Проектирование хим. предприятий. Навчальний посібник до вивчення курсу основи проектування хімічних виробництв
 Скачать 6.93 Mb.
|
|
Глава 15 ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ При выборе вспомогательного оборудования следует стремиться к максимально- му использованию типового, стандартизованного, серийно выпускаемого обору- дования. Перед конструированием или выбором вспомогательного оборудования проектировщик должен иметь полное представление о месте данного аппарата в технологической схеме производства, о его назначении, а также уметь разместить его в помещении проектируемого или реконструируемого цеха. Затем следует собрать все исходные данные для конструирования, состав которых зависит от вида вспомогательного оборудования и его назначения. 15.1. ВИДЫ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Емкостная аппаратура. К емкостной аппаратуре относятся: - вертикальные, горизонтальные и сферические емкости; - отделители высокого и низкого давления; сферические и цилиндрические резер- вуары; мерники и др. Основными исходными данными для выполнения проекта сборника являются: - назначение сборника; - рабочий объем; - физико-химические свойства среды; - рабочие давление и температура. Большие сборники (объемом более 25 м3), работающие под давлением или вакуу- мом, обычно выполняются в виде горизонтальных цилиндрических аппаратов с приварными эллиптическими днищами. С целью уменьшения теплопередающей поверхности, при необходимости сохранения максимального объема, сборники для сжиженных углеводородов часто проектируют в виде сфер емкостью до 400 м3. С целью экономии рабочего места сборники, работающие при атмосферном давлении, рекомендуется выполнять в виде вертикальных цилиндрических аппаратов с приварными плоскими, сферическими или коническими крышками и днищами. Форма крышек зависит от диаметра аппарата и вида конструкции аппарата. Стальные аппараты диаметром до 1400 мм имеют плоские объемные крышки, а свыше 1400 мм - приварные. Для мерников и отстойников обычно проектируют конические днища. На технологической схеме должны быть показаны все трубопроводы, связанные с рассматриваемым аппаратом, и приведены их условные проходы. Количество штуцеров должно быть равно количеству трубопроводов, а их условные проходы должны быть не меньше условных проходов труб. Минимальный условный проход штуцера составляет 40 мм. В общем случае на емкостной аппаратуре могут размещаться штуцера следующих назначений: - входы и выходы продукта; - входы и выходы тепло - или хладогента; - для воздушника; - установка предохранительного клапана; - опорожнение аппарата; - установка манометра, термометра сопротивления (термопары, регуляторы уровня); - перелив избытка продукта; - установка мерных стекол; - отбор проб; - установка погружных насосов или перемешивающего устройства; - установка дыхательного клапана, смотрового стекла, а также лаз и вентиляционный люк. Входные штуцера обычно располагаются в верхней части аппарата. Они могут быть простые или с сифоном, т.е. с трубой, опущенной внутрь аппарата на макси- мально возможную глубину. Наличие сифона предотвращает разбрызгивание жидкости и уменьшает возможность образования электростатического электричества. Штуцера для входа воздуха или азота, для перемешивания, а также для острого пара снабжаются распределительными устройствами - барботерами. Диаметры отверстий в барботерах выбираются в пределах 3 - 10 мм, а их суммарное сечение должно быть в 2 - 3 раза меньше сечения подводящего трубопровода. Штуцера сборников, предназначенные для выхода газообразного продукта, распо- лагаются в верхней части аппарата. Штуцеры для выхода жидкого продукта могут располагаться как в нижней, так и в верхней его части. Диаметр воздушника выбирается из условия обеспечения выпуска воздуха, вытесняемого из сборника жидкостью при ее максимально возможном поступлении, при этом скорость газа в воздушнике не должна превышать 15 м/с. Таким же образом определяется диаметр штуцера для дыхательного клапана. Дренажные штуцера, как правило, устанавливаются в днище вертикального аппарата или на уровне нижней образующей обечайки горизонтального аппарата. При недостатке высоты для установки аппарата дренажный штуцер врезается сбоку и снабжается сифоном. Для замера и регулирования уровня чаще всего применяются регуляторы уровня - камерные цилиндрические с поплавками (РУКУ). Для их установки на обечайке вертикальных аппаратов или на одном из боковых днищ горизонтального аппарата предусматриваются два штуцера с условным диаметром Dу = 40 мм. Для обслуживания арматуры предусматриваются металлические площадки. Их форма и способ крепления зависят от взаимного расположения аппаратов. Все штуцера должны быть расположены так, чтобы обеспечить трубопроводную связь между аппаратами по кратчайшим путям и с минимальным числом поворотов. Теплообменники. Значительную часть капиталовложений на оборудование хими- ческих предприятий составляют расходы на теплообменную аппаратуру. По назначению теплообменная аппаратура делится на: - холодильники; - подогреватели; - испарители; - конденсаторы. Кроме того, теплообменники подразделяются на рекуператоры и регенераторы. Рекуператорами называется теплообменная аппаратура, в которой движение теплоносителей является стационарным, т.е. оба потока теплоносителей проходят через аппарат одновременно. Регенераторами называется теплообменная аппаратура, в которой два потока теплоносителей проходят через одно и то же пространство попеременно. В регенераторах тепло, передаваемое от одного из теплоносителей твердым стенкам, аккумулируется ими, а затем отдается второму теплоносителю, когда наступает его очередь движения через аппарат. Простейшая конструкция регенератора - это труба, через которую поступает сначала один теплоноситель справа налево, затем через нее же, только слева направо, другой теплоноситель. Передача тепла стенкам и отвод от них регулируются величинами входных температур. Это аппараты периодического действия. Большая часть теплообменной аппаратуры относится к рекуператорам. Основными исходными данными для проектирования и выбора теплообменной аппаратуры являются следующие: - назначение аппарата; - расходы теплоносителей; - температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата; - физико-химические свойства потоков теплоносителей; - схема движения потоков теплоносителей; - допустимые потери давления в потоках; - расчетная поверхность теплообмена и др. Наиболее распространенным типом теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники, к основным достоинствам которых относятся: простота изготовления, надежность в эксплуатации, сравнительно высокая поверхность теплообмена при незначительных габаритах. К недостаткам кожухотрубчатых теплообменников можно отнести их высокую металлоемкость и ограниченную длину труб (не более 9 м). Существуют следующие разновидности кожухотрубчатых теплообменников: - с неподвижными трубными решетками (Н); - с температурным компенсатором на кожухе (К); - с плавающей головкой (П); - с U-образными трубами (У); - с плавающей головкой и компенсатором (ПК). При выборе конструкции теплообменника необходимо придерживаться следую- щих правил: - теплоноситель с более высоким давлением направляют в трубное пространство; - теплоноситель, способный вызывать коррозию металла, следует направлять по трубам во избежание коррозии корпуса аппарата; - теплоноситель, загрязненный или способный давать твердые отложения, необхо- димо направлять с той стороны теплообмена, которая доступна для очистки; - для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости движения теплоносителя; - более нагретый теплоноситель следует пропускать по трубам, так как при этом уменьшаются потери тепла в окружающую среду. При выборе положения теплообменника (вертикальное или горизонтальное) следу- ет иметь в виду, что вертикальные аппараты занимают меньшую площадь и отвод конденсата из трубного пространства конструктивно упрощается, однако горизонтальные аппараты легче обслуживать. Кроме кожухотрубчатых в химических производствах используют другие типы теплообменной аппаратуры: теплообменники типа «труба в трубе», оросительные, погружные, воздушного охлаждения, спиральные, блочные и др. Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» имеют высокий коэффициент теплоотдачи, применяются для нагрева и охлаждения сред, находящихся под высоким давлением, имеют сравнительно небольшие гидравлические сопротивления межтрубного пространства. К недостаткам этого типа теплообменников относится их высокая металлоемкость, трудности с очисткой кольцевого канала. Главным образом, эти теплообменники используются для охлаждения в системе «жидкость - жидкость» при небольших расходах. Иногда они применяются в качестве конденсаторов при больших давлениях в системе «жидкость - газ». В химической промышленности используются оросительные теплообменники для охлаждения агрессивных сред, например в производстве серной кислоты. Они просты в изготовлении и могут быть изготовлены из кислотостойких и сравнительно дешевых материалов, например из кислотоупорного чугуна. Однако оросительные теплообменники малоэффективны, имеют высокую металлоемкость. Погружные змеевиковые теплообменники используются для организации теплообмена между средами, одна из которых находится под большим давлением. Они состоят из плоских или цилиндрических змеевиков, погруженных в сосуд с жидкой средой. Другая жидкость или газообразная среда пропускается по трубам. Достоинствами этих теплообменников являются способность их к самокомпенсации температурных напряжений и низкое гидравлическое сопротивление. К недостаткам теплообменников погружного типа следует отнести сложность изготовления и монтажа. Блочные теплообменные аппараты обладают высокой стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, органическим и неорганическим растворителям). Это высокоэффективные аппараты, так как по теплопроводности графит в 4 раза превышает коррозионностойкую сталь. Однако низкая прочность на растяжение и изгиб ограничивают области их применения. Основные способы интенсификации процесса теплообмена связаны с увеличением поверхности теплообмена или увеличением коэффициента теплоотдачи, рациональным подбором гидродинамики теплоносителей: - поперечное омывание трубных пучков, расположенных в шахматном порядке, значительно турбулизируют поток, и ламинарный слой жидкости остается толь- ко на отдельных участках; - установка распределительных камер с целью ликвидации застойных зон в меж- трубном пространстве; - применение труб как с наружным, так и с внутренним оребрением. При проектировании необходимо учитывать, что спирали, диафрагмы, насадки, перегородки, которые используют для турбулизации потоков, способствуют уве- личению гидравлического сопротивления. Аппараты для разделения неоднородных систем. Неоднородные системы под разделяются на жидкие (эмульсии и суспензии) и газовые - аэрозоли (пыль, туманы, дым). Для разделения суспензий применяют фильтры, для эмульсий - центрифуги и сепараторы, для разделения аэрозолей - аппараты сухой и мокрой пылеочистки и электрофильтры. Фильтры. В фильтрах проводят процесс разделения неоднородных систем с помощью пористых перегородок, пропускающих одну из фаз системы и задерживающих другую. В качестве фильтровальных перегородок используют различные ткани, проволочные и полимерные сетки, металлические, стеклянные, керамические пористые пластины и др. Большое распространение получили фильтры периодического действия рамного типа благодаря простому устройству и возможности осуществлять фильтрацию при повышенном (до 0,5 МПа) давлении. Типичным представителем аппаратов данного типа является плиточный рамный фильтр-пресс, имеющий большую удельную поверхность и высокую производительность благодаря значительной движущей силе. Движущей силой процесса фильтрации является разность давлений над осадком и под фильтрующей перегородкой. Однако негерметичность, сложность и трудоемкость разгрузки фильтра ограничивают область их использо- вания. В основном, рамные фильтр-прессы применяют для разделения малоконцентрированных суспензий, жидкая фаза которых или промывная жидкость не являются ядовитыми, пожароопасными и легколетучими веществами. Меньшие размеры при той же поверхности фильтрации имеет камерный фильтр-пресс. Существенным недостатком обычных рамных и камерных фильтр - прессов является длительность и трудоемкость выгрузки осадка, которая обычно проводится вручную. Поэтому, несмотря на простоту их конструкции и низкую металлоемкость, их заменяют автоматизированными камерными фильтр - прессами с горизонтальным и вертикальным расположением пакетов из фильтровальных плит. Основные преимущества фильтра - возможность фильтрации и отжима осадков при давлениях до 1,5 МПа и полная автоматизация процесса. Эти фильтры широко используются для установок очистки сточных вод. К аппаратам непрерывного действия относится барабанный вакуум-фильтр, представляющий собой медленно вращающийся цилиндрический барабан с двойной стенкой. Одна из стенок перфорирована и снабжена фильтровальной перегородкой. Полость между стенками закрыта кольцевыми крышками и служит для сбора фильтрата, отводимого из фильтра по дренажным трубкам. В зависимости от назначения барабанные вакуум-фильтры изготавливают с различными углами погружения барабана (от 80 до 270°). Фильтры малого погружения в основном используются для легкофильтруемых суспензий; для труднофильтруемых используются фильтры с углом погружения около 200°; для низкоконцентрированных суспензий с волокнистой твердой фазой - фильтры с углом погружения 210 - 270°. Фильтры общего назначения имеют угол погружения в пределах 135 - 145°. Основным недостатком этих фильтров является их громоздкость. В этом отношении более выгодными являются ячейковые дисковые вакуум-фильтры, в которых фильтрующая поверхность образована несколькими полыми дисками. Эти фильтры преимущественно применяются в крупнотоннажных производствах, горнорудной, металлургической и угольной промышленности. Тарельчатые вакуум-фильтры применяются для разделения крупнозернистых быстро осаждающихся суспензий, так как направления фильтрации и отстаивания суспензии совпадают. Тарельчатые вакуум- фильтры в основном применяются для обезвоживания и промывки крупнозернистых концентратов каменного угля и других кристаллических продуктов. К недостаткам этих фильтров можно отнести их большие размеры и неравномерность промывки осадка из-за разной линейной скорости его движения в центральной и периферийной частях зоны промывки. Эти недостатки отсутствуют у ленточных вакуум- фильтров, область применения которых аналогична области применения тарельчатых вакуум-фильтров. Ленточные вакуум-фильтры имеют примерно вдвое большую производительность по сравнению с барабанными фильтрами и широко используются в химической промышленности. Производительность барабанного фильтра, работающего под давлением, в 1,5 - 2 раза превышает производительность обычного барабанного фильтра. Кроме того, использование барабанных фильтров под давлением позволяет снизить остаточное влагосодержание осадка и расход промывной жидкости. Полная герметичность аппарата позволяет использовать его для разделения суспензий, жидкая фаза которых представляет собой легкокипящее или ядовитое вещество. Основными исходными данными для расчета или выбора фильтра являются следующие: - характеристика суспензий (физико-химические свойства, концентрация, крупность и плотность твердой фазы, свойства жидкой фазы, характер образующегося осадка и др.); - условия работы (непрерывный или периодический процесс); - рабочая температура и давление; - свойства и толщина осадка; - категория исполнения аппарата по возможности обработки в нем взрывоопасных и токсичных веществ; - конструкционный материал и материал фильтрующей перегородки; - степень автоматизации и механизации и др. Кроме того, для окончательного выбора фильтра необходимо иметь сведения об опыте применения данного фильтра в аналогичных условиях и производствах. Центрифуги. Центрифугирование - это процесс механического разделения неоднородных систем в поле центробежных сил, создаваемых во вращающемся барабане центрифуги. В центрифугах разделяют самые разнообразные неоднородные системы: суспензию поливинилхлоридной смолы, сырую нефть, смеси кристаллов солей с маточными растворами, шламы, смазочные и растительные масла и др. Центрифуги бывают двух типов: осадительные и фильтрующие. В осадительных центрифугах разделение суспензий или эмульсий происходит осаждением (или всплыванием) взвешенных в жидкости твердых частиц или капель другой жидкости под действием центробежных сил. Фильтрующие центрифуги - это фильтры, используемые для разделения суспензий, в которых движущая сила создается центробежными силами, действующими на вращающуюся в барабане жидкость. В химической промышленности используются центрифуги с пульсирующей выг- рузкой осадка для разделения суспензий с кристаллической твердой фазой и при обработке волокнистых материалов. Главные преимущества этих центрифуг - высокая производительность и непрерывность работы. Они выпускаются одно-, двух- и многокаскадными. Осадительные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка предназначены для разделения суспензий с нерастворенной твердой фазой. Это центрифуги непрерывного действия, их применяют для обезвоживания кристаллических и зернистых продуктов, для классификации материалов по крупности, а также для осветления суспензий малой концентрации. Центрифуги непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка работают под действием составляющих инерционных, центробежных и вибрационных сил. Основное отличие их от центрифуг со шнековой выгрузкой заключается в отсутствии каких-либо выгружающих устройств. Осадительные сверхцентрифуги (скоростные), предназначенные для разделения стойких эмульсий и осветления тонких низкоконцентрированных суспензий с размером твердых частиц от 0,1 мкм, называются сепараторами. В зависимости от назначения сепараторы делятся на разделяющие и осветляющие, однокамерные и многокамерные, при этом многокамерные пригодны для классификации суспензий по размерам частиц. Для сгущения, осветления и классификации суспензий в химической, нефтеперерабатывающей и горнорудной отраслях промышленности, а также в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод широко используются гидроциклоны. Гидроциклоны - это аппараты, в которых разделение жидких систем происходит под действием центробежных сил, возникающих в закрученном потоке жидкости. По назначению гидроциклоны делятся на классификаторы, сгустители и разделители. Эффективность работы гидроциклона зависит от многих факторов, которые необходимо учитывать при выборе типа аппарата: - диаметр конуса (с увеличением диаметра увеличивается его производительность, однако качественные показатели работы ухудшаются); - диаметры питающего, сливного и разгрузочного патрубков; - характеристика эмульсий и суспензий; - давление на входе; - концентрация и размер частиц твердой фазы в исходном продукте; - разность плотностей твердой и жидкой фаз и др.; - режимные параметры процесса. Для увеличения производительности гидроциклона применяют одно- и двухступенчатые батарейные гидроциклоны. |