозии.
СВИНЕЦ
Свинец характеризуется низкой температурой плавления (327°C),
низкой прочностью и высокой пластичностью. Он применяется
для защиты поверхностей стальных аппаратов, соприкасающихся
с агрессивной средой (слабых водных растворов, содержащих уг-
лекислоту, сероводород, соли). Защищаемая поверхность покры-
вается листовым свинцом толщиной 2—5 мм или подвергается го-
могенному освинцованию, т. е. наплавлению свинцового слоя тол-
щиной 4—6 мм. Перед освинцеванием направляемая поверхность
должна быть предварительно покрыта оловом.
В качестве конструкционного материала свинец почти не при-
меняется.
В качестве защитной обшивки свинец применяют чаще всего
в холодильниках рабочего раствора сернокислого алюминия, в кис-
лотных мешалках, промывных башнях, сушилках и т. д. Целиком
из свинца изготовляют детали электрофильтров, работающих на
охлаждении кислот, трубы для кислот и т. д.
В табл. П-10 приведена коррозионная стойкость некоторых ме-
таллов и сталей в агрессивных средах.
ТИТАН
Титан применяют для изготовления аппаратов, работающих в та-
ких агрессивных средах, как азотная кислота любой концентра-
ции, влажный хлор, разбавленная серная кислота и т. д. Имея
небольшую плотность, титан и его сплавы по прочности превосхо-
дят лучшие марки стали. Временное сопротивление разрыву ти-
тана марки ВТ1-2 доходит до 750 МН/м2.
Титан хорошо куется, штампуется, прокатывается, сваривает-
ся, удовлетворительно обрабатывается на металлорежущих стан-
ках. Эти свойства делают его самым перспективным конструкци-
онным материалом для изготовления оборудования, работающего
в сильно агрессивных средах, однако стоимость титана пока очень
велика, поэтому его применяют лишь для изготовления небольших
аппаратов и в качестве плакирующих слоев стальных аппаратов.
Титан сваривают аргонодуговым методом с применением в ка-
честве присадочного материала проволоки ВТ1.
Сплавы титана являются надежным материалом для изготов-
ления труб конденсационно-холодильного оборудования и деталей
машин, соприкасающихся с сильно агрессивными средами и под-
верженных эрозии.
Титановые сплавы рекомендуются для изготовления аппаратов,
работающих при температуре не выше 350 °C.
Таблица II-10. Коррозионная стойкость некоторых металлов и сталей
в агрессивных средах (условные обозначения: с. — стоек, о. с. — относительно
стоек, нс. — нестоек)______________________________________________________
Среда Концент- рация. % Темпера- тура, °C Сталь углеро- дистая >< Х18Н10Т Х17Н13М2Т Кремнистый чугун Алюминий Медь Свинец 1
Вода 90—100
речная — о. с. с. С. с. с. с. с. с.
морская .... — 20 о. с. с. с. с. с. с. с. с
Неорганические кис- лоты
HNO3 До Ю 20 НС. с. с. с. с. с. нс. нс.
До Ю 80—100 НС. с. С. с. с. нс. НС. нс.
60 20 нс. с. С. с. с. с. нс. нс.
60 80—100 нс. с. с. с. с. нс. НС. нс.
IhSOi 10 20 НС. нс. с. с. с. с. с. с.
10 80—100 нс. нс. нс. НС. о. с. нс. нс. с.
60 20 нс. о.с. НС. нс. с. о. с. нс. с.
60 100 нс. нс. нс. нс. о. с. нс. — с.
95—100 20 о. с. с. с. с. с. о. с. — с.
95—100 80—100 нс. нс. НС. нс. с. о. с. — с.
H2SO44-SO3 5 20 о. с. о. с. с. с. с. с. нс. с.
(олеум)
11С1 10 20 нс. нс. нс. нс. с. НС. о. с. о. с. НС.
10 50 нс. нс. нс. нс. о. с. НС. нс. НС.
35 20 нс. нс. нс. нс. с. нс. НС. о. с.
Щелочи 35 50 нс. НС. НС. нс. нс. нс. НС. о. с.
NaOH 20 20 о. с. с. с. с. с. нс. 0. С.
КОН 5—30 20 о. с. о. с. о. с. с. о. с. нс. С. —
Са(ОН)2 . . . . Насыщ. Р-Р 20 о. с. с. с. с. о. с. нс. о. с. —
Растворы солей
СаС12 25 20 о. с. о. с. о. с. о. с. о. с. о. с. с. нс.
Na2CO3 Разб. Р-Р 20 о. с. с. с. с. с. о. с. с. с.
NaCl Газы 10 20 о. с. с. с. с. с. с. с. —
НС1 (сухой) . . — 20 о. с. с. с. с. с. о. с. с. с.
— 250 О. с. с. с. с. о. с. с. нс. С.
Clz (влажный) — 20 НС. нс. нс. нс. о. с. нс. нс. о. с.
Органические соеди- нения
сероуглерод . . . 100 20 с. с. 2. с. с. с. 3. —
спирт бутиловый 100 20 о. с. 2 . V. с. с. с. с. —
» этиловый 80—98 20 о. с. с. с. с. с. с. е. с.
спирты высшие — 20 о. с. с. с, с. с. с. о. с. —
углеводороды . . — До 80 о. с. с. с. с. с. с. с. —
уксусная кислота 10 20 нс. с. с. с. с. с. с. о. с.
10 80—100 нс. с. с. с. с. о. с с. —
90—100 20 НС. о. с. с. с. с. с. с. —
90—100 80—100 нс. нс. с. с. с. о. с. с. нс.
фенол Разб. Р-Р 20 о. с. о. с с. с. с. с. нс. нс.
хлорбензол . . . 100 20 о. с. с. с. с. — — — —
В табл. П-11 даны механические свойства сплавов на основе
титана.
Таблица П-11. Механические свойства титановых сплавов
Сплав Ов, МН/м2 <*т. МН/М2 в. % НВ Вид поставки
ВТ1 450—700 380—600 20—25 207—241 Листы, поковки, проволока, трубы
втз 950—1150 850—1050 10—16 260—320 Поковки, штамповки, прутки
ВТЗ-1 950—1200 850—1100 10—16 260—340 То же
ОТ4 700—900 550-650 15—40 220—260 Листы, поковки, штамповки, прутки, проволока, трубы
ВТ4 800—900 700—800 15—22 210—250 Листы, прутки, поковки, штам- повки
ВТ5 800—950 600—850 12—15 270 Листы, прутки, поковки, штам- повки, проволока Прутки
ВТ5-1 750—950 700—850 12—25 240—300
ВТ6 900—1000 800—900 8—13 320—360 Листы, поковки, штамповки,
ВТЗ 1050—1180 950—1100 9—15 310—350 Поковки, штамповки, прутки, полосы
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
При изготовлении нефтезаводского оборудования все чаще при-
меняют неметаллические материалы.
Во многих случаях они успешно заменяют дефицитные высоко-
легированные стали и цветные металлы, что объясняется их высо-
кими эксплуатационными свойствами, и прежде всего антикорро-
зионными.
Неметаллические материалы используются в качестве само-
стоятельных конструкционных материалов, а также применяют-
ся для изготовления стойких к воздействию сильно агрессивных
сред поверхностей металлического оборудования. Широко приме-
няются неметаллические материалы неорганического и органи-
ческого происхождения, а также их комбинации.
МАТЕРИАЛЫ НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
к наиболее распространенным конструкционным материалам
неорганического происхождения относятся андезит, бештаунит,
кислотоупорная керамика, каменное литье и др.
Андезит и бештаунит представляют собой горные породы вул-
канического происхождения. Они применяются в виде щебня и
муки как наполнитель при изготовлении кислотоупорного бетона
и кислотостойких замазок. В качестве конструкционного матери-
ала их используют для изготовления корпусов электрофильтров,
деталей, колосниковой части абсорбционных аппаратов.
\
Кислотоупорная керамика изготовляется из природной или
обогащенной глины путем обжига в смеси с песком и полевым
шпатом. Из нее формуют кислотостойкие изделия и детали ап-
паратов. Особенностями кислотоупорной керамики являются га-
зонепроницаемость и стойкость к сильным кислотам при высоких
температурах. В средах едких щелочей кислотоупорная керамика
нестойка.
Каменное литье (плавленый диабаз или базальт) получают
плавлением горных пород с последующей термической обработ-
кой отлитых изделий — футеровочных плит или фасонных дета-
лей (труб, штуцеров, лотков и т. д.). Каменное литье отличается
высокой химической стойкостью, механической прочностью, га-
зонепроницаемостью и износостойкостью.
Для создания прочной связи (адгезии) между защищаемой
поверхностью и футеровочными изделиями (плитами) применяют
вяжущие материалы. Они должны обеспечить также соединение
отдельных плит между собой. Футеровка должна быть монолит-
ной и в целом обладать всеми свойствами футеровочных плит.
Для этого вяжущий материал должен обладать теми же свойства-
ми, что и плиты, и, кроме того, пластичностью до схватывания,
чтобы были заполнены все швы и материал ложился на защищае-
мую* футеровкой поверхность ровным тонким слоем.
Широко применяют вяжущие материалы в виде замазок на
основе жидкого стекла. Их приготовляют из натриевого или ка-
лиевого жидкого стекла, ускорителя твердения — кремнефтори-
стого натрия и наполнителя — порошка андезита, кварца или
каменного литья.
Для футеровки аппаратов широко применяют замазку арза-
мит, обладающую кислотостойкостью и термостойкостью при.
температуре до 250 °C, а также кислотостойкий и жароупорно-
кислотостойкий бетоны.
Эмалевые покрытия. Эмалированные поверхности отличаются
весьма высокой коррозионной стойкостью. Эмалевые покрытия-
представляют собой тонкий слой стеклообразной массы, нане-
сенной на металлическую поверхность и обожженной при темпе-
ратуре 800—900 °C. Стеклообразные массы получают сплавлени-
ем в соответствующих соотношениях песка, полевого шпата, раз-
личных глин с бурой, содой, селитрой и другими материалами.
Окислы никеля и кобальта, входящие в состав эмалевой массы,
обеспечивают хорошую сцепляемость ее с металлической поверх-
ностью и придают эмали нужную окраску.
Сначала на защищаемую поверхность наносят грунтовую
эмалевую массу (шликер), которая после термической обработ-
ки прочно сцепляется с металлической основой. Затем наносится
покровный слой эмали, который в процессе обжига связывается
с грунтовой эмалью. Этот слой должен отличаться высокой кор-
розионной стойкостью и иметь требуемый декоративный вид.
Эмали наносят мокрым или сухим способом — пульверизаци-
ей, обливом, окунанием в ванну с эмалевой массой и др. Режим
обжига зависит от состава и конструкции покрытия. Он должен
обеспечить целостность слоя эмали (отсутствие трещин, газовых
пузырей) и исключить возможность его выгорания.
Эмалевые покрытия обладают высокими механическими
свойствами. Это позволяет эмалировать аппараты, работающие
под давлением до 5 МН/м2 и под Глубоким вакуумом при темпе-
ратурах среды от —30 до +300°C. Конструкция аппаратов, под-
вергаемых эмалированию, должна быть достаточно жесткой,
простой по форме, позволяющей обеспечить свободный доступ
к эмалируемой поверхности.
МАТЕРИАЛЫ ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
К неметаллическим материалам органического происхождения
относятся пластмассы, материалы на основе каучука, углеграфи-
товые материалы, лаки и краски.
Пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные пластмассы постоянно сохраняют способность
к формованию при определенных температуре и давлении, т. е.
могут многократно размягчаться при нагревании и отвердевать
при последующем охлаждении. Термореактивные пластмассы бы-
стро теряют способность к формованию в результате термиче-
ского воздействия, т. е. только однажды размягчаются от на-
нагрева и плавятся в процессе изготовления изделия. Ниже при-
водится краткая характеристика наиболее часто применяемых
при изготовлении оборудования пластмасс.
Фаолит — кислотоупорная термореактивная пластическая мае-
ма, из которой формуют различные изделия (колонны, скрубберы,
теплообменную аппаратуру, трубы, запорную арматуру). Он хо-
рошо обрабатывается механически, прессуется и склеивается
фаолитовой замазкой или замазкой арзамит. Применяется при
температуре до 140 °C.
Текстолит — слоистый материал, отличающийся высокой проч-
ностью на сжатие и стойкостью ко многим агрессивным средам.
Используется для изготовления деталей оборудования (шесте-
рен, муфт, подшипников), работающих при температурах от
—196 до +125 °C.
Винипласт — термопластичная пластическая масса, стойкая к
воздействию почти всех кислот, щелочей и растворов солей. Лег-
ко поддается механической обработке, сваривается и склеивается.
Из винипласта изготовляют детали оборудования, трубопроводы,
запорные устройства, работающие при температуре до 40 °C;
применяется также для футеровки поверхностей стальных аппа-
ратов.
Полиэтилен обладает хорошей адгезией к металлам, что поз-
воляет использовать его в качестве антикоррозионного футеро-
вочного материала для стальных аппаратов, работающих при
температуре до 50 °C. Применяется также для изготовления тру-
бопроводов.
Полипропилен значительно тверже полиэтилена и может при-
меняться для изготовления деталей аппаратов, футеровки и тру-
бопроводов, работающих при температуре от —10 до +100 °C. По-
рошкообразный полипропилен применяют для газопламенного и
вихревого напыления защищаемых от агрессивных сред стальных
поверхностей.
Полиизобутилен — мягкий, эластичный футеровочный матери-
ал, применяемый для защиты от агрессивных сред стальных и
алюминиевых поверхностей аппаратов, работающих при темпера-
туре до 100 °C. Легко сваривается и склеивается.
Фторопласт-4 — легко комкующийся порошок, из которого фор-
мованием и термической обработкой получают различные изде-
лия, работающие в наиболее агрессивных средах при темпера-
туре до 250 °C. Обладает высокими механическими свойствами,
однако сварке не поддается и плохо склеивается. Благодаря низ-
кому коэффициенту трения успешно применяется в качестве наби-
вочного материала для сальниковых уплотнений. Применяется
также для изготовления втулок подшипников скольжения.
Материалы на основе каучука (резина, эбонит) применяют в
основном для гуммирования поверхностей аппаратов. Марку ре-
зины или эбонита выбирают в зависимости от условий, в которых
будет работать гуммированный слой, и от поверхности, на кото-
рую он наносится. Наиболее часто применяют резины марок 4849,
4476, 829, ИРП-1025, 8ЛТИ, эбониты марок 1726, ИРП-1213,
2109. 1814 и полуэбонит марки 1751.
Материалы на основе графита применяют в тех случаях, ког-
да наряду с химической стойкостью материал оборудования дол-
жен обладать хорошей теплопроводностью. Из углеграфитовых
материалов, например, изготовляют теплообменники для агрес-
сивных сред, работающие в интервале температур от —18 до
— 150 °C. Графит хорошо обрабатывается резанием и склеивается
синтетическими клеями и кислотоупорной замазкой.
Лакокрасочные покрытия. Лакокрасочные покрытия широко
применяют для аппаратов, подверженных воздействию агрессив-
ных сред. Они дешевы и легко наносятся на любые ровные глад-
кие поверхности, не имеющие дефектов, обнаруживаемых визу-
ально.
Лакокрасочные материалы состоят из смеси основного плен-
кообразующего вещества с растворителями, пластификатором и
пигментами. Для аппаратов применяют грунты, шпатлевки, лаки
и эмали на конденсационных и природных смолах (эпоксидной,
фенолоформальдегидной), битумах, растительном масле, на по-
лимеризационных смолах (перхлорвиниловая), на эфирах целлю-
лозы (нитроцеллюлоза). Марки покрытия выбирают в зависимо-
сти от его назначения и условий эксплуатации.
В процесс окраски входят следующие операции: подготовка
поверхности (очистка от загрязнений и обезжиривание); грунто-
вание (нанесение грунта ровным слоем с последующей сушкой);
шпатлевание (выравнивание загрунтованной поверхности); шли-
фование (зачистка шкуркой зашпатлеванной поверхности);
окраска кистью, краскораспылителем или в электрическом поле;
сушка окрашенной поверхности.
ГЛАВА III
ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ОБОРУДОВАНИЯ,
ИХ РАСЧЕТ
И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Оборудование нефтеперерабатывающих заводов в основном
представляет собой аппараты для осуществления одного или од-
новременно нескольких процессов, в ходе которых перерабаты-
вается то или иное вещество. Исключение составляют емкости,
служащие только для хранения веществ.
Требования к эксплуатационным свойствам аппарата опреде-
ляются агрегатным состоянием перерабатываемого или хранимого
вещества (твердое, жидкое, газообразное), его агрессивностью по
отношению к выбранному конструкционному материалу, токсич-
ностью, температурой и давлением, при которых осуществляется
данный процесс. В то же время конструкция аппарата должна
обеспечить требуемую производительность, установленную для
того технологического узла, составной частью которого он яв-
ляется.
На основании технических требований, предъявляемых к ап-
парату, сначала выбирают конструкционный материал, обеспечи-
вающий необходимые стойкость и прочность, с учетом стоимости
материала, а также его недефицитности. Принимается во внима-
ние также технология изготовления, т. е. податливость выбран-
ного материала к обработке и сварке.
После выбора материала конструктор должен составить схе-
му аппарата, изучив практику эксплуатации аналогичных аппара-
тов, литературные данные и последние разработки научно-иссле-
довательских и конструкторских организаций. При конструирова-
нии оборудования необходимо максимально использовать стан-
дартизованные и нормализованные детали и целые узлы.
КОРПУСА АППАРАТОВ
Большинство аппаратов нефтеперерабатывающих заводов пред-
ставляют собой вертикально или горизонтально расположенные
цилиндры, закрытые по концам крышками (днищами) различной
формы.
Предпочтение, которое отдается при конструировании цилин-
дрическим формам корпусов, объясняется простотой изготовления
и рациональным расходом металла. Особенности корпусов, имею-
щих форму, отличную от цилиндрической, рассмотрены в разде-
лах, посвященных соответствующему оборудованию.
Основным элементом корпуса является обечайка — барабан
цилиндрической или конической формы, изготовленный из листо-
вого металла. Обечайки корпусов, работающих под вакуумом и
при давлении до 10 МН/м2, изготовляют главным образом свар-
кой, при давлении выше 10 МН/м2 — соответствующей механиче-
ской обработкой поковок.
Учитывая необходимость комплектации обечаек днищами и
другими деталями, на которые имеются нормали, при конструиро-
вании диаметр их необходимо привести в соответствие с установ-
ленным ГОСТ рядом внутренних базовых диаметров цилиндриче-
ских обечаек.
Для стальных обечаек в ГОСТ рекомендуются следующие диа-
метры: от 200 до 400 мм через каждые 50 мм, от 500 до 1200 мм
через 100 мм, от 1400 до 4000 мм через 200 мм, от 4500 до 6000 мм
через 500 мм, 6400 мм, от 7000 до 12 000 мм через 1000 мм, от
12 000 до 20 000 мм через 2000 мм.
Расчетная длина обечайки обычно приводится в соответствие
с размерами листового материала для возможно более рацио-
нального его раскроя.
Цилиндрическая форма придается обечайке путем вальцовки
и последующей калибровки (технологической правки). Точность
изготовления контролируется допускаемыми отклонениями на
длину окружности разверток и смещение кромок в сварных швах
обечаек. Эти данные имеются в специальной литературе. Напри-
мер, для углеродистой стали толщиной s = 20 мм допуск на дли-
ну окружности развертки не превышает ±7 мм; для всех толщин
смещение кромок в продольном шве не должно превышать 0,1 s,
но не выше 4 мм, в кольцевых швах — 0,25 s, но не выше 6 мм.
Для легированных сталей требования к отклонениям несколько
строже.
На стальные цилиндрические обечайки установлены допуски
также по прямолинейности оси и овальности цилиндра. Отклоне-
ние от прямолинейности не должно превышать 0,2% от длины, но
не выше 30 мм при любой длине обечайки.
Для аппаратов, работающих под внутренним давлением, допу-
скается овальность до 0,01 D, но не более 20 мм; для вакуумных
аппаратов—до 0,005 D, но не более 20 мм (D — наружный диа-
метр обечайки).
Большинство аппаратов нефтеперерабатывающих заводов из-
готовляют в соответствии с «Правилами устройства и безопасной
эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержден-
ными Госгортехнадзором СССР (Государственным комитетом по
надзору за безопасным ведением работ в промышленности и гор-
ному надзору). Этими правилами установлены основные положе-
ния по устройству, конструированию, изготовлению, испытанию и
безопасной эксплуатации аппаратов, работающих под давлением
выше 0,07 МН/м2, а также сосудов для хранения и транспорти-
рования сжиженных газов, давление паров которых при темпе-
ратуре 50 °C превышает 0,07 МН/м2. «Правила» не распростра-
няются на аппараты емкостью ме-
нее 25 л, у которых произведение
емкости (в л) на давление (в
МН/м2) не превышает 20.
К конструкции аппарата предъ-
являются, в частности, следующие
требования :доступ внутрь аппара-
та для периодического осмотра;
преимущественно стыковые свар-
ные швы; плавный переход в свар-
ном стыке от толстого листа к тон-
кому, если разность толщин соеди-
няемых листов более 5 мм или бо-
лее 30% от толщины тонкого ли-
ста (рис. Ш-1); отсутствие люков
и штуцеров на продольных свар-
ных швах; смещение по отношению
Рис. III.-1. Плавный переход от толстого
листа к тонкому в сварном стыке:
а — с. односторонним скосом; б — с двух-
сторонним скосом.
друг к другу продольных ШВОВ В
соседних обечайках корпуса на величину, не меньшую, чем трех-
кратная толщина листа, но не менее 100 мм, и др.
ГАБАРИТНОСТЬ
При проектировании крупных корпусов необходимо с самого на-
чала согласовать их габариты с условиями доставки готового ап-
парата на монтажную площадку. Различают габаритное и нега-
баритное оборудование.
Под габаритным понимается такое оборудование, размеры
которого не выходят за пределы габаритов железнодорожного
подвижного состава, установленных ГОСТ.. Такое оборудование
можно перевозить по железной дороге без всяких ограничений.
Негабаритное оборудование делится на следующие категории:
1) оборудование, которое можно перевозить по железной дороге
только при соблюдении определенных, согласованных с руковод-
ством железных дорог, условий и мероприятий; 2) оборудование,
которое можно перевозить по существующим шоссейным или вод-
ным путям; 3) оборудование, которое невозможно перевозить лю-
бым видом транспорта.
Очертания и габариты оборудования для различных способов
перевозки имеются в специальных справочных пособиях соответ-
ствующих ведомств.
Если условия перевозки не позволяют изготовить оборудова-
ние в полностью собранном виде, то конструкция должна позво-
лять изготовление его из отдельных узлов и деталей, соединяемых
непосредственно на монтажной площадке. Например, аппарат,
являющийся габаритным по диаметру, но по длине выходящий за
пределы габаритов подвижного состава, должен перевозиться по
железной дороге частями максимально допустимой длины.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ
При конструировании аппарата, включающем выбор конструкци-
онного материала и определение размеров, обеспечивающих его
прочность, устойчивость и долговечность, исходят из условий экс-
плуатации, прежде всего из давления и температуры среды.
Давление. Существуют понятия рабочего, расчетного, условно-
го и пробного давления.
Рабочее давление возникает в аппарате при работе на макси-
мально допустимом форсированном режиме. При этом кратковре-
менное повышение давления во время действия предохранитель-
ного клапана и других предохранительных устройств не учиты-
вается.
По величине расчетного давления производят расчет аппара-
та на прочность и устойчивость. Его принимают равным рабочему
давлению, однако если кратковременное повышение давления
больше 10% от рабочего давления, то за расчетное давление при-
нимают 90% от того давления, которое создается в аппарате в мо-
мент полного открытия предохранительного клапана.
Кроме рабочего, расчетное давление включает также гидро-
статическое давление столба жидкости в аппарате:
Ррас = ^раб 4" уР
где Ррас и Рраб — соответственно расчетное и рабочее давление;
у — удельный вес жидкости в аппарате;
Н — высота столба жидкости.
Если гидростатическое давление меньше 5% от рабочего, то за
расчетное принимают только рабочее давление. Для литых аппа-
ратов, работающих при давлении менее 0,2 МН/м2, расчетное дав-
ление принимают равным 0,2 МН/м2.
При расчете вертикальных аппаратов, заполненных жидко-
стью на большую высоту, расчетное давление определяют для
нескольких зон по высоте и толщину стенки аппарата находят
для каждой зоны отдельно. Это позволяет уменьшить расход ме-
талла и вес аппарата.
Под условным давлением понимается максимально допусти-
мое давление в аппарате при температуре стенки 20 °C. Это дав-
ление всегда не ниже рабочего и расчетного давлений. Для стан-
дартизованных и нормализованных аппаратов ГОСТ предусмат-
ривает следующие условные давления (в МН/м2): 0,07; 0,1; 0,6;
0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,4; 8,0; 10; 12,5;
16; 20; 25; 32,5; 40; 50; 63; 70; 80; 100; 125; 160; 200. При проек-
тировании аппаратов рекомендуется придерживаться этих давле-
ний, учитывая, что комплектующие аппарат стандартизованные
детали и узлы выпускаются именно на эти давления.
При температурах выше 20 °C условное давление снижается
пропорционально понижению допустимых напряжений при этих
температурах в зависимости от марки материала, из которого из-
готовлены корпус, арматура или трубопровод.
Нормативные материалы устанавливают связь между услоВ'
ным и рабочим давлением в зависимости от температуры среды
для различных конструкционных материалов. В табл. Ш-1 при-
ведены некоторые данные для углеродистых сталей, дающие
представление о характере этой связи.
Таблица Ш-1. Условные и рабочие давления для изделий
из углеродистых сталей при различных
температурах среды
Условное давление, МН/м* Наибольшие рабочие давления (в МН/м2) при температурах среды, СС
200 250 300 350 400 425 450
о,1 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05
0,25 0,25 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12
0,4 0,4 0,37 0,33 0,3 0,28 0,23 0,18
0,6 0,6 0,56 0,5 0,45 0,4 0,36 0,25
1,0 1,0 0,9 0,8 0,7 0,64 0,56 0,4
1,6 1,6 1,4 12,5 1,1 1,0 0,9 0,64
2,5 2,5 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,0
4,0 4,0 3,6 3,2 2,8 2,5 2,2 1,6
6,4 6,4 5,6 5,0 4,5 4,0 3,6 2,5
10,0 10,0 9,0 8,0 7,1 6,4 5,6 4,0
Величина пробного, или испытательного, давления, при кото-
ром испытывают на прочность изготовленный или находящийся
в эксплуатации, периодически проверяемый аппарат, установлена
нормами, приведенными в табл. Ш-2. Значения пробного гидрав-
лического давления указаны в ней без учета гидростатического
давления столба жидкости в аппарате при испытании.
Температура. Различают рабочую и расчетную температуры
среды. За рабочую температуру принимают максимальную темпе-
ратуру среды, которая наблюдается при нормальном или форси-
рованном в пределах допустимого технологическом процессе. Для
расчета на прочность руководствуются расчетной температурой
стенки и внутренних деталей аппарата, которую принимают рав-
ной:
а) максимально возможной при эксплуатации температуре
среды, если она менее 250 °C;
б) температуре среды, увеличенной на 50 °C, если стенки ап-
парата обогреваются открытым пламенем или горячими газами
при температуре не менее 250 °C;
Таблица Ш-2. Нормы пробного гидравлического давления
при испытании аппаратов, работающих
под избыточным давлением
Вид аппарата Расчетное давление Р, МН/м2 Пробное гидравлическое давление, МН/м2
0,05 Ра20 t -f" 0,05, но не менее 0,06 °доп
Сварной, паяный
1.5 PC
° доп
но не менее 0,1
0,07, но <0,5
Сварной, паяный,
кованый
i-5PC
----t-, но не менее 0,3
адоп
1-25 РОдоП
-----/----, но не менее Р -|- 0,3
адоп
Литой
Независимо от
давления
1 5 Ра20
-----f—, но не менее Р-|-0,3
° доп
Примечание. и °д0П — допустимые напряжения соответственно при нормаль-
ной температуре и температуре t рабочей среды.
в) температуре поверхности изоляции, соприкасающейся со
стенкой аппарата, увеличенной на 20 °C, если имеется теплоза-
щитная изоляция.
Для теплообменников расчетную температуру определяют теп-
лотехническим расчетом.
ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
При расчетах на прочность и устойчивость очень важен выбор до-
пускаемого напряжения. От выбранного значения допускаемого
напряжения зависят надежность аппарата в условиях эксплуата-
ции, расход металла на его изготовление и, следовательно, эко-
номичность конструкции в целом.
Допускаемые напряжения выбирают в зависимости от проч-
ностных характеристик принятого конструкционного материала
при расчетной температуре, свойств среды, характера нагрузок,
испытываемых аппаратом в процессе эксплуатации, способа и
технологии изготовления аппарата и надежности приборов конт-
роля.
Для расчета на прочность аппаратов, работающих под внут-
ренним или наружным избыточным давлением, а также подвер-
женных ветровым и сейсмическим нагрузкам, установлены номи-
нальные (нормативные) допускаемые напряжения, которые при-
меняют при расчете на растяжение, сжатие и изгиб. При расчете
на кручение и срез нормативные допускаемые напряжения умень-
шают в 1,7 раза.
В соответствии с ГОСТ значение допускаемого напряжения оп-
ределяют по формуле
0ДОП = 110* (111 .1)
где <Тдоп — допускаемое напряжение, МН/м2;
т] — поправочный коэффициент;
о* — нормативное допускаемое напряжение, МН/м2.
Поправочный коэффициент учитывает взрыво-, пожароопас-
ность и токсичность среды в аппарате. Значение его устанавлива-
ют в соответствии с утвержденной нормативно-технической доку-
ментацией. При отсутствии нормативов коэффициент принимают
равным 0,9. Для аппаратов, содержащих чистую среду, г) = 1,0.
Значение нормативных допускаемых напряжений для различ-
ных сталей определяют по табл. Ш-З и Ш-4.
Таблица Ш-З. Нормативные допускаемые напряжения о* для углеродистых
и низколегированных сталей
Расчетная темпе- ратура стенки, LC Значения о* (в МН/м2) для сталей марок
Ст. 3 Сталь 10 Сталь 20 и 20К 09Г2С и 16ГС
20 140 130 147 170
100 134 125 142 160
150 131 122 139 154
200 126 IIS' 136 148
250 120 112 132 145
300 108 100 119 134
350 98 88 106 123
375 93 82 98 116
400 88 77 92 ПО
410 83 75 89 104
420 78 72 86 97
430 76 68 83 90
440 60 73 82
450 — 53 64 73
460 47 56 65
470 42 49 60
475 — 39 46 56
В тех случаях, когда конструкционный материал в приведен-
ных таблицах не значится, нормативное допускаемое напряжение
о* определяют по одной из следующих ниже формул.
Таблица Ш-4. Нормативные допускаемые напряжения а* для теплостойких
и кислотостойких сталей
Расчетная темпе- ратура стенки, °C Значения о* (в МН/м2) для сталей марок
12ХМ, 12МХ 15ХМ Х5М Х18Н10Т, Х18Н12Т. X17H13M3T, Х17Н13М2Т 0Х18Н10Т 0Х18Н12Т
20 147 155 146 146 132
100 141 139 122
150 138 134 115
200 145 152 134 129 109
250 145 152 127 125 100
300 141 147 120 120 93
350 137 142 114 116 91
375 134,5 139,5 109,5 113,5 88,5
400 132 137 105 111 86
410 130,5 136 103 110,5 85,5
420 129 135 101 110 85
430 127,5 133,5 98,5 109 84,5
440 126 132 96 108 84
450 124,5 131 93,5 107 83,5
460 123 130 91 106 83
470 122 128 88,5 105,5 82,5
480 121 126 86 105 82
490 108,5 114,5 82,5 104,5 81,5
500 96 103 79 104 81
510 83 89 72 103 80
520 69 78 66 103 79
530 57 69 60 102 79
540 47 60 54 102 78
550 51 47 102 76
560 42 — 101 73
570 — — 97 69
580 — 90 65
590 —- — 81 61
600 — — 74 57
610 — 68 ——
620 __ — — 62 —
630 — — — 57 —
640 — — 52 —
650 — — — 48 —
660 — — 45 —
670 — — 42 —
680 — — 38 —
690 — — 34 —
700 — — — 30 —
1. Для углеродистых сталей при расчетной температуре до
380 °C, для низколегированных сталей — до 420 °C, для аустенит-
ных сталей — до 525 °C — по формулам
4. аВ * °т
О* = ----- ИЛИ О* —
пв «т
(III.2)
2. При более высоких расчетных температурах, чем перечис-
ленные в п. 1 для каждой группы сталей, — по формулам
а* = или сг* = —— (111.3)
пт пд
где <т0 — минимальное значение предела прочности (временное сопротивление)
при расчетной температуре, МН/м2.
о? — минимальное значение предела текучести при расчетной температуре,
МН/м2;
па —запас прочности по пределу прочности (пв = 2,6);
пт —запас прочности по пределу текучести (пт=1,5);
Од — среднее значение предела длительной’ прочности за 100 тыс. ч при
расчетной температуре, МН/м2;
лд — запас прочности по пределу длительной прочности.
За нормативное допускаемое напряжение принимают меньшее
из значений, вычисленных по двум формулам.
Если для выбранного конструкционного материала нет дан-
ных по пределу длительной прочности, за нормативное допускае-
мое напряжение принимают меньшее из значений, вычисленных
по формулам
о* = или о* = оп (III.4)
где оп — среднее значение предела ползучести за 100 тыс. ч при расчетной
температуре, МН/м2.
Для стальных отливок значение нормативного допускаемого
напряжения уменьшают в 1,25—1,4 раза.
НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В СТЕНКЕ ОБЕЧАЙКИ
Рассмотрим напряжения, возникающие в стенке цилиндрической
обечайки, закрытой с двух сторон днищами и подверженной неко-
торому внутреннему давлению Р (рис. Ш-2,а). Для этого выделим
Рис. II1-2. Напряжения, возникающие в стенке цилиндрической обечайки.
из стенки элемент а, ограниченный двумя плоскостями, проходя-
щими через ось обечайки, и двумя другими плоскостями, перпен-
дикулярными ее оси (рис. Ш-2,6).
Напряжение оп, направленное по меридиану (т. -е. вдоль ци-
линдра), носит название меридионального; напряжение от, на-
правленное по кольцевому сечению, называется кольцевым (каса-
тельным); напряжение аг, действующее в радиальном направле-
нии,— радиальным. Эти напряжения, являющиеся главным и
определяющими при расчете на прочность, вызываются растяги-
вающими или сжимающими (при наружном давлении) силами.
В большинстве случаев при расчете цилиндров, работающих
под воздействием равномерно распределенного давления, ради-
альным напряжением пренебрегают. Не учитывают также напря-
жения от изгибающих моментов, действие которых вытекает из
изменения кривизны обечайки при деформациях. Теория расчета,
учитывающая только растягивающие или сжимающие усилия, но-
сит название безмоментной, или мембранной, теории.
Для расчетного определения толщины стенки цилиндриче-
ские аппараты делят на тонкостенные и толстостенные.
РАСЧЕТ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ,
РАБОТАЮЩИХ ПОД ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ
Тонкостенными называют такие аппараты, толщина стенки кото-
рых не превышает 10% внутреннего диаметра сосуда.
Согласно мембранной теории, радиальные напряжения о,-,
возникающие в цилиндрических оболочках от внутреннего или
наружного давления, при расчете во внимание не принимаются.
Определим значения кольцевого от и меридионального (в на-
правлении образующей цилиндра) оп напряжений, возникающих
в стенке цилиндра под действием внутреннего давления Р.
Кольцевое напряжение возникает от давления среды на стен-
ки цилиндра (см. рис. Ш-2,в). Из условия равновесия имеем:
2aTs'/ = PDJ.
(Ш.5)
откуда
где Dc — средний диаметр цилиндра;
s' — толщина стенки цилиндра;
I — длина цилиндра.
Меридиональное напряжение возникает от давления среды на
днище аппарата (см. рис. Ш-2,а). Из условия равновесия имеем:
л «
artnDcs' — Р-^ Dc
откуда
РРе
On- 4s,
(III.7)
(III.8)
Из формул (III.6) — (Ш-8) видно, что в цилиндрических аппа-
ратах кольцевые напряжения вдвое больше меридиональных, по-
этому наиболее опасными в аппарате являются продольное сече-
ние и продольные швы. Исходя из этого аппараты рассчитывают
на напряжения, возникающие в продольных сечениях.
В соответствии с первой теорией прочности расчет ведут по
наибольшему нормальному напряжению. Это напряжение долж-
но быть не больше допускаемого, поэтому с учетом коэффициента
прочности сварного шва <р по формуле (Ш.6) определим номи-
нальную расчетную толщину стенки аппарата:
, РРс
ЗИдопф
или
(III.9)
2<ГдопФ Р
где DB — внутренний диаметр цилиндра;
Стдоп — допускаемое напряжение.
Полная толщина стенки аппарата учитывает прибавки С
(в мм) на коррозию и эрозию и определяется по формулам
или
s= 2одопфВ_р-+С + С1
2ОДОРПФН+Р+С + ^
где s — полная расчетная толщина стенки аппарата;
Dn — наружный диаметр цилиндра;
С — прибавка к расчетной толщине, учитывающая агрессивное действие ра-
бочей среды на материал корпуса;
Ci — дополнительная прибавка к расчетной толщине, назначаемая по техно-
логическим, монтажным и другим соображениям.
Все прибавки к расчетной толщине должны быть обоснованы
с учетом скорости коррозии и установленного срока службы про-
ектируемого оборудования.
Расчетные формулы(III.10) и (III.11) рекомендованы соот-
ветствующим ГОСТ. Согласно этому ГОСТ, допускаемое давле-
ние в аппарате определяется, по формуле
Гдоп —
2'Щдоп ($ — С)
DB s — С
(III.12)
РАСЧЕТ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ,
РАБОТАЮЩИХ ПОД НАРУЖНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
Под наружным избыточным давлением работают вакуумные ап-
параты и аппараты с рубашкой для обогрева или охлаждения.
В результате действия наружного давления корпус аппарата мо-
жет терять цилиндрическую форму и сминаться при напряжени-
ях, значительно меньших, чем разрушающие.
Наружное давление, при котором данный аппарат начинаег
терять свою форму, называется критическим (РКр)- Для устойчи-
вости аппарата необходимо, чтобы
Р < Р|ф
Луст
где Р — внешнее давление;
«уст — запас устойчивости.
Критическое давление зависит от геометрической формы и>
размеров аппарата, а также от механических свойств конструкци-
онного материала. Опасность потери устойчивости (вдавливания
Рис. Ш-З. График для определения критического давления в аппарате.
стенки внутрь) обечаек, работающих под наружным избыточным
давлением, тем больше, чем больше отклонение от правильной
цилиндрической формы и чем больше длина обечайки. В тех слу-
чаях, когда длина обечайки превосходит ее диаметр в 5 раз, ее
укрепляют кольцами жесткости. Последние устанавливают на
расстоянии друг от друга 0,1Пв—5£)в, причем чем больше диа-
метр аппарата, тем расстояние меньше.
Кольца жесткости должны работать совместно с корпусом,,
поэтому приварка их к корпусу выполняется с соблюдением оп-
ределенных норм; в частности, длина сварного шва с каждой
стороны кольца жесткости должна быть не меньше половины на-
ружного периметра обечайки.
Значение критического давления определяют по формулам,,
приведенным в справочной литературе. Для множества случаев,
встречающихся на практике, критическое давление можно опре-
делить по графику (рис. Ш-З), построенному для цилиндриче-
ских аппаратов из стали с модулем упругости Д = 2,1-105 МН/м2.
Соответствующую кривую на графике находят по отношению рас-
четной толщины стенки аппарата s' к его наружному диаметру
Dlt; затем задаются отношением расстояния между кольцами
жесткости на аппарате / к наружному диаметру аппарата DH, и на
оси ординат получают значение критического давления.
Прежде чем приступить к расчету на устойчивость формы, не-
обходимо проверить напряжения сжатия в стенке аппарата от
Р1ф. Оно должно быть меньше допускаемого напряжения, опре-
деленного по формуле (Ш.2), т. е. меньше отношения предела
текучести при рабочей температуре к запасу прочности.
Приведенные ниже расчетные формулы предназначены для
гладких и укрепленных кольцами жесткости цилиндрических
обечаек и могут применяться для обечайки из углеродистой ста-
ли при температуре стенки до 380 °C, из низколегированной ста-
ли при температуре до 420 °C, из аустенитной — до 525 °C. При от-
ношении расчетной длины обечайки к внутреннему диаметру, рав-
ном
1>5 V D D V 2(s — C)
фюрмулы для расчета обечаек имеют вид:
s = 0,47 ПОСТ ( 10-5£ ‘~D~) + c+ci (III.13)
D Г 100 (s —С) ? 1/ 100 (s—С) ,ттг
Рдоп = 6,49.10-5£ —[-у-------------(III.14)
где s — исполнительная толщина стенки обечайки;
D — внутренний диаметр обечайки;
Р — расчетное давление;
Е — модуль продольной упругости при расчетной температуре;
I — расчетная длина.
Расчетное значение модуля упругости Е для углеродистых и
легированных сталей в зависимости от рабочей температуры оп-
ределяют по табл. Ш-5.
Таблица Ш-5. Расчетные значения модуля упругости для сталей
при различных температурах
Модуль упругости Е (105 МН/М2) при температурах, °C
20 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
1,99 1,91 1,86 Для j 1,81 I 1,76 г л е р о д и 1,71 1 1,64 стых сталей 1,55 | 1,40 | - - - —
2,00 2,00 1,99 Для легированных сталей 1,97 | 1,94 | 1,94 | 1,86 | 1,81 | 1,75 | 1,68 1,61 1,53 1,45 1,36
Расчетную длину I цилиндрических корпусов с эллиптически-
ми днищами определяют по формуле
где Ь — длина цилиндрической части, м;
Н — высота днища, м.
Формулы (III.13) и (III.14) применимы при выполнении
ловия
УС-
Для цилиндрических обечаек, удовлетворяющих условиям
и
-£<1/ D-
D - V 2(s—Q
допускаемое наружное давление определяют по формуле
•Рдоп— D ' Е a* D / I \2 (III->5)
~а*~ + 2,3~‘ s — C ( s—C )
При расчете длинных цилиндрических обечаек, у которых
-L^-1/ д_
D > V 2 (s—C)
рекомендуются следующие формулы для определения исполни-
тельной толщины и допускаемого давления:
Если
то
оу р
s = 1,06 юо у Ю-5£
РДоп = 0,85.10-£
D > V 2 (s — С)
100 (s — С) ]3
О
2Е (s—C) 1
Одоп = р ' £ / D \2
+( s—C )
(III.16)
(III.17)
(III.18)
Е С + С,
Для цилиндрических обечаек, усиленных кольцами жесткости,
расположенными друг от друга на расстоянии больше половины
диаметра обечайки (/>0,5£>)
l(s — С)3 4- 12/х
РДОП = 0,85£—---------- (III. 19)
где s — толщина стенки обечайки, определяемая по формуле (III.13), в которой
за расчетную длину I принято расстояние между кольцами в свету;
1Х—эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца
жесткости;
I — расстояние между кольцами жесткости в свету.
Допускаемые давления можно найти также по специальным
диаграммам, построенным исходя из условия устойчивости обе-
чаек в определенных пределах.
Местная устойчивость стенки обечайки, т. е. устойчивость ее
между двумя кольцами жесткости, обеспечивается, если расстоя-
ние между ними
F Г 100 (s — С) I21 / 100 (s — C)
I С 6,49-10-* -pD [--у---------------р----(III.20)
где F—площадь поперечного сечения кольца жидкости.
На рис. Ш-4 приведены поперечные сечения основных типов
колец жесткости. Их рассчитывают при условии совместной ра-
боты на устойчивость с частью обечайки, примыкающей к коль-
цу. Примерный расчет на прочность и проверка на устойчивость
приведены ниже.
Под действием внешнего давления, сжимающего обечайку,
кольцо жесткости сжимается. Напряжение сжатия в поперечном
сечении кольца
щ- 2F
(III.21)
где q — интенсивность нагрузки (нагрузка, приходящаяся на 1 м длины кольца);
£)н — наружный диаметр кольца;
F — площадь поперечного сечения кольца.
Для обеспечения прочности необходимо, чтобы
а
(III.22)
Критическую интенсивность нагрузки qKp, при которой кольцо
жесткости теряет устойчивость, определяют по формуле
_ 3£/
7кр — рз
У
(III.23)
где Е — модуль упругости при рабочей температуре;
I — момент инерции поперечного сечения кольца относительно оси у — у,
проходящей через центр тяжести поперечного сечения кольца параллель-
но образующей обечайки;
Ry— радиус кольца по осевой линии.
Рис. II (.4. Кольца жесткости на цилиндрических аппаратах:
•слева — расположение на аппарате; справа — поперечные сечения колец жесткости различ-
ных типов.
Устойчивость кольца обеспечивается, если
(III.24)
где пк — запас устойчивости кольца (для вертикальных аппаратов пк = 5, для го-
ризонтальных пк = 6).
Кольцо жесткости проверяют также на изгиб, которому оно
подвергается в результате неточности изготовления.
Проверка на устойчивость корпусов, работающих под дейст-
вием осевой сжимающей силы и изгибающего момента. Горизон-
тальные или вертикальные корпуса испытывают нагрузки от соб-
ственного веса, веса заполняющей их жидкости, а также нагрузки
ветровые и сейсмические. Все перечисленные нагрузки сжимают
корпус в осевом направлении и изгибают его, вызывая соответст-
вующие напряжения.
За опасное (расчетное) сечение вертикальных корпусов при-
нимают нижнее сечение. Если толщина корпуса на разных уча-
стках высоты различна, то проверку ведут для каждого участка.
Опасное сечение горизонтальных емкостей зависит от расположе-
ния опор и определяется расчетным путем.
Цилиндрические корпуса, нагруженные осевой сжимающей си-
лой, проверяют на устойчивость по одной из следующих формул:
N
s=-----iTT+C + C, (III.25)
n<fta*D 1 1 1 '
jVAon = n<fta*D (s — C) (III.26)
где N — расчетная осевая сжимающая сила;
Л^доп — допускаемая осевая сжимающая сила;
<р,—коэффициент уменьшения допускаемых напряжений при продольном
изгибе.
Значения коэффициента <р( в зависимости от приведенной гиб-
кости X даны в табл. Ш-6.
Таблица Ш-6. Значения коэффициента уменьшения
допускаемых напряжений <р,
Приведенная гиб- кость Л Приведенная гиб- кость X
0,5 0,975 5,0 0,325
1,0 0,940 5,5 0,272
1,5 0,900 6,0 0,228
2,0 0,84 6,5 0,193
2,5 0,76 7,0 0,168
3,0 0,67 7,5 0,148
3,5 0,57 8,0 0,128
4,0 0,47 9,0 0,101
4,5 0,39 10,0 0,082
Приведенную гибкость определяют по формуле:
X = 3,46 —(III.27)
Приведенная расчетная длина /пр корпуса или его участка опре-
деляется по справочным таблицам в зависимости от положения
и схемы закрепления аппарата. Для горизонтальных аппаратов
на двух опорах, расположенных по концам, за приведенную дли-
ну принимают расстояние между опорами; для вертикальных ап-
паратов, закрепленных только на фундаменте, за приведенную
длину принимают две высоты аппарата.
Местную устойчивость корпуса под действием изгибающего
момента проверяют по формуле
Ои<°и.доп (111.28)
где <Ти — расчетное осевое нормальное напряжение в сжатой зоне от дей-
ствия изгибающего момента;
<Ти. доп—допускаемое нормальное напряжение из условия местной устойчи-
вости стенки обечайки.
Значения <ги и <ти.Доп определяют по формулам
4М
nD2(s--Q
s— С
аи.дрп= ЬцЕ D
(III.29)
(III.30)
где М — изгибающий момент в расчетном поперечном сечении корпуса;
ku — коэффициент, определяемый по справочникам в зависимости от расчет-
ной толщины корпуса и выбранного конструкционного материала.
Корпус проверяют также на устойчивость под действием наи-
большей перерезывающей силы Q:
г D(s — С) 1
Q^E(s-С)2 0,15 + 2,6——- (III.31)
Установлены условия применения формул (Ш.25)— (III.31) и
значения коэффициентов для различных случаев, встречающихся
на практике.
Если осевая сжимающая сила и изгибающий момент действу-
ют на аппарат, работающий под наружным давлением, то про-
верку па устойчивость проводят по формуле
п г" п -Г р J
Ос.доп ии.доп ^доп
где <Тс — расчетное нормальное напряжение в стенке корпуса от осевого
сжатия;
«Тс.доп — допускаемое нормальное напряжение из условия местной устойчи-
вости стенки корпуса под действием осевой сжимающей силы.
Значение <тс рассчитывают по формуле
N
= (s — С) (III.33)
Значение o+доп находят по таблицам в зависимости от отно-
шения диаметра к удвоенной толщине стенки аппарата и механи-
ческих свойств металла.
РАСЧЕТ ТОЛСТОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСОВ
Толстостенными считаются цилиндрические корпуса, толщина
стенки которых больше 10% внутреннего диаметра. При расчете
толстостенного цилиндра следует учесть, что на вырезанный из
него элемент (рис. Ш-2), кроме меридионального напряжения
<тп и кольцевого <+ действует еще радиальное (в направлении ра-
диуса) напряжение ог.
Когда аппарат работает только под внутренним давлением,
меридиональные напряжения, растягивающие его, равномерно
распределены по толщине стенки и рассчитываются по формуле
PR2B
on = —дг (Н 1.34)
где Р— давление в аппарате;
RB и RB — наружный и внутренний радиусы цилиндра.
Радиальные напряжения, сжимающие стенку, изменяются от
нуля на наружной поверхности цилиндра до величины Р на внут-
ренней поверхности, что следует из формулы для определения
радиального напряжения:
PR2B
R»-RB
1 —
(III.35)
Кольцевые напряжения, являющиеся наибольшими по величи-
не, также изменяются по толщине стенки:
на внутренней поверхности
„ *и + *в
аТв_Р £2
1ЧН чв
(III.36)
на наружной поверхности
2PRB
(III.37)
Таким образом, максимальное значение кольцевых напряжений
(на внутренней поверхности) больше минимального (на наруж-
ной поверхности) на величину Р.
Согласно первой теории прочности, расчет толщины стенки
следует производить по кольцевому напряжению на внутренней
поверхности. Подставив в формуле (III.37) вместо oTfi значение
Пдоп, с учетом коэффициента прочности сварного шва ср и прибавки
на коррозию, получим формулу для определения толщины стенки
толстостенного цилиндра:
1/ срсгдоп + Р
Г СрСГдоп Р
-1) + с
(III.38)
Обычно расчет толстостенных цилиндров ведут по формуле,
полученной с помощью энергетической теории прочности:
фаД0^°Г,73Р J)+C
(III.39)
Применяя эту теорию, необходимо руководствоваться специ-
альными указаниями по подбору допускаемых напряжений.
Если толстостенный цилиндр обогревается снаружи, то при
расчете следует обязательно учитывать и температурные напря-
жения вследствие разности между температурами наружной и
внутренней поверхностей стенки аппарата. Температурные на-
пряжения определяют по формулам:
для внутренней поверхности
£а(/н-/в) (
2(1—м)
1
1п/?н- 1пЯв
(III.40)
для наружной поверхности
£а (/н — tB) ( 2*в
2(1—р.) 1^-^
1
1п/?н —1пЯв
(III.41)
где £ — модуль упругости материала корпуса при средней температуре
стенки;
а — коэффициент линейного термического расширения в 1 ГС при той же
температуре;
ta, (в — температуры наружной и внутренней поверхностей стенки;
[X — коэффициент Пуассона при средней температуре стенки.
Вычисленные по этим формулам температурные напряжения
складывают с максимальными касательными напряжениями. Сум-
марное напряжение должно быть меньше допускаемого напря-
жения, рассчитанного по пределу текучести при средней темпера-
туре стенки.
Если температура внутренней поверхности стенки выше, чем
наружной, то влияние температурных напряжений невелико. Так
как вследствие ползучести температурные напряжения по толщи-
не стенки выравниваются, при расчетах на прочность их не учи-
тывают, если средняя расчетная температура стенки аппарата из
углеродистой стали выше 420 °C, из легированной стали — выше
470 °C.
КОНИЧЕСКИЕ ОБЕЧАЙКИ
Конические обечайки применяют в основном как переходные ча-
сти между стыкуемыми цилиндрическими обечайками разных диа-
метров. Они могут применяться в качестве корпусов аппаратов,
которые по условиям технологического процесса должны иметь
коническую форму.
На рис. Ш-5 даны основные конструкции конических обеча-
ек: неотработанные, работающие под давлением не более 4 МН/м2
при а^10° и без давления при а=С45° (рис. Ш-5,а); отбортован-
ные (с отбортовкой краев), применяемые при а^45° для аппара-
тов, работающих под давлением (рис. Ш-5, б); несимметричные,
применяемые для корпусов некоторых кожухотрубных теплооб-
менников и других аппаратов, работающих при давлении до
4 МН/м2 (рис. Ш-5, а).
Рис. II1-5. Конические обечайки:
а — симметричная неотбортованная; б — симметричная отбортованная;
в — несимметричная.
ДНИЩА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Днища закрывают обечайку аппарата с торцов. Они соединя-
ются с обечайкой без разъема (сваркой) или с разъемом (на
фланцевом соединении). В нефтепереработке днища изготовляют
из того же материала, что и обечайки, и приваривают к ним ча-
ще всего встык.
Форма применяемого днища зависит от требований процесса,
для осуществления которого предназначен данный аппарат, раз-
Рис. III-6. Эллиптическое днище:
а — цельноштампованное; б
сварное из сегмента и лепестков.
меров аппарата, давления среды в нем и конструктивных сообра-
жений. По форме различают эллиптические, полушаровые, сфе-
рические, конические и плоские днища.
Эллиптические днища (рис; Ш-6) имеют рациональную кон-
структивную форму, поэтому в аппаратостроении применяются ча-
ще других. Постепенное и непрерывное уменьшение радиуса кри-
визны эллипсоидальной поверхности днища от центра к краям
•обеспечивает равномерное распределение напряжений без кон-
центрации их. Для удобства присоединения к обечайкам эллип-
тические днища изготовляют с цилиндрическим бортом.
ГОСТ устанавливает размеры и условия применения эллипти-
ческих днищ. Принято условное обозначение днищ: например,
обозначение «Днище 400X6—25—09Г2С» означает: внутренний
0,16 0,2 0,25 0,3 0,35 0,5 0,55 05
H/Dt
Рис. Ш-7. График для определения коэф-
фициента перенапряжения эллиптических
днищ у .
диаметр днища _DB = 400 мм;
толщина стенки $1 = 6 мм; высо-
та борта 25 мм; материал, из
которого изготовлено днище, —
сталь марки 09Г2С.
Стандартизованные и норма-
лизованные эллиптические дни-
ща применяют для аппаратов,
работающих под давлением до
10 МН/м2.
Расчет на прочность днища,
работающего под давлением, за-
ключается в определении толщины стенки s (в м):
_ РРсУэ
2ф<Тдоп
+ С + Ci
(111.42)
где Dc — средний диаметр днища;
у3 — коэффициент перенапряжения, определяемый по таблицам или по
графику (рис. Ш-7) в зависимости от отношения H/Da;
<р — коэффициент прочности сварного шва.
Для стандартных днищ, у которых ЯД)в=0,25
где R— радиус кривизны в вершине эллиптического днища.
Допускаемое давление определяют по формуле
_ 2(з-С)_фаД0П_
Сдоп- я + — (111.ЧЧ)
Исполнительную толщину эллиптического днища, работаю-
щего под наружным давлением, рассчитывают по следующим
формулам:
7? О l£ k R 1 Р
1 • При 5 — с s = 300 V 10-5£ +С + Ci (HI .45)
Коэффициент k3 зависит от H/D3 и R/(sl—С); для стандарт-
ных днищ при —С), равном 100, 200 и 300, значение ka рав-
но соответственно 0,92, 0,95 и 0,97.
R 0,1Е
2- При
s = -2'^P1 + C + C1 (III.46)
-i / 15а*
Pi =0,5-}-0,25 + рр
(III.47)
/ ,
7
/ /л
Внутреннюю емкость V выпуклой части эллиптических днищ
вычисляют по формуле
V = -^-nDBHB (III.48)
где Нв — высота днища (в м) без учета толщины.
Полушаровые днища. Полушаровые
паратов большого диаметра (более 4
лением. Их изготовляют сварными из
элементов — шарового сегмента и ша-
ровых лепестков (рис. Ш-8) по нор-
малям.
Толщину стенки полушарового
днища определяют из расчета на
прочность по формуле
PR
s= 2q w T-C + C! (III.49)
ZOAOII Y
где R — внутренний радиус днища.
Емкость днища V рассчитывают
по формуле
V = -j2- (III.50)
Сферические днища с отбортовкой.
В сечении плоскостью, проходящей
через ось, сферическое днище (рис.
Ш-9) представляет кривую, состоя-
щую из двух участков: центрального
(выполненного большим радиусом)
и сопрягающего (выполненного мень-
шим радиусом). Цилиндрический
борт должен иметь высоту h~^s +
днища применяют для ап-
м), работающих под дав-
отдельных штампованных
Рис. Ш-8. Полушаровое днище:*
/ — шаровой сегмент; 2 — шаровые
лепестки.
Рис. III-9. Сферическое отбортованное днище.
Рис. III-10. График для определения ко-
эффициента перенапряжения сферических
днищ Ус.
+ 0,015 м при толщине стенки s+J0,002 и h^s/2 + 0,0025 м при
s^0,002 м. Благодаря этому шов приварки днища к корпусу на-
ходится вне напряженной зоны.
Рис. 111.11.Конические днища и их развертки:
д — с отбортовкой; б — без отбортовки.
Под влиянием давления переходная часть днища сильно де-
формируется, и опасные напряжения возникают именно в этой
части. Поэтому в расчетную формулу толщины стенки входит ко-
эффициент ус, называемый коэффициентом перенапряжения. Он
показывает, во сколько раз напряжение в сопрягающей (переход-
ной) части больше напряжения в центральной части:
s = 2а УС<£> + (III.51)
2адоп Ф
Значение ус определяют по таблицам или графику (рис. Ш-10)
в зависимости от отношения r/R (см. рис. Ш-9). Минимально до-
пустимое отношение г/7? = 0,08. При r/R = l днище превратится в
полушаровое, и у станет равным единице.
Сферические неотбортованные днища без переходного радиу-
са и цилиндрического борта применяют только для малоответст-
Рис. Ш-12. Схема для расчета конических
дин щ.
Рис. Ш-13. График для определения коэф-
фициента перенапряжения конических
днищ Ук>
венных аппаратов, в которых избыточное давление не превышает
0,07 МН/м2.
Конические днища. В тех случаях, когда по условиям процес-
са необходимо полностью удалить из аппарата сыпучие или вяз-
кие среды, применяют конические днища. При давлениях до
0,07 МН/м2 можно применять днища без отбортовки (для углов
при вершине 60, 90 и 120°), в остальных случаях применяют от-
бортованные днища (для углов при вершине 60° и 90°). На
рис. Ш-11 показаны осевые разрезы и развертки перечисленных
днищ.
На рис. Ш-12 приведена схема конического днища, нагру-
женного одновременно гидростатическим давлением столба жид-
кости или вязкого материала и давлением газов или паров в ап-
парате. Расчет толщины днища проводят по следующим форму-
лам:
1. Если давление в аппарате незначительно по сравнению с
гидростатическим давлением, то
yDa №
s=S^^--hT + C + Ci (Ш.52)
где DB — внутренний диаметр аппарата;
у — удельный вес вещества, заполнившего днище;
а — половина угла при вершине;
И— расчетная высота;
Лк — высота конуса.
H = h+h3 (III.53)
где Лэ — эквивалентная высота столба вещества, заменяющая давление внутри
аппарата Р.
= (IH-54)
2. Если давление в аппарате значительно по сравнению с гид-
ростатическим давлением, то
P'D
+С + С- <HI.5S)
где Р' — расчетное давление.
Р'=Р4-РЭ (III.56)
где Ра — давление, эквивалентное гидростатическому давлению вещества.
Рэ=у(Л-Лк) (III.57)
В переходной части отбортованных днищ, а также в сварном
шве, которым неотбортованное днище соединяется с корпусом, воз-
никают напряжения изгиба. Учитывая это, из условия прочности
определяют толщину стенки конического днища по формуле
s=^ C + Cj (ш .58)
^и.допт
где ук—коэффициент перенапряжения, определяемый по графику (рис. III-13)
в зависимости от угла при вершине 2а и отношения r/DB (см. рис.
Ш-11,а); для неотбортованных днищ принимают r/DB=0,01.
Из рассчитанных по (III.52) и (III.58) или по (Ш.55) и
(III.58) значений s принимают наибольшее.
Цилиндрическая часть корпуса у места приварки неотборто-*
ванного конического днища должна быть укреплена кольцом же-
сткости (рис. Ш-14), сечение которого рассчитывают на сжатие
от давления на стенки днища и веса самого днища.
Плоские днища применяют только для аппаратов, работающих
под наливом без давления; для аппаратов диаметром выше 0,4 м,
работающих под давлением, применять плоские днища нельзя.
При рапных расчетных условиях толщина плоского днища на-
много больше, чем других днищ.
Для аппаратов диаметром более 0,8 м плоские днища реко-
мендуется укреплять ребрами, как показано на рис. Ш-15. На
рис. Ш-16 приведены наиболее
часто встречающиеся случаи
сопряжения плоского днища с
обечайкой.
Плоские днища стандартизо-
ваны. Толщину плоского кругло-
го днища определяют по фор-
муле
s = |/ ~^- + С + С1 (III.59)
Г °доп
где k — коэффициент, зависящий от кон-
струкции днища (рис. Ш-17):
для I случая £ = 0,60; для II, III
Рис. 111-14. Укрепление кольцами жестко-
сти корпусов с комическими днищами:
а — внутреннее кольцо: б — наружное
кольцо; в — составное усиленное кольцо.
IV и VI случаев £ = 0,45; для V случая
£ = 0,40;
D\ — приведенный диаметр: для I и IV случаев D{ = D\ для II и III случаев
01 = 0 —г;.для V случая £>1 = £>б; для VI случая Di=Dca.
Рис. III-I5. Укрепление плоских днищ ребрами жесткости:
а — наружное центральное кольцо; б — внутреннее центральное кольцо; в -- выступающее
днище; г — днище с упорным уголком.
Для днищ, имеющих неукрепленные отверстия, исполнитель-
ная толщина 50 определяется по формуле
(III.60)
где £0 — коэффициент ослабления.
плоского неразъемного днища с обечайкой.
Рис. HI.-1G. Способы сопряжения
Для днищ с центральным отверстием диаметром d коэффици-
ент ослабления равен:
d d
при “р-<С 0,35 ka = I — 0,43-р-
d
при-д-= 0,35 — 0,75 £о=0,85
Рис. 1П-17. Способы крепления плоского днища (крышки) к корпусу (к расчету толщины
плоского днища).
УКРЕПЛЕНИЕ ВЫРЕЗОВ В СТЕНКАХ АППАРАТОВ
Каждый аппарат соединяется с другими аппаратами или с тру-
бопроводами посредством штуцеров. Доступ внутрь аппарата осу-
ществляется через специальные люки и лазы.
Для установки штуцеров и
люков в корпусах аппаратов
(на обечайке или в днищах)
вырезают отверстия. Эти от-
верстия ослабляют стенки ап-
паратов: во-первых, умень-
шается площадь сечения ап-
парата по оси отверстия; во-
вторых, по краю отверстия
возникают местные напряже-
Рис. III.18. Припарка укрепляющего кольца:
/ — корпус аппарата; 2 — патрубок штуцера;
3 — укрепляющее кольцо.
ния, которые могут в пять
раз превысить напряжения в
целом сечении аппарата. Для
того чтобы предотвратить
ослабление, стенки аппарата в
чтобы компенсировать площадь
местах вырезов укрепляют так,
вырезанного сечения металла.
Существует много способов укрепления вырезов (штуцером,
втулкой, утолщением стенки), но в аппаратостроении применяют
главным образом укрепляющие кольца, устанавливаемые снаружи
аппарата.
Во всех случаях, когда диаметр патрубка штуцера больше
50 мм, укрепление вырезов в аппаратах обязательно. Отверстия
диаметром менее 50 мм также укрепляют, если возможны резкие
колебания давления в аппарате или если штуцеры расположены
близко друг от друга.
Иногда установка укрепляющих колец невозможна из-за пе-
регруженности аппарата штуцерами или по другим конструктив-
ным причинам. В этих случаях вырез укрепляют увеличением
толщины патрубка штуцера или толщины стенки самого аппа-
рата.
На рис. Ш-18 показан один из способов сварки укрепляюще-
го кольца с аппаратом и патрубком штуцера. В укрепляющих
кольцах предварительно сверлят отверстие и нарезают резьбу
М10. Отверстие служит для обнаружения в процессе эксплуата-
ции и при испытаниях пропусков в сварном шве, соединяющем па-
трубок штуцера и корпус аппарата. При испытаниях через отвер-
стие можно подать воздух н проверить плотность приварки само-
го укрепляющего кольца к корпусу и патрубку.
Толщина укрепляющих колец та же, что и стенки аппарата
на данном участке. Для биметаллических корпусов толщину
укрепляющего кольца принимают равной толщине основного
слоя.
Расчет укрепляющего кольца сводится к определению его на-
ружного диаметра. Если за исходное условие расчета взять ра-
венство площади удаленного в корпусе сечения металла и сече-
ния укрепляющего кольца, то наружный диаметр укрепляющего
кольца, в зависимости от коэффициента прочности сварного шва,
окажется равным 1,9—2 наружным диаметрам патрубка штуцера.
При проектировании пользуются утвержденными нормалями,
в которых даны все размеры укрепляющих колец.
Сварные швы, соединяющие укрепляющее кольцо с корпусом
аппарата, рассчитывают на срез. Расчет показывает, что при при-
варке валиковым швом катет его должен равняться толщине
кольца. Сварной шов укрепляющего кольца должен отстоять от
меридионального сварного шва корпуса не менее чем на две тол-
щины его стенки, но не менее чем на 30 мм. Правилами Госгор-
технадзора в отдельных случаях допускается устройство отвер-
стия на сварных швах. В этом случае шов должен иметь двусто-
ронний провар.
ФЛАНЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Фланцы служат для разъемного соединения трубопроводов, ар-
матуры, составных корпусов аппаратов или отдельных аппаратов
друг с другом. Фланец является элементом фланцевого соедине-
ния и представляет собой диск с отверстием для крепежных бол-
тов. Круглые диски легче изготовить, поэтому применяют глав-
ным образом круглые фланцы. Фланцы иной формы (например,
прямоугольной, треугольной) применяют только тогда, когда это
вызвано особыми технологическими или конструктивными усло-
виями.
В литой и кованой аппаратуре фланцы выполняют как одно
целое с корпусом аппарата. В сварной аппаратуре и для трубо-
проводов фланцы изготовляют штамповкой и механической об-
работкой и приваривают к трубе или обечайке. В случае не-
обходимости фланцы можно присоединить к трубе с помощью
резьбы.
Конструкция и материал фланцев зависят от условий, в ко-
торых он будет работать, и выбираются по ГОСТ или нормалям
в соответствии с условным давлением, температурой и агрессив-
ными свойствами среды. Необходимо помнить, что для светлых
нефтепродуктов, независимо от рабочего давления среды, приме-
няют фланцы, рассчитанные на условное давление не ниже
1,6 МН/м2.
Конструктивно фланцы отличаются способом соединения с
патрубком или обечайкой и формой сопрягаемых поверхностей,
между которыми зажимается уплотняющая прокладка. На
рис. Ш-19 показаны способы приварки фланцев к патрубкам.
Наиболее простые по конструкции плоские приварные флан-
цы применяют при условном давлении до 2,5 МН/м2 и темпера-
туре до 300 °C. Фланцы приварные встык используют без ограни-
чения давлений и температур. Накидные, или свободные, флан-
цы применяют при условных давлениях до 2,5 МН/м2.
На рис. Ш-20 приведены наиболее часто применяемые формы
поверхностей сопряжения фланцев. Плоская поверхность (а)
с прокладкой прямоугольного сечения допускается при условном
давлении до 2,5 МН/м2; поверхность с выступом и впадиной (б)
Рис. 111-19. Конструкции фланцев:
а — плоские приварные; б — приварные встык; в — накидные, или свободные.
с прокладкой прямоугольного сечения — до 4 МН/м2; поверх-
ность «шип—паз» (в) с прокладкой прямоугольного или круглого
сечения — до 6,4 МН/м2. При давлении выше 6,4 МН/м2 приме-
Рис. Ш-20. Формы поверхностей сопряжения фланцев:
•а — плоская; б — выступ—впадина; в — шип—паз.
няется металлическая прокладка овального или восьмиугольного
сечения; в этом случае на поверхностях сопрягаемых фланцев
протачивают одинаковые фасонные канавки.
Если по условиям эксплуатации невозможно применять про-
кладки, то плотность между сопрягаемыми фланцами обеспечи-
вается специальной обтюрацией (уплотнением) за счет опреде-
ленной формы и тщательной механической обработки (шлифовки)
сопрягаемых поверхностей. В этом случае сопрягаемые по-
верхности могут быть плоскими, сферическими или коническими.
ТИПЫ ПРОКЛАДОК
Плотное соединение сопрягаемых фланцев, как правило, обес-
печивается установкой между ними прокладок. Прокладка долж-
на быть пластичной, эластичной, стойкой к данной среде, прочной
в условиях эксплуатации и долговечной.
Таблица Ш-7. Основные материалы прокладок и пределы их применения
Материал Рекомендуемые пределы
Dy, мм Р МН/м2 /, °C
Картон, резина До 3000 До 0,6 От —30 до +100
Прорезиненная ткань То же До 1,0 От —30 до +100
Асбестовый картон » До 1,6 До +500
Пластикат, полиэтилен » До 4,0 От —30 до +60
Паронит » До 10,0 От —200 до +400
Фторопласт Алюминий, медь, латунь, монель, До 1000 До 10,0 От —200 до +250
свинец, никель Сталь углеродистая, легированная и До 800 До 40 От —200 до +300
высоколегированная До 1600 До 20,0 От —200 до +540
Материал и тип прокладок выбирают в зависимости от усло-
вий эксплуатации — давления, температуры, свойств среды. Раз-
меры и формы прокладок зависят от конфигурации сопрягаемых
поверхностей фланцев.
Рис. 111-21. Поперечные сечения прокладок:
/ — плоской; 2 — круглой; 3 — гофрированной; 4 и 5 — комбинированных (с металлической обо-
лочкой); б — квадратной; 7—10— фасонных металлических.
В табл. Ш-7 приведены прокладочные материалы, применяе-
мые в аппаратостроении при различных рабочих условиях, диа-
метре и формах сопрягаемых поверхностей (см. рис. Ш-20).
На рис. Ш-21 приведены поперечные сечения наиболее рас-
пространенных прокладок. Прокладки прямоугольного сечения
изготовляют из всех материалов, перечисленных в табл. Ш-7,
прокладки круглого сечения — из металлов, овального, восьми-
угольного, зубчатого сечения — из сталей. Широко применяют
плоские и гофрированные комбинированные прокладки, пред-
ставляющие собой асбестовый картон в оболочке из стали, алю-
миния, меди, латуни, никеля, монеля. Их устанавливают при тем-
пературе среды до 540 °C и давлении до 6,4 МН/м2. Применяют
также комбинированные прокладки из металла в неметаллической
оболочке. В этих случаях оболочку изготовляют из фторопласто-
вой пленки, которая надежно заполняет все неровности уплотни-
тельных поверхностей фланцев.
При выборе металлических и комбинированных прокладок на-
до проверить, не образуется ли между ней и фланцем гальвани-
ческая пара, что может привести к интенсивной электрохимиче-
ской коррозии уплотняемых поверхностей.
Области применения прокладок для различных сред даны
в табл. Ш-8.
Таблица Ш-8. Области применения прокладок для различных сред
Среда Предельное рабочее давле- ние '’раб- МН/м2, не более Предельная темпера- тура, °C Прокладка
Нс'фть сырая и 1,о 40 Картон бумажный промасленный
нефтепродукты 5,0 450 Паронит
10,0 300 Гофрированные алюминиевые про- кладки с асбестовой набивкой
6,4—40,0 550 Кольцевые прокладки овального се- чения из стали 0Х18Н9 или Х18Н9Т
Газы и пары аг- 0,6 300 Картон асбестоцуй АС
рессивные (сер- 2,5 300 Паронит у
нистый газ и г. п.) 15,0 450 Гофрированные прокладки из стали 0X18Н9 или Х18Н9 с асбестовой набивкой
6,4—40,0 550 Кольцевые прокладки овального се- чения из стали 0Х18Н9 или Х18Н9Т
Воздух и ней- 0,3 30 Резина
тральные газы 10,0 300 Гофрированные прокладки алюминие- вые с асбестовой набивкой
6,4—40,0 550 Кольцевые прокладки овального се- чения из стали 0Х18Н9 или Х18Н9Т
Лар водяной (на- сыщенный и пе- 0,4 150 Картон асбестовый АС прографичен- пый
регрстый) 5,0 450 Паронит
6,4—40,0 550 Кольцевые прокладки овального се- чения из стали 0Х18Н9 или Х18Н9Т
Серная кислота 0,3 65 Резина
концентрацией 0,6 50 Свинец марки С2
до 40% 0,6 100 Картон асбестовый кислотоупорный
Растворы щелочей и аммиака 0,15 400 Картон асбестовый прографиченный (для щелочей)
4,0 300 Паронит
6,4—40,0 550 Кольцевые прокладки овального се- чения из железа типа Армко
РАСЧЕТ БОЛТОВ И ШПИЛЕК
Для фланцевых соединений болты (или шпильки) и гайки к ним
должны быть стандартными или нормализованными. При проек-
тировании для создания наиболее рациональной конструкции
фланцевого соединения следует руководствоваться следующими
рекомендациями: диаметр болта или шпильки должен быть воз-
можно меньшим, но не менее 10 мм; расстояние между их осями
должно быть от 2,5 до 5 диаметров болта; болты должны распо-
лагаться возможно ближе к поверхностям уплотнения.
Длину болтов (шпилек) выбирают из такого расчета, чтобы
в начале сборки можно было надеть гайку, а в конце сборки, пос-
ле затяжки, болт выходил за торец гайки на длину, равную 0,2—
0,25 диаметра.
Нагрузку на болты фланцевого соединения, находящегося под
давлением среды, определяют по формуле
<2б = I De +-3- ь \ P + ^DcbamP (III.61)
где Qe — общая нагрузка на болты;
D, — внутренний диаметр прокладки;
b — ширина прокладки;
Dc — средний диаметр прокладки; Dc=DB + b;
Ьа—расчетная ширина прокладки (в м), определяемая в зависимости от
|КонструкцИ'И прокладки: для плоской прокладки при bС0,012 м Ьа=Ь,
ири b > 0,012 м 60=1,1 /6; Для прокладки овального сечения &0 = й/4;
т—коэффициент давления на прокладку (прокладочный коэффициент),
показывающий, во сколько раз удельное давление на прокладку, раз-
виваемое болтами, превышает рабочее давление; для плоской про-
кладки из асбеста или асбестовой композиции т = 2,5; для гофриро-
ванной металлической прокладки с асбестовым заполнением т=3;
для алюминиевой прокладки т = 4; для прокладки из мягкой ста-
ли /л = 5,5;
Р —рабочее давление среды.
Первое слагаемое в уравнении (III.61) выражает нагрузку на
болты от внутреннего давления, второе слагаемое — нагрузку на
прокладку для обеспечения плотности.
Нагрузку на болты фланцевого соединения, не находящегося
под давлением среды, обеспечивающую смятие прокладки для
надежной герметичности, определяют по формуле
, ь0
(?б = лОс 2 ?пр (III.62)
где <?Пр —давление на поверхность прокладки, МН/м2; для плоских прокладок
из асбестовых композиций i?np=30; для гофрированных металлических
прокладок с асбестовым заполнением <?пр=40; для алюминиевых про-
кладок <?пр = 70; для прокладок из мягкой стали 9пр=125.
Для расчета принимают большую из нагрузок Qe или Qe .
Задавшись числом болтов п.5, которое принимают кратным четы-
рем (4, 8, 12, 16 и т. д.), определяют нагрузку, приходящуюся на
один болт (в МН):
Об
% = или
Г1о
(III.63)
Внутренний диаметр резьбы болта или шпильки di (в м) нахо-
дят из уравнения
Яб — 4 № — Ст)2 стдоп
(III.64)
где С, — конструктивная прибавка; Ci= (0,001—0,002) м;
Одоп — допускаемое напряжение при 4—5-кратном запасе прочности.
Диаметр болта или шпильки должен соответствовать ГОСТ,
поэтому после уточнения диаметра по уравнению (III.64) опре-
деляют q'e.
Максимальную нагрузку на болты определяют по формуле
Стах — Л1?б
(III.65)
Параметры фланца (толщину диска, сварные швы) рассчиты-
вают на расчетную нагрузку Qp, которую определяют по формуле
Ср =
^®max ^®min
(III.66)
где Сбт!п—большее из болтовых усилий, определяемых по формулам (III.61)
и (III.62).
РАБОТА БОЛТОВ И ШПИЛЕК
ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
При контакте с горячей средой фланцы нагреваются и расширяют-
ся. Температура болтов и шпилек при этом, как правило, ниже
температуры самих фланцев. В результате разности деформаций
в болтах и шпильках возникает дополнительное (температурное)
напряжение at, которое определится из закона Гука:
(III.67)
где Е— модуль упругости; для стали Е=2,1 - 10s МН/м2;
L — расчетная длина болта или шпильки.
ДЕ = аЕ(/ф — /б)
где а — коэффициент температурного удлинения; для углеродистой стали
а=12-10~б 1/°С;
/ф — температура фланца, °C;
to—температура болта или шпильки, °C.
Подставив значение АЛ в формулу (III.67) и обозначив —
— ta = \t, получим:
at = aEM (III.68)
Из формулы (III.68) следует, что при разности температур
между болтом или шпилькой и фланцем Дг“= 1 °C температурное
напряжение болта или шпильки О( = 2,52 МН/м2.
Температурные напряжения в болтах в 1,4 раза больше, чем
в шпильках со сплошной резьбой. Это следует из пропорциональ-
ности температурных напряжений площадям поперечного сечения
(следовательно, квадратам диаметров) болтов и шпилек:
где ас и Ош — соответственно температурные напряжения в болте и шпильке;
dr, —диаметр ненарезанпой части болта;
Щ— внутренний диаметр нарезки шпильки.
Поскольку dc= l,18di, то из (III.69) получим:
об = 1,182о,„ « 1,4ощ (III.70)
Исходя из этого болты применяют только при температуре до
250 °C. При температуре выше указанной применяют шпильки с
Рис. 111-22. Способы приварки штуцера к корпусу ап-
парата:
а—без подрезки патрубка; б—с подрезкой патрубка
заподлицо с корпусом.
Рис. III-23. Ориентирование
фланца штуцера по о i ноше-
нию к корпусу аппарата.
резьбой по всей длине или с нарезкой по концам и с
обточкой ненарезанной части до внутреннего диаметра нарезки.
ШТУЦЕРА
Фланцевым штуцером называют короткий отрезок трубы с при-
варенным к нему фланцем, служащий для присоединения
труб и арматуры к аппарату. С помощью штуцеров аппараты
можно соединять друг с другом непосредственно.
На рис. Ш-22 приведены два способа приварки штуцера к
корпусу аппарата. Обычно применяют первый как наиболее про-
стой и надежный, второй способ применяют в тех случаях, когда
требуется, чтобы внутри аппарата не было выступающих частей.
Патрубки штуцеров рассчитывают как цилиндры. Учитывая
возможность больших скоростей среды в штуцере, необходимо
кроме прибавки на коррозию, принимаемой такой же, как и для
корпуса аппарата, предусмотреть соответствующую конкретным
условием прибавку на эрозию.
Болтовые отверстия фланцев и штуцеров не должны совпа-
дать с плоскостями симметрии аппарата (рис. Ш-23).
люки
Для осмотра и проведения ремонтных работ внутри аппаратов
последние снабжаются люками с фланцевыми крышками. Размер
их должен быть таким, чтобы человек мог проникнуть через них
з аппарат. Для аппаратов нефтеперерабатывающих заводов в соот-
ветствии с требованиями Госгортехнадзора применяют круглые лю-
ки диаметром 450 мм. Круглые лю-
ки диаметром 400 мм разрешается
ставить только в тех случаях, ког-
да люк большего диаметра конст-
руктивно не размещается на аппа-
рате. По тем же причинам для
большего удобства ставят люки
овальной формы, обычно размером
400X650 мм.
Число люков определяется вы-
сотой (длиной) аппарата, возмож-
ностью доступа ко всем его внут-
ренним поверхностям и согласовы-
вается с правилами и нормами
техники безопасности при осмотре
и ремонте.
Фланцевые крышки люков свар-
ных аппаратов в основном бывают
плоскими. На рис. Ш-24 приведе-
ны типовые конструкции люков с
плоскими фланцевыми крышками:
конструкция / применяется для ус-
ловных давлений до 2,5 МН/м2 и
температур до 300 °C; конструкция
II применяется для условных дав-
лений выше 2,5 МН/м2 и темпера-
тур выше 300 °C. Люки нормали-
зованы, их размеры, в зависимости
от условного давления и конструк-
ции крышки, даны в соответствую-
щих таблицах.
Рис. III-24. Конструкций люков с плос-
кими крышками:
1 — крышка люка; 2 — штуцер; 3 — ось
шарнира.
Шарнирное соединение крышки люка с фланцем облегчает
процесс снятия и последующей установки тяжелой крышки. Осво-
божденная от болтов крышка откидывается на шарнире за руч-
Рис. 111-25. Способы крепления поворотных кронштейнов для снятия крышек люксе:
/ — серьга, приваренная к крышке; 2 —винт; 3 — гайка; 4 — кронштейн; 5 —втулка.
ку, приваренную к ней. Крышки люков аппаратов, работающих
без давления, нс имеют шарнира; они снабжены двумя ручками.
Для люков с вертикальной осью с той же целью применяют по-
Рис. 111-26. Эллиптические фланцевые крышки:
а — с плоским фланцем; б — с фланцем, привариваемым встык.
воротный кронштейн с серьгой, устанавливаемый над аппаратом.
Втулка кронштейна может крепиться к штуцеру, к корпусу аппа-
рата и к патрубку (рис. Ш-25, а—в).
На рис. III-26 приведены основные типовые конструкции эл-
липтических фланцевых крышек. Диаметр этих крышек выбира-
ют в соответствии с нормалями на эллиптические днища.
ОПОРЫ
ОПОРЫ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Многие аппараты нефтеперерабатывающих заводов, например та-
кие, как приемники для жидкостей и газов, теплообменники, от-
стойники, располагают чаще всего горизонтально. Для этого их
снабжают опорами (обычно двумя, реже тремя), которые уста-
навливают на бетонные, железобетонные или металлические ос-
нования. Опоры могут быть отъемными или приваренными к ап-
парату. На отъемные опоры существуют нормали для аппаратов
наружным диаметром до 299, а также до 720 и 4000 мм.
На рис. Ш-27 приведена типовая конструкция отъемной опо-
ры горизонтальной емкости. К аппарату / привариваются лапки
2, которые четырьмя болтами (по два с каждой стороны) соеди-
няются с опорой 3. Для свободного восприятия температурных
Рис. II1-27. Отъемная опора горизонтальных аппаратов:
/ — аппарат; 2 — лапки; 3 — опора.
деформаций одна лапка крепится к опоре прочно, на другой же
болты не затягиваются, чтобы, неся вертикальную нагрузку от
веса емкости, они не препятствовали удлинению или укорочению
аппарата. С этой целью отверстия в лапках делаются овальными.
Все опоры крепятся к фундаменту или металлоконструкции
неподвижно. Однако если температурные деформации аппарата
по условиям эксплуатации достигают больших значений, одну
опору делают неподвижной, а другую (в случае трех опор —
две другие) —подвижной (катковой).
Горизонтальный аппарат, устанавливаемый на опоры, испыты-
вает деформацию изгиба от собственного'веса и веса вещества
в нем. При расчете аппарат рассматривается как балка на двух
(или трех) опорах с выступающими за опоры концами, нагру-
женная равномерно распределенной нагрузкой. На рис. Ш-28
приведена схема опор нагруженной балки и эпюра изгибающих
моментов.
Расчетную длину аппарата а (в м) определяют по формуле
а = / + 2/пр (III.71)
где /Пр — приведенная длина (высота) днища, соответствующая длине запол-
ненной цилиндрической части аппарата, которая имела бы такой же
вес, как заполненное той же жидкостью днище. Значение /Пр зависит
от формы днища; для сферических днищ /Пр принимают в пределах
от 0,3 до 0,7 высоты днища.
Интенсивность нагрузки (в Н/м)
Q
(II1.72)
где Q — вес аппарата вместе с наиболее тяжелой жидкостью, которой ои может
быть заполнен при эксплуатации или испытании.
Рис. П1-28. Схема расчета горизонтальных
аппаратов на изгиб.
Рис. II1-29. Укрепление корпуса аппарата
над опорой:
/ — корпус; 2 — усиливающая подкладка;
3 — опора; 4 — распорные уголки; 5 —
упорный уголок.
Наиболее рационально такое расположение опор, когда изги-
бающие моменты в середине аппарата Mi и над опорой Л12 соот-
ветственно равны
о
(III.73)
(III.74)
где с — длина выступающей за опору части корпуса аппарата, м.
Когда с = 0,207а, Л/1 = Л/2. Если это условие выдержано, то
расчет на изгиб проводят по изгибающему моменту
В противном случае Л11Пах находят сопоставлением и Л}2.
Определив Л4тах, при известной толщине стенки аппарата s оп-
ределяют напряжение изгиба в аппарате <ти-
Мщах________4Л4тах
Сти = Г ~ 5
(III.76)
где И7 — момент сопротивления;
DB — наружный диаметр.
Для горизонтальных аппаратов, работающих под вакуумом,
имеется опасность нарушения устойчивости стенки аппарата под
влиянием сжимающих напряжений в верхней части изгибающе-
гося корпуса. При расчете таких аппаратов учитывают суммар-
ное напряжение от изгиба и сжатия; оно должно быть меньше
критического, при котором наступает смятие стенки.
Всю нагрузку от аппарата воспринимают опоры. Если они до-
статочно прочны, а стенка аппарата недостаточно устойчива, то
над опорами аппарат может смяться. Чтобы этого не произошло,
корпус над опорами снабжают местными подкладками, площадь
которых немного больше, чем площадь опоры, или кольцами же-
сткости, или распорными рамами (рис. Ш-29). Участки аппара-
та над опорами и сами опоры рассчитывают на прочность от на-
грузок RA и Rb:
Ra^Rb^-^
Часто спаренные горизонтальные аппараты устанавливают
друг на друга на штуцерах. В этом случае штуцера следует рас-
считывать с учетом возможности их вмятия в стенку аппарата.
ОПОРЫ ВЕРТИКАЛЬНЫХ АППАРАТОВ
На рис. Ш-30 даны основные конструкции стальных сварных
опор, рекомендуемых ОСТ для вертикальных аппаратов колон-
ного типа диаметром от 400 до 6000 мм, применяемых в химиче-
ской, нефтехимической, нефтеперерабатывающей отраслях про-
мышленности. Этими опорами вертикальные аппараты (напри-
мер, ректификационные колонны, испарители, реакторы, дымовые
трубы) устанавливаются на фундамент.
Опоры представляют собой обечайки, снабженные фундамент-
ным кольцом из полосовой или листовой стали. Кольцо крепится
к фундаменту болтами. Чтобы фундаментное кольцо было жест-
ким, его укрепляют косынками, местными стойками под болты
или жестким опорным поясом. При необходимости стойки и жест-
кие опорные пояса можно приварить к обечайке или косынками
к опорному кольцу после установки аппарата в проектное поло-
жение.
Рис. 111-30. Опоры вертикальных аппаратов:
а__с плоским фундаментным кольцом, снабженным косынками
ментным кольцом, снабженным местными стойками под болты;
поясом; г — коническая с кольцевым опорным поясом.
жесткости; б — с фунда-
з — с кольцевым опорным
В ОСТ даны основные конструктивные размеры всех типов
опор в зависимости от максимальной приведенной нагрузки (см.
ниже).
Высоту обечайки опоры выбирают с учетом требований техно-
логии (например, необходимой высоты столба жидкости в при-
емном трубопроводе откачивающего насоса) и условий эксплуа-
тации (возможность установки под аппаратом трубопроводной
обвязки, арматуры, приборов КИП), но так, чтобы она была
кратна 200 мм и составляла не менее 600 мм. Материал деталей,
из которых состоит опора, выбирают исходя из условий эксплуа-
тации с учетом свариваемости, коррозионной стойкости, темпера-
Рис. 111-31. Соединение цилиндрической
опоры с корпусом аппарата внахлестку.
Рис. 111-32. Соединение цилиндрической
опоры с корпусом аппарата на участке
меридиональных швов.
турных пределов применения, экономической целесообразности и
надежности. Предел текучести материала должен быть выше
200 МН/м2 при температуре 20 °C.
Трубопроводы, соединенные со штуцерами на нижнем днище,
выводятся из-под аппаратов через отверстия и лазы на обечай-
ке опоры. Один лаз (диаметром 560 мм) предназначен для до-
ступа людей под аппарат. Если число лазов велико или расчет
показывает, что лазы недопустимо ослабляют сечение обечайки
опоры, то вокруг лаза ставят усилительное кольцо либо к лазам
приваривают короткие толстостенные патрубки.
В верхней части опор должно быть не менее двух вентиляци-
онных отверстий диаметром до 100 мм для естественного выхода
паров, которые могут скопиться в результате негерметичности
трубопроводов, арматуры или сварных швов.
Опоры с конусной обечайкой (рис. Ш-30,г) применяют для
высоких аппаратов диаметром менее 1000 мм. Они придают ап-
парату большую устойчивость и снижают удельное давление на
спорные поверхности.
В технически обоснованных случаях ОСТ разрешает соедине-
ние цилиндрических опор внахлестку с днищем корпуса
(рис. Ш-31). При этом линия приварки опоры к аппарату должна
отстоять от кольцевого шва днища более чем на 40 мм.
Днища аппаратов больших диаметров имеют меридиональные
швы. которые при приварке нельзя перекрывать опорной обечай-
кой. Поэтому в местах, где проходят эти швы, на опорной обе-
чайке делают вырезы (рис. 111.32).
Очень часто вертикальные аппараты устанавливают (подве-
шивают) на межэтажных перекрытиях, на высоких металличе-
ских или железобетонных опорных конструкциях. Они снабжают-
ся опорными лапами (двумя или более), показанными на
рис. Ш-ЗЗ. На такие опоры вертикальных аппаратов разработа-
ны нормали.
Рис. IH.-33. Опорные лапы вертикальных аппаратов:
а — спорное кольцо из уголка; б—плоская лапа с косынками;
корпуса в месте приварки лапы; г — расположение косынок.
в — то же, по с усилением
Размеры опор должны быть такими, чтобы обеспечивалась
устойчивость вертикальных аппаратов под действием суммарного
напряжения от собственного веса и веса содержащихся в аппара-
те жидкости и паров, а также от ветровых и сейсмических на-
грузок.
РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНЫХ АППАРАТОВ
НА ВЕТРОВУЮ НАГРУЗКУ
Ветровой нагрузке подвержены аппараты, установленные на от-
крытой площадке. Согласно ОСТ, расчету подлежат вертикаль-
ные аппараты высотой 10 м и более, а также те, у которых
H/D > 5 (где Я — полная высота аппарата вместе с опорой, D —
его расчетный диаметр).
Аппарат наименее устойчив, когда он имеет наименьший вес,
т. е. когда он пуст и еще не покрыт изоляцией. Поэтому расчет
на устойчивость от ветровой нагрузки производят именно для
этого случая. Для расчета необходимо определить величину вет-
ровых нагрузок, испытываемых аппаратом.
Расчетная схема для определения ветровых нагрузок, дейст-
вующих на колонный аппарат, дана на рис. Ш-34. Аппарат по
высоте условно разбит на произвольные участки. Высота каждо-
го участка должна быть не более 10 м. Диаметр участка дол-
жен быть неизменным по высоте, это позволяет принять центр
тяжести каждого участка расположенным в его середине. К этой
же точке прикладывают сосредоточенную силу, которая заме-
няет равномерно распределенную по высоте участка ветровую
нагрузку.
Расчетную ветровую нагрузку Pt на каждый участок опреде-
ляют по формуле
^=0,6^5; (111.77}
где — нормативный скоростной напор ветра для середины i-того участка аппа-
рата на высоте х^ от уровня земли в заданном географическом районе;
Pi — коэффициент увеличения скоростного напора, учитывающий динамическое
воздействие порывов ветра;
S; — площадь наибольшего осевого сечения участка; для цилпндричеишх ап-
паратов Si = Djhi (где D; — наружный диаметр участка; hi—его вы-
сота).
Рис. 111-34. Распределение петровой на-
грузки на вертикальный аппарат.
Нормативный скоростной напор ветра определяют по фор-
муле
<7£=?6t- -
где q — нормативный скоростной напор ветра для высоты над поверхностью зем-
ли до 10 м в данном географическом районе;
О,— поправочный коэффициент на возрастание скоростного напора для сере-
дины данного участка аппарата.
Значения нормативного скоростного
личных районов СССР приведены ниже
напора ветра q для раз-
(в МН/м2):
Район
27-10-5
35-1О-5
45-1О-5
55-10-5
Район q
N........... 70-10'5
VI................ 85-Ю-5
VII................. 10-3
Как видно из приведенных данных, наибольшее значение q
в VII географическом районе, куда входят Камчатка, Сахалин,
береговые полосы Варенцова, Карского, Берингова морей. Под-
робные данные по районированию территории СССР для опреде-
ления скоростных напоров ветра приведены в справочных мате-
риалах и специальных географических картах.
Значения поправочного коэффициента 0; определяют по гра-
фику (рис. Ш-35).
1
Рис. II1-35. График определения поправоч-
ного коэффициента в..
Рис. 111-36. График для определения коэф-
фициента динамичности е.
Коэффициент увеличения скоростного напора определяют по
формуле
р, — 1 zmi
где е — коэффициент динамичности;
mi — коэффициент пульсации скоростного напора ветра.
Коэффициент динамичности е находят из графика (рис. Ш-36)
в зависимости от периода собственных колебаний аппарата Т
(вс).
Для аппаратов постоянного сечения
Г-1.79яу'Г-2-(^-+4!,.)
(Ш.78)
где Н — полная высота аппарата с опорой (при наличии постамента—включая
его высоту), м;
<2 — осевая нагрузка от веса аппарата, МН;
g— ускорение свободного падения; ^=9,81 м/с2;
Е — модуль продольной упругости при расчетной температуре;
/1 — экваториальный момент инерции площади сечения верхней части корпу-
са аппарата относительно центральной оси;
р0—угол поворота опорного сечения.
^='сПГ <ш-79)
Су/ф.
где Су — коэффициент упругого неравномерного сжатия грунта;
/ф — экваториальный момент инерции подошвы фундамента относительно
центральной оси.
Коэффициент Су определяют по данным инженерной геологии
района. При отсутствии таких данных значения Су принимают в
зависимости от нормативного давления на подошву фундамента:
Давление, МН/м2 С МН/мЗ Давление, MH/M2 Су, МН/мЗ
0,1 40 0,4 120
0,2 80 0,5 140
0,3 100 0,6 160
Для грунтов средней плотности обычно принимают Су=
= 100 МН/м3.
Значение нормативного давления на подошву фундамента на-
ходят по табл. Ш-9.
Таблица Ш-9. Нормативное давление на подошву фундамента
для различных грунтов
Грунты о X 0 • S Г S 5g JE ч <U S figS Г ру'нты Нормативное давление, МН/м2
ДЛЯ ПЛОТ- НЫХ ДЛЯ средне- плотных
Коупнообломочные Песчаные
щебенистый (галечнико- 0,6 крупные любой влаж- 0,45 0,35
вый) с песчаным запол- ПОСТИ
нением пор средней крупности лю- 0,35 0,25
дресвяный (гравийный) из 0,5 бой влажности
обломков кристаллине- мелкие
ских пород маловлажные 0,30 0,20
дресвяный (гравийный) и? 0,3 очень влажные и 0,25 0,15
обломков осадочных по- насыщенные во-
род ДОН
Глинистые плотные пылеватые
супеси 0,30 маловлажные 0,25 0,20
суглинки 0,25 очень влажные 0,20 0,15
насыщенные водой 0,15 0,10
Для аппаратов переменного сечения
Т = 2лН
2
i
н
2Е1г
(III.80)
Относительное перемещение центров тяжести участков kt оп-
ределяют по формуле
Н
ki = i “Ь (III.81)
где j —коэффициент, определяемый по графику (рис. Ш-37) в зависимости от
конструктивного оформления аппарата;
—безразмерный параметр, определяемый по графику (рис. Ш-38) в зави-
симости ОТ О/.
(III.82>
где Xi — расстояние от основания аппарата (при наличии постамента — от осно-
вания постамента) до точки, в которой сосредоточен вес участка.
Общий период колебаний для группы аппаратов, установлен-
ных на одном фундаменте и связанных жестко друг с другом
(например, для группы колонн атмосферно-вакуумой установки),
определяют по формуле
Т = 3,63
(III.S3)
где Qt —осевая нагрузка от веса каждого аппарата;
Hi — высота каждого аппарата;
г—число аппаратов.
(III.84)
где hii—эквивалентный момент инерции сечения фундаментного кольца i-того
аппарата.
Рис. III.-37. Графики для оиреде-
ления коэффициента /, учитываю-
щего конструктивное оформление
аппарата.
Изгибающий момент от напора ветра в любом расчетном се-
чении на высоте хо от основания аппарата или постамента (если
он имеется) вычисляют по формуле
«о
Л/в = ^Р:(Х1-ХО) (Ш.85).
г=1
где «о — число участков, расположенных выше расчетного сечения.
Наибольший изгибающий мо-
мент (момент, опрокидывающий
аппарат) имеет место при хо=0,
т. е. у основания аппарата:
Мв = J] PiXi
z=i
Для расчетной схемы, приведен-
ной на рис. Ш-34, имеем:
Л4В = РjXj -f- Р 2х2 + Р3X3
ИЛИ
h, / h, \
Л4В = Р1 ~2~ + Р2 (h1 \ +
"Ь Р3 Н- ^2 + “2~)
Большинство колонных аппара-
тов снабжено металлоконструкция-
ми (обслуживающими площадка-
ми), что увеличивает изгибающий
момент от напора ветра. Суммарный
изгибающий момент М'в в расчет-
ном сечении на высоте х0 от осно-
вания аппарата (постамента) при
Рис. 111-38. График для определенна
параметра А..
наличии на аппарате т обслуживающих площадок находят по фор-
муле
т0
< = мв + 2 <
<=1
(III.86)
где тй—число -обслуживающих площадок, расположенных выше расчетного
сечения;
M'Bi —изгибающий момент в расчетном сечении от ветрового напора на одну
площадку
К = 1.4₽да2/Нхт--Хв) (Ш.87)
где Sfi — сумма проекций всех элементов площадки, расположенных вне зоны
аэродинамической тени, на вертикальную плоскость, м2; зависит от
конструкции и размеров обслуживающих площадок.
С небольшой погрешностью можно принять
А = (0,3-0,4) D„£/ini
(III.88)
где Dni — диаметр аппарата на участке площадки;
hni — высота площадки (расстояние от настила до перил).
Состояние опорной поверхности аппарата является наиболее
напряженным при совместном действии ветрового момента М'л
и максимального веса аппарата Qmax-
Рис. III-39. График для определения
коэффициента пульсации скоростного
напора ветра т..
Напряжение на опорной поверхности фундаментного кольца aKi
определяют по формуле
О М'
aKi = —^7" + '^7 (III.89)
где FK — опорная площадь фундаментного кольца;
1Гк — момент сопротивления опорной площади фундаментного кольца.
(III.90)
где Dt и Di — соответственно внутренний и наружный диаметры опорного кольца.
ОСТ 26-467—72 устанавливает для цилиндрических аппаратов
примерно следующие соотношения:
= (0,9-0,95) 7)н; Da = (1,08—1,18) DH
где DB — наружный диаметр аппарата.
Выбранные размеры поверхности опорного кольца должны
обеспечить прочность фундамента, для чего необходимо, чтобы
Oki было меньше допускаемого напряжения на сжатие материала
фундамента. Допускаемое напряжение (удельная нагрузка) для
кирпичной кладки марки 200 не более 4,4 МН/м2, для бетона мар-
ки 100 —не более 8 МН/м2, марки 200 —не более 14 МН/м2, мар-
ки 300 — не более 23 МН/м2.
Усилия, вызвавшие напряжения <Тк1, изгибают выступающие
части фундаментного кольца. Из условии прочного сопротивления
изгибу определяют толщину фундаментного
кольца б1; по формуле
Рдоп‘
(III.92)
где b — ширина выступающей части фундаментного
кольца, м (рис. Ш-40); Ь=(О2— Di)[2;
Одоп — допускаемое напряжение на изгиб в мате-
риале фундаментного кольца, МН/м2.
Толщину фундаментного кольца, как пра-
вило, принимают не менее 12 мм.
Ветровые усилия стремятся опрокинуть
аппарат, поэтому необходима проверка его на
устойчивость. Если устойчивость недостаточ-
на, следует укрепить аппарат на фундаменте
болтами. Аппарат наим-енее устойчив под
действием ветровой нагрузки, когда вес его
наименьший.
Коэффициент устойчивости аппарата оп-
ределяют по формуле
Рис. III-40. Схема рас-
чета фундаментного
кольца:
1 — опорное кольцо; 2 —
фундамент.
___ 44g____Q1R1
у- мв - мв
(III.93)
где MQ — момент от собственного веса аппарата отно-
сительно точки опрокидывания;
Qi— вес пустого аппарата без изоляции и внут-
ренних устройств;
Ri — расстояние, от оси аппарата до точки опрокидывания; обычно при-
нимают /?1 = 0,42 Da.
Установка фундаментных болтов необходима, когда- у<1,5.'
Однако и при //>1,5 фундаментные болты ставят, чтобы фикси-
ровать положение аппарата на фундаменте.
Фундаментные болты, предназначенные для обеспечения
устойчивости аппарата, рассчитывают на прочность. Для этого
определяют минимальное напряжение на опорную поверхность
фундаментного кольца <ук2:
Qi мв
ака ~ FK —
(III.94)
Если полученное значение оК2 отрицательно, это значит, что
под действием ветровой нагрузки аппарат отрывается от фунда-
•мента, отрыв предотвращают фундаментные болты, которые при
§том работают на растяжение.
Наибольшая нагрузка на фундаментный болт Рб (в Мн) при-
ближенно определяется в зависимости от <jK2, Fk и числа фунда-
ментных болтов п по формуле
n F*
“б — °кз
(III.95)
Методика точного определения нагрузки, испытываемой фунда-
ментным болтом, дана в специальной литературе.
Из условия прочности на растяжение определяют внутренний
диаметр резьбы фундаментного болта d^:
V
F ЛОдоп
+-С
(III.96)
где С — прибавка на атмосферную коррозию, м; обычно принимают С=0,003 м.
Для высоких аппаратов небольшого диаметра существует
опасность потери устойчивости формы в наиболее сжатой зоне
аппарата или его цилиндрической опорной части под совместным
действием максимального собственного веса и ветрового момен-
та. Устойчивость формы будет сохранена, если максимальное
сжимающее напряжение оС)К в стенке аппарата или его цилинд-
рической опоры будет меньше критического напряжения <ткр:
<тсж<^Р (III.97)
где Скр — критическое напряжение, т. е. напряжение, при котором цилиндрическая
стенка теряет форму.
Значение критического напряжения для различных аппаратов
в зависимости от их конструктивного оформления определяют по
формулам, приведенным в специальной литературе.
Для повышения устойчивости цилиндрической стенки аппара-
та его снабжают кольцами жесткости, расстояние между которы-
ми I (в м) определяют по формуле
(111.98)
где — радиус цилиндра, м.
РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНЫХ АППАРАТОВ
НА СЕЙСМИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ
Высокие вертикальные аппараты, устанавливаемые в географи-
ческих районах, подверженных землетрясениям, рассчитывают
также на устойчивость от воздействия сейсмических сил. Такими
районами в СССР являются прежде всего Средняя Азия, Кавказ и
Дальний Восток. Сила землетрясения оценивается по девятибал-
льной шкале. Расчет на сейсмическую нагрузку производят лишь
тогда, когда сейсмичность географического района составляет 7
и более баллов, а высота аппарата в 5 и более раз больше его
диаметра.
Учитывая особенности воздействия сейсмических сил, при рас-
чете аппаратов на эти силы ветровую нагрузку либо совсем не
учитывают, либо учитывают частично. В последнем случае сум-
| Рис. 111-41. К расчету аппарата на
I сейсмическую нагрузку:
а — схема расчета; б — график оп-
ределения коэффициента динамич
ности.
мариый расчетный опрокидывающий (для расчета на устойчи-
вость) или изгибающий (для расчета на прочность) момент Л4сум
определяют по формуле
Л4сум =Л4с-}-0,ЗЛ4в (III.99)
где Мс — расчетный момент от сейсмической нагрузки;
Ми— расчетный ветровой момент, определяемый по формуле (III.85).
Методика расчета на сейсмичность предусмотрена соответст-
вующим ОСТ. По нему расчетную схему выбирают в зависимости
от отношения высоты аппарата к его диаметру. Как и при расче-
те на ветровую нагрузку, аппарат делят на участки по высоте,
определяют вес каждого участка, сосредоточив его в центре тя-
жести (условно в середине) этого участка (рис. Ш-41). Сейсми-
ческие силы прикладывают в этих же точках горизонтально.
Расчетную сейсмическую нагрузку Pci для t-того участка весом
Qi определяют по формуле
PO=W< (III. 100)
где Кс — сейсмический коэффициент, который зависит от числа баллов расчет-
ной сейсмичности: при расчетной сейсмичности 7 баллов Кс = 0,02'5,
при 8 баллах 7(7=0,05, при 9 баллах Кс = 0,1;
р — коэффициент динамичности, зависящий от периода собственных коле-
баний аппарата и отношения его высоты Н к диаметру D (рис.
111-41,6).
Коэффициент г] для большинства вертикальных аппаратов
нефтеперерабатывающих заводов {H/D< 15) определяют по фор-
муле
т)=-^----- (III.101)
£>•
;=!
где Ц — расстояния центров тяжести участков до фундаментного кольца опоры
аппарата.
Максимальный опрокидывающий (изгибающий) момент Л4С оп-
ределяют по формуле
= (III. 102)
;=1
Таким же образом на?:одят изгибающий момент от сейсмиче-
ских нагрузок относительно опасных сечений аппарата; в этом
случае вместо в формулу (III.102) подставляют расстояние от
центра тяжести участка до опасного сечения.
Определив изгибающий момент Мс, проверяют устойчивость
цилиндрической формы опорного кольца, а также прочность фун-
даментных болтов и сварных швов, прикрепляющих корпус к
опорному кольцу.
СВАРНЫЕ ШВЫ
Сварные соединения являются основным видом соединений, при-
меняемых при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования,
металлоконструкций и трубопроводов нефтеперерабатывающих
заводов. Поэтому надежность работы оборудования во многом
зависит от правильного конструирования, расчета и качественно-
го исполнения сварного шва.
В соответствующей нормали регламентируются подготовка
сварного шва и технология различных способов сварки, а также
рекомендуются электроды, сварочная проволока, составы флюсов
для сварки листовых конструкций из сталей (в том числе двух-
слойной), алюминия, меди, никеля и титана.
В настоящее время основными способами сварки аппаратов
из углеродистых и легированных сталей являются автоматическая
и полуавтоматическая сварка под слоем флюса. Эти виды сварки
высокопроизводительны и обеспечивают высокое качество сварно-
го соединения. Полуавтоматическая сварка, отличающаяся от ав-
томатической тем, что электрическая дуга вдоль шва переме-
щается вручную, позволяет производить сварку под слоем флюса
в труднодоступных местах.
При изготовлении штуцеров, трубных узлов, внутренних уст-
ройств, опорных конструкций, обслуживающих лестниц и площа-
док аппаратов применяют ручную электродуговую сварку. При
изготовлении толстостенной аппаратуры, крупных фланцев и дру-
гих толстостенных изделий применяют электрошлаковую сварку.
Автоматическая и полуавтоматическая сварка в среде угле-
кислого газа обеспечивает высокое качество сварных соединений
при сварке малоуглеродистой, низколегированной и высоколеги-
рованной сталей. При изготовлении аппаратов из высоколегиро-
ванных сталей применяют также аргоно-дуговую сварку.
Газовая сварка является малопроизводительным процессом и
применяется только в тех случаях, когда по тем или иным причи-
нам другие способы сварки невозможны (из-за отсутствия источ-
ника электрического тока, по конструктивным и технологическим
соображениям).
В табл. Ш-10 приведены рекомендуемые типы и способы вы-
полнения стыковых сварных швов для аппаратов.
Рис. III-42. Сварные швы и их условные обозначения:
а — без скоса кромок, односторонний; б — то же, с подкладкой; в — V-образпый со скосом
днух кромок, односторонний; г — V-образный со скосом двух . кромок, двусторонний; д —
X образный с двумя скосами двух кромок, двусторонний, симметричный; е — Х-образный,
несимметричный; ж— с одним скосом одно» кромки, двусторонний; з— с двумя скосами
одной кромки, двусторонний; и—без скоса кромок, односторонний; к — без скоса кромок,
двусторонний, СПЛОШНОЙ.
На рис. Ш-42 показаны конструкции и условные обозначения
на чертежах наиболее распространенных сварных швов, выпол-
няемых ручной электродуговой сваркой. Подобным же образом
обозначают швы, выполняемые автоматической, полуавтомата-
Таблица Ш-10. Рекомендуемые типы и способы выполнения стыковых
сварных продольных швов обечаек аппаратов из углеродистых
и низколегированных сталей
Диаметр аппарата, м Толщина сваривае- мого листа, мм Тип шва Способ сварки
До 0,4 2—10 Без скоса кромок, односторонний Ручная электродуговая и автоматическая под слоем флюса
8-24 V-образный со скосом двух -кро- мок, односторонний Автоматическая под слоем флюса
0,3— 0,6 5—10 Без скоса кромок, односторонний, на остающейся стальной под- кладке То же
8—30 V-образный со скосом двух кро- мок, односторонний, на остаю- щейся стальной подкладке >
0,6— 0,8 5—14 Х-образный со скосом двух кро- мок (разделка с внутренней стороны аппарата), двусторон- ний Автоматическая под слоем флюса с ручной подвар- кой шва со стороны ско- шенных кромок
18—50 Х-образный с двумя несимметрич- ными скосами двух кромок, двусторонний Автоматическая под слоем флюса с ручной подвар- кой шва со стороны раз- делки с меньшей глуби- ной
0,6- 3,2 5—22 Без скоса кромок, двусторонний Автоматический под слоем флюса на флюсовой по- душке
24—50 Х-образный с двумя симметричны- ми скосами двух кромок, дву- сторонний То же
ческой и другими способами сварки. При этом для обозначения
автоматической сварки под слоем флюса впереди ставят букву
А; для полуавтоматической—П; для автоматической с ручной
подваркой — Ар; для полуавтоматической и ручной подваркой —
Пр; для газовой сварки — Г; для автоматической и полуавтома-
тической сварки в среде углекислого газа — соответственно АЗ и
ПЗ. На конструкции сварных швов установлены ГОСТ и нор-
мали.
Электроды и присадочные материалы, применяемые для свар-
ки, выбирают в зависимости от марки свариваемого металла и
условий, при которых будет эксплуатироваться оборудование
(давления в аппарате, температуры и агрессивных свойств среды,
с которой соприкасается сварной шов). Свойства электродов за-
висят от электродного стержня ( сварочной проволоки) и марки
покрытия (флюса). Диаметр стержня (проволоки) и толщина
покрытия должны соответствовать толщине свариваемого металла
и выбранному режиму сварки.
На рекомендуемые электроды и присадочные материалы для
различных способов сварки аппаратов и трубопроводов имеются
соответствующие нормали. В табл. Ш-11 приведены наиболее ча«
сто применяемые электроды для ручной электродуговой сварки.
Марки сварочной проволоки и флюса даны в табл. Ш-12.
Таблица Ш-11. Электроды, рекомендуемые для ручной
электродуговой сварки аппаратов из углеродистой и легированной сталей
Марка свариваемой стали Электроды
тип марка покрытия марка проволоки
ВМСтЗкп; ВМСтЗсп; 15К; 20 Э-42 АНО-1;АНО-5; АНО-6; ОММ-5; ЦМ7 Св-0,8; Св-0,8А
ВМСтЗкп; ВМСтЗсп; 15К: 20 Э-42А УОНИ 13/45; УП-1/45; ОЗС-2 Св-0,8; Св-0,8А
20к: 16ГС(ЗН); 10Г2 Э-50А УОНИ 13/45; УП-1/55; К-5А Св-0,8; Св-08Г2
12ХМ э-хм ЦЛ-14; ЦУ-2ХМ Св-ЮХМ
Х5; Х5М; Х5ВФ; 20Х5МЛ Э-Х5МФ ЦЛ-17-63 Св-10Х5М
Х5; Х5М; Х5ВФ; 20Х5МЛ ЭА-1 ОЗЛ-14 СВ-02Х19Н9
0Х18Н10Т; Х18Н10Т ЭА-1 ОЗЛ-14 Св-02Х19Н9; Св-04Х19Н9;
0Х18Н10Т; Х18Н10Т ЭА-15 ЦЛ-11; Л-38М Св-08Х19Н10Б
0Х18Н10Т; Х18Н10Т ЭА-1М2Ф ЭА-400/10У Св-04Х19Н11МЗ
Таблица III-12. Рекомендуемые марки сварочной проволоки и флюсов
для автоматической и полуавтоматической сварки под слоем флюса аппаратуры
из углеродистых и легированных сталей
Марка свариваемой стали Марка сварочной проволоки Марка флюса
ВМСтЗкп; ВМСтЗсп; 15К; 20; 2 Ок 16ГС(ЗН) 12МХ 12ХМ 0Х18Н10Т Х18Н10Т 10Х18Н9ТЛ Св-08; Св-08А Св-08ГА; СВ-10Г2 Св-10МХ Св-ЮХМ Св-04Х19Н9 Св-06Х19Н9Т Св-07 Х18Н9ТЮ АН-348А; ОСЦ-45 АН-348А; ОСЦ-45 АН-15; АН-22 АН-15; АН-22 АН-26; АНФ-16 АН-26; АНФ-16 АН-26; АНФ-16
РАСЧЕТ СВАРНЫХ ШВОВ
Прочность сварных швов определяется коэффициентом прочности
<р, который равен отношению допускаемого напряжения сварного
шва к допускаемому напряжению свариваемого металла, т. е. ха-
рактеризует прочность сварного шва по сравнению с прочностью
основного металла.
Для аппаратов, работающих под давлением, должны быть
обеспечены следующие значения коэффициентов прочности свар-
ного шва <р, применяемые при расчетах.
1. Для стыковых швов, выполненных автоматической сваркой
под слоем флюса, а также для швов, выполненных втавр с обес-
печением двухстороннего сплошного провара, <р=1.
2. Для всех стыковых швов, выполняемых вручную, а также
для соединений втавр <р = 0,95.
3. Для соединений втавр, не обеспеченных сплошным прова-
ром, для соединений внахлестку, а также для стыковых швов,
свариваемых только с одной стороны, <р = 0,7—0,8.
При расчетах нельзя принимать <р>1, независимо от качест-
ва, конструкции и способа выполнения сварного шва.
Стыковые швы аппаратов отдельно не рассчитывают; их на-
дежность обеспечивается расчетом на прочность соответствую-
щих узлов аппарата, при котором учитывается коэффициент проч-
ности сварного шва <р. Расчету подлежат швы внахлестку и втавр,
число которых в аппаратах должно быть возможно меньшим.
Рис. III-43. Схема расчета сварных швов.
Сварные швы внахлестку работают на срез. Отличают флан-
говые и лобовые швы (рис. Ш-43). Расчет шва заключается в
определении рабочей площади сварки FCB по формуле
Ссв=-/~ (III.ЮЗ)
стд.с
где Р — растягивающая или сжимающая сила;
Пд с — допускаемое напряжение для сварного шва.
FCB = lh (III.104)
где I — рабочая длина шва, равная длине шва без длин начального и концевого
кратеров, неизбежных при сварке;
h—толщина шва, равная высоте треугольника, вписанного в профиль валика
сварного шва; обычно принимают h=0,7 s (где з — наименьшая толщина
свариваемых листов).
Подставив значения h и ГСв, определим рабочую длину швов:
Полная длина швов должна быть больше I на длину всех кра-
теров.
ТЕРМООБРАБОТКА СВАРНЫХ ШВОВ
В процессе изготовления и сварки аппаратов в их стенках возни-
кают внутренние напряжения, достигающие иногда очень боль-
ших значений. Для снятия этих напряжений производится соот-
ветствующая термообработка аппарата целиком (общая термо-
обработка) или в зонах, охватывающих сварные швы (местная
термообработка). Правилами Госгортехнадзора установлены усло-
вия, при которых термообработка обязательна. Режим термооб-
работки в каждом отдельном случае определяется техническими
условиями на изготовление аппарата. Часто термообработка не-
обходима для преобразования структуры металла в сварном шве.
Отличают два вида термической обработки: предварительную
и последующую. Предварительная термообработка заключается
в нагреве свариваемого металла до соответствущей температуры'
перед началом сварки и во время нее, а также после сварки в про-
цессе охлаждения шва. Предварительный подогрев металла повы-
шает его деформационную способность, снижает внутренние
напряжения околошовной зоны и тем самым предотвращает обра-
зование трещин. Предварительная термообработка особенно важ-
на для сварки при низких температурах.
Последующую термообработку проводят в двух режимах —
отпуска (в практике принято называть отжигом) для уменьшения
напряжения и фазовой перекристаллизации. Второй режим от-
личается более высокой температурой процесса, сопряжен с воз-
можностью обезуглероживания и окалинообразования, поэтому
для аппаратов, изготовленных из сталей, склонных к закалке на
воздухе (например, марки Х5М), не применяется.
Последующая термообработка улучшает структуру, снижает
напряжения и предупреждает хрупкий излом в сварных швах.
ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Сварка двухслойных сталей. Заготовительные операции (резка
металла, обработка кромок под сварку) при изготовлении аппа-
ратов из двухслойных сталей, состоящих из основного слоя (ста-
ли марки 16ГС, СтЗ, I5K, 20К) и облицовочного слоя (нержавею-
щие хромистые и хромоникелевые стали), выполняют механиче-
ским, а если невозможно — газопламенным способом. Сварку
двухслойных сталей производят автоматически или вручную; воз-
вожна автоматическая сварка основного металла и последующая
ручная сварка облицовочного слоя.
7*
99
Обычно соблюдается следующий порядок сварки (рис. Ш-44):
1) автоматическая сварка основного слоя со стороны облицо-
вочного слоя (для этого облицовочный слой снимают на ширину,
допускающую такую сварку);
2) автоматическая сварка основного слоя со стороны этого
слоя;
Рис. II1-44. Последовательность сварки двухслойной стали.
3) автоматическая сварка облицовочного слоя в один или два
прохода.
Сварка цветных металлов. Медные листы толщиной более
8 мм сваривают электродуговой сваркой вручную с предвари-
тельным подогревом свариваемого участка до температуры 250—
400 °C, в зависимости от толщины свариваемых листов. Такая
температура должна поддерживаться и в процессе сварки. Наи-
более часто применяемый способ подогрева — пламя газовой го-
релки. В качестве электродов применяют проволоку из меди ма-
рок Ml, М2, МЗр с электродным покрытием марки «Комсомо-
лец-100».
Для латуни применяют ручную электродуговую сварку уголь-
ным бесфитильным или графитовым электродами и присадочные
стержни из сплава ЛК80-3. На присадочные стержни предвари-
тельно наносится флюс марки БЛ-3, который способствует хоро-
шему сплавлению присадочного металла с основным. Практи-
куется также автоматическая сварка латуни под слоем флюса.
В этом случае присадочным металлом служит проволока из ме-
ди марки МО. Применяют флюсы марок МАТИ-53 или БКФ-5.
При газовой сварке латуни применяют присадочную проволоку
марок ЛК62-0,5; ЛОК52-1-0,3; ЛК80-3, а в качестве флюса — буру
обезвоженную плавленную 100%-ную или смесь из 70% плавлен-
ной буры, 20% хлористого натрия и 10% борной кислоты.
Алюминий вручную сваривают в исключительных случаях, так
как при этом трудно обеспечить хорошее качество шва.
Автоматическая сварка алюминия под слоем флюса хорошо
освоена и высокопроизводительна. Применяют присадочные про-
волоки марок Св-АВ00 и Св-Al и флюсы марок АИ-А1 и УФОК-1.
Кроме автоматической сварки для алюминия применяют также
аргоно-дуговую сварку расщепленной дугой и аргоно-дуговую
сварку неплавящимся электродом.
В последнее время для изготовления оборудования все чаще
применяют титан. Обычные способы сварки для титана непри-
100
годны. Качественный шов можно получить только в том случае,
когда расплавленная ванна сварного шва во время сварки надеж-
но предохранена от контакта с воздухом. Для этого в зону сварки
подают защитный инертный газ — аргон марки А или гелий. При
ручной аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом в каче-
стве присадочного металла применяют проволоку или полосы,
нарезанные из листов титана марки ВТ1 или ВТ1-00, а в качест-
ве неплавящегося электрода — лантанированные вольфрамовые
прутки.
Контроль качества сварных швов. В результате неправильно
выбранной технологии или нарушения режима сварки в сварных
швах могут быть следующие дефекты: непровар, трещины, поры
и шлаковые включения. В настоящее время для обнаружения
этих дефектов применяют просвечивание рентгеновскими и гам-
ма-лучами, магнитный и ультразвуковой методы контроля. При-
менение того или иного способа контроля зависит от степени от-
ветственности шва, наличия контрольного оборудования, а также
толщины свариваемых листов. Участки и протяженность сварных
швов, подлежащих обязательному просвечиванию рентгеновскими
или гамма-лучами, указываются в технических условиях на из-
готовление аппарата в соответствии с требованиями Госгортех-
надзора.
Необходимо иметь в виду, что после изготовления или монтажа
аппараты подвергаются гидравлическому испытанию, при котором
возможные неплотности в сварных швах выявляются.
Обнаруженные в результате контроля дефектные сварные швы
исправляют удалением дефектного металла и повторной сваркой.
Дефектный шов удаляют механической вырубкой или сплавлени-
ем пламенем газовой горелки. Вновь заваренный участок подвер-
гается контролю.
Сварка неметаллических материалов является наиболее про-
стым и надежным методом их соединения и поэтому в последнее
время вытесняет склеивание. Представляет интерес сварка вини-
пласта, полиэтилена и фторопласта-4.
Винипласт сваривают в струе нагретого воздуха с применени-
ем присадочного прутка или без прутков. В первом случае сва-
риваемые стыки и присадочные прутки из винипласта одновре-
менно разогревают до 200 °C, при этом присадочный материал
размягчается и сцепляется с основным материалом. При беспрут-
ковой сварке привариваемые кромки прогреваются до размяг-
чения и затем спрессовываются. Известны методы сварки вини-
пласта с применением токов высокой частоты, ультразвука и
трения.
Полиэтилен сваривают в струе инертного газа при температу-
ре 220—290 °C контактным способом или с применением приса-
дочных прутков из того же полиэтилена.
Фторопласт-4 сваривают контактным способом при темпера-
туре 380—385 °C в струе нагретого газа. Прочные и плотные сое-
динения обеспечиваются при применении флюса, состоящего из
фторуглеродной смазки марки УПИ и порошка фторопласта-4Д.
Флюс, нагретый до 70 °C, наносят на свариваемые поверхности.
Спрессованные детали выдерживают в термостатах при темпе-
ратуре 370±Ю°С в течение 5—10 мин, после чего медленно ох-
лаждают до 100 °C, не снижая давления на спрессовываемые
(свариваемые) поверхности.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ АППАРАТОВ
В процессе эксплуатации аппараты изнашиваются, корпуса их
подвергаются механическому и корроизонному износу и посте-
пенно теряют надежность. Чтобы предотвратить выход аппарата
из строя, необходим систематический надзор и уход за ним как
в процессе эксплуатации, так и при ремонтах. Лишь при тща-
тельном соблюдении правил эксплуатации можно обеспечить дли-
тельную работоспособность аппарата и предупредить аварии.
Каждый аппарат должен быть использован только в соответствии
с его конструктивным назначениеми для тех сред и параметров,
на которые рассчитан металл аппарата. Аппараты должны быть
снабжены предусмотренными проектом предохранительными и за-
щитными устройствами.
Особой ответственности требует эксплуатация аппаратов, ра-
ботающих под давлением. «Правилами устройства п безопасной
эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержден-
ными Госгортехнадзором СССР, предусматривается, в частности,
снабжение аппарата приборами для измерения давления и тем-
пературы среды, предохранительными устройствами и запорной
арматурой. Если аппарат работает при изменяющемся темпера- '
туре стенок, он должен быть снабжен приборами для контроля
скорости и равномерности прогрева по длине сосуда и реперами
для контроля тепловых перемещений.
Необходимо обеспечить возможность удаления находящейся
в аппарате среды. Скопившийся конденсат удаляют через дре-
нажное устройство, защищенное от замерзания.
На подводящих и отводящих трубопроводах должно быть
столько запорной арматуры, чтобы обеспечить падежное отклю-
чение аппарата от системы в случае необходимости. Установка
арматуры не обязательна, если несколько аппаратов по техноло-
гической схеме соединены последовательно и работают совмест-
но. Запорная арматура, устанавливаемая на аппаратах, снаб-
жается четкой маркировкой, включающей обозначение завода-
изготовителя, условный проход, условное давление, направление
потока среды, направление вращения при открывании и закры-
вании.
Аппараты, на которые распространяются «Правила устройст-
ва и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлени-
ем», до пуска в работу должны быть зарегистрированы в органах
102
Госгортехнадзора СССР. Все аппараты заносятся в специальную
книгу учета и освидетельствования, которая хранится у лица, наз-
наченного приказом по предприятию. Зарегистрированные в ор-
ганах Госгортехнадзора аппараты подвергаются техническому
освидетельствованию инспектором. При этом аппарат подвергается
внутреннему и наружному осмотру с целью выявления состояния
поверхностен и влияния среды на стенки корпуса, а также гидрав-
лическому испытанию. Сроки и порядок освидетельствования ус-
тановлены правилами Госгортехнадзора.
Условия безопасной эксплуатации исключают ремонт аппара-
та во время его работы, неисправность арматуры, контрольно-
измерительных приборов и предохранительных устройств, невы-
полнение инструкции по режиму работы и обслуживания. При
аварийных ситуациях аппарат должен быть остановлен согласно
действующей инструкции.
При ремонтах корпусов определяют (путем замеров) факти-
ческую (остаточную) толщину их и устанавливают характер из-
носа и те участки, которые наиболее подвержены ему. В процессе
непрерывной работы корпусов величину коррозии определяют зон-
дированием. Оно состоит в том, что на участках, наиболее под-
верженных износу, помещают пластины (зонды) из того же
металла, из которого изготовлен корпус. Изменение электрическо-
го сопротивления зондов дает ясную картину о величине их изно-
са и, следовательно, о характере износа зондируемого корпуса.
Особенно тщательно контролируют корпуса аппаратов, корро-
зия которых не только приводит к нарушению их прочности, но
опасна еще и тем, что продукты коррозии могут испортить содер-
жащийся в аппарате продукт или загрязнить и закупорить тру-
бопроводы малого сечения, теплообменники или другие аппараты,
связанные единой технологической схемой. Поэтому необходимо
стремиться к предотвращению любой коррозии таких аппаратов,
независимо от ее интенсивности и характера.
ГЛАВА IV
ЕМКОСТИ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ, ГАЗА
И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Для хранения нефти, газа и нефтепродуктов на нефтеперераба-
тывающих заводах применяется большое число емкостей, сосре-
дотачиваемых в резервуарных парках.
В зависимости от назначения хранимого продукта отличают
сырьевые, промежуточные и товарные резервуарные парки. Сырье-
вые и товарные парки сооружают обособленно, вдали от техноло-
гических установок, промышленных и бытовых зданий. Парк ре-
зервуаров промежуточных продуктов размещают вблизи тех уста-
новок, в которых эти продукты используются.
В большинстве случаев сырая нефть хранится в крупных под-
земных или полуподземных железобетонных резервуарах с внут-
ренней металлической облицовкой и без нее. В таких же резер-
вуарах хранят готовые светлые нефтепродукты. Основные
преимущества подземных железобетонных резервуаров состоят в
экономии металла, в уменьшении потерь сырья вследствие испаре-
ния легких фракций от действия солнечных лучей, а также в про-
тивопожарных и маскировочных свойствах.
Металлические емкости, как правило, расположены над зем-
лей, что обеспечивает простоту их эксплуатации.
Число и объем устанавливаемых емкостей определяют с уче-
том суточной производительности завода по сырью и по каждо-
му продукту, числа одновременно хранимых нефтепродуктов, а
также норм продолжительности хранения сырья и нефтепродук-
тов. Потребный объем сырьевых резервуаров устанавливают из
расчета 5—7-суточного запаса сырья; для резервуаров промежу-
точных продуктов предусматривается 16—48-часовой запас;
емкость резервуаров товарного парка должна обеспечить 15—20-
суточное хранение готовой продукции.
Для экономии производственных площадей, материала, тру-
довых затрат при монтаже и эксплуатации проектируют возмож-
но меньшее число емкостей за счет увеличения объема каждой
емкости. Размеры выбранных емкостей должны быть согласова-
ны с соответствующими нормалями, в которых указаны полный и
полезный объемы, внутренний диаметр, максимальные рабочие
давления и температура, максимальная высота налива и другие
данные.
Конструкция емкостей определяется множеством факторов, од-
нако основными являются химические и физические свойства, а
также давление и температура находящихся в них жидкостей и
газов.
Сжиженные газы (пропан, бутан и др.) и легкие фракции бен-
зина хранят в горизонтальных или вертикальных цилиндрических
пустотелых аппаратах, устанавливаемых на фундаментах или по-
Ряс. 1V-1. Аппараты для хранения сжиженных газов и легких фракций бензина:
а — вертикальный; б — горизонтальный; / — корпус; 2— опора; 3 — люк; 4 — штуцера.
стаментах (рис. IV-1). В таких же емкостях, часто называемых
монжусами, хранят химически активные вещества; в этом случае
внутренние поверхности аппарата покрывают антикоррозионной
облицовкой.
Горизонтальные емкости диаметром более 1,4 м внутри у лю-
ка снабжают стремянкой для спуска людей. Они должны быть
оборудованы также измерительными, регулирующими и предо-
хранительными устройствами, предотвращающими превышение
давления, температуры и высоты заполнения выше допустимых
значений. Соответствующие лестницы и площадки обеспечивают
свободный доступ обслуживающего персонала к арматуре, изме-
рительным, контрольным приборам и предохранительным устрой-
ствам. Для предохранения от нагрева солнечными лучами емкости
окрашивают снаружи в белый цвет, а в случае необходимости со-
здают теневую защиту.
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ
Цилиндрические вертикальные резервуары — наиболее распрост-
раненный тип емкостей для хранения нефтепродуктов. Они зани-
мают меньше площади, чем горизонтальные, требуют меньше
металла на изготовление, удобны в эксплуатации, позволяют про-
Рис. IV-2. Корпуса вертикальных цилиндри-
ческих резервуаров:
а — конструкция с телескопическим располо-
жением поясов; б — конструкция со ступен-
чатым расположением поясов; в — схема рас-
пределения нагрузок на стенки корпуса.
Для предотвращения осыпания
стым способом замерять количество содержащейся в них жидко-
сти. Объем эксплуатируемых в настоящее время вертикальных
цилиндрических резервуаров составляет от 25 до 100 000 м;:. Боль-
шинство резервуаров стандар-
тизовано, остальные и.тотов-
ляют ио специальным проек-
там. Резервуары покоятся на
основании, состоящее; из на-
дежно уплотненного грунта и
песчаной подушки толщиной
0,06—0,1 м. Чтобы предохра-
нить днище от коррозии, верх-
ний слой песчаной подушки
смазывают битумом итж мазу-
том. Основание имеет форму
конуса с вертикальной осью;
уклон от центра к периферии
равен 1:120; диаметр основа-
ния должен быть на 1 —1,2 м
больше диаметра днища ре-
зервуара.
песка из-под утора вокруг ос-
нования резервуара устраивают бетонную или каменную стенку
(кольцо) толщиной 0,25—0,3 м.
В отечественной промышленности до недавнего времени (а за
рубежом и сейчас) резервуары изготовляли методом полистовой
сборки. По этому методу весь резервуар изготовляют в заводских
условиях в виде отдельных заготовок: свальцованных листов с
обработанными иод сварку кромками — для цилиндрического кор-
пуса; выкроенных и обрезанных под сварку листов — для днища
и крыши. В заводских условиях изготовляют также несущие фер-
мы, лестницы, площадки и т. п. Сборку резервуара производят
на месте его установки, для этого предварительно подготавлива-
ют основание иод днище.
Настилаемые на основание листы днища резервуара сварива-
ют встык или внахлестку (сначала сваривают поперечные швы,,
затем продольные). Сварку производят автоматически или вруч-
ную обратноступенчатым способом в направлении от центра дни-
ща к его периферии. Все листы днища, за исключением перифе-
рийных, одинакового размера (1500X6000 мм). Периферийные
листы раскраивают так, чтобы обеспечить круглую форму днища.
Корпус резервуара собирают по поясам, которые составляют
из заготовок—свальцованных листов. Сварку отдельных листов
и поясов друг с другом производят встык или внахлестку так,
чтобы вертикальные (меридиональные) швы не совпадали, а рас-
полагались вразбежку. При сварке внахлестку пояса располага-
ют телескопически, с уменьшением диаметра каждого пояса снизу
вверх (рис. IV-2, а) или ступенчато (рис. IV-2, б).
Размеры вертикальных цилиндрических резервуаров опреде-
ляют из условия наиболее экономичной высоты его, т. е. той вы-
соты, при которой при заданном объеме расход металла на из-
готовление минимален. Если предположить, что толщина листа
всех поясов постоянна, то высота резервуара Н определится по
«формуле
..у W
V ns2
(IV.1)
где V — объем резервуара;
X—толщина стенки корпуса, численно равная весу 1 м2 днища и крыши вме-
сте со стропилами;
л—толщина стенки корпуса (или отдельного пояса).
Для резервуаров с переменной толщиной поясов высоту мож-
но определить по формуле
Н==У^ х
(IV.2)
где <Тдоп — допускаемое напряжение металла пояса;
у—удельный вес содержащейся в резервуаре жидкости.
Зная объем и высоту резервуара, определяют его диаметр.
Практика сооружения резервуаров в различных странах показы-
вает, что между их емкостью и высотой нет строгой закономер-
ности: при высоких резервуарах необходима большая толщина
стенок для обеспечения прочности, зато при низких резервуарах
той же емкости металл расходуется на днища и покрытия зна-
чительно большей площади.
Число поясов п определяют в зависимости от Н, ширины вы-
бранных стальных листов b и типа кольцевых швов (встык или
внахлестку).
Гидростатическое давление на стенки резервуара по высоте
будет распределяться по закону треугольника с основанием у дни-
ща (рис. IV-2, в). Давление на стенки самого верхнего пояса наи-
меньшее, но толщину листа его нельзя принимать менее 4 мм,
независимо от расчета. Толщину листов остальных поясов опреде-
ляют из условий прочного сопротивления гидростатическому дав-
лению жидкости на стенки резервуара, а также давлению внутри
резервуара, равному 0,002 МН/м2, или разряжению,
0,0002 МН/м2, по формуле
_ hDy
2<7допФ -
равному
(IV.3)
где h. — расстояние от уровня жпдкосттг в заполненном резервуаре до попереч-
ного сечения рассчитываемого пояса, но выше нижнего шва этого пояса
на 0,3 м (рис. IV-2, а);
<р — коэффициент прочности вертикального (меридионального) шва;
С — прибавка на коррозию.
Покрытия резервуаров изготовляются на заводах и состоят из
отдельных транспортабельных щитов (рис. IV-3). Щит представ-
ляет собой каркас из швеллеров и уголков, покрытый листовой
сталью толщиной 2,5 мм, свариваемой внахлестку. Щиты упира-
ются на корпус резервуара; при больших диаметрах или плоских
Рис. IV-3. Конструкция покрытия верти-
кальных цилиндрических резервуаров:
/ — корпус резервуара; 2 — обрамляющее
кольцо из уголка или швеллера; 3 —
центральная опора; 4 — щит.
Рис. IV-4. Сборка вертикального цилинд-
рического резервуара рулонным способом:
1 — рулон; 2— центральная стойка; 3—
днище; 4 — щит покрытия; 5 — лестнич-
ная клеть.
крышах резервуаров второй опорой щитов служит центральная
трубчатая или решетчатая стойка, устанавливаемая внутри резер-
вуара на его днище. Для очень крупных резервуаров покрытия
покоятся на специально рассчитанных стальных фермах. Число
ферм п для резервуара диаметром D определяют из условия ми-
нимального веса покрытия по формуле
При расчете резервуаров (особенно крупных) необходимо учи-
тывать возможность потери устойчивости стенок под действием
собственного веса покрытия, снеговой и ветровой нагрузок. Наи-
более вероятна потеря устойчивости при вакууме в резервуаре.
Расчет устойчивости резервуаров дан в «Указаниях по проекти-
рованию стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепро-
дуктов под избыточным давлением до 0,7 кгс/см2».
В последние годы на заводах проектируют резервуары, соору-
жаемые только рулонным способом. Это позволяет индустриали-
зировать монтаж и сократить его продолжительность, а также
обеспечить более высокое качество сварных стыковых швов, вы-
полняемых автоматом на заводе-изготовителе. Днище и корпус
после изготовления сворачивают в рулоны, которые на месте мон-
тажа разворачивают так, что требуется только сварить шов, со-
единяющий вертикальные кромки корпуса и корпус с днищем.
Покрытие, центральная стойка, лестницы и прочие металлокон-
струкции поставляются заводом-изготовителем возможно более
крупными узлами. Общий вид сборки цилиндрического резервуара
рулонным способом приведен на рис. IV-4. У очень крупных резер-
вуаров толщина листов нижних поясов корпуса значительно боль-
ше, чем толщина верхних поясов, поэтому сворачивание корпуса
в рулон с помощью обычного оборудования не представляется
возможным.
Для того, чтобы давление или вакуум в резервуаре не превы-
шали допустимого значения, его снабжают особыми устройст-
вами, регулирующими выброс газов, создающих давление, а также
поступление из атмосферы (или специальной газовой линии) воз-
духа или газов, предотвращающих образование вакуума. В прак-
тике эксплуатации резервуаров это принято называть «дыханием».
Отличают «большое дыхание» — вытеснение паров нефтепродуктов
из газового пространства резервуаров при наливе нефтепродук-
тов— и «малое дыхание» — выход паров нефтепродуктов из резер-
вуара при повышении температуры (например, днем) или, наобо-
рот, вход воздуха (газов) при понижении температуры (например,
ночью).
Потери нефтепродуктов от малых и больших дыханий весьма
существенны, поэтому необходимо бороться с этими потерями.
Наиболее эффективными способами борьбы являются: создание
газоуравнительной обвязки нескольких резервуаров; абсорбцион-
ная система «дыхания» резервуаров; сооружение резервуаров с
«дышащей», или «плавающей», крышей; сооружение резервуаров
каплевидной или шаровой формы.
В обычных условиях наиболее эффективно применение резер-
вуаров с «плавающей» крышей. Иногда может оказаться действен-
ным включение таких резервуаров в газоуравнительную систему
с целью сокращения их числа в резервуарном парке.
Резервуар с плавающей крышей представляет собой обычный
вертикальный цилиндрический резервуар со стенками, сваренными
встык, внутри которого на поверхности продукта плавает метал-
лический диск — понтон, обеспечивающий постоянство объема над
жидкостью. Плавучесть диска обеспечивается или изготовлением
его с двойной стенкой (двухдечный) или установкой на специаль-
но изготовленные, мало металлоемкие понтоны (рис. IV-5).
В большинстве стран для крупных резервуаров наиболее распро-
странена однодечная крыша с понтоном по ее периметру. Для обес-
печения жесткости плавающие крыши больших диаметров снаб-
жают в радиальном направлении балками коробчатого сече-
ния.
Понтон составляет примерно 20—25% площади крыши. Он
выполнен в виде кольца по периметру крыши или отдельными
секциями пирамидального сечения. Для предотвращения разру-
шения крыши под дествием вакуума, который может образовать-
ся в резервуаре при полном сливе продукта, на нем устанавли-
вают вакуумные клапаны, обеспечивающие доступ воздуха.
Если резервуар не снабжен стационарной крышей, закрываю-
щей плавающую, то воду с плавающей крыши отводят дренажными
системами с помощью шлангов или по стальным трубам с шар-
нирами, обеспечивающими дренаж во всех положениях понтона.
Плавающую крышу резервуаров проверяют на плавучесть при
Рис. IV-5. Схемы плавающих крыш резер-
вуаров:
а — дву.хдечная; б — однодечная с понто-
ном по периметру; в — однодечная с пон-
тоном по периметру и с радиальными бал-
ками жесткости; / — корпус резервуара;
2 — понток; 3 — плавающая крышка из лис-
товой стали; 4 — среднее опорное кольцо
жесткости; 5 — радиальные коробчатые
балки жесткости.
Рис. IV-6. Конструкции мягких губчатых
затворов для плавающих крыш:
а — с упругим уплотнением в резинотка-
невой оболочке; б — в упругой металличе-
ской оболочке; / — корпус резервуара; 2 —
корпус понтона или плавающей крыши;
<3 —пористый упругий материал; 4 — рези-
нотканевая оболочка; 5—упругий метал-
лический чехол.
условии аварийного затопления двух смежных отсеков понтона
и неисправности дренажной системы.
Зазор между краями диска и стенкой резервуара по всему
периметру герметизируют с помощью специального уплотнения.
Уплотнения бывают механические (жесткие) н мягкие (эластич-
ные). Для нормальной работы уплотнения необходимо, чтобы
внутренние стенки корпуса резервуара были возможно более
гладкими, без выступающих валиков сварных швов.
Механические затворы по конструкции многообразны и сложны
в изготовлении, поэтому их применяют только тогда, когда мяг-
кие затворы применять нельзя из-за малой стойкости их в среде
продукта.
Мягкие (эластичные) затворы изготовляют из прорезиненной
ткани, пенополиуретана и других эластичных и стойких к дан-
ным средам материалов. Применяют губчатые, жидкостные и воз-
душные затворы. В губчатых затворах уплотнение обеспечивается
за счет упругости губчатого материала, всегда прижатого к стен-
ке резервуара; в жидкостном затворе мягкий мешок с жидко-
стью прижимается к стенкам за счет веса этой жидкости, в воз-
душных затворах — за счет упругих свойств воздуха.
ПО
На рис. 1V-6 приведены два примера исполнения мягких гуо-
чатых затворов. В первом случае уплотнение достигается сжа-
тием пенополиуретанового сердечника оригинальной формы, по-
крытого слоем прочного резинотканевого листового материала;
во втором случае пористый материал заключен в упругий чехол,
обладающий износостойкостью. Жидкостные и воздушные затво-
ры более сложны по конструкции и в эксплуатации, чем губ-
чатые.
Как показала практика, применение резервуаров с плавающей
крышей позволяет снизить потери нефти и нефтепродуктов от
«малых дыханий» на 80—80%, а от «больших» — на 90— 95% по
сравнению с потерями в типовых резервуарах. Благодаря этому
затраты на устройство понтонов окупаются в короткий срок.
КАПЛЕВИДНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ
Для хранения нефтепродуктов, характеризующихся высоким дав-
лением паров (до 0,2 МН/м2), возможно применение каплевидных
резервуаров, названных так из-за внешней формы, напоминаю-
щей форму капли жидкости на несмачиваемой плоскости. Общий
вид такого резервуара показан на рис. IV-7. Форма оболочки кап-
Рнс. IV-7. Каплевидный резервуар:
/ — корпус резервуара; 2 — предохранительные устройства; 3 — опора ре -cpBvapa; т — лест«
нпчпая клеть обслуживания.
левидного резервуара обеспечивает одинаковое напряжение рас-
тяжения во всех кольцевых и меридиональных сечениях, что яв-
ляется основой экономичности конструкции. Однако изготовление
таких резервуаров сложно, поэтому они не получают широкого
распространения.
ШАРОВЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ
Шаровые резервуары (рис. IV-8) выдерживают значительные дав-
ления (до 1 МН/м2) и высокий вакуум (до 500 мм вод. ст.).
Диаметр их практически не ограничен. Например, в Японии по-
Рис. IV-8. Шаровой резервуар:
1 — корпус, сваренный из лепестков; 2 — пре-
дохранительные устройства; 3 —опора резер-
вуара; 4 — лестничные марши к площадке
обслуживания.
строены шаровые резервуары
диаметром 33 м, рассчитанные
на работу под давлением
3 МН/м2.
На нефтеперерабатываю-
щих заводах в шаровых ре-
зервуарах хранят метан, эти-
лен, пропан-бутановую фрак-
цию и другие газы. Резервуа-
ры сферической формы ис-
пользуют также для изготов-
ления электродегидраторов
для сырой нефти на установ-
ках электрообессоливания.
При одинаковых эксплуа-
тационных показателях расход
металла на шаровые резервуа-
ры меньше, чем на цилиндри-
ческие. Что касается изготов-
ления, которое, конечно, бо-
лее сложно, то в настоящее
время оно освоено достаточно
хорошо и уже не является фактором, ограничивающим примене-
ние шаровых резервуаров там, где это целесообразно.
Без учета местного изгиба и концентрации напряжений у опор
толщину оболочки резервуара s можно определить по формуле
PD
5 — 4СТ + С
^°ДОП
(IV.5)
где Р —суммарное давление среды и гидростатического столба жидкости;
D — внутренний диаметр резервуара;
Одоп — допускаемое напряжение;
С — прибавка на коррозию.
Толщину всех поясов оболочки принимают одинаковой, за ис-
ключением тех, которыми резервуар устанавливают на опоры;
эти пояса (нижний для кольцевой опоры и экваториальный для
опор на стойках) изготовляют большей толщины.
Основными элементами заготовок шаровых резервуаров явля-
ются лепестки. Их выполняют горячей штамповкой, холодной
штамповкой, а в последнее время — холодной прокаткой. Свар-
ные швы заваривают обратноступенчатым способом одновремен-
но в нескольких местах, расположенных симметрично по отно-
шению к стыкам. Сначала сваривают меридиональные, затем
кольцевые швы. Качество сварных швов проверяют пооперацион-
но в процессе монтажа и после изготовления. Обязательной про-
верке подлежат все места пересечения меридиональных и коль-
цевых швов, а также не менее 10% всех швов.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ РЕЗЕРВУАРОВ
Для нормальной эксплуатации резервуаров они должны быть
обеспечены необходимым оборудованием для приема и выдачи
хранимой жидкости, замера ее количества в любой момент вре-
мени, поддержания в резервуаре номинального давления, пред-
отвращения разрушения от непредвиденных нарушений режимов
эксплуатации. Для обслуживания резервуара должны иметь люки
и лазы, через которые при ремонтах заходят внутрь люди, а так-
же затаскивается и вытаскивается внутрирезервуарное оборудо-
вание. Каждый резервуар снабжается необходимой металлокон-
струкцией (лестницами и площадками) с учетом удобств для
обслуживающего персонала. Резервуарное оборудование выпу-
скается промышленностью по ГОСТ или нормалям, в зависимо-
сти от размеров резервуаров и их эксплуатационных данных.
Приемно-раздаточные патрубки (штуцера) устанавливают на
нижнем поясе вертикальных резервуаров или в нижней части ша-
ровых и каплевидных резервуаров. Особенно важно выдержать
отметку раздаточного патрубка, который должен обеспечить воз-
можно более полное опорожнение резервуара. Иногда раздаточ-
ный патрубок внутри резервуара присоединяется к так называе-
мой подъемной трубе, позволяющей осуществлять забор продук-
та с самого низа или с нужного, наперед выбранного уровня.
Эта труба соединена со штуцером резервуара шарнирно, так что
наклон ее может изменяться в вертикальной плоскости относи-
тельно оси шарнира. Подъем и опускание конца трубы осущест-
вляется тросом, наматываемым через систему блоков на ручную
лебедку, прикрепляемую к корпусу резервуара снаружи.
Для предотвращения больших утечек продукта при авариях
на приемных трубопроводах приемный патрубок внутри резервуа-
ра снабжается предохранительно-запирающим устройством (хло-
пушкой), позволяющим быстро запирать его.
Один или два стандартных люка, предназначенных для ре-
монтных целей, устанавливают на нижнем поясе резервуара.
На крыше также устанавливают люк, который открывается для
проветривания резервуара перед ремонтом и для спуска и подъе-
ма внутреннего резервуарного оборудования; этот люк называет-
ся световым.
Один из люков на крыше резервуара предназначен для конт-
рольных замеров; он называется замерным люком и устанавли-
вается независимо от наличия стационарных замерных устройств
(в том числе автоматических). Замерный люк снабжается быст-
росъемной крышкой.
Особенно важным резервуарным оборудованием являются ды-
хательные клапаны. Они обеспечивают «большие» п «малые ды-
хания» при условии минимальных потерь нефтепродуктов. Изве-
стно множество конструкций дыхательных клапанов, зыби;: .немых
в зависимости от их пропускной способности и конкретны', экс-
плуатационных условий (верхнего и нижнего пределов да. пений
в резервуаре, температуры среды и воздуха, скорости наполнения
и опорожнения и т. д.).
Рис. 1V-9. Дыхательный клапан резервуара.’
/ — корпус: 2,6— клапаны; 3— прокладка; 4, 8 — седла; 5 — центральный стержень; 7 —
соединительный фланец; 9 — металлическая сетка; 10 — наружные направляющие стержни;
11 — крышка; 12 — откидной рычаг крышки; 13 — накидной болт.
На рис. IV-9 приведена наиболее распространенная конструк-
ция дыхательного клапана (КД). Обтекаемый с целью сокраще-
ния гидравлических потерь чугунный или алюминиевый корпус 1
фланцем 7 устанавливается на огневом преградителе, соединен-
ном со штуцером на крыше резервуара. Материал корпуса дол-
жен исключать образование иирофорных соединений и, следова-
тельно, возможность самовоспламенения. По одной вертикальной
оси внутри корпуса размещены нижняя тарелка давления и верх-
няя тарелка вакуума, которые садятся под действием собственного
веса соответственно на седла 4 и 8. Седла выполняют съемными
для легкой смены их при ремонте дыхательного клапана.
Уплотнение между клапанами и седлами обеспечивается про-
кладкой 3 из маслобензостойкой и морозостойкой резины, при-
крепленной к седлу. Чтобы предотвратить промерзание и «схваты-
вание» клапанов при морозах, центральный направляющий стер-
жень 5 и наружные направляющие стержни 10 покрывают обо-
лочкой из фторопласта.
Клапан работает следующим образом. При повышении дав-
ления внутри резервуара выше допустимого значения открывает-
ся нижняя тарелка, при образовании вакуума — верхняя тарел-
ка, благодаря чему газовое пространство резервуара соединяется
114
Рис. IV-10. Предохранительный клапан;
/ — штуцер клапана; 2 — стакан для
жидкости; 3 — подвесная перегородка;
4 — предохранительная трубка; 5 —
каплеуловитель: 6 — воронка для зали-
ва жидкости; 7 — вентиляционный па-
трубок с сеткой; 8 — указатель уров-
ня со спускным краном.
с атмосферой. Как только давление (или вакуум) в резервуа-
ре будут восстановлены в пределах нормы, соответствующий кла-
пан под собственным весом садится на свое седло, изолировав ре-
зервуар от атмосферы. Таким образом, давление (вакуум) в ре-
зервуаре регулируется весом клапанов.
Осмотр, чистку и смену клапанов и седел производят через
верхний круглый проем в корпусе, который закрывается крышкой
11, шарнирно связанной с откид-
ным рычагом 12, зажимаемым на-
кидным болтом 13. Открытый ко-
нец патрубка корпуса накрывается
медной или стальной оцинкованной
сеткой 9, предохраняющей от засо-
рения трущиеся и уплотняющие по-
верхности.
Правилами предусмотрен стро-
гий порядок осмотра и проверки
дыхательных клапанов: раз в ме-
сяц при морозах, два раза в месяц
в остальное время года. Состояние
клапана удовлетворительно, если
движение тарелок плавное и они
обеспечивают плотную посадку в
гнездах (седлах), а также если не
происходит примерзание тарелок и
направляющих. Сетки клапанов
поддерживают в чистоте, а зимой
систематически освобождают ото
льда.
Чтобы предотвратить разруше-
ние резервуара в случае неисправ-
ности дыхательного клапана, на
его крыше устанавливают предо-
хранительный клапан. Предохра-
нительные клапаны резервуаров
работают по принципу гидравли-
ческого затвора, из которого запи-
рающая жидкость вытесняется под
куума, превышающих установленные значения, и тогда газовое
пространство резервуара соединяется с атмосферой. После вос-
становления рабочего давления жидкость вновь запирает затвор.
На рис. IV-10 показана конструкция предохранительного клапа-
на. Газы прорываются в атмосферу (при избыточном давлении
в резервуаре) пли воздух поступает в резервуар (при вакууме в
нем) через зубчатые кромки перегородки.
Жидкость затвора должна быть незамерзающей, маловязкой
и неиспаряющейся. Применяют, например, соляровое масло, ди-
зельное топливо, водный раствор глицерина. В процессе эксплуа-
действием давления или ва-
тации необходимо следить за уровнем жидкости в затворе, для
этой цели имеется указатель уровня со спусковым краном. Необ-
ходимо поддерживать в чистоте все штуцера, перегородки и
сетки.
Для того, чтобы предохранительный клапан не сработал од-
новременно с дыхательным, его регулируют на открытие при бо-
лее высоком давлении и вакууме (на 5—10% выше).
При дыхании в резервуар через предохранительные или дыха-
тельные клапаны могут попасть огонь и искры из окружающей
среды. Чтобы этого не произошло,
Рис. IV-1L Огнепреградитель;
1 — корпус; 2— сетка (или заглушка);
3 — ленточная кольцевая кассета; 4 —
оребренный колпак.
применяют огнепреградители раз-
личной конструкции. Они представ-
ляют собой устройство с узкими ка-
налами, через которые резервуар
сообщается с атмосферой. Спо-
собность огнепреградителей гасить
пламя определяется главным обра-
зом сечением и длиной этих кана-
лов. Каналы могут быть ленточны-
ми, насадочными, сетчатыми и др.
Нормалей на конструкции огнепре-
градителей для резервуаров пока
не существует; их конструируют
для каждого отдельного случая,
рассчитывая сечения пламягася-
щих каналов исходя из свойств га-
зов и жидкостей, а также их количе-
ства и теплового режима горения.
На рис. IV-11 показана конст-
рукция огнепреградителя с разви-
той поверхностью теплообмена. Ме-
таллический оребренный колпак способствует охлаждению газов.
Пластинчатые кассеты необходимо систематически проверять,
очищать от грязи и предохранять от замерзания.
На каждом нефтепроводе или продуктопроводе, связанном с
резервуаром, кроме запорной арматуры непосредственно у резер-
вуара, в противопожарных целях устанавливают задвижку на рас-
стоянии 100—500 м от резервуара.
Для защиты от прямых ударов молнии и от разрядов стати-
ческого электричества резервуары заземляют.
При хранении высоковязких нефтепродуктов возникает необ-
ходимость подогрева их для облегчения перекачивания. В этом
случае в резервуарах по дну или у раздаточного патрубка мон-
тируют нагревательный змеевик или трубчатый пучок, в котором
греющим агентом служит водяной пар, горячая вода или другой
теплоноситель. *
На эксплуатируемые резервуары должны быть технические
паспорта, составленные предприятием, ведающим эксплуатацией.
Для обеспечения точного учета приемно-отпускных операций со-
ставляют калибровочные таблицы с интервалом 1 см, позволяю-
щие определить количество продукта в резервуаре по высоте на-
лива.
Для сокращения потерь нефтепродуктов от испарения резер-
вуары окрашивают лучеотражающими светлыми красками (белы-
ми, алюминиевыми).
Эксплуатируемые резервуары подвергают осмотру, текущему
и капитальному ремонтам, периодичность которых устанавливает-
ся в зависимости от содержащегося в резервуаре нефтепродук-
та. размеров и конструктивных особенностей резервуара. С уве-
личением емкости резервуара повышаются требования к его об-
служиванию и осмотру.
В процессе эксплуатации ежедневному визуальному осмотру
подлежат уторные уголки (участки приварки нижнего пояса к
днищу), вертикальные сварные швы нижнего пояса, штуцера,
дыхательные и предохранительные клапаны, другое наружное обо-
рудование. При обнаружении пропусков следует немедленно при-
нять надлежащие меры в соответствии с утвержденной инструк-
цией.
В зимнее время нельзя заполнять свободные от нефтепродук-
тов резервуары водой без обогрева. Это может привести к на-
рушению герметичности корпуса и к разрушению резервуарного
оборудования. Резервуар и резервуарное оборудование обогре-
вают горячей водой.
Резервуары необходимо периодически очищать — при подго-
товке к наливу нефтепродукта, качественно отличающегося от
предыдущего, при загрязнении стенок продуктами окисления и
минеральными осадками, портящими продукт, при подготовке
к ремонту.
Очистка резервуаров — очень трудоемкая операция. Способ
очистки зависит от количества и природы осадков, а также от на-
личных средств механизации. Наиболее часто применяемый спо-
соб очистки заключается в промывке резервуара водой, пропари-
вании, естественной или принудительной вентиляции твердой гря-
зи с помощью подручных средств, повторной промывке.
Обязательное условие начала работ внутри резервуара—де-
газация, качество которой устанавливается лабораторным ана-
лизом или с помощью специальных приборов. При очистке резер-
вуаров для хранения сернистых нефтепродуктов в него непрерыв-
но подают небольшое количество пара, чтобы предотвратить са-
мовозгорание пирофорных отложений.
Грязь из резервуара можно удалять вручную, гидродинами-
ческим способом (сильной струей воды), химическим способом,
основанным на применении моющих средств. Порядок операций
и меры, обеспечивающие безопасность работающего персонала при
очистке, устанавливаются специальной инструкцией, подлежащей
неукоснительному выполнению.
Резервуары должны быть обеспечены средствами пожароту-
шения: песком, лопатами, ведрами, огнетушителями, пенной во-
дой, пожарными шлангами и брандспойтами.
ГАЗГОЛЬДЕРЫ
Для хранения большого объема газов при небольших давлениях
(до 0,4 м вод. ст.) применяют газгольдеры — резервуары перемен-
ного объема. По принципу работы они делятся на сухие и мокрые.
Сухие газгольдеры применяют редко. Конструктивно сухой газ-
гольдер представляет собой цилиндрический вертикальный резер-
вуар со сферическим покрытием, внутри которого имеется под-
Рис. IV-12. Схема мокрого газголь-
дера:
/ — резервуар; 2 — телескоп; 3 —
колокол; 4 — направляющие карка-
сы на стенках: 5 — кронштейны;
6 — направляющие ролики; 7 —
внешний направляющий каркас;
8 — нижний упор для колокола и
телескопа.
вижная перегородка-поршень, плотно
прилегающая к стенкам резервуара.
При нагнетании газа под поршень
последний поднимается, увеличивая
объем, при удалении газа поршень
опускается. Давление газа в газголь-
дере определяется весом поршня и
внутренним диаметром цилиндрическо-
го корпуса резервуара. Из-за несовер-
шенства кострукции подвижного со-
пряжения поршня со стенкой корпуса
эксплуатация сухого газгольдера
сложна и небезопасна.
Мокрые газгольдеры очень распро-
странены; типовые конструкции их
рассчитаны на объем 100—32 000 м3.
Газгольдер, схема которого приведена
на рис. IV-12, состоит из резервуара
1, подвижного колокола 3, телескопа
2 (они имеются у газгольдеров ем-
костью более 10 тыс. м3) и направ-
ляющих 4. Резервуар, имеющий плос-
кое днище, сверху открыт; в него вхо-
дят телескоп-цилиндрическая оболочка, открытая по обоим торцам,
и колокол-цилиндрический резервуар без дна, со сферической
каркасной кровлей. Колокол и телескоп под действием собствен-
ного веса опускаются до дна резервуара, а под напором нагнетае-
мого в газгольдер газа поднимаются до упоров по направляю-
щим 4, приваренным к резервуару 1. Направляющие для колоко-
ла могут быть и внутри телескопа. Беспрепятственное перемеще-
ние по направляющим обеспечивается перекатыванием по ним на-
правляющих роликов 6, прикрепленных на кронштейнах 5 к теле-
скопу и колоколу. Иногда направляющие выполняют по винтовой
линии. Все внешние направляющие жестко связаны друг с другом
и с корпусом, поэтому обладают надежной устойчивостью.
Герметичность между резервуаром и телескопом, а также те-
лескопом и колоколом обеспечивается водяным затвором. Для
этого с наружной стороны нижних частей колокола и телескопа
приваривают корытообразное кольцо, в которое входят соответст-
вующие кольца на внутренней стороне верхних частей резервуа-
ра н телескопа. Перед началом эксплуатации, когда телескоп и
колокол находятся в нижнем положении, резервуар, выполняю-
щий роль водяного бассейна, заполняется водой; одновременно
заполняются водой затворы колокола и телескопа.
Для того, чтобы телескоп и колокол не засосало илом и гря-
зью, обычно скапливающимися с течением времени' в газгольде-
ре, на дно резервуара укладывают специальные опоры, чтобы са-
дясь на них, телескоп и колокол не соприкасались с дном.
При подаче в газгольдер газа сначала поднимается колокол.
Дэйдя до верхнего затвора телескопа, колокол увлекает его за
собой. Телескоп может подниматься только до упора.
Давление в газгольдере создается и поддерживается весом ко-
локола и телескопа. Для нормальной эксплуатации газгольдера
и предотвращения разрыва его корпуса из-за повышения давле-
ния применяют автоматическую систему, отключающую нагнета-
тельную газовую линию.
Очень опасно замерзание воды на дне резервуара и в коль-
цевых затворах колокола и телескопа, поэтому его нужно пред-
отвратить надежным способом, исходя из местных условий.
ГЛАВА V
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ
Массообменные, или диффузионные, процессы наиболее распро-
странены на нефтеперерабатывающих заводах. Технологическое
назначение их весьма разнообразно, однако сущность всех про-
цессов массообмена заключается главным образом в разделении
смесей посредством переноса вещества из одной фазы в другую
путем диффузии.
Диффузионные процессы обратимы, их направление опреде-
ляется законами фазового равновесия, фактическими концентра-
циями в массообменивающихся фазах, а также температурой и
давлением, при которых осуществляется процесс.
Каждый массообменный аппарат носит наименование конкрет-
ного, целенаправленного массообменного процесса. Так, напри-
мер, ректификационная колонна, — это аппарат, в котором проис-
ходит процесс ректификации, т. е. массообмен между жидкой и
паровой фазами для четкого разделения компонентов; адсорбер —
аппарат, в котором протекает процесс адсорбции, т. е. массооб-
мен между твердой и жидкой фазами для извлечения из смеси
нужных компонентов; экстрактор — аппарат, в котором осуще-
ствляется процесс экстракции, т. е. массообмен между двумя
жидкими фазами для удаления из смеси нежелательных компо-
нентов и т. д.
Основные аппараты для массообменных процессов — ректифи-
кационные колонны, адсорбционные, абсорбционные и экстракци-
онные аппараты — по металлоемкости составляют более полови-
ны всех аппаратов нефтеперерабатывающих установок. От их пра-
вильного технологического расчета и конструктивной пригодности
зависит качество осуществления целенаправленного процесса, т. е.
технико-экономические показатели процессов нефтепереработки.
Движущей силой массообменных процессов является отклоне-
ние концентрации разделяемых компонентов от их равновесного
значения. Если через х и у обозначить массовые концентрации
компонента, содержащегося в двух разделяемых фазах (распре-
деляемого компонента), то можно сказать, что движущая сила
процесса тем больше, чем больше разность между значениями х
и равновесной концентрацией хр и соответственно у и равновес-
ной концентрацией ур.
Применительно к процессу массообмена уравнение (1.3), уста-
навливающее связь между размерами аппарата, движущей силой и
скоростью процесса, примет вид:
М. = KyFky
или (V.1)
М - КхРкх
где м — масса распределяемого компонента, перешедшего в единицу времени
(т= 1 ч) из одной фазы в другую;
ку и кх — движущие силы процесса, т. е. разность между фактической и равно-
весной концентрациями компонента
ку = у — ур
кх = Хр — X
(V.2>
(V.3>
где у — фактическая концентрация распределяемого вещества в фазе, откуда
вещество уходит;
ур, (хр) — такая концентрация компонента в этой же фазе, при которой сущест-
вовало бы равновесие с фактической концентрацией его во второй
фазе х(у).
Зависимость между хр и ур графически выражается кривой
равновесия фаз.
Коэффициенты массопередачи Ку
нальны сопротивлениям процесса Ry
основании опытных данных.
и Кх обратно пропорцио-
и RX) устанавливаемым на
Из уравнений (V. 1)
контакта фаз F:
определяют
необходимую поверхность
F____
Г - Куку
или
F____£L_
? ~ Кхкх
(V.4>
(V.5>
Величины, стоящие в правых частях уравнений (V.4) и
(V.5), находят разными способами, в зависимости от конкретно-
го процесса. Методика их определения дается в специальном кур-
се «Процессы и аппараты».
РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ КОЛОННЫ
Ректификационными колоннами называют вертикальные цилин-
дрические аппараты, предназначенные для четкого разделения
смеси двух взаимно растворимых жидкостей с получением целе-
вых продуктов требуемой концентрации. Такое разделение обес-
печивается в результате процесса ректификации, под которым
понимают двусторонний массообмен между двумя фазами рас-
творов, одна из которых паровая, другая — жидкая. Диффузион-
ный процесс разделения жидкостей ректификацией возможен при
условии, что температуры кипения жидкостей различны. Для осу-
ществления диффузии пары и жидкости должны как можно лучше
контактировать между собой, двигаясь в ректификационной ко-
лонне навстречу друг другу: жидкость под собственным весом
сверху вниз, пары — снизу вверх.
Из свойств равновесной системы известно, что при контакти-
ровании неравновесных паровой и /кидкой фаз система стремит-
ся к состоянию равновесия в результате массообмена и теплооб-
мена между этими фазами. Следовательно, для протекания рек-
тификации необходимо, чтобы контактируемые жидкость и пары
при одном и том же давлении не были равновесными. Иными
словами, нужно, чтобы температура жидкости была ниже тем-
пературы паров.
Для обеспечения эффективного контактирования фаз ректи-
фикационные колонны снабжаются внутренними устройствами.
В зависимости от конструкции этих устройств осуществляется
непрерывное (в насадочных колоннах) и ступенчатое (в тарель-
чатых колоннах) контактирование фаз. В результате противо-
точного контактирования паровая фаза обогащается низкокипя-
,щими компонентами, а жидкая—высококипящими.
НАСАДОЧНЫЕ КОЛОННЫ
Насадочная ректификационная колонна, наиболее простая по
конструкции, представляет собой цилиндрический вертикальный
аппарат, заполненный по всей высоте или на отдельных участках
лак называемой насадкой—определенных размеров и конфигу-
рации телами из инертных материалов. На рис. V-1 приведено
несколько типов встречающихся на практике насадок.
Насадка предназначена для создания большой поверхности
контакта между стекающей по ней жидкостью и поднимающимся
потоком паров и интенсивного перемешивания их. Контакт и мас-
сообмен в насадочной колонне происходят непрерывно на всем
участке аппарата, заполненном насадкой. Этим и отличается ра-
бота насадочной колонны от тарельчатой.
В насадочных колоннах практически невозможно добиться
равномерного распределения стекающей сверху вниз жидкости по
всем поперечным сечениям аппарата. Особенно неравномерно
распределяется жидкость при больших диаметрах колонн. Имен-
но поэтому контактирование фаз в них недостаточно, вследствие
чего трудно достигнуть четкого разделения.
В настоящее время насадочные колонны для ректификации
применяют редко, их вытеснили тарельчатые колонны. Конструк-
ции их представляют интерес скорее для проведения процессов
абсорбции, экстракции и т. д. Однако в тех случаях, когда для
разделения смеси в тарельчатой колонне требуется большое чис-
ло тарелок (см. ниже), применение насадочных ректификацион-
ных колонн может оказаться оправданным. На практике встре-
чаются тарельчатые ректификационные колонны, у которых одна
122
или несколько тарелок (обычно над участком ввода сырья или в
верхней части аппарата) выполнены насадочными. Такие наса-
дочные тарелки в колоннах чаще всего выполняют роль отбойни-
ков, хотя на них также происходит ректификация.
Рис. V-1. Типы элементов насадки для колонных аппаратов.
Важным качеством работы насадочных колонн являются не-
большие по сравнению с тарельчатыми колоннами гидравличе-
ские сопротивления. Благодаря этому создаются более благопри-
ятные условия для ректификации в них жидкостей с высокими
температурами кипения, обычно осуществляемой при высоком ва-
кууме.
На рис. V-2 показана схема насадочной ректификационной ко-
лонны высоковакуумной установки для получения дистиллята
цилиндрового масла из гудрона. Колонна представляет собой вер-
тикальный цилиндрический аппарат с верхним и нижним эллип-
тическими днищами. Она резлелена по высоте внутренними уст-
ройствами па несколько секций.
По трубному коллектору 1, снабженному специальными рас-
пылителями 2, сырье, предварительно нагретое до нужной тем-
пературы, вместе с перегретым паром поступает в колонну. Кол-
лекторы и распылители предназначены для создания одинаковой,
равномерной нагрузки по всему сечению колонны. Первый слой
насадки <3 высотой 0,75—1,20 м расположен непосредственно над
участком ввода сырья и водяного пара и служит одновременно
для контактирования фаз и сепарирования от устремленного
вверх потока сырья
ливаются в нижнюю
сти, т. е. выполняют
Рис. V-2. Насадочная рек*
тнфикацнонпая колонна:
1 — сырьевой трубный кол-
лектор: 2 — распылители; 3,
6, 7, 8, 10 — слои насадки;
4, 9 — отборные тарелки; 5 —
переходная труба; 11—оро-
ситель; 12 — штуцер отвода
паров через шлемовую
трубу.
тяжелых капель жидкости, которые прова-
часть колонны, не загружая ее верхней па-
роль отбойника (см. ниже).
С отборной тарелки 4, снабженной не-
сколькими переходными трубами 5, скон-
денсировавшиеся пары целевого масляного
дистиллята, образовавшегося в результате
ректификации при прохождении через слои
насадок 3 и 6, откачиваются насосом.
Легкие же пары нефтепродуктов вместе с
водяными парами, поднимаясь вверх, про-
ходят слои насадок 7 и 8. Жидкость, отби-
раемая с тарелки 9, охлаждается в тепло-
обменниках и холодильниках и насосом воз-
вращается в колонну через ороситель 11 в
качестве орошения (см. ниже). Количест-
вом этого орошения регулируется темпера-
турный режим верхнего участка колонны
и предотвращается унос из колонны высо-
кокипящих компонентов. Часть легких
сконденсировавшихся компонентов откачи-
вается с отборной тарелки 9 как готовый
дистиллят, остальная часть переливается с
нее вниз, являясь жидкой фазой в диффу-
зионном процессе. Несконденсировавшиеся
пары через шлемовую трубу 12, располо-
женную в верхней части колонны, посту-
пают в барометрический конденсатор (см.
ниже), где частично конденсируются, а
частично отсасываются вакуумсоздающими
устройствами. С низу колонны остаток от
перегонки (гудрон) насосом откачивается в
резервуар.
При определении диаметра насадочных
колонн обычно руководствуются допусти-
мыми скоростями движения паров по ко-
лонне и, в частности, в каналах насадки.
Скорость паров должна быть ниже той,
при которой жидкость не стекает по насад-
ке, а вытесняется из нее скоростным напо-
ром потока пара, движущегося снизу вверх,
создавая так называемый режим захлебы-
вания. Режим захлебывания вызывает рез-
кое повышение сопротивления движущимся
парам, т. е. давление в колонне, поэтому
при заданной производительности диаметр колонны должен быть
таким, чтобы скорость восходящих паров не нарушала постоянного
противоточного движения жидкой и паровой фаз.
Рис. V-3. Секция пластинчатого колос-
ника насадочной колонны:
/ — продольные пластины; 2 — попереч-
ные накладки; 3 — монтажные упоры.
свободное сечение колонны
Однако слишком малые скорости движения паров не обеспе-
чивают хорошего массообмена. Если значительно уменьшить про-
изводительность колонны при одном и том же ее диаметре, эф-
фективность процесса ректификации резко снизится. Таким обра-
зом, наилучшим режимом работы насадочной колонны является
режим, непосредственно предшест-
вующий захлебыванию. Такой ре-
жим называется режимом подвиса-
ния.
При режиме подвисания движе-
ние жидкости вниз тормозится пото-
ком газа, и последний начинает бар-
ботировать через жидкость. Ско-
рость паров, соответствующая на-
чалу режима подвисания, опреде-
ляют в зависимости от плотности
пара и жидкости, диаметра приме-
няемой насадки и других данных по
эмпирическим формулам. По уста-
новленной оптимальной скорости
газа находят диаметр поперечного
сечения колонны с учетом того, что
уменьшается из-за насадки и стекающей по ней жидкости.
Практически наступление режимов подвисания и захлебыва-
ния определяют сравнением давлений (вакуумов) над и под сло-
ем насадки. Если перепад давления (вакуума) резко повышает-
ся, это свидетельствует о начале захлебывания, и скорости паров
должны быть снижены путем уменьшения производительности
колонны по сырью или изменения теплового режима ее работы.
Интенсивность массообмена и сопротивление движущимся по-
токам паров и жидкости во многом зависят от применяемой на-
садки. Высоту насадки и размеры ее элементов устанавливают на
основании экспериментальных данных и накопленного практиче-
ского опыта. Насадка малых размеров и сложной конфигурации
имеет большую поверхность контакта, но создает повышенные со-
противления. Кроме того, при выборе размеров насадки необходи-
мо знать, что мелкая насадка менее прочна и быстро забивается
твердыми отложениями (коксом, грязью).
Практикой установлено, что в ректификационных колоннах
проявляет достаточную прочность и стойкость к коррозии и эро-
зии керамическая насадка размерами 50X50X8; 80X80X8 и
100X100X10.
Насадку укладывают беспорядочно на колосниковую решет-
ку, представляющую собой тарелку, составленную из перфориро-
ванных (дырчатых), просечно-вытяжных металлических листов
или пластинчатых решеток. Колосники должны быть прочными
и долговечными. Их монтируют из отдельных секций на жестком
металлическом каркасе или на полке свальцованного стального
уголка, приваренного к внутренней стенке колонны. Секции к
лосника должны быть таких размеров, чтобы их можно бы» >
легко извлекать из колонны и вставлять в нее через люк нор-
мальных размеров.
На рис. V-3 приведена конструкция секции пластинчатого ко-
лосника, обеспечивающего достаточную жесткость. Он состоит
из стальных полос шириной 50 мм и толщиной 5 мм, собранных
и поставленных на ребро и с двух сторон скрепленных сваркой
планками, изготовленными из таких же полос. Наибольший зазор
в колоснике или диаметр перфораций не должен превышать 3/4
наименьшего размера элемента насадки, чтобы предотвратить его
высыпание.
Эксплуатация насадочных колонн не сложна. В зависимости
от конкретных условий важно поддерживать оптимальные тем-
пературный режим и скорость паров, а также предотвратить за-
коксование насадки, особенно свойственное для слоя насадки не-
посредственно над участком ввода сырья.
При ремонтах закоксованную насадку выгружают из колонны
и заменяют новой. Это довольно трудоемкая операция, поэтому
всегда стремятся как можно дольше сохранить работоспособность
насадки.
ТАРЕЛЬЧАТЫЕ КОЛОННЫ
Принципиальное устройство тарельчатой колонны подсказывает-
ся тем, что в ней процесс ректификации осуществляется путем
многократного ступенчатого контактирования паровой и жкдкой
фаз. Для этой цели она снабжается специальным]! устройства-
ми— тарелками, на которых в основном и происходит мах.'ооб-
мен, если не считать незначительного массообмена в свободном
объеме колонны. Тарелки монтируют горизонтально внутри ко-
лонны.
Простая колонна. Схема работы простой тарельчатой колон-
ны, предназначенной для разделения смеси на две фракции пу-
тем ректификации, приведена на рис. V-4. Сырье предварительно
нагревается до определенной температуры в специальных нагре-
вательных аппаратах и в виде жидкости, паров или смеси паров
и жидкости подается в питательную секцию колонны.
В результате ректификации в колонне получают два пл'щу.к-
та, один из которых в виде, паров, содержащих низкокичящие
компоненты, отводится из колонны сверху, а другой в виде жид-
кости, содержащей в основном высококипящие компоненты, от-
качивается из колонны снизу.
Питательная секция условно делит колонну на две част:! (или
секции): верхнюю — обогащающую, или концентрационную, и
нижнюю — отгонную, или отпаривающую. В концентрационной и
отгонной секциях установлено необходимое число тарелок, на ко-
торых обеспечивается контактирование между восходящими снизу
126
эрами и стекающей сверху жидкостью. Встречное движение
1 -чров и жидкости внутри колонны обеспечивается температурным
.режимом процесса, т. е. поддержанием необходимой температуры
вводимого в колонну сырья, верха и низа колонны.
Поверхности всех работающих ректифика-
ционных тарелок залиты жидкостью, стекаю-
щей вниз по колонне. Это обеспечивается уст-
ройством тарелок, при котором «лишнее» ко-
личество жидкости стекает с них на нижеле-
жащую тарелку.
Жидкость на тарелке (флегма) состоит из
обоих компонентов, на которые необходимо
разделить вводимую в колонну смесь. Коли-
чественное соотношение этих компонентов на
данной тарелке зависит от ее месторасполо-
жения по отношению к питательной секции и
к другим тарелкам. Разделяемые компоненты
обязательно должны иметь разные температу-
ры кипения; чем выше разность указанных
температур, тем проще разделение смеси на
заданные компоненты. Разделяемые компо-
ненты условно называют высококипящим
(тяжелым) и низкокипящим (легким).
Сущность разделения смеси на высококи-
нящий и низкокипящий компоненты в простой
тарельчатой колонне заключается в том, что
в результате массообмена между жидкой и
паровой фазами концентрации низкокипящих
и высококипящих компонентов в этих фазах
по высоте колонны непрерывно изменяются.
Поднимающиеся с низу колонны пары, прохо-
простой тарельчатой рек*
тификационной колонны:
/ — ввод сырья; 5 — вы-
вод паров; 3 — вывод
жидкости; 4 — отвод теп-
ла; Б — подвод тепла.
дя через слой жидкости на тарелке, отдают ей часть тепла. Вслед-
ствие этого температура жидкости повышается, и она частично
испаряется, освобождаясь от низкокипящего компонента, который
присоединяется к восходящей паровой фазе. Одновременно с этим
паровая фаза, смешиваясь с холодной жидкостью на каждой та-
релке и охладившись, частично конденсируется, оставляя в жид-
кости (флегме) высококнпящие компоненты. Это, в свою очередь,
приводит к увеличению концентрации высококипящих компонентов
в жидкой фазе и низкокипящих — в паровой.
Таким образом, в результате теплообмена между паровой фа-
зой и жидкостью на каждой тарелке происходят непрерывное ча-
стичное испарение жидкости и частичная конденсация паров, что
обеспечивает определенное изменение концентрации компонентов
в жидкой и паровой фазах. Пары движутся снизу вверх, и по хо-
ду их на каждой последующей тарелке в них увеличивается кон-
центрация низкокипящих фракций и уменьшается концентрация
высококипящих. Жидкость же при движении сверху вниз на каж-
дой последующей тарелке обогащается высококипящими и обед-
няется низкокипящими компонентами.
Для поддержания процесса ректификации необходимо, чтобы
температура в колонне убывала от тарелки к тарелке в направ-
лении движения паров (т. е. кверху) и возрастала в направле-
нии движения жидкости (т. е. книзу). Для этого на верху колон-
ны устанавливают парциальный конденсатор, который отнимает
тепло паров, конденсирует их часть, обеспечивая тем самым не-
прерывный поток жидкости, перетекающей с тарелки на тарелку.
В настоящее время отвод тепла чаще осущетвляется холодным
острым орошением, при котором часть парового потока, отводи-
мого с верха колонны в качестве готовой продукции (целевой
компонент), после конденсации и охлаждения в специальных кон-
денсаторах-холодильниках возвращается в колонну на верхнюю
тарелку. Острое орошение, во-первых, снижает температуру вер-
ха колонны, вследствие чего конденсируется часть паров, и, во-
вторых, само присоединяется к нисходящему жидкому потоку,
создавая необходимое количество флегмы.
Температуру ь низу колонны поддерживают вводом в нее оп-
ределенного количества тепла. Для этого в отгонной части уста-
навливают специальный кипятильник или чаще всего подают в
нее водяной пар, который одновременно необходим для поддер-
жания наиболее благоприятного режима эксплуатации ректифи-
кационной колонны. Благодаря вводимому теплу из жидкости,
стекающей в отгонную часть колонны, испаряются низкокипящие
компоненты, присоединяющиеся к восходящему паровому потоку.
Число тарелок, т. е. число ступеней контактирования паровой
и жидкой фаз, должно быть таким, чтобы пар на верху колонны
и жидкость внизу достигли заданных концентраций низкокипя-
щих и высококипящих компонентов.
Число тарелок, необходимых для разделения данной смеси,
определяют графически или аналитически. Для графического оп-
ределения необходимо иметь кривую равновесия фаз и кривые
концентраций для верхней и нижней частей колонны. Методика
определения числа идеальных контактов, или числа так называе-
мых теоретических тарелок, дана в литературе по расчету мас-
сообменных процессов. Под теоретической тарелкой понимают
такую, на которой массообменивающиеся фазы приходят к полно-
му равновесию. Это допущение условно. Практически даже на
тарелках самой совершенной конструкции невозможно достиг-
нуть полного равновесия фаз, поэтому число реальных тарелок
всегда больше числа теоретических:
N = -^~ (V.6)
где W — реальное число тарелок в колонне;
Nt — теоретическое число тарелок;
т) — средний к.п.д. тарелок.
Средний к. п. д. тарелок зависит от различных факторов, и
в первую очередь от конструкции тарелки и режима ее работы.
Значение к. п. д. обычно устанавливают на основе эксперимен-
тальных данных, реже — путем приближенных расчетов. Оно ко-
леблется в довольно больших пределах,
например для желобчатых тарелок г\ =
= 0,4—0,7.
Сложная колонна. Колонна (см.
рис. V-4), носящая название простой, по-
зволяет разделить смесь только на две
фракции. В практике нефтепереработки
чаще требуется разделить смесь углеводо-
родов на несколько фракций, отличающих-
ся пределами кипения. Например, в процес-
се перегонки нефти необходимо разделить
углеводороды на фракции бензина, лигрои-
на, керосина, солярового масла и мазута.
Сделать это в одной простой колонне невоз-
можно. Для такого разделения требуется
несколько последовательно работающих
простых тарельчатых колонн. Число их,
очевидно, должно быть на единицу меньше
числа целевых фракций (продуктов), так
как в каждой простой колонне смесь фрак-
ционируется только на два компонента. Та-
кая установка громоздка и неудобна. По-
этому разделение нефтяного сырья на три
фракции и более производится по одноко-
лонной системе, т. е. ректификация проис-
ходит в одной колонне, представляющей со-
бой несколько простых колонн, объединен-
ных в одном корпусе и расположенных
одна над другой. Такие колонны принято
называть сложными.
Рис. V-5. Принципиальная
схема сложной тарельчатой
ректификационной колонны
с выносными отпарными
секциями:
/ —основная колонна; 2 —
колонна с отпарными сек-
циями (стр w пп и нг-колон на Ь
На рис. V-5 показана принципиальная
схема сложной тарельчатой колонны, предназначенной для разде-
ления смеси на четыре компонента. Она состоит из трех последо-
вательно соединенных простых колонн, расположенных одна над
другой (на единицу меньше числа разделяемых компонентов).
Преимущество такой колонны перед тремя отдельно стоящими
простыми колоннами заключается в том, что она занимает втрое
меньшую площадь и острое орошение в нее подается только на
самую верхнюю тарелку, в то время как в каждую простую ко-
лонну подается свое орошение.
Сложная колонна имеет выносные отпарные секции, число ко-
торых также на единицу меньше числа разделяемых компонен-
тов. В большинстве случаев все выносные отпарные секции объе-
динены в одном корпусе и расположены одна над другой в том
9—2KS
12»
же порядке, что и простые колонны. Секции разделены перего-
родками (днищами). Колонны, объединяющие отпарные секции,
на заводах называют стриппинг-колоннами. Они небольшого ди-
аметра и обычно установлены рядом с основной ректификацион-
ной колонной. Каждая секция снабжена несколькими ректифика-
ционными тарелками.
Процесс разделения смеси на фракции в сложной колонне
происходит следующим образом. Смесь, нагретая до нужной тем-
пературы, поступает в питательную часть первой (нижней) про-
стой колонны. Паровой поток смеси, отделившись в первой ко-
лонне от фракции, которая должна отводиться с низа колонны
как самая высококипящая, поднимается в следующую, вторую
колонну. Здесь от смеси в виде остатка отделяется вторая фрак-
ция. Пары, в которых частично содержится и вторая фракция,
поступают в третью колонну, где отделяются в виде остатка
третья фракция и в виде паров с верха колонны — четвертая
фракция.
Парциальный конденсатор (или острое орошение) отнимает
тепло от паров на верху колонны. При этом часть паров конден-
сируется, образуя флегму, которая с верха сложной колонны пе-
ретекает по всем тарелкам третьей (самой верхней) простой ко-
лонны. С нижней тарелки этой колонны часть флегмы отводится
на отпарку в стриппинг-секцию, а оставшееся количество ее пе-
ретекает во вторую колонну и выполняет для нее роль флегмы-
орошения. Аналогичный процесс происходит и во второй ко-
лонне.
Полученные на нижних тарелках каждой простой колонны
фракции содержат некоторое количество пограничных фракций.
Для получения заданной фракции отведенную с отборочных таре-
лок флегму отпаривают в стриппинг-секциях. Отпарку осуществ-
ляют водяным паром, подаваемым в низ каждой секции. Водяной
пар вместе с отпаренными от флегмы парами низкокипящих фрак-
ций возвращается в простую колонну выше участка, откуда была
отобрана флегма. Отпаренная же флегма отводится с низу каж-
дой стриппинг-секции в качестве целевого продукта.
Остаток в нижней части основной колонны отпаривают так же,
как в простых колоннах, т. е. без выносных секций, путем подачи
пара непосредственно в нижнюю часть колонны.
КОРПУС РЕКТИФИКАЦИОННОЙ колонны
На рис. V-6 представлена схема устройства ректификационной
колонны. Колонна состоит из вертикального корпуса с юбкой, ко-
торой она устанавливается на фундамент и закрепляется к нему
фундаментными болтами. Сверху и снизу корпус колонны закрыт
сферическими или эллиптическими днищами. Внутри колонны
смонтированы ректификационные тарелки, улита, отбойник, паро-
вой маточник. Колонна снабжена штуцерами для отвода целевых
паров в конденсатор-холодильник, откачки отпаренного остатка,
130
ввода верхнего острого орошения, ввода
сырья, отвода боковых погонов, возврата
паров из стриппинг-колонны, подачи боко-
вых орошений и др.
Конструктивное исполнение корпусов
колонн зависит от их назначения. По дав-
лению, которому колонны подвержены в
процессе эксплуатации, они подразделяют-
ся на атмосферные, вакуумные и колонны
под давлением. В вакуумных и работающих
под давлением колоннах величина давления
(вакуума) зависит от выбранного техноло-
гического режима. В атмосферных же ко-
лоннах незначительное давление (обычно
не превышающее 0,05 МН/м2) является ре-
зультатом сопротивления движению паров
и жидкости внутри колонны и в коммуни-
кациях после колонны.
По назначению различают ректифика-
ционные колонны атмосферно-вакуумных
установок, установок вторичной перегонки,
термического и каталитического крекинга,
очистки масел и др.
Диаметр колонны D определяют из
уравнения расхода по объему поднимаю-
щихся паров и допустимой их скорости:
где V—максимальный объем паров, поднимающихся
по (рассчитываемому сечению колонны;
— допустимая линейная скорость паров в сво-
бодном сечен пи колонны;
G —максимальный вес паров;
Од — допустимая веоавая скорость потока паров.
Максимальные объем или вес паров на-
ходят из материального баланса колонны.
Для различных сечений колонны объемы
паров неодинаковы, поэтому расчет ведут
по максимальным объемам. Однако в тех
случаях, когда объемы паров для различ-
ных сечений значительно отличаются друг
от друга, для экономного использования ме-
талла, уменьшения веса аппарата и под-
держания рационального режима эксплуа-
тации колонну выполняют с разными диа-
метрами по высоте.
Диаметр колонны тем меньше, чем боль-
ше допустимые скорости паров. Поэтому вы-
бор скоростей — весьма ответственный этап
Рис. V-6. Устройство тарель-
чатой ректификационной ко-
лонны:
1 — штуцер вывода ларов но
шлемовым трубам; 2 — шту-
цер верхнего орошения; 3 —
люки; 4 — штуцера отбора
боковых погонов; 5 — отбой-
ники; 6 — гидравлический
затвор; 7 — штуцера ввода
сырья; 8 — улита; 9 — та-
релка; 10 — корпус; И —
трубчатый маточник для
подачи водяного пара; 12 —
опора; 13 — штуцер для вы-
вода нижнего остатка.
9'
131
расчета колонны. Следует иметь в виду, что увеличение скоростей
в конечном счете вызывает необходимость неоправданного увели-
чения числа тарелок.
Допустимые скорости движения паров определяют по уравне-
ниям и графикам. Значения их зависят от различных факторов,
в том числе от конструкции тарелок, расстояния между ними,
плотностей жидкой и паровой фаз в рассматриваемом сечении,
поверхностного натяжения и т. д. Подробные сведения и методи-
ки определения допустимых скоростей даны в специальной лите-
ратуре по технологическому расчету аппаратов. Например, для
колонн с колпачковыми тарелками (при расстоянии между ними
0,7—0,8 м) допустимую линейную скорость определяют по фор-
муле
ид = 0,051 ~|Л -РЖр^°~ (V-8)
где рн; и рп—плотности соответственно жидкости и пара в рассматриваемом
сечении колонны.
При скоростях, существенно превышающих найденную по
формуле (V.8), может наступить унос потоком пара капелек жид-
кости с данной тарелки на вышележащую. На практике условия
эксплуатации принято считать нормальными, если скорости па-
ров находятся в пределах 0,5—1,2 м/с в атмосферных колоннах
и 1,5—3,5 м/с — в вакуумных колоннах.
Для колонн с ситчатыми или решетчатыми тарелками про-
вального типа диаметр определяют из условия, чтобы скорости
паров в колонне находились в пределах между минимальной и
максимальной допустимыми скоростями, при которых обеспечи-
вается необходимый слой жидкости на поверхности тарелки и
в то же время не происходит захлебывания. Полученный расчетом
диаметр округляют до ближайшего большего диаметра, преду-
смотренного действующими нормалями.
В процессе эксплуатации обычно приходится выполнять про-
верочный расчет для данного режима работы колонны. Для это-
го при известном диаметре колонны определяют фактическую ли-
нейную скорость паров в ней и сравнивают ее с допустимой‘ ско-
ростью.
Высоту колонны находят по числу реальных тарелок и при-
нятому между ними расстоянию, а также по высоте участков, ко-
торые приходятся на долю питательной секции и свободных объе-
мов между днищами и первой и последней тарелками. Размеры
этих участков принимают в зависимости от конструкции внутрен-
них устройств, возможности их монтажа и ремонта, а также не-
обходимости отбора некоторого количества жидкого остатка вни-
зу колонны:
Н == NlT -f- hy -|- Д (V.9)
где И — общая высота колонны (без юбки);
/т — расстояние между соседними тарелками (обычно постоянное для одной
секции);
hi — расстояние от верхнего днища до самой верхней тарелки;
ht — расстояние от нижнего днища до самой нижней тарелки;
hi — высота питательной секции.
Колонны выполняют как одно целое с юбкой. Высота юбки
обеспечивает необходимый подпор жидкого остатка в колонне на
прием насоса, откачивающего его. Из этих соображений юбки
вакуумных колонн выполняют высотой до 10 м. В остальных слу-
чаях высота юбки должна обеспечить свободный доступ обслужи-
вающего персонала к разъемным соединениям под днищем ко-
лонны для осмотра и ремонта.
Колонны работают при высоких температурах, среда в них
огне- и взрывоопасная, иногда вызывающая интенсивную корро-
зию и эрозию. Поэтому корпуса ректификационных колонн от-
носятся к весьма ответственным конструкциям. Их рассчитывают
на совместное действие давления (внутреннего или внешнего) и
собственного веса со всеми внутренними устройствами и жидко-
стью. Ректификационные колонны имеют довольно большую вы-
соту, поэтому необходимо проверять их на ветровую и сейсмиче-
скую нагрузку.
В процессе эксплуатации при ремонтах систематически прове-
ряют и замеряют фактическую толщину стенки корпуса и днищ.
При заметном изменении размеров корпуса по отношению к про-
ектным производят поверочный расчет, чтобы установить возмож-
ность дальнейшей эксплуатации колонны. Результаты замеров и
поверочный расчет оформляют документально.
Колонны, работающие под давлением, превышающим
0,07 МН/м2, подведомственны инспекции Госгортехнадзора и под-
лежат специальному освидетельствованию и периодическому
осмотру согласно существующим инструкциям.
Правила Госгортехнадзора требуют установки на всех аппа-
ратах, работающих под давлением, не менее одного предохрани-
тельного клапана. Колонны для сжиженных газов снабжаются
двумя клапанами — контрольным и рабочим.
Предохранительные клапаны для колонн выбирают по расчет-
ному давлению, а устанавливают (регулируют) по рабочему дав-
лению. Пропускная способность клапана или группы клапанов
должна быть такой, чтобы давление в колонне не превышало ука-
занного ниже:
при рабочем давлении до 0,3 МН/м2 — на 0,05 МН/м2;
при давлении от 0,3 до 0,6 МН/м2 — на 15%;
при давлениях выше 6,0 МН/м2 — на 10%.
Сброс клапана должен быть загерметизирован. Емкость для
сброса не должна быть под избыточным давлением.
Клапаны регулируют так, чтобы они открывались до созда-
ния в корпусе аппарата максимально допустимого давления. Дав-
ление, при котором клапаны должны открываться, устанавли-
вается в соответствии с режимом работы, оговоренным в техно-
логическом регламенте или технологической карте данной уста-
новки. В общем случае регулировочные давления для предохра-
нительных клапанов, устанавливаемых на колоннах, можно
определить по следующей таблице:
Рабочее давление в колонне Р^, МН/м*-* Клапаны
контрольный рабочий
До 0,7 Рр + 0,02 Рр + 0,02
0,7—1,3 Рр + 0,02 РР+0,03
Свыше 1,3 1,05 Рр 1,08 Рр
КОЛПАЧКОВЫЕ РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ ТАРЕЛКИ
К колпачковым относятся ректификационные тарелки с круглыми
колпачками, с желобчатыми и из S-образных элементов.
Колпачковые тарелки, как и все другие ректификационные
тарелки, предназначены для создания возможно лучшего кон-
такта между парами и жидкостью и поэтому должны иметь раз-
витую поверхность контакта. Однако при этом следует избегать
Рис. V-7. Схема работы колпачковой тарелки:
/ — стакан; 2 — колпачок; <3 — диск тарелки; 4 —сливная труба; 5 — сливная перегородка.
создания больших гидравлических сопротивлений поднимающим-
ся по колонне парам. В настоящее время находятся в эксплуата-
ции тарелки различных конструкций, отличающиеся устройством
и принципом работы. Принцип работы тарелки характеризуется
способом контакта паров с жидкостью и движением жидкости как
по поверхности тарелки, так и от тарелки к тарелке вниз по ко-
лонне.
Принцип работы. Работу колпачковой тарелки легко просле-
дить по схеме тарелки с круглыми колпачками, приведенной на
рис. V-7. Поток паров через патрубки 1, называемые стаканами,
134
попадает под круглые колпачки 2, установленные над ними. Ста-
каны вварены или ввальцованы в отверстия чугунного или сталь-
ного диска 3 тарелки. Нижняя часть колпачка имеет по всей ок-
ружности щели (прорези), погруженные в жидкость, находящую-
ся на тарелке. Через эти прорези пары из-под колпачка попадают
в жидкость, что обеспечивает контакт между фазами.
На каждую тарелку жидкость поступает с вышележащей та-
релки через сливные устройства в виде труб 4 или плоских пе-
регородок 5. С помощью выступающих над тарелками частей
этих труб и перегородок (которые в большинстве случаев можно
регулировать по высоте) поддерживается необходимый уровень
жидкости на каждой тарелке.
Нижние концы сливных труб и перегородок должны быть по-
гружены в жидкость на нижележащей тарелке. Благодаря обра-
зующемуся при этом гидравлическому затвору предотвращается
свободное восхождение паров через сливы. Величина /г3 должна
быть больше 30 мм.
При установившейся работе колонны уровень жидкости на
поверхности тарелки всегда выше, чем на участках под колпач-
ком, причем величина Ай зависит от перепада давления потока
паров. Уровень жидкости в сливных устройствах выше уровня на
тарелке, так как они связаны с нижележащей тарелкой, где дав-
ление паров больше. На рис. V-7 этот перепад уровней обозна-
чен A/i[.
Высоту выступающей над тарелкой части сливной трубы или
перегородки /Сл выбирают таким образом, чтобы в рабочих усло-
виях прорези колпачков были полностью погружены в жидкость
на поверхности тарелки. При этом учитывается высота подпора
при сливе жидкости 1гсл.
Колпачки устанавливают по высоте так, чтобы верхний край
их прорезей был погружен в жидкость на 20—50 мм, в зависи-
мости от режима работы. Установку колпачка увязывают с со-
ответствующей регулировкой по высоте сливных труб или планок
сливных перегородок. Чем больше давление в колонне, тем
больше 1г. Наименьшее значение h принимают для вакуумных ко-
лонн.
Стакан должен выступать над уровнем жидкости на тарелке
на 10—25 мм.
Тарелки из S-образных элементов. На тарелках этого типа
желоба и колпачки образуются при сборке S-образных элемен-
тов с одинаковым поперечным сечением.
Сборку производят таким образом, чтобы колпачковая часть
элемента покрывала желобчатую часть соседнего, образуя замок
для гидравлического затвора при работе тарелки.
S-образные элементы (рис. V-8) изготовляют штамповкой или
прокаткой. Колпачковая часть элемента по концам закрыта за-
глушками, которые в процессе сборки плотно сопрягаются с
опорным кольцом и предотвращают проскок через торцы паров
и жидкости. В паровых заглушках имеются щели, с помощью ко-
торых заглушки надевают на вертикальную образующую желоб-
чатой части соседнего элемента. Для придания элементу допол-
нительной жесткости в его желобчатую часть вваривают ребра
150
Рис. V-8. S-образный элемент тарелки.
жесткости, в щели которых входит колпачковая часть. Последняя
снабжена трапециевидными прорезями для увеличения поверхно-
ети контактирования.
Общий вид тарелки представлен на рис. V-9. Тарелка состо-
ит из неразъемной и разъемной частей. Неразъемную часть, со-
стоящую из опорных полос, карманов, различного рода усили-
Рис. V-9. Конструкция S-образной тарелки:
/—корпус колонны; 2 — сливная перегородка; 3— S-образный элемент; 4—карман; 5 —
плгнки жесткости под карманом; 6 — гюлуэлсмент колпачковый; 7 — опорная полоса для
сборки S-образиых элементов; 8 — крепежный болт; 9 — полуэлемент желобчатый.
тельных планок и косынок, разгрузочных балок (для колонн боль-
шого диаметра), приваривают к внутренней стенке корпуса ко-
лонны; разъемные детали соединяют на болтах.
На рис. V-10 показано крепление S-образного элемента к
опорной полосе струбцинами-скобками. Опорные полосы шириной
60—100 мм изготовляют из листовой стали толщиной 10 мм. На
эти полосы устанавливают S-образный элемент. Длина элемента
должна быть такой, чтобы между его торцами и стенкой колон-
ны оставался зазор около 25 мм.
К струбцине-скобе приварена шпилька, которую заводят в
1»»
Рис. V-Ю. Крепление S-образного эле-
мента на тарелке:
1 — корпус колонны; 2 — опорная по-
лоса; 3 — гайка; 4— прокладка; 5~
скоба со шпилькой', б—прямоуголь-
ная шайба; 7 — S-образный элемент.
продолговатую прорезь S-образного элемента и затягивают гай-
кой. Надежное крепление элемента обеспечивается тем, что рож-
ки скобы по высоте отличаются на толщину опорной полосы.
Для герметичности соединения между сопрягаемыми поверхно-
стями элемента и полосы, а также под прямоугольной шайбой,
закрывающей щель па желобчатой части элемента (служащую для
прохода шпильки струбцины), ста-
вят прокладку из паронита или ас-
бестового шнура. Порядок сборки
тарелки должен быть таким, чтобы
колпачковые части S-образных эле-
ментов были обращены в сторону
слива жидкости с данной тарелки.
Сборку начинают с установки на
опорных полосах первого элемента,
состоящего только из желобчатой
части. К этому элементу по всей дли-
не болтами прикрепляют сливную
перегородку из листовой стали.
Затем собирают поочередно все эле-
менты. Последним устанавливают
полуэлемент, состоящий только из
колпачковой части, который крепят
болтами к вертикальной стенке кар-
мана пли к уголку плоского сегмента.
Жидкость по тарелке движется
под напором пара, выходящего из прорезей колпачковых частей, на-
правленных в одну сторону. Взаимное движение паров и жидкостей
по тарелке обеспечивает ее устойчивую работу при различных на-
грузках и повышенную производительность по сравнению с други-
ми колпачковыми тарелками. В то же время потери напора на тарел-
ках из S-образных элементов значительны, поэтому применение их в
вакуумных колоннах нецелесообразно.
Отбор жидкости в колонне (для отпарки в стриппинг-колонне
или для циркуляционного орошения) осуществляется из карманов.
Глубина кармана зависит от количества отбираемой жидкости.
Учитывая повышенную (по сравнению с другими деталями)
изнашиваемость S-образных элементов, их изготовляют обычно из
стали 0X13 (ЭИ-496) или 1Х18Н9Т. Крепежные детали (струбци-
ны, шпильки, гайки) выполняют из стали 2X13, опорные поло-
сы — из стали 1Х18Н9Т.
Тарелки с желобчатыми колпачками. Схема тарелки с желоб-
чатыми колпачками приведена на рис. V-11. В поперечное сече-
ние колонны вписан прямоугольник или квадрат, который отделя-
ет от него четыре сегмента: два глухих, один — карман данной
тарелки и один — сливное устройство. К глухим сегментам 2 с
отбортовкой вниз приварены полужелоба 3, которые одновремен-
но сидят на опорных уголках 6, также приваренных торцами
к глухим сегментам. Каждый опорный уголок по всей длине при-
варен к вертикальной стенке кармана 13 или к сливной перего-
родке 14. Для прочного соединения их используют уголки 7, 8,
12. Опорные уголки снабжены специальными полукруглыми вы-
Рис. V-1L Желобчатая тарелка:
1— корпус колонны; 2— глухие сегменты; 3 — полужелоба; 4— желоб; 5 — прямоугольная
шайба; 6— опорный уголок; 7, 8, 12 — уголки; 9 — болт для крепления сливной планки;
10 — гайка для крепления желоба; // — гайка; 13 — карманы; /4—-сливная перегородка;
15 — сливная планка; 16 — сливная перегородка; 17 — шпилька для крепления колпачка;
18 — шпилька для крепления желоба; 19— колпачок.
точками, на которые устанавливают концы желобов 4. Для обес-
печения герметичности в пазы этих выточек помещают прокладку
из асбестового шнура.
Каждую пару желобов или желоб с полужелобом плотно са-
жают в гнезда и удерживают в них шпилькой 18, приваренной
к серединам вершин опорного уголка, прямоугольной шайбой 5
и гайкой 10. Шпильки 17 устанавливают на горизонтальной полке
опорного уголка с помощью двух гаек 11. Колпачок 19 монтиру-
ют на нужной высоте и закрепляют двумя такими же гайками.
Высоту можно менять, регулируя положение нижней гайки.
Желоба и колпачки изготовляют штамповкой. Колпачки
снабжены трапециевидными вырезами по нижним кромкам для
увеличения поверхности контакта паров и жидкости. Торцы их
закрыты заглушками, благодаря чему поднимающиеся снизу па-
ры могут проходить только через трапециевидные вырезы кол-
пачков.
Уровень жидкости на тарелках устанавливается регулируемой
по высоте сливной планкой 15, прикрепленной болтами к сливной
перегородке 14. Для этого сливная планка снабжена продолго-
ватыми вырезами, в пределах которых она может перемещаться
138
по высоте относительно осей болтов 9. Жидкость поступает на
тарелку через треугольные вырезы верхней кромки кармана 13.
Благодаря этим вырезам жидкость распределяется по всем же-
лобам данной тарелки равно-
мерно, с одинаковой интенсив-
ностью.
Для колонн больших диа-
метров тарелки выполняют
двухсливными или многослив-
ными. Это уменьшает путь
движения жидкости по тарел-
ке. На рис. V-12 приведена
схема движения жидкости по
двухсливным тарелкам. На-
правления потоков жидкости
на одной тарелке сходятся к
центральному сливу, на после-
дующей расходятся от цент-
рального кармана.
Основной эксплуатационный
заключается в малой площади
Рис. V-12. Схема двухсливных тарелок и дви-
жения жидкости по ним:
/—карман боковой; 2 — карман центральный;
3 — сливная перегородка боковая; 4—сливная
перегородка центральная.
недостаток желобчатых тарелок
барботажа и в неполном исполь-
зовании площади поперечного сечения колонны для создания зер-
кала барботажа.
Колпачки тарелки регулируют по высоте с учетом нагрузки
колонны по жидкости, чтобы не допустить чрезмерных гидравли-
ческих сопротивлений. Регулировку производят с помощью га-
ек 11. перемещая их по шпильке 17. Шпильки рекомендуется изго-
товлять из стали 2X13, чтобы сохранить ее резьбу продолжитель-
ное время.
Тарелки с круглыми колпачками. Известны неразборные
(сварные) и разборные (составные) конструкции тарелок с
круглыми колпачками. Они представляют собой диски, в которых
установлены сквозные стаканы (ниппели), выступающие над их
поверхностью. Каждый стакан накрыт колпачком так, чтобы обес-
печить свободное прохождение паров.
Конструкция сварных тарелок проста: диск, изготовленный из
листовой стали, приваривается непосредственно к корпусу колон-
ны или опорным уголкам. Секции разборной тарелки, ширина ко-
торых не более 400 мм (для затаскивания их через стандартный
люк), внутри колонны соединяются болтами и прикрепляются к
опорным полкам, приваренным к корпусу колонны. Для колонн
больших диаметров секции укладывают на специальную решетча-
тую металлоконструкцию. Плотность соединений между секциями
обеспечивается прокладкой (обычно из асбестового шнура).
Кроме стаканов диски тарелок снабжены сливными трубами
для стока флегмы на нижележащую тарелку. Сливные трубы и
стаканы-ниппели крепят в гнездах диска тарелки сваркой либо
развальцовкой.
Колпачки устанавливают над ниппелями индивидуально или
гирляндами по нескольку колпачков вместе (рис. V-13). При ин-
дивидуальном креплении применяют траверсы и болты, фиксирую-
щие колпачок к ниппелю, или приваренные на планках к ниппелю
шпильки, на которых посредством гаек крепят колпачки. При груп-
повой, гирляндной установке колпачки болтами прикрепляют к
Рис. V-1.3. Индивидуальная и гирляндная установка колпачков:
а, б — индивидуальные крепления; в — крепление групповое (гирляндой); / — стакан; 2 —
колпачок; 3 — диск тарелки; 4 — струбцина; 5, 8 — планки; 6 — болт; 7 — шпилька; 5 —
штырь; 10 — несущий уголок.
уголку, который, в свою очередь, крепят к корпусу колонны на
опорных уголках или штырях. Конструкция крепления колпачков
должна позволять регулирование высоты расположения их над
плоскостью тарелки.
Тарелки с круглыми колпачками в эксплуатационном отноше-
нии отличаются от других колпачковых тарелок наибольшей уни-
версальностью; они работают в широких диапазонах нагрузок,
что отвечает требованиям гибкого ведения технологического про-
цесса. Однако конструкция их сложна и громоздка, ревизия и ре-
монт требуют значительного времени и высокой квалификации
персонала. Поэтому такие тарелки на новых колоннах встречают-
ся редко. Для ремонта каждой тарелки на корпусе колонны дол-
жен быть предусмотрен свой люк.
БЕСКОЛПАЧКОВЫЕ РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ ТАРЕЛКИ
Принцип работы. Конструктивно бесколпачковые тарелки пред-
ставляют собой ситчатые или решетчатые диски. Они могут быть
со сливными устройствами и без них.
Схема ситчатой тарелки со сливными устройствами показана
на рис. V-14. Поток паров, движущихся снизу, пройдя через мно-
жество отверстий на тарелке, делится на мелкие струйки. Напо-
ром этих струек на тарелке поддерживается слой флегмы, через
который барботируют пары. Высота слоя тем больше, чем боль-
ше напор паров. Сливные устройства регулируют так, чтобы не
допустить поднятия уровня жидкости на тарелке выше расчет-
ного (обычно 30—100 мм).
На рис. V-15 приведена схема бесколпачковой тарелки без
специальных сливных устройств, называемой тарелкой провально-
го типа. Слив флегмы на нижележащую тарелку, как и подъем
паров из пространства под тарелкой, осуществляется через отвер-
стия тарелки. Тарелки этого типа могут работать нормально
лишь в узких диапазонах нагрузок по парам и жидкостям. При
напоре паров выше нормального
слив флегмы через отверстия тарел-
ки нарушится, а при малом напоре
не будет обеспечен нужный уровень
флегмы на тарелке.
На бесколпачковых тарелках со
сливными устройствами при малом
скоростном напоре паров также не
поддерживается соответствующий
слой жидкости. В таких случаях
жидкость проваливается не через
сливные устройства, а через те от-
верстия, через которые проходит
пар (как и в тарелках провального
типа).
Конструкция. По конструкции
бесколпачковые тарелки отличаются
друг от друга наличием сливных
устройств или отсутствием их. Ос-
тальные элементы тарелок (в част-
Рис. V-14. Схема работы ситчатой
тарелки со сливными устройствами:
/ — корпус колонны; 2 — сливная
труба; 3 — ситчатая тарелка.
ности, те, которые составляют зер-
кало тарелки) могут быть одинаковы-
ми (например, решетчатые, ситчатые
и др.).
На рис. V-16 приведена из сек-
ций решетчатой тарелки. Она пред-
ставляет собой лист толщиной 2—3 мм
с просеченными в них щелями шири-
ной по 4 мм. Шаг щелей выбирают из
условия свободного прохождения па-
ров и прочности листа.
Секции тарелок устанавливают на
металлический каркас, приваренный
к корпусу колонны, и крепят к нему
болтами. Плотность соединений обес-
печивается установкой прокладок.
К монтажу бесколпачковых таре-
лок предъявляют требования точности
сборки. Отклонение положения тарел-
ки от горизонтального не должно пре-
вышать '/юоо диаметра, т. е. не более
Змм для колонны диаметром 3000 мм.
На рис. V-17 показана конструкция
Рис. V-15. Схема работы решетча-
тых тарелок без сливных устройств.
нормализованной решет-
чатой тарелки с карманом и без него. Длина прорезей секций
OSh
тарелки 60—145 мм. Для удобства сборки и разборки к каждой
секции приварена одна или две скобы.
Суммарная площадь прорезей на тарелке составляет 10—25%
от общей площади поперечного сечения колонны. Для выравнива-
колонне тарелки располагают так,
чтобы прорези (щели) у сосед-
них тарелок были взаимно пер-
пендикулярны.
Недостатками колонн с ре-
шетчатыми тарелками являются
узкий" диа пазон изменения нагру
зок по пару и жидкости, а также
забивание щелей коксом, механи-
ческими примесями и продуктами
коррозии.
На практике встречаются
ситчатые тарелки, изготовленные
из просечно-вытяжных стальных
листов. Просечки выполняют на
специальных прессах так, чтобы прорези имели наклон к поверх-
ности листа, равный примерно 30°. Такие тарелки иногда снабжа-
ют отбойными элементами, также изготовленными из просечно-
Рис. V-17. Решетчатая тарелка:
а — с отборочным карманом; б—без, отборочного кармана; / — корпус колонны; 2—ре-
шетчатая секция; 3 — каркас; 4 — скобы; 5 — отборочный карман.
вытяжных листов. Их устанавливают над тарелкой под углом око-
ло 60° к ее поверхности. На рис. V-18 показана секция ситча-
той тарелки с отбойниками, изготов-
ленная из просечно-вытяжных лис-
тов. Конструкция крепления отбой-
ников к секции тарелки позволяет
легко производить их замену и ре-
гулировку положения. Тарелка ра-
ботает нормально, когда весь паро-
вой поток над ней встречается с от-
бойными элементами.
Контакт паровой фазы и флегмы
на ситчатых тарелках происходит в
диспергированном слое, который
достигает отбойников. Отбойники
отделяют капли жидкости от паров
релку.
Phc.V-18. Секция ситчатой тарелки с
отбойниками.
и снова возвращают на та-
КЛАПАННЫЕ ТАРЕЛКИ
Получающие распространение клапанные тарелки представляют
собой цельные или собранные из нескольких секций диски, в ко-
торых имеются продолговатые щели либо круглые отверстия.
Щели прикрываются пластинчатыми (рис. V-19, б), а отверстия—
круглыми (рис. V-19, а) клапанами. Клапаны установлены сво-
бодно и удерживаются скобами, приваренными к поверхности
тарелки.
Рис. V-19. Устройство и работа клапанов клапанной тарелки:
a — круглый клапан; б — пластинчатый клапан; о — клапан с упорными рожками разной
длины; / — диск тарелки; 2— клапан; J—упор-ограничитель подъема.
В зависимости от напора паров клапаны приподнимаются на
различную высоту в пределах, определяемых высотой удерживаю-
щих скоб. На некоторых тарелках колпачки не накрываются
удерживающими скобами, а снабжаются рожками, которые при
подъеме клапана упираются в нижнюю поверхность тарелки
(рис. V-19, в).
В отличие от тарелок, работающих в статическом режиме, т. е.
при неизменном расстоянии между конструктивными элемента-
ми (например, между желобом и колпачком), клапанные тарел-
ки работают в динамическом режиме. В зависимости от напора
восходящих по колонне паров клапаны поднимаются на соот-
ветствующую величину (обычно на 4—10 мм), регулируя тем са-
мым площадь свободного сечения тарелки. Это позволяет под-
держивать скорость паров примерно постоянной при изменении
общей нагрузки на колонну, т. е. осуществлять наилучший режим
ректификации.
Конструкция удерживающих скоб и клапанов такова, что обес-
печивается их подъем с наклоном к поверхности тарелок и, сле-
довательно, лучший барботаж паров через флегму на тарелке.
Для большего повышения эффективности массообмена клапаны
можно снабжать тангенциально расположенными щелями; выхо-
дящие через них пары будут вращать клапан.
Важным эксплуатационным показателем клапанных тарелок
является вес каждого клапана, который подбирают таким обра-
зом, чтобы при возможных колебаниях нагрузок клапан работал
в заданном диапазоне подъема. В тех случаях, когда возможны
очень большие изменения нагрузок, тарелки снабжают одновре-
менно клапанами различного веса. В таких тарелках при малых
нагрузках открываются легкие клапаны, а затем, по мере нара-
стания нагрузок, — более тяжелые.
Перелив флегмы с тарелки на тарелку происходит через слив-
ные устройства, конструкция которых принципиально не отли-
чается от обычно принятых.
Общий недостаток всех клапанных тарелок — возможность
засорения или закоксовывания клапанов, в результате чего они
«прихватываются» и не работают в динамическом режиме.
МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛОК
Схема и содержание механического расчета тарелки устанав-
ливаются в зависимости от ее конструкции и диаметра колонны.
Конструктивные размеры тарелок малых диаметров (менее 1 м)
назначают без механического расчета, исходя только из корро-
зионного и эрозионного износа.
Расчету подлежат опорный каркас и диск тарелки, желоба
и колпачки (для желобчатых и S-образных тарелок), колосни-
ковые решетки (для насадочных колонн), а также опорные угол-
ки и другие элементы, привариваемые к корпусу колонны.
Тарелки, состоящие из перфорированного диска (тарелки с
круглыми колпачками, клапанные, провальные) без специально-
го опорного каркаса, привариваемые к корпусу колонны или
устанавливаемые на опорное кольцо, приваренное к колонне, при
расчете рассматриваются как тонкие круглые пластинки, опер-
тые по контуру и нагруженные равномерной нагрузкой от собст-
венного веса и веса флегмы на тарелке. Разность давлений под
и над тарелкой при расчете не учитывается ввиду ее малости.
Расчет диска рассмотрим на примере тарелки с круглыми
колпачками для колонны диаметром £> = 3 м. Нагрузку на тарел-
ку примем равномерно распределенной.
Определим сначала вес самой тарелки. Площадь тарелки
„ лЗа 2
Д = —4— =7,57 №
Отверстия для закрепления ниппелей составляют примерно
15—20% площади диска тарелки. Примем суммарную площадь
всех отверстий
/у =0,18Д = 0,18-7,57 = 1,36 м2
Вес диска тарелки Од=(/?—F^s^y, где вл — толщина диска
тарелки, принимаемая в первом приближении равной 0,01 —
0,015 м; примем хд = 0,012 м. Удельный вес стали у = 0,078 МН/м3.
Тогда
Ga = (7,57 — 1,36)0,012-0,078 =0,00571 МН
Вес одного ниппеля, обычно изготавливаемого из труб 76x3,
высотой 0,09 м равен примерно 5-10~б МН; вес одного штампо-
ванного колпачка с крепежными деталями примем равным
12- 10~в МН. Вес ниппеля и колпачка
GK = 5- 10-е + 1,2- 10-е = 17.10-е МН
Число колпачков n=Ftf, где / — площадь отверстия под нип-
пель:
1,36
л= 0,00384 == 354
Вес тарелки
GT = бд + nGK = 0,00571 +354-17-10-6=0,0117 МН
Зададимся слоем жидкости (воды) на тарелке 80 мм. Тогда вес
ее
GB = 0,01-0,08 (A — п[) =0,0008(7,57 - 354-0,00384) =0,005 МН
Таким образом, общая нагрузка, на которую рассчитывают
тарелку
G = Gr + Ga = 0,0117 + 0,005 = 0,0167 МН
10-2255
145
Толщину диска тарелки определяем из расчета на прочность
по формуле
(V.10>
г 16 <Тдоп
где D — диаметр диска;
р—равномерно распределенная нагрузка на диск;
Одоп — допустимое напряжение на изгиб; принимаем оДоп=120 МН/м2;
С — прибавка на коррозию, примем £=0,002 м.
4G 4-0,0167 .
р~ nD2 = лЗ2 — 0,00239 МН/м
Тогда
5-0,00239
s =3 у —16-120 ' + °,002 =0,01 м
Если бы расчетная толщина оказалась больше той, которой
мы задавались, расчет следовало бы повторить.
Для нормальной работы тарелки необходимо, чтобы прогиб
ее диска не превышал ]/2ооо от диаметра. Максимальный прогиб
в центре тарелки определяют по формуле
0,043р£>*
У = ~Е (s — С)
(V.11)
где Е— моцулъ упругости; £=2,2-10s МН/м2
0,043-0,00239-3* в
У = 2,2-105 (0,01 —0,002) = 4,7‘)0 ’ м
У
D
4,7-10-°
3
= 1,56-10-°
т. е. прогиб значительно меньше допустимого. Если при расчете
прогиб получается больше допустимого, тарелку пересчитывают
на бо^шую толщину диска либо под тарелкой устанавливают
каркас’из двутаврового профиля, швеллеров или уголков, обеспе-
чивающий достаточную жесткость. Каркас устанавливают также
под колосниковыми тарелками насадочных колонн.
На рис. V-20 показана схема каркаса из трех балок, из кото-
рых одна (ab) центральная. К каркасу относится также опорный
уголок. Балки условно делят площадь тарелки на секции, пло-
щади которых Ft—F6.
Принимаем нагрузку р от тарелок и собственного веса карка-
са равномерно распределенной; тогда нагрузки на соответствую-
щие площади будут равны
Gx = pF,
Ga = pF2
G3 ~ pF3
и т. д.
Нагрузки на балки и опорные уголки, ограничивающие соот-
ветствующие площади, также считаем равномерно распределен-
ными, Определим удельные нагрузки
?1 = —2i__
lac + lam 1ст
G2
^ст + ?тп ^еп
hn~\~hb~\- ^nb
И Т. Д.
где I с индексом — длина участка балок, относящаяся к данной площади.
Рис. V-20. Схема расчета каркаса тарелки:
/ — корпус колонны; 2 — центральная бал-
ка; 3 — спорный уголок; 4 — несущая
балка.
Каждый участок балки граничит с двумя площадями, поэто-
му определяем общую нагрузку на эти участки:
Яат = ?1 + ?в
Яап = ?1 + ?2
Ятп = <72 + <7s
и т. д.
Для тарелок больших диаметров при расчете центральной бал-
ки ab, кроме равномерно распределенной нагрузки, учитывают
силы Qm и Qn, сосредоточенные в местах крепления вспомога-
тельных балок в точках т и п:
Qm — ~2~ 4" ^ст ~2~
Qn = (Va 4- Яз) 1аг +
10*
147
Расчетная схема центральной балки представлена на рис.
V-21. Балку рассчитывают из условий прочного сопротивления по-
перечному изгибу и допустимой стрелы прогиба. Для централь-
ной балки изгибающий момент
^тах — ? 2 ? 1 2 \ 1 4 )
Если принять q' = q" = q, то расчетные формулы упростятся,
а точность расчета практически будет приемлема. Для этого слу-
чая максимальный изгибающий момент
<?/2
Мщах ‘ g Ро
Максимальная стрела прогиба
Г 5 р/. „11
Ртах = [-384- <ЗР - 4/1) \ЁГ
Остальные балки рассчитывают как равномерно нагруженные,
для которых
ql2 5 pH
^тах ~ g Ртах= 384 ‘ £7 (^.12}
Максимальный прогиб балок не должен превышать 3 мм. При
расчете учитывают прибавку на коррозию, которой подвержены
все поверхности балки.
УЛИТЫ И ОТБОЙНЫЕ УСТРОЙСТВА КОЛОНН
На входе в колонну парожидкостная струя сырья имеет очень
большие скорости. Для защиты корпуса аппарата от эрозионно-
го действия струи сырье поступает в полость специального уст-
ройства— улиты, которая снабжена отбойным листом, принимаю-
щим удар струи. Форма улиты должна быть такой, чтобы обес-
печить равномерное распределение паров по всему сечению
колонны. Улиты крепятся к корпусу колонны на болтах. На рис.
V-22 показаны две конструкции улит.
Штуцера ввода сырья в колонну быстро изнашиваются, по-
этому их защищают гильзой, смена которой при ремонте не пред-
ставляет трудностей.
Для разделения жидкости, диспергированной в потоке паров
и движущейся вместе с ними вверх, в ректификационных колон-
нах устанавливают отбойные устройства. Эти устройства обычно
располагают в эвапорационной части колонн (над вводом сырья)
на некотором расстоянии от улит. Иногда отбойники устанавли-
вают и над самой верхней тарелкой для сепарации жидкости от
паров и газов, отводимых по шлемовым трубам в конденсаторы-
холодильники.
Эффективная работа отбойников обеспечивает получение вы-
сококачественного дистиллята, отбираемого с нижних тарелок
концентрационной части колонн, и предотвращает забрызгивание
его тяжелой жидкостью, содержащей нежелательные компоненты.
Рис. V-22. Улиты эвапорацнонных секций ректификационных колонн:
а — при вводе сырья одним потоком; б — при вводе сырья двумя потоками; 1 — корпус ко-
лонны; 2—балки крепления; 3 — улиты; 4 — штуцер колонны; 5 — защитная гильза.
Принцип работы отбойных устройств следующий. Поток пара
вместе с диспергированной в нем жидкостью, встретив на пути
элемент отбойника (пластину, уголок, проволоку и т. д.), теряет
часть кинетической энергии. В результате из потока на поверх-
ностях отбойного элемента выделяются капли жидкости, которые
затем коагулируют (укрупняются) и стекают с них вниз. Капли
жидкости, находящиеся в потоке паров, не встречавшемся с по-
верхностями отбойного элемента, а также капли, частично уноси-
мые потоком паров, обтекающим эти поверхности, встречают на
пути второй ярус отбойных элементов, обычно расположенных в
створе между элементами первого яруса. Число таких ярусов
(слоев) отбойных элементов зависит от скорости паров в колон-
не и количества жидкости в них, типа технологического процес-
са (первичная перегонка, вакуумная перегонка и т. д.), а также
от площади свободного сечения всех отбойных секций.
Наиболее распространены пластинчатые и уголковые отбойни-
ки. Их собирают из отдельных секций, поперечные размеры ко-
торых позволяют протащить их внутрь колонны через люк.
Секция пластинчатых отбойников (рис. V-23, а) состоит из
стальных полос толщиной 2—3 мм и шириной 30—50 мм, прива-
ренных к прямоугольным опорным листам, изготовленным из ли-
стовой стали толщиной 4—5 мм. Полосы-пластины располагают в
шахматном порядке таким образом, чтобы каждая из них пере-
крывала свободное сечение между двумя полосами в вышележа-
щем и нижележащем рядах секции отбойника. Расстояние между
соседними рядами 30—80 мм.
В уголковом отбойнике, секция которого показана на рис.
V-23, б, вместо полос-пластин применяют уголки, изготовленные
штамповкой из листовой стали толщиной 1,5—2,5 мм. Уголки
располагают в шахматном порядке так, что в одном ряду их вер-
.. 21
Рис. V-23. Отбойники:
•a — пластинчатые; б — уголковые.
Рис. V-24. Расположение секций отбойни-
ков:
а — горизонтальное; б —наклонное; в —
вертикальное; г — поперечное сечение
элемента вертикального отбойника.
шины направлены вверх, а в соседних рядах — вниз. В уголках,
направленных вершинами вниз, должны быть отверстия для сто-
ка жидкости.
К опорным листам секций отбойников приваривают лапки, ко-
торыми секция крепится с помощью болтов к соответствующей
металлоконструкции внутри колонны.
В последнее время успешно применяют сетчатые отбойники.
Высокая эффективность их работы объясняется тем, что при до-
вольно большой поверхности контакта они имеют до 95% сво-
бодного сечения, что обеспечивает резкое сокращение потерь на-
пора в отбойниках.
Сетчатые отбойники собирают из проволочных стальных се-
ток (диаметр проволоки 0,25—0,75 мм) накладыванием одного
слоя на другой. Каждый слой сетки предварительно гофрируют.
Сетки укладывают в пакет так, чтобы направления гофров смеж-
ных слоев составляли прямой угол. За счет такого расположения
расстояние между слоями сетки не меньше чем высота гофра.
Число слоев сетки в секции отбойника 6—15.
Сетчатые отбойники можно также собирать из рукавных се-
ток, выпускаемых промышленностью. Такие отбойники имеют бо-
лее жесткую конструкцию и просты в изготовлении.
Наиболее распространено горизонтальное расположение сек-
ций отбойников (рис. V-24, а), простое по конструктивному
-оформлению. Наклонное расположение секций (рис. V-24, б) дает
возможность увеличить поверхность отбойника, т. е. улучшить се-
150
парацию капель жидкости, а также организованно отводить от«
деленную от паров жидкость, которая стекает по поверхности
уголков и пластин в корыто и через его края сливается вниз. Та-
кими же достоинствами обладают отбойники с вертикальным рас-
положением секций (рис. V-24, в). Отбойные элементы в них
представляют собой пологие уголки из тонкого листового метал-
ла (рис. V-24, г), снабженные карманами-лабиринтами, по кото-
рым стекает отсепарированная от пара жидкость. Далее жидкость
через специальную трубку и гидрозатвор сливается в эвапорацн-
онную часть колонны.
Продолжительность исправной работы отбойников зависит от
различных факторов. Верхние отбойники подвержены только кор-
розионному износу, нижние склонны к закоксовыванию, особенно-
в вакуумных колоннах. Пластинчатые и уголковые секции отбой-
ников после их извлечения из колонны реставрируют выжигани-
ем кокса.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ КОЛОНН
Все ректификационные колонны являются весьма ответственными
аппаратами, требующими квалифицированного обслуживания не-
зависимо от эксплуатационных факторов.
Одним из важных факторов эксплуатации колонн является
давление. Главной предпосылкой для его выбора является темпе-
ратурный режим процесса ректификации. Повышенное давление
позволяет осуществить фракционирование при высоких темпера-
турах, что необходимо в случае разделения смесей, состоящих из
компонентов с низкими температурами кипения (ректификация
низкомолекулярных углеводородов).
В ректификационной колонне давление меняется по высоте ап-
парата в зависимости от гидравлических сопротивлений тарелок
и отбойных устройств.
Для разделения компонентов с высокой температурой кипе-
ния ректификацию нужно проводить при низких температурах,
чтобы избежать разложения высокомолекулярных углеводородов
при температуре их кипения. С этой целью ректификацию прово-
дят в вакуумных колоннах, где температуры кипения искусствен-
но снижают в зависимости от величины вакуума. Особенно рас-
пространены вакуумные колонны, применяемые на мазутопере-
гонных установках для получения масляных дистиллятов.
На рис. V-25 показана типовая вакуумная колонна атмосфер-
но-вакуумной установки. Диаметр колонны 6,4 м, в концентра-
ционной секции размещено 14—20 двухсливных тарелок, в отпар-
ной— 4 односливных. Отпарная секция значительно сужена по
сравнению с концентрационной и питательной секциями (до
3,2 м). Это оправдано, поскольку, с одной стороны, на отпарную
секцию приходится меньший объем паров, а с другой стороны,
меньше время пребывания гудрона на поверхности тарелок, что
очень важно для предотвращения его термического разложения
и закоксовывания поверхностей тарелок и сливных устройств.
Условия работы колонны характеризуются следующими дан-
ными: температура верха—НО—130 °C; эвапорационной части—
Рис. V-25. Вакуумная колонна атмосфер-
но-вакуумной установки:
а — ввод сырья; б — вывод гудрона; в —
вывод погона; г, д, е — вывод циркуляр-
ного орошения; ж, з, и — подача ороше-
ния; к—вывод паров; 1—корпус колон-
ны; 2 — двухсливная тарелка; 3 — наруж-
ное кольцо жесткости; 4— нижний отбой-
ник; 5—улита; 6 — односливная тарелка;
7 — юбка; 8 —опорное кольцо; 9 —верх-
пип отбойник.
Рис. V-26. Барометрический конденсатор
смешения:
1 —ввод паров-, 2 —люк-, 3- —штуцер для
подсоединения барометрической трубы;
4 —каскадная тарелка', 5 —ввод воды',
ь — вывод пескондепсировавшихся папов
п газов.
400—420 °C; низа — 380—400 °C; остаточное давление в верхней
части колонны составляет 40—80 мм рт. ст.
Создание и поддержание необходимого вакуума является ос-
новным вопросом эксплуатации вакуумных колонн. Обычно ва-
куум создается комбинированием двух способов: конденсацией
паров, отводимых с верха аппарата, и отсасыванием несконден-
сировавшихся газов. Ниже приводится описание этих двух по-
следовательно осуществляемых операций.
Для конденсации паров применяют барометрические конден-
саторы смешения (рис. V-26). Диаметр аппарата до 1,8 м, общая
высота 2,1 м. Верхняя часть аппарата, изготовленного из стали,
сужена и заканчивается эллиптическим днищем; нижняя часть —
коническая и кончается штуцером, к которому присоединяется
барометрическая труба. Внутри аппарата смонтированы каскад-
ные тарелки.
Смесь газов и паров, состоящая из продуктов разложения,
воздуха, водяных паров и незначительной части паров легких
фракций, по шлемовым трубам (трубы большого диаметра для
отвода паров) отводится с верха колонны в барометрический кон-
денсатор через штуцера / под нижнюю каскадную тарелку. Кас-
кадные тарелки 4 представляют собой перфорированные полки с
отбортовкой вверх около слива. Линия слива делит площадь полок
на две части: */3 — свободная площадь, 2/з —площадь тарелки.
По штуцеру 5 на верхнюю каскадную тарелку подается вода.
Часть воды стекает через многочисленные отверстия тарелки,
создавая дождевую завесу, остальное количество — через отбор-
тованный слив, образуя сплошной водослив. Таким образом, па-
ры и газы, поднимающиеся снизу, хорошо контактируют с охлаж-
дающей водой. Каскадные тарелки расположены так, чтобы
обеспечивалось встречное направление слива.
Сконденсировавшиеся пары вместе с охлаждающей водой и
растворенными в ней газами сливаются в колодец по баромет-
рической трубе, конец которой опущен в жидкость в колодце, что
обеспечивает надежный гидрозатвор.
Конденсатор смешения подвешивается на лапах к специальной
металлоконструкции на высоте, обеспечивающей непрерывный сток
воды через барометрическую трубу. Высота трубы должна быть
такой, чтобы вода не засасывалась в нее.
Газы и несконденсировавшиеся пары отсасываются из баро-
метрического конденсатора через штуцер 6 механическим спосо-
бом с помощью пароструйных эжекторов или вакуумных насо-
сов.
Пароструйные эжекторы бывают двух-, трех- и многоступен-
чатыми. На рис. V-27 показан двухступенчатый эжектор вакуум-
ной колонны, работающей в паре с барометрическим конденсато-
ром смешения.
Газы и несконденсировавшиеся водяные пары из барометри-
ческого конденсатора через штуцер 1 поступают в камеру вса-
сывания первой ступени 5. По центру диффузора 6 установлено
паровое сопло 4, которое вмонтировано в паровую головку 2,
снабженную штуцером 3 для подвода острого пара. Пар эжекти-
рует содержимое камеры всасывания, создавая в ней вакуум, и
проваливается в промежуточный конденсатор 11, где конденси-
руется водой, подаваемой через штуцер 9 и распылитель 10. Во-
да вместе с паровым конденсатором проваливается в присоеди-
няемый к штуцеру 8 спускной трубопровод и по нему — в коло-
дец барометрического конденсатора.
Газы и остаток несконденсировавшихся паров отсасываются
второй ступенью эжектора, которая отличается от описанной пер-
вой ступени только размерами. Из второй ступени газы и пары
по диффузору 7 выбрасываются в атмосферу или в колодец, при-
8
Рис. V-27. Двухступенчатый пароструйный
эжектор:
1— bbGji. паров и газов; 2 — паровая го-
ловка; 3— ввод острого пара; 4 — паровое
сопло; 5 — камера всасывания; 6 — диф-
фузор; 7 — выхлоп; 8 — штуцер для под-
соединения спускного трубопровода; 9 —
ввод воды; 10 — распылитель воды; 11—
промежуточный конденсатор.
чем в первом случае сопротив-
ление меньше, но больше шума,
во втором — наоборот.
Корпус эжектора изготовля-
ют из чугуна, а сопла и распы-
лители— из стали. По мере из-
носа сопла и распылители за-
меняют новыми.
Пароструйные эжекторы име-
ют очень низкий к. п. д., поэто-
му в последнее время для ваку-
умных колонн применяют глав-
ным образом водокольцевые ва-
куум-насосы с электрическим
приводом.
Температурный режим в ко-
лонне поддерживается путем
подвода в колонну тепла с сырь-
ем, нагретым в трубчатых печах,
подвода тепла в нижнюю часть-
колонны и отвода тепла на опре-
деленных участках по высоте
колонны за счет острого и цирку-
ляционных орошений.
В низ колонны тепло можно
подвести разными способами —
через выносной теплообменник
или через трубный змеевик,
вмонтированный в нижней части колонны. Однако в настоящее
время распространен подвод тепла подачей в колонну водяного
пара. Поступающий в низ аппарата через коллектор и маточники
водяной пар, отдавая часть тепла остатку от ректификации, од-
новременно вызывает снижение парциального давления паров
компонентов, при этом жидкость оказывается перегретой и легко
испаряется.
Маточники для подачи в низ колонны острого пара пред-
ставляют собой перфорированные трубы, присоединенные к кол-
лектору. Они присоединяются к коллектору внутри крлонны на
фланцах, реже — на резьбе. Острое орошение подается в карман
самой верхней тарелки колонны или на ее поверхность. Изменяя
количество подаваемого орошения, можно регулировать темпе-
ратуру верха колонны.
Для циркуляционного орошения отбирают боковые фракции с
соответствующих тарелок, которые после охлаждения в холодиль-
никах вновь возвращаются в колонну на нужную отметку. За
счет количества орошения поддерживается требуемая темпера-
тура на отдельных участках колонны ректификации.
Тепловая изоляция аппаратов колонного типа. Для поддержа-
ния постоянного теплового режима работы массообменного аппа-
рата, не зависящего от температуры окружающей воздушной
среды, поверхность аппарата покрывают тепловой изоляцией. Теп-
ловая изоляция, кроме того, препятствует потерям тепла (холода)
в окружающую среду.
Основными требованиями к тепловой изоляции являются малая
теплопроводность и продолжительное сохранение изоляционных
свойств в процессе эксплуатации. Материал тепловой изоляции
должен быть стойким к высокой температуре среды, а также к
резким и частым колебаниям температуры стенки изолируемого
аппарата.
Изоляция должна быть достаточно химически стойкой к окру-
жающей среде, т. е. не должна разрушаться в процессе эксплуа-
тации. Способность изоляции поглощать влагу (т. е. гигроскопич-
ность) должна быть минимальной, так как влажная изоляция ча-
сто является причиной интенсивной коррозии поверхности аппа-
рата.
Применяемые теплоизоляционные материалы, конструкции
теплоизоляционных покрытий и технология их нанесения приведе-
ны в главе XI, поэтому здесь ограничимся лишь несколькими за-
мечаниями по эксплуатации изоляции колонн.
При каждом ремонте аппарата тепловую изоляцию тщатель-
но осматривают для выявления повреждений в виде отбитых
уголков, трещин, разрывов элементов, отпавших слоев штукатур-
ки и т. д. Все замеченные недостатки должны быть немедленно
устранены.
Не реже одного раза в квартал следует производить замер
температуры на внешней поверхности изоляции. Если температура
окажется выше допустимой, это свидетельствует о нарушении изо-
ляции и о необходимости ее капитального ремонта. Особенно ча-
сто подвергаются повреждениям участки приварки штуцеров, лю-
ков, кронштейнов для обслуживающих площадок и т. п. Поэтому
места сопряжений следует защищать козырьками из асбошифе-
ра или кровельного железа.
Пуск и остановка колонн. Ректификационные колонны пуска-
ют в эксплуатацию одновременно с так называемой холодной
циркуляцией всей системы. Согласно рабочей технологической
карте-схеме, сырье прокачивают в течение 10—30 мин по всему
оборудованию, проверяя на герметичность систему, работу конт-
рольно-измерительных приборов, запорных устройств и т. д. За-
тем температуру в системе медленно повышают за счет тепла
трубчатых печей — так называемая горячая циркуляция. При
температуре верха колонны 95—100 °C горячая циркуляция про-
должается в течение по крайней мере двух часов для выпарива-
ния всей содержащейся в колонне воды. После этого температуру
в колонне повышают со скоростью 20—30 °C в час.
С началом испарения легких фракций в колонну постепенно
подкачивают сырье. По достижении необходимой температуры
постепенно подают орошения (начиная с самого верхнего), тем
самым устанавливая нормальные рабочие параметры, предусмот-
ренные технологической картой. В этих условиях всю установку
переводят на питание свежим сырьем, в колонну подают пар и
выводят на режим нормальной работы. Необходимо особенно сле-
дить за тем, чтобы пар не содержал конденсата, поэтому паро-
провод непосредственно перед штуцером колонны должен быть
тщательно продут.
Нормальная остановка колонн осуществляется в последова-
тельности, обратной пуску. Аварийная же остановка, предприни-
маемая при внезапном прекращении подачи сырья, пара, элект-
роэнергии и воды, а также при выходе из строя других аппара-
тов установки, требует более форсированных действий.
Особенно опасно внезапное прекращение поступления воды
на вакуумную установку. В этом случае необходимо немедленно
закрыть задвижку на водяной линии, ведущей к барометрическо-
му конденсатору и эжекторам, чтобы предотвратить засасывание
воздуха из трубопроводов воды.
Подготовка колонн к ремонту является весьма ответственной
операцией и проводится в следующем порядке. После снятия ва-
куума или снижения давления до атмосферного из колонны отка-
чивают весь остаток нефти и нефтепродуктов. Затем колонну про-
паривают; при этом пары нефтепродуктов и газы вытесняются из
колонны через шлемовые трубы. Продолжительность пропарки
составляет 8—48 ч в зависимости от интенсивности продувки и
условий работы колонны (вида и качества сырья, типа техноло-
гического процесса, характера ожидаемого ремонта).
После пропарки колонну промывают водой, подаваемой в верх-
нюю ее часть. Вначале подают немного воды, чтобы избежать
образования большого количества паров или быстрого охлажде-
ния колонны, при котором возможны разрывы сварных швов на
корпусе и тарелках; затем подачу воды постепенно интенсифици-
руют. С низа колонны промывную воду спускают в канализацию.
Продолжительность промывки составляет 8—24 ч. Лабораторные
анализы воздуха из колонны должны подтвердить допустимое для
ремонтных работ содержание углеводородов; в противном слу-
чае пропарку и промывку повторяют вновь, чередуя их несколько
раз.
АБСОРБЕРЫ, АДСОРБЕРЫ И ДЕСОРБЕРЫ
Процесс абсорбции состоит в избирательном поглощении жид-
костью (абсорбентом) целевых составных частей исходной газовой
смеси. Путем абсорбции производят разделение, очистку и осуш-
156
ку различных углеводородных газов, извлечение бензина и про-
пан-пропиленовой фракции из естественных и попутных газов
и т. д.
f Процесс абсорбции протекает тогда, когда парциальное дав-
ление или концентрация извлекаемого компонента в газовой сме-
си больше, чем в абсорбенте. Чем больше эта разность, тем ин-
тенсивнее переход компонента из газовой смеси в жидкость (аб-
сорбент). Когда парциальное давление или концентрация ком-
понента в жидкости больше, чем в газовой смеси, происходит
десорбция — выделение растворенного газа из раствора.
Абсорберы и десорберы работают попарно. В некоторых слу-
чаях абсорбцию и десорбцию осуществляют последовательно в
одном и том же аппарате.
Конструкции абсорберов и десорберов, представляющих собой
цилиндрические вертикальные аппараты, отличаются большим
разнообразием и зависят от конкретного технологического процес-
са. Например, абсорберы для извлечения бензина из природного
нефтяного газа выполнены как колонны с 18—30 барботажными
колпачковыми тарелками. Колонна работает при давлении 0,3—
4 МН/м2. В качестве абсорбента применяют масла или другие
нефтепродукты. Степень извлечения компонента из газовой смеси
зависит от основных параметров процесса абсорбции, к которым
относятся давление, температура, число тарелок в колонне и рас-
ход абсорбента.
Десорберы, в которых из насыщенного абсорбента извлекают
бензин (целевой продукт), конструктивно не отличаются от абсор-
беров. Десорбцию осуществляют под давлением до 0,6 МН/м2 от-
паркой при температуре ПО—180 °C. Нагретый насыщенный аб-
сорбент подают на верхнюю тарелку отгонной колонны. Темпера-
турный режим в колонне поддерживают орошением верхней части
бензином, а также нагревом нижней части с помощью кипятильни-
ка или впрыскивания острого пара.
Несколько иная конструкция у абсорберов установок катали-
тического риформинга и гидроочистки. Эти аппараты служат для
удаления сероводорода и водяных паров из циркуляционных га-
зов. На рис. V-28 приведена схема абсорбера установки гидроочи-
стки. Он представляет собой колонну диаметром 3 м, высотой 20 м
г одной глухой тарелкой 4 и 13-ю барботажными тарелками 8 из
S-образных элементов.
Газ по штуцеру 13 подается в нижнюю часть абсорбера под
вертикальный ситчатый каплеотбойник 3 и, отделившись от кон-
денсата, который стекает по сливной трубе 2 и далее отводится
через штуцер 1 на десорбцию, поступает под глухую тарелку 4.
С глухой тарелки, снабженной трубами 6 и отбойными шляпка-
ми 7 для прохода газов, насыщенный абсорбент и конденсат газа
отводятся по штуцеру 5.
Постепенное насыщение абсорбента целевым компонентом
происходит на барботажных тарелках 8. Абсорбент подается в ко-
лонну по штуцеру 9. Очищенная газовая смесь покидает колонну
через штуцер 12, предварительно пройдя отбойник-сепаратор 10 и
верхний каплеуловитель 11.
Рис. V-28. Абсорбер
очистки циркуляционно-
го газа установки гид-
роочистки:
/—вывод конденсата:
;?— сливная труба; 3—
ситчатый каплеотбойник;
4— глухая тарелка: 5 —
вывод раствора; 6 — га-
зовая труба; 7 — отбой-
ная шляпка; 3— барбо-
тажная тарелка: Р—
ввод абсорбента; 10 —
отбойник-сепаратор; 11 —
верхний каплеуловитель;
12— выход газа; 13—
ввод газа.
Многие абсорберы снабжены насадочны-
ми или каскадными тарелками.
Процесс адсорбции заключается в избира-
тельном поглощении вещества поверхностью
адсорбента — пористого твердого тела. Та-
кое поглощение объясняется наличием сил
взаимного притяжения между молекулами
адсорбента и молекулами адсорбируемого ве-
щества. Адсорбенты используют в виде зерен
размером до 10 мм и в пылевидном состоянии.
Применяют также молекулярные сита — син-
тетические цеолиты, имеющие поры одинако*
вых размеров.
Адсорбцию обычно применяют для разде-
ления «бедных» смесей (содержащих незна-
чительные количества поглощаемых веществ)
и смесей, состоящих из трудноразделяемых
компонентов. На нефтеперерабатывающих за-
водах путем адсорбции производят очистку
масел и парафина, извлечение бензина из уг-
леводородных газов, осушку газов, возду-
ха и т. п.
Поглощенное адсорбентом вещество вы-
деляется из него десорбцией — процессом, об-
ратным адсорбции. В результате десорбции
и последующей обработки адсорбента послед-
ний регенерируется и может быть использо-
ван вновь. Регенерация адсорбента — наибо-
лее сложная, продолжительная и дорогостоя-
щая стадия в технологии адсорбционного раз-
деления. Поэтому в некоторых случаях ад-
сорбент не используют повторно. Например,
при контактной очистке масел отработанный
адсорбент (глину) выбрасывают.
Десорбцию и регенерацию адсорбента
проводят водяным паром и различными
жидкостями, из которых затем извлекают
целевые вещества. Нецелевые компоненты
можно выжигать, если при этом регенери-
руемый адсорбент не потеряет присущих ему
свойств.
В большинстве случаев адсорберы и де-
сорберы— колонные аппараты. Наиболее сложны аппараты не-
прерывного действия — адсорберы с движущимися зернистым ад-
сорбентом и адсорберы с кипящим слоем адсорбента.
ЖИДКОСТНЫЕ ЭКСТРАКТОРЫ
Для очистки масел, а также в производстве дизельного топлива
и керосина применяют жидкостную экстракцию. Процесс экстрак-
ции заключается в разделении смеси
ки твердой или жидкой фазы жид-
ким избирательным растворителем.
В качестве избирательных раство-
рителей используют фурфурол, фе-
нол, жидкий сернистый ангидрид,
диэтиленгликоль, жидкий пропан
и др.
Конструкции экстракторов — ап-
паратов, в которых осуществляется
процесс экстракции — должны обес-
печить тщательное контактирование
массообменивающихся фаз и их
последующее разделение. Большин-
ство экстракторов представляет со-
бой колонны с тарелками или на-
садкой. В колоннах экстракция осу-
ществляется контактированием в
противотоке рафинатного и экст-
рактного растворов.
В последнее время получили
распространение ротационные дис-
ковые контакторы^ принципиально
отличающиеся от колонных; в них
для повышения эффективности кон-
тактирования и разделения фаз ис-
пользуют центробежную силу.
Принципиальная конструкция
типового дискового контактора при-
ведена на рис. V-29. Его применя-
ют, в частности, на установках се-
лективной очистки масел фурфуро-
лом. Диаметр цилиндрического кор-
пуса аппарата 3 м, высота 13 м.
Внутри аппарата к корпусу прива-
рены стальные кольцевые перего-
родки на расстоянии 0,3 м одна от
другой с шириной кольца 0,3—
0,4 м. В аппарате вращается кон-
центрично расположенный с ним
вал, на котором закреплены круг-
лые диски диаметром 0,12 м. Каж-
дый диск делит расстояние между
неподвижными кольцевыми перего-
родками пополам.
компонентов путем обработ-
Рис. V-29. Ротационный дисковый кон-
тактор установки селективной очистки
масел:
а — ввод фурфурола или фенола; б,
в — ввод сырья; г — вывод экстракт-
ного раствора; д — дренаж; е — ввод
пара для пропарки колонны; м: — ввод
рециркулята; з—штуцер для предо-
хранительного клапана; / — юбка; 2,
10 — нижняя и верхняя внутренние
опоры; 3 — нижняя решетка; 4 — вал;
5 — неподвижное кольцо; 6 — диск;
7— корпус; 8 — муфта; 9 — верхняя
решетка; // — труба для регулирова-
ния уровня раздела фаз; 12 — основная
опора н сальниковое уплотнение; 13 —
электродвигатель; /4 —вариатор ско-
ростей; /5 — редуктор; 16 — крышка.
Приводной механизм, расположенный на верхнем днище ап-
парата, снабжен редуктором-вариатором, позволяющим вращать
ротор с нужной скоростью, в зависимости от режима работы тех-
нологической установки.
Экстракционные колонны работают при давлении до
0,6МН/м2. Для нормального протекания экстракции с минималь-
ным соотношением растворителя и сырья в аппарате поддержи-
вается определенный температурный градиент между верхом и
низом аппарата, т. е. обеспечивается постоянная температура
среды на определенном участке колонны. Это достигается отбором
части экстрактного раствора из колонны, охлаждением его в хо-
лодильнике и возвращением в аппарат.
ГЛАВА VI
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Среди других аппаратов технологической установки теплообмен-
ные аппараты являются самыми многочисленными. Они пред-
назначены не только для поддержания технологического процес-
са, но и обеспечивают регенерацию тепла (холода) отходящих по-
токов, сокращая тем самым расход топлива, пара, а также ох-
лаждающих сред (воды, воздуха, хладоагента).
В теплообменных аппаратах осуществляется процесс тепло-
обмена между двумя потоками, один из которых нагревается за
счет другого, одновременно охлаждая его. В зависимости от целе-
вого назначения теплообменные аппараты носят следующие на-
звания.
Теплообменники — аппараты для регенерации тепла, уносимо-
го отходящими потоками. Целевым процессом, протекающим в
них, может являться нагрев холодного потока, или охлаждение
горячего, или тот и другой процессы в равной степени.
Подогреватели — аппараты для нагрева дистиллятов или ре-
агентов за счет тепла теплоносителя. Целевым процессом в них
является нагрев. В качестве теплоносителя применяют главным
образом водяной пар, характеризующийся высоким коэффициен-
том теплоотдачи при конденсации и большим значением скрытой
теплоты конденсации. Теплоносителями могут служить также вы-
сококипящие нефтепродукты, нагреваемые в трубчатых печах.
Конденсаторы—аппараты для конденсации и охлаждения па-
ров путем передачи тепла охлаждающему агенту.
Холодильники — аппараты для охлаждения жидких потоков.
Если при охлаждении из жидкого потока выделяются кристаллы
вещества, то холодильный аппарат называют кристаллизатором.
В конденсаторах, холодильниках и кристаллизаторах целевым
процессом является охлаждение горячей среды.
Самым дешевым охлаждающим агентом является вода, пода-
ваемая из водопровода или из системы оборотного водоснабже-
ния. В последнем случае вода используется многократно, охлаж-
даясь за счет частичного испарения в градирнях. В аппаратах
воздушного охлаждения охлаждающим агентом является воздух.
Для охлаждения среды до низких температур применяют испа-
ряющийся аммиак, пропан, этан и другие сжиженные газы.
Отличают теплообменные аппараты смешения и поверхност-
ные. В первых теплообмен между средами осуществляется путем
11—2255
161
их непосредственного соприкосновения (смешения), во вторых —
через поверхность (стенка трубы, пластина и т. д.), разделяю-
щую эти среды и исключающую их смешение. Теплообменники
смешения имеют весьма ограниченное применение, так как после
смешения теплообменивающихся потоков их последующее разде-
ление не всегда возможно. По этому принципу работают баро-
метрический конденсатор вакуумных колонн, конденсаторы для
конденсации и охлаждения паров бензина и воды, скрубберы и
т. д. В этих аппаратах разделение воды и продукта осуществ-
ляется быстро за счет разности плотностей.
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТНЫХ
ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Назначение поверхностного теплообменного аппарата в том, что-
бы отнять определенное количество тепла от горячего потока
и передать его холодному потоку. В идеальном случае, если бы
при этом не было тепловых потерь, выделяемое (Qi) и получае-
мое (Q2) количества тепла были бы равны. Практически всегда
имеются потери в пределах 2—8%, поэтому уравнение теплового
баланса записывается с учетом коэффициента использования теп-
ла ц:
<214= Q2 (VI. 1)
Если подставить вместо Q, и Q2 их значения, то в общем
виде уравнение (VI. 1) можно записать следующим образом:
Gi Л ~ 9ц) (VI.2)
где Ci, Со—расход потоков, соответственно выделяющих и воспринимающих
тепло;
qi\, У и— энтальпия (теплосодержание) потока, выделяющего тепло соответ-
ственно при начальной температуре и конечной температуре /2;
<7^, — то же’ Для потока, воспринимающего тепло.
Значения энтальпий для различных потоков приведены в
справочной литературе. При определении энтальпии необходимо
учитывать агрегатное состояние потока, чтобы в расчет были
включены скрытая теплота парообразования (конденсации) и
теплота плавления (застывания).
Поверхность теплообмена через плоскую стенку или через
стенку трубы, когда ее толщина пренебрежимо мала по сравне-
нию с диаметром, определяют из основного уравнения теплопе-
редачи
<2
Q /Ocpi откуда F = (VI.3)
где - F— поверхность теплообмена;
Q — количество передаваемого тепла;
X—коэффициент теплопередачи;
Aicp — средняя разность температур между теплообменивающимися сре-
дами.
162
i . :
Для труб, толщина которых сравнима с диаметром, найден-
ную из этого уравнения поверхность теплообмена необходимо вы-
числять с учетом условного среднего диаметра. Значения сред-
него диаметра зависят не только от наружного и внутреннего
диаметров трубы, но и от коэффициента теплопроводности ее
стенки, а также от коэффициентов теплопередачи с каждой сто-
роны стенки трубы. Формулы для их расчета приведены в лите-
ратуре.
Коэффициент теплопередачи находят из уравнения
к---------1' „ Т
«1 «2 X
где аь а2 — коэффициент теплоотдачи с каждой стороны стенки, через кото-
рую происходит теплообмен;
б — толщина отдельных слоев стенки;
X — коэффициент теплопроводности слоев стенки.
Коэффициент теплопроводности зависит от материала стенки,
через которую происходит теплообмен, и от характера отложе-
ний (загрязнений) на этих стенках, появляющихся при эксплуа-
тации. Ниже приведены значения X для некоторых наиболее ча-
сто встречающихся -материалов и отложений:
Материал X, Вт/ (м-град) Материал к, Вт/ (м град)
Сталь Свинец ...... . . 120—130
углеродистая . . 160—210 Накипь, окалина . . 4,2—13,0
нержавеющая . . . 80—90 Стекло . . 3,2—3,5
Алюминий .... . . 730—820 Кокс . . 0,8—3,4
Медь . . 1250—1450 Парафин .... . . 2,8—4,2
Латунь . . 310—320 Нефтепродукты . . . . 0,34—0,84
Если толщина стенки-мала, а теплопроводность ее высока, то
коэффициент теплопередачи приближенно можно определять по
формуле
aja2
«1 -г
(VI.5)
Определение коэффициентов теплоотдачи — самая трудоемкая
часть технологического расчета аппарата. Значения их зависят
от характера движения теплообменивающихся потоков.
При движении жидкости в трубе скорость потока неравномер-
на, она изменяется от максимума в центре до нуля около стенки.
Чем толще неподвижный слой жидкости вблизи поверхности, че-
рез которую происходит теплообмен, тем хуже передается теп-
ло, так как теплопроводность жидкостей и газов, особенно нефте-
продуктов, очень мала. Толщина неподвижного слоя жидкости,
определяемая характером ее движения, зависит от скорости и
вязкости жидкости, а также от диаметра трубы, по которой она
движется.
Характер движения потока устанавливают по значению кри-
терия Рейнольдса:
wd
Re = — (VI.6)
где ш — линейная скорость движения потока;
d —диаметр трубы;
v —кинематическая вязкость потока.
Различают следующие режимы движения потоков: ламинар-
ный, когда Re<2300; турбулентный, когда Re>10 000; переход-
ный, когда Re изменяется в пределах 2300—10 000. Коэффициент
теплоотдачи для каждого конкретного случая теплообмена на-
ходят в зависимости от режима движения теплообменивающихся
потоков по формулам и номограммам, приведенным в специаль-
ной литературе по теплопередаче.
С увеличением турбулентности потоков теплоотдача возраста-
ет. Однако для создания высокой турбулентности необходимы
высокие скорости потоков, что не всегда может быть оправдано;
потребуются повышенный расход энергии на привод насоса, а
также толстостенные аппараты, работающие под давлением.
Средняя разность температур между теплообменивающимися
средами зависит от взаимного движения этих сред. Во всех теп-
лообменных аппаратах процесс передачи тепла сопровождается
изменением температуры одного или обоих потоков по их ходу.
При переменном температурном напоре (разности температур)
будет переменным и количество тепла, передаваемого от одной
среды к другой. Среднее значение температурного напора, кото-
рым пользуются при расчетах, определяется характером измене-
ния температур сред по ходу потоков.
В теплообменных аппаратах в зависимости от их конструктив-
ного исполнения встречаются следующие случаи взаимного дви-
жения потоков: прямоток (когда оба потока имеют одно направ-
ление), противоток, перекрестный ток (когда направления пото-
ков пересекаются) и смешанный ток (когда на отдельных участ-
ках направления взаимного движения изменяются). При прочих
равных условиях направления движения потоков оказывают влия-
ние на тепловую нагрузку теплообменных аппаратов.
Из графика, приведенного на рис. VI-1, видно, что при прямо-
токе по ходу движения потоков температурный напор все время
уменьшается, причем наибольший напор наблюдается в начале
теплообмена, а наименьший — в конце. Следовательно, тепловая
нагрузка поверхности теплообмена изменяется в больших пре-
делах. Конечная температура нагревающегося потока всегда ни-
же. конечной температуры нагревающего (охлаждающегося) по-
тока. Наибольшая разность температур (на входе в аппарат)
Aie = ti—13, а наименьшая разность (на выходе из аппарата)
ACt = ^2 ^4-
При противотоке (рис. VI-1) температурный напор по ходу
потоков более равномерный, чем при прямотоке, и тепловая на-
грузка поверхности теплообмена тоже распределяется равномер-
но. Это весьма сущест-
венно как для эффектив-
ного использования по-
верхности теплообмена,
так и для создания мяг-
ких условий работы, при
которых уменьшается
опасность отложений кок-
са и грязи на отдельных
участках поверхности с
большой теплонапряжен-
ностью. Важным свойст-
вом противотока являет-
ся также и то, что ко-
нечная температура на-
греваемой среды может
быть выше конечной тем-
Рис. VI-1. Схема двження потоков при
теплообмене:
а —прямоток; б — противоток.
нературы нагревающего потока. В результате можно добиться бо-
лее высоких температур нагреваемой среды и, следовательно, бо-
лее полной-регенерации тепла (или экономии хладоагента— воды,
воздуха и др.).
Все сказанное свидетельствует о предпочтительности проти-
вотока перед прямотоком, вследствие чего на практике всегда
стремятся соблюдать противоточную схему движения потоков, за
исключением тех случаев, когда эта схема не сообразуется с тех-
нологической схемой установки.
Движущей силой процесса передачи тепла является средняя
разность температур теплообменивающихся сред. Средний темпе-
ратурный напор Д(ср для прямотока и противотока определяют
по формуле
А / ^6 А/м
Д^Р= 2,31g(A/6/A/M)
(VI.7)
где А/б. Д/м— соответственно большая и меньшая разность температур потоков
на концах теплообменного аппарата.
Среднюю разность температур для перекрестного и смешан-
ного токов находят по формулам и специальным таблицам.
Правильность расчета теплообменников зависит от того, на-
сколько расчетное значение коэффициента теплопередачи близко
к фактическому. В практических расчетах для некоторых тепло-
обменных аппаратов, применяемых в нефтеперерабатывающей
промышленности, часто пользуются следующими приближенными
значениями коэффициента теплопередачи:
Аппараты gTy град)
Теплообменники трубчатые
жидкостные............................. 40—420
пародистиллятные................... 100—250
Нагреватели трубчатые для нагрева паром
жидкого нефтепродукта.................. 80—350
Конденсаторы для бензиновых фракций
воздушные.............................. 100—200
Кипятильники
обогреваемые жидким нефтепродуктом 120—300
обогреваемые конденсирующимся во-
дяным паром............................ 250—750
Кристаллизаторы парафина...............40—100
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
В ТЕПЛООБМЕННИКАХ
Для конструирования поверхностного теплообменного аппарата,
а также для выбора оптимального режима его работы необходим
гидравлический расчет, который заключается в определении гид-
равлических сопротивлений потоку теплообменивающихся сред.
Полное гидравлическое сопротивление в теплообменнике Др
определяют как сумму сопротивлений трения ДрТр и всех местных
сопротивлений Дрм.с, вызываемых изменениями направления дви-
жения жидкости, расширением или сужением струи и т. д.:
/цу2 —ZHJ2
Ар = Артр + Арм.с == Хг.с У + S ~2g~7 (VI '8)
где Хг. с — коэффициент гидравлических сопротивлений, или коэффициент трения,
зависящий от критерия Рейнольдса и степени шероховатости омывае-
мой жидкостью стенки;
I — длина пути рассчитываемого потока;
d — диаметр трубы или эквивалентный диаметр сечения;
w —скорость движения потока;
у — удельный вес потока;
£— коэффициент местных гидравлических сопротивлений.
Для наиболее характерных местных сопротивлений коэффи-
циенты t, имеют следующие значения:
вход в распределительную камеру и выход из нее ... 1,5
вход в межтрубное пространство и выход из пего ... 1,4
поворот между ходами или секциями................... 2,5
поворот через колено па 180°........................ 2,0
огибание перегородок, поддерживающих трубки .... 0,5
КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ
Основная часть теплообменников нефтеперерабатывающих уста-
новок относится к кожухотрубчатым. Общим для кожухотрубча-
тых теплообменников является то, что они состоят из цилиндри-
166
ческого кожуха (корпуса) и помещенного в нем трубного пучка.
Почти все конструкции кожухотрубчатых теплообменников преду-
смотрены стандартом.
В основу классификации кожухотрубчатых теплообменников
положен способ компенсации температурных деформаций. Отли-
чают теплообменники жесткой конструкции и теплообменники с
самостоятельной компенсацией трубных пучков (рис. VI-2).
Рис. VJ-2. Схема конструкций кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:
а — теплообменник жесткого типа (TH); б — теплообменник с линзовыми компенсаторами
на корпусе (ТЛ); в — теплообменник с плавающей головкой (ТП); г — теплообменник с
и-образкыми трубками (ТУ); 1— корпус; 2 — расгфеделительная крышка; 3— распредели-
тельные камеры; V — тепаообмеппые трубки-, 5 — крышка корпуса-, 6 — крышка плаваю-
щей головки.
К теплообменникам жесткой конструкции относятся теплоос-
меннпкп TH, не имеющие самостоятельной компенсации корпуса
п теплообменных труб (буква Н означает неподвижность трубных
решеток), и ТЛ — имеющие температурную компенсацию корпуса
(буква Л означает, что корпус снабжен линзовыми компенсато-
рами).
Самостоятельную компенсацию трубных пучков имеют тепло-
обменники ТП, в которых температурная компенсация трубного
пучка обеспечивается за счет того, что одна из решеток свобод-
на и вместе с крышкой может «плавать» внутри корпуса (буква
II означает, что аппарат с плавающей головкой), и теплообменни-
ки TU с одной трубной решеткой пучка, свободный конец кото-
рого образуется U-образно гнутыми теплообменными трубами.
ТЕПЛООБМЕННИКИ ЖЕСТКОЙ КОНСТРУКЦИИ
Конструктивная особенность этих теплообменников заключается
в том, что пучок труб, собранный в двух трубных решетках, вме-
сте с ними жестко закреплен в корпусе теплообменника. Это обес-
печивает простоту конструкции и малый вес ее на единицу пло-
щади теплообмена по сравнению с другими теплообменниками.
Однако основной недостаток теплообменников жесткой конструк-
ции — плохая восприимчивость к температурным напряжениям —
ограничивает их применение.
На рис. VI-3 приведена конструкция кожухотрубчатого теп-
лообменника жесткой конструкции с поверхностью нагрева 180 м2.
Теплообменник одноходовой по корпусу; для интенсификации теп-
Рис. V-3. Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции:
1 — распределительная камера; 2 — корпус; 3 — днище; 4 — трубная решетка; 5 — теплооб-
менные трубы; б— перегородки трубного пучка.
лообмена устанавливают несколько трубных перегородок, регули-
рующих поток жидкости или газа. Эти же перегородки придают
пучку труб большую устойчивость, обеспечивая прямолинейность
теплообменных труб, что очень важно для эксплуатации. По чис-
лу ходов в теплообменных трубках эти теплообменники могут
быть одно-, двух-, четырех- и многоходовыми. Число труб по хо-
дам обычно одинаковое.
Рис. VI-4. Соединение трубных решеток с корпусом теплообменника:
а. б —приваркой к корпусу н днищу; в — присоединением днища к корпусу на фланцах.
На рис. VI-4 показаны три способа соединения трубных реше-
ток с корпусом, применяемые в зависимости от конструктивного
оформления теплообменника.
Температурные напряжения. Усилия, возникающие в корпусе
и трубах жесткого теплообменника под действием температурных
деформаций, зависят от разности температур стенок труб и кор-
пуса, материала, из которого они изготовлены, а также от их по-
перечных сечений. Так как крепление корпуса и труб жесткое, они
(VI.Ю)
(VI.11)
материала,
и (VI.И)
(VI.12)
(VI. 13)
подвержены одинаковым по величине и противоположным по на-
правлению усилиям. Если предположить, что трубные решетки со-
вершенно не деформируются и что /т>/к, а ат>ак, эти усилия
определяют по формуле
л _Л -П — Ик) tK + ат (/т — ZK)J ETEKF-rFK
ЧТ ук — у — £ £KfK ' v 1 •a J
где QT, Qk — растягивающее или сжимающее усилие от температурных дефор-
маций в трубах и корпусе;
От, Як — коэффициенты теплового расширения труб и корпуса;
1т, 1к — температуры стенок труб и корпуса;
FT — суммы площадей поперечного сечения всех труб;
FK — площадь поперечного сечения корпуса;
Ет, Ек — модули упругости для материалов труб и корпуса.
Температурные напряжения в трубах ат и в корпусе ак выразятся
в виде:
_ Q __ [(&Т Дк) + °^Т (^Т Ц]
т Тт £'тТт-|~^к^к
_ Q [(&т' ^к) ~~Ь (^Т ^к)] т
FK ~ EtFt + EkFk
Если корпус и трубы выполнены из одинакового
т. е. ат=ак=а и £Т=ЕК=Е, то выражения (VI.10)
примут более простой вид:
Л (^Т -^к) к
ат = FT + FH
____ а т
- F+ FK
Из этих двух уравнений можно установить, что
gT _ FK
ак FT
т. е. что для одного и того же теплообменника напряжения в кор-
пусе и трубах обратно пропорциональны их площадям поперечно-
го сечения.
Если наряду с условиями, принятыми для уравнений (VI.12) и
(VI. 13), предположить, что площади поперечных сечений труб и
корпуса равны, т. е. Ет —Ек = F, то
Для стали Ст. 3 а= 11,5-10-6 град-1, Д=2,Ы05 МН/м2. Тогда
при разности температур между стенками /т—/К=1°С значение
о=1,21 МН/м2. При разности iT—/К=1ОО°С значение о=
= 121 МН/м2.
Все жесткие теплообменники имеют малую длину, чтобы раз-
ность абсолютных удлинений не превышала допускаемых величин.
Поскольку температурные напряжения велики, теплообменники
жесткой конструкции без компенсации применяют только в тех
случаях, когда разность между температурами стенок корпуса и
труб не превышает 40 °C. Когда эта разность более 40 °C, корпус
аппарата снабжают линзовыми компенсаторами, которые воспри-
нимают температурные деформации (рис. VI-5). Как правило,
Рис. VI-5. Конструкции стальных линзовых компенсаторов на корпусах теплообменников:
в —сварной из нескольких секторных частей, соединенных по радиальным плоскостям; б —
сварной из двух штампованных полулинз.
линзовые компенсаторы устанавливают на корпусах малых диа-
метров, работающих при невысоких давлениях, иначе линзы долж-
ны быть толстостенными, что уменьшает их компенсирующую спо-
собность. Компенсирующая способность корпуса определяется
числом и размерами компенсаторов на нем.
При эксплуатации важно следить за тем, чтобы разность тем-
ператур теплообменивающихся потоков не превышала допусти-
мой. Следует иметь в виду, что механическая чистка стенок кор-
пуса и наружных поверхностей труб от загрязнений практически
невозможна, поэтому межтрубный поток в теплообменнике не
должен содержать примесей. Замена вышедших из строя труб —
весьма кропотливая операция, поэтому их обычно заглушают с
двух сторон металлическими пробками.
Крепление труб в трубных решетках. Способ крепления труб
в трубных решетках должен обеспечить прочность и плотность со-
единения с учетом работы в условиях больших температурных ко-
лебаний. Наибольшее распространение получило крепление труб в.
гнездах трубной решетки развальцовкой, т. е. раздачей конца тру-
бы внутри гнезда до плотного соприкосновения с ним и появления
в стенках гнезда упругих деформаций, достаточных для прочного
удержания трубы.
На рис. VI-6 приведены схемы крепления труб развальцов-
кой в гнездах монометаллической и биметаллической решеток.
В гнездах трубной решетки сделано по две вытачки-канавки,, ко-
торые в процессе развальцовки заполняются металлом трубы и
обеспечивают прочность соединения. Число канавок может быть
больше, если теплообменник работает при высоких давлениях и
температурах.
Концы труб должны выступать над поверхностью трубной ре-
шетки на длину, равную толщине стенки трубы. В процессе раз-
rjlljtjUHLL
ризвамцоИка
Рис. V(-6. Крепление труб в трубных решетках развальцовкой:
а — при монометаллической решетке; б— при биметаллической решетке.
вальцовки эти концы отбортовывают, что обеспечивает дополни-
тельную прочность и плотность соединения. Диаметр гнезда под
развальцовку устанавливают по наружному диаметру трубы с
учетом допусков на ее изготовление. Например, для наиболее ча-
сто применяемых труб 25X2,5 мм диаметр гнезда принимают рав-
ным 25,4 мм.
Рис. VI-7. Схема расчета развальцовочного соединения.
Теплообменные трубки размещают в решетке по вершинам
равносторонних треугольников или шестиугольников с шагом в
пределах (1,22—1,30) dH, где — наружный диаметр трубок.
Трубную решетку размечают так, чтобы корпус теплообменника
был заполнен возможно большим числом труб.
Из рис. VI-7 легко вычислить, что при шаге между трубами t
на одну трубу приходится площадь решетки, равная 0,866 t2. Ис-
ходя из этого число трубок п, размещаемых на решетке, опреде-
ляют из уравнения
лО2 / D \2
n=e 4-0,866l2 j j (VI.15)
где е — коэффициент заполнения теплообменника трубами (<?=0,7—0,85);
D — диаметр круга, на котором размещены трубы.
Расчет развальцовочного соединения сводится к проверке труб
на вырывание под действием давления в корпусе, давления в тру-
бах и температурных напряжений.
Сначала определяют вырывающее усилие от наибольшего из
давлений Р. Если допустить, что трубная решетка абсолютно
жесткая, а нагрузка на все трубы одинакова, то на каждую трубу
придется нагрузка
<7i =Pf (VI. 16)
где f — площадь трубной решетки, приходящаяся на одну трубу без площадей
гнезд (рис. VI-7).
/ = 0,86612 —-^-d2 (VI. 17)
Усилие от температурных напряжений, приходящееся на одну
трубу:
<72 = чт/т (VI. 18)
где От — температурные напряжения в трубах;
fT — площадь поперечного сечения стенки теплообменной трубы.
Суммарная нагрузка на одну трубу
<7 = ‘7i + <?2 = -P(o,86672--^-d2)-|-^-aT (d2 - d2) (VI.19)
где du — внутренний диаметр трубы.
Прочность развальцовочного соединения оценивают по нагруз-
ке, приходящейся на единицу длины окружности гнезда:
а = -^- (VI.20)
где а — удельная нагрузка;
d'— диаметр гнезда.
Развальцовочное соединение считают прочным, если о 0,006
МН/м при развальцовке труб в отверстиях без канавок и ст^0,01
МН/м при развальцовке труб в отверстиях с канавками. Однако
соблюдение только этого условия недостаточно. Для прочности
развальцовочного соединения необходимо также, чтобы трубная
172
решетка была достаточной толщины. Трубную решетку рассчиты-
вают на изгиб от приведенного давления Рпр'.
р_____Q-----(VI 21)
Fp ~ stD* 4
где Fp — площадь решетки;
D — диаметр решетки;
Q —наибольшая ив нагрузок на решетку (Q' и Q"), определенных для
случаев, когда РК>РТ и РГ>РК.
Q'=^-PK(D*-™£) (VI. 22)
л / о ndlFT \
Q" = ^M +-F^) (VI-23)
Толщину трубной решетки s определяют по формуле
s = Dk-f^ + C (Vl24>
г адоп ф
где k — коэффициент, зависящий от конструкции закрепления решетки (см. рас-
чет плоских днищ);
С — прибавка на двухстороннюю коррозию решетки; обычно С = 0,004 м;
ip — коэффициент прочности решетки, учитывающий ослабление ее гнездами
под трубы:
где п' — число труб в ряду.
На рис. VI-8 показаны схемы крепления труб в трубных решет-
ках посредством сварки. В некоторых случаях в жестких теплооб-
менниках развальцовку комбинируют со сваркой. Для улучшения
условий сварки уменьшают толщину свариваемых участков ре-
Рис. VI-8. Крепление труб в трубных решетках сваркой:
а — без обработки решетки под сварку; б — с обработкой гнезд решетки под сварку; в —
с канавками вокруг сварного шва.
щетки у гнезд. Для этого вокруг сварного шва на решетке дела-
ют неглубокие выточки. Сварное крепление труб возможно толь-
ко в тех случаях, когда трубная решетка и трубы изготовлены из
хорошо свариваемых металлов.
Поверхность теплообмена. Для кожухотрубчатых теплообмен-
ников принимают трубы диаметром 20, 25 и 36 мм при толщине
стенки соответственно 2, 2,5 и 3,5 мм. Чем меньше диаметр труб,
тем больше поверхность теплообмена при равных объемах аппа-
ратов. Длина теплообменных труб — 3, 6, 9 м. Внутренний диа-
метр корпусов теплообменных аппаратов 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8;
1,0 м и далее до 3 м через каждые 0,2 м.
Поверхность теплообмена аппарата вычисляют по формуле
Fp=ndHn(l— 0,08) (VI.26)
где Fp — рабочая поверхность теплообмена;
da —наружный диаметр труб;
/ — длина одной трубы;
п — число труб;
0,08 — средняя длина двух концов трубы, приходящаяся на гнезда трубных
решеток.
ТЕПЛООБМЕННИКИ С ПЛАВАЮЩЕЙ ГОЛОВКОЙ
Общий вид кожухотрубчатого теплообменника с плавающей го-
ловкой приведен на рис. VI-9. Одна из трубных решеток теплооб-
менника не прикреплена к корпусу, так что температурные дефор-
Рис. VI-9. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:
/ — корпус; 2 — трубный пучок; 3 — плавающая головка; 4 — днище; 5 — опора; 6 — крыш-
ка; 7 — распределительная камера.
мации воспринимаются корпусом и трубным пучком. Благодаря
этому и корпус, и трубный пучок не испытывают температурных
напряжений. Теплообменники такой конструкции в нефтеперера-
батывающей промышленности находят наиболее широкое приме-
нение.
Теплообменник работает следующим образом. Один из тепло-
обменивающихся потоков поступает через штуцер в распредели-
тельную камеру, затем через часть труб пучка — в камеру, обра-
зованную подвижной трубной решеткой и ее крышкой (плаваю-
щую головку). Изменив в камере направление движения, поток
проходит оставшуюся часть труб и вновь поступает в распредели-
тельную камеру. Объем камеры разделен плоской перегородкой на
174
две (или более) части. С помощью перегородок можно создать в
теплообменниках по трубному пространству 2, 4 и большее число
потоков. Теплообменники называют соответственно двух-, четырех-
и многопоточными.
Другой теплообменивающийся поток поступает в корпус и,
омывая теплообменные трубы, покидает его. Почти все теплооб-
менники с плавающей головкой являются одноходовыми по кор-
Рис. VI-10. Типы поперечных перегородок:
/ — с секторным вырезом, обеспечивающим ток жидкости по винтовой линии; // — с ще-
левым вырезом, обеспечивающим волнообразное движение; ///— с сегментным вырезом;
IV — кольцевые, обеспечивающие движение от периферии к центру, и наоборот.
пусу (межтрубному пространсту). Увеличение числа ходов по кор-
пусу весьма сложно и ненадежно, поэтому к нему прибегают в ис-
ключительных случаях. Для удлинения пути жидкости в корпусе
пучки труб снабжают поперечными перегородками из листовой
стали толщиной 5 мм и более. Расстояние между перегородками
принимают от 0,2 м до 50 dH (где dH— наружный диаметр тепло-
обменной трубы).
Геометрическая форма перегородок и их взаимное расположе-
ние определяют характер движения потока по корпусу теплооб-
менника. Наиболее часто встречающиеся перегородки приведены
на рис. VI-10.
Поперечные перегородки фиксируются одна по отношению к
другой посредством распорных труб, прижимаемых к ним общи-
ми тягами (обычно четырьмя).
Таблица VI-1. Поверхность теплообмена теплообменников ТП
с гладкими трубами*
Диаметр Диаметр Число Поверхность теплообмена (в м2) дрн длине труб, мм
3000 6000 9000 6000 9000
кожуха, труб, ходов по трубам расположение труо в решетке
мм мм
по вершинам
по вершинам квадрата треугол ьника
325 20 2 И,7 23,4
25 2 9,4 19,0 .— — —
426 20 2 23,4 47,0 — — —
25 2 19,3 38,6 — — —
500 20 2 39,4 79,0 .— —
25 2 31,2 62,4 — —
600 20 2 — 119,0 179,0 135,0 202,0
20 4 — 111,0 166,0 122,0 183,0
25 2 — 99,0 149,0 109,0 164,0
25 4 — 90,0 135,0 97,0 146,0
800 20 2 — 214,0 322,0 249,0 374,0
20 4 — 200,0 300,0 231,0 346,0
25 2 — 171,0 258,0 196,0 294,0
25 4 — 160,0 240,0 178,0 267,0
1000 20 2 — 352,0 528,0 411,0 610,0
20 4 — 336,0 504,0 384,0 576,0
25 2 — 291,0 436,0 332,0 502,0
25 4 — 275,0 413,0 308,0 462,0
1200 20 2 — 525,0 788,0 611,0 916,0
20 4 — 505,0 756,0 584,0 875,0
25 2 — 425,0 636,0 490,0 735,0
25 4 — 405,0 607,0 460,0 693,0
1400 20 2 — 726,0 1090,0 843,0 1260,0
20 4 708,0 1060,0 805,0 1210,0
25 2 — 590,0 885,0 686,0 1030,0
25 4 — 567,0 852,0 650,0 980,0
ио технической докумен-
* Геометрическая поверхность накатанных труб принимается
тации, утвержденной в установленном порядке.
Кроме технологического назначения поперечные перегородки
служат также промежуточными опорами для трубного пучка,
препятствуя прогибанию его при горизонтальном расположении
аппарата.
Конструкция теплообменников с плавающей головкой разъем-
ная: трубный пучок можно извлечь из корпуса, благодаря чему
становятся доступными чистка и осмотр поверхности труб и кор-
пуса.
Конструкция, условия изготовления и поставки теплообменни-
ков предусмотрены ГОСТ. Он распространяется на кожухотруб-
чатые теплообменники с плавающей головкой для нагрева и ох-
лаждения жидких и газообразных сред при диаметре кожуха от
325 до 1400 мм, условном давлении от 1,6 до 6,4 МН/м2 в трубном
или межтрубном пространстве, в пределах рабочих температур от
минус 30 до плюс 450 °C. В ГОСТ предусмотрены основные разме-
ры теплообменника, поверхности теплообмена, площади проходного
сечения по трубам и межтрубному пространству, материал кожуха,
распределительной камеры, труб и трубных решеток, области при-
менения в зависимости от диаметра, давления и материала, а так-
же вес теплообменников.
Все сказанное выше относится и к кожухотрубчатым конденса-
торам с плавающей головкой.
В табл. VI-1 и VI-2 приведены некоторые характеристики теп-
лообменников с плавающей головкой.
Теплообменники и конденсаторы имеют условное обозначение,
по которому можно представить их конструктивные особенности.
Условное обозначение представляет собой дробь, в числителе ко-
торой указаны диаметр кожуха (в мм); тип аппарата — ТП или
КП (теплообменник или конденсатор); расчетное давление
(в кгс/см2) и шифр группы материального оформления (Мь М2,
М3, М+, Bi, В2, Бз). В знаменателе указывают наружный диаметр
теплообменной трубы и через знак умножения толщину ее стенки,
затем букву Г (если теплообменные трубы гладкие) или букву Н
(если они имеют накатанную внешнюю поверхность), далее длину
трубы (в м), затем букву К (при расположении труб по вершинам
квадрата) или букву Т (при расположении по вершинам тре-
угольника) и, наконец, число ходов по трубному пучку.
По шифру группы материального оформления из таблиц легко
установить характеристику материалов всех конструктивных эле-
ментов теплообменника (корпуса, распределительной коробки,
труб, трубных решеток, перегородок, шпилек и прокладок).
Кроме гладких теплообменных труб получают распространение
ребристые трубы, т. е. трубы, наружные поверхности которых
имеют накатку в виде ребер. Оребрение позволяет увеличить по-
верхность труб в 2—2,5 раза, что обеспечивает повышение эффек-
тивности теплообмена.
На рис. VI-11 показан узел сопряжения распределительной ка-
меры с неподвижной трубной решеткой пучка. Решетка зажата
шпильками между фланцами камеры и корпуса на прокладках.
Чтобы при снятии распределительной камеры не повредить про-
кладку между неподвижной решеткой и фланцем корпуса, две из
шпилек снабжают заплечиками (буртами), обеспечивающими не-
подвижность решетки по отношению к корпусу.
Плавающая головка теплообменника (рис. VI-12), включающая
подвижную решетку трубного пучка, днище (крышку) и крепеж-
ные детали, работают в сложных условиях: во-первых, все соеди-
нения находятся внутри корпуса и недоступны для осмотра при
эксплуатации; во-вторых, крепежные детали находятся в среде
одного из теплообменивающихся потоков и непосредственно вос-
принимают все его температурные изменения.
Таблица VI-2. Температурные пределы применения теплообменников ТП
Условное давление, кгс/см2 Назначе- ние Теплообменники из углеродистых сталей и биметаллов с основным слоем нз углеродистых сталей марок ВМСт.Зсп, 20 и 16 ГС
Наибольшее р абочее давление
до 100 200 250 300 350 400 425 450
16 А 16 14,0 13,5 12,0 11,0 10,0 8,5 7,0
Б 14 12,5 12,0 11,5 10,6 9,0 7,5 6,5
25 А 25 22,0 21,5 19,5 17,5 16,0 13,0 11,0
Б 22 19,5 19,0 18,0 16,5 14,5 12,0 10,0
40 А 40 35,0 34,0 31,0 29,0 26,0 21,0 17,0
Б 35 33,0 32,5 30,5 27,5 23,5 19,5 16,0
64 А 64 56,0 54,5 50,5 46,0 41,0 34,0 27,5
Б 55 52,0 51,0 48,0 43,0 37,0 31,5 26,0
Примечания: I. Пределы применения не должны превосходить указанные в тех
2. Теплообменники с трубными решетками из сталей Х181110Т. X17HI3M2T применять
А — теплообменники для нагрева и охлаждения невзрывоопаспых и пожаробезопасных
Б — теплообменники для нагрева и охлаждения взрывоопасных и пожароопасных сред
На рис. VI-13 дана конструкция крепления крышки с помощью
накидных фланцев (рис. VI-13, а) и накидных полуколец (рис.
VI-13, б). В первом случае трубную решетку снабжают выточкой,
куда закладывают два полукольца прямоугольного сечения, слу-
жащие заплечиком для накидного фланца. Во втором случае полу-
Рис. VI-11. Узел сопряжения распредели-
тельной камеры с неподвижной трубной
решеткой:
/— корпус теплообменника; 2— распре-
делительная камера; 3 —трубная решет-
ка; 4— монтажная шпилька с буртом.
Рис. VI-12. Плавающая головка теплооб-
менника:
/ — подвижная трубная решетка; 2 — про-
кладка; 3 — днище; 4 — нажимной болт;
5 — фланцевая скоба; 6 — муфта.
кольца, надеваемые на решетку, сами являются накидным флан-
цем.
Расчет элементов плавающей головки. Толщину трубной ре-
шетки плавающей головки принимают такой же, как и неподвиж-
Теплообменники с кожухом из угле-
родистых сталей и биметаллов
с основным слоем из углеродистых
сталей и трубными решетками
из сплавов АМг5, АМгб
Теплообменники с кожухом из углеродистых
сталей, стальными трубными решетками с наплавкой
латунью и латунными трубами
(в кгс/см2) при температурах среды в °C
до 100 125 150 до 100 125 150 175 200
16 12,5 12 16 14,0 14,0 14,0 14,0
14 12,5 12 14 12,5 12,5 12,5 12,5
25 20 19 25 22,0 22,0 22,0 18,0
22 20 19 22 19,5 19,5 19,5 16,0
— — — 40 37,0 34,0 31,0 18,0
— — — 35 31,0 29,0 25,0 16,0
— — — — — — —. ——
— — — — — — —
нической документации, утвержденной в установленном порядке.
при температуре до 325 °C.
сред и сред, не обладающих токсичностью.
и сред, обладающих токсичностью.
пой, рассчитываемой на изгиб от наибольшего давления в корпусе
пли в трубном пучке.
Толщину решетки s определяют по формуле
s=D
0,122р
°ДОП ф
(VI.27)
+ С
где
D—диаметр решетки;
Р — наибольшее давление в теплообменнике;
Одоп — допускаемое напряжение на изгиб;
<р — коэффициент прочности решетки, определяемый по формуле
С — прибавка на коррозию, принимается равной 0,004 м.
(VI.25);
Рис. VI-13, Конструкции крепления крышки плавающей головки:
а — накидным фланцем; б — накидными полукольцами; / — трубная решетка; 2 — проклад-
ка; 3 — крышка; 4 — крепежная шпилька; 5 -- полукольцо; 6 — накидной фланец; 7 — по-
лукольцо закладное; 8 — асбестовое заполнение монтажного отверстия закладного полу-
кольца.
Прочность развальцовочного соединения проверяют по допу-
стимым значениям удельных нагрузок, приведенным выше для
жестких теплообменников. Фактическую удельную нагрузку а оп-
ределяют по формуле
o = 0,25PdH (VI. 28)
Фланцевые скобы рассчитывают на изгиб под действием бол-
товой нагрузки.
При эксплуатации о наличии пропусков в трубах или в соеди-
нениях пучка узнают, когда в одном из теплообменивающихся по-
токов обнаруживают следы другого. В таких случаях теплообмен-
ник отключают от системы для ревизии и ремонта.
Для поддержания высокой эффективности теплообмена по-
верхности теплообменных труб (внутренние и наружные) нужно
систематически очищать от отложений грязи и солей. Характер и
количество отложений зависят от свойств продукта, а также от
температуры и скорости потоков. Чистку производят промывкой
горячей водой, керосином, соляровым маслом, кислотами (напри-
мер, смесью соляной кислоты и уникола), а также механическим
способом.
ТЕПЛООБМЕННИКИ С U-ОБРАЗНЫМИ ТРУБАМИ
Кожухотрубчатые аппараты с U-образными теплообменными тру-
бами применяют в тех случаях, когда трубы не загрязняются в
процессе работы или когда образующуюся на их стенках грязь
можно легко смыть водой либо растворить в керосине. Эти теп-
лообменники отличаются простотой конструкции и надежностью
при эксплуатации. Отсутствие в них узла плавающей головки и
крышки корпуса значительно уменьшает опасность течей. Темпе-
ратурная компенсация свободного конца трубного пучка обеспе-
чивается креплением к неподвижной трубной решетке обоих кон-
цов каждой трубы, согнутой в форме буквы U.
Основные конструктивные размеры этих теплообменников та-
кие же, как и теплообменников с плавающей головкой, но общая
длина их несколько меньше. При одинаковых диаметрах корпуса
и труб число U-образных труб в рассматриваемых аппаратах
больше, чем в теплообменниках с плавающей головкой. Нужное
число ходов по трубному пространству обеспечивается перегород-
ками в распределительной камере и соответствующей схемой
сборки труб в трубной решетке.
Теплообменники с U-образными трубами можно устанавливать
вертикально и горизонтально. В последнем случае смена пучка
труб несколько сложнее, особенно при затаскивании его в корпус.
Поэтому при диаметрах аппаратов более 800 мм пучки снабжают
опорной платформой с катками, перекатывающимися по внутрен-
ней поверхности корпуса (рис. VI-14). В теплообменниках мень-
шего диаметра пучки по концам снабжены поперечными опорными
перегородками.
Корпус аппарата должен быть снабжен спускным штуцером.
Для удобства затаскивания новых пучков через штуцер в днище
корпуса пропускают трос, которым зацепляют проушину тяги, при-
крепленной к трубной решетке (см. рис. VI-14).
Рис. V1-14. Часть теплообменника с U-образными трубами:
1 — корпус; 2 — платформа, несущая трубный пучок; 3 — каток; 4 — поперечная решетча-
тая перегородка трубного пучка; 5 — штуцер для продукта; 6 — монтажный штуцер; 7 —
пруток для затаскивания пучка; 8— теплообменная труба.
Механическая чистка теплообменников с U-образными труба-
ми практически исключена, поэтому в процессе эксплуатации не:
обходимо принимать все меры для предотвращения образования
на стенках труб твердых нерастворимых и несмываемых осадков.
Основные достоинства всех кожухотрубчатых теплообменни-
ков — их компактность и малый расход металла на единицу по-
верхности теплообмена. Недостатком кожухотрубчатых теплооб-
менников является их склонность к загрязнению теплообменива-
ющихся поверхностей. С увеличением толщины отложений на по-
верхностях труб коэффициент теплопередачи постепенно уменьша-
ется, и теплообмен ухудшается.
ТЕПЛООБМЕННИКИ «ТРУБА В ТРУБЕ»
Известно, что чем больше скорость движения среды, омывающей
поверхность теплообменной трубы, тем меньше вероятность за-
грязнения поверхностей теплообмена. Это в свою очередь обеспе-
чит стабильность коэффициента теплопередачи. Кроме того, при
больших скоростях движения теплообменивающнхся потоков ко-
эффициент теплопередачи значительно возрастает.
Основным достоинством теплообменников «труба в трубе» яв-
ляется возможность установления наиболее целесообразных для
данного процесса скоростей движения теплообменивающихся по-
токов. Эксплуатационные показатели этих теплообменников при
правильных компоновке и обслуживании лучше, чем показатели
аппаратов других конструкций.
Другим достоинством теплообменников «труба в трубе» явля-
ется возможность создания в них чистого противотока. Они при-
годны также для теплообмена между средами, содержащими боль-
шое количество грязи и различных взвешенных частиц.
В нефтеперерабатывающей промышленности применяют не-
сколько типов теплообменников «труба в трубе», отличающихся
конструкцией, схемой компоновки и работы.
ОДНОПОТОЧНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ
Отличают неразборные и разборные однопоточные теплообменни-
ки. Первые выполнены в виде многоходовых секций с различным
числом ходов, вторые — в виде двухходовых секций.
Неразборные теплообменники имеют в основном жесткую кон-
струкцию, выполненную целиком на сварке. Для чистки внутрен-
них труб их двойники делают разъемными. На рис. VI-15 показан
Рис. VI-15. Секц<ии однопоточных теплообменников «труба в трубе»:
.а — четырехходовая жесткой конструкции; б — двухходовая разборной конструкции; / — на-
ружная труба; 2 — внутренняя труба; 3— двойник; 4 — калач; 5 — ребра для целтррвки
труб.
теплообменник с приварными и съемными двойниками. На прак-
тике такая комбинация возможна, но обычно теплообменники из-
готовляют либо с приварными, либо с разъемными двойниками.
Жесткие теплообменники типа «труба в трубе» подвержены
температурным напряжениям, которые рассчитывают так же, как
и напряжения в жестких кожухотрубчатых теплообменниках. По
формуле (VI.14) можно подсчитать, что при разности температур
теплообменивающихся потоков Д^=70°С во внутренних трубах
создается напряжение до 140 МН/м2, а в сварных швах еще боль-
ше. Поэтому теплообменники жесткой конструкции применяют при
разностях температур не более 40 °C. Чаще всего их используют в
качестве холодильников для низкотемпературных потоков. Недо-
статком теплообменников этого типа является также то, что не-
возможно осуществить механическую чистку поверхностей тепло-
обмена (при съемных двойниках — наружную поверхность внут-
ренней трубы), вследствие чего их применяют только для сред, не
содержащих твердых, несмываемых и нерастворимых осадков.
Вместе с тем рассматриваемые теплообменники отличаются
простотой конструкции, малым весом, а также высоким коэффици-
ентом теплопередачи, который обеспечивается благодаря выбору
любых скоростей потоков за счет подбора различных диаметров
внутренней и наружной труб (25, 38, 48, 60, 76, 89, 108, 133, 159,
194 и 219 мм).
На рис. VI-15 показана одна двухходовая секция теплообмен-
ника «труба в трубе» разборной конструкции. Он имеет свободную
компенсацию температурных деформаций и для внутренней и для
наружной труб; все элементы его доступны для чистки.
Компенсация температурных деформаций достигается с по-
мощью двойника, который соединяет внутренние трубы и свобод-
Рис. VI-16. Формы оребренных труб для теплообменников «труба в трубе»:
а — приварные продольные ребра; 6 — приварные шипы; a — выдавленные продольные-
ребра.
по размещен в полости крышки (калаче), объединяющей кольце-
вые пространства аппарата. Двойник соединяется с трубами на
фланцах, однако при высоких температурах сред во избежание
пропусков соединения выполняют сварными. Для того чтобы тру-
бы располагались концентрично и кольцевое сечение было неиз-
менным по всей их длине, к наружной поверхности внутренней
трубы приваривают продольные упоры-ребра. Отдельные секции
собирают в теплообменник последовательной сборкой.
Конструкция теплообменников «труба в трубе» позволяет при-
менять в качестве внутренних оребренные трубы. При этом теп-
лообмен становится в 1,5—1,8 раза эффективнее, чем при исполь-
зовании плоских труб. На рис. VI-16 показаны основные способы
оребрения, применяемые в настоящее время в машиностроении.
Способ оребрения выбирают в зависимости от свойств среды в
кольцевом пространстве теплообменника. Например, продольные
ребра эффективны для газовой среды и для маловязких нефте-
продуктов. Продольные ребра могут быть перфорированными или
иметь вырезы, как показано на рис. VI-16. Трубы с приварными
шипами применяют в среде высоковязких нефтепродуктов.
В некоторых конструкциях теплообменников «труба в трубе»
внутренние трубы могут иметь ребра, выдавленные одновременно
и по внутренней и по наружной поверхностям.
Недостатки однопоточных теплообменников разборной конст-
рукции — большое число фланцевых соединений, являющихся ис-
точниками течей, а также некомпактность и трудоемкость ре-
монта.
МНОГОПОТОЧНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ
Компактностью и удобством в эксплуатации отличаются многопо-
точные теплообменники. В табл. VI-3 дана характеристика таких
теплообменников, выпускаемых промышленностью.
Размер наружных (кожухных) труб многопоточных теплооб-
менников равен 79X5 мм, внутренних (теплообменных) — 48Х
Х4 мм. Допустимое давление при температуре до 100 °C равно
Таблица VI-3. Поверхности теплообмена многопоточных теплообменников
типа «труба в трубе»
Число парал- лельных потоков Обозначе- ние аппарата Число труб Номинальная наружная поверхность теплообмена, м2 Наружная поверхность труб, м2
с продольными ребрами с шипами с выдавленны- ми ребрами
при длине труб, м при длине труб, м
6 9 6 9 6 9 6 9
3 5 7 12 22 ТТ 3-1 ТТ 5-1 ТТ 7-1 ТТ 12-1 ТТ 22-1 6 10 14 24 44 6 10 14 24 44 9 15 21 36 66 33 55 77 132 242 50 82 115 198 363 18 30 42 72 132 27 45 63 108 198 15 25 35 60 ПО 22 37 52 90 165
4 МН/м2, допустимая температура составляет 450 °C. С увеличени-
ем температуры наибольшее допустимое давление соответственно
уменьшается, например, при 200 °C — 3,7 МН/м2; при 300—3,2; при
350—2,8; при 400—2,4; при 450 °C — 1,6 МН/м2.
На рис. VI-17 показана конструкция семипоточного теплооб-
менника. Он состоит из четырнадцати наружных труб диаметром
89 мм, в которых концентрично установлены внутренние оребрен-
Рис. VI-17. Многопоточный теплообменник «труба в трубе»:
1 — наружные трубы; 2 — внутренние трубы; 3 — распределительная камера; -1 — дпишс,
5— соединительный двойник.
ные трубы диаметром 48 мм. Наружные (кожухные) трубы по
концам развальцованы в трубных решетках и приварены к ним.
Передняя решетка изготовлена заодно с распределительной каме-
рой.
Внутренние трубы крепятся к трубной решетке, установленной
между распределительными камерами внутреннего и кольцевого
потоков. На рис. VI-18, а показан узел крепления, в котором гер-
метичность обеспечивается за счет упругой деформации кониче-
ской поверхности отверстия в решетке и шаровой поверхности на-
конечника трубы при затяжке гайки.
Двойники, соединяющие внутренние трубы, крепятся к ним
сваркой (если не требуется механическая чистка внутренних по-
верхностей труб) или с помощью накидных гаек (рис. VI-18, б)’.
Разъемные двойники изготовляют для теплообменников, в кото-
рых не более семи потоков.
Многопоточные теплообменники «труба в трубе» компонуют но
нескольку штук в так называемые строенные теплообменники. Та-
кие теплообменники выпускаются заводами под условными обо-
значениями (шифрами), по которым можно полностью предста-
вить их техническую характеристику. Так, например, шифр
ТТ-7-1-40
6-ПР-ЛЦ х 3
означает, что теплообменник типа «труба в трубе», семипоточный,
рассчитан на давление 40 кгс/см2 (4 МН/м2), длина наружных
(кожухных) труб 6 м, внутренние трубы — с приваренными про-
Рис. VI-18. Узлы соединения внутренних труб теплообменника «труба
в трубе»:
а — с трубной решеткой; б — с двойником; / — трубная решетка; 2 —
внутренняя труба; 3 — шаровой наконечник трубы; 4 — гайка; 5 — фа-
сонный наконечник двойника; 6'— двойник; 7 — фасонный наконечник
трубы; 8 — накидная гайка.
Рис. VI-19. Строенны^ теплообменник:
1 и 2, 3 и 4 — ттуцера ввода и вывода соответственно одной и другой теллообмснивающихся жидкостей.
дольрыми ребрами (ПР), относится к группе материального
оформления Mi и состоит из трех последовательно соединенных
секций.
Каждый строенный теплообменник скомпонован в специаль-
ной металлоконструкции (рис. VI-19) и снабжен площадками для
обслуживания.
КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ
К теплообменникам «труба в трубе» относятся также трубчатые
кристаллизаторы. Процесс теплообмена в кристаллизаторах со-
провождается выделением из охлаждаемой жидкости и непрерыв-
ным удалением из теплообменника твердых осадков — целевого
продукта.
Рис. VI-20. Кристаллизатор установки депарафинизации масел:
/—секция кристаллизатора; 2—емкость для хладоатепта; 3—электродвигатель; 4— редук-
тор; 5 — цепная передача; 6 — указатель вращения вала; 7 — линзовый компенсатор.
На рис. VI-20 показана конструкция трубчатого кристаллиза-
тора, получившего распространение на установках депарафини-
зации масел. Он состоит из 10 секций. Размеры наружных (ко-
жухных) труб составляют 219X8 мм, внутренних труб—168Х
ХЮ мм. Кристаллы парафина выпадают на внутренней поверхно-
сти внутренней трубы. По кольцевому сечению проходит охлаж-
дающая среда (водный раствор хлористого кальция, аммиак, про-
пан и т. д.).
Для непрерывного удаления выпадающего парафина во внут-
реннюю трубу помещают специальное скребковое устройство
(рис. VI-21). Оно представляет собой полый вал, составленный из
отдельных звеньев, на котором закреплены плоские скребки. Под
действием пружин, размещенных в поперечных втулках, вварен-
ных в полый вал, скребки постоянно прижаты к внутренней по-
верхности трубы.
Полый вал скребкового устройства вращается во вставленных
в трубу подшипниках скольжения со скоростью 10—12 об/мин. Он
приводится в движение от электродвигателя через редуктор по-
Рис. VI-21. Скребковое устройство кристаллизатора:
1 — наружная труба; 2—внутренняя труба; 3— вал; 4 — скребок; 5 — стержень; 6 — болт;
7 — палец; 8 — пружина; 9 — подшипник.
средством цепной передачи, общей для нескольких секций. В слу-
чае необходимости каждая секция может быть сконструирована
с индивидуальным приводом.
В процессе эксплуатации необходимо следить за исправностью
скребковой системы, чтобы не допустить в случае ее поломки заку-
порки внутренней трубы. Для этого конец вала (со стороны, про-
тивоположной приводу) выступает за внешнюю трубу. Если этот
конец не вращается при работающем механизме, кристаллизатор
останавливают и устраняют неисправность. Кристаллизатор вклю-
чают в схему действия технологических установок после пуска
скребкового механизма.
ПОДОГРЕВАТЕЛИ С ПАРОВЫМ ПРОСТРАНСТВОМ
Подогреватели с паровым пространством имеют широкое приме-
нение на технологических установках. В общем случае подогрева-
тель представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат
со сферическими днищами, в котором размещают от одного до трех
пучков теплообменных труб — таких же, какие устанавливают в
кожухотрубных теплообменниках со свободной компенсацией пуч-
ка. В корпус подают нефтепродукт, который нагревается паром,
пропускаемым через трубные пучки.
Согласно существующим нормалям, корпуса подогревателей
рассчитаны на давления 0,8, 1,6 и 2,5 МН/м2, а трубные пучки —
на давления 1,6, 2,5 и 4,0 МН/м2. Корпуса изготовляют со следую-
щими значениями внутренних диаметров: 1400, 1600, 2000, 2400 и
3000 мм. Различают подогреватели с пучком, имеющим плаваю-
щую головку (ПП), и с пучком из U-образных труб (ПУ).
Крышка плавающей головки трубного пучка подогревателя со-
единяется с подвижной решеткой посредством фланцевого соеди-
нения, что значительно проще, чем в теплообменниках.
В случае необходимости возможно неравномерное распределе-
ние ходов по числу труб пучка. Благодаря этому удается полнее
использовать поверхность теплообмена, так как пар сначала про-
пускают через большее число труб, а затем образующийся в про-
цессе теплопередачи конденсат — через меньшее число труб. Труб-
ные пучки подогревателей обладают достаточной жесткостью за
счет поперечных трубных перегородок большой толщины (до
10 мм) и распорных трубок, стягиваемых специальными стяжками
посредством гаек.
Рис. VI-22. Подогреватель с паровым пространством и плавающей головкой:
/ — корпус подогревателя; 2 — трубный пучок; 3 -г- распределительный барабан; 4 — отбой-
ный козырек над штуцером подачи жидкости; 5 — платформа; 6 — опорная балка под плат-
форму для трубного пучка; 7— сливной фартук; 8— монтажный штуцер для каната при
затаскивании трубного пучка.
На рис. VI-22 представлен подогреватель с паровым простран-
ством, имеющий трубный пучок с плавающей головкой. Трубный
пучок подогревателя смонтирован так низко, чтобы верхняя обра-
зующая пучка была ниже оси цилиндрического корпуса аппарата.
Требуемый уровень жидкости внутри подогревателя устанавлива-
ется регулированием положения сливной пластины. При этом вы-
сота свободного пространства над жидкостью должна быть не ме-
нее 0,35 D (внутреннего диаметра корпуса). Такая конструкция
подогревателя обеспечивает большое зеркало испарения и, следо-
вательно, наиболее рациональную работу аппарата. Трубный пу-
чок должен быть полностью погружен в жидкость при любом ре-
жиме работы, поэтому при регулировании сливной пластины уро-
вень жидкости устанавливают выше пучка на 100 мм.
Жидкость, подаваемая в корпус подогревателя, после отпарки
через сливную пластину проваливается в задний отсек, откуда за-
тем откачивается насосом или сливается самотеком. Для обеспе-
чения постоянной высоты подпора уровень жидкости в отсеке
поддерживают автоматически с помощью регулятора уровня. До-
статочным считается уровень до 0,5 D, при котором пары не попа-
дают в приемную линию насоса. В некоторых случаях, стремясь
избежать попадания в насос твердых отложений (в частности, кок-
са), патрубок приемного штуцера выполняют так, чтобы он не-
сколько выступал внутрь и был защищен колпаком.
Внутри аппарата над приемным штуцером устанавливают от-
бойный фартук или козырек, который гасит струю поступающей
в аппарат жидкости и равномерно распределяет ее по поверхности
Рис. VI-23. Подогреватель с эксцентричным коническим днищем:
1 — корпус подогревателя; 2 — трубный пучок; 3 — распределительный барабан; 4 — отбой-
ный козырек; 5—монтажный штуцер для пропуска стального каната; б — сливной фартук.
трубных пучков. Он также предохраняет нижние трубы пучков от
эрозионного износа струей.
Подогреватели используют для нагрева жидкости в тех случа-
ях, когда применение трубчатых печей нецелесообразно и когда
необходимо иметь некоторую свободную поверхность нагреваемой
жидкости для испарения из нее отдельных фракций.
Для увеличения зеркала испарения корпуса подогревателей
изготовляют с эксцентрическим коническим днищем (рис. VI-23).
Это позволяет опускать трубный пучок предельно низко.
Подогреватели устанавливают на фундамент на двух опо-
рах — неподвижной и подвижной.
В качестве теплоносителя в подогревателях используют глав-
ным образом насыщенный или отработанный пар. Для полного ис-
пользования тепла конденсации греющего пара на выходе конден-
сата устанавливают конденсационные горшки или мерные
конденсатоотводные шайбы, препятствующие пролету несконден-
сировавшегося пара.
ПОГРУЖНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ И ХОЛОДИЛЬНИКИ
Конденсаторы предназначены для конденсации паров нефтепро-
дуктов, следовательно, в процессе теплообмена физическое состоя-
ние одного из потоков (парового) претерпевает изменение: пар
превращается в конденсат. Поэтому условия передачи тепла (тем-
пература потока, коэффициент теплопередачи) резко изменяются
вдоль поверхности теплообмена.
Отличают следующие характерные участки теплообмена: ох-
лаждение перегретых паров до температуры начала конденсации,
собственно конденсацию и охлаждение конденсата. Первый уча-
сток характеризуется большим перепадом температур и малым ко-
эффициентом теплопередачи, второй участок — незначительным
перепадом температур и максимальным коэффициентом теплопе-
редачи. На третьем участке условия работы такие же, как при
обычном теплообмене между двумя жидкими средами.
Погружные конденсаторы и холодильники отличаются просто-
той ’конструкции, надежностью в эксплуатации, однако по эконо-
мичности и эффективности работы уступают другим аппаратам.
Рис. V-24. Погружной холодильник:
— Kopnvc ящика; 2—поперечные стяжные прутья; — верхний обрамляющий уголок;
4 _ вертикальные стойки; 5—стремянка; 6 — карман для отходящей воды; 7 — штуцер от-
ходящей воды; Я —продольные стяжные прутья; ^ — холодильные трубы змеевика; 10 —
ввод охлаждаемого продукта; //—труба, подводищая охлаждающую веду, /9- - двойники •,
iJ —вывод охлажденного продукта.
Они представляют собой (рис. VI-24) трубные змеевики, погру-
женные в металлический (или железобетонный) прямоугольный
ящик, в который непрерывно поступает охлаждающая вода. По
трубным змеевикам проходит конденсируемая или охлаждаемая
среда. Для конденсаторов змеевики подключают несколькими па-
раллельными потоками посредством коллектора, для холодильни-'
ков все трубы собирают в один или два непрерывных змеевика, в
зависимости от количества охлаждаемого потока.
Прямоугольные ящики изготовляют из стали марок Ст. О и
Ст. 3. Их устанавливают плоским днищем на фундамент (специ-
ально подготовленное песчаное основание) или на металлоконст-
рукцию. К вертикальным стенкам ящика приварены стойки из
швеллеров или двутавров, верхние концы которых стягиваются
стальными прутьями — тягами.
Охлаждающая вода по трубе, погруженной в ящик у одной из
его поперечных стенок, подается к самому днищу и распределяет-
ся коллектором. С противоположной стороны она сливается через
карман, которым по всей ширине снабжен ящик. Уровень воды в
ящике регулируют сливной пластиной, прикрепленной к его борту
болтами. Компоновка ящика должна быть такой, чтобы при ра-
боте уровень воды был выше поверхности самой верхней трубы на
50 мм и ниже верхнего края ящика на 200 мм с учетом возможно-
сти слива воды через края при волнениях.
Вертикальные стенки ящика подвержены гидростатическому
давлению столба воды и работают на изгиб. Изгибающий момент
зависит от гидростатического давления на стенку и расстояния
между укрепляющими стойками L. Прочность стенки обеспечена,
если это расстояние меньше или равно тому значению, которое
определяется по формуле
L = (VI.29)
где s—толщина листа, из которого изготовлены стенки; обычно s=0,006—
0,01 м;
С — прибавка на коррозию; С=0,001 м;
Одоп — допускаемое напряжение на изгиб; аДоП=140—160 МН/м2;
у — удельный вес среды в ящике; для воды у = 0,01 МН/м3;
Н — высота воды в ящике;
<р — коэффициент, зависящий от отношения H1L:
H/L...................3 2 1,5 1
<р.................... 0,64 0,44 0,34 0,19
Вертикальные швы стенок располагают возможно ближе к
стойкам, в зоне которых они испытывают наименьшие изгибающие
моменты.
Стойки изготовляют из двутавров или сдвоенных швеллеров,
сечения которых определяют из расчета на изгиб;
Л4И
Д” =—2-
°ДОП
где Ми — изгибающий момент:
ли
Ми — 8
где Q — нагрузка на одну стойку от давления воды:
уЯ yLH3
Q — 2 Ln — 2
Подставив значения Л4„ и Q, получим
vLH3
V = тЬ—
(VI.30)
(VI.31)
(VI.32)
Внутренний диаметр резьбы стягивающих стойку прутьев опре-
деляют из расчета на растяжение силой Qi = Q/3:
<VL33>
где сТдоп — допускаемое напряжение на изгиб; учитывая, что прутья, кроме дав-
ления воды, испытывают также растяжение и изгиб от собственного
веса, принимают <тДОп = 50 МН/м2;
С — прибавка на коррозию, которую принимают равной 0,002 м.
Днища ящиков, устанавливаемых на сплошные опоры, не рас-
считывают на прочность. Если же опорой служат балки, то из ус-
ловия прочного сопротивления днища на изгиб расстояние между
опорными балками / определяют по формуле
/= 1,25(S-C) (VI.34)
где s — толщина днища;
С — прибавка на коррозию днища; С = 0,001 м;
СТдоп—допускаемое напряжение; для СТ.0 принимают аДОп = 140 МН/м2.
Трубные змеевики погружных конденсаторов и холодильников
изготовляют чугунными (при температуре охлаждаемой среды до
250 °C и давлении до 1 МН/м2) и стальными (при более высоких
рабочих параметрах).
Чугунные змеевики состоят из литых труб длиной 3 м и диа-
метром 0,08 м или 0,1 м и двойников. На концах труб имеются
квадратные фланцы, которыми они взаимно стыкуются, либо тру-
бы соединяются одна с другой посредством двойников (при пере-
ходе из одного ряда в другой). Квадратные фланцы одновременно
служат опорами для труб. Нижний ряд труб укладывают на дере-
вянных брусьях для равномерного распределения нагрузок.
Стальные змеевики изготовляют разборными (в этом случае
применяют приварные квадратные фланцы и гнутые двойники)
или неразборными — сварными.
В процессе эксплуатации ящик и наружные поверхности труб-
ного змеевика периодически очищают от грязи промывкой сильной
струей воды или механическим способом.
Большой компактностью отличаются секционные погружные
конденсаторы-холодильники, змеевики которых собраны из от-
дельных секций (рис. VI-25). В каждую секцию входят 144 трубы
диаметром 0,0038 м, длиной 6 м. Они ввальцованы в прямоуголь-
ные трубные решетки, закрытые крышками с внутренними пере-
городками, определяющими число ходов в каждой секции. Для
уменьшения температурных усилий в трубах свободную от трубо-
проводной обвязки решетку изготовляют из двух частей (верхней
и нижней).
В одном ящике обычно устанавливают 10—12 секций с поверх-
ностью теплообмена, равной 100 м2 каждая.
В практике нефтеперерабатывающих заводов находят примене-
ние также оросительные конденсаторы-холодильники, отличаю-
щиеся весьма простой конструкцией. Они представляют собой чу-
гунные или стальные змеевики, собранные на бетонном основании,
Рис. VI-25. Секция погружного конденсатора-холодильника:
/ — трубная решетка неразрезная; 2 — крышки; 3 — трубная решетка разрезная; 4 — по-
перечные промежуточные решетки.
орошаемые по всем доступным поверхностям водой. Высокая эф-
фективность теплообмена при малом расходе охлаждающей во-
ды объясняется тем, что основная часть тепла в этих аппаратах
отводится при испарении воды, омывающей поверхность змеевика.
Применение оросительных Аппаратов ограничено главным об-
разом из-за интенсивной коррозии наружной поверхности труб и
двойников. Особенно быстро выходят из строя стальные трубы.
Кроме того, наружные поверхности змеевика покрываются толстым
слоем накипи, что ухудшает теплопередачу.
КОНДЕНСАТОРЫ И ХОЛОДИЛЬНИКИ
ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
к
В последнее время в нефтеперерабатывающей промышленности
начинают широко применять аппараты воздушного охлаждения.
Это объясняется ограниченностью водных ресурсов в связи со
строительством крупных заводов и необходимостью уменьшения
количества сточных вод, которые загрязняют водоемы и для очи-
стки которых требуются сложные гидротехнические сооружения.
Опыт показывает, что использование воздушных конденсаторов
взамен других известных аппаратов экономически оправдано.
Аппараты воздушного охлаждения удобны в эксплуатации,
-очистка и ремонт их не требуют больших трудовых затрат. За-
грязнение наружной поверхности теплообмена хладоагентом (воз-
духом) практически отсутствует даже в условиях обдувки их за-
пыленным воздухом и при значительной степени оребрения тепло-
обменных труб. Отсутствует и коррозия наружной поверхности,
свойственная всем конденсаторам и холодильникам, что позволяет
довольно легко выбирать материал труб для воздушных конденса-
торов. Поэтому становится возможным применение требуемых ин-
гибиторов (аммиачной воды и др.), снижающих коррозию не
только самих конденсаторов, но и технологически связанных с ни-
ми аппаратов.
Эксплуатация воздушных конденсаторов, в которых не приме-
няется вода в качестве хладоагента, исключает опасность аварий
в результате внезапного прекращения подачи ее на установку.
В случае отключения электроэнергии эти аппараты обеспечивают
съем 25—30% тепла за счет естественной конвекции воздуха, что
уменьшает вероятность возникновения пожара на время, необхо-
димое для аварийного выключения установки.
В северных районах страны применение воздушных конденса-
торов позволяет надежно и экономично охлаждать все технологи-
ческие потоки, выходящие с установки. В южных районах охлаж-
дение низкокипящих потоков целесообразно проводить в два эта-
па: воздухом до 60 °C и далее водой в погружных или кожухотруб-
чатых конденсаторах. В зарубежной практике известны случаи,
когда эксплуатация аппаратов воздушного охлаждения оправдана
при градиенте температур между охлаждаемой средой и возду-
хом 10—15°С.
Применяемые в настоящее время конденсаторы и холодильни-
ки принципиально отличаются друг от друга расположением труб-
ных секций и конструкцией воздухоподающих устройств. Трубные
секции могут быть расположены горизонтально, вертикально, на-
клонно, в форме шатра и зигзагообразно. В последних четырех
случаях аппараты занимают меньшую площадь.
На рис. VI-26 показан конденсатор АВГ (аппарат воздушно-
го охлаждения с горизонтальным расположением секций), серий-
но выпускаемый Таллинским машиностроительным заводом. Он
предназначен для конденсации парообразных сред и охлаждения
жидких сред. Аппарат состоит из трех горизонтальных секций с
трубами, имеющими поперечное оребрение.
На рис. VI-27 приведена конструкция оребренной шестирядной
секции конденсатора. Расположенные по вершинам равносторон-
них треугольников оребренные трубы длиной 4 м или 8 м путем
развальцовки или сварки закреплены в трубных решетках. К ре-
шеткам крепят коллекторные крышки, к которым присоединяют
подводящие и отводящие трубопроводы. Все секции прикрепляют
к металлической раме, установленной на опорных стойках аппа-
рата. Последние, в свою очередь, смонтированы на фундаменте и
закреплены на нем анкерными болтами. К раме и стойкам крепят
коллектор, через который вентилятор засасывает воздух, и диф-
фузор, направляющий поток воздуха на ребристую поверхность
трубных секций.
Проходя внутри трубок, продукт охлаждается воздухом, кото-
рый прогоняется вентилятором через межтрубное пространство
каждой секции.
Рис. VI-26. Конденсатор воздушного охлаждения (АВГ):
/ — секция аппарата; 2— дефлектор; 3— диффузор; 4 — металлоконструкция; 5 — электро-
двигатель; 6 — колесо вентилятора; 7 — увлажнитель воздуха; 8 — коллектор вентилятора;
9— предохранительная сетка; 10 — угловой редуктор.
Вентилятор смонтирован соосно с аппаратом на самостоятель-
ной раме. Он состоит из двигателя, углового редуктора и восьми-
лопастного колеса. Характеристику работы вентилятора можно
менять путем изменения угла установки алюминиевых лопастей
колеса в пределах 10—25°. Применение двухскоростных электро-
двигателей также позволяет варьировать режим работы конден-
сатора в широких пределах. В тех случаях, когда температура
воздуха настолько низка, что возникает опасность переохлажде-
ния конденсированной жидкости, вентилятор прокачивает воздух
сверху; для этого предусмотрена возможность реверсирования
электродвигателя вентилятора. При необходимости интенсивность
конденсации и охлаждения можно регулировать изменением воз-
душного потока с помощью жалюзи, устанавливаемых над труб-
ными секциями.
Для снижения температуры охлаждающего воздуха через фор-
сунки оросительного устройства подают распыленную воду. В лет-
нее время температуру воздуха в диффузоре снижают таким спо-
собом на 2—10 °C.
На крупных установках несколько аппаратов соединяют в один
блок; в результате число опорных стоек уменьшается, так как
средние стойки в данном случае являются общими для двух со-
седних конденсаторов.
Аппараты воздушного охлаждения рассчитаны на давление 6,
10, 16, 25, 40 и 64 МН/м2. Рабочие давления устанавливают с уче-
том температуры и свойств охлаждаемой среды на основании пас-
портных данных конденсаторов.
В зависимости от коррозионных свойств охлаждаемой среды
трубы секций изготовляют из углеродистой и легированных ста-
лей, латуни и сплавов типа АМг; трубные решетки — из сталей
марок 16ГС, Х5МУ и Х18Н9Т, сплава АМгб и биметалла (сталь +
А-Д
I WWwWWWWWWWwWWWWWWWWWWWw в
Wl._____~ 7 >
/
Puc. VI-27. Шестирядная секция конденсатора воздушного охлаждения:
/ — оребренная труба; 2 — металлические полосы-прокладки; 3 — трубная решетка; 4 — про-
кладка; 5 —крышка.
-Тлатунь); крышки — из чугуна Сч18—36, углеродистой и леги-
рованных сталей. Чугунные крышки разрешается применять толь-
ко при температуре до 250°C и расчетном давлении до 1,0 МН/м2.
Регулирование режима работы конденсаторов воздушного ох-
лаждения можно легко автоматизировать. Это не только экономи-
чески выгодно, но и создает благоприятные условия для безопас-
ного ведения процесса на технологической установке. Обслужи-
вание конденсатора заключается в основном в уходе за привод-
ным механизмом вентилятора. Для предохранения от поврежде-
ния лопастей, поверхностей оребренных труб секций и для защи-
ты эксплуатационного персонала в нижней части воздушного кол-
лектора устанавливают предохранительную плетеную сетку, за
целостностью которой нужно постоянно следить.
Чистка внутренних поверхностей труб секций производится до-
вольно редко; в случае необходимости прибегают к промывке во-
дой или химической чистке. Наружные поверхности труб очищают
от отложений продувкой сильной струей компрессорного воздуха
или промывкой водой с мелким песком.
ГРАДИРНИ
В связи с внедрением оборотного водоснабжения как основного
способа предотвращения загрязнения рек, озер и морей на нефте-
перерабатывающих заводах широкое распространение получают
градирни — устройства для охлаждения воды. В них охлаждаю-
щим агентом является также атмосферный воздух, но в отличие
Рис. Vf-28. Одновентиляторная градирня:
/ — электродвигатель; 2 — угловой редуктор; 3 — вертикальный вал; 4 —шахта; 5 — лестни-
ца шахты; 6 — галерея; 7— вход в галерею; 8 — ороситель; 9— ротор вентилятора; 10—
коллектор; //— резервуар охлажденной воды; 12 — гидромуфта; 13 — соединительные муф-
ты вертикального вала.
от аппаратов воздушного охлаждения осуществляется не поверх-
ностный теплообмен, а теплообмен путем смешения. Принцип ра-
боты всех градирен основан на том, что вода, смешиваясь с воз-
духом, частично испаряется, отдавая тепло (примерно 24,4 -105
Дж/кг) воздуху, и охлаждается.
Конструктивно градирни отличаются друг от друга способами
контакта воды с воздухом и движения охлаждающего воздуха.
Все градирни башенного типа, деревянные или из железобетона.
Очень важно обеспечить возможно большую поверхность кон-
такта воды и воздуха. С этой целью применяют специальные оро-
сители, брызгалки, капельницы, а также разветвленные поверх-
ности, по которым вода стекает тонкой пленкой.
Движение воздуха может быть естественным и принудитель-
ным. В первом случае башни градирен делают высокими (до
100 м), чтобы обеспечить Достаточный напор воздуха (тягу). Во
втором случае движение воздуха обеспечивается вентиляторами,
благодаря чему высота башен сокращается, а процесс охлаждения
воды интенсифицируется.
На рис. VI-28 схематически показана конструкция градирни
с одним вентилятором. На некоторых градирнях устанавливают
по два вентилятора и более. Привод осевого вентилятора, состоя-
щий из электродвигателя 1 и редуктора 2, вместе с вертикальным
валом 3 размещен в железобетонной или обшитой листовой
сталью шахте 4, снабженной по всей высоте лестницей 5. Доступ
к шахте — через галерею 6 и вход 7. Воздух просасывается через
решетку оросителя 8 вентилятором 9. Вода подается через коллек-
тор 10, омывает поверхность оросителя 8, стекая с нее, охлажда-
ется на 15—30 °C и собирается в резервуаре 11, откуда откачива-
ется по водоводам в систему водоснабжения.
ТЕПЛООБМЕННИКИ ДРУГИХ ВИДОВ
В последнее время на нефтеперерабатывающих заводах получают
распространение специальные виды теплообменников, применение
которых на некоторых установках оправдано экономически и экс-
плуатационно. В числе этих теплообменников пластинчатые, спи-
ральные, блочные и др.
На рис. VI-29 показана схема пластинчатого теплообменника.
Рис. VI.-29. Схема пластинчатого теплообменника:
/, 5 — штуцера для второй жидкости; 2— четные пластины; <3 — подвижная плита; 4— стя-
гивающий винт; 6, 9 — штуцера для первой жидкости; 7 — нечетные пластины; 8 — непо-
движная плита.
Поверхность теплообмена в нем образуется собранными в блок
штампованными пластинами, имеющими на поверхностях гофры,
образующие извилистые щелевидные каналы шириной 3—6 мм.
Теплообменивающиеся среды омывают противоположные поверх-
ности каждой пластины. На передней поверхности пластин (рис.
VI-30) имеются три прокладки (как правило, резиновые): одна
большая фасонная для уплотнения пространства между пластина-
ми и две малые кольцевые — для уплотнения отверстий, через ко-
торые поступает и удаляется вторая жидкость, движущаяся про-
тивотоком.
После сборки всех пластин и головных плит четыре отверстия
в пластинах образуют четыре коллектора, в два из которых пода-
ют теплообменивающиеся жидкости, а через два других отводят
Рис. VI-30. Пластина пластинчатого теп-
лообменника:
/, 4 — прокладки; 2, 3 — отверстия для
первой жидкости; 5. 6 — отверстия для
второй жидкости.
Рис. VI-31. Углеграфитовый теплообмен-
ник блочный:
/ — графитовые блоки; 2 — вертикальные
каналы; 3 — горизонтальные каналы', 4 —
боковые переточные камеры; 5 — торцевые
крышки.
эти жидкости, прошедшие через каналы пластин. Пластины соби-
рают так, чтобы коллекторы одной жидкости сообщались с кана-
лами четных пластин, а коллекторы другой жидкости —с канала-
ми нечетных пластин.
Пластины устанавливают между верхней и нижней штангами
рамы и зажимают в блок (пакет) неподвижной и подвижной пли-
тами, стягиваемыми винтом.
Экономичность пластинчатых теплообменников характеризует-
ся тем, что при одной и той же поверхности теплообмена на их из-
готовление требуется на 25—30% меньше металла, чем на изго-
товление кожухотрубчатых теплообменников. В то же время бла-
годаря значительным скоростям движения жидкости по каналам,
образуемым пластинами, коэффициент теплопередачи в. пластин-
чатых теплообменниках в 1,3—1,5 раза выше, чем в кожухотруб-
чатых. К другим достоинствам теплообменника относятся малые
гидравлические сопротивления, возможность легкой разборки,
очистки и сборки, что обеспечивает стабильный теплообмен.
Недостатки пластинчатых теплообменников — ограниченные
давления при эксплуатации и большое число эластичных прокла-
док, выбор которых для ряда сред является проблемой. Для рабо-
ты в средах, агрессивных по отношению к прокладке, и температу-
рах выше 200 °C применяют неразборные пластинчатые теплооб-
менники, изготовляемые сваркой.
Спиральные теплообменники, которые также обеспечивают вы-
сокие скорости движения теплообменивающихся сред и не вызыва-
ют при этом больших гидравлических сопротивлений, применяют
редко из-за ограниченности рабочих параметров и сложности изго-
товления.
В тех случаях, когда в процессе теплообмена участвуют хими-
чески агрессивные среды, применяют углеграфитовые теплообмен-
ники, отличающиеся большим конструктивным разнообразием. На
рис. VI-31 показана схема блочного углеграфитового теплообмен-
ника. Он состоит из графитовых блоков прямоугольного сечения,
в которых имеются перекрещивающиеся (но не пересекающиеся)
под прямым углом каналы. Блоки соединены последовательно так,
что одна из жидкостей проходит вертикальные каналы, а дру-
гая — горизонтальные. Для этого в блоках имеются переточные
камеры.
Блоки собирают на резиновых или тефлоновых прокладках и
зажимают болтами между дисками.
ГЛАВА VII
ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ
На большинстве технологических установок нагрев нефти и неф-
тепродуктов осуществляется в трубчатых печах, где тепло сжигае-
мого топлива передается прокачиваемой через трубный змеевик
жидкости или парожидкостной смеси.
Трубчатые печи отличаются друг от друга по конструктивным
и технологическим признакам. Почти все печи, эксплуатируемые
в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются
радиантно-конвекционными, т. е. трубные змеевики размещены и в
конвекционной, и в радиантной камерах (см. ниже). Наибольшее
количество тепла передается в радиантной камере путем радиа-
ции.
По числу радиантных камер бывают одно-, двух- и многока-
мерные трубчатые печи.
По технологическому назначению различают нагревательные
и реакционно-нагревательные печи. В первом случае целью явля-
ется нагрев сырья до заданной температуры, во втором случае
кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обес-
печиваются условия для протекания направленной реакции (на-
пример, термический крекинг).
По конфигурации трубчатые печи обычно бывают коробчатыми
(с плоским или наклонным сводом), однако встречаются также
вертикальные цилиндрические печи. Конфигурация печи и взаим-
ное расположение камер предопределяют размещение трубных
экранов в радиантной камере печи. Трубами экранируют свод,
боковые, фронтальные и перевальные стены, а также под печи.
Различают однорядные и двухрядные экраны.
По направлению движения дымовых газов бывают печи с вос-
ходящим, нисходящим и горизонтальным потоками. При нисходя-
щем потоке дымовых газов уменьшается вероятность застойных
зон, поэтому обеспечивается более высокая эффективность тепло-
передачи.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЕЧЕЙ
На рис. VI1-1 показана схема однокамерной радиантно-конвекци-
онной печи. Внутренний объем печи разделен полуперегородкой —
перевальной стеной на две части, называемые радиантной и кон-
202
Рис. VI1-1. Схема однокамерной радиант*
но-конвекционной печи:
/ — стены; 2 — свод; 3 — под; 4— переваль-
ная стена: 5 — боров (дымоход); 6 —труб-
ный змеевик конвекционной камеры; 7 —
трубный змеевик радиантной камеры;
8 — форсунка.
векционной камерами. В этих камерах размещены трубные змее-
вики, через поверхности которых осуществляется теплопередача.
Под радиационной теплопередачей понимают поглощение лучи-
стого тепла, под конвективной — теплопередачу путем омывания
поверхностей труб дымовыми газами. В радиантной камере основ-
ное количество тепла передается
радиацией и лишь незначитель-
ное — конвекцией, а в конвекцион-
ной камере — наоборот.
Жидкое и газообразное топливо
сжигается в радиантной камере.
Продукты сгорания (дымовые га-
зы), переваливаясь через переваль-
ную стену, проходят конвекцион-
ную камеру' и уходят в дымовую
трубу. Нагреваемый поток сначала
проходит по трубам змеевиков кон-
векционной камеры, затем — ради-
антной камеры.
В результате сжигания топлива
в печи повышается температура ды-
мовых газов и светящегося факела,
представляющего собой раскален-
ные частицы горячего топлива. На-
гревшись до 1300—1600 °C, факел
излучает тепло. Тепловые лучи па-
дают на наружные поверхности
труб 'и внутренние поверхности стен радиантной камеры печи. На-
гретые поверхности стен, в свою очередь, излучают тепло, которое
также поглощается поверхностями радиантных труб. Если не учи-
тывать потери через кладку стен, то при нормальной установив-
шейся работе печи внутренние поверхности стен печи излучают
столько тепла, сколько поглощают.
Трехатомные газы, содержащиеся в дымовых газах (водяной
пар, двуокись углерода и сернистый ангидрид), также поглощают
и излучают лучистую энергию в определенных интервалах длин
волн.
Количество лучистого тепла, поглощаемого в радиантной ка-
мере, зависит от поверхности факела, его конфигурации и степени
экранирования топки. Большая поверхность факелов способству-
ет повышению эффективности прямой передачи тепла поверхно-
стям труб. Увеличение поверхности кладки также способству-
ет возрастанию эффективности передачи тепла в радиантной ка-
мере.
Эффективность передачи тепла конвекцией обусловлена преж-
де всего скоростью движения дымовых газов в конвекционной ка-
мере. Стремление к большим скоростям, однако, сдерживается до-
пустимыми величинами сопротивления движению газов.
Для более тесного обтекания труб дымовыми газами и боль-
шей турбулизации потока дымовых газов трубы в конвекционных
камерах размещают, как правило, в шахматном порядке. В печах
некоторых конструкций применяют оребренные конвекционные
трубы с сильно развитой поверхностью.
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ
Каждая трубчатая печь характеризуется тремя основными пока-
зателями: производительностью, полезной тепловой нагрузкой и
коэффициентом полезного действия.
Производительность печи выражается количеством сырья, на-
греваемого в трубных змеевиках в единицу времени (обычно в
т/сутки). Она определяет пропускную способность печи, т. е. коли-
чество нагреваемого сырья, которое прокачивается через змееви-
ки при установленных параметрах работы (температуре сырья на
входе в печь и на выходе из нее, свойствах сырья и т. д.). Таким
образом, для каждой печи производительность является наиболее
полной ее характеристикой.
Полезная тепловая нагрузка — это количество тепла, передан-
ного печью сырью. Она зависит от тепловой мощности и размеров
печи. Тепловая нагрузка большинства эксплуатируемых печей 8—
16 Мкал/ч. Перспективными являются более мощные печи с теп-
ловой нагрузкой 40—100 Мкал/ч и более.
Коэффициент полезного действия печи -ц характеризует эконо-
мичность ее эксплуатации и выражается отношением количества
полезно используемого тепла Qno« к общему количеству тепла
QoBixj, которое выделяется при полном сгорании топлива:
QtlOJl . , _ _ , ,
{VILI)
Полезно использованным считается тепло, воспринятое сырьем,
перегреваемым в печи паром и в некоторых случаях воздухом, на-
греваемым в рекуператорах (воздухоподогревателях).
Значение коэффициента полезного действия зависит от полно-
ты сгорания топлива, а также от потерь тепла через обмуровку пе-
чи и с уходящими в дымовую трубу газами. Трубчатые печи, экс-
плуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих за-
водах, имеют к. п. д. в пределах 0,65—0,85.
Повышение коэффициента полезного действия печи за счет бо-
лее полного использования тепла дымовых газов возможно до зна-
чения, определяемого их минимальной температурой. Как прави-
ло, температура дымовых газов, покидающих конвекционную ка-
меру, должна быть выше начальной температуры нагреваемого
сырья не менее чем на 150 °C.
Эксплуатационные свойства каждой печи наряду с перечислен-
ными показателями характеризуются теплонапряженностью по-
204
верхности нагрева, тепловым напряжением топочного объема, гид-
равлическим режимом в трубном змеевике при установившейся
работе и т. д. От комплекса этих показателей зависят эффектив-
ность работы трубчатых печей и срок их службы.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧЕЙ
Тепловой баланс составляют в расчете на один час работы печи.
В печь поступают: тепло, выделяемое при сгорании топлива, тепло
самого топлива, тепло воздуха, поступающего в топку, и тепло
форсуночного пара, применяемого для распыла жидкого топлива
в форсунках. Для укрупненного расчета в тепловом балансе печи
можно ограничиться учетом только тепла сгорания топлива ввиду
относительной малости остальных статей прихода тепла.
Тепло, вносимое в печь, воспринимается сырьем и паром (при
наличии пароперегревателя). Это полезно воспринимаемое тепло.
Часть вносимого тепла теряется с уходящими из печи дымовыми
газами, а также через стенки печи в окружающую среду. К поте-
рянному теплу относится и результат недожога топлива, которым
при расчетах в случае газового топлива пренебрегают.
Яс ~ Чобщ <?д.г Якл (VI 1.2)
где Яс —тепло, воспринимаемое сырьем и нагреваемым паром;
Яп. г — тепло, уходящее с дымовыми газами;
<7кл—тепло, уходящее в окружающую среду через кладку стен и металли-
ческие камеры печи
Ur = VCa(/2-/!) (VI 1.3)
где V —полный объем дымовых ratio® при температуре /2;
Си — средняя объемная теплоемкость их;
/1 — температура поступающего в топку воздуха;
(2 — температура уходящих из печи дымовых газов
Якл — (0>03 0,04) <?общ
Если предположить, что все тепло qc воспринимается только
сырьем, то оно затрачивается на нагрев сырья от начальной (на
входе в печь) до конечной (на выходе из печи) температуры, а
также на испарение некоторой части сырья при определенной тем-
пературе:
Яс = G [«<?2П + О — е) <72ж — <?1ж] (VI1.4)
где G — количество сырья;
е — массовая доля отгона (испарения) сырья;
Я2и — энтальпия паров сырья на выходе из печи;
?2>к — энтальпия жидкого сырья на выходе из печи;
Яик — энтальпия жидкого сырья на входе в печь.
Величиной е задаются; значения ^]Ж, q2iK, q2a определяют по
таблицам и графикам, приведенным в справочной литературе.
В реакционно-нагревательных печах часть полезного тепла за-
трачивается на реакцию (например, термический крекинг углево-
дородов). Количество этого тепла также определяют по формулам
в зависимости от теплового эффекта реакции.
Зная все расходные статьи тепла, определяют <20бщ, по которо-
му устанавливают часовой расход топлива. Для этого рассчитыва-
ют процесс горения выбранного топлива. Методика расчета изло-
жена в многочисленных справочных пособиях. Для расчета необ-
ходимо знать полную характеристику топлива, а также коэффи-
циент избытка воздуха, т. е. отношение фактического количества
воздуха, поступающего в топку печи, к его количеству, тсоретиче»
ски необходимому для полного сжигания данного топлива. Обыч-
но коэффициент избытка воздуха а принимают равным 1,1—1,3;
для печей беспламенного горения он равен 1,02—1,05.
Полезное тепло передается сырью через поверхности всех труб
печи. Размер поверхностей труб, очевидно, зависит от интенсивно-
сти, с которой это тепло передается через стенки труб. Количест-
во тепла, передаваемое через 1 м2 поверхности труб в час, назы-
вается теплонапряженностью поверхности нагрева.
F = (VII.5)
где F — поверхность нагрева (полезная поверхность печных труб);
qa — теплонапряженность поверхности нагрева.
Таким образом, поверхность радиантных труб, т. е. их разме-
ры и число, зависит от теплонапряженности поверхности нагрева,
значения которой различны для различных печей и разных участ-
ков одной и той же печи. Ниже даны примерные допустимые теп-
лонапряженности, которых следует придерживаться при проекти-
ровании и эксплуатации трубчатых печей:
Теплонапря-
женность,
Назначение трубного змеевика тыс. ккал
Нагревательные печи
Нагрев без испарения.................................. 40
Нагрев и испарение нефти
до 340 °C........................................27—40
до 425 °C ... ................................. 24
Вакуумная перегонка мазута.........................21—27
Замедленное коксование ............................... 25
Вторичная перегонка крекипг-дистиллята............... 22
Отгонка фильтрата установок депарафинизации .... 17
Нагрев раствора остаточных масел...................... 15
Реакционн о-н агревательные печи
Крекинг газойля и лигроина; термическая полимеризация
(нагревательная секция) ............................... 30—40
Глубокий крекинг дистиллятного сырья.....................23—35
Легкий крекинг тяжелого и остаточного сырья .... 21—31
Легкий крекинг мазута....................................25—50
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПЕЧЕЙ
Типы, параметры и основные размеры проектируемых в настоящее
время трубчатых печей предусмотрены соответствующей нор-
малью. Каталог ЦИНТИхимнефтемаш, составленный на основа-
нии этой нормали, предусматривает трубчатые печи поверхностью
нагрева 15—2200 м2 типа Б, 3, В, Г, Ц, Р (Б — беспламенного го-
рения; 3 — с зональной регулировкой теплоотдачи; В — с верхним
отводом дымовых газов и вертикальными трубами змеевика; Г —
Рис. VII-2. Двухскатная двухкамерная трубчатая печь:
1— металлический каркас; 2 — огнеупорная футеровка; 3 — форсуночная амбразура; 4—
предфорсуночный тамбур; 5—гляделка; 6, 9, /7 — трубы подового экрана, конвекционной
камеры и потолочного экрана; 7—лежка труб подового экрана; 8 — решетка труб конвек-
ционной камеры; 10, 11, /5 — ретурбендные камеры; /2— металлическая обшивка стен;
13 — площадка; 14 — кровля; 16— взрывное окно; 18 — подвески труб потолочного экрана;
19— подвески для кирпичных блоков.
узкокамерные с верхним отводом дымовых газов; Ц — цилиндри-
ческие; Р — многокамерные). В зависимости от конструкции и спо-
соба сжигания топлива печи типа Б, 3, Г и Ц выпускают двух
исполнений соответственно ББ1 и ББ2, ЗР и ЗД, ГН и ГС, ЦС и
ЦД. В этих обозначениях вторая буква характеризует способ сжи-
гания топлива (Р — беспламенное с резервным жидким топливом,
Д — настильное с дифференциальным подводом воздуха, Н — на-
стильное и объемно-настильное, С — пламенное со свободным фа-
келом) .
Конструктивные элементы трубчатых печей отличаются боль-
шим разнообразием типов и размеров. Они постоянно совершенст-
вуются в связи с освоением печей новых конструкций. Общими
для всех печей конструктивными элементами являются фундамен-
ты, металлические каркасы, стены и своды, трубные змеевики,
гарнитура, топливное оборудование, система топливо-, воздухо- и
пароснабжения, лестницы и площадки для обслуживания и ремон-
та, дымоходы и дымовые трубы, пароперегреватели и рекупера-
торы.
Рис. V1I-3. Трубчатая лечь беспламенного горения:
/ — металлический каркас; 2 — огнеупорная футеровка из разборных блоков; 3— кладка из
керамических призм, вмонтированных в коробы панельных горелок; 4— панельная горелка;
5, /3 — трубы фронтового и потолочного экранов; 6 — обслуживающие лестницы и площад-
ки; 7 — гляделка; 8 — взрывное окно-лаз; 9 — навес над фронтом горелок; 10, /2 — ретур-
бендные камеры; //—трубы конвекционной камеры; 14 — кровля.
На рис. VII-2 показана двухскатная, двухкамерная трубчатая
печь, а на рис. VII-3 — трубчатая печь беспламенного горения.
Конструктивные элементы этих печей являются типовыми для всех
печей.
ФУНДАМЕНТЫ
Фундаменты трубчатых печей выполняют из монолитного или
сборного железобетона. Они должны быть защищены от грунто-
вых вод надежной гидроизоляцией. При температуре 300—400 °C
цемент в бетоне теряет кристаллизационную воду, и бетон разру-
шается, поэтому фундамент отделяют от зон высоких температур
защитным теплоизоляционным слоем достаточной толщины, обыч-
но выполняемым из простого кирпича.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КАРКАСЫ
Металлический каркас представляет собой пространственную ра-
му, обрамляющую стены печи, поэтому конфигурация каркаса со-
ответствует наружной форме печи. Каркас несет нагрузку от веса
трубных змеевиков, гарнитуры, подвесного свода, кровли, а в пе-
чах новых конструкций — и от стен печи.
Каркас состоит из плоских рам или ферм (рис. VII-4), которые
опорными поверхностями стоек устанавливаются на фундамент
и взаимно связываются горизонтальными связями из балок или
Рис. VII-4. Схемы конструкций каркасов трубчатых печей:
а— из простых балок; б — со стоиками из балок и фермой для свода; в — из ферм.
швеллеров. При больших размерах печей для свободного восприя-
тия температурных деформаций стойки крепятся к установочным
плитам на шарнирах (рис. VII.4,в).
Нижние пояса ферм служат для подвешивания кирпичей сво-
да и труб потолочного экрана. На верхние пояса устанавливается
кровля, обычно выполняемая из асбоцементных листов. Непосред-
ственно к стойкам с помощью кронштейнов подвешивают трубы
боковых экранов и кирпичи боковых стен.
Механическому расчету подлежит средняя ферма печи как наи-
более нагруженная. Для расчета определим нагрузки на отдель-
ные ее элементы.
Нагрузку на верхние пояса ферм Qi определяют по формуле
(21 = €с + <2к + <гп + <2ф/2 (VI 1.6)
где Qc — снеговая нагрузка;
QK — вес кровли;
Qn—вес прогонов;
<2ф — вес фермы, которым задаются ориентировочно.
Нагрузку на нижние пояса ферм Q2 определяют по формуле
Ог = Qn.C + Qr.3 + Q(j)/2 (VI 1.7)
где Qn. с — вес подвесного свода, включающего балки, к которым крепятся под-
вески, сами подвески и кирпичи;
QT. з—вес заполненного продуктом трубного змеевика вместе с подвесками
для труб.
По числу ферм каркаса вычисляют нагрузки на одну ферму,
затем графическим или аналитическим расчетом определяют уси-
лия в стержнях, а по ним подбирают необходимые сечения всех
элементов фермы. Наиболее нагруженные элементы нижнего и
верхнего поясов фермы проверяют на суммарное напряжение с
Рис. VII-5.
Схема нагру-
зок на стойки
(колонны)
каркаса печи.
учетом сил, сосредоточенных в местах крепления ба-
лок для кирпичей и подвесок для труб.
Вся нагрузка от ферм передается колоннам
(стойкам) каркаса. Если число колонн п, то каждая
колонна несет нагрузку
<3кол = - V-2' (VI 1.8)
Кроме того, колонна несет нагрузку от боковых
трубных экранов фбЭ и подвесной кирпичной кладки
стен Qn.K, вес которых легко подсчитать.
Нагрузки Фкол. <2б.э и <2п.к приложены к колонне
эксцентрично (рис. VII-5), поэтому она одновременно
подвержена деформациям сжатия и изгиба. Суммар-
ное напряжение ст, возникающее при этом в колонне,
определяют по формуле
где Q —суммарная сжимающая сила, МН;
Fl: — площадь поперечного сечения колонны, м2;
ср — коэффициент уменьшения допустимого напряжения,
учитывающий продольный изгиб колонны;
М„ — изгибающий момент, МН-м;
IV,; — момент сопротивления поперечного сечения колоны, м5
Q=QKoa + Q6.3 + Qn.K (VI 1.10)
Ми = Скол^1 + Сб.э^г + О.т.к^з (VI 1.11)
где It, 12, F— расстояния от оси колонны до плоскостей действия соответствую-
щих сил.
Колонна считается прочной, если суммарное напряжение ст
меньше допустимого и гибкость ее по отношению к осям попереч-
ного сечения не превышает 120.
Площадь опорной плиты колонны устанавливают по допусти-
мому напряжению на сжатие бетона фундамента, которое должно
быть больше, чем определенное по формуле
аф = у—+ (VI 1.12)
где Fn— опорная площадь плиты, м2;
Wa — момент сопротивления (в м3) опорной площади плиты относительно
оси, нейтральной при изгибе.
Составными элементами крайних ферм каркаса являются труб-
ные решетки и ретурбендные камеры (рис. VII-6), которые под-
вержены воздействию высоких температур.
Рис. VI1-6. Узел ретурбендной камеры:
а —общий вид; б —трубная решетка; / — металлический каркас фермы; 2 — обрамляющие
уголки камеры; 3 — изоляция дверцы; 4 — стальная обшивка изоляции; 5 — ретурбенд;
6— камера; 7 — решетка; 8 — изоляция решетки; 9 — петля; 10—печная труба; // — под-
весной свод; 12 — дверца; 13 — запоры дверцы.
На трубную решетку обоими концами опираются печные тру-
бы со смонтированными на них ретурбендами-двойниками. Труб-
ные решетки изготовляют из серого чугуна СЧ 21-40 (для темпе-
ратур до 800 °C), жаростойкого
чугуна (для температур до
1000 °C) и из жаропрочной ста-
ли (для более высоких темпера-
тур). Решетки надежно крепят-
ся к несущим элементам карка-
са. Для крепления трубных ре-
шеток конвекционной камеры,
состоящих из отдельных секций
(рис. VII-7), по торцам печей
устанавливают рамы, привари-
ваемые к элементам ферм. Кро-
ме того, самая нижняя секция
решетки устанавливается на
фундамент, для чего она снаб-
жается специальными лапами.
Трубные решетки имеют вы-
ступы для увеличения опоры под
трубы; в каждом отверстии под
Рис. VH-7. Трубная решета конвек-
ционной камеры.
трубу имеется кольцевой паз, в который для уплотнения кладется
асбестовый шнур.
Для предохранения решеток от прогорания их поверхности со
стороны огня и дымовых газов защищают изолирующим слоем.
Наносимый слой изоляции удерживается крючьями, приваренными
к решеткам. На некоторых заводах освоено торкретирование реше-
ток специальным изолирующим раствором, состоящим из шамот-
ного порошка, глины и изоляционного материала.
Ретурбендные камеры представляют собой стальные короба с
открывающимися дверцами. Для сокращения тепловых потерь, а
также предотвращения деформаций дверцы изнутри покрывают
изоляцией. Ширина ретурбендных камер должна быть не больше
той, которая требуется для свободного размещения в них ретур-
бендов и трубных маточников (труб с множеством отверстий),
предназначенных для тушения паром внезапно возникших загора-
ний (системы паротушения).
СТЕНЫ
Стены, как и вся обмуровка, предназначены для герметизации
топки и камер трубчатой печи, а также образования поверхности
для размещения экранов радиантных труб и отражения лучистой
энергии. Стены должны быть прочными в условиях высоких тем-
ператур, герметичными и обладающими незначительной тепло-
проводностью.
В печах старых конструкций стены трехслойные: внутренний
слой, подверженный действию огня и раскаленных дымовых га-
зов, выложен из огнеупорного кирпича, средний — из изоляцион-
ного кирпича или плит, наружный — из обыкновенного кирпича
повышенной прочности. Хотя толщина этих стен значительна (до
0,7 м), особой долговечностью они не отличаются: сравнительно
быстро расслаиваются и разрушаются.
Более просты по конструкции и гораздо надежнее в эксплуата-
ции стены, выложенные только из огнеупорного кирпича на рас-
творе, составленном из огнеупорной глины и шамотного порошка.
Для герметизации стены снаружи штукатурят или обшивают ме-
таллическими листами.
В зависимости от теплонапряженности топочной камеры огне-
упорную кладку выполняют из шамотного кирпича марок А, Б и
В, который имеет следующую огнеупорность: кирпич марки А —
не ниже 1730 °C, марки Б— 1670 °C, марки В— 1580 °C. Исходя
из того, что почти все старые печи работают в форсированных ре-
жимах, предпочтительно применение кирпича марки А. Кирпич
марок Б и В в жестких условиях эксплуатации с течением време-
ни оплавляется, в результате толщина стен уменьшается, а под
печи покрывается твердыми наростами оплавившегося шамота.
В дальнейшем, при ремонтах, эти наросты удаляют с большими
трудностями. Особенно недопустимо оплавление стен при нали-
чии подовых трубных экранов.
Рис. VI1-8. Блочная конструкция»
стен трубчатых печей:
1 — элемент блочной футеровки
(блочный кирпич); 2 — несущие го-
ризонтальные швеллеры; 3—крон-
штейны для блоков.
Стены современных печей имеют блочную конструкцию (рис.
VII-8) и собираются из огнеупорного кирпича разнообразной фор-
мы. Например, обмуровку двухскатных печей выполняют из бло-
ков более 80 фасонов и размеров. Геометрическая форма огне-
упорных блоков позволяет собирать
их на балках и стержнях, прикреплен-
ных к каркасу печи. Сопряженные
поверхности соседних блоков снабже-
ны выступами и соответствующими им
впадинами, которые образуют замки-
лабиринты. Грани блоков, обращен-
ные внутрь печи, гладкие и обеспечи-
вают образование внутренней гладкой
поверхности стены печи. Такая обму-
ровка производится без растворов и
имеет большие эксплуатационные
преимущества перед монолитной футе-
ровкой, опирающейся на самостоя-
тельный фундамент.
Благодаря отсутствию раствора
каждый блок-кирпич легко восприни-
мает тепловые деформации и компен-
сирует их в пределах зазоров в зам-
ках. Этому же способствует разгру-
женность кладки от собственного ве-
са. Нагрузку от кладки почти цели-
ком воспринимает металлический кар-
кас печи. Замки-лабиринты в соеди-
нениях кирпичей обеспечивают на-
дежную герметизацию кладки, что
очень важно для снижения тепловых потерь через стены и умень-
шения количества подсасываемого в топку воздуха. Объем блоч-
ной кладки невелик вследствие малой толщины стен (до 250 мм).
Вертикальные стены печей беспламенного горения с излучаю-
щими стенами топок полностью или на отдельных участках со-
ставлены из керамических панелей. Панели могут чередоваться
с кладкой из простых блоков. Керамические панели представляют
собой конструктивный элемент горелок, прикрепляемых к каркасу
печи. Уплотнения между отдельными горелками, а также между
горелками и кладкой осуществляются асбестовой прокладкой или
асбестовым шнуром.
В технике кладки печей следует отметить тенденцию к приме-
нению в качестве материала для обмуровки жаростойкого бетона.
Железобетонные стены печи отличаются простотой конструкции и
низкой стоимостью. Однако жаропрочность таких стен и их спо-
собность переносить резкие колебания температур пока еще пол-
ностью не изучены.
В эксплуатации находятся печи из крупноблочного жаростойко-
го бетона, стены которых являются несущими. Это исключает не-
обходимость в металлическом каркасе. В конструкциях некоторых
печей, имеющих бетонную и блочную обмуровку, а также обычную
обмуровку на растворе, предусмотрены воздушные каналы в сте-
нах для охлаждения их естественной вентиляцией.
Рис. V1I-9. Температурные швы в обмуровке печи:
а — на прямом участке; б — на углу кладки; в — на сопряжении с перевальной стеной.
Долговечность кладки обеспечивается наряду с прочими усло-
виями качеством заполнения температурных швов. Диаметр укла-
дываемого в шов асбестового шнура должен быть больше ширины
шва не менее чем на 5 мм. Ширину температурных швов устанав-
ливают из расчета 5—6 мм на 1 пог. м шамотной кладки. При ча-
стых тепловых деформациях лучшую герметичность обеспечивают
температурные швы, выполненные на замок или зубчиком (рис.
VII-9).
Для повышения стойкости обмуровки к высоким температурам
иногда применяют огнеупорные обмазки, которые наносят на ее
внутреннюю поверхность. В качестве такой обмазки применяют
раствор концентрата сульфитспиртовой барды. Применяют также
обмазку, состоящую из шамотного порошка, глины и жидкого
стекла. Однако технология нанесения обмазок сложна, поэтому
широкого практического применения они не имеют.
В наиболее тяжелых температурных условиях работают пере-
вальные стены, поэтому конструктивно они должны быть более
прочными и долговечными. Их толщина обычно больше толщины
контурных стен.
Под печи выкладывают из трех слоев: нижний слой из прос-
того кирпича стелится на бетонную постель плашмя, без раство-
ра; второй слой — из простого кирпича на цементно-глиняном рас-
творе; третий слой (самый верхний) — из огнеупорного кирпича,
положенного на ребро, с шамотно-глиняным раствором.
ПОДВЕСНЫЕ СВОДЫ
Основными требованиями, предъявляемыми к подвесным сводам,
являются долговечность и герметичность.
Долговечность сводов зависит от качества кирпича и надежно-
сти подвесок, которые необходимо предохранять от воздействия
открытого пламени и высоких температур дымовых газов.
На рис. Vil-10 приведена конструкция свода, составленного из
попарно стыкованных кирпичей, подвешиваемых на крючьях к
каркасу печи. Система заделки швов обеспечивает надежную гер-
метичность свода и предохраняет штыри и крючья от прогорания.
Рис. V1I-10. Конструкция подвесного свода на крючьях:
1 — подвесной кирпич; 2 — изоляционный шнур; 3 — штукатурка изоляционного слоя;
4 — изоляция; 5 — обмуровка стен; 6 — подвесной крючок; 7— удерживающие прутья; -8 —
палец, стыкующий попарно подвесные кирпичи.
Наибольшей герметичностью и долговечностью отличаются ши-
роко применяемые в настоящее время подвесные своды, собранные
из фасонных огнеупорных блоков на замках, зубчиках или со мно-
жеством лабиринтных сопряжений. На рис. VII-11 показана кон-
Рис. V1I-11. Конструкция свода печи из фасонных элементов:
1— фасонные кирпичные блоки; 2 — чугунные подвески блоков; 3 — балки для крепления
подвесок; 4— элемент нижнего пояса фермы свода.
струкция такого свода. Фасонные кирпичные блоки нанизывают
на чугунные подвески, которые на болтах прикреплены к балкам,
связывающим нижние пояса ферм. Собранный из фасонных бло-
ков подвесной свод для заделки зазоров в стыках заливают сверху
раствором шамота с огнеупорной глиной и изолируют.
ТРУБНЫЕ ЗМЕЕВИКИ
Трубные змеевики состоят из труб, соединенных одна с другой
двойниками различных конструкций.
Печные трубы работают в трудных условиях; они подвержены
двустороннему воздействию высоких температур: изнутри — от на-
греваемого сырья и снаружи — от дымовых газов и излучающих
поверхностей.
Причины износа труб различны и зависят от гидравлической и
теплотехнической характеристик режима эксплуатации и техноло-
гических особенностей процесса, учитывающих качество сырья.
Величина износа при этом зависит от качества изготовления и ме-
талла труб.
Применяют бесшовные катаные трубы из углеродистой стали
марок 10 и 20 (при температуре до 450 °C) и из легированных
сталей Х5М. и Х6ВХ (при температуре до 550°C). При более вы-
соких температурах нагрева сырья используют трубы из жаропроч-
ных сталей. Трубы из углеродистой стали можно применять толь-
ко в неагрессивных средах.
Внутренние поверхности труб подвержены коррозионному и
эрозионному износам. Наибольшая коррозия наблюдается при пе-
реработке сернистых нефтей, а также нефтей, содержащих хлори-
стые соли. Эрозионный износ обусловлен содержанием в нагревае-
мом сырье механических включений и большими скоростями дви-
жения среды но трубам. Особенно интенсивно изнашиваются кон-
цы труб.
В процессе эксплуатации наружные поверхности труб подвер-
гаются износу из-за коррозии дымовыми газами, окалинообразо-
вания и прогаров.
Коррозии дымовыми газами подвержены главным образом по-
верхности труб первых рядов змеевика конвекционных камер, если
температура сырья на входе в печь ниже 50 °C, т. е. ниже наибо-
лее вероятной температуры точки росы. При этом дымовые газы,
которые непосредственно соприкасаются с поверхностями труб,
охлаждаются, водяной пар в них конденсируется и, поглощая из
газов сернистый ангидрид, образует агрессивную сернистую кис-
лоту.
Окалинообразование является следствием окисления металла
труб, начинающегося с их наружных поверхностей.
Под прогарами печных труб принято понимать разрывы их на
некоторых участках. Всякому прогару предшествует образование
на трубе отдулин — местных увеличений диаметра вследствие пол-
зучести металла при высоких температурах и давлениях внутри
трубы.
Свойства печных труб должны соответствовать всем эксплуа-
тационным требованиям. Завод-изготовитель снабжает каждую
партию труб сертификатом, в котором содержатся необходимые
данные для оценки качества металла. Наружная и внутренняя
216
поверхности труб должны быть гладкими, без повреждений. Глу-
бина рисок на поверхностях труб не должна превышать 1 мм, а по-
концам — 0,5 мм.
Отклонения от нормальных размеров труб должны быть в пре-
делах, допускаемых ГОСТ: по наружному диаметру от 0,5 до
2,25%; по толщине стенки ±12,5%.
В настоящее время применяют печные трубы диаметром 60—
152 мм, длиной до 18 м, толщиной стенки до 15 мм.
Трубы могут соединяться в змеевики двумя способами: ретур-
бендами (посредством развальцовки концов труб в гнездах) и
двойниками (посредством сварки). Когда по условиям эксплуата-
ции нет необходимости в систематическом вскрытии торцов труб
(для чистки или ревизии), предпочтение следует отдавать свар-
ному змеевику как наиболее простому, компактному, дешевому и
надежному в работе. Змеевик печи может иметь и комбинирован-
ное исполнение; в конвекционной камере или на начальном ее уча-
стке— сварной, а на всех остальных участках, испытывающих
большую теплонапряженность, — на ретурбендах.
В последнее время появились печи без ретурбендов и ретур-
бендных камер. Цельносварной трубный змеевик в таких печах
размещается внутри камер и удерживается по концам, как и В;
промежутках, подвесками вместо трубных решеток.
Ретурбенды представляют собой стальные литые или кованые
короба, соединяющие трубы в змеевик. Направление потока в них
изменяется на прямо противоположное. Существуют угловые ре-
турбенды, в которых направление движения потока изменяется
под прямым углом. Их применяют при переходе змеевика из од-
ной камеры в другую или с одного экрана на другой.
Конструкция всех ретурбендов такова, что в случае необходи-
мости может быть открыт доступ к внутренней поверхности печ-
ных труб. Для этого из гнезд его извлекают конусные пробки, за-
крывающие короб и прижимаемые к нему траверсными болтами.
На рис. VII-12 изображен литой ретурбенд, предназначенный
для соединения двух труб. Он называется однопоточным в отли-
чие от двухпоточных, в которых соединяются четыре трубы. У ли-
тых ретурбендов траверсы вставляются в проушины корпуса..
У кованых ретурбендов (рис. VII-13) траверсы при затяжке тра-
версного (нажимного) болта упираются в специальный подково-
образный выступ корпуса. Литые ретурбенды более надежны, ком-
пактны и экономичны, чем кованые, поэтому им отдается предпо-
чтение.
В цилиндрических гнездах ретурбенда под трубы протачивают
по одной или две канавки глубиной 1,5—2 мм для надежности
развальцовочного соединения. При развальцовке концы труб
должны быть отбуртованы. Для того, чтобы развальцовка была
надежной, гнезда ретурбендов под трубу должны быть тверже ма-
териала трубы. Коробка и все детали ретурбенда подвергаются
термообработке.
Расчет ретурбендов производят на усилия, вызываемые давле-
нием в коробе, и на распорные усилия от пробок, прижимаемых
к корпусным гнездам. Осевое усилие, возникающее в болте, опре-
деляют по моменту, создаваемому рабочим (при ручной затяжке)
или гайковертом в момент завершения затяжки.
Рис. VI1-12. Литой ретурбенд:
/ — корпус ретурбенда; 2 — пробка; 3 —
траверса; 4—нажимной болт.
Рис. VII-13. Кованый ретурбенд:
/ — корпус; 2 —пробка; 3 — траверса; 4 —
нажимной болт; 5 — пробка боковая глу-
хая (для механической обработки перехо-
да между камерами).
Трубные змеевики по экранам радиантных камер размещаются
в один или в два ряда. При размещении в два ряда трубы одного
ряда располагают в створе труб другого ряда, т. е. в шахматном
порядке. Шаг между трубами обычно составляет 1,7—2 наружных
диаметра печной трубы.
ГАРНИТУРА ПЕЧЕЙ
К гарнитуре печей относятся детали, предназначенные для удер-
жания труб от провисания в промежутках между трубными ре-
шетками, для сборки блоков футеровки стен и подвесных сводов, а
также гляделки и предохранительные окна.
Детали для удержания труб от провисания отличаются много-
образием форм и конструкций, которые зависят от расположения
экранов, длины и веса труб, температурных режимов и т. д. Для
труб потолочного экрана применяют подвески, для труб бокового
экрана — кронштейны, для труб подового экрана—лежаки, для
труб конвекционных камер — промежуточные решетки. Число ря-
дов этих деталей зависит от веса и длины каждой трубы и усло-
вий, в которых она работает. При расчетах учитывают нагрузку
от собственного веса трубы и веса трубы с продуктом. Обычно
длину расчетного участка принимают до 4,5 м.
Подвески и кронштейны прикрепляют к элементам каркаса, а
лежаки и конвекционные решетки — к специально выполненному
для этой цели участку фундамента печи.
Решетки конвекционных труб однокамерных печей можно с
одной стороны крепить к металлоконструкциям, а с противополож-
Рис. VII-14. Детали, удерживающие трубы от провисания:
а — закрытая подвеска для двухрядного экрана; б — закрытая подвеска для однорядного
экрана; в — открытая подвеска; г — разборная подвеска для двухрядного экрана; д — за-
крытый кронштейн бокового экрана; е — открытый кронштейн; ж — решетка конвекционной
камеры.
ной стороны заделывать в кладку перевальных стен. В местах за-
делки оставляют достаточные зазоры, чтобы при тепловых дефор-
мациях решетки не разрушали кладку. Для конвекционных труб
обычно достаточно надежны решетки из чугуна марки СЧ 21-40,
и лишь для нескольких верхних рядов, где температура среды вы-
сока, целесообразно применять решетки из жароупорной стали
или ее заменителей.
Для высоких конвекционных камер решетки составляют из не-
скольких частей, соединенных болтами из нержавеющей стали.
Нижние участки отверстий решеток снабжены приливами, увели-
чивающими площади опирания труб.
Трубные подвески и кронштейны (рис. VII-14) могут быть за-
крытыми и открытыми. Закрытые подвески прочнее, но для смены
их в случае прогара требуется демонтаж печных труб. Учитывая
высокую температуру в радиантной камере, подвески и кронштей-
ны изготовляют из высоколегированных жаропрочных сталей. Для
литых изделий, например, применяют сталь ЭИ316 (ЭИ319), об-
ладающую жаростойкостью при температурах до 1000 °C в атмо-
сфере сернистых топочных газов. Применяют также хромомарган-
цевоникелевые и хромомарганцевокремнистые стали.
Число подвесок или кронштейнов п, при котором не наблюда-
ется провисание печной трубы под действием собственного веса
и веса сырья, определяют по формуле
1 (VI 1.13)
где L — расстояние между трубными решетками ретурбендных камер;
I — расстояние между подвесками или кронштейнами.
(VII.14)
где сГдоп — допустимое напряжение на изгиб при температуре поверхности трубы,
МН/м2;
р — давление среды в трубе, МН/м2;
D — внутренний диаметр трубы, м;
6 —толщина стенки трубы, >м;
W —.момент инерции сечения трубы, м’;
q —собственный вес одного метра заполненной сырьем трубы, МН/м.
Для сборки и удержания блоков футеровки стен и подвесных
сводов применяют подвески, крючья и кронштейны различных кон-
струкций; некоторые из них показаны на рис. VII-15. При пра-
вильном монтаже подвески и кронштейны находятся вне зоны вы-
Рис. VI1-15. Детали для сборки обмуровки печи из блоков:
<2 — на вертикальных участках; б— на наклонных участках; в — на горизонтальных участках.
соких температур, поэтому их отливают из чугуна марки СЧ 21-40
или из жаростойкого чугуна марки ЖЧХ-1,5. Кирпичи последова-
тельно нанизывают на тавровую полку подвесок и кронштейнов,
которые соединяются с соответствующими элементами каркаса пе-
чи на болтах.
Гляделки, или смотровые окна (рис. VII-17), предназначены
для наблюдения в процессе работы за состоянием печных труб и
работой форсунок (размером и яркостью пламени). Их изготовля-
ют из чугуна марки СЧ 21-40 и крепят на болтах снаружи клад-
ки к металлоконструкции печи. Для большей обзорности на участ-
ке установки гляделок в стенах печи выполняют отверстие, рас-
ширяющееся внутрь печи.
Предохранительные окна (рис. VII-17) отличаются от гляде-
лок большими размерами. Они предназначены для ослабления си-
лы хлопка (взрыва) в топке печи
го режима. При ремонтах ими
пользуются как лазами, через
которые обслуживающий персо-
нал проникает внутрь печи.
Крышки гляделок и предо-
хранительных окон в рабочем
состоянии должны плотно при-
легать к корпусу под действием
собственного веса. Для этого по-
верхности их сопряжения на-
клонены к вертикали. Крышки
предохранительных окон изнутри
покрывают изоляцией для пре-
дохранения от больших дефор-
маций и потерь тепла.
ТОПЛИВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В качестве топлива для трубча-
тых печей нефтеперерабатываю-
щих заводов используют жидкое
нефтяное топливо (продукты
нефтепереработки) и природный
газ. Вид применяемого топлива
в случае нарушения нормально-
Ряс. VII-16. Смотровое окно печи:
/ — корпус; 2 — хлопушка.
Рис. VII-I7. Предохранительное окно яечиЗ
/ — корпус, укрепляемый в обмуровке; 2 —
крышка; <3 — ось шарнира; 4 — заслоыка
гляделки.
определяет конструкцию и осо-
бенности оборудования для его сжигания.
Процесс сжигания топлива можно условно разделить на не-
сколько последовательных этапов: предварительный подогрев топ-
лива, мелкодисперсное распиливание его, перемешивание с воз-
духом, нагрев топливно-воздушной смеси до температуры воспла-
менения при одновременном испарении топлива, пирогенное раз-
ложение и сжигание.
Предварительный подогрев жидкого топлива производят в
топливных емкостях, в специальных теплообменниках, а также в
самих форсунках. Подогрев особенно важен для высоковязких топ-
лив. Максимальную температуру подогрева устанавливают из со-
ображений экономичности и предотвращения образования кокса
в каналах форсунок.
В форсунках топливо распыляют для приведения его в мелко-
дисперсное состояние, при котором смешение с воздухом и после-
дующее полное сгорание топлива облегчаются и ускоряются.
В большинстве трубчатых печей жидкое топливо распыляют
водяным паром, реже — воздухом; механический же распыл почти
не применяется.
Распыление представляет собой сложный комплекс физико-
химических процессов: внутриканальный распад топлива при про-
хождении через сопло форсунки, механическое разрушение под
действием сил трения, возникающих между распылителем и топ-
ливом, кавитация, приводящая к парообразованию и вскипанию
топлива.
Паровые форсунки просты по конструкции, однако в них рас-
ходуется много пара (примерно 0,3—0,6 кг на 1 кг топлива). (Воз-
душные же форсунки применяют тогда, когда они могут работать
на воздухе от вентилятора, т. е. при низком напоре воздуха; в про-
тивном случае они неэкономичны.
Распыленное топливо в процессе смешения с воздухом или по-
сле него нагревается за счет тепла в форсуночной амбразуре и
топке до температуры воспламенения смеси. При этом оно испа-
ряется и подвергается пирогенному разложению. Заключительным
этапом является полное сгорание топливной смеси.
Размеры факела, исходящего от форсунки, определяются ско-
ростью прохождения топлива через все описанные этапы. Длина
факела зависит и от расхода топлива на одну форсунку.
Процесс сжигания газообразного топлива, в отличие от сжи-
гания жидкого топлива, состоит из меньшего числа этапов: в
форсунке или в начале топки газ смешивается с воздухом, затем
топливно-воздушная смесь нагревается до температуры воспламе-
нения и сгорает. Таким образом, качество сжигания газа зависит
от степени перемешивания его с воздухом и быстроты нагрева сме-
си. Первое достигается дроблением газа на отдельные мелкие
струи, равномерно распределенные в сечении форсуночной амбра-
зуры, второе — устройством специальных туннелей, в которых за
счет тепла среды топливно-воздушная смесь с большой скоростью
нагревается до температуры воспламенения.
В большинстве трубчатых печей для сжигания газообразного
топлива применяют газовые горелки простой конструкции. Они
представляют собой концентрично расположенные в форсуночной
амбразуре кольцевые трубчатые коллекторы (бублики), снабжен-
ные множеством калиброванных сопел для выхода газа. Диаметр
сопел выбирают в зависимости от их числа к требуемой произво-
дительности каждой горелки. Такие горелки довольно долговечны
и легко изготовляются в заводских условиях. Однако эксплуатаци-
онные показатели их невысоки.
Широко распространены комбинированные газонефтяные фор-
сунки ГНФ-1М и ГНФ-3, которые работают на газовом топливе,
но в случае прекращения подачи газа могут быть быстро переве-
дены на жидкое топливо. В форсунках обеих конструкций преду-
смотрена возможность продувки паром каналов жидкого топлива,
что предотвращает забивание топливных сопел коксом или грязью.
На рис. VII-18 показана универсальная газомазутная форсунка
ФГМ-4 конструкции Гипронефтемаша. Она приспособлена для ра-
боты на низконапорном воздухе (200—300 мм вод. ст.).
Форсунка снабжена специальным завихрителем 1 (кожух с
лопатками), сообщающим потоку воздуха вращательное движе-
ние. Воздушный распыл топлива регулируется заслонкой 3, ко-
торая открывается рукояткой 4, создавая кольцевой зазор меж-
Рис. VH-18. Универсальная газомазутная форсунка ФГМ-4:
1 _ завихритель; 2 — крепление завихрителя; 3— воздушная заслонка; 4 — рукоятка заслон-
ки; 5 — парожидкостная камера; 6 —топливный вентиль; 7 — воздушные окна; 8 — воздуш-
ный регистр; 3 — кольцевой газовый коллектор; 10 — наконечники газового коллектора.
ду завихрителем и корпусом форсунки. Подача жидкого топлива
регулируется вентилем 6 в парожидкостной камере 5. Часть фор-
сунки для сжигания газа состоит из газового кольцевого коллек-
тора 9, в который ввернуты наконечники 10. Воздух для горения
газа поступает через расположенные на корпусе форсунки окна 7,
прикрытые регистром 8.
В' последнее время на некоторых трубчатых печах применяют
так называемые угловые щелевые форсунки, способные создавать
настильное пламя, т. е. плоский факел, стелющийся на одну из
стен печи. Примечательной особенностью названных форсунок
является короткое пламя при воздушном распиливании жидкого
топлива.
Проблема короткопламенного горения газа разрешена в печах
беспламенного горения с излучающими стенками топки, в кото-
рых достигается полное предварительное смешение газа и возду-
ха. При этом благодаря применению инжекционных смесителей
удается добиться полного сгорания топлива при коэффициенте из-
бытка воздуха 1,05—1,10. Смесь газа и воздуха, тщательно пере-
мешанная и подогретая до температуры воспламенения, сгорает
почти мгновенно, поэтому в горелках рассматриваемых печей
продолжительность горения зависит от времени, необходимого для
нагрева смеси до указанной температуры.
На рис. VI1-19 приведена конструкция одной из беспламенных
панельных горелок, составляющих излучающие стенки топок соот-
ветствующих печей. В сварную распределительную камеру 1
вмонтированы трубки 5, свободные концы которых входят в кера-
мические призмы 6. Между призмами и стенкой камеры имеется
изоляционный слон из диатомовой крошки. Газовоздушная смесь
Рис. VII-19. Беспламенная панельная горелка:
/ — сварная распределительная камера; 2— инжекторная труба; 3 — газовое сопло; 4—
воздушная регулирующая заслонка; 5 — трубки панельные; 6 — керамическая призма;
7 — изоляционный слой; <8 — газопроводная труба; 9 — крепление инжекторной трубы
к камере.
подается в камеру по трубке инжектора 2. Газ поступает к соплу
3 из газопровода 8. Подача воздуха регулируется заслонкой 4 пу-
тем увеличения зазора между ее торцом и трубкой инжектора.
Выйдя из сопла со скоростью 200—400 м/с, струя газа под-
сасывает необходимое количество атмосферного воздуха. Газовоз-
душная смесь через инжектор поступает в распределительную ка-
меру, а оттуда по трубкам 5 — в керамические туннели.
Панель горелки собирается из керамических призм 6, зазор
между призмами составляет 1—3 мм. В каждой призме имеется
один, два, четыре или девять туннелей; длина туннеля зависит от
его диаметра. В туннелях происходит нагрев газовоздушной смеси
до температуры воспламенения и ее горение. Этому способствует
высокая температура стенок туннелей, которая зависит от усло-
вий эксплуатации печи (производительности горелок и температу-
ры стен трубных экранов).
Нормальная работа беспламенных панельных горелок с ров-
ным фронтом горения и излучения обеспечивается при равенстве
скоростей распространения пламени и истечения газовоздушной
смеси. В трубках скорость смеси больше, чем в туннелях, а в тун-
нелях скорость не должна быть меньше скорости распространения
пламени. Следовательно, по существу смесь начинает гореть
только после выхода ее из трубок в туннели. Однако практически
возможно резкое снижение скорости смеси в трубках вследствие
засорения сопел, инжекторов, самих трубок или значительного
падения давления топливного газа. Исходя из этих соображений,
следует избегать больших объемов распределительных камер, что-
бы при проскоке пламени в них не происходили сильные хлопки.
Конструкция панельных горелок позволяет обеспечить равно-
мерные нагрев и лучеиспускание на большой площади, что в ко-
нечном счете приводит к.малым размерам печей при их высокой
эффективности за сче^-эначнтельной-.средней теплонапряженности
поверхности нагрева (до 80 тыс. ккал-м 2-ч_|). Кроме того, при
необходимости горение можно регулировать так, чтобы каждый
участок трубного экрана получал тепловое излучение в требуемом
количестве; в печах с обычными горелками и форсунками это труд-
нодостижимо.
ТОПЛИВОСНАБЖЕНИЕ ПЕЧЕЙ
Стабильное и бесперебойное снабжение форсунок топливом обес-
печивается осуществлением ряда мер в системе топливоснабже-
ния.
Наиболее простым является подвод газообразного топлива, для
которого не требуется специальная предварительная подготовка
на технологической установке. Природный газ поступает к фрон-
ту печей из межустановочных газопроводов. В начале газовой ма-
гистрали обычно установлены одна или две ступени сепараторов,
в которых от газа отделяется конденсат (горение газа, содержаще-
го конденсат, нарушает работу установки).
Газовый коллектор каждой трубчатой печи, расположенный по.
фронту форсунок, подключают к магистрали через регулятор рас-
хода и терморегулятор, с помощью которых осуществляется авто-
матическое регулирование термического режима в топке. Каждая
форсунка снабжена двумя запорными устройствами (задвижками
или кранами) и установленной между ними газоотводящей труб-
кой-свечой. При бездействующих форсунках свеча должна быть
открыта, чтобы предотвратить попадание газа в топку из-за не-
плотностей в запорных устройствах. Если все форсунки работают
или выключаются одновременно, их можно подключить к одной об-
щей свече. При длительном отключении форсунок на газовом кол-
лекторе устанавливают глухую заглушку.
Для трубчатых печей жидким топливом служат главным обра-
зом тяжелые остатки переработки нефти (крекинга и прямой пе-
Рис. VII-20. Поперечное сечение топ-
ливопровода с пароспутником:
/ — топливная труба; 2— паровая тру-
ба; 3 — фланцевое соединение; 4 —
продольные ребра для удержания ко-
жуха; 5 — тепловая изоляция; 6 — ко-
жух из тонкого стального листа; 7 —
металлическая обшивка или штука-
турка.
регонки), а также экстракт от очистки дистиллятов смазочных ма-
сел. На практике о качестве жидкого топлива судят прежде всего
по его вязкости. Чем выше вязкость топлива, тем труднее его сжи-
гать и тем большей предварительной подготовки оно требует.
Топливные коллекторы прокла-
дывают непосредственно перед
фронтом форсунок печей в кана-
лах-лотках. Специальные топлив-
ные насосы поддерживают в кол-
лекторах постоянное давление, что
очень важно для стабильной рабо-
ты форсунок.
В топливных коллекторах не
должно быть застойных участков.
Такие участки могут со временем
забиться отложениями и грязью.
Поэтому часть топлива циркулиру-
ет по схеме коллектор — прием на-
соса — коллектор.
Все топливопроводы покрыва-
ют надежной тепловой изоляцией.
На случай длительных перерывов
в работе топливного коллектора
протяжении снабжают пароспутни-
ком. Конструкция топливопровода с пароспутником, обеспечиваю-
щим обогрев застывшего топлива, приведена на рис. VII-20.
топливопроводы на всем их
ДЫМОВЫЕ ТРУБЫ И ДЫМОХОДЫ
Дымовые газы из печи через дымоходы и дымовую трубу выбра-
сываются в атмосферу. Дымовые трубы обеспечивают тягу, не-
обходимую для работы трубчатых печей. Диаметр дымовой трубы
должен быть таким, чтобы скорость движения газов в ней не пре-
вышала допустимого значения (4—6 м/с). Требуемая тяга в га-
зовом тракте печи обусловлена разностью плотностей атмосфер-
ного воздуха и дымовых газов. Естественная тяга, создаваемая
дымовой трубой, зависит от высоты трубы, температуры дымовых
газов и температуры атмосферного воздуха. Разрежение в топке
печи, создаваемое дымовой трубой, обычно составляет 15—20 мм
вод. ст.
Большая часть эксплуатируемых в настоящее время дымовых
труб изготовлена из стали Ст. 3. Металлические трубы коничес-
кой формы в соответствии с нормалями имеют высоту 30, 35 и
40 м при диаметре на выходе до 2000 мм и у основания — до
3200 мм. К фундаменту они крепятся фундаментными болтами (до
16 штук).
Частота колебаний дымовых труб в ветровом потоке совпадает
с частотой их собственных колебаний. При определенных скоро-
226
стях ветра трубы попадают в резонанс, что увеличивает амплиту-
ды их колебаний и приводит к значительным динамическим на-
пряжениям.
Нижнюю часть дымовых труб изнутри футеруют огнеупорным
кирпичом. Высота футеровки зависит от температуры дымовых га-
зов и обычно составляет не менее 10—15 м. Футеровка способст-
вует затуханию колебаний стальных труб, поэтому ее нужно про-
изводить тщательно, с заполнением зазоров между ней и кожухом
шлаком или инфузорной землей. При хорошо профутерованных по
всей высоте трубах необходимость в расчалках отпадает; их сле-
дует ставить только на период монтажных работ.
Условия эксплуатации дымовых труб определяются возможной
коррозией их тонких стенок дымовыми газами, а в случае прога-
ров печных труб или воспламенения сажи — перегревами до вы-
соких температур. В настоящее время повсеместно вводятся в экс-
плуатацию теплостойкие железобетонные трубы. Во избежание
возможного загорания сажи, накапливающейся на стенках труб,
их периодически продувают острым паром.
Дымоходы (боровы) соединяют выход из конвекционной каме-
ры с дымовой трубой. Их выкладывают из кирпича, кирпичных
или железобетонных блоков. В них предусматривают люки-лазы
для осмотра и чистки при ремонтах. Все каналы дымоходов снаб-
жают системой паротушения. Для регулирования тяги на дымо-
ходах или в самом низу дымовой трубы устанавливают шиберы —
плоские заслонки, частично прикрывающие сечение тракта, по ко-
торому проходят дымовые газы.
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛИ И РЕКУПЕРАТОРЫ
Для максимального использования тепла дымовых газов на их пу-
ти очень часто устанавливают пароперегреватели и рекуператоры.
Водяной пар для технологических нужд на большинстве уста-
новок подвергается перегреву. Перегрев пара осуществляется за
счет тепла, воспринимаемого поверхностями труб пароперегрева-
теля. Трубы размещают в конвекционной камере печи таким обра-
зом, чтобы обеспечить перегрев пара до нужной температуры. Од-
нако такое расположение пароперегревателя весьма неудобно, так
как в случае прогаров смена труб весьма затруднена. Поэтому на
многих трубчатых печах пароперегреватели встраивают в борова
при соответствующем увеличении поверхности труб для обеспече-
ния необходимой температуры.
С целью повышения к. п. д. печей и создания благоприятных
режимов горения топлива тепло дымовых газов используют так-
же для подогрева воздуха, подаваемого в топки. Известно, что
при нагреве воздуха до 120°C расход топлива снижается на 15%.
Поэтому в печах большой производительности с высокой темпера-
турой отходящих дымовых газов целесообразно устанавливать ре-
куператоры — аппараты для подогрева воздуха.
На рис. VII-21 приведена схема распространенного на заво-
дах трубчатого рекуператора. Он состоит из двух трубчатых сек-
ций, помещенных в коробчатом корпусе, изготовленном из листо-
вой стали. Диаметр труб 50—75 мм, по концам они герметично со-
единены с трубными решетками путем сварки или развальцовки.
Рис. VI1-21. Трубчатый рекуператор:
/__трубный змеевик; 2 — обдувочная труба; 3 — приемная смесительная камера нагревае-
мого воздуха; 4 — штуцера линии рециркуляции.
Рекуператор соединяют с дымоходом так, чтобы дымовые газы
проходили внутри труб снизу вверх. Воздух нагнетается вентиля-
тором в межтрубное пространство, замкнутое кожухом, и далее по
воздуховодам поступает к форсункам. Количество и температуру
воздуха и дымовых газов регулируют шиберами, установленными
на воздуховоде и дымоходе.
Условия эксплуатации рекуператоров довольно тяжелые: они
подвергаются резким температурным деформациям в случае вы-
хода из строя вентилятора; трубные пучки забиваются золой, при
этом ухудшается теплопередача, что, в свою очередь, приводит к
прогарам труб. Кроме того, при охлаждении дымовых газов до
точки росы влага на внутренних поверхностях труб растворяет со-
держащийся в дымовых газах сернистый газ, образуя серную кис-
лоту, которая интенсивно разъедает металл труб.
Исходя из сказанного, температуру воздуха на входе в рекупе-
ратор выбирают на 5—10 °C выше точки росы. Для трубчатых пе-
чей, работающих на жидком или газообразном топливе, точка ро-
сы находится в пределах 40—45 °C, так что рекуператоры всегда
эксплуатируют в условиях сильной коррозии.
Зола, покрывающая внутренние поверхности труб, ухудшает
теплообмен, поэтому в ряде случаев рекуператоры снабжают спе-
циальными устройствами для автоматической попеременной обдув-
ки всех труб сжатым воздухом.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕЧЕЙ
Эксплуатационные показатели трубчатых печей зависят от техно-
логического процесса, который осуществляется на данной установ-
ке. Основные требования к работе всех печей следующие: предот-
вращение местных перегревов продукта и обеспечение нужного на-
грева его без разложения; требуемая степень превращения сырья
при минимальном коксовании; максимальный срок службы.
Разница в условиях работы нагревательных и нагревательно-
реакционных печей весьма существенна. Нагревательные печи ра-
ботают при более благоприятных условиях. Разложение продукта
в них и связанное с ним коксообразование на поверхностях труб
предотвращается созданием равномерной теплонапряженности по-
верхности нагрева. Допустимое значение теплонапряжений в каж-
дом конкретном случае устанавливают в зависимости от темпера-
туры сырья, склонности его к разложению и скорости движения
потока в трубах змеевика (см. стр. 206).
В конвекционной камере печи по мере возрастания температу-
ры сырья теплонапряженность поверхности нагрева увеличивает-
ся. С переходом потока в радиантную камеру теплонапряженность
резко возрастает и стабилизируется. При этом температура сырья
изменяется в зависимости от его испарения и гидродинамического
режима потока. До начала испарения все тепло, воспринимаемое
сырьем, расходуется на повышение его температуры. Далее неко-
торое количество тепла затрачивается на испарение, так что рост
температуры замедляется. При высоком давлении на входе в печь
температура сырья в зоне испарения может снижаться из-за ис-
пользования части собственного тепла на испарение. Поэтому тем-
пературу сырья на выходе из печи не всегда можно принимать за
максимальную температуру во всем трубном змеевике.
Следует избегать регулирования теплового режима работы пе-
чи путем равномерного увеличения температуры, так как при
этом теплонапряженность на определенных участках испарения
недопустимо повышается. В процессе испарения сырья жидкая фа-
за потока утяжеляется, так как прежде всего испаряются низко-
кипящие фракции. Поэтому склонность к коксованию возрастает
пропорционально степени испарения. Отсюда следует, что в зонах
интенсивного испарения необходимо создавать более мягкий теп-
ловой режим.
Тепловой режим работы всей печи в каждом случае устанав-
ливают с учетом термостойкости сырья при температурах, до кото-
рых оно нагревается. Так, наибольшие значения теплонапряжен-
ности поверхности нагрева допустимы при нагреве газойля до
350 °C без испарения, нефти — до 310—340 °C с частичным испа-
рением, и т. д.
Нагрев тяжелых продуктов до высоких температур при боль-
ших теплонапряженностях поверхности нагрева (выше 31 000
Вт-м-2) приводит к интенсивному закоксовыванию труб. Это
относится к печам установок вакуумной перегонки мазута, печам
для нагрева тяжелых нефтяных остатков при замедленном коксо-
вании и т. п.
Нагревательно-реакционные печи работают в условиях интен-
сивного коксообразования на внутренних поверхностях труб. Это
вызвано особенностью реакционных процессов, которые требуют
определенного времени пребывания сырья в реакционных зонах
трубного змеевика. В таких печах высокие теплонапряженности
поверхности нагрева труб допустимы только до момента начала
реакции; в противном случае трубы быстро прогорают.
ПУСК ПЕЧЕЙ
Правильный пуск, нормальная эксплуатация и остановка трубча-
тых печей являются гарантией удлинения срока их службы. По-
этому указанным операциям обслуживающий персонал должен
уделять особое внимание.
Трубчатая печь считается готовой к эксплуатации, если пол-
ностью завершены все монтажные и строительные работы, опрес-
сован трубный змеевик и просушена кладка.
Технология сушки футеровки зависит от ее конструкции. До-
вольно просто сушится блочная футеровка без раствора. Новую
печь с такой футеровкой достаточно сушить менее двух суток по
следующему режиму: нагрев футеровки до 50 °C в течение двух
часов; дальнейшее повышение температуры до 100 °C со скоростью
5 °C в час; выдержка при этой температуре в течение двух часов;
повышение температуры с той же скоростью до 150 °C и выдержка
при данной температуре около 15 ч.
После ремонта печь сушат более форсированно, по существу
совмещая указанную операцию с горячей циркуляцией и переводом
установки «на сырье».
Свежую футеровку, выполненную из огнеупорного кирпича с
применением раствора, следует сушить более тщательно. При
этом важно убедиться в том, что в процессе сушки кладка нагре-
вается по всей толщине, для чего измеряют ее температуру с на-
ружной стороны под изоляцией. Кладку прогревают до 100 °C со
скоростью не более 5 °C в час и выдерживают при данной темпе-
ратуре до двух суток для выпаривания всей влаги из раствора.
Далее повышают температуру кладки со скоростью 3°С в час до
150 °C и продолжают сушку в течение 48—96 ч при толщине клад-
ки до 500 мм. Для сушки футеровки применяют дрова, слабое пла-
мя от газовых или жидкостных форсунок, а также водяной пар,
пропускаемый по трубному змеевику печи.
Перед пуском трубчатая печь должна остыть до 90—95 °C во
избежание интенсивного испарения воды, содержащейся в сырье.
В течение некоторого времени сырье циркулирует через змеевик
печи по схеме емкость — насос — печь — емкость для апробирова-
ния системы и обнаружения возможных неплотностей в ней, не за-
меченных при ранее осуществленной опрессовке. Затем гермети-
зируют ретурбендные камеры (опусканием дверец и замыканием
засосов), закрывают дверцы гляделок и взрывных окон.
Для разогрева топлива включают топливный насос и произво-
дят кратковременную циркуляцию топлива по схеме мерник — на-
сос — коллектор форсунок — мерник.
Из парового коллектора форсунок спускают конденсат; вен-
тиль на конденсатопроводе в период пуска форсунок должен быть
всегда слегка открытым.
Во избежание взрыва горючих газов, которые могут скопиться
в результате недостаточной герметичности системы, топочное про-
странство печи продувают водяным паром. В зависимости от раз-
меров топки продувку продолжают в течение 10—15 мин, пока из
дымовой трубы не появится водяной пар.
Факел к форсункам нужно подносить сейчас же после продув-
ки. Форсунки зажигают в следующем порядке: сначала одну — по-
середине, затем по порядку по обе стороны от нее. Пока печь хо-
лодная, факел для поджигания горючей смеси должен непрерыв-
но находиться перед горящими форсунками, поскольку по различ-
ным причинам форсунки гаснут; факел убирают после того, как
форсуночная амбразура раскалится. Число одновременно горя-
щих форсунок и степень их шуровки зависят от скорости возраста-
ния температуры сырья, которая указывается в технологической
карте установки.
В процессе повышения температуры вода испаряется из сырья,
и постепенно разогревается вся аппаратура установки. Когда темпе-
ратура дымовых газов над перевальной стеной достигнет 250—
300 °C, в трубы пароперегревателя подают пар с последующим вы-
хлопом его в атмосферу, чтобы избежать прогара труб. Перегре-
тый до необходимой температуры пар используют, как указано в
пусковой инструкции.
В аналогичных условиях к системе подключают и рекупера-
тор. Для предотвращения интенсивной коррозии труб количество
нагнетаемого в рекуператор воздуха увеличивают постепенно с
помощью шибера, чтобы температура его была не ниже точки ро-
сы. В течение этого времени регулированием внешнего регистра
к форсункам добавляют холодный воздух.
По достижении заданной температуры сырья горячую цирку-
ляцию прекращают и установку переводят «на сырье», т. е. на ра-
боту по основной технологической схеме.
НОРМАЛЬНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕЧЕЙ
Нормальная эксплуатация печей заключается в поддержании всех
параметров их работы в пределах, обусловленных общей техно-
логической картой установки. Показателями, характеризующими
эксплуатационное состояние трубчатой печи, являются температу-
ра сырья на выходе, температура дымовых газов над перевальной
стеной и давление в змеевике. При установившемся расходе сырья
шуровка форсунок автоматически регулируется таким образом,
чтобы на выходе из печи достигалась определенная температура.
Регулирование обеспечивает получение продуктов постоянного ка-
чества при наиболее целесообразном режиме.
Расход сырья поддерживается регуляторами расхода. С уве-
личением его теплопроизводительность печи должна возрастать,
уменьшение же расхода должно вызывать соответствующее сниже-
ние теплонапряженности топки, чтобы не допускать резкого повы-
шения температуры на выходе и, следовательно, перегрева стенок
труб.
Признаком нарушения теплового режима трубчатой печи явля-
ется заметное увеличение температуры дымовых газов над пере-
вальной стеной. Это свидетельствует о плохом теплообмене через
стенки печных труб, т. е. о начале их закоксовывания. В данном
случае температуру на выходе из печи нельзя поддерживать уси-
ленной шуровкой форсунок во избежание интенсификации про-
цесса отложения кокса на стенках труб; необходимо снижать про-
изводительность печи (расход сырья). Уменьшение расхода сырья
при неизменной температуре дымовых газов на перевале может
гарантировать продолжительную работу печи. Если же для этого
потребуется значительно снизить расход, следовательно, печь
нужно останавливать на ремонт.
Иногда к усилению шуровки прибегают при уменьшении тем-
пературы сырья на входе в печь из-за плохой работы теплообмен-
ников. О степени закоксованности печных труб можно судить по
давлению на входе в печь.
Срок непрерывной работы трубчатой печи зависит от характе-
ра всей технологической установки, вида сырья, режима работы
и квалификации обслуживающего персонала. Наиболее частой
причиной остановки печи является отложение кокса на внутренних
стенках труб или большой налет золы на их наружных поверхно-
стях.
Различают плановую и аварийную остановку трубчатых печей.
ПЛАНОВАЯ ОСТАНОВКА ПЕЧЕЙ
Остановка печи производится следующим образом. Поддерживая
номинальную температуру на выходе из печи, уменьшают ее про-
изводительность (расход сырья) до 50—60%. Скорость снижения
производительности зависит от возможности теплового регулиро-
вания посредством ослабления шуровки или выключения форсу-
нок. После этого температуру на выходе уменьшают со скоростью
20—30 °C в час до оптимальной температуры, предусмотренной
технологической картой при горячей циркуляции. Затем прекраща-
ют подачу свежего сырья в печь и переводят ее на режим цирку-
ляции. Далее температуру продолжают снижать до тех пор, пока
не станет возможной продувка змеевика для освобождения его от
остатков сырья.
В процессе уменьшения температуры должны быть приняты
меры для предотвращения прогаров или сильной коррозии дымо-
выми газами труб пароперегревателя и рекуператора. До полной
остановки печи рекомендуется в трубы пароперегревателя пода-
вать пар, а вентилятор, нагнетающий воздух в рекуператор, необ-
ходимо выключить уже в момент перевода печи с режима работы
при пониженной производительности на режим горячей циркуля-
ции.
Трубный змеевик печи продувают паром против хода сырья
или по его ходу. В первом случае остатки сырья из змеевика по-
ступают в аварийные емкости, а во втором—в аппарат, который
подключен к печи (чаще всего ректификационная колонна). Иног-
да продувку производят сначала против хода, а затем по ходу
сырья, совмещая ее с сушкой змеевика. Продолжительность про-
дувки паром составляет один-два часа, в зависимости от длины
змеевика.
Продолжительность продувки зависит также от давления во-
дяного пара в магистрали, которое должно быть достаточным для
преодоления гидравлических сопротивлений в змеевике при режи-
ме продувки.
АВАРИЙНАЯ ОСТАНОВКА ПЕЧЕЙ
Аварийная остановка сложнее, чем плановая, так как время на ее
проведение при неожиданных резких нарушениях подачи сырья,
пара и т. д. всегда ограничено.
Наиболее опасно внезапное прекращение поступления в печь
сырья, что может быть следствием разрыва сырьевого трубопро-
вода, остановки печных насосов или поломки запорной арматуры.
Если не принять немедленных мер, то неизбежно закоксовывание
труб змеевика, а на некоторых установках даже полный выход их
из строя. Первой операцией по прекращению подачи сырья явля-
ется тушение форсунок с одновременным переводом печи на схему
горячей циркуляции. Последующая полная остановка печи произ-
водится в указанной выше последовательности.
Характер аварийной остановки печи при прогарах труб змееви-
ка определяется размерами и участками этих прогаров. Неболь-
шой разрыв на отдулине или начинающийся прогар сопровожда-
ется незначительной течью сырья, наблюдаемой через гляделки
или форсуночные амбразуры печи. В данном случае печь останав-
ливают по нормальной схеме, а змеевик продувают. Вид продувки
зависит от того, на каком участке змеевика находится прогорев-
шая труба: если ближе к выходу из печи, продувку ведут против
хода сырья, если же ближе к входу в печь — по ходу сырья.
Аналогичной схемы продувки придерживаются и при сильных
прогарах, когда в камеры печи поступает много продукта. Силь-
ные прогары являются серьезной аварией, нередко сопровождаю-
щейся пожарами, поэтому печь останавливают немедленно. Для
этого быстро прекращают подачу сырья, тушат все форсунки и
продувают змеевик паром. Для предотвращения распространения
пламени открывают подачу пара на всех линиях паротушения пе-
чи, в боров и в дымовую трубу.
На вакуумных установках весьма опасны прогары труб в ра-
диантных секциях змеевиков печей. Зачастую их бывает трудно
обнаружить, так как пропуск сырья визуально не наблюдается.
Через разрывы в печных трубах в вакуумную колонну могут за-
сасываться дымовые газы, что нарушает вакуум. Поэтому при
внезапном изменении вакуума в колонне обслуживающий персо-
нал должен тщательно проверить состояние труб печи.
Остановка печи вследствие неплотностей в соединениях труб
с ретурбендами и в самих ретурбендах осуществляется в той же
последовательности, что и при прогарах. Чтобы избежать воспла-
менения продукта, в ретурбендную камеру, где обнаружена не-
плотность, начинают немедленно подавать пар из системы пароту-
шения.
После остановки трубчатую печь немедленно отключают от
всех связанных с ней аппаратов, трубопроводов и насосов путем
закрытия задвижек с последующей обязательной установкой за-
глушек.
КОНТРОЛЬНАЯ ОПРЕССОВКА ПЕЧЕЙ
Перед каждым пуском печи в эксплуатацию ее трубный змеевик
следует опрессовать. Опрессовку ведут в две стадии: сначала па-
ром, затем тем продуктом, который должен подогреваться в про-
цессе эксплуатации в трубном змеевике печи.
Контрольная опрессовка змеевика и соединительных трубопро-
водов производится по следующей схеме. Продукт нагнетается
насосом в трубный змеевик до его заполнения, о чем судят по
появлению давления на выходе из печи и по изменению уровня
продукта в колонне, с которой соединен выход печи. Для подня-
тия давления в змеевике закрывают задвижку на входе в колон-
ну. Регулированием печных насосов равномерно, без рывков уста-
навливают нужное для опрессовки давление. Обычно давление ис-
пытания принимают равным двукратному рабочему давлению. Под
этим давлением змеевик выдерживают 5 мин, после чего давление
снижают до рабочего и начинают осмотр.
Каждая опрессовка печи оформляется актом по установленной
форме.
ГЛАВА VIII
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Назначение гидромеханических процессов — обработка жидких и
газовых неоднородных систем для образования этих систем путем:
смешения или для разделения их на составные части.
Неоднородными системами называют жидкости и газы, в кото-
рых содержатся во взвешенном состоянии твердые частицы, ка-
пельки других жидкостей или пузырьки газа. Примерами неодно-
родных систем могут служить сырая нефть, содержащая во взве-
шенном состоянии частицы воды и грязи; дистиллят масла, подвер-
гаемый контактной или кислотной очистке; воздух, применяемый
для пневмотранспорта сыпучих веществ, и др.
Жидкость или газ, содержащие взвешенные частицы, являются
внешней, или дисперсионной, фазой неоднородной системы; взве-
шенные во внешней фазе частицы — внутренней, или дисперсной,
фазой. В зависимости от сочетаний внешней и внутренней фаз.
каждая неоднородная система носит определенное название. На-
пример, суспензия состоит из внешней фазы — жидкости и внут-
ренней—твердых частиц; эмульсия представляет собой взвесь ка-
пелек одной жидкости в другой; если внешняя фаза — газ, внут-
ренняя — твердые частицы, система называется пылью, и т. д.
Способ разделения неоднородных систем зависит прежде всего
от характеристики данной системы, т. е. от свойств ее внешней и
внутренней фаз, а также от концентрации и размеров частиц взве-
шенного вещества. Известны следующие способы разделения не-
однородных систем: 1) под действием силы тяжести; 2) под дейст-
вием искусственно развиваемой центробежной силы; 3) под дейст-
вием давления; 4) под действием силы тяжести с предваритель-
ным укрупнением частиц. Пыль можно осаждать в электрическом
поле и разделять с применением жидкости (мокрое разделение).
При одном и том же составе фаз способ разделения неоднород-
ной системы зависит главным образом от размеров внутренней,
взвешенной фазы. Разделение системы тем сложнее, чем мельче
частицы, взвешенные во внешней фазе. Так, например, частицы
размерами менее 0,4—0,5 мкм в жидкой фазе и менее 0,1 мкм в га-
зовой фазе практически не оседают под действием силы тяжести
из-за интенсивного броуновского движения. Для разделения таких
смесей требуются специальная подготовка внешней среды и более
совершенные методы осаждения.
Неоднородные системы характеризуются также концентрацией
взвешенного вещества. Поэтому при расчете гидромеханических
процессов задаются начальной и конечной концентрациями взве-
шенного вещества соответственно в суспензии и очищенной жидко-
сти, а также количеством жидкости в осадке твердого вещества
(влажностью осадка).
Составим материальный баланс гидромеханических процессов,
для случаев разделения неоднородных смесей и их образования
путем смешения. Для этого введем следующие обозначения:
Gc —масса исходной смеси, состоящей из вещества а (внешней фазы)
и взвешенных в ней веществ b (внутренней фазы);
Хс —содержание вещества b в исходной смеси, % (масс.);
Ga — масса очищенного (осветленного) продукта;
хп —содержание вещества b в очищенном продукте, % (масс).
Go — масса осадка;
Хо — содержание вещества b в осадке, % (масс).
Тогда при отсутствии потерь материальный баланс выразится
следующими двумя уравнениями:
Gc==Gn + G0 (VIII.1)
Gqxc ~ бп-Щ Ч- G0Xq (VIII .2)
Масса очищенного продукта и осадка определяется совмест-
ным решением уравнений (VIII.1) и (VIII.2):
Хп — хс
Gn = -----тг (VIII.3)
Л0 Лп
,ГР — Хп
Go= х-_х (VIII.4)
Ло — Лц
Уравнения (VIII.1) и (VIII.2) выражают также процесс сме-
шения двух веществ, поэтому из уравнения (VIII.2) можно опре-
делить концентрацию взвешенного вещества в полученной смеси:
где Gn и Go — массы смешиваемых продуктов;
Gc — масса полученной смеси;
хп и хс — концентрация взвешенных веществ в смешиваемых продук-
тах, % (масс.).
Конструкция оборудования для гидромеханических процессов
отличается большим разнообразием и зависит от конкретного на-
значения процесса и характеристики образуемой или разделяемой
неоднородной системы.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
В нефтепереработке перемешивание в жидкой среде имеет мно-
жество технологических назначений: перемешиванием получают
однородные растворы, эмульсии, суспензии; перемешивание при-
меняют для ускорения растворения твердых и пастообразных ве-
ществ в жидкости. При перемешивании увеличиваются поверхно-
сти контактов, образуются вихри, вследствие чего интенсифициру-
ются тепловые, диффузионные и химические процессы.
Качественная характеристика процесса перемешивания (эф-
фективность перемешивания) выражается по-разному, в зависимо-
'сти от назначения процесса. Например, сравнивают коэффициенты
теплопередачи или скорости реакции химического превращения
при перемешивании и без него. Если процесс предназначен для
получения суспензий или эмульсий, то эффективность перемеши-
вания обычно характеризуют равномерностью распределения фаз
в суспензии или эмульсии. Для эмульсий эффективность процесса
определяется также размером частиц дисперсной фазы, образую-
щейся в процессе перемешивания.
При конструировании перемешивающей аппаратуры для обес-
печения необходимой интенсивности процесса обычно исходят из
практических данных или руководствуются рекомендациями.
СПОСОБЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Оборудование для перемешивания различно и зависит от спосо-
ба ведения процессов. Известно три основных способа перемеши-
вания: пневматическое, гидравлическое и механическое.
Пневматическое перемешивание осуществляют газом (чаще
всего воздухом или водяным паром), проходящим через слой жид-
кости. Подаваемый под некоторым давлением воздух или пар бар-
ботирует (пробулькивает) через жидкость, перемешивая ее.
Для более интенсивного барботажа и, следовательно, переме-
шивания необходимо достаточное количество воздуха (пара). При
расчетах исходят из удельного расхода воздуха в пределах 0,4—
1,2 м3 в 1 мин на 1 м2 свободной поверхности жидкости.
Для равномерного распределения воздуха внутри жидкости
применяют специальные барботеры, или маточники. Они состоят
из труб со множеством мелких отверстий, обычно устанавливае-
мых на дне аппарата, и могут быть различной формы (змеевик,
крестовина, спираль, кольца с параллельными хордами и др.).
Сечения отдельных элементов барботеров рассчитывают таким
образом, чтобы обеспечить необходимую скорость истечения воз-
духа через все отверстия для равномерного процесса перемешива-
ния и предотвращения закупорки части отверстий.
Давление перемешивающего газа в барботере должно быть
достаточным для преодоления сопротивлений: 1) истечения через
отверстия; 2) столба жидкости в мешалке; 3) отрыва пузырьков
от отверстий. Сумму этих сопротивлений обычно определяют опыт-
ным путем.
На рис. VIII-1 показана конструкция пневматической мешалки
с трубчатым барботером. Барботер состоит из центральной трубы,
введенной в мешалку через ее верхнее днище, центрального кол-
лектора и трубчатых перфорированных лучей. Коллектор и лучи
располагают на днище мешалки в один или несколько ярусов, в
зависимости от конструкции днища. Процесс перемешивания мо-
жет происходить при выделении тепла или, наоборот, потребует
подвода тепла. С этой целью мешалку
снабжают рубашкой, в которую пода-
ют греющий или охлаждающий агент.
При выборе пневматического спо-
соба перемешивания необходимо учи-
тывать возможности контакта пере-
мешиваемого сырья с воздухом или
паром; в первом случае продукт мо-
жет окислиться, во втором — обвод-
питься. При перемешивании воздухом
легких нефтепродуктов возможны
большие потери их. Следует учиты-
вать также вероятность накопления
статического электричества, т. е. по-
Рис. VHI-I. Пневматическая ме-
шалка с трубчатым барботером:
/ — корпус; 2 — греющая или
охлаждающая рубашка; 3 —
центральная труба; 4 — трубча-
тые кольцевые барботеры.
жароопасность процесса.
Износ элементов пневматических
мешалок в основном зависит от аг-
рессивных свойств перемешиваемой
среды. В качестве защитных слоев ис-
пользуют нержавеющие стали, футе-
ровку из керамических плит, гуммированные поверхности и др.
Частому ремонту подвергают барботеры (маточники), претерпе-
вающие эрозионный износ.
Гидравлическое перемешивание жидкостей на нефтеперераба-
тывающих заводах используют для приготовления товарной про-
дукции из нескольких компонентов-полуфабрикатов или путем до-
бавления к товарным дистиллятам соответствующих жидких ре-
агентов для повышения качества продукта. В большинстве случаев
гидравлическое перемешивание осуществляют насосом, который
забирает жидкую смесь из резервуара и вновь подает в него, т. е.
осуществляет циркуляцию жидкости через себя.
На товарных смесительных станциях для дозированного непре-
рывного смешения широко применяют инжектирование и дроссе-
лирование.
Инжекторный смеситель (рис. VIII-2) используют для непре-
рывного перемешивания при выщелачивании бензина раствором
едкого натра. При прохождении бензина через центральное сопло
создается пониженное давление в смесительной камере, куда под-
сасывается раствор NaOH. Смесь интенсивно перемешивается в
диффузоре и далее нагнетается в резервуар.
Конструкция инжекторных смесителей проста. Быстро изна-
шиваются только сопло и диффузор, поэтому их изготовляют лег-
косменяемыми, а также из коррозионностойких и эрозионностой-
ких металлов. Существуют также многосопельные инжекторные
смесители, которые применяют при большой производительности
смесительных станций. В камерах этих смесителей расположено
параллельно друг другу несколько сопел.
Перемешивание дросселированием заключается в создании
вихрей за счет повышения степени турбулентности жидкостного
потока. Для дросселирования применяют клапаны и диафрагмы,
Рис. V1II-2. Инжекторный смеситель:
/ — сопло; 2— диффузор; 3— приемная камера; 4, 5 — ввод смешиваемых жидкостей; 6 — вы-
вод смеси.
попеременно суживающие и расширяющие проход жидкости. Сме-
сительная камера аппарата в общем случае представляет собой
трубу, в которой на определенном расстоянии друг от друга раз-
мещают несколько (до 20) клапанов или диафрагм. Такие смеси-
тели применяют при очистке светлых нефтепродуктов реагентами.
Механическое перемешивание является самым распространен-
ным способом перемешивания. В механических мешалках пере-
мешивание осуществляется посредством специальных устройств,
так что они пригодны почти для всех сочетаний внешней и внут-
ренней фаз. Поэтому эксплуатационные особенности механиче-
ских мешалок заслуживают более подробного рассмотрения.
Все механические мешалки обычно имеют форму цилиндра с
конусным или эллиптическим нижним днищем. Многочисленные
мешалки, применяемые в нефтеперерабатывающей промышленно-
сти, принципиально отличаются характером перемешивания, за-
висящим от конструкции самих перемешивающих устройств. По-
следние вращаются электродвигателем через редуктор и при ра-
боте приводят в движение все содержимое емкости. При этом
между двумя или несколькими слоями перемешиваемой жидкости
образуются сильные волны, переходящие в вихри. Последние спо-
собствуют энергичному перемешиванию, увлекая за собой внут-
реннюю фазу.
Интенсивность перемешивания зависит от типа, формы и ско-
рости движения перемешивающих устройств. Последние выбира-
ют в зависимости от свойств перемешиваемых сред, а также от
заданных параметров, характеризующих качество перемешива-
ния.
ЛОПАСТНЫЕ, РАМНЫЕ И ЯКОРНЫЕ МЕШАЛКИ
Для растворения или взмучивания твердых тел применяют глав-
ным образом лопастные мешалки. Они состоят из двух или не-
скольких лопастей, укрепленных на валу. Вал вращается в непо-
движных опорах, жестко соединенных с корпусом аппарата. Ло-
пасти могут быть установлены в одной плоскости с осью вала или
Рис. VIII-3. Якорные мешалки:
а, б — для корпусов с эллиптическим днищем; в, г —для корпусов с коническим днищем.
наклонены под углом 30—45°. Наклонное расположение лопастей
позволяет обеспечить, кроме кругового, также и некоторое пере-
мешивание вдоль оси вала.
Размеры лопастей обычно выбирают из практических сообра-
жений: диаметр — в пределах 0,5—0,7 диаметра аппарата, высо-
ту (или ширину) —равной приблизительно 1/10 диаметра самих
лопастей. Предельно допустимая скорость перемешивающего эле-
мента (окружная скорость лопасти) устанавливается в зависимо-
сти от вязкости перемешиваемой смеси. Обычно она не должна
превышать 1—3 м/с.
Конструкция крепления отдельных лопастей в общую раму
или на втулке может быть разборной и неразборной. В первом
случае втулку снабжают плоскими поверхностями для установки
по крайней мере двух болтов на каждую лопасть. Применение
разборных лопастей целесообразно при работе их в агрессивных
средах или если они подвержены абразивному износу.
В высоких мешалках лопасти устанавливают в два (и более)
яруса, расположенных «крест-накрест». Иногда между ярусами
к стенке аппарата радиально приваривают планки (отбойники),
которые препятствуют увлечению жидкости вращающимися лопа-
стями, способствуя ее дроблению и дополнительному вихреобра-
зованию.
Для больших объемов вязких смесей используют рамные ме-
шалки, состоящие из нескольких жестко связанных одна с другой
горизонтальных, вертикальных и наклонных лопастей.
Якорными называют мешалки, форма которых соответствует
контуру аппарата. Такие мешалки предотвращают оседание на
дне и стенках аппарата густых масс при перемешивании очень
вязких сред. Для этого зазор между перемешивающим устройст-
вом и стенками сосуда делают небольшим (порядка 0,05 диаметра
аппарата). Конструкции различных якорных мешалок приведены
на рис. VIII-3.
Общим недостатком всех лопастных мешалок является боль-
шая пусковая мощность, которая превышает рабочую в 3--т раза,
поэтому включать мешалку следует одновременно с началом ее
заполнения, а останавливать — после опорожнения.
ПРОПЕЛЛЕРНЫЕ МЕШАЛКИ
Для перемешивания маловязких жидкостей (вязкостью до 0,4
кгс-с/м2) применяют пропеллерные мешалки. Перемешивание в
них достигается за счет сильного вихревого движения жидкости,
сообщаемого ей вращающимся пропеллером. Диаметр винта обыч-
но составляет 0,25—0,33 диаметра аппарата, а окружная ско-
рость— 4,8—16 м/с. При более высокой скорости пропеллер мо-
жет обнажиться из-за значительных размеров воронки, возникаю-
щей в жидкости с его тыльной стороны. Образование глубоких
воронок предотвращают следующими способами: 1) смещением
пропеллера по отношению к оси аппарата на 1/4 его диаметра;
2) наклоном оси пропеллера к оси аппарата на 10—20°; 3)
радиальной установкой нескольких пластин по образующим ап-
парата.
Благодаря переменной ширине и переменному углу наклона
рабочих лопастей пропеллера (винта) можно обеспечить примерно
одинаковую осевую скорость движения жидкости по всему объе-
му аппарата. Большинство пропеллеров снабжено тремя цельными
или разъемными лопастями. Встречаются также двух- и четырех-
лопастные винты. Пропеллеры сажают на вал посредством шпо-
нок, резьбы или стопорных болтов.
Когда требуется направленная циркуляция жидкости внутри
аппарата, пропеллер помещают в неподвижную направляющую
трубу — диффузор. В горизонтальных мешалках больших объемов
устанавливают два пропеллера и более, причем потоки жидкости,
образуемые илщ, для лучшего перемешивания должны быть об-
ращены один к другому.
Пропеллер обычно располагают со стороны нижнего днища
или с боков аппарата. В связи с этим к конструкциям уплотни-
тельных устройств (сальников) предъявляют особые требования;
наилучшую работу обеспечивают торцевые уплотнения.
ТУРБИННЫЕ МЕШАЛКИ
Работа турбинных мешалок основана на использовании центро-
бежной силы, развиваемой вращающейся турбиной. Перемешива-
ющим устройством турбинных мешалок является система ради-
ально расположенных лопастей. Перемешивае- 2 f
мая ими среда с большой скоростью переме- \ | /
щается от оси вращения к периферии. Различа- j—
ют мешалки с открытым и закрытым турбин- '—
ными колесами.
Открытые турбинные колеса применяют для
более вязких сред. Они представляют собой дис-
ки, к которым сваркой, клепкой или на болтах
прикреплены короткие лопасти — лопатки плос-
кой или изогнутой формы. На рис. VIII-4 приве-
дена конструкция открытой турбинной мешал-
ки с разборными прямыми лопастями. В особых
случаях лопатки могут быть изготовлены стре-
ловидными или двоякоизогнутыми.
Диаметр открытых колес принимают в пре-
делах 0,25—0,35 диаметра аппарата, окружную
скорость — 3—9 м/с. Открытые турбинные ме-
Рис. VI П-4. Откры-
тая турбинная ме-
шалка:
I — ступица; 2 — ло-
пасти.
шалки похожи на лопастные, однако вследствие
большей скорости вращения жидкость перемещается в радиальном
направлении значительно интенсивнее.
Закрытые турбинные колеса сообщают перемещаемой среде
значительно большую скорость, чем
могут обеспечивать односторонний
сти. В последнем случае они заса-
сывают жидкость, находящуюся по
обе стороны колеса. Для интенси-
фикации перемешивания колеса вы-
полняют таким образом, чтобы
«верхняя» и «нижняя» жидкости
при выходе из каналов пересека-
лись (рис. VIII-5). В некоторых
случаях на одной оси с турбинным
другие мешалки. Эти колеса
и двусторонний прием жидко-
Рис VIII-5. Закрытая турбинная ме-
шалка.
колесом в аппарате устанавливают неподвижное направляющее
устройство, регулирующее направление движения жидкости.
Общим преимуществом пропеллерных и турбинных мешалок по
сравнению с другими является быстроходность, что позволяет при-
менять более компактные приводы для них.
Интенсивное перемешивание обеспечивают планетарные ме-
шалки. Они представляют собой работающую от единого привода
группу лопастных или рамных мешалок, оси которых вращаются
вокруг центральной вертикальной оси.
Области применения перемешивающих устройств различных
типов приведены в табл. VIII-1.
Таблица VIII-1. Области применения перемешивающих устройств
Перемешивающее устройство Область применения Вязкость перемеши- ваемой среды, 10—3 Н-С/М2 Отношение диаметра аппарата к размеру мешалки Окружная скорость конца лопасти мешалки, м/с
Лопастное Листовое Перемешивание, растворение жидкостей, эмульгирование, медленное растворение твер- дых веществ, взмучивание легких осадков, выравнива- ние температуры среды Перемешивание, растворение жидкостей малой вязкости, получение суспензии, интен- сификация теплообмена 1—3000 1—50 1,4—1,7 2,0 1,5—5 0,7—5
Якорное Перемешивание вязких и тяже- лых жидкостей, предотвра- щение выпадания осадка па стенках и днище, суспенди- рование в вязких средах 1 — 10 000 1,02—1,15 0,5—4,5
Рамное Перемешивание вязких и тяже- лых жидкостей, предотвра- щение выпадения осадка на стенках и днище, суспспд!. рование в вязких средах 1—40 00С 1,02—1,15 0,5—5
Турбинное от- крытого типа Перемешивание, растворение жидкостей, суспендирование, эмульгирование, выравнива- ние температур 1—40 000 3—4 2,5—9
Турбинное за- крытого типа Перемешивание, растворение жидкостей, суспендирование, перемешивание в процессах экстракции, в процессах рас- творения газа, перемешива- ние жидкостей различной плотности 1—40 000 3-4 2,5-12
Пропеллерное Перемешивание, растворение, эмульгирование, взмучивание осадков, содержащих до 10% (масс.) твердого веще- ства; выравнивание темпера- туры 1—40 000 3—4 3,6—16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПРИВОДА МЕШАЛОК
Наибольшая мощность мешалки требуется при ее пуске. Анали-
тически пусковую мощность мешалок определяют в зависимости от
ее конструкции, размеров и ряда других факторов. Для мешалок
со сложным профилем перемешивающего устройства аналитичес-
кие уравнения, определяющие пусковую мощность, очень сложны.
Следует учесть, что рабочая мощность мешалок составляет
примерно 25—45% их пусковой мощности, поэтому найденная
аналитически пусковая мощность не может быть положена в ос-
нову выбора электродвигателя. Расчеты всегда необходимо све-
рять с данными практики, с имеющимися в справочниках графи-
ками, а при необходимости сопоставлять с моделями.
Для лопастных мешалок мощность электродвигателя (в кВт)
определяют по формуле:
Л^д — EupnM5 (VIII.6>
где р — плотность жидкости, кг/м3;
п — частота вращения мешалки, об/с;
d — диаметр мешалки, м;
Ей —критерий Эйлера, являющийся функцией критерия Рейнольдса.
Значение Ей определяют по формуле
Eu=-4?T (VIII.7),
где А и т — постоянные величины;
Re — критерий Рейнольдса
где ц— динамическая вязкость жидкости, Н-с/м2.
Постоянные А и т определены опытным путем для лопастных
мешалок с различным соотношением размеров и расположением
лопастей. Значения их приведены в соответствующих таблицах и
графиках. Для двухлопастных мешалок, например, применяют
Л ==4—7; т = 0,18—0,20.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МЕШАЛОК
На рис. VIII-6 показана конструкция мешалки, применяемой в-
производстве присадок к смазочным маслам. Корпус аппарата
снабжен рубашкой для подачи пара или хладоагента, с помощью
которых поддерживается заданная температура процесса переме-
шивания. Перемешивающие устройства закреплены на валу в два
яруса; верхний ярус представляет собой две прямые лопасти с
малым наклоном в сторону вращения, нижний ярус — якорь. Для:
допуска внутрь аппарата корпус снабжают одним или двумя лю-
ками-лазами.
Герметичность аппарата в месте прохода вала ротора должна
быть надежной. Это особенно важно для аппаратов, работающих
под давлением и вакуумом или предназначенных для перемешива-
ния взрывоопасных и ядовитых сред.
Для герметизации применяют сальники или торцевые уплотне-
ния. Сальники с мягкой набивкой и осевым натяжением хорошо
работают в большинстве аппаратов при различных давлениях,
температурах и скоростях. Установка масляного фонаря, а также
устройство специальной камеры для водяного охлаждения улуч-
шают эксплуатационные свойства сальников. Торцевые уплотне-
вия при правильном монтаже являются более надежным, чем
•сальники, средством герметизации мешалок. Применение их осо-
бенно оправдано при работе в ядовитых средах. Условия примене-
ния и материалы набивок
уплотнений приведены в
табл. VIII-2.
Рис. VII1-6. Якорно-лопастная мешалка:
/ — корпус; 2 — вал мешалки; 3— паровая рубаш-
ка; 4 — юбка мешалки; 5 — якорь; 6 — узел со-
единения отдельных частей вала мешалки; 7 —
лопасть: 8 — промежуточный упорный подшип-
ник; 9 — электромотор; 10— планетарный редук-
тор; 11 — узел соединения привода с валом ме-
дцалкп.
Вал ротора внутри ме-
шалки установлен в двух
промежуточных подшипни-
ках, которые находятся в
поперечной раме из угол-
ков, приваренных к корпусу.
Мешалка имеет плане-
тарный привод. Он установ-
лен на специальной раме,
которая прикреплена к
крышке аппарата, облада-
ющей достаточной жестко-
стью благодаря подпорным
балкам и косынкам. Соеди-
3 нение вала мешалки с при-
водом и сальниковое уплот-
нение показаны на рис.
VIII-7. Сальник снабжен
промежуточным кольцом, в
которое подается уплотни-
тельная жидкость (масло).
Для надежной работы уп-
лотнения необходимо, чтобы
биение вала у сальника не
превышало 0,1 мм.
На рис. VIII-8 показаны
соединения валов мешалки
и привода с помощью про-
дольно-свертной глухой
муфты и торцевого уплотне-
ния. Для нормальной рабо-
ты подвесного ротора и уп-
лотнения установочная пли-
та, приваренная к крышке
корпуса, должна иметь
строго горизонтальное поло-
жение.
Перемешивающие уст-
ройства и их приводы в на-
стоящее время нормализованы, что облегчает выбор их при конст-
руировании мешалок. Для перемешивающих устройств частотой
вращения не более 100 об/мин нормалями предусмотрена уста-
новка внутри аппарата концевых опор (рис. VIII-9), однако их
можно устанавливать только в тех случаях, когда среда в аппа-
рате неабразивная.
Таблица VIII-2. Условия применения и материалы набивок в уплотнениях
Среда Предельное рабочее давление, МН/м2 Предельная рабочая температура, °C Набивка
Вода, нейтральные 0,3 60 Пеньков а я просаленная
растворы солей 1,0 4,0 150 60 Асбестовая просаленная Пеньковая просаленная или прорезиненная (шнуры, сплит)
Вода перегретая и насыщенный пар 1,2 180 Тальковая просаленная графитизированная
Перегретый пар 2,5 4,5 300 400 Асбестовая просаленная Асбестовая просаленная и графитизирован- ная, армированная медной проволокой
Газы н инертные па- ры 3,0 2,5 60 300 Хлопчатобумажная просаленная или пень- ковая просаленная Металлическая
Легкие нефтепродук- ты 0,6 40 Хлопчатобумажная сухая и пеньковая су- хая, пропитанные раствором состазт: мы- ло ядровое — 60 масс, ч., глицерин тех* нический — 40 масс. ч.
Тяжелые нефтепро- дукты 0,6 4,0 40 120 Хлопчатобумажная и пеньковая просален- ная Асбестовая просаленная, армированная медной проволокой
Концентрированные минеральные кисло- 0,6 40 Асбестовая кислотостойкая, парафиниро- ванная
ты и сильноокис- ляющие растворы 0,6 60 Асбестовая кислотостойкая, пропитанная поливинилхлоридом
солей 0,6 150 Асбестовая кислотостойкая, пропитанная графитом, стеклянная
Растворы щелочей (едкий натр, едкое 0,6 40 Хлопчатобумажная и пеньковая сухие и просаленные
кали, аммиак и др.) 0,6 0,6 2,5 60 100 300 Прорезиненная (шнур, сплит) Асбестовая, пропитанная поливинилхлори- дом Металлическая с асбестовым сердечником
Особые требования предъявляют к валам перемешивающих ус-
тройств. Они должны быть прочными, жесткими и виброустойчи-
выми. Угловая скорость валов мешалок, как правило, ниже крити-
ческой, поэтому их при расчетах принимают жесткими.
Рис. VIII-7. Узел соединения вала ме-
шалки с приводом и сальникового уплотне-
ния:
/ — привод; 2—вал; 3 — полумуфта; 4 —
полукольцо; 5 — палец; б— стойка; 7 —
груидбукса; 8— сальница.
Рис. VIH-8. Узлы соединения вала мешал-
ки с приводом и торцевого уплотнения:
/ — привод (редуктор и мотор); 2 — стой-
ка; <3 — корпус муфты; 4 — кольцо разрез-
ное; 5 — кольцо пружинное; 6— шпонка;
7 —шпилька сте.жная-, 8—вал мешалки;
.9 — установочная плита; 10 — ввод уплот-
нительной жидкости; // — неподвижное
кольцо; 12 — сменное вращающееся коль-
цо; 13 — подвижное кольцо; 14 — нажимное
кольцо.
Рис. VIII-9. Концевая опора вала мешалки:
/ — днище аппарата; 2 — рама опоры; 3—
корпус подшипника; 4 — вкладыш подшипни-
ка; 5 — наконечник вала; 6 — стопорный винт.
Минимальный диаметр вала d определяют по формуле
d = 1,71 1/-^- (VIII.9)
г ~ДОП
где — расчетный крутящий момент на валу;
Тдоп — допускаемое напряжение на кручение для материала вала
Л?к==-^- (VIII. 10)
где N — мощность электродвигателя;
а — угловая скорость.
Найденный таким образом диаметр вала проверяют, в зависи-
мости от схемы крепления его, на максимальный изгибающий мо-
мент (с учетом собственного веса), на максимальный прогиб и на
угол поворота сечения вала в опорах по формулам, известным из
курса сопротивления материалов. С учетом прибавок на корро-
зию и механический износ диаметр вала необходимо округлить
до ближайшего большего размера вала нормализованного при-
вода.
ОТСТОЙНИКИ
Отстойниками называют аппараты, в которых равномерно распре-
деленные в жидкой фазе твердые частицы или капельки воды по-
степенно осаждаются под действием сил тяжести. В некоторых
случаях взвешенные капельки, наоборот, всплывают, а внешняя
фаза оседает (например, в нефтеловушках).
Отстаивание можно осуществлять периодически и непрерывно.
В первом случае процесс происходит с постепенным уплотнением
осадка и осветлением жидкой фазы при одновременном снижении
уровня раздела фаз. Этот уровень может быть ярко выражен, ес-
ли скорость осаждения постоянна до момента начала уплотнения
осадка. Непрерывный процесс характеризуется постоянством уров-
ня раздела фаз, или уровня зон отстаивания.
Движению осаждающихся под действием собственного веса
частиц препятствуют подъемная сила внешней фазы и сопротив-
ление среды. Подъемная сила равна весу объема внешней среды,
вытесняемой частицами в процессе движения. Сопротивление сре-
ды является результатом ускоренного движения частиц и зависит
от следующих факторов: 1) скорости движения частиц в данный
момент; 2) размеров и формы частиц; 3) вязкости внешней фазы.
При малых размерах частиц и большой вязкости внешней сре-
ды, когда скорость осаждения мала, сопротивление среды выра-
жается только силой трения частиц о жидкую фазу. Такой режим
осаждения называют ламинарным. При значительных размерах
частиц, больших скоростях осаждения и маловязкой внешней
среде движение сопровождается вихреобразованием, которое
представляет собой основное сопротивление среды, намного пре-
яышающее сопротивление сил трения. Такой режим осаждения
называют турбулентным.
Режим осаждения характеризуется критерием Рейнольдса, оп-
ределяемым по формуле
Ъ = (VIII.11)
МА»
где w — скорость осаждения (отстаивания);
d — диаметр движущихся частиц;
Уж — удельный вес внешней (жидкой) фазы;
ц — вязкость внешней фазы.
При ResC0,2 режим осаждения ламинарный, при Re>500 —
турбулентный, при Re=0,2—500 — переходный.
Скорость осаждения при ламинарном режиме находят по фор-
муле
(VIII. 12)
где ут — удельный вес твердых частиц.
Для разделения двух жидких фаз пользуются формулой
(Ta — Yi) d2 3 (щ + р2)
18р.! ' 3^x4-2ра
(VIII.13)
где yi и уг — удельные веса соответственно внешней и внутренней фаз;
Pi и р.2 — вязкость соответственно внешней и внутренней фаз;
d— диаметр осаждающихся капелек.
Из приведенных формул видно, что скорость осаждения зави-
сит от квадрата диаметра частиц, поэтому малые частицы оседа-
ют очень медленно.
На практике твердые частицы могут быть самой различной
•формы, но для определения скорости отстаивания принимают, что
все осаждающиеся частицы имеют форму шара. При расчетах
пользуются некоторым средним диаметром, определяемым из ус-
ловия равенства объемов фактической и гипотетической шарооб-
разной частиц. Очевидно, что фактическая скорость осаждения
будет отличаться от расчетной; в большинстве случаев она
меньше.
Формула для определения скорости осаждения при всех режи-
мах имеет вид
dg
<₽
(VIII.14)
где <р — безразмерный коэффициент сопротивления; для турбулентного режима
осаждения <р=0,44, для переходного режима <р=18,5 Re0'6.
Скорость осаждения заметно меняется с изменением концент-
рации внутренней фазы. В тех зонах осаждения, где концентра-
ция по ходу частиц увеличивается, сопротивление среды возрас-
тает.
Под производительностью отстойника понимают объем жидко-
сти, прошедшей через него в единицу времени. Производитель-
ность зависит от скорости отстаивания и поверхности осаждения,
т. е. от площади отстойника:
V = 3600/Ъ
(VIII.15).
где V — производительность отстойника;
F—площадь отстойника;
о* — скорость отстаивания.
Формула (VIII.15) соответствует идеальным условиям отстаи-
вания. Практически процесс всегда сопровождается некоторым,
вихреобразованием, нарушающим равномерное взаимное движе-
ние фаз на всех участках отстойника.
При расчетах важно определить необходимую площадь отстой-
ника. Для этого исходят из количества поступающей в него сус-
пензии и концентрации фаз:
Уж111 \ х2 J
(VIII. 16).
где Gc — расход суспензии;
Xi и х3 — массовая доля (концентрация) твердой фазы соответственно в
суспензии и в осадке.
В приведенных формулах высота отстойника не фигурирует.
Это значит, что производительность отстойников не зависит от
высоты; на практике высоту принимают равной 1,5—4 м.
К наиболее распространенным в нефтепереработке отстойникам
относятся дегидраторы — горизонтальные цилиндрические аппа-
раты, предназначенные для отделения воды со взвешенными в ней
частицами грязи и солей от поступающей на переработку нефти.
В дегидраторе происходит раздел трех фаз: нефти, воды и
твердого осадка. Скорость осаждения грязи больше скорости
осаждения воды, поэтому она скорее достигает дна аппарата. Что-
бы грязь не оставалась долгое время и не успела уплотниться и
затвердеть, воду спускают из дегидратора возможно чаще. Удале-
ние воды осуществляется автоматически по мере ее накопления.
На отводных линиях не должно быть острых углов или поднимаю-
щихся участков. Аппарат необходимо несколько наклонить в сто-
рону спускного штуцера, чтобы грязь сползала под действием соб-
ственного веса. Все дегидраторы работают под давлением. Они
являются отстойными аппаратами полунепрерывного действия, по-
скольку внешняя фаза (очищенная нефть) отводится из них не-
прерывно, а осадок (вода и грязь) — периодически.
В настоящее время для очистки эмульсионных нефтей от воды
применяют главным образом электродегидраторы*, в которых про-
* Устройство электродегидраторов и их конструктивное оформление явля-
ются предметом изучения другого курса.
цесс отстаивания ускоряется благодаря воздействию на эмульсию
поля переменного электрического тока высокого напряжения (до
40000 В). Вследствие этого мелкие капельки воды, сливаясь, ук-
Рис. VHI-10. Отстойник непрерывного
действия:
1— корпус; 2 — жесткая рама; 3 —
скребок; 4— спуск шлама; 5 — герме-
тичный дозирующий затвор; 6 — вал;
7 — ввод суспензии; 8 — сальниковое
уплотнение; 9 — приводной механизм;
10 — вывод отстоявшейся присадки.
рупняются. Осаждение укрупнен-
ных капелек происходит, как и в
обычных дегидраторах, под дейст-
вием разности удельных весов.
Для отстаивания густых и твер-
дых фаз применяют вертикальные
отстойники с конусным днищем пе-
риодического и непрерывного дей-
СТВИЯ.
Аппараты периодического дейст-
вия применяют для трудноразделя-
ющихся сред, требующих продолжи-
тельного отстаивания и специаль-
ных коагуляторов. Их используют-
также, если осаждению предшеству-
ет другой процесс, осуществленный
в тех же аппаратах. Примером пе-
риодически действующих верти-
кальных отстойников могут слу-
жить кислотные мешалки, отстой-
ные емкости установок регенерации
кислого гудрона и др.
Из практических соображений
размеры отстойников (по высоте)
принимают следующими: цилинд-
рическая часть — (1—4,5)0, конусная часть — не менее 0,50 (где
D—диаметр аппарата).
Примером аппарата непрерывного действия может служить от-
стойник для предварительного осаждения механических приме-
сей (шлама) на установках производства присадок к маслам
(рис. VIII-10). Отличительная особенность аппарата заключается
в специальном скребковом устройстве, с помощью которого шлам
снимается со дна емкости и выталкивается к спускному штуцеру,
расположенному в центре конуса. Обязательным условием рабо-
ты таких отстойников являются весьма малые скорости скребков
(не более 0,05 м/с).
Отстоявшийся шлам отводят с помощью герметичного барабан-
ного дозатора. Работа дозатора должна быть отрегулирована так,
чтобы над ним всегда находился слой шлама высотой более
0,4 м.
ФИЛЬТРЫ
Процесс фильтрации заключается в пропускании суспензии через
перегородку, состоящую из фильтрующего материала и постепен-
но накапливающегося на его поверхности слоя осадка. В фильтру-
ищем материале имеются поры различных размеров и формы.
Проходя через них, жидкость совершает движение по сложной
траектории, определяемой их расположением. При этом взвешен-
ные твердые частицы задерживаются в порах соответствующих
размеров, уменьшая их свободное сечение и препятствуя дальней-
шему прохождению не только крупных, но и более мелких частиц.
С образованием слоя осадка на поверхности фильтрующей пе-
регородки жидкость проходит сначала через этот слой. По мере
утолщения осадка он уплотняется, а размеры пор для прохода
жидкости уменьшаются. Таким образом, в большинстве случаев
фильтрация осуществляется в основном через слой осадка, по-
этому фильтрат высокого качества получается только после того,
как на фильтрующей перегородке образуется слой осадка опреде-
ленной толщины.
С увеличением слоя осадка качество фильтрата неизменно
улучшается, но одновременно возрастает потеря напора при про-
хождении жидкости через фильтрующую перегородку. Поэтому
при образовании слоя осадка определенной толщины фильтрацию
необходимо прекратить, а лишний слой осадка срезать и удалить
с поверхности фильтрующего материала.
Пропускная способность, или производительность, фильтра
при известном давлении перед фильтрующей перегородкой зави-
сит от свойств фильтрующего материала и слоя осадка на нем.
В качестве фильтрующих материалов применяют главным об-
разом тканые, набивные, а также сетчатые (плетеные из прово-
лок) и керамические фильтрующие перегородки. Выбор фильтру-
ющего материала обусловлен его удерживающей способностью, а
также свойствами суспензии и режимом фильтрации (давлением
и температурой).
Продолжительность цикла фильтрации, включающего соб-
ственно фильтрацию, продувку, промывку и удаление лишнего
осадка, разборку и сборку фильтра, зависит от количества и
свойств осадка.
По способу удаления осадка различают фильтры периодичес-
кого и непрерывного действия. По способу создания движущей
силы процесса фильтры делятся на работающие под давлением и
вакуум-фильтры.
РАМНЫЕ ФИЛЬТР-ПРЕССЫ
Рамный фильтр-пресс (рис. VIII-11) относится к периодически
действующим фильтрам, работающим под давлением. Он состоит
из плит и заключенных между ними рам (рис. VIII-12), сжимае-
мых специальной нажимной плитой с помощью винтовой переда-
чи. Плиты, рамы и нажимная плита с двух сторон опираются
специальными рожками на балки, жесткость которых обеспечива-
ется стойками и тягами. На этих же балках закреплена упорная
плита, к которой прижимается вся система из плит, рам и нажим-
ной плиты.
В качестве фильтрующего материала в рамных фильтрах
обычно применяют фильтровальную бумагу. Ее зажимают между
рифлеными плоскостями плит и рамами. В процессе составления
Рис. VIII-11. Рамный филыр-нрссс:
1, 8 — опорные стойки; 2—7 — опорные балки со стяжками и стойками; Р—зажимной меха-
низм; 10— зажимная плита; 11, 12 — фильтрующие плиты и рамы; 13 — упорная плита;
14 — ступица; 15 — зажимной винт.
элементов необходимо обращать внимание на то, чтобы фильтро-
вальный материал, зажатый между рамами и плитами, не имел
складок. В каждом из двух верхних углов плиты и рамы имеются
отверстия, которые после сборки фильтра образуют два канала,
соединенных через штуцер упорной плиты с трубопроводами.
Один канал предназначен для суспензии, другой — для промыв-
ной жидкости. Отверстия рам проверяют специальным щупом:
закупорка этих отверстий часто служит причиной поломки плит
из-за одностороннего давления.
Отверстия рам, составляющих в собранном виде общий канал
для суспензии, соединены с внутренней полостью так, что суспен-
зия поступает в пространство между двумя плитами. Пройдя че-
рез фильтрующую перегородку, жидкость стекает по каналам
плит к выходному отверстию, заканчивающемуся краником. Оса-
док задерживается на поверхности фильтрующего материала и
постепенно заполняет пространство между двумя плитами. О ко-
личестве осадка судят по давлению фильтрации, которое не долж-
но быть выше максимально допустимого. Для этого на отводной
линии насоса, подающего суспензию, устанавливают клапан, от-
ключающий систему, если давление в ней превышает допустимое
на 5—10%.
Просушку и промывку осадка производят по схеме подачи сус-
пензии, но к подводящему трубопроводу подключают линию воз-
Рис. VIII-12. Схема работы рамного фильтр-пресса:
а — в процессе фильтрации; б —в процессе промывки.
духа или промывной жидкости. Под фильтр-прессом по всей его
длине установлены противни для сбора твердого осадка.
Достоинством фильтр-прессов является высококачественное
проведение процесса при сильно развитой фильтрующей поверх-
ности. Если при работе повреждается какая-нибудь из фильтрую-
щих перегородок и через соответствующий краник начинает
проходить мутная жидкость, оператор, не прекращая процесса,
легко восстанавливает качество фильтрации, закрыв данный кра-
ник. Недостатком фильтр-прессов является трудоемкость опера-
ций, связанных с их обслуживанием.
Фильтр-прессы целесообразно применять, если содержание
осадка в суспензии незначительно, например при повторном
фильтровании ее после других фильтров.
ЛИСТОВЫЕ (ПЛАСТИНЧАТЫЕ) ФИЛЬТРЫ
Листовые фильтры также относятся к фильтрам периодического
действия. Конструктивно они сложнее, чем фильтр-прессы, но об-
служивание их проще, поэтому они получили более широкое рас-
пространение. Фильтрующими элементами в этих фильтрах явля-
ются листы (пластины), состоящие из ободов, на которые с двух
сторон натянут фильтрующий материал (рис. VIII-13) поверх ме-
Рис. VI1I-13. Фильтровальный диск листового фильтра:
1— муфта; 2 — обол; 3 — центральная труба; 4 — крупная сетка; 5—мелкая сетка; б —
фильтровальная ткань; 7 — проволока для чеканки; Я — соединительный ниппель; У — вы-
водной патрубок.
таллического сетчатого каркаса. Сетчатый каркас состоит из
крупной сетки (внутренний слой) и одного или двух слоев мелкой
сетки. Плотность соединения обода и фильтрующего материала
(бельтинг, стеклоткань, сетка из цветных металлов) обеспечива-
ется шнуром, уложенным в специальный паз обода.
Суспензию подают под давлением снаружи листов, на поверх-
ностях которых постепенно накапливается осадок. Пространство
между двумя фильтрующими перегородками через щелевое от-
верстие на поверхности обода соединяют патрубком с коллекто-
ром для вывода фильтрата.
Листовой фильтр, изображенный на рис. VIII-14, имеет 36
пластин диаметром 900 мм и общей поверхностью фильтрации
44 м2. Пластины установлены в горизонтальном закрытом цилинд-
Рис. VIII-14. Листовой фильтр:
/ — нижнее корыто; 2— верхнее корыто; 3 — стойка; 4 — эксцентриковый вал; 5 —натяжные
бслты; 6 — кронштейн; 7—штурвал эксцентрикового вяла; я —домкрат; 9— регулировочный
кран; 10—противовес; П— приемный коллектор; /2—фильтровальные диски; 13— шестерня
редуктора; 14— задние шарниры.
ре, разъемном по горизонтальной плоскости. Плоскость разъема
делит корпус аппарата на два полуцилиндра. Верхний полуци-
линдр неподвижно закреплен на фундаменте посредством метал-
лических стоек, а нижний полуцилиндр, поворачиваясь на шарни-
ре, смыкается с ним. Плотность соединения полуцилиндров дости-
гается резиновой прокладкой, удерживаемой в лазах плоскостей
сопряжения. Затяжка осуществляется накидными болтами и экс-
центриковым валом, проворачиваемым в подшипниках с помощью
штурвала.
Суспензия подается в корпус фильтра под давлением
0,4 МН/м2 и фильтруется через пластины, оставляя на них слой
осадка. Фильтрат через соединительные патрубки поступает в
коллектор. Действие каждой пластины проверяется по прохожде-
нию фильтрата через короткое указательное стекло-патрубок.
В случае плохой работы пластины из-за прорыва фильтрующего
материала ее выключают, закрывая вентиль на указанном па-
трубке.
Фильтрация продолжается до тех пор, пока толщина слоя осад-
ка не превысит допустимого значения. После этого фильтрацию
прекращают, отключив суспензию, и в корпус фильтра подают
сжатый воздух. Линия фильтрата при этом должна быть отклю-
чена от мерников готовой продукции и подсоединена к продувным
бочкам, представляющим собой гидроциклоны. Фильтрат из гид-
.роциклонов откачивают в специальные мерники.
В зависимости от толщины слоя осадка время продувки со-
ставляет 5—30 мин, после чего подачу воздуха прекращают и
давление в корпусе фильтра снижают до нуля.
Очистку пластин от высушенного осадка производят при
вскрытом корпусе фильтра. Для этого прежде всего необходимо
убедиться в отсутствии в фильтре продукта и в том, что темпера-
тура внутри аппарата ниже температуры самовоспламенения
среды.
Полуцилиндры корпуса размыкают в определенной последова-
тельности. Сначала проворачиванием штурвала ослабляют болты,
которые при дальнейшем вращении эксцентрикового вала выходят
из прорезей и удерживаются в наклонном положении; затем от-
крывают четырехходовый кран гидравлического домкрата, шток
которого шарнирно соединен с кронштейном на нижнем полуци-
линдре. Откидываясь на шарнирах, этот полуцилиндр открывает
доступ к пластинам. Угол между плоскостями сопряжения полу-
цилиндров открытого фильтра равен 105°. Открывание и закрыва-
ние цилиндра облегчается противовесом, жестко прикрепленным к
нижнему полуцилиндру. С поверхностей пластин осадок удаляют
встряхиванием. Затем осадок выгребают скребками со дна ниж-
него полуцилиндра, где он скапливается.
Перед закрытием фильтра необходимо убедиться в том, что все
пластины целы, т. е. сетка и фильтрующий материал не порваны
и надежно зачеканены в ободе, а соединительные патрубки обо-
дов герметично вмонтированы в верхний полуцилиндр. Тщательно
проверяют также состояние уплотнительной резины.
Полуцилиндры смыкают включением домкрата и поворотом
штурвала эксцентрикового вала до входа крепежных болтов в про-
рези и их затяжки.
Рис. VIII-15. Защит-
ный фартук листово-
го фильтра:
] — верхняя челюсть;
2 — фартук; 3 — про-
кладка из маслостой-
кой резины; 4—ниж-
няя челюсть.
В процессе работы и при вскрытии фильтра запрещается сто-
ять у плоскостей разъема. Чтобы предотвратить ожоги людей при
пробивке резиновой прокладки, плоскости разъема снаружи
фильтра накрывают короткими защитными фар-
туками (рис. VIII-15), прикрепленными к верх-
нему полуцилиндру.
Все фильтры, предназначенные для фильтра-
ции суспензий нефтяного происхождения, долж-
ны быть надежно заземлены.
ВАКУУМ-ФИЛЬТРЫ
В вакуум-фильтрах процесс фильтрации осу-
ществляется, как правило, непрерывным спосо-
бом.
Принципиальная схема работы вакуум-
фильтра представлена на рис. VIII-16. Горизон-
тальный полый цилиндр (барабан) разделен на
несколько секций внутренними продольными пе-
регородками. Поверхность цилиндра перфорирована и обтянута
фильтрующей тканью. Часть цилиндра погружена в суспензию, не-
прерывно подаваемую в корыто под ним. В секции, находящиеся
под вакуумом, во время погруже-
ния в суспензию через фильтрую-
щую перегородку засасывается
фильтрат, а осадок откладывается
на цилиндрической поверхности.
Барабан постоянно вращается.
После выхода из суспензии поверх-
ность его покрывается слоем осад-
ка, который осушается благодаря
вакууму в секциях. Для промывки
осадка на поверхность барабана на
определенном участке подается про-
мывочная жидкость, которая заса-
сывается внутрь секции через слой
осадка. Просушенный и промытый
осадок непрерывно снимается с по-
верхности фильтра неподвижным
ножом.
Рис. V111-16. Схема работы вакуум-
фильтра:
1 — бграбап; 2 — распределительная
головка; 3— корыто; 4 — вывод про-
мывной жидкости; 5 — вывод фильтра-
та-. б'— ввод суспензии; 7 — шламо-
сборпик; <8 — шнек; 9— нож для съе-
ма осадка; 10 — ввод обдувочного га-
за; 1! — промывной маточник.
При непрерывном вращении ба-
рабана циклы повторяются в такой
последовательности: фильтрация, сушка, промывка, обдувка и
съем осадка. Таким образом, в каждой секции барабана происхо-
дит периодическая фильтрация, а фильтр работает как аппарат
непрерывного действия, потому что подача суспензии, отвод фильт-
рата и удаление лишнего слоя осадка производятся непрерывно.
Каждая секция при движении должна последовательно соеди-
няться с одной из четырех неподвижных камер: для отвода фильт-
рата под вакуумом; для подсушки осадка под вакуумом, т. е. от-
сасывания из него остатка фильтрата; для приема промывной
жидкости под вакуумом; для подачи внутрь секции инертного га-
Рис. VI11-17- Барабанный вакуум-фильтр:
/ — ввод и вывод суспензии; 2, 8 — ввод инертного газа; 3 — вывод осадка из шнека; 4 — на-
сос для централизованной смазки; 5штуцер для регулятора уровня смазки; 6 — вводы
промывной жидкости; 7 — смотровые люки; 9—вывод промывной жидкости; 10— вывод
фильтрата; 11— ввод обдувочного газа; 12— тепловая изоляция.
за (в случае возможного образования взрывоопасной смеси) ,
с целью обдувки осадка в процессе его съема вплоть до момента
погружения поверхности секции в суспензию. Такое соединение
осуществляется с помощью специального распределительного
устройства — золотника.
В зависимости от характера движения фильтровальной пере-
городки и конструкции золотникового устройства различают ба-
рабанные, дисковые, ленточные и другие вакуум-фильтры.
На рис. VIII-17 показан закрытый барабанный вакуум-фильтр
Б50-3,0/5,4 с поверхностью фильтрации 50 м2, применяемый в про-
изводстве парафинов. В корпусе фильтра, состоящем из корыта и
крышки, размещен медленно вращающийся вокруг своей оси ба-
рабан с закрепленной на нем фильтровальной перегородкой.
К торцам барабана приварены цапфы, сидящие в подшипниках
скольжения. Плотность соединения цапф и корпуса обеспечивается
сальниками.
Барабан приводится во вращение от взрывобезопасного элект-
ромотора через редуктор и червячную пару, причем червячное ко-
лесо наглухо соединено с одной из цапф.
В некоторых фильтрах вместо редукторов установлены бес-
ступенчатые вариаторы скоростей, облегчающие выбор оптималь-
ного режима фильтрации.
Поверхность барабана покрыта двумя слоями сетки: крупной
из легированной стальной проволоки и мелкой из фосфористо-
бронзовой проволоки. Первая сетка образует полость для отса-
сывания фильтрата или промывной жидкости, а также для пода-
260
чи инертного газа; вторая сетка служит каркасом для укладыва-
ния на нее фильтрующей ткани. Для скрепления ткани на поверх-
ности барабана имеются специальные прямолинейные и кольцевые
проточки (пазы) под «ласточки хвост», в которых ткань заклини-
вается свинцовой проволокой с последующей чеканкой. Кроме то-
го, поверх ткани на всю поверхность барабана спирально навива-
ют проволоку из бериллиевой бронзы диаметром 2 мм, предотвра-
щающую отрыв ткани от сетки.
Системой труб поверхность барабана по отдельным участкам
(секциям) соединяется с диском полой цапфы (со стороны, проти-
воположной приводу). Этот диск по окружности снабжен отвер-
стиями в соответствии с числом секций барабана или соедини-
тельных труб. К диску тремя пружинами постоянно прижата рас-
пределительная головка, разделенная на камеры фильтрации,
промывки и обдувки осадка. Эти камеры, в свою очередь, связа-
ны с системами для создания вакуума, отбора жидкости или для
подачи соответствующего газа с целью обдувки осадка
В корыте фильтра поддерживается постоянный уровень сус-
пензии так, чтобы с учетом расположения прорезей в диске рас-
пределительной головки нижняя часть барабана всегда была по-
гружена в жидкость на одинаковую глубину. Над фильтром уста-
навливают трубы-маточники для равномерного орошения поверх-
ности осадка промывной жидкостью. Осадок снимается ножом и
с помощью шнека, имеющего самостоятельный привод, выводится
из корпуса фильтра.
Нормальная работа фильтра зависит от правильного регулиро-
вания головки в соответствии со схемой распределения зон. Эту
схему выбирают на основе опыта эксплуатации или по данным
исследований. Пружины, прижимающие торец распределительной
головки к диску цапфы, должны быть подтянуты равномерно во
избежание перекосов и, следовательно, пропусков жидкости или
подсоса воздуха. Нож для съема осадка необходимо устанавли-
вать так, чтобы толщина снимаемого слоя была одинакова по
всей его длине.
Преимуществами вакуум-фильтров по сравнению с другими
фильтрами являются непрерывность процесса и меньшая трудо-
емкость обслуживания. Однако движущая сила фильтрации
здесь незначительна из-за ограниченной величины вакуума, ко-
торый можно создать в секциях.
В последние годы получают распространение ленточные ва-
куум-фильтры (рис. VIII-18), у которых фильтрующая поверх-
ность представляет собой движущуюся бесконечную ленту. Фильтр
состоит из приводного и натяжного барабанов, стола с вакуумны-
ми камерами, коллекторов для отвода фильтрата, устройств для
подачи суспензии, снятия осадка и т. д. Важной деталью являет-
ся резиновая лента специального профиля, благодаря которому
обеспечивается плотность прилегания фильтрующей перегородки
к столу и предотвращается слив суспензии.
Рис. VI11-18. Ленточный вакуум-фильтр:
а — общий вид фильтра; б — конструкция фильтровальной ленты, / — приводная станция с барабаном: 2 —камера подачи промывной воды;
3—’вакуумная камера; 4— фильтрующая лента; 5 — коллекторные трубы камер; 7 — разливочный бункер для фильтруемой суспензии;
Я — натяжная станция.
ЦЕНТРИФУГИ И СЕПАРАТОРЫ
Разделение суспензий с мелкими взвешенными твердыми частица-
ми, а также эмульсий производят центрифугами и центробежны-
ми сепараторами. В них, независимо от способа разделения (от-
стаивание или фильтрация), движущей силой процесса является
центробежная сила, в поле действия которой попадает жидкая
среда.
ОТСТОЙНЫЕ ЦЕНТРИФУГИ
В одном и том же вращающемся поле центробежные силы внеш-
ней и внутренней фаз различны по величине. Чем больше раз-
ность между этими силами, тем интенсивнее происходит разделе-
ние неоднородной системы.
Центробежная сила, как известно, зависит от окружной ско-
рости частицы и ее массы. Следовательно, разделение тем эффек-
тивнее, чем больше угловая скорость емкости, в которую заклю-
чена неоднородная система, и чем больше диаметр этой емкости.
Развиваемая во вращающемся поле движущая сила во много раз
превышает движущую силу процесса при естественном отстаива-
нии (т. е. разность удельных весов).
Для ламинарного’ режима при естественном отстаивании ско-
рость осаждения находят по формуле (VIII. 12).
Предполагая, что в поле центробежных сил отстаивание так-
же происходит при ламинарном режиме, формулу для расчета
скорости осаждения можно записать в следующем виде:
Щ (VIII. 17)
Коэффициент Кц, называемый фактором разделения, показы-
зывает, во сколько раз центробежная сила, развиваемая массами
фаз разделяемой системы, больше их сил тяжести:
Кц=-§- (VIII. 18)
где G — сила веса фильтруемой массы;
С — центробежная сила, возникающая при вращении массы
C = (VIII.19)
где V — окружная скорость
(VIII.20)
где г —радиус вращения (радиус барабана);
п — частота вращения барабана, об/мин.
После подстановки значения С в уравнение (VIII.18) фактор
разделения определится по формуле
On2
^ц= 1800 (VIII.21)
где D — диаметр окружности вращения
Отстойная центрифуга представляет собой аппарат, в кото-
ром находится барабан, вращающийся с определенной скоростью.
Попадая на поверхность барабана, суспензия увлекается ею и
вращается вместе с барабаном, прижимаясь к его стенкам. Бара-
бан может иметь различную фор-
Рис. VIII-19. Схема работы отстойной
центрифуги:
1 — кожух; 2 — ротор; 3 -- вывод отстояв-
шейся жидкости; 4 — распределительный
конус; 5 — ввод суспензии.
му (цилиндра, конуса, двух ко-
нусов, обращенных один к друго-
му основаниями, цилиндра с од-
ним или двумя конусами и т. д.).
Свободная поверхность жидкости
внутри барабана практически об-
разует цилиндр, диаметр которо-
го уменьшается в процессе пода-
чи суспензии и при установив-
шемся режиме определяется диа-
метром соосного отверстия в тор-
це барабана (внутренним диа-
метром кольцевого днища).
Тяжелая фаза суспензии, дви-
гаясь внутри слоя жидкости
вдоль барабана, под действием
центробежной силы одновремен-
но перемещается к периферии и
прижимается к его стенкам, об-
разуя па них слой осадка. Отстоявшаяся жидкость располагает-
ся ближе к оси вращения, и по мере вытеснения ее подаваемой
в центрифугу суспензией сливается через борт верхнего торца ба-
рабана. Схема работы отстойной центрифуги приведена на рис.
VIII-19.
Осадок, накапливающийся на стенках барабана, состоит из
скелета, образованного твердыми частицами, и жидкости, заполня-
ющей пустоты между этими частицами. По мере возрастания дав-
ления мелкие частицы скелета осадка заполняют пустоты между
более крупными частицами и уплотняют осадок, вытесняя из него
жидкость.
Отстойные центрифуги просты в эксплуатации. Их применяют
для разделения суспензий, содержащих твердые частицы диамет-
ром 5—100 мм. Недостатком отстойного центрифугирования явля-
ется отсутствие надежной промывки и просушки осадка.
ФИЛЬТРУЮЩИЕ ЦЕНТРИФУГИ
Если поверхность цилиндрического барабана центрифуги перфо-
рирована и покрыта фильтрующим материалом, то под действием
центробежной силы фильтрат покидает центрифугу, пройдя после-
довательно через слой осадка, фильтрующий материал и отвер-
стия на поверхности барабана. Так работает фильтрующая цент-
рифуга, схема которой показана на рис. VIII-20.
В большинстве центрифуг между фильтрующим материалом и
стенкой барабана укладывают сетку из проволоки диаметром 1 —
1,25 мм с ячейками размером 5 мм. Сетка образует пространство
для свободного перетока жид-
кости от фильтрующей пере-
городки к отверстиям на бара-
бане и тем самым предотвра-
щает уменьшение живого се-
чения фильтрующей перего-
родки.
Фильтрующие центрифуги
применяют для разделения
суспензий, содержащих твер-
дые частицы диаметром не ме-
нее 100 мкм. Осадок, получае-
мый в этих центрифугах, лег-
ко просушивается и промыва-
ется в том же направлении, в
каком происходит фильтра-
ция.
Большинство центрифуг
может работать и как отстой-
ные, и как фильтрующие, в за-
висимости от устройства бара-
Рис. VIII-20. Схема работы фильтрующей
центрифуги:
1 — кожух; 2 — ротор; <3 — отфильтрованная
жидкость; 4 — фильтрующая ткань; 5 — дре-
нажная сетка; 6 — слой осадка от фильтра-
ции; 7 — слой суспензии.
бана и камеры для приема
фильтрата (осветленной жидкости). Исключение составляют спе-
циальные центрифуги, в которых предусмотрена автоматическая
выгрузка осадка из барабана.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕНТРИФУГ
Валы и опоры. Конструкция центрифуг во многом определяется
-способом крепления вала барабана и пространственным располо-
жением его. Все конструкции должны обеспечить прежде всего
устойчивость ротора центрифуги. Поскольку вал приводит во
вращение большую массу, он должен быть особенно устойчивым.
Скорость вращения вала не должна равняться его критической
скорости вращения, а должна быть больше или меньше нее. В пер-
вом случае вал называют гибким, во втором — жестким.
Гибкие валы работают устойчиво, если
и > 1,35сокр (VIII.22)
1где со, со,([, — соответственно скорость и критическая скорость вращения вала.
Для жестких валов необходимо, чтобы
со (0,75 — 0,8) шкр (VIII.23)
Критическую скорость вала центрифуги определяют для двух
случаев: 1) направление вращения вала и направление вращения
его изогнутой оси совпадают (такое движение называется прямой
процессией); 2) эти направления противоположны (такое движе-
ние называется обратной процессией).
Рис. VIII-21. К расчету критической скоро-
сти вала центрифуги.
Формула для определения критической скорости консольного
вала центрифуги, покоящегося на двух подшипниках (рис.
VIII-21), имеет вид:
_ / В + Т/В2+4Я “кр~ |/ 2А (VIII.24)
Для случая прямой процессии
Л = (а1ср]1 — КцЬхс) т (Jo IJ (VIII.25)
В ~ Pll ('о ^э) т (Д1С “F (VIII.26)
Для случая обратной процессии
Л = (61сап — а1срп) т (/0 + /э) (VIII.27)
В = Рл (Jo + /э) + т (а1с + М) (VIII.28)
где d — расстояние от центра вращающихся масс до точки крепления ро-
тора к валу;
/о и /э — соответственно полярный момент инерции вращающихся масс
ротора и эмульсии относительно оси вращения и экваториальный
момент инерции этих масс относительно оси, проходящей через
центр масс нормально к оси вращения ротора;
т — вращающаяся масса
Коэффициенты, входящие в уравнения, определяют по следующим
формулам:
aic — аи +
+ Рн^
~ 3£7,/,
(VIII.29)
(VIII.30)
_____Л 4~ З^Л)
““ - CEIJt
011 ~ бЕ/^
_ + 31^2
Ри - 3£7/2
(VIII.31)
(VIII.32)
(VIII.33)
(VIII.34)
где /1 — длина консоли;
It — момент инерции сечения консоли;
/2— расстояние между подшипниками;
/2 — момент инерции сечения вала.
Критическая скорость вращения вала возрастает с увеличени-
ем его диаметра и уменьшением длины. Поэтому при жестких опо-
рах валы центрифуг изготовляют полыми и короткими. Гибкие
валы, наоборот должны вращаться с низкой критической ско-
ростью, т. е. иметь малый диаметр и большую длину. Однако
прочность конструкции чаще всего достигается применением спе-
циальных опор для вала барабана.
Рис. VHI-22. Схемы расположения роторов центрифуг:
а — при вертикальном подпертом вале; б — при вертикальном висячем вале; в — при вер-
тикальном вале с гибким подшипником; г — при вертикальном вале, со сферическим - под-
шипником; <> — при вале с опорой на пружинных подвесках; е — при горизонтальном вале
с двумя концевыми опорами; ж — при горизонтальном консольном вале.
В центрифугах с гибким валом обычно используют упругие
опоры (подробнее см. ниже), предназначенные для снижения кри-
тической скорости благодаря тому, что они обеспечивают некото-
рое смещение или поворот вала, подвергающегося прогибу от дей-
ствия неуравновешенных вращающихся масс. Применение упру-
гих опор облегчает и ускоряет наступление стабильного режима
вращения вала барабана, при котором скорость его больше кри-
тической. Необходимость в упругих опорах возникает также во
всех случаях, когда в процессе загрузки центрифуги жидкость или
твердый осадок распределяется неравномерно по поверхности ба-
рабана, нарушая его устойчивость.
На рис. VIII-22 приведены различные схемы крепления валов
центрифуг в зависимости от расположения барабанов по отноше-
нию к приводным устройствам и положения осей самих валов.
Различают центрифуги с вертикальными барабанами, имеющие
подпертый, висячий или подвешенный на колонках валы, и цент-
рифуги с горизонтальными барабанами, имеющие валы на двух
опорах, с консольным и промежуточным расположением роторов.
В качестве опор применяют подшипники качения, восприни-
мающие радиальные и осевые нагрузки. Особое внимание следует
уделять конструкциям упругих опор, от состояния которых зави-
сит автоматическая балансировка ротора в процессе работы. Наи-
более часто встречаются следующие варианты исполнения упру-
гих (плавающих) опор.
1. Подшипник заключен в корпус, который устанавливают на
опорную плоскость из упругого материала (специальной резины).
Гибкую прокладку можно поместить также между стаканом под-
шипника и его корпусом. На рис. V-23 приведен пример такой кон-
струкции подвеса вала, состоящей
из конического корпуса, располо-
женной в нем резиновой манжеты и
стакана, сидящего в этой манжете.
Внутри стакана помещены подшип-
ники вала.
2. Подшипник устанавливают в
корпус, удерживаемый в неподвиж-
ной втулке соосно с ней по крайней
мере тремя пружинами, амортизи-
рующимися при вращении вала
(рис. VHI-24). Подшипники могут
удерживаться растянутыми либо
сжатыми пружинами, однако все
пружины первоначально должны
бытп равномерно отрегулированы.
3. Неподвижный корпус под-
Рис. VIIJ-23. Узел подвеса вала цен- ШИПНИКЭ ПЭ участке ПОДВССЭ Имеет
трифуги на гибкой прокладке: сферическую форму. В НСМ СИДИТ
манжета цТбк^я” прок^адкаГ" - ст^ СТЭКЭН, ИМСЮЩИЙ СНЭрУЖИ ТЙКуЮ
кан; 5—шкив. Ж(! форму Верхнего ПрИЛИВЭ (рИС.
VIП-25). В стакане установлены
подшипники, в которых вращается вал. Подвесной ротор при вра-
щении может отклоняться от вертикали. Резиновая манжета, рас-
положенная между стаканом и корпусом подшипника, обеспечива-
ет амортизацию при качениях вала. Для нормальной работы цент-
рифуги необходимо, чтобы сферические поверхности были хорошо
обработаны и притерты одна к другой.
4. Ротор со всеми опорами устанавливают на специальных
пружинных подвесках, прикрепленных к корпусу центрифуги.
Устойчивость системы увеличивается, если точки подвеса нахо-
дятся выше центра вращающихся масс. Примерами таких цент-
рифуг являются трехколонные, или маятниковые, центрифуги, на-
шедшие широкое применение в нефтеперерабатывающей промыш-
ленности.
На рис. VIII-26 показана вертикальная подвесная трехколон-
ная центрифуга периодического действия марки ТН-800 или
ОТН-800. Кольцевая несущая плита центрифуги с помощью тяг
подвешена на трех опорных колонках, расположенных под углом
120° одна к другой, и удерживается сжатыми спиральными пружи-
нами. Тяги вверху и внизу имеют сферические головки, позволяю-
щие им свободно отклоняться от вертикали. Все неподвижные и
подвижные части центрифуги, а также привод установлены на
кольцевой несущей плите или жестко связаны с ней, поэтому
они легко воспринимают возникаю-
щую в процессе работы или при пу-
ске неуравновешенность вращаю-
щихся масс.
Вал центрифуги вращается в
двух подшипниках качения, разме-
щенных в корпусе привода. На его
верхнем конусном конце крепится
барабан, на нижнем — приводной
шкив. Ротор приводится во враще-
ние вертикально установленным
электродвигателем через клиноре-
менную передачу и пусковую тур-
бинную муфту.
Роторы. Конструкции роторов
центрифуг разнообразны и зависят
от их технологического назначения,
способа центрифугирования и си-
стемы выгрузки осадка. Барабаны
центрифуг, служащих для центро-
бежного отстаивания, имеют сплош-
ные стенки. Для центробежного
фильтрования стенки барабанов
перфорируют.
На рис. VII1-27 схематически
изображены различные роторы при-
меняемых в нефтепереработке цент-
рифуг, отличающиеся пространст-
венным расположением и способом
выпрузки осадка. На рис. VIII-27,a
и VIII-27,6 показаны роторы, из
которых осадок удаляют скребками
после завершения центрифугирова-
ния. Верхняя выгрузка осадка
труднее нижней, поскольку снятый
со стенок барабана осадок прихо-
Рис. VIII-24. Гибкая опора с пружина-
ми для вала центрифуги:
/ — вал центрифуги; 2 — корпус под-
шипника; 3 — тяги; 4 — пружины.
Рис. VII1-25. Сферическая опора под-
весного вала центрифуги:
/ — втулка со сферической наружной
поверхностью; 2 — корпус подшипника;
3— сферический прилив стакана; 4 —
цилиндрический стакан; 5 — резиновая
манжета; 6 — вал центрифуги; 7 — ка-
мера для смазочного масла; 8, 9 —
червячная пара к маслоподающему
насосу.
дится выгребать через верхнее дни-
ще кожуха центрифуги. Барабан с
нижней выгрузкой не имеет глухо-
го днища, поэтому снятый со сте-
нок осадок проваливается между
спицами нижнего диска. Слив суспензии через данный диск пред-
отвращается запорным конусом, который перед чисткой осадка
вынимают.
Рис. VI11-26. Трехколонная центрифуга с нижней выгрузкой:
J — ротор центрифуги; 2— конусное днище; <3—-вал; 4 — окно для разгрузки осадка; 5 —
корпус подшипников; 6 — ребро; 7 — кольцо; 8— несущая плита; 9 — тяга; 10 — опорная
колонна; // — фундаментная плита; 12 — электродвигатель; 13 — клиноременная передача;
14— обод тормоза; 15 — запорный конус; 16 — отсасывающее устройство.
Рис. VIII-27. Роторы центрифуг:
б —с перфорированными стенка-
4—со сплошными стенками и верхней выгрузкой осадка, ж t __________
ми и нижней выгрузкой осадка; в—саморазгружа ющийсд' г— с разгружающим поршнем;
з —с ножом для съема осадка; е — со шнековой выгрузкой осадка- 1 — ступица- 2 — бара-
□ан; 3 — запирающий конус; 4 — приемный конус; 5 — поршень; 6 — нож- 7—’потоп- 8 —
шнек. р
На рис. VIII-27, в изображен барабан, осадок из которого уда-
ляют гравитационным способом, т. е. под действием сил тяжести.
Для этого угол наклона к вертикали нижней конической части
барабана должен быть больше, чем угол естественного откоса
осадка.
На рис. VIII-27,г показан барабан, внутри которого помещен
поршень, вращающийся вместе с ним и имеющий возможность
перемещаться вдоль оси ротора, соскабливая при этом осадок
и выбрасывая его наружу через шламосборник. Суспензия по пи-
тающей трубе поступает в распределительный конус, а оттуда
равномерно к стенкам барабана. Длина хода поршня составляет
примерно 1/10 высоты (длины) барабана, число ходов — 10—20 в
минуту. При каждом ходе поршня выгружается часть осадка, со-
ответствующая перемещению поршня.
Из ротора, изображенного на рис. VIII-27,д, осадок удаляют
коротким ножом, перемещающимся вдоль барабана и в радиаль-
ном направлении. Снятый осадок попадает в приемный желоб, вы-
ходящий за пределы ротора.
На рис. VIII-27, е показан конусный барабан, осадок из кото-
рого соскабливается и выбрасывается шнеком, вращающимся вме-
сте с ним, причем с некоторым опережением или отставанием (в
зависимости от направления выгрузки осадка). Внутренний диа-
метр жидкостного кольца должен быть больше диаметра пояса,
на котором расположено шламовое окно. В барабане различают
три зоны: разделения суспензии, сушки осадка и выгрузки его.
Длину зон регулируют расположением на широком торце бараба-
на окна для слива фугата.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЦЕНТРИФУГ
Цикл работы центрифуги включает следующие операции: разгон
ротора (примерно 0,5—10 мин), наполнение барабана (1—5 мин),
центрифугирование (10—120 мин), промывку осадка (до 10 мин),
подсушку осадка (5—15 мин), торможение ротора (0,5—5 мин),
разгрузку осадка и ремонт фильтрующей перегородки (до
60 мин). Таким образом, наибольшая продолжительность прихо-
дится на собственно процесс центрифугирования и на смену (ре-
монт) фильтрующей перегородки (фильтровальной ткани, бумаги
или сетки).
Все центрифуги представляют собой быстроходные машины и
поэтому требуют квалифицированного обслуживания. Особенно
внимательно нужно следить за вращением барабана. При наруше-
нии балансировки ротора, когда появляется заметная на глаз виб-
рация, центрифугу необходимо немедленно остановить.
Остановка ротора при выключенном электродвигателе уско-
ряется тормозом, который должен быть соответствующим образом
отрегулирован. В большинстве случаев применяют ленточные тор-
моза с пружинным приводом: тормозная лента обхватывает тор-
мозной обод ротора, и он постепенно останавливается. Система
управления центрифугой имеет блокировочное устройство, кото-
рое предотвращает возможность одновременного включения тор-
моза и двигателя. При выключенном тормозе лента не должна
касаться тормозного обода.
Перед пуском центрифуги необходимо убедиться в отсутствии
внутри барабана посторонних предметов. В процессе работы сис-
тематически контролируют количество масла в подшипниках при-
вода (его должно быть достаточно); состояние шаровых опор в
подвесках колонок и станины (они должны быть смазаны и иметь
чистую поверхность); надежность крепления всех узлов; ограж-
дения гидромуфты, шкива и ремней.
После каждого ремонта ротора необходимо произвести его
статическую и динамическую балансировку.
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ СЕПАРАТОРЫ
В последнее время для разделения стойких нефтяных эмульсий и
некоторых суспензий применяют сепараторы. Принцип работы их
заключается в разделении неоднородной системы, находящейся
Рис. VI11-28. Общий вид сепаратора:
1— основание; 2 — станина с приводом;
.7 — приемник шлама; 4—корпус; 5 —
подъем ни к; б — крышка-, 7 — узел автома-
тизации циклов работы аппарата.
Рис. VIII-29. Конструкция барабана сепа-
ратора:
/ -•основание; 2 — резиновое уплотнитель-
ное кольцо:. 3 —тарслкодержатель', 4 —
поршень-, 5 - - прокладка из маслобензо-
стойкой резины; 6, 10 — затяжные кольца;
7 — разделительная тарелка; 8—промежу-
точная тарелка; 9 -- крышка; 11 — грави-
тационное кольцо; 12 — фиксатор.
в поле центробежных сил, на отдельные фазы с различным удель-
ным весом. Это разделение, в отличие от обычного центрифугиро-
вания, осуществляют в тонком слое суспензии или эмульсии при
ламинарном режиме.
На рис. VIII-28 показан сепаратор ОРТ-ЗМБ-ЛЭ-П, предназна-
ченный для разделения нефтяной ловушечной эмульсии. Сепара-
тор и привод установлены на общем основании на резиновых
амортизаторах. В корпусе литой чугунной станины сепаратора на
подшипниках смонтированы горизонтальный вал привода и верти-
кальный вал ротора. Передача вращения от электродвигателя к
горизонтальному валу осуществляется через четырехколодочную
центробежно-фрикционную муфту, которая обеспечивает плавный
разгон барабана в течение примерно 10 мин.
На верхнем, конусном конце вертикального вала установлен
барабан сепаратора. Положение вала и барабана по высоте ре-
гулируют винтом упора, перемещающим стакан нижнего сдвоен-
ного радиально-упорного подшипника. Верхняя гибкая опора ва-
ла представляет собой шарикоподшипник, заключенный в обойму,
которая центрируется относительно корпуса шестью цилиндричес-
кими пружинами, поджатыми в обойме колпачковыми гайками.
Барабан сепаратора (рис. VIII-29) состоит из следующих ос-
новных частей: основания, крышки, тарелкодержателя, раздели-
тельной тарелки, пакета тарелок, запирающего поршня и затяж-
ных колец.
В нижней части основания барабана имеется проточка, из ко-
торой буферная жидкость через отверстия поступает в полости
под поршень и над ним. В цилиндрической части основания по
всему периметру расположены щели, через которые выгружают
осадок.
На основании барабана закрепляют тарелкодержатель. Пакет
тарелок устанавливают на его поверхности посредством шпонки.
Внутри тарелкодержателя имеются ребра для сообщения враще-
ния сепарируемой жидкости.
Пакет состоит из набора конических вставок (тарелок). Зазор
между тарелками обеспечивается планками, приваренными к их
наружной поверхности. Разделительная тарелка на наружной по-
верхности конусной части имеет пазы для отсепарированной воды,
а в месте перехода конуса в цилиндр — ребра, с помощью кото-
рых вращение барабана передается выходящей жидкости.
Разделяемая эмульсия очищается от крупных механических
примесей в фильтре, установленном сбоку от сепаратора, и по-
ступает в сепарационную камеру барабана по каналам тарелко-
держателя. В межтарелочном пространстве эмульсия разделяется
на фазы по их удельному весу. Легкая жидкость, оттесняемая к
оси барабана, скользит по верхней поверхности нижней тарелки,
затем, пройдя наружные каналы тарелкодержателя, направляет-
ся в камеру для приема легкой фракции, расположенную в крыш-
ке сепаратора. Тяжелая жидкость, прижимаемая к периферии,
проходит над разделительной тарелкой через сменную гравита-
ционную шайбу, служащую для регулирования кольцевого зазора,
и поступает в специальную камеру, также находящуюся в крышке
аппарата.
Осадок, накопившийся внутри барабана, периодически удаля-
ют опусканием запирающего поршня, для чего в полость над ним
подают буферную жидкость (воду). При этом между поршнем
и торцом конусной крышки образуется зазор, через который оса-
док центробежной силой подводится к разгрузочным щелям осно-
вания ротора, откуда выбрасывается в камеру для шлама. Непол-
ная выгрузка осадка из барабана может нарушить равномерность
хода сепаратора, поэтому необходимо следить за тем, чтобы внутри
ротора не собиралось большое количество осадка.
По окончании промывки внутренней полости барабана прекра-
щают подачу воды над поршнем. Под действием гидродинамиче-
ского давления вращающейся буферной жидкости, находящейся
в полости под поршнем, он поднимается вверх и плотно прижи-
мается к резиновой прокладке, в торце крышки барабана, герме-
тизируя его. После этого сепарация возобновляется. Цикл работы
аппарата автоматизирован.
ЦИКЛОНЫ
Отделение от потока газа взвешенных в нем твердых частиц про-
изводят главным образом в циклонах, отличающихся простотой
конструкции и обслуживания.
Циклон представляет собой заканчивающийся внизу конусом
вертикальный цилиндр, внутри которого расположена централь-
Рис. VIII-30. Циклоны для улавливания
пыли:
а — одиночный аппарат; б — батарей-
ный циклон.
ная выхлопная труба. Газ (воз-
дух) с большой скоростью посту"
пает по тангенциальному штуце-
ру в пространство между кону-
сом и центральным патрубком и
начинает вращаться. Развивае-
мая при этом центробежная си-
ла прижимает твердые частицы
к периферии цилиндра, откуда
они под действием собственного
веса опускаются в конус и выво-
дятся наружу. Газ, очищенный от
твердых взвешенных частиц, ухо-
дит по центральной выхлопной
трубе.
Работа циклона зависит от
его диаметра и формы (соотно-
шения размеров), определяемых
выбранной моделью аппарата.
На рис. VIII-30, а приведена схе-
ма наиболее часто применяемой модели циклона. Конструктивные
размеры аппарата выражены через диаметр конуса, который, в
свою очередь, обусловлен заданной производительностью цикло-
на. Диаметр корпуса аппарата обычно составляет менее 800 мм;
при увеличении его фактор разделения уменьшается, а путь твер-
дой частицы до поверхности осаждения удлиняется. Если исходя
из производительности требуется аппарат большого диаметра, то
включают параллельно несколько циклонов диаметром до 800 мм.
Степень очистки газа в циклонах зависит от его скорости, ко-
торую принимают в пределах 15—25 м/с. Установлено, что с воз-
растанием скорости до определенного значения очистка газа улуч-
шается. Дальнейшее увеличение скорости не приводит к повыше-
нию степени очистки, но вызывает .значительное повышение пере-
пада давления в аппаратах. Чтобы избежать больших и неоправ-
данных энергетических затрат, скорость газа в циклонах следует
выбирать очень рационально, учитывая также, что при высоких
скоростях усиливаются местные завихрения и, следовательно,
ухудшается очистка газа.
Для повышения эффективности очистки газа при малых его
скоростях применяют батарейные циклоны, состоящие из многих
параллельно работающих аппаратов небольших диам.етров, смон-
тированных в общем корпусе (рис. VIII-30, б).
Циклоны не обеспечивают высокой степени очистки газа от
тонкодисперсной пыли.
ГЛАВА IX
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ
С развитием техники нефтепереработки увеличивается удельный
вес процессов, связанных с химическим превращением сырья. Хи-
мическое превращение нефтяного сырья осуществляется в реакци-
онных аппаратах, или реакторах. Процессы, протекающие в них,
обеспечивают получение многих нефтепродуктов и улучшение их
качества. Конструкция реактора должна отвечать требованиям
данного химического процесса. Ниже рассмотрены конструкции и
правила эксплуатации наиболее распространенных на нефтепере-
рабатывающих заводах реакционных аппаратов.
РЕАКТОРЫ И РЕГЕНЕРАТОРЫ УСТАНОВОК
КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА
Процесс каталитического крекинга основан на применении ката-
лизаторов, ускоряющих реакции; он протекает при температуре
450—500 °C и давлении 0,05—0,15 МН/м2. Сырьем для крекинга яв-
ляются керосиновые и соляровые дистилляты и остаточные про-
дукты (мазут и др.). Процесс предназначен для получения высоко-
октановых бензинов, газов и газойля.
В настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах при-
меняют два типа установок каталитического крекинга: 1) установ-
ки, на которых процесс химического превращения (крекинг сырья)
и регенерации катализатора осуществляется в сплошном слое ка-
тализатора (катализатор шариковый); 2) установки, на которых те
же процессы происходят в псевдоожиженном, или кипящем, слое
катализатора (катализатор порошкообразный).
На установках с циркулирующим катализатором процесс про-
текает в аппаратах шахтного типа, через которые непрерывным
потоком сверху вниз движутся шарики катализатора диаметром
3—5 мм. В прямоточных реакторах катализатор и сырье контак-
тируют, двигаясь прямотоком. Реакторный блок каждой установки
состоит из реактора, регенератора и системы транспорта катализа-
тора.
Наибольшее распространение получают установки с порошко-
образным или микросферическим катализатором. Режим кипяще-
го слоя позволяет упростить конструкцию реакционных аппаратов
и систему транспорта катализатора.
АППАРАТЫ УСТАНОВОК С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ ШАРИКОВЫМ
КАТАЛИЗАТОРОМ
Схемы реакторных блоков зависят от взаимного расположения ре-
акторов и регенераторов по высоте. На отечественных заводах по-
лучила распространение схема с однократным подъемом катали-
затора. По этой схеме реактор размещают под регенератором или,
наоборот, регенератор под реактором. При ином расположении не-
избежен двукратный подъем катализатора (для подачи его в ре-
актор и затем в регенератор).
Отличительной особенностью установок крекинга с однократ-
ным подъемом катализатора является большая высота реакторно-
го блока (около 100 м).
Реакторы. Прямоточные реакторы установок крекинга с шари-
ковым катализатором имеют шесть характерных зон, каждая из.
которых выполняет определенную функцию (рис. IX-1).
Из верхнего бункера через стояк катализатор самотеком посту-
пает в верхнее распределительное устройство, представляющее со-
бой цилиндрическую обечайку. Оно предназначено для равномер-
ного распределения потока катализатора в зоне реакции аппарата'
и с этой целью снабжено распределительными трубами, изогнуты-
ми таким образом, чтобы нижние концы их были расположены по
трем или четырем концентрическим окружностям, равномерно по
сечению реакционной зоны. Такая конструкция позволяет изменять
объем указанной зоны путем наращивания длины труб установкой
специальных труб-удлинителей. В сборник катализатора подают
инертный газ, создающий затвор и предотвращающий унос продук-
тов реакции.
В зоне ввода сырья обеспечивается равномерное распределение
его по сечению реакционной зоны. Конструкция этой зоны зависит
от качества и состояния сырья, поступающего в аппарат. Необхо-
димо, чтобы шарики катализатора равномерно опыливались жид-
кой фазой сырья.
При работе на облегченном сырье подача его в пространство
над устройством для распределения катализатора осуществляется
через два штуцера в верхнем сферическом днище корпуса реакто-
ра (см. рис. IX-1). В случае тяжелого сырья такая конструкция
ввода может привести к закоксовыванию верхней части аппарата,
поэтому трубы распределительного устройства защищают от кон-
такта с сырьем завесой из катализатора. Для этого распредели-
тель сырья помещают посредине, под средним конусным распреде-
лителем катализатора (рис. IX-2).
Реакции каталитического крекинга происходят в пустотелой ча-
сти аппарата, называемой реакционной зоной, и сопровождаются
Рис. IX-2. Узел ввода тяжелого сырья и
катализатора:
/ — трубы распределительного устройства;
2— ввод сырья; 3— ввод катализатора.
Рис. !Х-1. Реактор установки крекинга с
шариковым катализатором:
/ — ввод сырья; // — ввод катализатора;
/// — вывод продуктов реакции; /V — вы-
вод катализатора; V — ввод водяного па-
ра; / — распределительное устройство; 2 —
реакционная зона; 3 — сепарационное
устройство; 4— зона отпарки; 5 — сборное
выравнивающее устройство.
Рис. IX-3. Сепарационное устройство реак-
тора:
/ — тарелка; 2—ребро жесткости; 3—
труба для вывода катализатора; 4 — тру-
ба для вывода паров; 5— отбойник; 6 —
колокольчик.
поглощением тепла. Поэтому температура катализатора и реакци-
онной смеси при их прямоточном движении снижается. Прямоток
позволяет использовать избыточное тепло регенерированного ката-
лизатора для нагрева и испарения сырья, предотвращая в то же
время перегрев паров продуктов реакции. Объем реакционной зо-
ны должен быть таким, чтобы время контакта паров сырья с ка-
тализатором было достаточным для достижения заданной глуби!
ны крекинга.
Ниже реакционной зоны расположена зона отделения продук-
тов реакции и паров неразложившегося сырья от катализатора.
Сепарационное устройство (рис. IX-3) состоит из тарелки (труб-
ной решетки), в которую вмонтированы трубы для вывода паров
продуктов реакции (газосборные трубы) и для ввода катализато-
ра (переточные трубы). Жесткость тарелки обеспечивается ребра-
ми из листовой стали. Чтобы избежать спуска катализатора через
щели, тарелку по периферии снабжают уплотнением из асбестово-
го шнура.
Трубная решетка подвергается изгибу от вертикальной состав-
ляющей давления столба катализатора Рк, которую определяют по
формуле
Рк=^кР«? (IX. 1)
где рк—насыпная плотность катализатора;
Нк — высота слоя катализатора.
По переточным трубам, приваренным заподлицо с тарелкой, за-
коксованный катализатор поступает вниз в зону отпарки. Газо-
сборные трубы выступают по обе стороны тарелки и подвешивают-
ся вверху за поперечные балки. На всем участке над тарелкой эти
трубы снабжены отверстиями для выхода паров продуктов реак-
ции из слоя катализатора. Над отверстиями на трубах установле-
ны так называемые колокольчики — конические колпачки. Пары
сначала поступают под «колокольчик», затем через отверстия про-
валиваются в трубы и из них отводятся в пространство под решет-
кой. Число «колокольчиков» должно быть таким, чтобы не проис-
ходил унос катализатора.
Газосборные трубы будут работать равномерно по всей высоте
при одинаковых гидравлических сопротивлениях паров, проходя-
щих через отверстия, поэтому под нижними колпачками число от-
верстий больше, чем под верхними. К открытым концам газосбор-
ных труб под тарелкой приваривают отбойники, изменяющие на-
правление паров.
Пары продуктов реакции выводят из аппарата по двум штуце-
рам, приваренным к его корпусу (см. рис. IX-1). Внутри реактора
перед этими штуцерами монтируют отбойные листы, погруженные
в слой катализатора и предотвращающие его унос с парами.
Зона отпарки представляет собой полую часть аппарата, где
осуществляется отпарка углеводородов с поверхности катализато-
ра. Для этого слой катализатора продувают водяным; паром, дви-
жущимся противотоком. Часть его вместе с катализатором отво-
дится вниз, попадает в выводной стояк и создает гидравлический
затвор.
Катализатор необходимо удалять из реактора равномерно по
всему поперечному сечению. Для этого аппарат снабжают нижним
распределительным устройством, собирающим катализатор в один
узкий поток для транспортировки в регенератор.
Сборное выравнивающее устройство, показанное на рис. IX-1,
состоит из трех ярусов. Из 60 воронок верхнего яруса катализатор
собирается сначала в 16 воронок второго яруса, откуда попадает
в четыре воронки третьего яруса и далее по штуцерам на нижнем
днище реактора выводится к сборнику стояка. Воронки верхнего
яруса сверху закрыты перфорированной крышкой, что еще больше
увеличивает равномерность поступления катализатора в каждую
воронку. Все воронки опираются на балки и крепятся болтами.
Между ярусами воронки соединяются прямыми и гнутыми трубами.
Прямые трубы подвергаются меньшему износу, а гнутые обеспечи-
вают более равномерный вывод катализатора и его лучшую со-
хранность. Обязательным условием движения катализатора явля-
ется наклон труб под некоторым углом, который для шарикового
алюмосиликатного катализатора должен быть не менее 45°.
Реакторы работают при высоких температурах, определяемых
температурой катализатора, вводимого через верхний стояк (500—
560°C). Поэтому корпуса реакторов изготовляют из легированной
стали марки 1Х18Н9Т или биметалла 12МХ+08Х13, а все внутрен-
ние устройства — из сталей марок 1Х18Н9Т или 08X13.
Корпус реактора должен быть рассчитан на прочность с учетом
рабочего давления и горизонтальной составляющей давления слоя
катализатора на стенки аппарата Рк. Его находят по формуле
Рк = ^кЯк (IX. 2)
где k — коэффициент подвижности материала
где <р— угол естественного откоса материала; для шарикового алюмосиликатно-
го катализатора <р = 25—30°, k = 0,4.
Таким образом, корпус рассчитывают на давление
Р = Рр + Рк (IX.4)
где Рр — рабочее давление в реакторе.
После определения толщины стенки аппарата по расчетному
давлению обязательна проверка на ветровую и сейсмическую на-
грузки.
Регенераторы. Регенераторы служат для восстановления (реге-
нерации) отработанного катализатора. Для этого необходимо вы-
жечь кокс, покрывший поверхность катализатора. Температура ка-
тализатора после выжигания кокса очень высока, поэтому до по-
дачи в реактор его охлаждают до 500—560 °C.
Кокс выжигают подачей в слой закоксованного катализатора
горячего воздуха, нагреваемого в специальных топках под давле-
нием до температуры 500 °C. Чем больше количество и выше тем-
пература воздуха, тем интенсивнее выжигание. Процесс сопровож-
дается выделением большого количества
повышением температуры среды. Для
регулирования параметров процесса из-
быточное тепло отнимают пароводяной
смесью (соотношение пара и воды 1:5),
циркулирующей в змеевике, который по-
мещают в слое регенерируемого катали-
затора.
Регенерация катализатора происхо-
дит при движении его в аппарате свер-
ху вниз поочередно в нескольких зонах,
одинаковых по конструкции и назначе-
нию. В каждой зоне имеются устройства
тепла и, следовательно,
Рис. IX-4. Футеровка регенера-
тора:
/ — корпус аппарата; 2 - асбе-
стовая изоляция; 3 —- опорная
полка; А — асоестовья! птур,*
5 -- кирпич.
для ввода воздуха и вывода дымовых
газов, а также змеевик, по которому
движется охлаждающая смесь. Число
зон зависит от кратности циркуляции ка-
тализатора. В каждой зоне выжигают
часть кокса и перед поступлением в еле-
дующую зону катализатор охлаждают. Скорость слоя катализато-
ра в регенераторе не должна превышать 0,25 м/с, чтобы предот-
вратить значительный механический износ футеровки и внутрен-
них устройств.
Регенератор представляет собой цилиндрический или прямо-
угольного сечения аппарат. Вследствие высокой температуры сре-
ды (до 700 °C) корпус регенератора, изготовляемый из стали мар-
ки Ст. 3, изнутри футеруют огнеупорной кладкой в один кирпич
(толщиной 250 мм). Между футеровкой и стенкой корпуса прокла-
дывают тепловую изоляцию (листовой асбест). К стенкам корпу-
са приваривают полки, поддерживающие кладку (рис. IX-4), кото-
рые снабжены вырезами для восприятия температурных деформа-
ций. С той же целью зазоры между полками и нижним слоем фу-
теровки заполняют асбестовым шнуром. Внутренние устройства
регенератора выполняют из стали марки 1Х18Н9Т.
На рис. IX-5 представлена конструкция сварного вертикального
регенератора квадратного сечения с пятью зонами выжигания.
Верхнее распределительное устройство, выполненное из труб, вы-
несено за аппарат и установлено над ним. Нижнее распределитель-
ное устройство, как и в реакторе, состоит из нескольких ярусов
сборных воронок. Над первым рядом воронок расположена колос-
никовая решетка, которая способствует измельчению комков спек-
шегося катализатора. Скорость движения катализатора регулиру-
ют шибером, установленным на общем выводе катализатора из ре-
генератора.
Рис. (Х-5. Регенератор установки каталитического крекинга с шариковым катализатором:
/ — коллектор ввода воздуха; 2 — коллектор вывода дымовых газов; 3 — охлаждающие
змеевики; 4 — распределительное устройство; 5 — сборное выравнивающее устройство; 6 —
колосниковая решетка; 7 — воздухораспределительный короб; 8 — газосборный короб.
В некоторых конструкциях регенераторов выравнивающие уст-
ройства потока катализатора делают выносными, т. е. устанавли-
вают под корпусом аппарата.
Корпус регенератора рассчитывают на избыточное рабочее дав-
ление (0,01 МН/м2) и на давление от катализатора. Для большей
прочности корпус регенератора опоясывают горизонтальными и
вертикальными ребрами из двутавровых балок или швеллеров.
Все зоны выжигания (или регенерации) снабжены системами
для равномерного распределения воздуха по сечению аппарата, а
также сбора и вывода дымовых газов. Кроме того, они оборудо-
ваны охлаждающим змеевиком. Поверхность охлаждающих зме-
евиков зависит от расположения зоны выжигания. Например, в
верхней части регенератора, где температура катализатора в на-
чальной стадии процесса низкая, змеевик отсутствует; внизу же,
где регулируется температура выводимого из аппарата сильно на-
гретого катализатора, поверхность змеевика наибольшая.
Рис. IX-6. Соединение коробов с центральным коллектором:
а — ниппельное; б — с воротником; / — центральный коллектор; 2 — короб.
Конструкция системы распределения воздуха и сбора газов
должна быть разборной и легко воспринимать температурные де-
формации. Воздух подается в регенератор и газы отводятся из пе-
го через центрально расположенные коробчатые коллекторы
(рис. IX-6). В обе стороны от аппарата отходят подвижно соеди-
ненные с ним открытые снизу короба, которые по периферии опи-
раются на корпус. Короба газосборного устройства должны быть
такими, чтобы вместе с газом через них не уносился катализатор.
Для более равномерного распределения воздуха в регенераторе
нижние кромки коробов имеют треугольные прорези.
Подаваемый в аппарат воздух движется прямотоком или про-
тивотоком с катализатором, в зависимости от расположения кол-
лектора по отношению к газосборному устройству. Весьма ответ-
ственным узлом является соединение воздушного или газосборного
коллектора со штуцерами корпуса регенератора, осуществляемое
свободным ниппелем, введенным внутрь центрального коллектора.
Воздухораспределительные и газосборные устройства, состоя-
щие из коробов с открытым дном и центрального коробчатого кол-
лектора, имеют следующие недостатки: 1) только 40% площади
сечения аппарата используется для сепарации газа, поэтому ско-
рость его искусственно снижают, чтобы предотвратить унос ката-
лизатора; 2) не обеспечивается достаточно равномерное распреде-
ление воздуха по сечению регенератора; 3) трудно достигается не-
обходимая герметичность крепления элементов.
На рис. IX-7 приведены более совершенные конструкции газо-
сборных устройств. Так, на рис. IX-7, а газосборные короба прони-
Рис. 1Х-7. Газосборные устройства:
а — с кольцевым фартуком; б — с внутренним днищем; / — перепускная труба; 2 — кольце-
вой фартук; 3 •— короб; 4 — внутреннее днище.
зывают все сечение аппарата и своими открытыми концами соби-
рают газ в кольцевой камере, откуда он отводится через штуцера.
Конструкция, показанная на рис. IX-7, б, отличается ложным дни-
щем с переточными трубами.
Для распределения воздуха применяют также трубный коллек-
тор с перфорированными лучами, равномерно распределенными по
сечению регенератора.
Змеевики для охлаждающей смеси изготовляют в виде бесшов-
ных труб размерами 60X5 мм из сталей марок 1Х18Н9Т или Х5М.
Трубы соединяют в змеевики сваркой с помощью гнутых двойни-
ков, расстояние между которыми составляет 150 мм. Зазоры меж-
ду смежными элементами в регенераторе должны обеспечивать по
всему сечению равномерное движение катализатора, не нарушае-
мое местными сужениями. Для этого, в частности, необходимо, что-
бы желобы коллекторов находились на расстоянии не менее 60 мм
один от другого.
Змеевики работают при температуре 230 °C и давлении
3 М.Н/м2. Чтобы не происходило расслаивания охлаждающей па-
роводяной смеси, скорость ее в трубном змеевике должна быть не
ниже 0,7 м/с. Ряды змеевиков самостоятельно соединены с прием-
ным и распределительным коллекторами смеси. Благодаря этому
в случае необходимости можно выключить из системы тот ряд, в
котором обнаружена неплотность. В корпусе аппарата приварены
специальные несущие балки, на которые опираются ряды змееви-
ков.
Конструкция и способ изготовления реакционных аппаратов
должны обеспечивать прочность катализатора, стенок корпусов и
катализатопроводов. Поверхности, по которым скользит катализа-
тор, должны быть гладкими, сварные швы — высококачественны-
ми и зачищенными. Футеровку иногда защищают обшивкой из ли-
стовой стали. Особенно опасны участки с крутыми изгибами (пере-
точные трубы и др.).
АППАРАТЫ УСТАНОВОК С КИПЯЩИМ (ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ)
СЛОЕМ ПЫЛЕВИДНОГО КАТАЛИЗАТОРА
Установки каталитического крекинга с кипящим слоем пылевид-
ного или микросферического катализатора работают на синтети-
ческом или естественном активизированном алюмосиликатном ка-
тализаторе, размер частиц которого 20—80 мкм.
Преимуществами данного вида крекинга по сравнению с кре-
кингом, в котором используют шариковый катализатор, являются:
1) возможность простого регулирования в широких пределах сте-
пени превращения сырья и циркуляции катализатора; 2) интенсив-
ное перемешивание в реакторе и регенераторе, исключающее мест-
ные перегревы и обеспечивающее высокие коэффициенты теплопе-
редачи; 3) меньшие энергетические затраты на транспорт катали-
затора; 4) более простые конструкции основных аппаратов.
Особенностью процесса является то, что крекинг и регенерация
протекают в кипящем слое катализатора, т. е. в слое взвешенных
мелких частиц его, находящихся в постоянном движении. Кипя-
щий слой образуется при пропускании газов через слой катали-
затора. Если скорость газов достаточна, частицы катализатора,
отрываясь от слоя, начинают хаотически перемещаться. Интенсив-
ность движения частиц и, следовательно, размеры пор между ни-
ми определяются скоростью газов. Чем больше скорость, тем боль-
ше высота кипящего слоя при одинаковом объеме спокойного ката-
лизатора. Пылевидный катализатор в слое становится подвижным
подобно жидкости, поэтому такой слой называют также псевдо-
ожиженным.
Дальнейшее увеличение скорости может привести к режиму
пневмотранспорта, т. е. к уносу катализатора. При снижении ско-
рости плотность кипящего слоя увеличивается, объем уменьшает-
ся, и катализатор может прийти в спокойное состояние, при кото-
ром пары или газы проходят через пустоты между его частицами,
не перемещая их и не перемешивая слоя (такой режим создается,
например, в стояках реакторов и регенераторов).
Крекинг в псевдоожиженном слое протекает при температуре
460—510 °C и избыточном давлении до 0,18 МН/м2. Скорость по-
тока катализатора в кипящем слое составляет 0,3—0,75 м/с, при-
чем: в 1 м3 смеси содержится 400—560 кг катализатора.
Схемы реакторных блоков. Установки крекинга с кипящим сло-
ем катализатора работают по следующей принципиальной техноло-
гической схеме. Нагретое до 400 °C сырье смешивают с горячим
восстановленным катализатором, ссыпающимся из регенератора
через стояк, и направляют смесь в реактор. Поток катализатора,
паров сырья и воды равномерно распределяется по сечению аппа-
рата, в котором поддерживают определенную высоту и темпера-
туру кипящего слоя. Смесь паров углеводородов, полученных в ре-
зультате реакции, водяных паров и уносимых с ними частиц ка-
тализатора, не осевших в отстойной зоне реактора (пустотелой ча-
сти аппарата), поступает в циклонные сепараторы. В циклонах
улавливается катализаторная пыль, возвращаемая по стояку в ки-
пящий слой. Пары из сепараторов направляют в ректификацион-
ную колонну.
Закоксованный катализатор из реактора подают в регенератор,
где также поддерживается кипящий слой соответствующей высоты.
В этом слое происходит выжигание кокса воздухом при темпера-
туре 580—650 °C. Температуру регулируют путем отбора избыточ-
ного тепла установленными в кипящем слое змеевиками паропере-
гревателя. Регенерированный катализатор вновь направляют в ре-
актор.
Схема реакторного блока определяется взаимным расположе-
нием реактора и регенератора, а также системой подачи (транс-
порта) в них катализатора. От выбранной схемы блока зависит
давление в этих аппаратах. Различают четыре основные схемы ре-
акторного блока.
1. Схема с двукратным подъемом катализатора, когда регене-
ратор расположен выше реактора, а катализатор транспортирует-
ся в разбавленной фазе. Процесс осуществляется при избыточном
давлении (0,15—0,3) 105 Н/м2 в реакторе и (0,5—1) 105 Н/м2 — в
регенераторе. Регенератор размещают на такой высоте по отно-
шению к реактору, чтобы вес катализатора в спускном стояке обес-
печивал преодоление давления в реакторе. При этом условии ка-
тализатор транспортируется непрерывно.
2. Схема с двукратным подъемом катализатора при расположе-
нии реактора и регенератора на одном уровне. Реакторный блок
работает при одинаковом давлении в обоих аппаратах, что приво-
дит к увеличению расхода энергии на сжатие воздуха.
3. Схема с расположением реактора и регенератора на одном
уровне. Катализатор транспортируется в плотной фазе под дейст-
вием разности весов в нисходящей и восходящей ветвях с учетом
столба катализатора внутри аппаратов. Количество циркулирую-
щего катализатора регулируют изменением плотности его в подъ-
емных стояках, для чего варьируют количество подаваемого в сто-
яки водяного пара или воздуха.
4. Схема с соосным расположением реактора и регенератора и
однократным подъемом катализатора в разбавленной фазе. По
этой схеме реактор может быть размещен над регенератором и под
ним. На рис. IX-8 показаны оба варианта расположения реактора
и регенератора, выполненных в одном блоке.
Недостаток крекинга в кипящем слое заключается в том, что
из-за интенсивного перемешивания сырье в реакторе смешивается
с продуктами реакции, а восстановленный катализатор в регене-
раторе— с закоксованным катализатором, т. е. отсутствуют про-
тивоток и более полная регенерация и обработка катализатора.
Поэтому в реакционных устройствах кипящий слой разделен на
несколько секций с ограниченным смешением газовой фазы и ка-
тализатора в каждой секции.
Реакторы современных установок крекинга с кипящим слоем
катализатора представляют собой вертикальные цилиндрические
аппараты с коническими или
полушаровыми днищами диа-
метром 2500—12 000 мм, вы-
сотой до 27 000 мм. Темпера-
тура среды в работающем ре-
акторе обычно составляет
450—480 °C. Корпус аппарата
изготовляют из углеродистой
стали или биметалла.
На рис. IX-9 приведена
схема реактора, в котором
обозначены пять характерных
зон: распределения смеси па-
ров сырья и катализатора, ре-
акционная, отстаивания, цик-
лонов и отпарки.
На рис. IX-10 представле-
на конструкция реактора с
такими же характерными ра-
бочими зонами. Он представ-
ляет собой цилиндрический
аппарат, закрытый сверху и
снизу коническими днищами.
Диаметр аппарата 5 350 мм,
высота 26 400 мм. Корпус ап-
парата внутри изолирован
шлаковатой и покрыт футе-
ровкой из огнеупорного кирпи-
ча, облицованной листовой
сталью. Верхнее днище реак-
тора также футеруют огне-
Рис. IX-8. Схемы взаимного расположения
реактора и регенератора установки каталити-
ческого крекинга с пылевидным катализато-
ром:
а — реактор над регенератором; б — регене-
ратор над реактором; / — реактор; 2 — реге-
нератор; 3— стояки; 4 — транспортная линия;
5 — циклоны; 6 — распределительная решет-
ка; 7 — перегородка; 8 — клапан стояка; 9—
клапан транспортной линии: / — сырье; II—
водяной пар; HI— продукты реакции;
IV — газы регенерации; V — воздух.
упорным кирпичом, подвеши-
ваемым за тавровые балки, приваренные к корпусу.
Смесь катализатора с сырьем подают под распределительное
устройство реактора— равномерно перфорированную решетку с от-
верстиями диаметром 35—50 мм. Решетка подвержена интенсивной
эрозии и поэтому изготовлена из листовой хромомолибденовой ста-
ли толщиной 20—40 мм или из углеродистой стали, а гильзы к от-
верстиям выполнены из хромомолибденовых сталей. Решетка слу-
жит для равномерного распределения потока сырья и катализа-
тора по всему поперечному сечению реактора. Площадь перфора-
ции составляет 5—6% площади решетки.
Распределительное устройство крепится к конусной опоре и
свободно опирается по периферии на опорное кольцо, приваренное
к корпусу аппарата. Это обеспечивает свободную компенсацию
Рис. 1Х-9. Схема реактора с пылевидным
катализатором:
1—зона распределения сырья и катали-
затора; 2 — реакционная зона; 3 — от-
стойная зона; 4— циклоны; 5 — отпарная
эона; /-—сырье и катализатор; // — про-
дукты реакции; ///—вывод катализатора;
/V—водяной пар.
Рис. 1Х-10. Реактор установки крекинга с
пылевидным катализатором;
/ — ввод сырья и катализатора; // — вы-
вод продуктов реакции; /// — вывод ка-
тализатора; /V — ввод водяного пара; V —
ввод остатка из колонны; 1 — корпус;
2 — перегородка; 3 — распределительная
решетка; 4 — опорный столик; 5 — опера;
6 —стояки; 7—конус; 8 — циклоны.
температурных деформаций. Смесь из транспортной линии посту-
пает к решетке через коническую воронку (расширитель), также
несколько выравнивающую поток до решетки.
В нижней части реактора путем установки над решеткой верти-
кальной перегородки образуют отпарную зону (секцию), в кото-
рой отработанный катализатор продувают перегретым водяным па-
ром для удаления из него паров углеводородов. Перегородку снаб-
жают несколькими рядами горизонтальных прорезей, через кото-
рые. катализатор перетекает в зону отпарки вследствие большой
плотности кипящего слоя реакционной зоны. Это препятствует дви-
жению отпаренных углеводородов в реакционную зону или к стоя-
кам. Пар для продувки катализатора вводят по штуцеру в ниж-
нем конусном днище с помощью форсунок. Иногда отпарные сек-
ции выносят за аппарат.
Реакционная зона является пустотелой частью аппарата. Иног-
да для ограничения внутренней циркуляции сырья и катализатора
здесь размещают трубные решетки.
Высота зоны отстаивания обычно не менее 4,5 м, чтобы увле-
ченные парами мелкие частицы катализатора успели осесть и сно-
ва попасть в кипящий слой, высоту которого поддерживают в пре-
делах 6—8 м.
Пары вместе с не осевшей в отстойной зоне катализаторной пы-
лью, поднимаясь вверх, поступают в двухступенчатый батарейный
циклонный сепаратор, состоящий из восьми циклонов (по четыре
в каждой ступени). В каждом циклоне можно установить самосто-
ятельный стояк для возвращения отсепарированного катализатора
в кипящий слой. Однако, учитывая, что в циклонах второй ступе-
ни улавливается меньше катализатора, выходные трубы их объеди-
няют в общий бункер с одним стояком. Концы стояков, погружен-
ные в кипящий слой, снабжают клапанами-хлопушками, предот-
вращающими прорыв паров из этого слоя в стояки. Циклонные
батареи со стояками подвешивают в верхней части аппарата за
элементы, приваренные к корпусу. Стояки циклонов прикрепляют
к нему тягами, не препятствующими свободной компенсации тем-
пературных деформаций. Пары из циклонов направляют в сборную
камеру реактора и по шлемовым трубам отводят в ректификацион-
ную колонну.
Отработанный катализатор, на поверхности которого содержит-
ся 1,1 —1,3% кокса, удаляют из аппарата через нижний штуцер и
стояк. Трубопроводы для подвода к реактору и отвода от него
сырья, продуктов реакции и катализатора имеют диаметр до 1 м.
Эти трубопроводы необходимо присоединять к корпусу таким об-
разом, чтобы температурные деформации их не передавались ап-
парату. На рис. IX-11 показан вариант такого соединения, преду-
сматривающий установку линзового компенсатора на штуцеры и
гильзовый ввод трубы.
Все внутренние устройства реактора работают в условиях вы-
соких температур при сильной эрозии потоком катализатора, по-
этому их изготовляют из сталей марок 08X13 и 1Х18Н9Т.
Рабочие параметры. Основными эксплуатационными показате-
лями реактора являются температура и давление. Средняя темпе-
ратура в реакционной зоне определяется количеством введенных в
аппарат сырья и катализатора, их температурой и свойствами.
Температурный режим работы реактора при постоянных сырье и
катализаторе регулируют изменением температуры предваритель-
ного нагрева сырья и кратности циркуляции катализатора.
Кратностью циркуляции называют отношение количества реге-
нерированного катализатора, введенного в аппарат, к количеству
поступающего вместе с ним сырья. Это отношение регулируют уве-
личением скорости подачи катализатора или уменьшением коли-
чества поступающего в реактор сырья. Кратность циркуляции ка
тализатора обычно принимают в пределах 4—6.
При высокой кратности циркуляции средняя температура^в ре
акционной зоне возрастает, и осуществляется более глубокий кре
Рис. IX-11. Соединение трубопровода
большого диаметра с корпусом аппарата:
1 — корпус; 2 — линзовый компенсатор;
3 — ввод пара на продувку катализатора;
4 — трубопровод.
Рис. IX-12. Регенератор установки крекин-
га с пылевидным катализатором:
/ — ввод катализатора; // — вывод ката-
лизатора; ///—вывод дымовых газов;
/V —ввод воздуха; 1 — корпус; 2 — футе-
ровка: 3 — защитная облицовка; 4 — рас-
пределительная решетка; 5 — короб для
распределения воздуха; 6 — топливная
форсунка; 7 — охлаждающие змеевики;
3 — стояки; 0 — водяная форсунка; 10 —
циклов ы.
книг. Вместе с тем высокие кратности циркуляции приводят к
сильному абразивному износу оборудования и некоторым другим
технологическим трудностям.
Регенераторы. Корпус регенератора представляет собой верти-
кальный цилиндр с верхним и нижним коническими днищами. Ос-
новное конструктивное отличие регенератора от реактора — нали-
чие в кипящем слое зоны, где размещены коллекторные трубные
змеевики, предназначенные для отбора избыточного тепла реак-
ции. В некоторых регенераторах эту зону устраивают выносной
(вне аппарата). Тогда катализатор из регенератора поступает в
корпус теплообменника и вновь возвращается в регенератор.
290
Общий вид регенератора диаметром 7000 мм, высотой 21450 мм
приведен на рис. IX-12. Восстановление катализатора в нем про-
водят при 580—650 °C, поэтому корпус аппарата изготовлен из уг-
леродистой стали и покрыт изнутри слоем шамотной футеровки
толщиной в один кирпич (250 мм). Между стенкой корпуса и фу-
теровкой— слой тепловой изоляции (шлаковаты). Для защиты фу-
терованной поверхности от износа и разрушения ее облицовывают
листовой сталью толщиной 6 мм. Футеровка верхнего конического
днища выполнена из подвесных кирпичей. Применяют внутреннюю
изоляцию корпуса регенератора торкрет-бетоном. Для этого к кор-
пусу приваривают шпильки, устанавливают сетчатую металличе-
скую арматуру и наносят слой бетона толщиной 175 мм. Бетонный
слой покрывают экранирующей сеткой и слоем торкрет-бетона тол-
щиной 25—30 мм.
Все внутренние устройства регенератора выполняют из стали
марки 1Х18Н9Т. Отработанный катализатор поступает в нижнюю
часть аппарата по трубе диаметром 800 мм с коническим диффу-
зором, расширяющимся в сторону распределительной решетки.
Воздух подают в слой катализатора через кольцевые прямоуголь-
ные короба, снабженные перфорированными верхними листами
(диаметр отверстий 10 мм). Короба устанавливают в кольцевом
участке между корпусом и распределительной решеткой.
В течение одного часа в кипящем слое регенератора выжигают
1500—1600 кг кокса. Процесс сопровождается выделением боль-
шого количества тепла, избыток которого (1,4-—1,6 кВт) отни-
мают пароводяной смесью, прокачиваемой через охлаждающий
трубный змеевик. Этот змеевик, состоящий из нескольких само-
стоятельно выключаемых секций, располагают вертикально по пе-
риферии корпуса на определенном участке (в псевдоожиженном
слое).
Размеры кольцевых трубных коллекторов секций составляют
219X8 мм, теплообменных труб — 60X6 мм.
В корпусе регенератора ниже пароводяных коллекторов разме-
щены форсунки для разогрева аппарата и катализатора в начале
пуска установки.
Газы реакции (дымовые газы) вместе с частью увлеченного по-
током катализатора поступают в двухступенчатый циклонный се-
паратор, подвешенный вверху аппарата. Сначала газы направля-
ют в шесть циклонов первой ступени. Отсепарированный в них ка-
тализатор собирают в три бункера (один бункер на два циклона)
и по их стоякам возвращают в кипящий слой. Далее газы про-
ходят через шесть циклонов второй ступени, где доочищаются от
катализатора, поступающего в общий бункер, и также возвраща-
ются по стояку в псевдоожиженный слой.
При правильном подборе режима выжигания кислород воздуха
используется полностью. Если в газах регенерации содержится
свободный кислород, то в верхней части аппарата окись углерода
полностью окисляется до двуокиси углерода, и температура среды
19'
291
резко повышается. Чтобы не допустить дезактивации катализато-
ра и предохранить внутренние устройства от воздействия высокой
температуры, в корпусе регенератора, несколько ниже циклонов,
устанавливают по окружности форсунки, а над циклонами — коль-
цевой перфорированный коллектор для подачи охлаждающего кон-
денсата. Следует избегать подачи большого количества воды, что-
бы предотвратить увеличение уноса катализатора и повышение ме-
ханического износа циклонов.
Газы, очищенные от катализатора, из циклонов поступают в
сборную камеру, реактора. Отсюда через котел-утилизатор, где ис-
пользуется их тепло, газы направляются на доочистку в увлажни-
тель и электрофильтр и выводятся по дымовой трубе в атмосферу.
Восстановленный катализатор удаляют из регенератора через во-
ронку, расположенную на 1500 мм выше распределительной ре-
шетки. Содержание кокса на регенерированном катализаторе со-
ставляет 0,2—0,3% при кратности его циркуляции 4—5. Режим
работы аппарата обусловливается содержанием кокса на поверх-
ности катализатора, количеством подаваемого воздуха и циркули-
рующего катализатора и др.
Воздух в регенератор поступает из транспортной линии (20%)
и через распределительные короба (80%). Количество воздуха
должно быть достаточным для выжигания нужного количества кок-
са. При этом необходимо, чтобы кольцевые короба были загруже-
ны одинаково и как можно более равномерно распределяли воздух
по сечению слоя регенерируемого катализатора. С увеличением
подачи воздуха повышается унос катализатора дымовыми газами
и возрастает износ циклонов и стояков.
Важным показателем работы регенератора является кратность
циркуляции катализатора. Чем она больше, тем меньше темпера-
тура в регенераторе. Однако значение ее ограничивается сообра-
жениями экономичности процесса.
Высота кипящего слоя в регенераторе обычно составляет 3—
5 м. При повышении уровня псевдоожиженного катализатора уве-
личивается его унос с дымовыми газами, нагрузка циклонных се-
параторов и электрофильтра.
На тех установках каталитического крекинга с псевдоожижен-
ным слоем катализатора, на которых реактор и регенератор раз-
мещены один над другим в общем блоке, катализаторопроводы мо-
гут быть внешними или установленными внутри блока. В послед-
нем случае отпадает необходимость в катализаторопроводах с изо-
гнутыми участками, что очень важно для уменьшения их износа.
Если реактор расположен над регенератором, то транспортирую-
щим агентом для катализатора является сырье; при размеще-
нии регенератора над реактором для этой цели используют
воздух.
Пуск, нормальная эксплуатация и остановка реакторных бло-
ков. После тщательного внутреннего и внешнего осмотра аппара-
тов, трубопроводов, дозирующих и питающих устройств, армату-
292
ры и т. д. приступают к постепенному разогреву системы нагре-
тым воздухом.
Воздух поступает в систему под давлением из топки, куда он
нагнетается турбовоздуходувкой. Температуру газов на выходе из
топки повышают постепенно со скоростью примерно 30—40 °C в
час. Более форсированное повышение температуры вызывает де-
формацию аппаратов и трубопроводов, что может нарушить гер-
метичность системы, особенно в местах сопряжения отдельных де-
талей. При температуре 200—250 °C открывают задвижки на ли-
ниях, ведущих к реактору и регенератору, и закрывают задвижку
на линии сброса в атмосферу. Воздух поступает в реактор и реге-
нератор в восходящем направлении через пневмопроводы и воз-
душные трубопроводы, а выводится через выхлопные линии на
шлемовых трубах (из реактора) и дымовую трубу (из регенера-
тора) .
Одновременно с разогревом аппаратов и трубопроводов в зме-
евики регенератора начинают подавать водяной пар из паропере-
гревателя.
Когда температура в аппаратах достигает 280—310 °C, начина-
:ют загрузку реактора катализатором из загрузочного бункера. За-
грузку производят при полностью открытых верхних (запасных)
клапанах; регулировку же подачи катализатора осуществляют
нижними (рабочими) клапанами.
При загрузке следят за температурой газов в электрофильтре
и не допускают ее уменьшения ниже НО °C.
Подачу воздуха во все транспортные линии доводят до нор-
мального количества, установленного технологической картой.
Концентрация катализатора в транспортных линиях не должна
превышать допустимой; ее регулируют задвижкой на стояке для
перепуска катализатора из бункера в указанные линии. Одновре-
менно налаживают также нормальную подачу воздуха в распреде-
лительные короба регенератора.
После завершения загрузки на участке от бункера до транс-
портной линии регенератора загрузочную линию продувают и на-
чинают подавать катализатор из бункера в регенератор. Скорость
загрузки должна быть такой, чтобы температура в аппарате не па-
дала ниже 150 °C.
В систему загружают до 40 т катализатора, который нагревают
описанным выше способом до 300—320 °C. Дальнейший равномер-
ный разогрев до 425—450°C производят за счет тепла от сжигания
топлива, подаваемого ниже слоя катализатора небольшими порци-
ями через каждые 5—10 мин к форсункам в корпусе регенератора.
Сжигание топлива — весьма ответственная операция, поскольку
возможно образование взрывоопасных концентраций паров его в
регенераторе. Температуру на выходе из пароперегревателя дово-
дят до 400—420 °C.
Одновременно с повышением температуры в системе продолжа-
ют загрузку катализатора до установленной нормы (150—180 т), а
затем налаживают его циркуляцию. Перепуск катализатора из ре-
актора в регенератор осуществляют при стабильном избыточном
давлении в реакторе, равном (0,4—0,5) 105 Н/м2, что достигается
прикрытием задвижки на шлемовой трубе.
Регулируя работу топливных форсунок, доводят температуру в
регенераторе до 500 °C. Реактор разогревают путем увеличения
кратности циркуляции катализатора. Температуру газов, выходя-
щих из топки под давлением, постепенно снижают примерно до
200 °C.
Перед началом пуска реакторного блока в течение 30 мин пода-
ют пар в транспортную линию для стабилизации кратности цирку-
ляции катализатора. Проверяют также систему поступления пере-
гретого пара в эту линию и в отпарную зону реактора и надеж-
ность закрытия задвижки на линии подачи воздуха в реактор. Од-
новременно подготавливают к пуску нагревательно-фракциониру-
ющую часть установки.
При температуре на выходе из печи 380—400 °C начинают пуск
сырья в транспортную линию реактора при одновременном умень-
шении подачи перегретого водяного пара.
Питание форсунок регенератора топливом продолжают до тех.
пор, пока накопившийся на катализаторе кокс не загорится и тем-
пература среды не начнет поддерживаться за счет тепла его сго-
рания. При этом температура кипящего слоя в регенераторе долж-
на быть не выше 570 °C для предотвращения перегрева катализа-
тора из-за полного окисления окиси углерода.
Общая продолжительность пуска установки составляет 32—
48 ч.
Для нормальной остановки реакторного блока транспортную
линию реактора освобождают от сырья, и циркуляцию катализа-
тора в системе осуществляют перегретым паром. После прекраще-
ния подачи в реактор накопившегося в колонке шлама пары из ре-
актора отводят через сбросную линию при отключенной шлемовой
трубе. Систему продувают и охлаждают водяным паром до 300 °C,
а катализатор из реактора перепускают в регенератор и оттуда на-
правляют в бункера.
Нормальная эксплуатация реакторного блока может быть пре-
рвана по ряду причин; основные из них приведены ниже.
1. Прекращение подачи сырья. При этом установку следует пе-
ревести на режим циркуляции и начать подачу перегретого пара в
транспортную линию реактора, чтобы предотвратить застаивание
и уплотнение в ней катализатора.
2. Прекращение подачи водяного пара. В данном случае уста-
новку нужно перевести на режим циркуляции, прекратив подачу
сырья в реактор и циркуляцию катализатора в системе реактор—
регенератор. Если своевременно не принять соответствующих мер,
возможны попадание сырья (нефтепродукта) в транспортную ли-
нию регенератора, прогар труб змеевика пароперегревателя и за-
бивание трубопроводов коксом.
3. Отключение электроэнергии. При этом в транспортную ли-
нию реактора необходимо подать перегретый пар, а также закрыть
регулирующие задвижки на стояках для катализатора и воздухо-
проводов. При продолжительном отключении электроэнергии уста-
новку в аварийном порядке останавливают.
4. Увеличение давления в реакторе. В данном случае нужно
уменьшить количество подаваемого в аппарат сырья, снизить тем-
пературу в зоне реакции, уменьшить количество пара для продув-
ки катализатора и т. д. Если при этом не удается снизить давле-
ние, прекращают циркуляцию катализатора.
5. Прекращение циркуляции катализатора. Оно может быть вы-
звано закупоркой транспортных линий, зависанием катализатора
в стояках и снижением его уровня в регенераторе или реакторе.
Способы ликвидации аварийных ситуаций для каждой техно-
логической установки указаны в регламентах, которыми следует
руководствоваться.
Оборудование, трубопроводы, арматура и смесительные устрой-
ства подвергаются главным образом абразивному износу потоком
катализатора. Внутренние устройства коробятся от воздействия
высокой температуры. Сильнее всего изнашиваются транспортные
линии и циклонные сепараторы со стояками. Степень истирания
зависит от концентрации, размеров частиц и скорости катализато-
ра в транспортируемом потоке, а также от давления его на стенки
аппарата или трубопровода в процессе движения (в циклонах, в
местах изгибов на транспортных линиях, в нижних частях их го-
ризонтальных участков и т. д.).
РЕАКТОРЫ УСТАНОВОК КАТАЛИТИЧЕСКОГО
РИФОРМИНГА
В реакторах установок каталитического риформинга осуществля-
ется превращение исходных бензиновых фракций, содержащих
нафтеновые и парафиновые углеводороды нормального строения,
в продукты, богатые ароматическими углеводородами и высокоок-
тановыми изопарафинами.
В нефтеперерабатывающей промышленности каталитический
риформинг получает все более широкое распространение. Напри-
мер, риформинг бензина является основой для улучшения свойств
автомобильных бензинов и производства ароматических углеводо-
родов (бензола, толуола, ксилолов и этилбензола).
Для каталитического риформинга применяют главным образом
платиновый катализатор (0,5—0,6 масс. % платины, нанесенной
на поверхность окиси алюминия). Используют также молибдено-
вый катализатор, представляющий собой окись молибдена, нане-
сенную па поверхность окиси алюминия.
Реакционная секция установки риформинга на платиновом ка-
тализаторе (платформинга) работает по следующей схеме. Пред-
варительно нагретое в теплообменниках и печи сырье вместе с во-
дородсодержащим циркулирующим газом поступает в первый ре-
актор, где температура снижается вследствие поглощения тепла в.
процессе реакции. Газо-сырьевой поток, выходящий из этого реак-
тора, нагревают во втором змеевике печи и направляют последо-
вательно во второй реактор, в третий змеевик печи и в третий ре-
актор. Продукты реакции из последнего реактора подают через,
теплообменники и конденсационно-холодильное оборудование в га-
зовый сепаратор, откуда часть газов возвращают в систему для
поддержания циркуляции, избыток сбрасывают в газоотводную
сеть, а жидкие продукты направляют на установку стабилизации.
Повышенное давление водорода способствует интенсификации
реакции гидрирования и тем самым препятствует закоксовыванию
катализаторов.
Платиновый катализатор медленно покрывается коксом и сер-
нистыми соединениями и со временем теряет свою активность. Ре-
генерацию катализатора производят выжиганием кокса и серни-
стых отложений смесью инертного газа и воздуха под давлением
1 МН/м2. Выжигание осуществляют в тех же реакторах в три сту-
пени при температуре 300—350 °C в первой ступени, 380—420°C—
во второй и 450—500 °C — в третьей.
Устройство реакторного блока. Реакторные блоки большинства
установок состоят из трех и более реакторов.
Основными реакционными аппаратами являются адиабатиче-
ские реакторы—пустотелые аппараты, заполненные одним слоем
катализатора. Встречаются также политропические реакторы —
многослойные аппараты со встроенными адиабатическими секция-
ми.
Газо-сырьевой поток в адиабатических реакторах может дви-
гаться в двух направлениях: аксиальном — сверху вниз и ради-
альном— от периферии к центру (для паро-газового сырьевого по-
тока) .
Реакторы представляют собой вертикальные цилиндрические
аппараты со сферическими днищами, в которых помещен катали-
затор. В зарубежной практике встречаются также реакторы сфери-
ческой формы.
Корпуса реакторов, используемых на отечественных заводах,
имеют внутреннюю защитную футеровку из жаростойкого бетона
для сохранения прочности металла и стойкости его к водородной
и сульфидной коррозии в условиях высоких температур. Такие ре-
акторы можно изготовить из углеродистой стали; если же футеров-
ка отсутствует, то корпус выполняют целиком из высоколегиро-
ванных сталей или двухслойной стали (основной слой — хромомо-
либденовая сталь, внутренний слой — нержавеющая сталь).
На рис. IX-13 приведен адиабатический реактор установки ка-
талитического риформинга. Корпус аппарата изготовлен из стали
марок 22К или 09Г2ДТ и покрыт изнутри торкрет-бетонной футе-
ровкой. Качество футеровки должно быть высоким во избежание
296
появления на ней трещин в процессе эксплуатации (особенно уяз-
вимы в этом отношении верхние участки реактора в области шту-
церов). Герметичность футеровки может нарушиться
ствие резких изменений температу-
ры в отдельных зонах реактора или
всей установки. Участки корпуса,
где надежная работа футеровки не
гарантирована, следует выполнять
из хромомолибденовых сталей ма-
рок 12МХ или 12ХМ, устойчивых
при повышенных температурах и в
водородсодержащих средах. Внут-
ренние устройства реактора изго-
товляют из сталей марок ЭИ496 и
Х5М.
Сырье (парогазовая смесь) по-
дается в реактор через верхний
штуцер с помощью распределителя,
обеспечивающего равномерное за-
полнение верхней пустотелой части
аппарата, и проходит слой фарфо-
ровых шариков диаметром 20 мм,
а также слой таблетированного
алюмоплатинового катализатора
высотой до 4 м.
Катализатор удерживается на
перфорированной опорной решетке,
поверх которой для равномерного
приема сырья насыпаны три слоя
фарфоровых шариков диаметром
20, 13 и 6 мм. Продукты реакции,
скапливающиеся под решеткой, вы-
водят по парогазовому стояку че-
рез верхний штуцер диаметром
300 мм.
Для установки трехзонной тер-
мопары через штуцер в верхнем
днище реактора пропущена труба
диаметром 50 мм. На нижнем дни-
также вслед-
Рис. IX-13. Адиабатический реактор
установки каталитического риформинга:
1 — днище; 2 — корпус; 3, 16 — термо-
пары; 4 — опорное кольцо; 5 — шамот-
ный порошок; 6 — люк для выгрузки
катализатора; 7 — люк; 8 — эжекция
газов; 9 — опорная решетка; 10—12,
14— шарики; 13 — катализатор; 15 —
футеровка; 17, 19— ввод и вывод па-
рогазовой смеси; 18 — распределитель.
ще расположены люк диаметром
500 мм, которым пользуются при (ревизии и ремонте аппарата, и
два люка диаметром 175 мм для выгрузки катализатора. На
нижнем днище имеется также штуцер диаметром 100 мм, через
который эжектируют газы перед началом процесса регенерации и
в случае необходимости при ремонтных работах. Для защиты за-
стойных зон реактора от воздействия высоких температур и водо-
рода все свободные пространства люков и штуцеров заполнены
легкой шамотной мастикой.
РЕАКТОРЫ УСТАНОВОК ГИДРООЧИСТКИ
ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ
Каталитическую гидроочистку дизельных топлив применяют для
уменьшения содержания в них серы до 0,2 масс.% и ниже, для по-
вышения их термической стабильности и улучшения других
свойств. Процесс гидроочистки сопровождается реакциями насы-
щения олефиновых углеводородов и деструктивной гидрогенизации
сернистых, кислородных и азотных соединений с образованием па-
рафиновых углеводородов, сероводорода, воды и аммиака.
Гидроочистка осуществляется в присутствии водородсодержа-
щего газа при температуре .360—425 °C и давлении 2—5 МН/м2:
Степень обессеривания и глубина гидрирования непредельных со-
единений повышаются с ростом температуры и давления процесса,
а также с увеличением кратности циркуляции водородсодержащего
газа. Для ускорения процесса применяют различные катализато-
ры, однако особенно часто — алюмокобальтомолибденовый табле-
тированный катализатор.
Реакции гидрирования протекают с выделением тепла, избыток
которого отводят с помощью хладоагентов (холодного циркуляци-
онного газа, сырья или гидрогенизата).
На отечественных заводах гидроочистку дизельных топлив сер-
нистых нефтей осуществляют на двухблочных установках, реактор-
ные блоки которых работают следующим образом. Сырье после
смешения с очищенным циркуляционным газом и свежим техниче-
ским водородом нагревают сначала в теплообменниках, затем в
трубчатой печи (до 360—380 °C) и направляют в реакторы. По ме-
ре снижения активности катализатора температуру подогрева
сырья повышают. При этом необходимо следить за тем, чтобы мак-
симальная температура в зоне реакции не превышала 435СС.
В противном случае ускоряется закоксовывание поверхности ка-
тализатора и повышается газообразование, являющееся результа-
том термического крекинга сырья.
Газопродуктовый поток, представляющий собой смесь паров
гидрогенизата, газов реакции, сероводорода и циркуляционного га-
за, поступает из реакторов в сепаратор после предварительного
охлаждения в теплообменниках и секционных холодильниках до
50°C. В сепараторе смесь газов и паров при давлении 4,5 МН/м2
разделяется на гидрогенизат и циркуляционный газ, которые да-
лее перерабатывают в соответствующих аппаратах.
Отработанный катализатор в конце реакции содержит 10—13%
(масс.) кокса и до 7% (масс.) серы. Активность катализатора
восстанавливают путем окислительной газовоздушной регенерации.
Перед регенерацией систему продувают под давлением 0,8 МН/.м2
инертным газом, который затем удаляют из аппарата через вытяж-
ную трубу. Газы регенерации содержат до 0,2% (об.) двуокиси
серы. Процесс восстановления катализатора начинают с выжига-
ния кокса газами при температуре 420—430 °C и давлении 4 МН/м2
298
и заканчивают прокаливанием ката-
лизатора в течение четырех часов при
температуре 520—550 °C и давлении
2 МН/м2. Чтобы сохранить прочность
металла коммуникационных труб при
высокой температуре, давление в про-
цессе прокаливания постепенно сни-
жают. Продолжительность выжигания#
составляет 48—60 ч в зависимости от
количества кокса и серы.
Общая продолжительность цикла
•регенерации катализатора равна
100—150 ч, поэтому данную операцию
совмещают во времени с планово-пре-
дупредительными ремонтами. Перио-
дичность регенерации определяется
качеством сырья и глубиной очистки
топлива и составляет от трех месяцев
до двух лет.
Реакторы устанавливают на желе-
зобетонных постаментах таким обра-
зом, чтобы обеспечить выгрузку ката-
лизатора самотеком через соответст-
вующие люки.
На рис. IX-14 показан политропи-
ческий (многослойный, многосекци-
онный) реактор установки гидроочи-
стки дизельных топлив. Он представ-
ляет собой вертикальный цилиндри-
ческий аппарат диаметром 1400 мм и
высотой 14 000 мм с эллиптическими
днищами. Корпус реактора изготов-
лен из двухслойной стали 12ХМ +
+ ЭИ496 толщиной 40 мм, штуцеры —
из стали Х5М. Изнутри корпус футе-
руют жаропрочным торкрет-бетоном
толщиной обычно 125—200 мм. Футе-
ровка должна быть монолитной и со-
Рис. IX-14. Политропический реак-
тор установки гидроочистки ди-
зельных топлив:
/ — корпус; 2 —футеровка; <3 — ка-
тализатор; 4 — опорное кольцо;
5 — штуцеры для термопары; 6—
нывод газосырьевой смеси; 7 — дни-
ще; 8 — нижний штуцер; 9 — муф-
та для манометра; 10— ввод ох-
лаждающего газа; 11 — опора; 12 —
штуцер для предохранительного
клапана; 13— воздушник; 14 — люк;
15 — штуцер ввода газосырьевой
смеси; 16 — съемная колосниковая
решетка; 17 — опорный перфориро-
ванный лист. ;
стоять из двух слоев: термоизоляци-
онного — непосредственно у корпуса
и эрозионностойкого — внутреннего.
'Состояние футеровки проверяют пу-
тем измерения температуры стенок
корпуса аппарата поверхностными тер-
мопарами. Превышение допустимой
температуры (200 °C) свидетельствует
<0 нарушении герметичности футеровки
на данном участке.
Внутри аппарата имеется шесть съемных колосниковых реше-
ток, на которые насыпан таблетированный алюмокобальтомолиб-
деновый катализатор. Колосники устанавливают на кольцевые опо-
ры, приваренные к корпусу реактора. Все внутренние устройства
аппарата выполнены из стали ЭИ496.
Над каждым слоем катализатора расположен маточник из хро-
моникелевых труб для подачи охлаждающего циркуляционного^
газа. Это позволяет поддерживать в каждой секции необходимую-
температуру с постепенным повышением ее по ходу парогазовой
смеси. Таким образом, в любой секции протекает адиабатический
процесс, а в реакторе в целом — политропический.
Таблетированный катализатор в количестве 12 м3 загружают в;
аппарат через верхний люк диаметром 450 мм, на крышке которо-
го имеется воздушник для отвода продувочных газов. Над блоком
реакторов сооружают специальные площадки. С них катализатор
по гибкому рукаву засыпают в соответствующую секцию (снизу
вверх), где рабочий, находящийся внутри аппарата, соблюдая тре-
бования техники безопасности для работы в закрытых сосудах вы-
равнивает вручную слой катализатора. Газо-сырьевая смесь посту-
пает в верхнюю секцию по штуцеру в верхней части аппарата,
последовательно проходит через слой катализатора во всех сек-
циях и по штуцеру под нижней секцией выводится из реактора.
Эксплуатация реакторов установок каталитического риформин-
га и гидроочистки. Реакторы установок каталитического рифор-
минга и гидроочистки работают в условиях химической и электро-
химической коррозии, а также механического износа металла
аппаратов катализатором. Химическая коррозия реакторов обус-
ловлена содержанием в высокотемпературных газовых потоках
сероводорода и водорода, а электрохимическая коррозия — содер-
жанием в циркулирующих дымовых газах регенерации паров во-
ды и двуокиси серы.
Сероводородная коррозия металла аппаратов реакторного бло-
ка установок тем сильнее, чем больше концентрация серы в сырье-
и чем выше содержание сероводорода в циркулирующем газе.
Водород, циркулирующий в системе реакторного блока, вызы-
вает межкристаллитную коррозию металла, сопровождающуюся
снижением его прочности и увеличением хрупкости. Межкристал-
литное растрескивание, образование раковин и вздутий в металле-
оборудования под действием водорода усиливаются при повыше-
нии температуры и давления в системе.
Сульфидная коррозия практически протекает очень медленно,
однако продукты коррозии засоряют катализатор, забивают поры
между таблетками, а также трубы теплообмеников, что нарушает
технологический режим процесса гидроочистки или каталитическо-
го риформинга, ухудшает теплопередачу и приводит к недопусти-
мому возрастанию гидравлического сопротивления. По возникно-
вению большого перепада давления между входом в реактор и вы-
ходом из него часто судят о степени сульфидной коррозии.
Реактор и катализатор засоряются также из-за присутствия в
газовых потоках кислорода, хлоридов и азотсодержащих соедине-
ний. Кислород способствует окислению сернистых соединений, по-
этому его концентрация в циркулирующем газе должна быть ог-
раничена (0,0002—0,0006%). Хлориды и азотсодержащие соедине-
ния при взаимодействии с водородом образуют соответственно
хлористый водород и аммиак, которые, связываясь, превращаются
в хлористый аммоний, выпадающий в виде осадка. Осадок удаля-
ют периодической промывкой, для чего в процессе эксплуатации
установки по ходу продуктов реакции от реактора до сепаратора в
систему впрыскивают воду. Промывку продолжают до тех пор,
пока перепад давления не уменьшится до значения, определенно-
го технологической картой.
КОНТАКТОРЫ УСТАНОВОК СЕРНОКИСЛОТНОГО
АЛКИЛИРОВАНИЯ
Процесс алкилирования применяют для получения высокооктано-
вых компонентов бензина. Реакция алкилирования протекает при
умеренных температуре и давлении. Катализатором обычно слу-
жит свежая 96—100%-ная серная кислота. Для протекания про-
цесса алкилирования требуется интенсивное перемешивание угле-
водородной фазы с катализатором в зоне реакции. Выделяемое в
результате реакции избыточное тепло должно непрерывно отво-
диться с тем, чтобы температура среды стабильно поддерживалась
в пределах 7—10 °C. Этими основными требованиями предопреде-
ляется конструкция контакторов или реакторов.
Контактор (реактор), приведенный на рис. IX-15, состоит из
цилиндрического корпуса, рассчитанного на рабочее давление
1 МН/м2, внутреннего кожуха, трубного пучка холодильника, рас-
пределительной камеры хладоагента, узла пропеллерного насоса
и привода к этому насосу. Такие реакторы устанавливают в поме-
щении на металлоконструкциях. Верхняя часть аппарата обычна
через перекрытие здания выходит наружу.
Сырье, нагнетаемое в корпус реактора через нижний штуцер,
увлекается вращающимся пропеллером (винтом) насоса и посту-
пает во внутренний цилиндрический кожух. Катализатор (серная
кислота) насосом подается через штуцер, расположенный в верх-
ней части аппарата над участком слива сырья у края кожуха.
Здесь сырье и кислота, смешавшись, по кольцевому сечению вновь
поступают на прием того же насоса. Таким образом, насос осуще-
ствляет внутри аппарата непрерывную циркуляцию (перемешива-
ние) смеси. Состав смеси регулируют задвижками путем увеличе-
ния или уменьшения концентрации одной из фаз.
Охлаждающий змеевик состоит из 324 труб толщиной стенок
5 мм, диаметром 48 мм, длиной 5925 мм. Верхние концы труб за-
вальцованы в средней трубной решетке, а нижние концы заглу-
шены и прикреплены шпильками к нижней трубной решетке внут-
ри кожуха, чтобы придать жесткость трубному пучку. В верхней
трубной решетке завальцовано или соединено ниппельным крепле-
нием такое же число труб размером 20\2 мм, погруженных в на-
Рис. IX-I5. Реактор установки сер-
нокислотного алкилирования:
/ — ввод хладоагента; // — вывод
хладоагента; /// — ввод сырья;
/V—-ввод кислоты; V — вывод про-
дуктов реакции; /—корпус; 2 —
кожух; 3 — трубный пучок; 4 —
нижняя трубная решетка; 5 — на-
сос; 6 — верхняя трубная решетка;
7 — средняя трубная решетка.
ружные трубы. Для взаимной цент-
ровки труб к концу внутренней трубы
приваривают направляющие ребра.
Для отвода избыточного тепла
применяют обычно жидкие аммиак
или пропан. Хладоагент подается че-
рез верхний штуцер в распределитель-
ную камеру, проходит по внутренним
трубам до заглушенных концов на-
ружных труб и, испаряясь за счет от-
нимаемого тепла, поднимается в при-
емную камеру по межтрубному прост-
ранству, откуда через < специальный
штуцер отводится на прием компрес-
сора. Эффективность теплообмена
можно увеличить, собрав охлаждаю-
щий змеевик из оребренных труб.
Камера пропеллерного насоса при-
соединена к корпусу реактора на
фланцах. Вращение смеси в аппарате
предотвращается продольными ребра-
ми, приваренными к стенкам кожуха.
Для нормальной эксплуатации не-
обходимо, чтобы выход вертикально-
го вала из корпуса был надежно за-
герметизирован. Это достигается при-
менением двойного торцевого уплот-
нения, аналогичного тем, которые при-
меняют в центробежных насосах нор-
мального ряда. Конструкция уплотне-j
ния в реакторах дополнена винтовым';
насосом, расположенным на валу с;
внутренней стороны корпуса; он пред-
отвращает попадание кислоты на тру-
щиеся поверхности. Кроме того, в ка-
мере торцевого уплотнения установлен
подшипник скольжения, придающий валу большую жесткость.
В настоящее время громоздкие вертикальные контакторы не
проектируют; их заменяют горизонтальными реакторами с охлаж-
дающим змеевиком из U-образных труб, а также реакторами каскад-
ного типа. Каскадный реактор представляет собой горизонтальный
цилиндрический аппарат, разделенный перегородками на секции
со своим перемешивающим устройством. Контактируемая смесь
последовательно проходит через все секции. Тепло реакции отни-
мается вследствие испарения части углеводородов, которые от-
сасываются из аппарата, охлаждаются и возвращаются в реактор.
ГЛАВА X
ТРУБОПРОВОДЫ И ТРУБОПРОВОДНАЯ
АРМАТУРА
Трубопроводы и трубопроводная арматура занимают значительное
место в оснастке нефтеперерабатывающих установок, цехов и за-
водов. Общая протяженность всех трубопроводов нефтеперераба-
тывающих заводов достигает десятков и сотен тысяч километров.
Объем монтажа трубопроводов обычно превышает половину всех
монтажных работ, производимых при сооружении нефтеперераба-
тывающего завода.
Разнообразна и многочисленна трубопроводная арматура. На-
пример, для завода, перерабатывающего 6 млн. т нефти в год, мон-
тируется до 10 тыс. единиц различной арматуры.
ТРУБОПРОВОДЫ
Назначение трубопроводов весьма различно. Посредством трубо-
проводов, по которым движутся жидкие, газообразные или сме-
шанные потоки, оборудование технологических установок связы-
вается в единую систему. По трубопроводам сырье поступает на
установки, а большинство целевых продуктов отводится в товар-
ные емкости. По ним подают пар, топливо, воду и т. д.
Надежность эксплуатации трубопроводов во многом определя-
ет продолжительность бесперебойной работы технологической ус-
тановки. Большинство аварийных ситуаций на заводах обычно вы-
звано разгерметизацией трубопроводов.
Все трубопроводы принято разделять на внутриустановочные—
для соединения оборудования в единую систему согласно техно-
логической схеме; межустановочные — для передачи полуфабрика-
тов от одной установки на другую; межцеховые — для взаимных
перекачек между цехами; межзаводские — для перекачек между
заводами и магистральные — для доставки на завод сырья, пара,
воды и транспортировки с завода готовой продукции.
Все трубопроводы отличаются друг от друга способами про-
кладки или монтажа, обусловленными соответствующими нормами
и правилами. Наиболее ответственен внутриустановочный (обвя-
зочный) трубопровод, отличающийся сложностью конфигурации и
большим числом единиц различной арматуры.
Таблица Х-1. Классификация технологических трубопроводов
Категория трубопроводов
Группа Среда в трубопроводе I И III IV V
рр< МН/м‘2 t °C t, °C М1?/м2 t. °C М1?/’м2 (, °C ₽р> МН/м2 1, °C
А Продукты с токсиче- скими свойствами
а) сильнодействующие ядовитые вещества: аммиак жидкий и газо- образный, окись углеро- да, сероводород, серо- углерод, тетраэтилсви- нец, хлор жидкий и газо- образный, хлорметил, дихлорэтан, синильная кислота, нитро- и амино- соединения ароматиче- ского ряда; Незави- симо От —70 до -|-700
б) дымящие кислоты: олеум, концентрирован- ная серная, соляная и азотная кислоты, плави- ковая кислота; Незави- симо От —70 до -1-700
в) прочие продукты с токсическими свойства- ми: ацетальдегид, бен- зол, метанол, окись эти- лена, хлорбензол, фенол, крезол, толуол, пятисер- нистый фосфор, MOHO- хлористая сера, окись цинка, диэтиламин, ди- этилбензол, изопропил- Свыше 1,6 и ниже 0,08 От —70 до -4-700 От 0,08 ДО 1,6 От —70 до 4-350
Б
бензол, пиридин, суль- фанол, этилбензол, этил- трихлорсилан Горючие и активные газы, легковоспламеня- ющиеся и горючие жид- кости Свыше 2,5 Свыше +250
а) взрывоопасные сжи- женные газы с давлени- ем паров при +20 °C более 0,6 МН/м2: пропан, пропилен, этан, этилен
б) взрывоопасные сжи- Свыше Свыше
женные газы с упруго- стью паров при 20 °C ме- нее 0,6 МН/м2: бутан, бутилен, дивинил, изобу. тан, изобутилен 2,5 +250 и от 0 до —70
в) взрывоопасные га- Незави- От +350
зы: бутан, бутилен, водо- род, изобутан, изобути- лен, контактный газ, кре- кинг-таз, симо до +700
метан, пирогаз, пропан, Ниже Незави-
пропилен, топливный таз, факельный газ, этан, эти- лен 0,08 симо
г) легковоспламеняю- Незави- От +350
щиеся жидкости с тем- пературой кипения выше + 45 °C: ацетон, бензины, керосин, бутиловый симо до +700
спирт, бутиловый эфир, Ниже Незави-
этиловый спирт, гексан, гептан, изопропиловый спирт, бутилацетат, нефть 0,08 симо
До 2,5
От —70
до +250
От 1,6 до 2,5 От —120 до +250 и от 0 до —70 До 1,6 От —70 до +120
От 2,5 ДО 6,4 От +250 до +350 и от 0 до —70 От до 1,6 2,5 От +120 до +250 и от 0 до —70 До 1,6 От —70 до +120
Ниже 0,095 Незави- симо — —
От 2,5 ДО 6,4 От 250 до 350 и от 0 до —70 От ДО 1,6 2,5 От 120 до +250 и от 0 до —70 До 1,6 От —70 до +120
Ниже 0,095 Незави- симо — —
Среда в трубопроводе
Группа
МН/м2
Р*
МН/м2
в д) горючие жидкости: мазут, масла, дизельное топливо, гудрон, соляро- вое масло, асфальт, эта- но Л амин, itaryiM, масляные ди- стилляты, диэтиленгли- коль, диэтилкетон Пар водяной перегре- тый Незави- симо Ниже 0,003 Незави- симо От +350 до +700 Незави- симо От +450 до +660 От 2,5 до 6,4 Ниже 0,008 До 3,9
г Пар водяной насыщен- ный, горячая вода, паро- вой конденсат Свыше 184 Свыше + 120 От 8,0 до 18,4
д Негорючие газы, жид- кости и пары; Незави- симо От +450 до +700 От 6,4 до 10
азот, вода, воздух, инертные газы, рассол, щелочи Ниже 0,003 Незави- симо Ниже 0,08
П родолжение
Категория трубопроводов
I Ш IV V
t, °C МН/м2 Л ГС РР' МН/м2 t, °C МН/м2 t, °C
От +250 до +350 и от 0 до —70 От 1,6 до 2,5 От +120 до +250 и от 0 до —70 До 1,6 От —70 до +120 — —
То же Ниже 0,095 То же — — — —
От +350 до +450 До 2,2 От +250 до +350 До 1,6 От +120 до +250 — —
Свыше + 120 От 1,6 до 8,0 Свыше + 120 От 1 до 1,6 Свыше + 120 — —
От +350 до +450 и от 0 до —70 От 2,5 до 6,4 От +250 до +350 и от 0 до —70 До 2,5 От +120 до +250 и от 0 до —70 До 1,6 От 0 до + 120
То же Ниже 0,095 То же — — — —
По назначению трубопроводы можно разделить на нефтепро-
воды, продуктопроводы, газопроводы, паропроводы и водопроводы.
Условия их проектирования и сооружения также различны.
Эксплуатационными характеристиками трубопроводов следует
считать температуру и давление перекачиваемого продукта и окру-
жающей трубопровод среды. Наряду с этим при проектировании
необходимо учитывать коррозионную активность перекачиваемых
продуктов, чтобы обеспечить долговечность трубопровода путем
надежной защиты от износа внутренних и внешних поверхностей
труб.
С 1976 г. введены «Руководящие указания по эксплуатации, ре-
визии и ремонту технологических трубопроводов», по которым тру-
бопроводы делятся на пять групп в зависимости от характера
транспортируемой среды: А, Б, В, Г, Д и на пять категорий, в за-
висимости от рабочих параметров среды (давления, температуры):
I, II, III, IV, V (табл. Х-1).
ВЫБОР ТРУБ
Применяемые для технологических трубопроводов трубы, фланцы,
соединительные детали и крепежные изделия должны отвечать
требованиям ГОСТ, нормалей или технических условий.
По способу изготовления различают бесшовные и сварные тру-
бы. Бесшовные трубы могут быть холоднотянутыми, холодноката-
ными, горячекатаными и крекинговыми. Сварные трубы выполня-
ются электросваркой и могут быть с продольным или спиральным
сварным швом.
В табл. Х-2 указан вид труб и марка стали для наиболее ча-
сто встречающихся на заводах трубопроводов в зависимости от
параметров транспортируемой среды.
Кроме стальных труб, приведенных в табл. Х-2, в последнее
время все более широкое применение находят бесшовные стальные
трубы, футерованные винипластом, полиэтиленом, эмалью, рези-
ной и стеклом. Эти трубы обладают прочностью стальных труб и
коррозионной стойкостью материала футеровки. К футерованным
трубам поставляются также соединительные детали (тройники, от-
воды, переходы). Размеры и пределы применения футерованных
труб обусловлены соответствующими ГОСТ и техническими усло-
виями.
Из цветных металлов для изготовления труб применяют глав-
ным образом медь и алюминий.
Промышленность выпускает биметаллические трубы диаметром
до 219 мм в следующих сочетаниях: наружный слой — углероди-
стая сталь, внутренний — нержавеющая, или наоборот; наружный
слой — медь, внутренний — углеродистая сталь, или наоборот.
В последнее время находят применение трубы из пластических
масс. Они отличаются от стальных стойкостью к коррозии, неболь-
шой массой и рядом других преимуществ (высокими диэлектриче-
20* 307
Таблица Х-2. Выбор стальных труб в зависимости от параметров транспортируемой среды
Транспортируемая среда Предельные параметры среды Условный проход, мм Вид труб Материал труб
р усл» МН/м2, не более температура, °C марка стали ГОСТ
от | До
Сжиженные газы, относящиеся к 6,4 —70 —40 50—200 Бесшовные крекинговые 10Г2 4543—61
группам А и Б, сильнодействую- щие ядовитые вещества, дымящие- 10 —196 +600 6-50 Бесшовные холоднокатаные Х18Н10Т 5632—61 5632—61
ся кислоты, прочие продукты с 10 —196 +600 70—200 Бесшовные горячекатаные Х18Н10Т
токсическими свойствами 10 —40 +450 10—40 Бесшовные холоднокатаные 20 1050—60
10 —40 +450 50—400 Бесшовные горячекатаные 20 1050—60
10 —196 +700 10—50 Бесшовные холоднокатаные Х17Н13М2Т 5632—61
10 —196 +700 70—400 Бесшовные горячекатаные Х17Н13М2Т 5632—61
Группа А. Продукты с токсическими 1.6 —30 +300 10—400 Электросварные 20 1050—60
свойствами 1.6 —30 +300 400—1400 » 20 1050—60
Группа Б. Горючие и активные газы, 2,5 —196 —70 10—80 Х18Н10Т 5632—61
легковоспламеняющиеся и горючие жидкости 2,5 —40 +400 500—1000 » 17ГС, 16ГН 5058—65 4543—61
6,4 —70 —40 50—200 Бесшовные крекинговые 10Г2
10 —40 +450 10—40 Бесшовные холоднокатаные 20 1050—60
10 —40 +450 50—400 Бесшовные горячекатаные 20 1050—60
10 +450 +570 10—400 Бесшовные 12Х1МФ 10801—64
10 10 Вакуум > > —196 —196 —40 —40 -30 4-700 4-700 4-450 +450 +300 10—50 70—200 10—40 50—40 450—140 Бесшовные холоднокатаные Бесшовные горячекатаные Бесшовные холоднокатаные Бесшовные горячекатаные Электросварные Х17Н13М2Т Х17Н13М2Т 20 20 20 5632—61 5632—61 1050—60 1050—60 1050—60
Группа В. Пар водяной перегретый 1,0 +200 10—50 Водогазопроводные По требова- 380—60
нию заказчи-
ка
1,6 +300 10—400 Электросварные ВМСтЗсп 380—60
1,6 +300 10—400 » 10; 20 1050—60
Группа Г. Пар водяной насыщенный, 1,6 +300 500—140 » СтЗсп 380—60
горячая вода, паровой конденсат 2,5 +300 500—140 » ВМСтЗсп 380—60
10 +450 50—400 Бесшовные горячекатаные 20 1050—60
Группа Д. Негорючие газы, жидкости 1,0 0 +200 10—50 Водогазопроводные По 380—60
и пары требованию
заказчика
1,6 —30 +300 500—140 Электросварные 20 1050—60
2,5 —30 +300 10—400 10; 20 1050—60
2,5 —40 +300 500—100 >> 17ГС; 16ГН 5058—65
6,4 —70 -40 50—200 Бесшовные крекинговые 10Г2 4543—61
10 —196 +600 10—200 Бесшовные горячекатаные Х18Н10Т 5632—61
10 —40 +450 50—400 Бесшовные горячекатаные 20 1050—60
скими свойствами, малым коэффициентом трения и др.). Однако
их прочностные качества низки, особенно при повышенных темпе-
ратурах. Например, полиэтиленовые трубы нельзя применять при
температуре выше 50°C. Промышленностью выпускаются трубы из
винипласта (для температур до 60°C и давления до 0,6 МН/м2),
фаолита (для температур до 160°C и давления до 0,6 МН/м2), по-
лиэтилена, полипропилена, графитопласта АТМ-1, фторопласта-4.
Фторопластовые трубы, помимо высоких антикоррозионных и
диэлектрических свойств, обладают также стойкостью к низким и
высоким температурам (область применения от —100 до +250 °C)
и высокой (по сравнению с другими неметаллическими трубами)
прочностью. Еще большей прочностью обладают трубы из стекло-
пластиков (стекловолокно, пропитанное связующими смолами).
Они отличаются высокой коррозионной стойкостью и небольшой
массой, но газопроницаемы, что ограничивает их применение.
Для перекачивания коррозионно-агрессивных продуктов (азот-
ная, фосфорная, разбавленная серная кислоты), а также для шла-
моотводных и канализационных трубопроводов, работающих при
низких давлениях и температурах, применяют трубы из высоко-
кремнистых чугунов.
Размер трубопровода определяется диаметром и толщиной
стенки труб, из которых он состоит, а также общей протяженно-
стью и длиной отдельных участков.
Внутренний диаметр трубопровода (или его отдельных участ-
ков) определяют гидравлическим расчетом. Для этого должны
быть заданы расход, свойства и состояние среды, а также гидрав-
лическая характеристика трубопровода. Определяют так называе-
мый диаметр условного прохода трубопровода, под которым пони-
мают номинальный внутренний диаметр трубы. Фактический внут-
ренний диаметр каждой трубы зависит от толщины ее стенок.
Очень часто диаметр условного прохода и фактический внутренний
диаметр равны.
Диаметры условного прохода унифицированы. Это позволяет
легко обеспечить взаимозаменяемость деталей трубопровода и ар-
матуры. ГОСТ предусматривает следующий диаметр условных
проходов (в мм): 10; 15; 20; 25; 40; 50; 65; 80; 100; 125; 150; 175;
200; 225; 250; 275; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000;
1100; 1200; 1400; 1600; 1800. Диаметры 175; 450; 700; 900; 1100 мм
не следует применять для трубопроводов общего назначения.
Размер трубы принято указывать двумя цифрами, соответству-
ющими наружному диаметру и толщине стенки (в мм). Напри-
мер, 76X6 (наружный диаметр 76 мм, толщина стенки 6 мм).
Наиболее полная характеристика труб содержится в установ-
ленных для них условных обозначениях в виде дроби. В числите-
ле дроби указаны (в мм) наружный диаметр, толщина стенки, пол-
ная длина или кратная длина (т. е. длина, на которую делится без
остатка полная длина трубы), ГОСТ на трубу; в знаменателе —
группа поставки материала трубы и ГОСТ на материал.
ГОСТ предусматривает широкий ряд типоразмеров труб, изго-
товленных из различных сталей. В табл. Х-3 для примера приве-
дены размеры труб, изготовленных из углеродистой стали п стали
марки 10Г2.
Таблица Х-3. Размеры стальных бесшовных труб
У слоеный проход, мм Наружный диаметр X толщина стенки трубы, мм Вес 1 м, Н Условный проход, мм Наружный диаметрX толщина стенки трубы, мм Вес 1 м, Н
20 25x1,6 9,2 150 159x8 297,9
25x3 16,3 159X10 367,5
25 32x2 14,8 200 219x7 366,0
32x3,5 24,6 219X10 515,4
40 45x2,5 26,2 219х 12 612,6
45x4 40,4 250 273x8 522,8
50 57x3,5 46,2 273x12 772,4
57x5 64,1 273x14 894,2
80 89x3,5 73,8 300 325x8 625,4
89X4,5 93,8 325x10 776,8
89x6 122,8 325x14 1073,8
100 100x4 102,6 325x16 1219,3
100x5 127,0 400 426x10 1025,9
100X7 174,4 426x12 1225,2
150 159x4,5 171,5 426x14 1422,5
159x6 226,4
ГОСТ устанавливает условные, пробные и рабочие давления
для трубопроводов и арматуры. Под условным давлением пони-
мают давление, на которое рассчитан трубопровод при условии, ес-
ли он работает при температуре среды не выше 200 °C. Рабочим
давлением называют номинальное давление при эксплуатации тру-
бопроводов. При температурах среды до 200 °C условное и рабо-
чее давления для стальных труб можно принять одинаковыми.
При более высоких температурах допускаемое рабочее давление
определяется в каждом отдельном случае по таблицам. В табл.
Х-4 приведены рабочие давления для арматуры и труб из хромо-
молибденовой стали марки 2МХ.
Таблица Х-4. Рабочее давление для арматуры и труб из стали 2МХ
Давление, МН/м2
Наибольшая температура среды, °C
условное пробное 200 320 450 1 490 500 510 515 520 530
0,6 0,9 0,6 0,56 0,50 0,45 0,40 0,36 0,32 0,28 0,25
1,6 2,4 1,6 1,4 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,64
2,5 3,8 2,5 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,25 1,1 1,0
4,0 6,0 4,0 3,6 3,2 2,8 2,5 2,2 2,0 1,8 1,6
10,0 15,0 10,0 9,0 8,0 7,1 6,4 5,6 5,0 4,5 4,0
РАСЧЕТ ДИАМЕТРА ТРУБОПРОВОДОВ
Правильное определение диаметра трубопровода обусловливает
затраты на строительство, а также энергетические и другие экс-
плуатационные расходы. Основой для расчета диаметра трубопро-
вода являются заданные производительность и скорость движения
транспортируемой среды (жидкости, газа). Из уравнения расхода
получим
где О»— внутренний диаметр трубопровода;
Ус — объемный расход жидкости в 1 с;
w — средняя скорость жидкости.
Из уравнения следует, что диаметр трубопровода и, следова-
тельно, его стоимость определяются скоростью движения среды
по трубопроводу. Однако нужно учесть, что увеличение скорости
приводит к росту потери напора (сопротивления) в трубопроводе.
Это, в свою очередь, потребует больших энергетических затрат для
перекачивания продукта. Поэтому определению диаметра трубо-
провода должен предшествовать выбор оптимальной скорости дви-
жения среды по трубопроводу при заданных условиях эксплуата-
ции.
Для выбора скорости движения среды на основе оптимальных
энергетических затрат необходимо знать расчетные гидравличе-
ские сопротивления в трубопроводах. Общие гидравлические со-
противления в трубопроводе обусловливаются сопротивлением тре-
ния и местными сопротивлениями.
Сопротивление трения зависит от геометрической характери-
стики трубопровода и режима течения среды (ламинарный, турбу-
лентный) .
Местные сопротивления обусловливаются изменениями скоро-
сти потока по величине или направлению. Они вызываются входом
потока в трубу и выходом из нее, резким сужением или расшире-
нием трубы, отводами, тройниками, сварными коленами, фланце-
выми соединениями, запорными и регулирующими устройствами
(задвижки, вентили, краны, заслонки, кольцевые шайбы) и др.
Определение величин названных сопротивлений — задача сложная,
требующая тщательного подхода и учета многих факторов.
Для ламинарного режима движения жидкости по круглой тру-
бе потеря напора на трение Лтр определяется по формуле
I W2
Лтр = А
где I — длина трубопровода;
А — коэффициент трения
Для турбулентного режима можно пользоваться той же форму-
лой для определения /гтр. Однако при этом значение коэффициен-
та трения % устанавливают не только расчетным путем, но, глав-
ным образом, на основе обобщенных практических результатов.
Например, при турбулентном движении в гладких трубах (Re=4-
.103—105)
0,316
t/RS
На коэффициент трения при турбулентном движении оказыва-
ет большое влияние шероховатость внутренних стенок труб. Сте-
пень влияния можно определить по графикам и таблицам в спра-
вочной литературе.
Значения местных сопротивлений определяют суммированием
их на всех участках, где они возникают. Сумму всех местных со-
противлений трубопровода определяют по формуле
Лм.с = 7 I 5м.с 2g
Для практических расчетов в справочной литературе приводятся
значения коэффициентов местных сопротивлений gM. с для различ-
ных конструктивных элементов трубопроводов. Эти коэффициен-
ты представляют собой отношение местного сопротивления hM. с к
скоростному напору
Значения коэффициентов местных сопротивлений, установлен-
ных опытным путем, приведены ниже:
Коэффициент мест-
Местное сопротивление ного сопротивления
Вход в трубу из сосуда большого объема
при острой входной кромке ..................... 0,5
при острой входной кромке и выступе трубы
внутрь сосуда на расстояние больше поло-
вины диаметра трубы............................. До 1,0
Выход из трубы в сосуд большого объема 1,0
Отвод под прямым углом с закруглением ... 0,14
Колено без закругления......................... 1,1—1,3
Пробочный кран
открытый......................................... 0,05
прикрытый..................................... От 2 до 95
Вентиль стандартный при полном открытии
при d = 13 мм...................................... 11
при d = 20 мм...................................... 8
при d = 40 мм и более...................... 4—6
Как видно из приведенных формул, для определения сопротив-
ления и диаметра трубопровода необходимо задаться некоторой
оптимальной скоростью потока. Значением ее задаются согласно
рекомендациям, основывающимся на технико-экономических сооб-
ражениях.
Ниже приведены рекомендуемые пределы изменения скорости
движения жидкостей, газов и паров в промышленных трубопрово-
дах:
для маловязких капельных жидкостей . . . Не выше 3 м/с , . Не выше 1 м/с
ДЛЯ вязких капельных жидкостей . . .
ДЛЯ капельных жидкостей
самотеком 0,2—1 м/с
при перекачивании насосам . . . . 1—3 м/с
для газов
иод давлением до 0,1 МН/м2 . . . 8—15 м/с
под давлением выше 0,1 МН/м2 . . . . 20—30 м/с
для перегретого водяного пара . . . . 30—50 м/с
РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРОЧНОСТЬ
В процессе эксплуатации трубопровод подвержен нагрузкам от
давления среды на стенки, собственного веса, ветровых нагрузок,
температурных деформаций, трения в подвижных опорах и саль-
никовых компенсаторах. Расчет на прочность необходим для опре-
деления такой толщины стенки, которая обеспечит прочность тру-
бопровода в условиях одновременного действия всех перечислен-
ных нагрузок.
Зная внутренний диаметр трубопровода Dn и давление в нем
Р, определяют толщину стенки трубы s по формуле
PD„ , ,
5“(2,30СТдоп-Р)<р+С (XJ)
где <Тд(ш — допустимое напряжение;
<(; — коэффициент прочности продольного сварного шва;
С — прибавка на коррозию, принимаемая от 0,5 до 5 мм.
Более точный расчет толщины стенки трубы производят исхо-
дя из предельного состояния, при котором кольцевые напряжения
в стенке трубы достигают предела прочности ап и из предельного
состояния, при котором кольцевые напряжения в стенке трубы до-
стигают предела текучести пт. Расчетные формулы для перечис-
ленных двух предельных состояний записываются следующим об-
разом:
Ри., п
' т ' ( (Х'3>
Zf\2 fnT
DIt — наружный диаметр трубы;
Ri, Т?2- -расчетное сопротивление, соответствующее пределу прочности и
пределу текучести;
п—коэффициент перегрузки трубопровода (превышения установленно-
го давления), принимаемый равным 1,2;
ша, тт —коэффициенты условий работы трубопровода при расчете соответ-
ственно по пределу прочности и пределу текучести.
Таблица Х-5. Значения коэффициента условий работы
трубопровода при расчете по пределу прочности
Назначение трубопровода Коэффициент тп для трубопроводов
межцеховых внутрицеховых
Для транспортировки технических, горючих и взры-
воопасных газов 0,70 0,60
Для транспортировки инертных газов, а также ток-
сических, горючих и взрывоопасных жидкостей 0,75 0,65
Для транспортировки инертных жидкостей . . . 0,80 0,75
Коэффициент та определяют в зависимости от характеристики
трубопровода в табл. Х-5.
Коэффициент шт принимают равным единице независимо от ка-
тегории трубопровода, имея в виду, что предельное состояние по
текучести значительно менее опасно, чем предельное состояние по
прочности.
Расчетные сопротивления R\ и Т?2 для каждой конкретной ста-
ли, из которой изготовлена труба, даются в ее прочностных харак-
теристиках при повышенных температурах.
За расчетную толщину стенки принимают большее из значений,
определенных по формулам (Х.2) и (Х.З). Расчетную толщину ок-
ругляют до ближайшего большего размера по сортаменту труб;
при этом допускается уменьшение расчетной толщины не более
чем на 3%.
После определения толщины стенки трубу следует проверить на
напряжения от собственного веса и ветровых нагрузок. Для этого
должны быть известны конфигурация трубопровода и способ его
крепления. В зависимости от протяженности, характеристики сре-
ды и эксплуатационных требований трубопроводы можно уклады-
вать в земле, в трубных лотках и по воздуху — на стойках или спе-
циальных эстакадах. Из соображений эксплуатации последний спо-
соб предпочтителен для внутриустановочных трубопроводов. Тру-
бопроводы могут прокладываться по воздуху с промежуточными
опорами и без них. В первом случае трубопровод рассматривается
как неразрезная балка на многих опорах, во втором — как балка
на двух концевых опорах.
Из условий прочного сопротивления изгибу наибольший допу-
скаемый пролет I между опорами определяется по формуле:
где сГдов — допустимое напряжение на изгиб материала трубы; рекомендуется
принимать аДОп = 45—50 МН/м2;
IF—момент сопротивления поперечного сечения трубы;
qv —расчетная нагрузка, вызывающая изгиб.
?р — Щ'Тгр + rt2?np + rt3?H3 4* nl<]a
(X.5)
где <?тр — вес одного погонного метра трубы;
<7пр — вес одного погонного метра продукта в трубе;
?иа—вес одного погонного метра изоляции на трубе;
<7,— ветровая нагрузка на один погонный метр трубы;
л—коэффициенты нагрузок; обычно принимают П1 = П2=1,1; ns=n4=l,2.
Более точно допускаемый пролет трубопровода с учетом одно-
временного действия в нем внутреннего давления можно опреде-
лить по формуле
где — расчетная толщина стенки трубы без прибавки на корразию;
т — коэффициент условий работы; принимают т = 0,8.
Наибольший прогиб оси трубопровода в середине пролета меж-
ду двумя опорами (стрелу прогиба) определяют по формуле
f = 384£7 (Х,7>
где Е — модуль упругости материала трубы;
1 — момент инерции поперечного сечения трубы.
Для большинства трубопроводов расстояния между опорами
нормализованы; нормали приведены в справочной литературе по
трубопроводам.
ОПОРЫ ТРУБОПРОВОДОВ
Нормальная эксплуатация трубопроводов во многом определяет-
ся правильно выбранной конструкцией опор. Отличают неподвиж-
ные и подвижные опоры. Неподвижные опоры жестко закрепляют
трубопровод и совместно с ним воспринимают все нагрузки, вклю-
чая осевые нагрузки от температурных деформаций. Подвижные
же опоры, удерживая на себе трубопровод, обеспечивают свобод-
ное перемещение его под действием температурных напряжений.
Опоры и подвески устанавливают на металлоконструкции или
строительной конструкции. Последние должны быть несгораемыми
и огнестойкими. На рис. Х-1 показаны некоторые из наиболее ча-
сто применяемых опор и подвесок.
На опоры имеются ГОСТ и нормали. Некоторые опоры конст-
руируют специально для данного случая. Основанием для выбора
опор является расчетная нагрузка.
Определение нагрузок на опоры — сложная задача, решение
которой зависит от конструкции опоры.
Вертикальную нагрузку на опору QB определяют с учетом воз-
можной перегрузки при несовместной работе с рядом стоящими
опорами:
Qb = 1 >
(Х.8)
Ветровую (горизонтальную) нагрузку QBt определяют по фор
муле
Рис. Х-1. Опоры трубопроводов:
а — неподвижная сварная; б — неподвижная на хомутах; в — подвижная; г — катковая;
д — на кронштейне; е — подвесная.
Усилия, действующие на опору в направлении оси трубопрово-
да QTp, вызываются реакциями сил трения при перемещениях тру-
бопровода от температурных деформаций:
QtP = pQb (Х.10)
где ц — коэффициент трения скольжения; для стальных опор |Л=О,3, для чугун-
ных р.=0,35, для бетонных ц=0,6.
Для катковых опор
Оа (й 4- иг)
<?тр= (Х.11)
где k — коэффициент трения качения;
г—радиус цапфы ролика;
R—радиус ролика.
Для подвесных шарнирных опор достаточной длины усилия QTp
на опоры не учитываются, так как они обеспечивают свободное пе-
ремещение трубы.
На неподвижные опоры действуют значительные нагрузки в
направлении оси трубопровода. Величина их зависит от напряже-
ний, вызываемых температурной деформацией.
Трубопроводы, предназначенные для перекачивания сред при
температуре ниже О °C, устанавливают в специальных хомутовых
опорах с деревянными подкладками. Неметаллические трубопрово-
ды устанавливают на подкладках из эластичного материала (на-
пример, резины).
В процессе эксплуатации технологические трубопроводы могут
быть подвержены вибрации. Для гашения этих вибраций и огра-
ничения деформаций от внезапных нагрузок (гидравлический удар
и т. д.) устанавливают специальные амортизаторы и дополнитель-
ные опоры. Опоры, подвергаемые вибрации, устанавливают на
массивных основаниях, чтобы вибрации не передавались другим
конструкциям технологической установки.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ;
КОМПЕНСАТОРЫ
Технологические трубопроводы эксплуатируют при различных тем-
пературах среды, поэтому пуск и остановка технологического про-
цесса всегда вызывают значительные температурные деформации.
Абсолютное значение изменения длины трубопровода при его
нагреве или охлаждении А/ определится по формуле
M=alAt (Х.12)
где а — коэффициент линейного расширения металла трубы; для стала
а=12-10-в м/(м-°С);
I — длина трубопровода;
At — абсолютная разность температур трубопровода до и после нагрева
(охлаждения).
Если трубопровод не может свободно удлиняться или сокра-
щаться (а технологические трубопроводы именно таковы), то тем-
пературные деформации вызывают в трубопроводе напряжения
сжатия (при удлинении) или растяжения (при сокращении), кото-
рые определяют по формуле:
(Х.13)
о = EaAt
где Е — модуль упругости материала трубы;
£ — относительное удлинение (укорочение) трубы.
Из уравнения (Х.13) видно, что напряжение о не зависит от
длины трубы.
Если принять для стали £=2,1-105 МН/м2, то по формуле
(Х.13) получится, что при нагреве (охлаждении) на 1 °C темпера-
турное напряжение достигнет 2,5 МН/м2, при А/=300 °C значение
о=750 МН/м2. Из сказанного следует, что трубопроводы, работа-
ющие при температурах, изменяющихся в широких пределах, во
избежание разрушения должны быть снабжены компенсирующими
устройствами, легко воспринимающими температурные напряже-
ния.
Компенсаторы устанавливают на трубопроводе через каждые
20—40 м. Концы участка трубопровода, приходящегося на каж-
дый компенсатор, крепят на опорах неподвижно. Компенсирующая
способность компенсатора зависит от его конструкции.
На практике применяют гнутые (рис. Х-2), волнистые или лин-
зовые (рис. Х-3) и очень редко —сальниковые (рис. Х-4) компен-
саторы.
Рис. Х-2. Гнутые компенсаторы трубопро-
водов
а — П-образный; б — двойной П-образный;
в — лирообразный; г — угловой.
Гнутые компенсаторы просты в изготовлении и в монтаже. Их
изготовляют из бесшовных труб горячим гнутьем. Компенсирую-
щая способность их тем больше, чем больше высота (вылет) гну-
того участка. Высоту компенсатора определяют по номограммам,
которые приводятся в справочных пособиях для различных случа-
ев. На рис. Х-5 в качестве примера приведен график для определе-
ния вылета П-образного компенсатора из труб диаметром 108 и
159 мм различной толщины. Вылет компенсатора на оси ординат
определяют по коэффициенту А, вычисляемому по формуле:
eaA/L£/n
IЙЧдоп
(X. 14)
где с — коэффициент предварительного растяжения компенсатора при мон-
таже;
L — расстояние между неподвижными опорами;
т — коэффициент интенсификации напряжений в криволинейных элемен-
тах трубопровода, зависящий от диаметра и толщины стенки трубы,
а также от радиуса изгиба элемента;
Одон — допускаемое напряжение на изгиб металла трубы.
Радиус R, по которому изгибают колена П-образного компен-
сатора, обычно принимают равным:
R = 4D при D < 125 мм
R = 5£> при D = 125 — 250 мм
R = 6D при D > 250 мм
где D — диаметр трубы, из которой изготовлен компенсатор. Гра-
фик на рис. Х-5 приведен для случая R = 4D.
При расчете П-образных компенсаторов учитывают предвари-
тельное растяжение их, которое при /<400 °C принимается равным
50%, а при />400°C — равным
100% температурного удлинения
компенсируемого участка трубо-
провода. Предварительное растя-
жение облегчает работу компен-
сатора. Если при работе трубо-
провода ожидается укорочение
его, то компенсатор устанавлива-
ют с предварительным сжатием.
Влияние предварительного
растяжения компенсаторов учи-
тывают коэффициентом е, значе-
/ — корпус: 2--мягкая набивка; 3— на- * _ ______ ______х ~
жпмпая втулка; / — внутренняя труба. НИЯ КОТОрОГО ЯрИВвДбНЫ В ТЗОЛ.
В табл. Х-7 приведены значе-
ния коэффициента интенсифика-
ции напряжений т для колен ра-
диусом R=4D.
В нутр иуст ановочн ы е трубо-
проводы обычно имеют сложную
конфигурацию, что исключает
необходимость установки на них
компенсаторов.
специальных
Изогнутые под прямым углом
участки трубопроводов обладают
способностью самокомпенсации
при температурных деформаци-
ях. При этом, как показано на
Рис. Х-5. График для определения вылета рИС. Х-6, ОСИ ПРЯМЫХ уЧЭСТКОВ
ГТa u/ir/i tznunour Отлп-i • * А —— **
П-образного компенсатора:
/ — труба 108X4; 2 —труба 108ХГ0; 3 —
труба 159X4; 4 — труба 159X12.
труб изгибаются. Компенсирую-
щая способность прямых колен
зависит от диаметра и толщины
стенки труб, радиуса изгиба и длины прямых участков. В зави-
симости от конкретной конструкции фасонных частей трубопрово-
да по графикам и таблицам, которые даются в справочной литера-
туре, определяют значения температурных напряжений.
Гнутые компенсаторы громоздки; они требуют специальных
опор, удлиняют протяженность трубопровода, вызывая дополни-
тельные гидравлические сопротивления. Поэтому в последнее вре-
мя развивается тенденция замены их волнистыми (линзовыми)
компенсаторами. На рис. Х-7 показаны конструкции серийно вы-
пускаемых волнистого осевого (КВО) и волнистого универсально-
го (КВУ) компенсаторов.
Таблица Х-6. Значения коэффициента предварительного растяжения
Температура среды б трубопроводе, СС Коэффициент е для трубопровода
холодного горячего
Менее 250 0,5 0,5
От 250 до 400 0,7 0,5
Выше 400 1,0 0,35
Т а б л и ц а Х-7. Значения коэффициента т
Наружный диаметр трубы, мм Коэффициент т при толщине стенки трубы (в мм)
4 5 6 7 8 9 10 12 '5
108 159 219 325 0,945 1,197 1,495 2,589 0,841 1,042 1,292 2,261 0,792 0,929 1,731 1,495 0,756 0,868 1,030 1,334 0,739 0,816 0,949 1,218 0,728 0,789 0,897 1,131 0,724 0,764 0,850 1,049 0,724 0,735 0,793 1,945 Г ~ 0,736 0,724 0,747 0,852
Универсальный компенсатор не только воспринимает деформа-
ции в осевом направлении, но и позволяет оси трубопровода изо-
гнуться на некоторую величину относительно оси шарнира, кото-
рым он снабжен. В табл. Х-8 дана тех-
ническая характеристика волнистых
компенсаторов.
Линзовые компенсаторы применяют
на трубопроводах с неагрессивными сре-
дами, работающих при давлениях менее
0,6 МН/м2 и температуре ниже 450 °C.
Устанавливаемые на технологических
трубопроводах линзовые компенсаторы
должны иметь паспорт или сертификат
Рис. Х-6. Схема трубопровода,
обеспечивающего самокомпен-
сацию.
завода-изготовителя.
Сальниковые компенсаторы на трубопроводах применяют очень
редко: они малонадежны и сложны в эксплуатации.
Таблица Х-8. Характеристика волнистых компенсаторов
Условное давление, МН/м2
Диаметр трубы, мм 0,25 | 0,4 0,6 0,25 0,4 0,6
компенсирующая способность одной линзы, мм наибольшее предварительное растяжение, мм
100 150 200 15,0 16,0 14,0 15,0 16,0 15,0 9,5 9,5 9 7,5 8,0 7,0 7,5 8,0 7,5 4 4 5,0
21—2255
321
Рис. Х-7. Волнистые компенсаторы серийного выпуска;
а — осевой (КВО); 1— подставка; 2 — опорные кольца; 3 — гибкий элемент (эластичная гоф-
рированная оболочка из хромоникелевой стали); 4—направляющая обечайка; 5 —бандаж-
ные кольца; 6 — патрубки, привариваемые к трубам; 7 и 8 — соответственно болт и гайка
для крепления полуколец; 9— накладка; 10 и 11— гайка и шпилька подставок; /2 —ограни-
чительные полукольца; б — универсальный (КВУ); / — шарниры; 2 — ограничительные по-
лукольца; 3— гофрированный гибкий элейеят; 4 — опорные кольца; 5 — бандажные кольца;
6 — патрубки; 7 — усилительные ребра; 8 — шпилька,- Д' 10 — гайки,- // — приставки; 12 —
гайки; 13 — шпильки; /4 — цилиндрическая обечайка; /5 — коническая обечайка.
УЗЛЫ И ДЕТАЛИ ТРУБОПРОВОДОВ
Фланцы — наиболее распространенные детали трубопроводов.
С помощью фланцев трубопровод соединяется с аппаратами на
фланцах устанавливают арматуру, регулирующие и контрольные
приборы; фланцы обеспечивают разъемные соединения секций тру-
бопроводов.
Фланцы выбирают в зависимости от рабочих параметров трубо-
провода и свойств транспортируемой среды по соответствующим
ГОСТ или ведомственным нормалям.
При давлениях не выше 2,5 МН/м2 и температуре среды не бо-
лее 300 °C применяют плоские приварные фланцы. При значениях
параметрон выше указанных применяют фланцы, приварные
встык.
Материал крепежных деталей для трубопроводных фланцевых
соединений выбирают по ГОСТ и нормалям в зависимости от ре-
жима эксплуатации (табл. Х-9).
Таблица Х-9. Материал (марки сталей) крепежных деталей для фланцевых
соединений
Рабочие условия среды Материал болтов Материал шпилек Материал гаек Материал шайб
давление условное, МН/М2 температура. °C
от ДО
До 25 —40 —30 ЗОХМА 35Х
—30 +525 25 — 20 —
+425 +450 — ЗОХМА 25 —
25 — 196 —70 — Х18Н10Т Х18Н10Т Х18Н10Т
—70 —40 — 10Г2 10Г2 20
—40 —30 — ЗОХМА 35Х 20
—30 -(-425 — 35 25 Ст. 3
+425 +450 — ЗОХМА 25 Ст. 3
+450 +550 — 25Х1МФА ЗОХМА 12ХМ
+550 +600 — Х18Н10Т, 4Х14Н14В2М 4Х14Н14В2Т 12ХМ
+600 +700 — X17HJ3M2T Х17Н13М2Т 0Х17Т
Фасонные детали. На трубопроводе обычно установлено мно-
жество фасонных деталей различного назначения — двойники, от-
воды, угольники, тройники и переходы (рис. Х-8).
1
Рис. Х-8. Трубопроводные фитинги:
/, 1', 3 — отводы сварные иод 90° соответственно с одной, двумя и тремя вставками;
4—сварной двойник; 5 — тройник сварной; 6 —тройник сварной косой; 7, 8, 9, 10, //—•
штампованные отвод, полуотвод, двойник, тройник, переводник.
Посредством угольников, отводов и двойников соединяются тру-
бопроводы, оси которых пересекаются, скрещиваются или находят-
ся в различных плоскостях. Их изготовляют из стальных бесшов-
ных труб сваркой, гладким гнутьем, а также горячей или холодной
штамповкой. Материал деталей трубопровода, как правило, дол-
жен быть таким же, как материал трубы.
В последнее время получили распространение крутоизогнутые
детали, изготовляемые специализированными предприятиями. Они
более экономичны, легко монтируются и обеспечивают наибольшую
надежность и безопасность при эксплуатации. Конструкция и раз-
меры деталей нормализованы.
Гладкоизогнутые отводы применяют в тех случаях, когда гид-
равлические сопротивления, вызываемые крутоизогнутыми отвода-
ми, для системы недопустимы. Длина прямых участков гнутых от-
водов должна быть не менее одного наружного диаметра трубы,
но не менее 100 мм. Пределы применения гладкоизогнутых отво-
дов те же, что и труб, из которых они изготовлены. Основным кон-
структивным размером отводов является радиус гнутья. Он зави-
сит от технологии изготовления: при гнутье с огневым нагревом и
набивкой песком радиус должен быть не менее 3,5 наружных диа-
метров трубы, при гнутье с нагревом токами высокой частоты—•
не менее трех диаметров. Технология гнутья должна обеспечить
толщину стенки в любом месте изгиба не менее 85% номинальной
толщины трубы, из которой изготовлен отвод. После гнутья отводы
подвергают соответствующей термообработке для снятия внутрен-
них напряжении.
Тройники служат для присоединения к трубопроводу другого
трубопровода. При равенстве диаметров трубопроводов применяют
равнопроходные тройники, при разных диаметрах — переходные.
Тройники изготовляют главным образом штамповкой и сваркой по
утвержденным нормалям.
При изготовлении сварных тройников следует иметь в виду, что
отверстие в основной (прямой) линии трубопровода снижает проч-
ность трубы на этом участке. Поэтому необходимо предусмотреть
соответствующее усиление участка. Наиболее простой способ уси-
ления— увеличение толщины труб на участке ответвления. Воз-
можно также усиление накладкой, привариваемой как к основной,
так и к присоединяемой трубе. К усилению накладкой прибегают
тогда, когда отношение диаметров трубопровода выше 0,5.
Трубопроводы разных диаметров соединяют с помощью перехо-
дов. Плавный переход исключает большие местные гидравлические
сопротивления. При отсутствии штампованных переходов изготов-
ляют сварные переходы, вырезая из трубы лепестки с последую-
щей их подсадкой и сваркой. При этом угол наклона образующей
перехода к его оси не должен превышать 12°. После сварки пере-
ходы следует подвергать термообработке (отпуску).
Заглушки. При длительном разобщении трубопроводов или при
ремонте аппаратов разобщаемые участки трубопроводов и аппа-
раты отделяют глухими плоскими заглушками, устанавливаемыми
после запорной арматуры или между двумя фланцами.
Диаметр, толщина заглушки и длина се хвостовика установле-
ны нормалями в зависимости от диаметра условного прохода, ус-
ловного давления и скорости коррозии трубопровода, а также ма-
териала, из которого изготовлена заглушка.
Наличие хвостовика обязательно всегда, иначе можно забыть
место установки заглушки. На заглушке должны быть выбиты ее
номер, марка стали, из которой она изготовлена, условное давле-
ние и условный диаметр.
Каждый раз установка и последующее снятие заглушки регист-
рируются в специальном эксплуатационном журнале с указанием
фамилии ответственного лица и производителя работы.
ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА
Технологические установки нефтеперерабатывающих заводов, ре-
зервуарное и трубопроводное хозяйство заводов снабжены разно-
образной арматурой, предназначенной для разобщения оборудова-
ния или подключения его к работающей системе, регулирования
количества проходящей через трубопровод среды (нефти, нефте-
продукта, воды, пара, газа и т. д.) или поддержания в системе дав-
ления, не превышающего допустимое.
Различают запорно-регулирующую и предохранительную арма-
туру. К первой относятся задвижки, вентили, краны и клапаны для
сыпучих материалов; они запирают или регулируют поток сре-
ды по трубопроводу принудительно, с помощью ручного, механиче-
ского, электрического или пневматического приводов. Ко вторым
относятся обратные и предохранительные клапаны, которые запи-
рают или, наоборот, открывают поток среды по трубопроводу в за-
висимости от изменения режима перекачивания (давления или на-
правления движения).
а
Рис. Х-9. Способы уплотнения
затворов:
а — клином; б — платками.
ЗАДВИЖКИ
Задвижки составляют наибольшую часть применяемой на заводах
арматуры. Они ставятся на прямых участках трубопроводов и в
простейшем случае представляют собой шиберы, разобщающие
трубопровод на две части. Перемещени-
ем шибера перпендикулярно оси трубо-
провода можно достигнуть разной степе-
ни разобщенности, вплоть до полного пе-
рекрытия трубы. От способа полного пе-
рекрытия потока зависит конструкция
запирающего органа (шибера) и, следо-
вательно, всей задвижки.
На рис. Х-9 представлены два спосо-
ба уплотнения шибера. В первом случае
шибер имеет форму клина, а по обе сто-
роны от него в корпусе задвижки имеют-
ся наклонно расположенные седла, на которые при полном опу-
скании шибер целиком садится своими поверхностями. Привалоч-
ные поверхности клина скошены соответственно седлам в корпу-
се. Плотность обеспечивается за счет сильного прижатия клина к
седлам; такие задвижки носят название клиновых. Во втором слу-
чае шибер составной; он состоит из двух плашек, которые после
опускания посредством кинематической пары клин — клин расхо-
дятся и прижимаются к седлам внутри корпуса; такие задвижки
носят название параллельных. Параллельные задвижки обычно
бывают чугунными.
Рис. Х-10. Литая стальная задвижка:
/ — корпус; 2 —крышка; 3 —клин: 4 —
съемное уплотнительное кольцо; .4 —
шпиндель; б — гайка ходовая; 7— махо-
вик; 8 — нажимная планка; 9 — стяжная
шпилька; 10— гайка; 1/ — мягкая набив-
ка: 12 — шпилька; /3 — прокладка.
Рис. Х-ll. Конструкция опоры втулки ма-
ховика:
а — скольжения; б — качения; / — махо-
вик; 2 — крышка задвижки; 3 —ходовая
гайка;’ 4 — подшипник качения; > —
шпонка.
На рис. Х-10 показана конструкция нормализованной стальной
литой задвижки со сменяемыми уплотнительными кольцами в кор-
пусе. Сменяемость колец позволяет изготовлять их из более изно-
соустойчивого материала и заменять новыми при ремонтах. На не-
которых задвижках сменяемых колец нет, а поверхностями уплот-
нения служат обработанные приливы в корпусе.
Запирающий клин перемещается в вертикальном направле-
нии вверх или вниз с помощью винтовой пары. Гайку, закреплен-
ную в крышке корпуса задвижки так, чтобы она не могла переме-
щаться вдоль своей оси, вращают вместе с соединенным с ней на
призматической шпонке маховиком. На рис. X-11 показаны раз-
личные конструкции опоры втулки маховика. Опоры качения при-
меняют для задвижек больших диаметров и при механизирован-
ном приводе, который создает возможность дистанционного управ-
ления задвижками.
Корпус задвижки сконструирован так, чтобы обеспечить полный
выход клина, при котором сечение трубопровода полностью откры-
326
вается. Перед сальником задвижки, уплотняющим зазор между
крышкой и винтовым шпинделем, имеется конденсационная каме-
ра, благодаря чему перед сальником накапливается жидкость. Это
более благоприятно для сальника, чем наличие паров. Участок
длины шпинделя, снабженный ленточной резьбой, не должен до-
ходить до сальника, в противном случае невозможно обеспечить
надежное уплотнение корпуса задвижки. Угол подъема резьбы дол-
жен быть меньше угла трения в резьбе, чтобы обеспечивалось са-
моторможение, т. е. не происходило самопроизвольного проворачи-
вания гайки под весом шпинделя и клина.
Угол клина (угол при вершине) обычно составляет 10°. Это
обеспечивает надежное уплотнение, небольшие размеры уплотня-
ющих поверхностей и практически исключает возможность закли-
нивания клина между уплотнительными кольцами.
Для обеспечения герметичности затвора шпиндель должен да-
вить на клин с силой Q, которая определяется по формуле
Q = Qk + Qc + Qlu (Х.15)
где Q„ — усилие, необходимое для уплотнения поверхностей;
Qc — усилия, необходимые для преодоления сил трения г, сальниках:
Qm — усилие на шпинделе от внутреннего давления на торец шпинделя
Ск == Ру [о, 32 ( DB + ~ й)2 + 0,2 (D2u - - G (X. 16)
где Р, — условное давление в трубопроводе;
н Du — соответственно внутренний и внешний диаметры уплотнительного
кольца;
Ь — ширина уплотнительного кольца; b=(Da — Du)/2;
G — вес клина
Qc = лДш0,4ЛрРу (Х.17)
где dm — диаметр шпинделя;
h — максимальная высота набивки сальника;
р — коэффициент трения; р = 0,1
Сш=Т-<Ру (Х.18)
Для полного запирания задвижки необходимо к гайке (махо-
вику) приложить крутящий момент М, который способен преодо-
леть момент трения в резьбе и момент трения во втулке Л12:
+ (Х.19)
причем
- Q tg (а + <Р) ' (Х.20)
Л12 = pQP (Х.21)
где do — средний радиус резьбы;
а — угол подъема винта шпинделя;
<р — угол трения; обычно ср = 6°;
р -- коэффициент трения во втулке; р=0,1—0,15 для скользящей опоры,
р = 0,01 для опоры качения.
фланцах. Задвижки малых
Рис. Х-12. Конструкция чугунной за-
движки:
/ — корпус; 2 — крышка; 3 — шпин-
дель; 4— мягкая набивка*, 5 — нажим-
ная втулка; 6 — гайка для подтяжки
сальника; 7 —ходовая гайка; 8— ма-
ховик; 0 — фиксирующая гайка; 10 —
уплотнительное кольцо седла корпуса;
— уплотнительное кольцо плашки;
/2—разжимной клин; /<3 — плашки.
Шпиндель задвижки рассчитывают на одновременное сжатие
силой Q и кручение моментом М. После этого его проверяют на
продольный изгиб.
Задвижки соединяют с трубопроводом штуцером или, чаще, на
диаметров (15, 20, 25, 32 мм) для ус-
ловных давлений 0,4 и 16 МН/м2
изготовляют также муфтовыми и
соединяют с трубами на резьбе.
В последнее время все шире
применяют задвижки без фланцев,
корпус которых приваривается не-
посредственно к трубопроводу. Эти
задвижки обеспечивают более на-
дежную герметичность в соединени-
ях, однако ремонт их затруднен,
особенно если он связан с восста-
новлением корпуса.
Корпуса стальных задвижек из-
готовляют литьем, штамповкой или
комбинируя штамповку и сварку.
Прочностные качества корпусов и
других деталей должны соответст-
вовать техническим условиям.
На рис. Х-12 представлена кон-
струкция чугунной задвижки с па-
раллельными запирающими органа-
ми. Отличительная особенность
этой задвижки в том, что поверхно-
сти уплотняющих колец в корпусе
установлены строго перпендикуляр-
но осн задвижки, совпадающей с
□сыо трубы. Две плашки с поверх-
ностями, притертыми к поверхно-
стям уплотняющих колец, удержи-
ваются совместно на прямоугольни-
ке, которым внизу заканчивается
шпиндель задвижки. Проходное се-
чение задвижки регулируется подъ-
Для полного запирания задвижки
плашки опускаются до нижнего упора. При дальнейшем опуска-
нии шпинделя плашки раздаются распорным клином, упирающим-
ся в дно корпуса, и плотно прижимаются к привалочным поверх-
ностям.
Задвижки с ручным приводом диаметром более 500 мм при ус-
ловном давлении до 1,6 МН/м2, а также диаметром более 350 мм
при условном давлении до 2,5 МН/м2 для снижения усилий при
открывании рекомендуется снабжать обводными линиями (бай-
пасами), соединяющими обе стороны задвижки через задвижку
емом и опусканием плашек.
малого диаметра. Предварительное открывание малой задвижки
несколько выравнивает давления до и после большой задвижки
и тем самым уменьшает одностороннее давление среды на запор-
ный орган (плашку или клин).
ВЕНТИЛИ
Назначение вентилей такое же, как и задвижки. Общий вид вен-
тиля приведен на рис. Х-13.
Запирающим органом вентилей являются золотники (или кла-
паны). Шпинделем с винтовой нарезкой регулируется расстояние
от торца золотника (клапана) до седла, т. е. высота кольцевого
зазора. Для этого золотник (кла-
пан) соединен со шпинделем, а сед-
ло закреплено внутри корпуса вен-
тиля. Высота кольцевого зазора оп-
ределяет свободный проход венти-
ля. Для полного открытия вентиля
необходимо, чтобы поверхность
кольцевого зазора (рис. Х-14) рав-
нялась площади свободного сече-
ния седла. Внутренний диаметр сед-
ла в большинстве случаев принима-
ют равным диаметру условного
прохода dy. Высота подъема золот-
ника (клапана) h, соответствующая
полностью открытому вентилю, оп-
ределится из уравнения:
nd'.
— ndyh
откуда
Рис. Х-13. Конструкция вентиля:
/ — корпус; 2 — крышка; 3 — шпипдель-
шток; 4 — гайка ходовая; 5— маховик;
6 — сопряжение штока с клапаном; 7 —
клапан; 8 — съемное седло клапана.
Это соотношение характеризует
одно из свойств вентиля, выгодно
отличающего его от задвижки: для полного открытия последней
необходимо поднять запорный орган по крайней мере на высоту,
равную диаметру запирающего клина или плашек.
Изготовление и ремонт вентилей проще, чем задвижек, так как
трущиеся (уплотнительные) поверхности корпуса доступны для
обработки. В то же время вентили имеют ограниченное примене-
ние на технологических установках и применяются в основном на
паро- и водопроводах. Причина заключается в конструктивных
особенностях вентиля, а именно в перемещении запирающего ор-
гана— золотника (клапана) перпендикулярно направлению движе-
ния среды в трубопроводе. Благодаря этому гидравлические со-
противления в вентилях значительно больше, чем у задвижек. Для
закрытия вентилей требуются большие усилия, чем для закрытия
задвижек. Их не устанавливают на трубопроводах с густыми и вяз-
кими жидкостями.
Для уменьшения гидравлического сопротивления применяют
прямоточную конструкцию вентилей (рис. Х-15), у которых шпин-
дель расположен наклонно к оси потока.
Рис. Х-14. К расчету подъема клапана
вентиля:
/ — седло; 2~ клапан; <3 — шток.
Рис. Х-15. Прямоточная конструкция вен-
тиля:
/ — корпус; 2 — седло; 3 — клапан; 4 —
шток.
Следует учесть, что вентили могут надежно работать только
при движении среды в одном направлении (так, чтобы среда шла
из-под клапана), в противном случае возможен отрыв клапана,
который давлением среды прижмется к седлу и запрет вентиль.
Чтобы избежать ошибки при монтаже, на корпусе вентиля стрел-
кой указано допустимое направление движения среды.
Вентили изготовляют с различными присоединительными кон-
цами: на резьбе, на фланцах и приварные. Диаметр резьбовых вен-
тилей обычно до 50 мм.
При монтаже коммуникаций контрольно-измерительных прибо-
ров распространены так называемые игольчатые клапаны, у кото-
рых запорным органом является острый конус — игла.
КРАНЫ
Краны — наиболее простые по конструкции запорные устройства.
Запорным органом крана (рис. Х-16) является конусная пробка,
боковая поверхность которой сидит в корпусе. Пробка имеет сквоз-
ное трапециевидное отверстие, ось которого совпадает с общей
осью присоединительных концов крана. Для запирания крана проб-
ку рычагом поворачивают в одну или другую сторону на 90°. Ре-
гулирование достигается поворотом рычага в пределах одного
прямого угла. Добиться точного регулирования расхода краном
весьма трудно, поэтому его применяют главным образом как за-
порную, а не регулирующую арматуру.
Уплотнение между корпусом и пробкой достигается плотным
прижатием хорошо притертых конических поверхностей пробки к
гнезду корпуса. Различают краны натяжные, сальниковые, само-
уплотняющиеся и с выдвижной пробкой.
Пробки натяжных кранов (см. рис. Х-16) прижимаются к кор-
пусу с помощью гайки, наворачиваемой на резьбовой хвостовик,
выступающий из корпуса.
Рис. Х-’б. Пробковый кран
/ — корпус; 2 — пробка; .7 -
В сальниковых кранах (рис. Х-17) прижатие пробки к гнезду и
предотвращение утечки через зазоры обеспечивается сальниковым
устройством. В нефтеперерабатывающей промышленности более
распространены сальниковые краны со смазкой (рис. Х-18). В них
герметичность обеспечивается специальной смазкой, подаваемой к
уплотнительным поверхностям. С этой целью пробка крана снаб-
жается специальными отверстиями — каналами, соединяющими ка-
меру смазки с поверхностями трения. Периодически нагнетаемая
смазка должна обладать необходимой вязкостью при температуре
эксплуатации, а также достаточной адгезией, чтобы не вымывать-
ся средой и не растворяться в ней.
Довольно часто применяют сальниковые краны со смазкой, вы-
полненные с пневматическим приводом дистанционного управле-
ния.
На рис. Х-19 показан самоуплотняющийся кран, в котором
пробка прижимается к гнезду в корпусе за счет давления на боль-
ший торец пробки.
Пробки кранов часто трудно поддаются поворачиванию, осо-
бенно при очень сильной затяжке и при высоких температурах сре-
ды, поэтому в кранах с выдвижной пробкой предусматривается
возможность некоторого подъема пробки перед ее поворотом.
Рис. Х-17. Сальниковый кран:
/ — корпус; 2 — пробка; 3 — нажимная
втулка; '-4 — отжимной винт.
Рис. Х-18. Сальниковый кран со смазкой:
/ — корпус; 2 —пробка; 3— камера для
смазки; 4—нажимная втулка; 5 — мягкая
набивка; б — обратный шариковый клапан;
7 —винтовая пробка.
Рис. Х-19. Самоуплотняющийся привод-
ной кран:
/ — корпус; 2— пробка; <?—шариковая
опора; 4—камера для смазки; 5 — чер-
вячный привод; б — ходовая гайка; 7 —
съемная крышка корпуса.
Рис. Х-20. Схема работы трехходового крана.
Применяют также трехходовые краны, служащие для одновре-
менного соединения двух или трех трубопроводов. На рис. Х-20 по-
казаны положения пробки при трех вариантах подключения трубо-
проводов.
ОБРАТНЫЕ КЛАПАНЫ
На нефтеперерабатывающих установках часто бывает необходимо
предотвратить движение среды по трубопроводу в обратном на-
правлении, что может произойти при нарушении каких-либо пара-
метров или выходе из строя оборудования. Для этой цели служат
обратные клапаны, пропускающие среду только в одном направле-
нии, а при изменении направления на обратное автоматически раз-
общающие трубопровод.
Все существующие обратные клапаны по конструкции запира-
ющего органа делятся на подъемные п поворотные (рис. Х-21).
Рис. Х-21. Обратные клапаны:
а — подъемный; б — поворотный; / — корпус; 2 — седло; 3— клапан; 4— пружина; 5—проб-
ковая крышка-ограничитель подъема клапана; 6 — крышка корпуса; 7 — поиоротпый рычаг.
При изменении направления движения среды клапан под собст-
венным весом и под давлением среды садится уплотняющей по-
верхностью на стакан п запирает проход. Подъемные клапаны
обеспечивают большую герметичность, чем поворотные, однако
развивают большие гидравлические сопротивления.
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ КЛАПАНЫ
В аппаратах технологических установок давление не должно под-
ниматься выше допустимого. С этой целью на них устанавливают
предохранительные клапаны, которые выпускают из аппарата из-
быточное количество среды, создающей давление. После уставов-
Рис. Х-22. Пружинный предохранительный клапан:
1— корпус; 2 —сопло; 3, 4 — стопорные винты; 5 —прокладка; 6 — гофрированная прокладка;
7 — гайка; 8 — контргайка; 9 — шпилька; Ю — крышка; 11 — шток; 12 — пружина; 13— опор-
ная шайба; 14 — регулировочный винт; 15 — прокладка; 16 — контргайка; /7 —колпак; 18 —
втулка; 19— гайка; 20—шпилька; 21—разделитель; 22 — направляющая втулка; 23 — ре-
гулировочная втулка; 24 — золотник; 25 — разрезное кольцо-, 26 — втулка регулировочная;
27 — подушка; 28 — гайка соединительная.
ления в аппарате допустимого давления клапан вновь закрыва-
ется.
Различают рычажные и пружинные предохранительные клапа-
ны. Грузовые рычажные клапаны предназначены в основном для
работы на паровых котлах и паропроводах. Они малоподъемны,
поэтому имеют небольшую пропускную способность. Применение
их на аппаратах с токсичной или взрывоопасной средой недопу-
стимо, поскольку среда, выпускаемая клапаном, не загерметизи-
рована. При монтаже необходимо обеспечить строго горизонталь-
ное расположение рычага клапана.
На аппаратах нефтеперерабатывающих установок применяют
пружинные предохранительные клапаны закрытого типа (рис.
Х-22), исключающие утечку выпускаемой среды в атмосферу. Из-
быточная среда из клапана поступает в специальные конденсаци-
онные системы (где пары конденсируются путем охлаждения) или
направляется на факел, в котором сжигается.
По высоте подъема тарелки клапана над седлом клапаны мо-
ут быть трех типов: малоподъемные, среднеподъемные, и полно-
подъемные, с высотой подъема соответственно 1/40; 1/20; 1/10; 1/6;
1/4 диаметра прохода в седле.
Наиболее ответственной деталью предохранительного клапана
является пружина. Ее выполняют главным образом из стали
50ХФА. Нельзя допускать нагрев пружины выше 200°C, поэтому
при температуре среды от 300 до 600 °C пружина должна быть от-
делена от области высоких температур специальным разделите-
лем.
- Предохранительный клапан регулируют в допустимых преде-
лах на определенную высоту подъема золотника. Для этого он
имеет две регулирующие втулки, положение которых устанавлива-
ется с помощью резьбового соединения. Одна втулка установлена
на золотнике клапана, другая на седле. После регулирования по-
ложение втулок фиксируется стопорными винтами.
Пропускную способность клапана V определяют по формуле
V -- 220FP (Х.22)
где F—рабочее сечение клапана;
F = nd2/4 (где d —наименьший диаметр прохода);
Р — давление среды в сосуде, на котором установлен рассчи-
тываемый клапан;
М — молекулярный вес проходящих через клапан паров или
газов;
Т — абсолютная температура паров.
Пружинные клапаны выпускают на диаметры условных прохо-
дов 15; 25; 40; 50; 80; 100; 150 мм и на условные давления 1,6; 2,5;
4,0; 6,4; 10,0; 16,0 МН/м2.
Для пружинных предохранительных клапанов приняты услов-
ные обозначения ППК и СППК, рядом с которыми через черточки
записывают условный диаметр в мм и условное давление в кгс/см2.
Например, СППК4-100-16 — это пружинный предохранительный
клапан с диаметром условного прохода 100 мм на условное давле-
ние 16 кгс/см2 (1,6 МН/м2).
К каждому клапану обычно поставляется набор пружин, пред-
назначенных для работы в определенном диапазоне давлений, но
не выше условного давления, на который рассчитан корпус предо-
хранительного клапана. Выбор пружины производится в зависимо-
сти от установочного давления и диапазона давлений.
Пружина предохранительного клапана характеризуется двумя
рабочими давлениями — начальным Рп и конечным Рк. Отношение
максимальной рабочей нагрузки к минимальной называется коэф-
фициентом диапазона пружины. Он обычно равен 2,25.
Диапазон давлений, в которых может быть использована пру-
.жина, ограничен ее грузоподъемностью н условием сохранения
чувствительности клапана. Во всем диапазоне работы предохра-
нительного клапана степень открытия клапана должна быть по-
стоянной. При установлении диапазона работы пружины руковод-
ствуются следующими условиями: а) давление, при котором кла-
пан полностью срабатывает (т. е. золотник поднимается на рас-
четную величину), не должно превышать рабочее давление в ап-
парате более чем на 15%; б) максимальная расчетная нагрузка
должна быть в 1,5 раза выше номинальной нагрузки.
Порядок расчета, выбора, правила установки, регистрации!, сро-
ки ревизии предохранительных клапанов, устанавливаемых на ап-
паратах, работающих под давлением, оговорены соответствующи-
ми положениями Госгортехнадзора. Одно из условий этих положе-
ний гласит, что число предохранительных клапанов, устанавливае-
мых на аппарате, их размеры и пропускная способность должны
быть выбраны с таким расчетом, чтобы в аппарате не могло об-
разоваться давление, превышающее рабочее более чем на
0,05 МН/м2 — для аппаратов с давлением до 0,3 МН/м2 включи-
тельно, более чем на 15% —для аппаратов с давлением от 0,3 до
6 МН/м2 и более чем на 10%—для аппаратов с давлением выше
6 МН/м2.
Перед пуском в эксплуатацию все предохранительные клапаны
регулируют на установочное давление с одновременной проверкой
на плотность запирания и разъемных соединений. Регулирование
проводят на специальном стенде, снабженном чистым сжатым воз-
духом или нейтральным газом. Клапан регулируют на заданное ус-
тановочное давление посредством затяжки пли ослабления регу-
лировочного нажимного винта. После завершения регулирования
положение регулировочного винта фиксируется контргайкой.
Пружинные предохранительные клапаны снабжают специаль-
ным рычажным подъемным устройством, с помощью которого
вручную проверяют свободный подъем золотника.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
Материальное оформление деталей арматуры зависит от условий
эксплуатации — от давления и температуры перекачивания и фи-
зико-химических свойств среды. Арматуру из цветных металлов
следует применять только тогда, когда по условиям эксплуатации
чугунная и стальная арматура не пригодна (например, при пере-
качивании сред с температурой ниже —40 °C).
При выборе арматуры для нефтеперерабатывающих заводов
следует учесть, что в основном применяют задвижки, особенно при
диаметре трубопровода более 50 мм. Задвижки отличаются малым
гидравлическим сопротивлением, малой длиной между фланцами и
допускают движение среды в обоих направлениях.
Вентили применяют для трубопроводов диаметром до 50 мм;
более крупные вентили применяют тогда, когда движение среды
происходит только в одном направлении и не вызывает больших
гидравлических сопротивлений. Специальные вентили применяют
для ручного дросселирования давления (например, редукционный
вентиль на установках термического крекинга).
При температуре среды в трубопроводе выше 200 °C, а также
на трубопроводах для газов, бензинов и токсичных жидкостей ар-
матура должна быть только стальной, независимо от температу-
ры среды.
При выборе чугунной арматуры следует дополнительно к об-
щепринятым эксплуатационным условиям учесть, что ее нельзя
ставить на трубопроводах, подверженных вибрации; при резко пе-
ременном тепловом режиме перекачки; при возможности резкого
охлаждения корпуса.
ИСПЫТАНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
Все технологические трубопроводы перед каждой сдачей в эксплу-
атацию (после монтажа или ремонта) подвергают испытанию па
прочность и плотность. Чаще применяют гидравлическое испыта-
ние, реже — пневматическое. При пневматическом испытании сле-
дует строго придерживаться мер по его безопасному проведению,
согласно специальным инструкциям. Давление испытания обычно
указано в паспорте (проекте) трубопровода; в противном случае
руководствуются положением по испытанию аппаратов под давле-
нием. Под испытательным давлением трубопровод выдерживают в
течение 5 мин, после чего давление снижают до рабочего и при-
ступают к осмотру. Обвязочные трубопроводы, непосредственно
примыкающие к аппаратам, испытывают одновременно с ними.
Кроме общего испытания давлением проверяют также сварные
швы путем просвечивания их на участках, обозначенных в проек-
тах. Если сварка выполнялась при температуре окружающего воз-
духа ниже 0 °C, то все без исключения сварные швы подвергают
просвечиванию рентгеновскими лучами. Обязателен внешний
осмотр всех швов, для чего их предварительно очищают от шла-
ка., брызг и загрязнений.
Трубопровод, сдаваемый в эксплуатацию, должен иметь пас-
порт, который содержит схему, акты ревизии и отбраковки, акт ис-
пытания на прочность и плотность и т. д.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
В процессе эксплуатации трубопровода необходимо постоянное на-
блюдение за ним. Нельзя допускать превышения тех давлений и
температур, па которые трубопровод рассчитан. При разгерметиза-
ции трубопровода он немедленно должен быть отключен от систе-
мы перекачивания до устранения причины разгерметизации. На
каждый трубопровод составляют график периодического осмотра,
ревизии и ремонта. Все проведенные на трубопроводе работы ре-
гистрируют в эксплуатационном журнале.
Сменный персонал, обслуживающий трубопровод, визуально
проверяет состояние наружной поверхности трубопровода на всем
его протяжении, а также опоры, подвески, несущие конструкции,
компенсаторы, тепловую изоляцию, антикоррозионные покрытия.
В ходе периодических ревизий определяют состояние трубопро-
вода (остаточную толщину стенки, прочность и плотность сварных
швов, изношенность крепежных деталей) и на основании резуль-
татов устанавливают возможность его дальнейшей эксплуатации.
Наибольшему износу подвержены участки трубопровода, в ко-
торых изменяется направление потока и возникают местные гид-
равлические сопротивления (отводы, тройники, места установки
арматуры и т. д.).
Одним из надежных способов предупреждения случайного вы-
хода трубопровода из строя по причине износа является контроль-
ная засверловка, которая заключается в следующем. На участках,
подверженных наибольшему износу, в стенке новой трубы снару-
жи сверлом диаметром 2,5—4 мм делают засверловку на глубину,
равную отбраковочной толщине трубопровода, установленной тех-
ническими условиями. Пропуск через контрольную засверловку яв-
ляется сигналом о необходимости тщательной ревизии трубопрово-
да. До остановки трубопровода на ревизию и ремонт контрольное
отверстие закрывают пробкой и хомутом.
Контрольные засверловки особенно необходимы на трубопро-
водах для высокоагрессивных сред. Места контрольных засверло-
вок отмечают цветной краской. Контрольные засверловки нельзя
производить на трубопроводах, работающих под вакуумом, на га-
зопроводах и на трубопроводах для токсичных продуктов.
Особенно тщательный надзор необходим за состоянием арма-
туры. Она должна быть герметична. Систематическая проверка уп-
лотнений шпинделя является гарантией безаварийной работы. Сам
шпиндель должен иметь плавный ход. Открывание и закрывание
арматуры должно быть надежным без приложения добавочных
рычагов к маховику (штурвалу).
ГЛАВА XI
ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ АППАРАТОВ
И ТРУБОПРОВОДОВ
Основным требованием, предъявляемым к тепловой изоляции тру-
бопроводов, является низкая теплопроводность. Коэффициент теп-
лопроводности материала теплоизоляции зависит от его природы,
строения и физических свойств. Теплоизоляционные материалы
имеют пористое строение. Характер пористости во многом опреде-
ляет изоляционные свойства материала. Кроме того, высокая по-
ристость обусловливает малый объемный вес материала, что очень
важно с конструктивной точки зрения.
Изоляционные материалы должны обладать стойкостью к вы-
соким температурам, необходимой механической прочностью, низ-
кой гигроскопичностью, морозостойкостью, огнестойкостью и невы-
сокой стоимостью.
Изоляционный материал выбирают по максимально возможной
при эксплуатации температуре стенки аппарата или трубопрово-
да. Для температур выше 450 °C используют высокотемпературные
материалы, к которым, в частности, относятся: асбестит, содержа-
жий 70% отходов асбеста и 30% белой глины; асботермит, содер-
жащий 70% отходов цементных заводов, 20% диатомита и 10% ас-
беста; асбослюда, содержащая 63% диатомита (инфузорной зем-
ли, кизельгура), 16% асбошиферных отходов, 11% асбеста и
10% слюдяных отходов. В качестве высокотемпературного изоля-
ционного материала применяют также шлаковую вату, обладаю-
щую малой гигроскопичностью. Однако она характеризуется малой
механической прочностью и склонностью к осадке (самоуплотне-
нию) в процессе эксплуатации, вследствие чего со временем утра-
чивает теплоизоляционные свойства.
При температурах 150—450 °C применяют среднетемпературные
изоляционные материалы, к которым, например, относятся асбозу-
рит, стеклянная вата и др. В качестве низкотемпературных (при-
меняемых при температуре ниже 150 °C) изоляционных материа-
лов используют войлок, камышит, солонит и т. п.
В табл. XI-1 приведены пределы применения и основные харак-
теристики некоторых изоляционных материалов.
По конструкции тепловые изоляции могут быть простыми — из
одного основного теплоизоляционного материала и композицион-
ными— из нескольких теплоизоляционных материалов. Для тепло-
Таблица XI-1. Свойства теплоизоляционных материалов
Материал Тепло- стойкость, °C Объемный вес изделия, Н/м'З Коэффициент теплопроводности, ккал/(м-ч°С), при температуре эксплуатации
Диатомовый кирпич и изделия
марки 550 900 500 0,092+0,00014
» 650 900 600 0.126+0,00027
» 750 900 700 0,163+0,00033
Певодиатомовын кирпич 850 400 0,048+0,00014
Новоасбозурит 800 650 0,123+0,00014
Асбослюда марки Л с диатомитом . . 800 580 0,115+0,00013
Асботермит 800 500 0,093+0,00013
Шлаковая вата 600—700 200—300 0,050+0,00014
Стеклянная вата 450 200 0,048+0,00014
Войлок, кошма 100 300 0,04 при /=0 °C
вой изоляции применяют материалы минерального, растительного
или животного происхождения в виде мастики, плит и мастично-
формованных элементов (кирпичи, плиты, сегменты, полукольца).
МАСТИЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Наиболее простая и универсальная конструкция теплоизоляции —
мастичная. Она выполняется из порошкообразно-волокнистых ма-
териалов (асбозурит, асбослюда и др.). Перед укладкой изоляции
поверхности тщательно очищают от грязи и особенно от пятен неф-
Рис. XI-I. Масткчнаи конструкция изоля-
ции:
а — трубопровода; б — цилиндрического
аппарата; / — изолируемая поверхность;
2 — подмазочный слой; 3 — основной изо-
ляционный слой; 4 — проволочный каркас;
5 — второй слой изоляции; 6 — грунтовка,
покраска и окожучивание; 7 — крючья.
тепродуктов. Сначала наносят
подмазочный слой. При этом изо-
лируемая поверхность должна
быть нагрета до температуры
выше 100°С. После высыхания
подмазочного слоя поверх него
наносят основной термоизоляци-
онный слой расчетной толщины.
Если толщина основного слоя
велика, его наращивают посте-
пенно, по 15 мм в каждый при-
ем. На рис. XI-1 показана ма-
стичная конструкция теплоизоля-
ции трубопровода и цилиндриче-
ских аппаратов.
При изоляции поверхностен
аппаратов или трубопроводов
больших диаметров и на изогну-
тых участках к ним приваривают металлические крючья из прово-
локи диаметром 2—4 мм на высоту слоя изоляции. Кроме того,
для разгрузки нижних слоев изоляции высокие вертикальные ап-
параты и трубопроводы снабжают опорными разгрузочными поя-
сами, принимающими на себя вес изоляции. Такие пояса устанав-
ливают на расстоянии 3—4 м друг от друга. Поверх схватившего-
ся основного изоляционного слоя накладывают металлический
каркас из проволоки или плетеной сетки для предохранения изо-
ляции от разрушения. После этого поверхность теплоизоляции
штукатурят или заключают в обшивку из белой жести или тон-
кого алюминиевого листа.
Мастичная конструкция изоляции проста, надежна, но для ее
выполнения требуется много времени и ручного труда.
ФОРМОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Формованная конструкция тепловой изоляции состоит из плит,
блоков, сегментов и других фасонных изделий, изготовленных пу-
тем формовки. Эта конструкция позволяет упростить изготовление
теплоизоляционного слоя, поэтому в настоящее время она нашла
широкое применение. Еще одно преимущество формованной кон-
струкции по сравнению с мастичной — возможность изготовления
изоляционного слоя ио холодной изолируемой поверхности.
На рис. XI-2 приведена мно-
гослойная формованная конст-
рукция тепловой изоляции по-
верхности вертикально располо-
женного трубопровода большого
диаметра или колонного аппара-
та. Она состоит из формованных
плит, укладываемых по изоли-
руемой поверхности насухо или
на мастичной подмазке в два
слоя и более (при однослойной
конструкции—только один слой).
Толщина швов между плитами
составляет 1—3 мм. Собранные
плиты связывают стальной про-
волокой. Они должны быть уло-
жены так, чтобы плиты каждого
последующего слоя перекрывали
швы предыдущего слоя. Формо-
ванную конструкцию покрывают
слоем штукатурки и окрашивают
Рис. XI-2. Формованная конструкция изоля-
ции:
/ — изолируемая поверхность; ' — подма-
зочный слон; 3—металлическая сетка;
4, .5 —скорлупы; 6, 7 —грунтовка, окрас-
ка; металлический или а сбоцеме-нти i>ni ко-
жух; 8 — разгрузочный уголок.
или заключают в металлическую
обшивку (окожучивают).
Формованные конструкции теплоизоляции отличаются повы-
шенной механической прочностью, однако выполнение их на уча-
стках аппаратов н трубопроводов, имеющих сложные очертания,
затруднено.
Широко распространена обволакивающая конструкция тепло-
изоляции (особенно для аппаратов). Ее выполняют обматывани-
ем изолируемой поверхности полосами гибких теплоизоляционных
материалов, поставляемых в виде рулонов и матов. Изоляцию на-
носят как по горячим, так и по холодным поверхностям. После
намотки изоляционный слой закрепляют проволокой или плетеной
сеткой, штукатурят и окрашивают.
Обволакивающие конструкции теплоизоляции выполняют из
минерального войлока, кошмы, стеклянной ваты и других матери-
алов. Технология нанесения изоляции очень проста, наименее тру-
доемка, однако конструкция не отличается достаточной прочно-
стью (особенно при вибрации) и постоянством объема изолирую-
щего слоя.
В случае применения волокнистых и порошкообразных тепло-
изоляционных материалов прибегают к засыпной конструкции теп-
ловой изоляции. Для этого над изолируемой поверхностью снача-
ла устанавливают кожух из листовой стали или жести. В кольце-
вой зазор между поверхностью трубы и кожухом засыпают тепло-
изоляционный материал. Для трубопроводов малых диаметров,
изолируемых волокнистым материалом, в качестве кожуха приме-
няют плетеную стальную сетку, поверх которой наносится штука-
турка.
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Основным показателем тепловой изоляции является величина теп-
ловых потерь от среды, температура которой должна быть сохра-
нена. Тепло от этой среды теряется в окружающую среду через
стенку аппарата (трубопровода) и слой изоляции. Оно передается
окружающей среде от наружной поверхности теплоизоляции. По-
тери тепла тем больше, чем выше температура наружной поверх-
ности изоляции или чем выше коэффициент теплоотдачи от по-
верхности изоляции в окружающую среду.
Коэффициент теплоотдачи в окружающую среду зависит от
формы поверхности и скорости воздуха, омывающего изоляцию.
Например, для плоских поверхностей и цилиндров диаметром бо-
лее 1 м при скоростях ветра 5, 10 и 15 м/с коэффициент теплоот-
дачи принимают соответственно 20, 30 и 40 ккал/(м2-ч-°С); дл;(
поверхностей цилиндров диаметром менее 1 м при тех же скоро-
стях коэффициент соответственно равен 18, 25 и 30 ккал/(м2-ч-°С).
Коэффициенты теплоотдачи от поверхности изоляции в окружа-
ющую среду а2 Для аппаратов и трубопроводов, установленных
внутри помещения, определяют по формулам:
для аппаратов
а, = 8,4 +0.06А/
для трубопроводов
а2 = 8,1 -~0,045Д/
где Д/— абсолютная разность между температурами наружной поверхности изо-
ляции и воздуха в помещении.
Общие потери тепла через поверхность изоляции равны
Q = KF(t — t0) (XI.1)
где К — общий коэффициент теплопроводности;
F — условная площадь поверхности, через которую происходит теплооб-
мен;
t — температура среды в аппарате или трубопроводе;
l<i — температура окружающей теплоизоляцию воздушной среды.
Значения К и F зависят от многих факторов. Их произведение
называется водяным эквивалентом поверхности теплопередачи:
KF = ~ (XI. 2)
где R— полное термическое сопротивление (в ч-К/Вт).
Подставив в формулу (XI.1) значение KF, получим:
(XI.3)
Полное термическое сопротивление определится как сумма от-
дельных термических сопротивлений:
R = Ri + Rz + F3 + + Т?5 (XI.4)
где Ri, Ri, Ri, Ri, Rs —термические сопротивления (в ч K/Вт) теплоотдаче
соответственно от среды внутри аппарата или трубопро-
вода к их внутренней стенке; от внутренней стенки аппа-
рата или трубопровода к наружной стенке; от наружной
стенки аппарата (трубопровода) к внутренней поверх-
ности изоляции; от внутренней стенки изоляции к ее на-
ружной поверхности; от наружной поверхности изоляции
к окружающей воздушной среде.
Значения термических сопротивлений определяют по следую-
щим формулам:
(-XL5>
“Р с.в
где а, — коэффициент теплоотдачи от среды в аппарате (трубопроводе)
к внутренней поверхности его стенки;
Fe n — площадь внутренней поверхности стенки аппарата (трубопровода)
где бс — толщина стенки;
—коэффициент теплопроводности стенки аппарата (трубопровода):
Рс.с—площадь серединной поверхности стенки аппарата (трубопровода);
в случае цилиндра диаметр этой поверхности определится как
с/„+6с, где da —внутренний диаметр аппарата (трубопровода)
Ri = ~7FF (XI .7)
’-т с.в
где а2 — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки аппарата
(трубопровода) к внутренней поверхности изоляции
R<
(XI.8)
где бил — толщина изоляции;
л.из— коэффициент теплопроводности изоляции;
Лиз. с — площадь серединной поверхности изоляции; для цилиндра диаметр
этой поверхности определится как г/в4~ 6ЯЗ, где dB —внутренний диа-
метр изоляции. Практически можно принять <i' = dB + 2бс + 5И3.
1
аДиз.н
(XI.9)
где «з — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к ок-
ружающей воздушной среде;
Л„з.а—площадь наружной поверхности изоляции.
Теперь формула для определения общих потерь тепла через
стенку аппарата и теплоизоляцию примет вид:
Q 1/1 ц I (Х|
Те.в ( Г/-з <Х2 J ^-сТс.с ^из^из.с аз^из.н
Если изолируемая поверхность плоская, то Fc. B = FC. с = Еил. с =
— F„3. tl = F, и формула примет вид:
п__________________-—Ь------------------
1 А. аиз 1 \
F \ ах + а2 + г.с + лиз + а3 }
(XI.II)
Величины допустимых потерь тепла регламентируются в зави-
симости от условий работы и диаметра изолированной поверхно-
сти. Данные эти сведены в специальные таблицы. Для примера в
табл. XI-2 приведены нормы тепловых потерь изолированных по-
верхностей внутри помещения при температуре окружающего воз-
духа 25 °C.
Таблица XI 2. Нормы тепловых потерь через изолированные поверхности
Наружной
Тепловые потери (в ккал/ч) при температуре теплоносителя
диаметр аппарата или трубы, мм 100 150 200 250 доо .350 400 450 500
100 45 68 » 82 105 137 160 182 205 230
150 60 84 112 140 166 192 220 247 270
200 70 100 132 165 196 227 260 290 315
300 85 130 175 218 240 278 317 355 390
500 130 170 220 270 325 375 430 480 525
800 180 250 315 380 445 515 580 645 697
1000 225 300 370 450 525 600 625 695 750
1500 300 400 500 585 680 780 870 970 1050
2000 410 540 660 780 900 1030 1150 1270 1380
О надежности работы теплоизоляции обычно судят по факти-
ческой температуре ее наружной поверхности. Она должна быть
нс более расчетной, определенной по формуле
^ИЗ.П = б) + ~д~ (XI. 12)
Основной задачей расчета тепловой изоляции является опре-
деление толщины изоляционного слоя. Для этого прежде всего за-
даются материалом и конструкцией изоляционного слоя. Толщина
изоляции обычно не должна превышать предельных значений, ко-
торые установлены практическими соображениями и необходимо-
стью предотвратить чрезмерные весовые нагрузки на изолируемые
конструкции. Например, для трубопроводов диаметром 500 мм
толщина изоляции не должна превышать 200 мм. Для плоских
поверхностей и для поверхностей с большим радиусом кривизны
допускается толщина изоляции более 250 мм. Минимальная тол-
щина изоляционного слоя принимается равной 30—40 мм.
Те блица XI-3. Характеристика конструкции теплоизоляции
минеральными матами
Наружный диаметр аппарата или трубы, мм Температура стенки аппарата или трубопровода, t
100 150 1 200 1 250 300 350 400 450 | 500
100 6 60 70 80 1 90 100 НО 120 130 140
б. 31 33 35 37 39 40 41 42 44
150 б 65 75 85 95 115 125 135 145 155
in 31 33 36 38 39 40 41 42 44
200 б 65 85 95 105 125 135 145 155 175
tn 32 33 36 38 38 40 41 43 43
300 б 75 95 115 125 135 145 161 175 185
tn 31 33 34 36 38 40 41 45 46
500 б 75 95 115 135 145 155 175 185 195
tn 30 33 34 36 38 40 40 42 44
800 б 85 105 125 145 155 165 185 205 215
tn 31 33 35 36 38 40 41 42 43
1000 б 85 115 135 155 165 185 195 215 225
tn 31 34 35 37 38 39 41 42 43
1500 б 90 120 140 160 180 190 210 230 240
31 33 35 35 38 40 41 41 43
2000 6 90 120 150 170 200 220 240 250 270
tn | 31 34 35 36 38 39 40 42 44
Необходимую толщину изоляции при заданном значении теп-
ловых потерь для плоских поверхностей определяют по формуле
(XI.13)
где q — тепловые потери через 1 м2 поверхности изоляции.
Если пренебречь малой величиной at, то
(XI.14)
Формулы (XI. 13) и XI. 14) с достаточной точностью можно при-
менить и для цилиндрических поверхностей с радиусом кривизны
более 1000 мм.
Расчетное определение толщины изоляционного слоя для тру-
бопроводов несколько сложно, поэтому при приблизительном рас-
чете удобно пользоваться имеющимися в литературе номограм-
мами и таблицами. В качестве примера в табл. XI-3 приведены
данные по толщине изоляции б и температуре наружной поверх-
ности изоляции ta для цилиндрических аппаратов и трубопроводов
с температурой стенки t. Аналогичные таблицы имеются и для
других конструкций теплоизоляционного слоя.
Литература
.Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М., «Химия»,
1971. 296 с.
Альперт Л. 3. Основы проектирования химических установок. М., «Высшая шко-
ла», 1970. 324 с.
Бабицкий И. Ф., Вихман Г. А., Вольфсон С. И. Расчет и конструирование аппа-
ратуры нефтеперерабатывающих заводов. М., «Недра», 1965. 903 с.
барановский Н. В., Коваленко Л. М., Ястребенецкий А. Р. Пластинчатые и спи-
ральные теплообменники. М., «Машиностроение», 1973. 288 с.
Бахшиян Ц. А. Трубчатые печи с излучающими стенками топки. М., Госиити,
1960. 191 с.
Перлин М. А. Износ основных элементов трубчатых печей. М., «Недра», 1964.
99 с.
Несчастное М. В., Соколов В. М., Кац М. И. Аварии в химических производствах
и меры их предупреждения. М., «Химия», 1976. 367 с.
Бобков А. С. Основы строительства промышленных зданий и сооружений хими-
ческой промышленности. М., «Высшая школа», 1965. 263 с.
Вихман Г. Л., Круглов С. А. Основы конструирования аппаратов и машин нефте-
перерабатывающих заводов. М., Гостоптехиздат, 1962. 294 с.
Геллер 3. И. и др. «Нефтепереработка и нефтехимия», 1961, № 10, с. 16—17.
Довжук Г. Т., Иванец К. Я., Анастасьин В. Ф. Оборудование нефтеперерабаты-
вающих заводов. М., Гостоптехиздат, 1962. 343 с.
Зиаюкин В. К. Воздушное охлаждение в нефтеперерабатывающей и нефтехимиче-
ской промышленности за рубежом. М., ЦНИИТЭнефтехим, 1967. 51 с.
Камерштейн А. Г. и др. Расчет трубопроводов на прочность. М., Гостоптехиздат,
1963. 427 с.
Кантарович 3. Б. Машины химической промышленности. М., «Машиностроение»,
1965. 415 с.
Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Хи-
мия», 1971. 783 с.
Клинов И. Я. и др. Химическое оборудование в коррозионностойком исполнении.
М., «Машиностроение», 1970. 591 с.
Клинов И. Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы.
М., «Машиностроение», 1967. 468 с.
Компенсаторы волнистые, их расчет и применение. М., ВНИИОЭНГ, 1965.
103 с.
Красноярский В. В., Френкель Г. Я., Носов Р. П. Коррозия и защита металлов.
М., «Металлургия», 1969. 199 с.
Кузнецов А. А., Кагарманов С. М., Судаков Е. Н. Расчеты процессов и аппаратов
нефтеперерабатывающей промышленности. М., «Химия», 1974. 335 с.
Кус-мак Е. М. Основы технологии аппаратостроения. М., «Недра», 1967. 468 с.
Лещинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчет химической
аппаратуры. Справочник. Л., «Машиностроение», 1970. 752 с.
Лейбо А. Н., Хесин Э. Б., Черняк Я. С. Справочник механика нефтеперерабаты-
вающего завода. М., Гостоптехиздат, 1963. 801 с.
Мамедов М. А., Спектор Ш. Ш., Давидян Л. К. «Нефтепереработка и нефтехи-
мия», 1966, № 4, с. 34—36.
Молоканов Ю. К., Скобло А. И. В кн.: Новости нефтяной техники, I960,
с. 26—27.
Л лановский А. И., Николаев П. И. Процессы л аппараты химической и нефтехи-
мической технологии. М., «Химия», 1972. 493 с.
Погулясв В. Е. и др. «Нефтепереработка и нефтехимия», 1965, № 10, с 42—44.
Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под дав-
лением. М., «Металлургия», 1975. 80 с.
Скобло Л. И., Трегубова И. А., Егоров И. И. Процессы и аппараты нефтеперера-
батывающей и нефтехимической промышленности. М., Гостоптехиздат, 1962.
652 с.
Смирнов Н. П. Реакторы в химической промышленности. Л., «Химия», 1972.
56 с.
Средин В. В. «Машины и нефтяное оборудование», 1965, № 2, с. 16—18.
Средин В. В., Тарасенко П. М. Оборудование и трубопроводы установок катали-
тического риформинга и гидроочистки. Л., Гостоптехиздат, 1963. 237 с.
Трубчатые печи. Каталог. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1973. 40 с.
Фарамазов С. А. Комплексная механизация и автоматизация производства твер-
дых нефтяных битумов. Л., Гостоптехиздат, 1963. 122 с.
Фарамазов С. А. Эксплуатация оборудования нефтеперерабатывающих заводов.
М., «Химия», 1969. 303 с.
Фарамазов С. А. Ремонт и монтаж оборудования химических и нефтеперераба-
тывающих заводов. М., «Химия», 1971. 295 с.
Эванс Ю. Р. Коррозия и окисление металлов. М., Машгиз, 1962. 855 с.
Эмирджанов Р. Т. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. М. — Л.,
«Химия», 1965. 543 с.
Предметный указатель
Абсорберы 122 сл.. 156 сл.
Адсорберы 158
Алюминий 72
сварка 100
силаны 32, 3'., ,К
Андезит 36
Аппараты воздушного охлаждения (АВГ)
195 сл.
Аппараты массообмсппыс
абсорбционные, (абсорберы) 122 сл.,
156 сл.
адсорбционные (адсорберы) 158
десорбционные (десорберы) 157
назначение 120. 121, 156 сл.
поверхность контакта фаз 121
ректификационные см. Колонны ректи-
фикационные
экстракторы жидкостные 122 сл., 159,
160
Арматура трубопроводов 336, 337
Бештаунит 36
Бронза 32
Вентили 329, 330
Винипласт 38, 101
Газгольдеры 118, 119
Гарнитура трубчатых печей 218 сл.
Градирни 198, 199
Графит 39
Давление
критическое 52. 53
нормативное па подошву фундамента
87
пробное (испытательное) 45, 311
рабочее 44, 311
расчетное 44
условное 44, 45, 31!
Десорберы 157
Днища аппаратов
кольца и ребра жесткости 66, 67
конические 64 сл.
коэффициент перенапряжения 62 сл.
плоские 66 сл.
полушаровыс 63
развертки 64
расчет прочности 62, 63, 66
— толщины 66
сопряжение с обечайкой 68
сферические с отбортовкой 63, 64
эллиптические 61
Заглушки 324, 325
Задвижки (шиберы) 116, 325 сл.
Замазки 37
Каменное литье 37
Керамика кислотоупорная 37
Клапаны
дыхательные 114, 115
клапанных тарелок 143, 144
обратные 333
предохранительные 115, 116, 133, 134,
334 сл.
резервуаров 114 сл.
Колонны ректификационные
вакуумные 151, 152
и конденсаторы смешения 152, 153
корпус 130
назначение 121
насадочные 122 сл.
отбойники 148 сл.
предохранительные клапаны 133, 134
пуск и остановка 155, 156
расчет высоты 132, 133
— диаметра 131, 132
— числа тарелок 128
тарелки см. Тарелки
тарельчатые 122, 126 сл.
температурный режим 154, 155
тепловая изоляция 155
улиты 148, 149
эжекторы 153, 154
эксплуатация 126, 151 сл.
Компенсаторы
линзовые 170, 319
сальниковые 319, 320
Конденсаторы
смешения 152, 153
холодильники см. Холодильники
Корпуса аппаратов
вертикальные 84 сл.
габаритность 43, 44
днища см. Днища
допустимые давления 44 сл.
— напряжения 46 сл.
— температуры 45, 46
обечайки конические 60, 61
— цилиндрические 42, 49, 50
расчет на ветровую нагрузку 84 сл.
-------сейсмическую нагрузку 92 сл.
укрепление вырезов 69, 70
цилиндрические толстостенные 58, 59
— тонкостенные 50 сл.
эксплуатация 102, 103
Краны 330 сл.
Кристаллизаторы 161, 187, 188
Коэффициент(ы)
динамичности 86
интенсификации напряжений в трубо-
проводах 319 сл.
конструктивного оформления аппара-
та 88
местного сопротивления трубопровода
313
перенапряжения днищ аппарата 62 сл.
полезного действия печей 204
---- тарелки 129
Коэффнциент(ы)
предварительного растяжения компен-
саторов 319 сл.
пульсации скоростного напора ветра 89
теплоотдачи теплоизоляции 342
теплопередачи теплообменных аппара-
тов 166
уменьшения допустимых напряжений
57
устойчивости аппарата 91
Латуни 31. .32, 72, 100
Люки 77. 78
Материалы конструкционные
коррозионная стойкость 21. 22
неметаллические неорганические 36 сл..
100. 101
— органические 38 сл.
прокладок 72, 73
сварка 99 сл.
стали см. Стали
теплоизоляционные 339, 340
трубопроводов 307 сл.
цветные металлы в сплавы 29 сл.. см.
также Сплавы
чугун 29. .35
Медь и ее сплавы 31. 32. 35, 72. 100
Мопель-мсталл 33, 72
Монжусы 105
Мешалки
гидравлические 239. J74O
конструктивные элементы 245 сл.
лопастные 241, 244
мощность 244. 245
назначение 237 сл.
области применения 241
пневматические 238. 239
пропеллерные 242, 244
рамные 212. 244
способы уплотнения 246 сл.
турбинные 243. 244
якорные 241, 242, 244
Никель п его сплавы 33. 34
Обечайки
конические 60, 61
цилиндрические 42, 49. 50
Оборудование
Эл<? гидромеханических процессов 236,
237
мешалки см. Мешалки
отстойники 249 сл.
сепараторы 272 сл.
фильтры см. Фильтры
центрифуги см. Центрифуги
циклоны см. Циклоны
классификация 9. 10
корпуса см. Корпуса аппаратов
для массообменнык ировессов см. Ап-
параты массообменные
материалы для изготовления см. Мате-
риалы конструкционные
надежность 15
опоры см. Опоры
проектирование 10 ст.
насчет 11 сл., см. также Расчеты
тепловая изоляция см. Тепловая изо-
ляция
для теплообменных попцессов
подогреватели 161. 188 сл.
теплообменники гм. Теплообменники
фланцевые соединения см. Фланцевые
соединения
для химической переработки сырья 276
псактопы см. Реакторы
регенераторы 280 сл.. 290 сл.
для хранения нефтепродуктов
Оборудование
газгольдеры 118, 119
резервуары см. Резервуары
эксплуатация см. Эксплуатация
Огнепреградители 116
Опоры
аппаратов вертикальных 81 сл.
— горизонтальных 78 сл.
трубопроводов 316 сл.
центрифуг 267 сл.
Отбойники 148 сл .
Отводы (фитинги) 323, 324
Отстойники 249 сл.
Подогреватели
назначение 161
с паровым пространством
Покрытия
лакокрасочные 39, 40
эмалевые 37, 38
Полиизобутилен 39
Полипропилен 39
Полиэтилен 38, 101
Прокладки 72, 73
188 сл
Расчет(ы)
аппаратов на ветровую нагрузку 84 сл.
-- — сейсмическую нагрузку 9^ сл.
болтов и шпилек 74 сл.
диаметра трубопровода 312,313
корпусов цилиндрических толстостен-
ных 58, 59
— — тонкосте-нпых 50 сл .
мощности привода мешалок 2-14, 245
нагрузок на каркасы трубчатых печей
209, 210
поверхности нагрева трубчатых печей
205, 206
— теплообмена кожухотрубчатых теп-
лообменников 174
поверхностных теплообменников 162 сл .
прочности развальцовочного соединения
172. 173
— стенок погружного конденсатора
192., 193
— и толщины днящ 62, 63, 66
— трубопровода 314 сл.
сварных швов 98, 99
тарелок колонн 144 сл.
тепловой изоляции 342 сл.
фундаментного кольца 88. 89
элементов плавающей головки тепло-
обменника 128 сл.
Реакторы
гидроочистки дизельных топлив 298 сл.
каталитического крекинга 276 сл.,
287 сл.
— риформинга 295 сл.
пуск и остановка 292 сл.
расположение в блоках 285 сл., 296
сернокислотного алкилиронапня 301,
302
эксплуатация 289, 290. 293, 300
Регенераторы 280 сл., 290 сл.
Резервуары. ..
каплевидные 111
клапаны дыхательные 114, 115
— предохранительные 115, 116
назначение 104, 105
огнепреградители 116
с- плавающей крышей 109
расчет 107, 108, 112
цилиндрические вертикальные 105 сл.
шаровые 112, 113
эксплуатация 113
Резина 39, 72, 73
Рекуператоры 227 сл.
Ретурбенды 217, 218
Сварка
двухслойных с талей 99, 100
неметаллических материалов 101, 102
с развальцовкой 173
цветных металлов 100, 101
электроды 97
Сварные швы
контроль качества 101, 102
материалы 97
расчет 98, 99
при сварке двухслойных сталей 99, 100
— — неметаллических материалов 101,
102
— — цистных металлов 101, 102
способы выполнения 95, 96
термообработка 99
условные обозначения 95
Свинец 34, 35, 72. 73
Сепараторы 272 сл.
Сплавы
алюминия 32, 33
меди 31, 32
механические свойства 30 сл.
никеля 33, 34
области применения 30 сл.
сварка 101, 102
состав 30
титана 34, 35
Стали
выбор 27
двухслойные 27, '28, 99, 100
коррозионная стойкость 21, 22, 35
легированные 24 ст.
марки 23 сл.
механические свойства 18 сл.. 23 сл.
модуль упругости 54
области применения 23, 25 сл.
сварка 96
состав 17, 18, 24 сл.
углеродистые 22 сл.
Тарелки
двухсливные 139
клапанные 143, 144
с колпачками желобчатыми 137 сл.
— — круглыми 134, 135, 139, 140
— — S-образными 135 сл.
коэффициент полезного действии 129
механический расчет 144 сл.
принцип работы 134, 135, 110, 141
решетчатые 140 сл.
ситчатые 140 сл.
Текстолит 38
Тепловая изоляция
аппаратов колонного типа 155
засыпная 312
мастичная 340, 341
материалы 339, 340
нормы тепловых потерь 314
обволакивающая 341, 342
расчет 342 сл.
толщина слоя 343, 346
формованная 344
Теплообменники
гидравлическое сопротивление 166
кожухотрубчатыс жесткого типа 167 сл.
— с плавающей головкой 174 сл.
.... U-образными трубами 180 сл.
коэффициенты теплопередачи 163, 166
кристаллизаторы 187, 188
назначение 161
пластинчатые 199 сл.
поверхность теплообмена 162 . 174 . 176
расчет элементов 128 сл.
спиральные 201
способы крепления труб 170 сл.
температурные напряжения 168 сл.
тепловой расчет 162 сл.
углеграфитовые 200, 201
условное обозначение 177
Титан и его сплавы 34 сл., 100, 101
Трубопроводы
вентили 329, 330
выбор арматуры 336, 337
— труб 307 сл.
заглушки 324, 325
задвижки (шиберы) 325 сл.
испытание 337, 338
клапаны обратные 333
— предохранительные 334 сл.
классификация 304 сл.
компенсаторы 319 сл.
краны 330 сл.
материалы 307 сл.
назначение 303, 307
опоры 316 сл.
отводы (фитинги) 323, 324
параметры эксплуатации 301 с а
308 сл., 311, 314
размеры 308 сл.
расчет диаметра 312, 313
— прочности 314 сл.
температурные деформации 318
тепловая изоляция см. Тепловая изоля-
ция
фланцы 322,3‘!3
эксплуатация 338
Трубчатые печи
горелки 222 сл.
дымоходы 226, 227
змеевики 216 сл.
каркасы 209 сл.
классификация J02
коэффициент полезного действии 204
кронштейны 218 сл.
крючья 220
лежаки 218, 219
окна предохранительные 221
— смотровые, (гляделки) 220, 221
опрессовка 235
остановка аварийная 234
— плановая 233
подвески 218 сл.
полезная тепловая нагрузка 204
принцип работы 202
производительность 204
пуск 230 сл., 235
и рекуператоры 227 сл.
ретурбенды 210, 211, 217, 218
своды 214 сл.
стены 212 сл.
тепловой баланс 205, 206
типоразмеры 207
топливоснабжение 225, 226
форсунки 221 сл.
фундамент: ь 208
эксплуатация 229, 230. 232, 233
Улиты 148, 149
Условные обозначения
конденсаторов 177
марок сталей 27
сварных швов 95, 96
теплообменников 177
трубчатых печей 207
Фаолит 38
Фильтры
вакуумные барабанные 260, 261
— ленточные 261, 262
классификация 253 260
листовые (пластинчатые) 256 сл.
принцип действия 252,253
рамные фильтр-прессы 253 сл.
Фитинги (отводы) 323, 324
Фланцевые соединения
болты и шпильки 74 сл .
люки 77, 78 '
прокладки 72, 73
расчет 74 сл.
Фланцевые соединения
фланцы 70, 71, 322, 323
штуцеры 77, 78
Фланцы 70, 71, 322, 323
Фторопласт 39, 72, 101, 102
Хастеллой 33, 34
.Холодильники
воздушные 194 сл.
градирни 198, 199
назначение 161, 190
оросительные 194
погружные 190 сл.
расчет на прочность 192. 193
секционные 193, 194
условное обозначение 177
Центрифуги
валы 265 с л.
назначение 263
опоры 267 сл.
Центрифуги
отстойные 263, 264
роторы 269 сл.
фильтрующие 264, 265
эксплуатация 271, 272
Циклоны 274, 275
Шиберы (задвижки) 325 сл.
Шт>'церы 76, 77
Эжекторы 153, 154
Эксплуатация
колонн 126. 151 сл.
реакторов 289, 290. 293, 300
резервуаров 113 сл.
трубопроводов 338
трубчатых печей 229, 230, 232. 233
центрифуг 271, 272
Экстракторы 122 сл., 159, 160
Электродегндраторы 251, 252
Эмали 37, 38
СЕЙРАН АРУТЮНОВИЧ ФАРАМАЗОВ
ОБОРУДОВАНИЕ
НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
ЗАВОДОВ
И ЕГО
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Редактор МИНЕВИЧ Р. Е.
Художник ПРОХОРОВ Л. Г.
Художественный редактор НОСОВ Н.В.
Технический редактор СКИТИНА В. М.
Корректоры: ИВАНОВА Н. А., ХРИПУНОВА М. С.
ИБ № 718
Т-05712. Сдано в наб. 21/XI 1977 г. Поди, к печ. 20/И 1978 г-
Усл. печ. л. 22. Уч.-изд. л. 23,57. Формат бумаги бОХЭО'Лв. Бумага
тин. № 2. Тираж 9300 экз. Зак. 2255. Изд. № 900. Цена 1 р. 10 к.
Издательство «Химия». 107076, Москва, Стромынка, 13.
Московская типография № И Союзполиграфпрома при Государствен-
ном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, поли-
графии и книжной торговли. Москва, 113105, Нагатинская ул., д. I.