Трубы и фасонные части трубопроводов
Материал труб выбирают с учетом коррозионной активности среды, давления и температуры.
Толщину стенок труб принимают по ГОСТам на сортимент труб, в котором указывается предельно допустимое давление [Р], либо по известному уравнению расчета S для обечаек, работающих под давлением.
Длина труб, число поворотов, количество арматуры зависят от компоновки оборудования и выбирается конструктивно на основании имеющихся компоновочных чертежей (планов, разрезов).
Внутренний диаметр труб рассчитывают по формуле
,
где w – расход жидкости (газа), м3/с; v – линейная скорость жидкости (газа) в трубопроводе.
Из анализа формулы видно, что с увеличением скорости жидкости или газа уменьшается диаметр трубы и расход материала, но возрастает гидравлическое сопротивление и расход энергии. Рекомендуемые скорости:
– для газовых систем, работающих под давлением, близким к атмосферному (создается вентиляторами, дымососами), – 12–15 м/с;
– в нагнетательных трубопроводах после газодувок и компрессоров – 15–25 м/с;
– в вакуумных линиях – 40–90 м/с;
– при движении жидкости самотеком – 0,1–0,5 м/с;
– во всасывающих трубопроводах – 0,8–2 м/с;
– в нагнетательных трубопроводах – 1,5–10 м/с.
По расчетному диаметру подбирается ближайший стандартный.
Базовым диаметром для труб является диаметр наружный, а внутренний зависит от толщины стенки.
Фасонные части трубопроводов служат для изменения направления, диаметра труб, разветвления трубопровода. Их изготавливают по соответствующим нормалям или ГОСТам.
Неорганические коррозионно-устойчивые материалы
Железоуглеродистые сплавы
Наиболее широкое распространение в качестве материалов для химической аппаратуры получили стали и чугуны.
Они обладают
– высокой механической прочностью;
– хорошими физическими свойствами (высокая теплопроводность, малая теплоемкость и др.);
– вполне доступны и достаточно дешевы, что делает их основными конструкционными материалами общего и химического машиностроения.
В чистом железе без остатка может раствориться не более 2 % углерода. Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями; сплавы, в которых более 2,14 % углерода (обычно от 2 до 5–6%), – чугуном.
По содержанию углерода углеродистую сталь делят на:
– низкоуглеродистую (до 0,25 % углерода);
– среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,6 % углерода);
– высокоуглеродистую (выше 0,6 % углерода).
Легированные стали, в свою очередь, подразделяют на:
– низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);
– среднелегированные (от 2,5 до 10 % легирующих элементов);
– высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов).
В зависимости от назначения стали подразделяются на:
– конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий;
– инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65 % углерода;
– с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар;
– с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора стали подразделяют на:
– стали обыкновенного качества (до 0,06 % серы и до 0,07 % фосфора);
– качественные (до 0,035 % серы и фосфора);
– высококачественные (до 0,025 % серы и фосфора);
– особо высококачественные (до 0,025 % фосфора и до 0,015 % серы).
Сталь обладает хорошими механическими и физическими свойствами, хорошо поддается обработке, относительно доступна и дешева. Главными ее недостатками являются невысокая химическая стойкость и влияние на чистоту готового продукта.
Чугуны. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % С, называется чугуном.
Главным достоинством чугуна является низкая стоимость и доступность.
К недостаткам чугуна, , приводящих к тому, что доля чугунных изделий в химическом машиностроении в последнее время существенно снижается, можно отнести следующие:
1) пониженная прочность чугуна по сравнению со сталью, вследствие чего его применяют при температуре стенки сосуда или аппарата от –15 до +250 °С при температуре обогревающей среды не более 650 °С и давлении до 1,0 МПа;
2) ограниченная возможность его механической обработки, поэтому чугун может быть использован только в виде литья. Это, кстати, можно отнести и к достоинствам, потому что благодаря литью изделиям из чугуна можно придавать самую сложную форму;
3) из-за хрупкости чугуна стенки аппаратов приходится делать толстыми (в 2 раза толще, чем для стальных аппаратов), поэтому чугунная аппаратура всегда значительно тяжелее стальной и имеет более низкие коэффициенты теплопередачи;
4) из-за того, что чугун не поддается сварке, рубашки чугунных аппаратов всегда выполняют съемными и крепят к дополнительному фланцу на корпусе. Это приводит к уменьшению поверхности теплообмена чугунных аппаратов по сравнению со стальными аппаратами того же объема.
Цветные металлы
Алюминий. Главными достоинствами алюминия, благодаря которым он получил довольно широкое распространение в качестве материала химической аппаратуры являются следующие:
1) доступность по сравнению с другими цветными металлами (алюминий – самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих другим минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8 % (масс.));
2) легкость (плотность алюминия при 20 °С r = 2,699 г/см3);
3) высокая теплопроводность (в 4,5 раза выше стали);
4) стойкость к воздействию некоторых агрессивных агентов (например, концентрированной азотной кислоты, фосфорной и органических кислот), которая объясняется образованием на его поверхности плотной сплошной окисной пленки Al2O3.
Главным недостатком, ограничивающим применение алюминия, является его низкая механическая прочность. Кроме того, алюминий и его сплавы неустойчивы в щелочных средах:
Al + NaOH + H2O = Al(OH)2ONa + 3/2H2.
Алюминий применяется для изготовления мерников, резервуаров большой емкости, небольших реакционных аппаратов, теплообменников и других аппаратов, работающих без давления и при температуре стенок не выше 200 °С.
Медь. Главными достоинствами меди являются :
1) высокая теплопроводность (в 6 раз выше стали);
2) легкость обработки;
3) повышение прочности при низких температурах при сохранении пластичных свойств.
Благодаря этому медь является ценным конструкционным материалом в криогенной технике, а также широко применяется для изготовления теплообменной аппаратуры.
Главным недостатком меди, как и алюминия, является недостаточная механическая прочность.
Коррозионная активность меди не очень велика. Она весьма устойчива в нейтральных и щелочных средах, а также в растворах органических кислот.
В минеральных кислотах, а также в присутствии соединений серы медь легко подвергается коррозии., т.к. не образует защитных оксидных пленок.
Кроме того, медь имеет низкие литейные свойства и не применяется для литых деталей. Основными материалами для литья деталей и арматуры являются сплавы на основе меди – бронзы и латуни.
Латунью называется сплав меди с цинком, содержащий от 10 до 50 % цинка.
Из латуней изготовляют детали трубопроводов, фланцы, бобышки, теплообменные агрегаты, антифрикционные и коррозионностойкие детали.
Бронза – это сплав меди с оловом и другими элементами: алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, свинцом. Бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошо сопротивляются коррозии и обрабатываются резанием. Бронзы находят применение в узлах трения (подшипники скольжения, червячные и винтовые передачи), в водяной, паровой и масляной арматуре.
Свинец. В прошлом свинец был весьма распространенным конструкционным материалом в химическом машиностроении. В настоящее время его применение сокращается вследствие низкой механической прочности и высокой стоимости. Всюду, где возможно, свинец заменяют пластмассами или нержавеющими сталями.
Никель. Вследствие высокой механической прочности и значительной химической стойкости никель считается одним из лучших материалов химического аппаратостроения.
Никель отличается высокой устойчивостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей.
Он устойчив к коррозионному действию большинства органических кислот и растворов солей (азотнокислых, хлористых, сернокислых).
Его также можно применять в тех случаях, когда требуется высокая чистота продукта или недопустимо применение кислотостойких сталей вследствие их действия как катализатора, ускоряющего ход нежелательных реакций.
Однако малая доступность и дороговизна никеля пока препятствуют его широкому распространению.
Обычно из никеля изготавливаются особо ответственные аппараты (реакторы, теплообменники, вкладыши и их детали), которые должны обладать высокой химической стойкостью и механической прочностью и, кроме того, обеспечивать достаточно хороший теплообмен.
Тантал обладает хорошей пластичностью, прочностью, а также тугоплавкостью (температура его плавления 3000 °С) и низкой упругостью паров. Он хорошо куется, плющится, штампуется, но плохо сваривается.
Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства органических и неорганических кислот, растворов солей и других агрессивных сред.
Однако, как и никель, тантал чрезвычайно дорог. Он стоит примерно в 100 раз дороже хромоникелевой стали. Поэтому, из-за крайне высокой стоимости единицы объема, он применяется почти исключительно в виде фольги толщиной 0,15–0,3 мм для обкладки аппаратов.
Титан по прочности немного уступает стали, а удельный вес его почти в 2 раза меньше (4,5 г/см3). Он куется, штампуется, сваривается, хорошо поддается механической обработке, что дает возможность изготовлять из него самое разнообразное оборудование.
Титан не подвергается коррозии ни в нейтральных, ни во многих кислых растворах.
Разрушается титан в среде серной кислоты, концентрированной соляной кислоты, щавелевой кислоты, особенно при повышенной концентрации и температуре.
Т.к. стоимость титана велика (в 8–10 раз выше легированной стали), значительный интерес представляют стальные аппараты, облицованные тонким титановым листом. Однако титан со сталью не сваривается, и конструкционное решение подобных аппаратов представляет трудности.
Неметаллические материалы
Силикатные материалы состоят из различных солей кремневых кислот, алюмосиликатов, кальциевых и магниевых силикатов, чистого кремнезема и др. Они устойчивы к воздействию многих агрессивных сред, что определяется их химическим составом. Причем чем больше в материале содержится оксида кремния (IV), тем выше его устойчивость к кислотам (кроме плавиковой). Но такие материалы разрушаются под действием растворов щелочей и карбонатов с образованием растворимого силиката натрия, например:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O.
Материалы, содержащие в своем составе основные оксиды, устойчивы к щелочным средам, но разрушаются минеральными кислотами.
Стекло. До недавнего времени стекло применялось исключительно в лабораторной практике, но в последнее время оно находит все более широкое применение в химико-фармацевтической промышленности как самостоятельный конструкционный материал.
Важными свойствами, обеспечивающими внедрение стекла на заводах, являются:
высокая химическая стойкость;
· малый коэффициент линейного расширения;
· низкая теплопроводность;
· прозрачность.
К главным недостаткам стекла следует отнести:
· хрупкость;
· слабое сопротивление растяжению, изгибу, удару;
· чувствительность к перепадам температур.
В настоящее время стекло подвергают различным видам обработки, вплоть до закаливания и сваривания. Это позволяет изготовлять из него самые разнообразные изделия, однако наибольшее применение в ХФП нашли стеклянные трубы.
Ситаллы. Ситаллы являются стеклокристаллическими материалами, получаемыми из твердого стекла путем полной или частичной его кристаллизации, и отличаются высокой прочностью и стойкостью к термическим воздействиям, химической стойкостью. Ситаллы являются конструкционным материалом и по своей природе и технологии получения занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. Помимо химического состава, они отличаются от обычного стекла тем, что в конечном виде имеют микрокристаллическое строение, а от керамики – тем, что они производятся путем полного плавления материалов с последующим формованием изделий из стекломассы и их кристаллизацией.
Ситаллы отличаются от большинства других новых материалов возможностью регулирования ценных свойств в процессе изготовления и более прогрессивной технологией, благодаря которой различными методами (выдуванием, вытягиванием, прессованием, прокаткой) можно получать разнообразные изделия.
По твердости они во много раз превосходят стекло, а также обладают весьма высокой химической стойкостью к действию сильных окислителей, кислот, щелочей (кроме плавиковой).
Хотя изделия из ситалла в 1,3–1,5 раза дороже изделий из стекла, их применение более рационально, так как по эксплуатационным свойствам они превосходят изделия из стекла, эмали и других силикатных материалов.
Керамические изделия изготавливают из специальных сортов глины путем формования, сушки и последующего обжига до образования каменнообразного черепка. В процессе обжига изделия покрывают глазурью, состоящей из базальта и специальных легкоплавких глин, для придания им кислотостойкости и непроницаемости.
Керамические материалы обладают высокой стойкостью к минеральным кислотам (за исключением плавиковой кислоты), стойки ко всем органическим растворителям и в несколько меньшей степени – к растворам щелочей.
Керамические изделия весьма долговечны и выходят из строя только вследствие механического разрушения. Однако они чувствительны к резким переменам температуры, поэтому нагрев и охлаждение должны проводиться медленно. Не рекомендуется проводить нагрев аппаратов прямым огнем, а при паровом обогреве температура не должна превышать 120 °С.
К другим недостаткам керамики относится ее чувствительность к ударам, толчкам, натяжениям, изгибам и т.д., что заставляет соблюдать правила эксплуатации, аналогичные правилам эксплуатации эмалированной аппаратуры.
Из керамики изготавливают разнообразную химическую аппаратуру: небольшие емкостные аппараты, поверхностные абсорберы, небольшие колонные аппараты, трубопроводы и трубопроводную арматуру.
Углеграфитовые материалы.Исходным сырьем для углеграфитовых материалов является графит, который для снижения пористости пропитывают связующими смолами – фенолформальдегидными, кремнийорганическими, эпоксидными и др.
Графит устойчив к действию большинства химически агрессивных сред, в том числе и кислот – азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40 %), серной (до 50 %), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию растворов щелочей.
Графитовые материалы хорошо поддаются механической обработке и склеиваются (обычно фенолформальдегидными смолами) с последующей термообработкой.
Удельный вес графита примерно в четыре раза меньше удельного веса стали, поэтому конструкции из графитовых материалов значительно легче аналогичных металлических конструкций.
Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют при изготовлении теплообменников. Кроме того, из него делают трубопроводную арматуру.