![Конструкционные материалы [ КМ ] химической аппаратуры](https://s1.showslide.ru/s_slide/0271e00534f5e06db753fcd0a562c296/e41b81af-ebc4-44b1-8ef2-2d0ddfa769c7.jpeg.webp "ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ")
Лекция 1. ОБЩИЕ ОСНОВЫ ПРЕКТИРОВАНИЯ Артемьев Григорий Андреевич 89220237895 griga1972@mail.ru
Создание и производство новых видов продукции Совершенствование химических основ технологии Совершенствование технической базы производства Техперевооружение дублирование Новое строительство Реконструкция
Проектирование. – Инженерная деятельность, связанная с выработкой и надлежащего в техническом и правовом отношении оформления технических решений Производственная техносфера Технологические отрасли Машино- и приборостроение Строительство ЕСТД – проектирование ЕСКД – конструирование СПДС – проектирование Качество и безопасность продуктов, услуг, работ – ГОСТ, ISO, Технические регламенты
. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Проект Госпожнадзор МЧС Госсанэпиднадзор МЗ Гостехнадзор Госкомстрой Минсельхозпрод Минприроды В ряде случаев МВД, ФСБ и МО
. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Проектанты Проектные и конструкторские подразделения предприятий Специальные проектные (проектно- конструкторские, научно- исследовательсткие организации – фирмы и Институты (ПИ, НИПИ, ПКИ, НИПКИ). Индивидуальные специалисты, имеющие лицензии на определённые виды проектных работ и личные печати, зарегистрированные в соответствующих государственных структурах
ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Разработка Рабочего проекта Разработка Технического проекта Предпроектная проработка (ППр)
1. ИСХОДНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ. 2. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ: а. Обоснование необходимости б.Цели и задачи проектирования в. Требования к проекту г. Состав проекта д. Порядок выполнения, сдачи и приёмки е. Порядок реализации проекта. 3. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 4. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ. 1. Маркетинг будущего производства. 2. Накопление о научных основах и возможных методах получения продукта 3. Проведение инженерно- геологических изысканий. 4. Комплексное обследование и оценка существующего места строительства. 5. Оценка наличия и состояния имеющегося оборудования. 6. Анализ производственного опыта и технической документации. 7. Анализ социально- экономической, экологической и демографической ситуации. 8. Выработка требований к будущему производству.
На данном этапе вырабатывают основные технические решения по всей проблематике проекта; выявляют неточности Задания и неполноту Исходных данных; устанавливают необходимые доработки и согласования разделов проекта.
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА. 2. ГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 3. ЗАКАЗНЫЕ ВЕДОМОСТИ И СПЕЦИФИКАЦИИ 4. СМЕТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ. 1. Технология производства. 2. Управление и автоматизация производства. 3. Механизация производства. 4. Электроснабжение: силовое и слаботочное. 5. Общее энергообеспечение. 6. Отопление и вентиляция. 7. Водоснабжение и канализация. 8. Системы информационной и физической защиты. 9. Строительная часть.
1. Анализ Задания и Исходных Данных. 2. Определение основных характеристик проектируемого производства. 3. Общий анализ химико-технологического процесса (ХТП) и химико-технологической системы (ХТС). 4. Сбор данных о свойствах веществ и материалов. 5. Расчёт материального баланса процесса. 6. Предварительный выбор оборудования. 7. Расчёты динамики процессов. 8. Разработка эскизных вариантов чертежей. 9. Согласование доработок проекта по разделам. Разработка Технического проекта
Пояснительная Записка. Рабочие чертежи (монтажно-технологические схемы; планы и разрезы; монтажно-технологичес-кие чертежи). Спецификации оборудования. Заказные спецификации (ведомости) материалов и комплектующих изделий. Сметные данные. Пусковой регламент – для нового производства. Изменения в регламент и инструкции – для техперевооружения Изготовление рабочей документации
Общий анализ химико-технологического процесса (ХТП) и химико-технологической системы (ХТС) п о существу заключается в построении химической, технологической (ХТП) и аппаратурной (ХТС) схем (по определениям ОСТ 42-505-96 ОСТ 64-02-003-2002, « ПОЛОЖЕНИЕ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕГЛАМЕНТАХ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА» ), также циклограмм процесса
___________________________________________________________ А-1 | |\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\|///|| ___________________________________|| А-2 ||___________________| |///|\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\|///////////||_______________|| А-3 ||___________________________________| |///////////||\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\|| ТО τ 1 τ 2 τ 3 τ 4 τ 5 Время | ------------------------------------------------------------------------------------→ТЦ __________ |\\\\\\\\\\\\\\\\\|| - индивидуальное включение аппарата независимо от работы других; _________ | |//////////////|| - одновременное включение двух аппаратов ; _________ || _______|| - простой (ожидание) аппарата.
Т ОС | | ТМАХ |------------------------------------------------------------* | * | * Т3 |--------------------------------* | * * * * | * | * | | | * | * | | | * | Т1 | * * * * * * * * * | | | * | * * * | * * *| | | | | | | | | | |________ |_______ | _______|_______ |_______ |________ | _______|______ |_____________ 0 τ 1 τ 2 τ 3 τ 4 τ 5 τ 6 τ 7 τ 8 Время, ч 0-------------1-----------2-----------3-------------4------------5-------------6------------7--------8 Фазы Подготовка Загрузка Нагрев Загрузка Выдержка Охлаж- Выдер- Слив на аппарата сырья сырья с отгонкой дение жка фильтр
ГОСТ 2.201 Обозначение изделий и конструкторских документов АБВГ.ХХХХХХ.ХХХЭЗ ГОСТ 2.701-2008 Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению Схемы выполняют без соблюдения масштаба, действительное пространственное расположение составных частей изделия (установки) не учитывают или учитывают приближенно. Применимость обозначений: - УГО, установленные в стандартах Единой системы конструкторской документации, а также построенные на ихоснове; - прямоугольники; - упрощенные внешние очертания (в том числе аксонометрические). При необходимости применяют нестандартизованные УГО.
ГОСТ 2.790-74 АППАРАТЫ КОЛОННЫЕ ГОСТ 2.792-74 АППАРАТЫ СУШИЛЬНЫЕ ГОСТ 2.789-74 АППАРАТЫ ТЕПЛООБМЕННЫЕ ГОСТ 2.788-74 АППАРАТЫ ВЫПАРНЫЕ ГОСТ 2.793-79 ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА МАШИН И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ГОСТ 2.780-96 ЕМКОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ГОСТ 2.791-74 ОТСТОЙНИКИ И ФИЛЬТРЫ ГОСТ 2.794-79 УСТРОЙСТВА ПИТАЮЩИЕ И ДОЗИРУЮЩИЕ ГОСТ 2.784-96 Элементы трубопроводов http://www.complexdoc.ru поиск нормативной документации
ОСТ 64-02-003-2002 Характеристика конечного продукта. Химическая схема производства. Технологическая схема производства. Аппаратурная схема производства и спецификация оборудования. Характеристика сырья, материалов и полупродуктов. Изложение технологического процесса. Материальный баланс технологического процесса. Переработка и обезвреживание отходов производства. Контроль производства и управление технологическим процессом. Техника безопасности, пожарная безопасность и производственная санитария. Охрана окружающей среды. Перечень производственных инструкций. Технико-экономические нормативы. Информационыые материалы. ПОЛОЖЕНИЕ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕГЛАМЕНТАХ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА общая характеристика производств; характеристика производимой продукции; характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов; описание технологического процесса и схемы; материальный баланс; нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов; нормы образования отходов производства; контроль производства и управление технологическим процессом; возможные неполадки в работе и способы их ликвидации; охрана окружающей среды; безопасная эксплуатация производства; перечень обязательных инструкций; чертеж технологической схемы производства; спецификация основного технологического оборудования и технические устройства, включая оборудование природоохранного назначения.
Технологическое оборудование Канализационное оборудование Водоснабжающее оборудование Вентиляционное оборудование Транспортное оборудование Энергетическое оборудование Главной задачей инженера-технолога является соответствующее стоящей производственной цели использование технологического оборудования. выбор нового оборудования в ходе проектирования Применение имеющегося оборудования с новыми целями При проектировании
Широчайшая номенклатура продуктов. Большие различия их физических и химических свойств. Жёсткие требования к качеству конечной продукции Громадное многообразие осуществляемых процессов сложность из механизмов. Высокая потенциальная опасность процессов Жёсткие требования к точности соблюдения технологических параметров Жёсткие требования к коррозионной стойкости и чистоте аппаратуры и расходных материалов Огромная и интенсивно обновляемая номенклатура продукции [на (10…15)% ежегодно]. Широчайший диапазон масштабов производства ХП Следствия Доминирование периодических процессов Применение многофункционального оборудования управления процессами с позиций аналитического, метрологического и кибернетического обеспечения
ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ Безопасное ведение процесса. Оборудование во всех технологических режимах должно выдерживать коррозионное действие среды, температурный режим, давление, статические и динамические нагрузки, быть герметичным, защищать людей от вредных воздействий физических полей. 2. Получение продукта установленного качества. Эффективное выделение и очистка целевых продуктов: проведение промывок, разгонок, сорбционной очистки и т.д. ТРЕБОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ. 4. Максимальная производительность, максимальный выход целевых продуктов. 5. Возможность максимальной механизации и автоматизации процесса. 6. Обеспечение минимальной материало- и энергоёмкости процесса. 7. Минимизация количества отходов. Максимальное использование вторичных материальных ресурсов (ВМР). 8. Удобство эксплуатации, долговечность и ремонтопригодность. 9. Возможность применения в разнообразных условиях; т.е. максимально возможная технологическая гибкость производства. 10. Минимальная стоимость приобретения, монтажа и эксплуатации оборудования.
Способ классификации Процессная теоретическая ПАХТ Процессная технологическая Конструктивная [ машиностроительная ] 1. Реакторы 2. Теплообменники 3. Холодилки 8. Механизации процессов 9. Траспортное и хранилищное 10. Трубопроводное 4. Сушилки 5. Сепараторы 6. Дозаторы 7. Механические машины
реакторы; кристаллизаторы; диссольверы; выпарные, дистилляционные и ректификационные аппараты; абсорберы и адсорберы (в т.ч. технологические хроматографы); ионообменники; мембранные, электро- и магнитофоретические аппараты
Лыков М. В., Сушка в химической промышленности, М., 1970
Измельчительное: дробилки; дезинтеграторы мельницы Классифицирующее : сита и грохоты Формовальное : прессы; таблетирующие и гранулирующие машины; каландры; экструдеры; смесители Упаковочное
трубы соединительно-сборочные детали коммутационные детали запорно-регулирующая трубопроводная арматура исполнительные механизмы КИПСА
ОБЩАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОЛОГИИ 1. Следование общим правилам безопасности; требованиям технического и экологического законодательства. 2. Учёт общих требований к оборудованию в химических производствах и показателей эффективности его работы. 3. Учёт и понимание системы технических характеристик оборудования и правил его эксплуатации. 4. Содержание задачи технолога-проектировщика: техперевооружение, реконструкция или новое строительство. 5. Конкретные требования Задания на проектирование и условия Исходных данных: вид процесса – непрерывный или периодический; мощность производства; класс опасности проектируемого процесса (коррозионные, токсические, взрывопожароопасные свойства веществ и материалов, количество опасных материалов); система (нормы и график) планово-предупредительных ремонтов; используемый технологический метод; нормы технологического режима на всех стадиях и операциях (материальный баланс, порядок загрузки-выгрузки реагентов, температурные режимы процессов, воздействие внешних полей и излучений).
ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ И ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО РАБОТЫ Производительность : количество продукта, получаемого в единицу времени. G/[кг/с; кг/ч; т/ч] - массовая П = v/[ м3/с; м3/ч] - объёмная. где G, v - количество продукта в массовом или объёмном измерении; - время. 2. Интенсивность : количество продукта, получаемого в единицу времени c единицы размера рабочей зоны оборудования. Для объёмных аппаратов П/VP = G/ VP [кг/м3 сек; кг/ м3ч; т/ м3ч] – массовая IV = П/VP = v/ VP [ сек-1; ч-1] - объёмная.
ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ И ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО РАБОТЫ 3. Максимальная селективность и выход целевого продукта. Достигается также за счёт оптимизации технологического режима процесса и за счёт правильного выбора конструкции реактора. 4. Минимальное энергопотребление. Снизить энергозатраты можно за счёт оптимизации температурного режима, использования теплоты, экзотермических процессов, правильного выбора энергоносителей 5. Управляемость. Достигается оптимизацией (упрощением структуры) технологического режима и обеспечением необходимого уровня автоматизации управления процессом 6. Надёжность и безопасность. Обеспечивается в первую очередь конструкцией аппарата, а также средствами управления и автоматической защиты процесса. 7. Минимальные экономические издержки изготовления, монтажа и эксплуатации.
Основные факторы, определяющие выбор оборудования. 1. Физико-химические: - природа, механизм и динамика процесса; - агрегатное и фазовое состояние среды (растворение или выделение твердых продуктов, газовыделение, эмульгирование жидкостей); - коррозионная активность реакционной массы; - тепловой режим; интенсивность выделения (поглощения) тепла; необходимость использования лучистой энергии (ИК- и СВЧ-аппараты и фотохимические реакторы имеют специфические черты). 2. Технико-экономические: - потенциальная опасность процесса и необходимость его защиты; - материальный баланс процесса; - проектируемый режим работы; временная определённость технологического режима (в первую очередь теплового): стационарный или нестационарный; - достижение максимальной селективности процесса и высокого выхода продукта; - возможность совмещения нескольких операций; - обеспечение максимальной интенсивности работы аппарата; - режим теплообмена и применяемые энергоносители; - эргономичность : - мощность создаваемого производства и тип создаваемой ХТС: индивидуальная, совмещённая, мобильная; экономические ресурсы: при прочих равных условиях следует использовать более дешёвое оборудование.
АЛГОРИТМ ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ХТП Анализ задания и исходных данных. Построение циклограмм – графиков, отражающих а) синхронизацию работы аппаратов на разных стадиях процесса во времени и б) физическое состояние каждого аппарата. Расчёт количества циклов (серий производства) на весь выпуск и среднесуточной мощности. Расчёт материального баланса операции (серия для периодических и единица времени для непрерывных процессов). Оценка требований к аппарату. Предварительный выбор аппарата по материальному балансу и требованиям. Расчёт (поверочный) параметров интенсивности процесса и оценка соответствия их требованиям Задания (соответствие аппарата). Выработка технических и технологических решений по дооснащению аппарата и уточнению режима процесса. Принятие комплекса окончательных решений для рабочего проекта.
Требования к конструкционным материалам: Высокая механическая прочность. Достаточно высокая химическая или коррозионная стойкость в различных средах Большая теплопроводность и низкая теплоемкость материала. Относительная доступность, распространенность материала. Невысокая стоимость материала.
![Конструкционные материалы [ КМ ] химической аппаратуры](https://s1.showslide.ru/s_slide/0271e00534f5e06db753fcd0a562c296/e41b81af-ebc4-44b1-8ef2-2d0ddfa769c7.jpeg "ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ")
1. Металлы группы железа и их сплавы между собой и с другими элементами. 2. Медь и её сплавы. 3. Алюминий и его сплавы. 4. Титан, тантал, ниобий, цирконий, вольфрам и их сплавы. 5. Стекло, фарфор, полиоксидные керамики. 6. Полимеризационные пластмассы, каучуки и резины, углепластики. 7. Композиционные, наполненные и тканые материалы
Довольно твёрдый серебристо-белый металл. Плотность 7860 кг/м3. Существует в трёх аллотропных формах: Форма Название Область устойчивости Кристаллическая Магнитные ОС решётка свойства α-железо феррит <910 ОЦК магнитен γ-железо аустенит 910…1401 ГЦК немагнитен δ-железо мартенсит > 1401 ОЦК магнитен
Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода от 2,03 до 5,7 %. Получают в результате доменного процесса из железной руды. менее 4,25 % углерода, доэвтектические более 4,25 % углерода, заэвтектические Плотность и теплоёмкость почти не отличаются от сталей. Имеют большую теплопроводность – (45…93) Вт/м.К. Высокоферромагнитны. Достоинства: Легко обрабатывать Гладкие поверхности Устойчивые защитные покрытия Недостатки: Хрупкость и несвариваемость Толстые стенки оборудования Массивные аппараты тепловая инерция Низкая химстойкость в водных средах, особенно в кислых
Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода не более 2,03 %. Получают в результате конвертерных процессов из чугуна или непосредственно из железной руды. Спокойные Сп Кипящие Кип твёрдый раствор α-, β-, γ- и δ-карбидов железа (феррит, цементит, мартенсит и аустенит) в железе. Плотность - (7,7-7,9)*10³ кг/м³ Удельная теплоемкость - 0,11 кал/град Коэффициент теплопроводности - 39ккал/м*час*град Высокоферромагнитны. Достоинства: Легко обрабатывать Высокая прочность Доступность Устойчивы к щелочам до 200 С, аммиаку, концентрированной серной кислоте Недостатки: Низкая химстойкость в водных средах, особенно в кислых в том числе в органических кислотах
Классификация и маркировка сталей. Обыкновенного качества S - 0,04-0,06 % P - 0,04-0,0 8% Пример маркировки: Ст10 Сп | | | | | |_____________________________ Спокойная (<0,005% О2) | |_________________________________ углерод– 0,10 % |__________________________________ Сталь обыкновенного качества Сталь 08 кп | | | | | |_____________________________ Кипящая | |_________________________________ углерод– 0,08 % |__________________________________ Сталь качественная содержание серы, вызывает хладноломкость Фосфор - вызывает красноломкость. Качественные S - 0,0 3- 0,04 % P - 0,0 3- 0,04 % Высококачественные S < 0,0 3% P < 0,0 3 %
Стали, содержащие следующие добавки, называют легированными Обозначение легирующих элементов: Х –хром; Н – никель; Т – титан; М – молибден; Г – марганец; Ю – алюминий; Ф - вольфрам; С – кремний; Д – медь; Б – ниобий; А – азот. Низколегированные > 2% Высоколегированные 10-60 % Плотность - (7,90-7,98)*10³ кг/м³ Коэффициент теплопроводности - (8…20) Вт/(м.К) Высоколегированные парамагнитны или диамагнитны. Достоинства: Высокая прочность Устойчивы к щелочам до 200 С, аммиаку, концентрированной серной кислоте, повышенная коррозионная стойкость к разбавленным кислотам Недостатки: Низкая химстойкость к элементарным галогенам в водных средах, в апротонных растворителях фтор. Высокая стоимость. Затруднена обработка Среднелегированные 2 -10 %
Классификация и маркировка сталей. Пример маркировки: 10Х18Н10Т | | | |__________________________ титан - < 2% | | |_____________________________ никель – 10 % | |_________________________________ хром - 18 % |__________________________________ углерод – 0,10 % Массовая доля углерода в таких сталях не превышает 0,12 %; углерод буквой не обозначают Для химического машиностроения наиболее важны аустенитные ВЛС : хромоникельтитановые - типа 10Х18Н10Т; хромоникельмолибденовые - типа 10Х17Н14ТМ2; хромоникельмарганцевые - типа 20Х13Н4Г9. На них приходится порядка 70 % всего потребления коррозионностойких сталей.
коррозионная стойкость легированных сталей. Помимо пассивации железа, легирующие элементы связывают свободный углерод в карбиды (например Cr 7 C 3). Поэтому легированные стали как правило, являются гомогенными кристаллическими веществами. Основной тип кристаллической решётки – кубическая гранецентрированная - КГЦ. | Потенциал реакции | Fe 0 → Fe 2+ UO, В 1 -| | | * * 0,5-| * | | * 0 -| * | | * -0.5 -| * * * * * * * |________________________________________________________________ | | | | | | | | | | | | | | массовая доля хрома, % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Рисунок 2 Пассивирующее действие добавок хрома на окисление железа в стали
Никель и кобальт – элементы подгруппы железа инвар, коинвар, маллой, пермаллой, супермаллой – сплавы сжелезом Плотность - 8,900*10³ кг/м³ Коэффициент теплопроводности - 90,9 Вт/(м·К) Сплавы имеют высокие магнитные свойства. Достоинства: Высокая прочность и твердость Коррозионная стойкость Недостатки: Высокая стоимость. Токсичность соединений Антикоррозионыые покрытия, магнитопроводы
. Один из двух окрашенных металлов. Мягкий металл. Латуни Плотность - 8,910*10³ кг/м³ Коэффициент теплопроводности - 401 Вт/(м·К) Диамагнетик Стандартный потенциал реакции окисления меди U 0 ( Cu 0 Cu 2+ ) = 0,34 В. Медь устойчива к действию воды и разбавленных водных растворов кислот, щелочей и солей. Неустойчива в растворах аммиака и аминов (особенно алифатических), к окислителям (азотной кислоте, концентрированной серной кислоте, растворам бихроматов). Бронзы Маркировка Латуни. ЛАЖ 60-1-1 Бронзы. БрАЖН 10-4-4 | | | | | |____ (1…2) % Fe | | | | | | |____ (3,5…5,5) % Ni | | | | |______(1…2) % Al | | | | | |______(3,5…5,5) % Fe | | | |_________(59…61) % Cu | | | | |_________(9…11) % Al | | |____________ железо | | | |____________ никель | |_____________ алюминий | | |_____________ железо |_______________ латунь | |_______________ алюминий |__________________ бронза
Мягкий металл. Плотность - 11,344 *10³ кг/м³ Коэффициент теплопроводности - 35,3 Вт/(м·К) Стандартный потенциал реакции окисления свинца U 0 ( Pb 0 Pb 2+ ) = - 0,126 В. Стойкость свинца определяется образованием оксидных плёнок. Малостоек в растворах окисляющих, а также низших органических кислот. Стойкость в электрохимических процессах и стойкость к фторидам. Особое значение имеет сплав свинца с (6…12) % олова – гартблей («твёрдый свинец»). Применяется – ограниченно - в виде листов для наложения - плакирования рабочих поверхностей аппаратуры сернокислотного производства; процессов сульфирования, фторирования; а также для изготовления деталей насосов, арматуры и электродов.
Самый распространённый из металлов – 7,4 % в земной коре; присутствует в виде оксидов, смешанных фосфатов и силикатов Плотность - 2,702*10³ кг/м³ Коэффициент теплопроводности - 188 Вт/(м·К) Стандартный потенциал реакции окисления алюминия U 0 ( Al 0 Al 3+ ) = - 1,66 В. Стойкость алюминия определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH 3, H 2 S. Малостоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также щелочей. Достоинство – лёгкость; существенный недостаток – низкая прочность. В технике, в т.ч. – химическом машиностроении значение имеют сплавы с кремнием, медью, магнием, марганцем, хромом, железом – силумины, дюралимины, магналины. Особенность всех сплавов – нестойкость к контактной электрохимической коррозии – особенно в парах со сплавами меди и железа. Применяют для изготовления реакторов, кристаллизаторов, сосудов, фильтров, теплообменников, дистилляционных и ректификационных аппаратов и труб, работающих под давлением до 0,6 МПа.
Наименование Марки Массовые доли легирующих добавок, % Si Cu Mn Mg Cr, Ti Fe Алюминий АВ, АД <1,5 - в сумме Дюралюмины Д1-Д6 - 2…7 0,4…1,8 0,3…0,9 - - Силумины АЛ1-АЛ7 0,8…13,0 0,2…4,5 - 0,5…13,0 - - Магналины АМгМц, Амгб - - <1 4,0…12,0 0,1 <0,25
Четвёртый по распространённости из металлов – 0,58 % в земной коре. Присутствует всегда вместе с другими элементами в виде оксидов, смешанных фосфатов и силикатов в т.н полиметаллических рудах; относится к рассеянным элементам. 90% запасов и 80% производства в РФ Плотность - 4,550*10³ кг/м³ Коэффициент теплопроводности - 7-18 Вт/(м·К) Стандартный потенциал реакции окисления титана U 0 ( Ti 0 Ti 2+ ) = - 1,63 В. Стойкость определяется образованием оксидных плёнок, в диапазоне рН=(3…9). Титан легируют добавками Al, Mo, Ta, Nb, Zn, Cu, Pd, Pt. Устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH 3, H 2 S, в растворах NaOH и KOH до 20 %. Менее стоек в растворах окисляющих и органических кислот, крепких щелочей. Нестоек в растворах HF и HCl при T> 50ОС; Присутствие окислителей - бихроматов, перманганатов в среде повышает коррозионную стойкость. Исключительно стоек в морской воде и морской атмосфере. Легирование – особенно цирконием, молибденом и танталом - повышает коррозионную стойкость титановых сплавов в (2…200) раз. В некоторых органических средах титановые сплавы более стойки, чем даже стали класса Х18Н10Т.
Все материалы, существенным компонентом которых является двуокись кремния. В основном это полиминералы: полиоксиды; полисиликаты; силикаты-карбонаты щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и железа Природные: Граниты, Бештауниты, Андезиты, Асбест Искусственные КАМЕННОЕ ЛИТЬЁ Стоек к любым реагентам, кроме HF. Износостоек. Термостойки до 1500ОС Футеровка. СТЕКЛО Алюмоборосиликат-ные стекла Кварцевое стекло. Ситаллы. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Фарфор Кислотоупорная Керамика Кислотощёлочеупор ные эмали Огнеупоры Вяжущие материалы: А. Кислотощёлоче-стойкие цементы Б. Кислотощёлоче-стойкие б етоны
Химическое машиностроение использует большое количество разнообразных материалов органичес-кой природы, в основном синтетитческих. Полимеризационные пластмассы. Каучуки и резины Элементоорганические (кремнийорганические, германийрганические, оловорганические) полимеры. 4. Углеродные материалы.
Так традиционно называют материалы из синтетических полимеров, получаемых полимеризацией моноенов и поликонденсацией полиэтилен высокого давления (ПЭВД); полипропилен высокого давления (ППВД); полистирол и его сополимеры; поливинилхлорид (ПВХ); полиэтилентерефталат (лавсан); полиакрилонитрил (нитрон); полифторэтилены – в первую очередь: политетрафторэтилен (тефлон, фторопласт-4). Свойство Полиэтилен Полипро- пилен Полистирол Поливинил-хлорид Фторопласт-4 Плотность, кг/м 3 920…930 900 1100 1330…1430 2160…2260 Предел прочности при растяжении, МПа 12…17 25…40 35…50 40…60 14…25 Относительное удлинение, % 500…600 350…800 1,5…2 10…25 250…500 Рабочие температуры, О С (-70)…100 (-35)…160 (-20)…100 (-20)…160 (-270)…320 Удельное электрическое сопротивление, Ом.м 10 15 8.10 13 10 14 …10 15 10 12 …10 14 10 16 …10 16 Диэлектрическая проницаемость (50 Гц) 2,2…2,3 2,0…2,5 2,6 4,1 1,9…2,2
Высокая стойкость к водным растворам солей, оснований и неокисляющих кислот. Окислители, галогенангидриды и другие реагенты, генерирующие радикалы, быстро разрушают большинство пластмасс. Органические реагенты – полигалогеналканы, ароматические углеводороды, нитропроизводные – вызывают набухание полимеров с быстрой потерей прочности. Уникальной стойкостью отличаются полифторэтилены – особенно фторопласт-4: они более инертны, чем даже фарфор. Только фтор и бром вызывают набухание фторопласта. Изготавливают сосуды, не работающие под давлением; теплообменники; фильтры; трубы, трубные детали и трубопроводную арматур; уплотнительные детали. Важные изделия из пластмасс – плёночные материалы, используемые для упаковки продуктов, а также для изготовления фильтровальных мембран.
Фенолоформальдегидные смолы (фенопласты). Полиэтилентерефталат – лавсан. Эпоксидные смолы
Обладают хорошей адгезией к металлам. Стойки к действию большинства неорганических реагентов, в т.ч., к окислителям – кроме галогенов и галогенангидридов, стойки к спиртам, карбоновым кислотам; нестойки к углеводородам, алкил- и арилгалогенидам. Диапазон рабочих температур от (-30) до (100…150) ОС. Силиконовые каучуки - полидиалкилсилоксаны Отличаются высокой прочностью и упругостью, но и уникальной, сопоставимой с фторопластами – химической стойкостью к действию почти всех агентов. Диапазон рабочих температур: от (-60) до (200…300) ОС. Каучуки и резины в основном применяют для изготовления уплотнительных деталей оборудования, шлангов, труб, а также в качестве клеев и герметиков, в качестве защитных покрытий стальной аппаратуры: реакторов, сосудов, фильтров, центрифуг, труб. Защита резиновыми покрытиями называется гуммированием. Гуммированное оборудование работоспособно при температурах до 100 ОС в неабразивных средах.
Теплопроводность -. 90 Вт/м.К. Химическая стойкость графита –он разрушается только концентрированной серной кислотой и фтором. Недостаток – хрупкость. Используют графитопласты – композиции графита с фенопластами (в основном – фаолитом и бакелитом) Из графитопластов изготавливают корпуса и лопатки химических насосов; трубы; уплотнительные детали, детали пар скольжения; электроды и корпуса электролизёров; теплообменники для работы в среде паров галогенов и гидрогалогенидов.
Явление структурного разрушения конструкционных материалов и элементов технических систем под воздействием комплекса химических, биохимических, физических (электрических, деформационных, термических, вибрационных, радиационных) факторов окружающей среды – природной или техногенной.
1. Нарушение макроструктуры материала, приводящее к потере прочности. Например: набухание полимеров во многих органических средах; межкристаллитное растрескивание сплавов (в первую очередь, сталей), бетонов и иных микрокристаллических материалов; растрескивание слоистых материалов (пластиков, древесины); водородная хрупкость сталей, вызываемая насыщением сплава гидридами металлов. зачастую видимые эффекты разрушения отсутствуют, даже когда прочность материала критически уменьшена. Типичные виды коррозии 2. Явное разрушение материала с исчезновением вещества. Этот эффект традиционно определяет как коррозию.
Химическая. отсутствуют другие сопутствующие факторы: электрическое поле, механические напряжения материала и т.д. В МЕТАЛЛАХ И ИХ СПЛАВАХ – это в первую очередь окислительные реакции. В СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛАХ – наиболее характерны реакции замещения при действии: фтора и его соединений; концентрированных щелочей; концентрированной ортофосфорной кислоты. В ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ ( пластмассах, каучуках, резинах )– также наиболее характерны реакции замещения при действии галогенов, азотной кислоты, органических галогенангидридов, кислорода, серы. Основные механизмы коррозии 2. Электрохимическая Контактная, Коррозия под напряжением 3. Фреттинг-коррозия (коррозия в механически нагруженных материалах). характерна, для автоклавов; аппаратов с акустической активацией процессов. Специфический вид – абразивное действие твёрдых дисперсных материалов на рабочие поверхности аппаратуры.
4. Фото- и радиационнохимическая коррозия. Процессы деструкции материалов под действием видимого света, УФ-, ренгеновского и -излучения. Излучения особо опасны для органических материалов, поскольку возбуждаемые ими фотореакции быстро разрушают полимер. Основные механизмы коррозии 5. Абляция Наиболее сложный вид коррозии, вызываемый совместным действием (синергизмом) мноих факторов – агрессивной среды, высокой температуры, механических нагрузок, внешних полей. Проявляется в реакторах, предназначенных для высоскотемпературных процессов пиролиза.
Массовая скорость Wm [кг/(м2.с)] = Линейная скорость WL [м./с)] = = Wm / - плотность материала, кг/м3. Скорость коррозии Классификация коррозионной стойкости материалов Класс Группа Линейная скорость коррозии, мм/год Совершенно стойкие I менее 0,001 Вполне стойкие II 0,001…0,005 III 0,005…0,01 Умеренно стойкие IV 0,01…0,05 V 0,05…0,1 Ограниченно стойкие VI 0,1…0,5 VI 0,5…1 Малостойкие VII 1…5 IX 5…10 Нестойкие X свыше 10
1. Равномерная коррозия Характерна для химической коррозии однородных по свойствам материалов. Проявляеся как образование и разрастание слоя продуктов коррозии на поверхности материала. ФОРМЫ ПРОЯВЛЕНИЯ КОРРОЗИИ 2. Питтинговая коррозия (изъязвление поверхности материала) Характерна для химической коррозии неоднородных по свойствам материалов. Проявляеся как образование на многих участках поверхности очаговых зон коррозии - язвочек (от английского слова pitting -язва). 3. Коррозионное растрескивание Данный вид коррозии характерен для гетерогенныех материалов – чугунов, сталей, биметаллов, слоистых пластиков, текстолитов, бетонов – и им подобных. 4. Щелевая коррозия Обобщённый термин, относящийся к разным по механизму видам коррозии, развивающейся в стыках, соединениях деталей и узлов аппаратуры и строительных конструкций.
1. Использование коррозионностойких материалов. Самый очевидный, самый эффективный (отнюдь не всегда – самый дешёвый) – самый важный метод. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ 2. Методы флегматизации среды. В ряде случаев даже незначительные изменения состава среды – особенно концентраций электролитов и окислителей – существенно изменяют редокс-потенциал системы, вплоть до перехода в область пассивации. 3. Методы пассивации поверхности. 3.1. Химические методы. образование на поверхности металла слоя защитной плёнки (оксидной, сульфидной, фосфидной, фторидной) 3.2. Механико-технологические методы. Сюда относятся приёмы уплотнения (накатки, наклёпки, ковки), а также тщательной шлифовки и полировки рабочих поверхностей. 4. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ..
Основная задача перемешивания – равномерное распределение вещества или температуры в перемешиваемом объеме. Способы: - Механический (с помощью мешалок); - Пневматический (с помощью сжатого газа); - Вибрационный.
1. По режиму работы: - периодического действия; - непрерывного действия. 2. По величине рабочего давления - вакуум-фильтры; - фильтры, работающие под давлением. 3. По конструкции и принципу действия: - фильтры периодического действия – нутч-фильтры (друк-фильтры), фильтр-прессы, патронные фильтры и листовые фильтры (мешочные); - фильтры непрерывного действия – барабанные, дисковые, карусельные и ленточные.
- изменения условий тепло- и массообмена, значительное увеличение рас-стояний для теплопередачи и диффузии взаимодействующих частиц; - увеличение времени на вспомогательные работы и физические процессы (например, загрузка реагентов, нагрев до определенной температуры, выгрузка продуктов реакции и т.п.); - усложнение решения вопросов, связанных с безопасным ведением процессов, особенно в случаях работ со взрыво- пожароопасными веществами, с токсичными и экологически опасными соединениями и микроорганизмами. коэффициент масштабного перехода Где: Км- коэффициент масштабного перехода, б.р.; Gпроект – мощность проектируемого производства по целевому продукту, кг; Gбаз – мощность производства, на базе которого проектируется промышленный объект, кг. 5 < Км < 10
Лабораторная установка Re лаб. = Re пром. Выбор стандартного апппарата. Выбор стандартного двигателя.
Материальный индекс производства Результаты расчетов материального баланса представляют собой исходные данные для всех последующих инженерных расчетов (технологические, теплоэнергетические, технико-экономические и пр.). От точности и достоверности этих данных зависит качество всех остальных разделов технического проекта.
закон сохранения масс G исх = G кон В расчете необходимо учитывать все компоненты, загружаемые в аппарат (установку) и выходящие из него в ходе процесса (исходное сырьё, полупродукты, растворители, вспомогательные вещества, примеси, внесенные с исходными веществами и образующиеся в результате процесса переработки, газообразные вещества, пары, механические потери и т. п.). аА + bB = cC + dD Где: a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты; A, B, C, D – исходные вещества и продукты реакции. Уравнение материального баланса такой реакции aM A + bM B = cM C + dM D где M A, M B, M C, M D – молекулярные массы исходных и конечных веществ, г-моль.
Пусть целевым продуктом реакции будет вещество «С» Где: G A и G C соответственно массы «ключевого» вещества (сырья) и целевого продукта, кг. выход (КПД) химической реакции = G С / G С практ Где: - выход химической реакции, б.р.; G С практ - масса продукта реакции по практическим данным, кг. Где: G A факт – фактический расход исходного “ключевого” вещества (кг); - общий выход производства (д.е.), представляет собой произведение выходов на всех стадиях (операциях) производства : = П i = 1 2 3 … i
В результате анализа оформляется схема граф материальных потоков 1 этап. Ознакомление с объектом расчетов.
2 этап. Подготовка исходных данных для расчета. масштаб расчета, единица массы целевого продукта, на которую составляется материальный баланс (1000 кг, 1 кг, 1кг/час и т пп); состав целевого продукта, его соответствие утвержденному НТД (ГОСТ, ОСТ, ТУ, ФС) выходы полупродуктов по стадиям и общий выход целевого продукта; состав, %-ное содержание сырья, полупродуктов, вспомогательных веществ и материалов; удельные нормы загрузки сырья, растворителей, вспомогательных веществ (их соотношение к единице массы основного ключевого вида сырья или полупродукта); нормативные данные для каждой стадии, операции (механические потери, унос паров, газов в атмосферу и т.п.).
3 этап. Расчетная часть баланса Где: - масса ключевого исходного сырья в 100 %-ном исчислении, кг M исх, M пр - мольные массы исходного сырья и целевого продукта, г/моль; - общий выход целевого продукта, в пересчете на исходное ключевое сырьё. д.ед.; пр – содержание основного вещества в целевом продукте, б.р.
Для i - го компанента масса загружаемого - того вида сырья в 100 %-ном исчислении, кг g - удельная загрузка - того вида сырья на 1 кг 100 %-ного ключевого сырья, (нормативные данные), кг/кг.
Цель расчетов. -определение энергозатрат, количества теплоносителей или хладагентов, необходимых для создания и поддержания заданного температурного режима в реакторе; - расчет требуемой поверхности теплообмена для заданного теплового режима, проверка её достаточности в реакторе, способы интенсификации теплообменных процессов в химическом реакторе; - выбор материала теплоизоляции и расчет её толщины с целью снижения теплопотерь в окружающую среду; - оптимизация энергозатрат на проведение конкретного технологического процесса, разработка мероприятий по энергосбережению на каждой стадии и в производстве в целом.
Приход Расход Где: Q 1 - теплосодержание исходной реакционной смеси или тепло, внесённое в реактор с исходными веществами, кДж; Q 2 – тепло подводимое (или отводимое) в реактор теплоносителем (хладагентом), кДж; Q 3 – тепловые эффекты химических и физических процессов, ( Q 3 = Q хим + Q физ ), кДж Q 4 – тепло, уносимое из реактора с продуктами реакции, кДж ; Q 5 – тепло, затрачиваемое на нагрев реактора, его частей, деталей, кДж; Q 6 – тепловые потери в окружающую среду, кДж.
Расчет энергозатрат Таким образом, задача сводится к вычислению всех составляющих правой части уравнения
Расчет теплосодержания исходной смеси и продуктов реакции Где: G ( j ) оп - количество j – того вещества, загружаемого в реактор или получаемого в результате реакции на одну операцию в i - том реакторе, кг; с( j ) - удельная теплоёмкость j – того вещества, кДж/(кг К 0); Т( j ) - температура j – того вещества, K 0. В случае отсутствия справочных данных по теплоёмкости веществ ( 7.4) Где: c ат – теплоёмкость атома, кДж/(г-ат К 0 ); n – число одноименных атомов, шт.; М – мольная масса соединения, г-моль. Среднее значение теплоёмкости органических веществ находятся в пределах 1,2 1,7 кДж/(кг К 0 ), за исключением соединений, содержащих ионные связи, атомы галоидов и металлорганических веществ.
Расчет теплового эффекта химической реакции Определение q p Где : Q р – теплота, выделяемая или поглощаемая в реакторе в ходе химической реакции, кДж; q р – мольный (удельный) тепловой эффект реакции, кДж/г-моль; G р – масса загруженного в аппарат реагента (из таблицы МБ стадии), кг; - выход или степень превращения реагента, д.е ; 1000 – коэффициент пересчета г в кг. А. Как разницу теплот образования полученных и исходных в - в (закон Гесса): - мольные теплоты образования соответственно продуктов реакции и исходных соединений, кДж/г-моль.
Определение q p где q обр – мольная теплота образования органического вещества, кДж/г-моль n а – число одноименных атомов в веществе, шт; q асг – теплота сгорания атома, кДж/г-атом; q сгв-ва – мольная теплота сгорания органического вещества, кДж/г-моль. формула Карраша Б. Как разницу сумм теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции.
Определение q p Б. Как разницу сумм теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции. В. Как разность сумм энергий связей атомов в полученных соединениях и в исходных веществах. - суммарная энергия образования связей между атомами в конечных и исходных веществах, участвующих в химической реакции, кДж/г-атом.
Расчет тепловых эффектов физических процессов Для твердых (кристаллических веществ): Для газообразных веществ (паров): Теплота плавления (ф-ла Вальдена): Теплота испарения (ф-ла Трутона): формула Томсена: q разб – удельная теплота разбавления серной кислоты водой, ккал/кг; а - содержание воды в кислоте после разбавления, %. связь между теплотами плавления и испарения
Расчет тепловых потерь в окружающую среду ( Q 6 в балансе) Q 6 - теплопотери в окружающую среду, кДж; K - коэффициент теплопередачи от теплоносителя с температурой t тн к окружающей среде (воздуху с температурой t возд ), кДж/(м2·К 0 ); - время теплопередачи, с; F - поверхность теплопередачи, м2. 2 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции к окружающему воздуху, кДж/(м2 К 0 ); Q = Q
Расчет толщины изоляции из – толщина слоя теплоизоляции, м; 1 – коэффициент теплоотдачи теплоносителя, циркулирующего в рубашке аппарата, Вт/(м2 К 0 ); ст – толщина стенки рубашки, м; ст – теплопроводность материала стенки рубашки, Вт/(м К 0 ); из – теплопроводность материала теплоизоляции, Вт/(м К 0 ).
Расчёт затрат тепла на нагрев аппарата ( Q 5 ) q 5( i ) – тепло, затрачиваемое на нагрев i -той части аппарата, С0; G ( i ) – масса i -той части аппарата, кг; c ( i ) – теплоёмкость материала i -той части аппарата (из справочников), кДж/(кг·К 0 ); Δt ( i ) – средний перепад температуры i -той части аппарата до и после её нагрева, К0. Δt (i) = t кон (i) – t нач (i t кон (руб)= ( t 2 + t 3)/2
Вывод формулы для расчета температуры внутренней стенки рубашки t2 = Температуры наружной стенки рубашки t 3
Расчет температур наружной и внутренней поверхностей корпуса аппарата i и i – толщина и теплопроводность стенки корпуса аппарата и возможных её покрытий (например, эмали); 3 – коэффициент теплоотдачи от стенки корпуса аппарата к реакционной массе, кДж/(м2 К 0 ). Nu – критерий подобия Нусельта, б/р; р – теплопроводность реакционной массы, кДж/(м К 0); dм – диаметр (размах) мешалки аппарата, м.
n – число оборотов мешалки, с -1 ; - плотность реакционной массы, кг/м3; с – теплоёмкость реакционной массы, кДж/(кг К 0 ); - динамический коэффициент вязкости реакционной массы, Па с; ст – то же, но при температуре внутренней стенки аппарат, Па с; D а – внутренний диметр аппарата, м.
Расчет поверхности теплообмена и расхода энергоносителей. F p – расчетная поверхность теплообмена, м2; Q 2 – общее количество теплоты отдаваемое теплоносителем, кДж; - время теплообменного процесса, с; t cp - средний перепад температур между температурой теплоносителя и реакционной массы, или движущая сила процесса теплопередачи, К 0. t cp = t 1 - t рм t б и t м – большая и меньшая разница температур теплоносителя и реакционной массы в начале и в конце процесса теплообмена.
Расчет поверхности теплообмена и расхода энергоносителей.
Расчет поверхности теплообмена и расхода энергоносителей.
Расчет поверхности теплообмена и расхода энергоносителей. G пара – масса пара, необходимая для заданного режима теплообмена, кг; i п и i к – теплосодержание соответственно пара и конденсата при заданном давлении, кДж/кг. с – теплоёмкость жидкого теплоносителя, кДж/(кг 0 К); Т2ср – средняя температура теплоносителя на выходе из рубашки аппарата за весь процесс теплообмена, 0С. t 2 ср. охл = t 1 + t cp. охлажд lnA
Особенности расчета тепловых балансов реакторов периодического действия (РПД). II ступень III ступень IV ступень
Особенности расчета тепловых балансов реакторов непрерывного действия ( РНД). Главной особенностью теплового расчета реакторов и установок непрерывного действия является то, что ввиду стационарности процессов рассматривается только одно уравнение теплового баланса, причем затратами тепла на нагрев самой установки, как правило, пренебрегают: Расходы энергоносителей для РНД обычно относят к единице времени, используются единицы тепловых потоков в кДж/с или в кВт
