Статическое оборудование

Химические аппараты (сосуды) предназначаются для осуществления в них какого-либо одного или одновременно нескольких химических, физических или физико-химических процессов (химические реакции, теплообмен, испарение, конденсация, кристаллизация, растворение, ректификация, абсорбция и т.д.). В зависимости от назначения химические аппараты (чаще всего по протекающему в них основному технологическому процессу) называются: реактор, теплообменник, испаритель, конденсатор и т.п.

Аппараты (сосуды) в подавляющем большинстве случаев состоят из следующих сборочных единиц: корпус, крышка, днище, штуцеры (патрубки), люк-лазы, опоры, рубашки, перемешивающие устройства, тепловая изоляция.

Конструкция аппаратов (сосудов) должна обеспечивать надежность и безопасность эксплуатации в течение расчетного срока службы и предусматривать возможность проведения:

технического освидетельствования;
очистки;
промывки;
полного опорожнения;
продувки;
ремонта;
эксплуатационного контроля металла и соединений.

На каждом аппарате (сосуде) должна быть прикреплена табличка или нанесены данные на корпус электрографическим методом со следующими данными:

товарный знак или наименование изготовителя;
наименование или обозначение сосуда;
порядковый номер сосуда по системе нумерации изготовителя;
год изготовления;
рабочее давление, МПа;
расчетное давление, МПа;
пробное давление, МПа;
допустимая максимальная и (или) минимальная рабочая температура стенки, °С;
масса сосуда, кг.

Общие сведения о сборочных единицах и элементах статического оборудования

Корпус – основная сборочная единица, состоящая из обечаек, днищ, крышек; в зависимости от пространственного расположения различают вертикальное или горизонтальное расположение корпуса.

Обечайка – составной элемент корпуса, ограничивающий емкость для проведения физико-химического процесса. Обечайки, в основном, бывают следующих форм:

Днище – элемент аппарата, который ограничивает корпус снизу, сверху или с боков, неразъемно (сварка, пайка, литой и т.п.) соединен с обечайкой, или аналогичный элемент корпуса, составляющий с ним одно целое. Днища в основном изготавливают следующих форм:

Крышка – отъемная часть, закрывающая внутреннюю полость сосуда или отверстие люка.

Штуцер (патрубок) (труба+фланец), бобышка – элемент, предназначенный для присоединения к аппарату (сосуду) трубопроводов, трубопроводной арматуры, контрольно-измерительных приборов и т.п. Бобышки бывают прямые или скошенные, с внутренней, либо наружной резьбой.

Люк-лаз – устройство, обеспечивающее доступ во внутреннюю полость сосуда. Аппараты (сосуды) должны быть снабжены необходимым количеством люков, обеспечивающих осмотр, очистку и ремонт сосудов, а также монтаж и демонтаж разборных внутренних устройств.

Рубашка – теплообменное устройство, состоящее из оболочки, охватывающей корпус аппарата (сосуда) или его часть, и образующее совместно со стенкой корпуса аппарата (сосуда) полость, заполненную теплоносителем.

Опоры – устройство для установки сосуда в рабочем положении (горизонтально, вертикально) и передачи нагрузок от сосуда на фундамент или несущую конструкцию.

Основные конструкции опор:

Тепловая изоляция – элемент конструкции, монтирующийся на аппарат с целью снижения теплопотерь, предотвращения охлаждения (замерзания) продукта, во избежание образования конденсата на поверхности аппарата, как следствие, усиленного коррозионного износа, защиты персонала от воздействия высоких (низких) температур.

Оборудование для гидродинамических процессов

Емкость – герметично закрытый сосуд, предназначенная для хранения и транспортировки газообразных, жидких и других веществ. Границей сосуда являются входные и выходные штуцера.

Ресивер – емкость, используемая в качестве накопителя для хранения сжатого газа или жидкости под давлением и для сглаживания перепадов давления газа. Например, после компрессорных станций ресиверы устанавливаются в качестве воздухосборников и служат для сглаживания пульсаций давления после насоса, охлаждения и создания резерва сжатого воздуха, освобождения от капель масла и влаги.

Стальной вертикальный резервуар – герметично закрываемый или открытый, стационарный сосуд, наполняемый жидким или газообразным веществом. При необходимости резервуары объединяют в группу резервуаров, сосредоточенных в одном месте, её называют «резервуарным парком». Резервуары бывают вертикальные и горизонтальные.

Наземные стальные вертикальные цилиндрические резервуары работают при низком давлении (до 200 мм вод.ст.), либо без избыточного давления (под налив).

Особенности эксплуатации резервуаров: в процессе эксплуатации резервуара персоналом осмотру подвергаются фундамент, отмостка, стенка резервуара, наружная часть окрайки днища, крыша, площадки обслуживания, лестницы, устройства молниезащиты и заземления, теплоизоляция, штуцера, люки, анкерные крепления, а также оборудование, находящееся снаружи.

При осмотре резервуара необходимо проверять (визуально) сварные соединения и основной металл в доступных местах, особое внимание обращая на швы нижних поясов стенки и в местах приварки стенки к днищу, а также в местах присоединения люк-лазов, штуцеров и другого наружного оборудования.

При осмотре теплоизолированных резервуаров проверяют исправность теплоизоляции или утепляющих устройств. При осмотре резервуарного оборудования необходимо проверять герметичность фланцевых соединений и сальников арматуры, а в зимнее время (дополнительно) – отсутствие инея и промерзания входного и выходного отверстий дыхательного клапана и наличие надежного утепления на резервуарных задвижках. У резервуаров, особенно с подогревательными устройствами, необходимо проверять температуру продукта в соответствии с технологическим регламентом.

При обнаружении таких дефектов, как: трещины, отпотевания, свищи в сварных швах или в основном металле листов стенки, при появлении ненормального шума в резервуаре, течей в швах стенки (а у теплоизолированных резервуаров быстрого намокания или течи из-под изоляции) или из-под днища должны быть приняты меры к немедленному опорожнению резервуара полностью или частично в зависимости от места расположения.

Мешалка – оборудование для получения эмульсий, суспензий и смесей твердых веществ, а также для интенсификации процессов массо- и теплообмена. Интенсивное перемешивание материалов необходимо для успешного проведения многих химических процессов непрерывным способом. Перемешивание широко применяется в химических производствах.

Мешалки применяются в случаях, когда перемешивание и химическая реакция должны протекать одновременно, т.е. процесс перемешивания происходит непосредственно в реакционном аппарате. Выбор метода перемешивания и конструкции непосредственно мешалки обусловливается в первую очередь агрегатным состоянием перемешиваемых материалов.

Фильтры – оборудование, предназначенное для тонкого разделения жидких или газовых гетерогенных систем. С его помощью можно добиться значительно более полной, чем в процессах осаждения, очистки жидкости или газа от взвешенных частиц, более высокого выхода продукта (если продуктом является твёрдая фаза суспензии).

Фильтры различают по принципу действия:

фильтрование с образованием осадка (твёрдые частицы либо задерживаются на поверхности фильтровальной перегородки);
фильтрование с закупориванием пор (твёрдые частицы проникают в глубину перегородки, задерживаясь в порах).

По режиму работы:

периодического действия;
непрерывного действия.

По способу создания разности давлений:

вакуум-фильтры;
фильтры, работающие под давлением.

По взаимному направлению силы тяжести:

с совпадающими направлениями;
с противоположными направлениями;
с перпендикулярными направлениями.

Движущие силы процесса – разность давлений, либо центробежные силы. Разность давлений может обеспечиваться при помощи насоса, вакуум-насоса, компрессора. Если суспензия находится над фильтровальной перегородкой, осаждение твёрдых частиц приводит к более быстрому образованию осадка. Если суспензия находится, ниже перегородки, осаждение препятствует образованию осадка, что вызывает необходимость перемешивания суспензии для поддержания её однородности. В роли материала перегородки могут выступать стекло, металлические сетки, хлопчатобумажные, шерстяные и полимерные ткани и волокна.

Нутч-фильтр – простейший фильтр периодического действия, работающий под вакуумом, либо избыточным давлением. Совпадают направления силы тяжести и движения фильтрата. Нюансы конструкции – над дном фильтра располагается пористая подложка, она же ложное дно. Она поддерживает фильтровальную перегородку. После загрузки суспензии под ложным дном создаётся вакуум, вследствие чего жидкая фаза начинает прохождение через перегородку с последующим отводом. Основные преимущества: простота и надёжность, возможность тщательной промывки осадка. Недостатки: громоздкость, ручная выгрузка осадка, негерметичность, невысокая движущая сила.

Фильтр-прессы – фильтры периодического действия, работающие под давлением с перпендикулярными направлениями силы тяжести и движения фильтрата. Фильтр, представляет из себя сборку из чередующихся плит (слева) и рам (посередине), что существенно увеличивает рабочую поверхность фильтрующей перегородки. Плиты имеют вертикальное рифление, что предотвращает прилипание фильтровальной ткани к плитам и обеспечивает дренаж фильтрата. Полая рама помещается между двумя плитами, образуя камеру для осадка. Отверстия (1) и (2) совпадают, образуя каналы для суспензии. Между плитами и рамами размещают фильтровальные перегородки, так называемые «салфетки».

Сжатие конструкции происходит винтовыми, либо гидравлическими зажимами. Основные преимущества: большая удельная поверхность фильтрования, возможность работы при давлении до 15 кгс/см2, простота конструкции, возможность отключения ряда плит из процесса. основные недостатки: ручное обслуживание, невозможность полной промывки без разбора, быстрый износ сеток (частый разбор, высокое давление).

Барабанный вакуум-фильтр наиболее распространенный вид фильтровального оборудования непрерывного действия. Фильтр имеет вращающийся цилиндрический перфорированный барабан (1), покрытый металлической волнистой сеткой (2), на которой располагается тканевая фильтрующая перегородка (3). На 30-40% барабан погружен в суспензию. Сам барабан разделён радиальными перегородками на ряд изолированных камер (9), каждая из которых соединяется трубой (10) с различными полостями неподвижной части (12) распределительной головки. Трубы объединяются во вращающуюся часть (11) распределительной головки. Благодаря этому при вращении барабана (1) камеры (9) в определённой последовательности присоединяются к источникам вакуума и сжатого воздуха. В результате при полном обороте барабана каждая камера проходит несколько зон, в которых осуществляются процессы фильтрования, промывки осадки и прочие. Зона I – фильтрование и отсос фильтрата. Камера под вакуумом соприкасается с суспензией. На наружной поверхности образуется осадок (4). Зона II – промывки осадка и отсоса промывных вод. В камере вакуум, на осадок (4) подаётся промывная жидкость. Зона III – съём осадка. Осадок сначала подсушивается вакуумом, а затем попадает под поток сжатого воздуха, что разрыхляет осадок. Далее идёт соскабливание осадка ножом (5). Зона IV – очистка фильтровальной перегородки. Ткань продувается сжатым воздухом или водяным паром, освобождается от оставшихся твёрдых частиц. Основные преимущества: непрерывность процесса, простота обслуживания, возможность фильтрования суспензий с большим содержанием твёрдой фазы, хорошие условия для промывки осадка. Основные недостатки: небольшая удельная поверхность фильтрования, высокая стоимость, сложность герметизации, необходимость перемешивания суспензии в корыте (6) из-за противоположного направления движений частиц/

Ленточный вакуум-фильтр – работающий под вакуумом аппарат непрерывного действия, в котором направления силы тяжести и движения фильтрата совпадают. Перфорированная резиновая лента (2) перемещается по замкнутому пути с помощью приводного (8) и натяжного (3) барабанов. Фильтрующая ткань (5) прижимается к ленте при натяжении роликами (6). Из лотка (4) на фильтрующую ткань подаётся суспензия. Фильтрат отсасывается в вакуум-камеры (1), находящиеся под лентой, и выводится из аппарата. Отложившийся на ткани осадок промывается жидкостью, подаваемой из форсунок (9). Промывная жидкость отсасывается в другие вакуум-камеры и также отводится из аппарата. Осадок благодаря вакууму подсушивается и при перегибе ленты через валик (7) отделяется от ткани и сбрасывается в бункер. На обратном пути между роликами (6) фильтровальная ткань обычно регенерируется: очищается с помощью металлических щёток, пропаривается или промывается жидкостью. Основные преимущества: совпадение силы тяжести и направления потока, простота устройства, хорошие условия промывки и обезвоживания осадка, возможность обработки труднофильтруемых материалов. Основные недостатки: небольшая удельная поверхность, быстрый износ фильтрующей ленты, громоздкость, сложность герметизации.

Принцип действия аппаратов для очистки газов фильтрованием тот же, что и для разделения суспензий, однако при очистке газов в подавляющем большинстве случаев применяют фильтрование с закупориванием пор. В зависимости от типа фильтровальной перегородки различают следующие фильтры для очистки газов: с гибкими пористыми перегородками из природных, синтетических, минеральных волокон (тканевые материалы), нетканых волокнистых материалов (войлок, картон), металлоткани и т.п. с полужёсткими пористыми перегородками (слои из волокон, металлических сеток и др.) с жёсткими пористыми перегородками (керамика, пластмассы, спечённые/спрессованные металлические порошки) с зернистыми перегородками (слои кокса, гравия, песка и т.п.). Выбор перегородок обусловлен размеров дисперсных частиц, температурой газа, его химическими свойствами, допустимым гидравлическим сопротивлением.

Рукавный фильтр – представляет собой корпус, в котором находятся тканевые мешки (рукава) (1). Нижние открытые концы рукавов закреплены на патрубках трубной решётки (2). Верхние закрытые концы рукавов подвешены на общей раме. Запылённый газ вводится в аппарат через штуцер и попадает внутрь рукавов. Проходя через ткань, из которой сделаны рукава, газ очищается от пыли и выходит из аппарата через верхний штуцер. Пыль осаждается на внутренней поверхности и в порах ткани, при этом гидравлическое сопротивление возрастает. При достижении определённого значения, рукава очищают, встряхивая их при помощи устройства (5). Пыль падает в разгрузочный бункер (3) и удаляется из аппарата шнеком (4). Кроме того, их также продувают воздухом, подаваемым с наружной стороны. Рукава снабжены кольцами жёсткости, что предотвращает их складывание/слипание. Для обеспечения непрерывности процесса газоочистки рукавные фильтры делают состоящими из нескольких секций – в одних секциях идёт процесс фильтрования, в других – очистки. Основные преимущества: высокая степень очистки от тонкодисперсной пыли. Основные недостатки: высокое гидравлическое сопротивление, быстрый износ ткани, непригодность для очистки влажных газов, газов с высокой температурой.

Отстойники – оборудование для сгущения суспензий или классификации суспензий по фракциям частиц твёрдой фазы, для грубой очистки газов от пыли и для разделения эмульсий. Данный процесс пригоден для первичного разделения гетерогенных смесей. Основное преимущество – наиболее простой и дешёвый процесс, основной недостаток – движущая сила процесса – сила тяжести, ввиду этого возможно эффективно отделять только крупные частицы.

По характеру разделяемой среды делятся на:

сгустители (для сгущения суспензий);
классификаторы (для классификации твёрдых частиц на фракции).

По характеру работы:

непрерывного действия;
периодического действия;
полунепрерывного действия (подача разделяемой смеси и вывод очищенной фразы непрерывны, удаление сгущённой дисперсной фазы – периодически).

Отстойник периодического действия – бассейн. После отстаивания осветлённую жидкость сливают через штуцеры, расположенные выше уровня осадка. Шлам удаляется вручную через верх, и/или через нижний штуцер.