Материал: основы проектирования хим произв дворецкий

С учетом остановок на планово-предупредительные ремонты для непрерывных процессов продолжительность работы оборудования уменьшается до 300 суток.

Для периодических процессов вводят запас производительности оборудования, компенсирующий вынужденные простои из-за периодического режима работы оборудования. Таким образом, общий запас мощности оборудования может достигать 25...30%. Этот коэффициент автоматически распространяется на установленную мощность электрооборудования, насосных станций, очистных сооружений, теплоэлектроцентралей и т.д. [1].

Определение резервов, принимаемых для производства в целом, относится к компетенции экономистов. Резервы, принимаемые для отдельных аппаратов и машин, определяют технологи.

В результате выбора типа и расчета оборудования определяют либо его габариты, либо число единиц стандартных аппаратов, обеспечивающих заданную производительность.

По степени унификации технологическое оборудование делится на стандартное и нестандартное. Стандартное техническое оборудование выпускается предприятиями химического машиностроения, причем, обычно в виде ряда типоразмеров. Ряды типоразмеров такого оборудования определяются стандартами и содержатся в каталогах.

3.1.4. РАСЧЕТ НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Наряду со стандартным оборудованием для осуществления заданного технологического процесса проектировщику приходится разрабатывать нестандартные машины и аппараты [15, 16].

Нестандартное оборудование ориентировано на конкретный технологический процесс и проектируется на заданную производительность. Современный уровень химического производства требует использования высокоэффективных технологических процессов, аппаратов и систем, сокращения числа технологических стадий производства для уменьшения потерь промежуточных продуктов, быстрой переналадки технологического оборудования и, следовательно, разработки новой химической техники, которая позволила бы с наибольшей эффективностью осуществлять нетрадиционные высокоинтенсивные процессы, а также совмещение различных процессов.

Для уменьшения количества технологических стадий используют многофункциональные аппараты, в которых осуществляется совмещение различных технологических процессов. При этом сокращается число транспортных операций, а также уменьшаются связанные с ними потери промежуточных продуктов. Использование многофункциональных аппаратов в некоторых случаях позволяет снизить материалоемкость конструкции, энергетические затраты, упростить аппаратурное оформление технологических стадий и его обслуживание.

Расчет нестандартного оборудования производится аналогично расчету стандартного оборудования. После выбора типа оборудования и определения его размеров технологи с участием специалистов других профилей (механиков, теплотехников, электриков и др.) составляют задание на разработку чертежей нестандартного оборудования.

Техническое задание обычно содержит эскиз разработанного оборудования с указанием его технологического назначения и краткое описание принципа работы. Кроме того, в техническом задании приводятся основные параметры технологического процесса, физико-химические характеристики сырья и перерабатываемых продуктов с перечислением важнейших свойств этих веществ (агрегатное состояние, плотность, вязкость, летучесть, токсичность, огне- и взрывоопасность и т.п.), способ загрузки исходных веществ и выгрузки реакционной массы. К числу технологических данных относятся также способы теплообмена, конструкция, тип и размер теплообменной поверхности, параметры теплоносителя (хладагента), тип и конструкция перемешивающих устройств, характеристика привода с указанием мощности и типа устанавливаемого двигателя.

Технологу следует также оценить степень огне- и взрывоопасность помещения, где будет установлен аппарат, способ монтажа технологического аппарата. С возможно большей тщательностью следует охарактеризовать химическую агрессивность перерабатываемых веществ и дать рекомендацию по выбору материала для изготовления корпуса аппарата и его деталей. Первоочередной задачей разработчика нестандартного оборудования является обоснованный выбор конструкционного материала.

Основные требования к конструкционным материалам

Специфические условия работы химического оборудования, характеризуемые диапазоном давления от глубокого разряжения (вакуума) до избыточного (250 МПа и выше), большим интервалом рабочих температур (–254...+1000 °С и выше) при агрессивном воздействии среды, предъявляют высокие требования к выбору конструкционных материалов проектируемого аппаратурно-техно- логического оформления химических производств [15, 16].

Наряду с обычными требованиями высокой коррозионной стойкости в определенных агрессивных средах к конструкционным материалам, применяемым в химическом машиностроении, одновременно предъявляются также требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, сохранения удовлетворительных пластических свойств при высоких и низких температурах, устойчивости при знакопеременных или повторных однозначных нагрузках (цилиндрической прочности), малой склонности к старению и др.

Для изготовления технологической аппаратуры химических и нефтехимических производств используют конструкционные материалы, стойкие и весьма

стойкие в агрессивных средах. Материалы пониженной стойкости применяют в исключительных случаях.

При выборе материалов для оборудования, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры.

При статическом приложении нагрузки важными характеристиками для оценки прочности материала являются предел текучести σт (условный предел текучести σ0,2 или σ1,0) и временное сопротивление σв. Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля упругости Е и коэффициентом Пуассона μ.

Эти характеристики являются основными при расчетах на прочность деталей аппаратуры, работающей под давлением при низких (–40...–254 °С), средних (+200...–40 °С) и высоких (выше +200 °С) температурах.

Для работы при низких температурах по нормам Ростехнадзора следует выбирать металлы, у которых порог хладоломкости меньше заданной рабочей температуры. Следует отметить, что в химической промышленности на протяжении многих лет безаварийно эксплуатируется при рабочих температурах до – 40 °С большое количество аппаратов, трубопроводов, арматуры, насосов и другого оборудования, изготовленных из углеродистой стали обыкновенного качества и из серого или ковкого чугуна, т.е. из материалов, имеющих ударную вязкость KCU < 20 Дж/см2 при указанной температуре. Поэтому при выборе металла для работы при низких температурах следует исходить не только из его ударной вязкости, но и учитывать величину и характер приложенной нагрузки (статическая, динамическая, пульсирующая), наличие и характер концентраторов напряжений и чувствительность металла к надрезам, начальные напряжения в конструкции, способ охлаждения металла (хладагентом или окружающей средой).

При статическом приложении нагрузки в ряде случаев допускается изготовление оборудования из металлов, приобретающих хрупкость при пониженных рабочих температурах, но не имеющих дефектов, нарушающих однородность структуры и способствующих концентрации напряжений. Технология изготовления оборудования из таких материалов должна исключать возможность возникновения высоких начальных напряжений в конструкции. К такому оборудованию можно отнести свободно опирающиеся емкости для жидких и газообразных продуктов, содержащихся в них под небольшим избыточным давлением, металлоконструкции неответственного назначения и др.

При динамических нагрузках, кроме указанных выше характеристик, необходимо учитывать также ударную вязкость. Для многих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже –10 °С) резко уменьшается, что исключает применение этих материалов в таких рабочих условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (меди, алюминия, никеля и их сплавов), а также хромоникелевых сталей

аустенитного класса при низких температурах, как правило, уменьшается незначительно и пластические свойства этих материалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что позволяет применять их при рабочих температурах до –254 °С.

Для оборудования, подверженного ударным или пульсирующим нагрузкам и предназначенного для работы при низких температурах, следует применять металлы и сплавы с ударной вязкостью KCU > 30 Дж/см2. Для деталей, имеющих концентраторы напряжений (болтов, шпилек), рекомендуются материалы, у которых при рабочей температуре ударная вязкость KCU > 40 Дж/см2.

При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих прочностные свойства металлов и сплавов. Временное сопротивление σв и предел текучести σт зависят от времени пребывания под нагрузкой и скорости нагружения, так как с повышением температуры металл из упругого состояния переходит в упругопластическое и под действием нагрузки непрерывно деформируется (явление ползучести). Температура, при которой начинается ползучесть, у разных металлов различная: для углеродистых сталей обыкновенного качества ползучесть наступает при температуре выше 375 °С, для низколегированных – при температуре выше 525 °С, для жаропрочных – при более высокой температуре.

С увеличением времени пребывания металла под нагрузкой характеристики прочности уменьшаются тем значительнее, чем выше температура эксплуатации оборудования. Поэтому при расчете на прочность аппаратов, работающих длительное время при высоких температурах, допускаемые напряжения определяют по отношению к условному пределу ползучести σпл или по пределу длительной прочности σдл. Для химической аппаратуры допускаемая скорость ползучести

принимается < 10–7 мм/(м ч) (10–5% в год), для крепежных деталей –

<10–9 мм/(м·ч) (10–7% в год).

Снижение механических характеристик материала при высоких температурах обусловлено происходящими в металле структурными и фазовыми превращениями. К структурным изменениям такого рода можно отнести графитизацию углеродистой и молибденовой сталей, образование ферритной фазы в хромоникелевых сталях при длительной работе металла в условиях высоких температур. В ряде случаев стабильность структуры стали при длительной эксплуатации оборудования удастся обеспечить путем термической обработки. В большинстве случаев для аппаратуры, предназначенной для работы при высоких температурах, применяют жаропрочные стали специальных марок, характеризуемые достаточной механической прочностью и стабильностью структуры. Наряду с жаропрочностью металлы должны обладать жаростойкостью. При непрерывном процессе окалинообразования рабочее сечение металла уменьшается, что приводит к повышению рабочего напряжения и ухудшению условий безопасной эксплуатации оборудования.