Химическое машиностроение

Отрасль

Химическое  машиностроение является отраслью тяжелого машиностроения, которая обеспечивает развитие научно-технической революции  во всем народном хозяйстве и имеет  довольно сложную структуру. Структура  химического машиностроения подразумевает  ее переплетение с другими отраслями, среди которых нефтехимическая, сельскохозяйственная, целлюлозно-бумажная, космическая, микробиологическая, медицинская, газовая, фармацевтическая отрасли  и прочие. На производство качественного  оборудования для этих отраслей и  ориентированно химическое машиностроение.

В состав отрасли  химического машиностроения включаются промышленные предприятия крупного масштаба, а также различные лаборатории  и институты научно-исследовательского плана. Основные предприятия рассматриваемой  отрасли на территории России это: «БТ Химмаш» (г. Санкт-Петербург), «УралХимМаш» (г. Екатеринбург), «ЭКОТЕХСПЛАВ» (г. Москва), «Гидрогаз» (г. Воронеж) и некоторые другие.

Производство  химического  оборудования является одним из наиболее трудоемких и затратных  типов производств. Связано это  с тем, что  химическое оборудование  должно быть  устойчиво к  действию химических веществ, термической и  иным видам обработки,   что  делает  процесс производства химического  оборудования достаточно сложным и  ответственным. Так при эксплуатации на открытом воздухе, оборудование подвергается воздействию атмосферных осадков, солнечной радиации, пыли и различных промышленных газов, испытывает интенсивное тепловое, силовое и коррозионное воздействие, что оказывает влияние на физико-механические свойства его металла ( ухудшает их), ведет к изменению толщины, деформированию основных силовых элементов, а следовательно, уменьшает прочность конструкции и способствует возникновению концентрации напряжений.

Все оборудование химических производств можно разделить  на три класса: машины, аппараты и  транспортные средства.

Классификация химического оборудования

-теплообменные аппараты: пластинчатые, кожухотрубчатые теплообменники, конденсаторы и испарители, аппараты воздушного охлаждения, погружные и оросительные холодильники и конденсаторы и т. д.;

-массообменные аппараты: ректификационные и экстракционные колонны, абсорберы и десорберы, колонны синтеза, оросительные башни и др.;

-аппараты-реакторы: реакторы, регенераторы, реакционные камеры;

-нагревательные аппараты огневого действия: огневые подогреватели, трубчатые печи, котлы-утилизаторы.

-аппараты для разделения сред и очистки продуктов от примесей: сепараторы, фильтры, центрифуги, отстойники, циклоны и т. д.;

-мешалки-аппараты, предназначенные для смешения сред;

-сосуды для хранения продуктов: сферические и цилиндрические резервуары, мерники, емкости и т. д.

Материалы

Материал, предназначенный  для изготовления деталей аппарата, должен удовлетворять требованиям, обусловленным конструкцией, технологии обработки и эксплуатации аппарата. При выборе материала следует учитывать следующие показатели: прочность, удельный вес, теплопроводность, коэффициент линейного расширения, сопротивление колебания температур, стойкость против химической и электрохимической коррозии, влияние материала на рабочую среду, пористость материала, изменение свойств при термической обработке, пластичность, возможность обработки резанием, вязкость и ковкость, литейные свойства, свариваемость, возможность пайки и склеивания, стоимость материала, дефицитность материала.

Стали. В аппаратостроении наибольшее распространение получили углеродистые и низколегированные стали с содержанием легирующих добавок до 2,5 %. Эти стали обладают высокой пластичностью, способны свариваться, отливаться, коваться и штамповаться, хорошо обрабатываются резанием.

С повышением содержания углерода снижается пластичность и ухудшается свариваемость стали. Поэтому для сварных аппаратов  рекомендуется применять углеродистые стали с содержанием углерода не более 0,3 % и легированные стали  с содержанием углерода не более 0,2 %.

Для аппаратов, работающих при высоких температурах и в условиях взаимодействия агрессивных  сред, применяются высоколегированные хромоникелевые и хромомолибденовые  стали марок 1Х18Н9Т, Х18Н11Б, Х18Н12М2Т  и Х18Н12М3Т. Эти стали могут быть сварены и обработаны давлением как в горячем, так и в холодном состоянии, но они очень чувствительны к наклепу.

С целью экономии дорогостоящих легированных сталей в аппаратах, предназначенных для  агрессивных сред, используют двухслойные  стали, состоящие из основного углеродистого  и кислотостойкого слоев.

Биметаллы изготовляют толщиной от 3 мм и выше с кислотостойким слоем от 5 до 50 % общей толщины листа. Наиболее важным условием подбора марок свариваемых материалов является равенство коэффициентов линейного расширения.

Чугуны. Второй обширной группой материалов, применяемых в аппаратостроении, являются чугуны. Для изготовления аппаратов, подвергающихся воздействию кислот, применяют серый чугун и высококремнистые чугуны. Для аппаратов со щелочной средой – легированные чугуны, химическая стойкость которых повышена добавками никеля, хрома, молибдена или кремния. Чугуны не обладают пластичностью, их штамповка невозможна даже в нагретом состоянии. Высокая хрупкость чугунов не позволяет применять ударные нагрузки. Основным способом переработки чугунных заготовок в изделия является литье.

Медь и ее сплавы. Техническая медь имеет высокую электропроводность и теплопроводность, хорошо обрабатывается давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Существенный недостаток меди – плохо сваривается газовой сваркой и быстро корродирует в среде некоторых кислот.

Медно-цинковые сплавы – латуни – обладают хорошими механическими и технологическими свойствами. Добавки олова, марганца, никеля, алюминия, железа и др. сообщают сплавам повышенные механические и  физические свойства. Латуни достаточно устойчивы в отношении общей  коррозии, но в напряженном состоянии  они весьма чувствительны к коррозионному  растрескиванию. Эти сплавы при хранении на воздухе легко разрушаются, поэтому  их необходимо подвергать отпуску при  температуре 280-300 °С.

Бронзы представляют собой сплав меди с оловом, однако оловянные бронзы используются ограниченно  из-за дефицитности олова. Их успешно  заменяют безоловянными бронзами, получаемыми путем сплава меди с алюминием (1-10 %), бериллием (1,6-2,0 %) или кремнием (до 3,5 %). Высокими механическими и антикоррозионными свойствами обладают кремнистые бронзы. Они отлично обрабатываются давлением, хорошо свариваются и паяются, немагнитны, не дают искры при ударах и не теряют своей пластичности при низких температурах.

Медь и  ее сплавы нашли широкое применение в промышленности глубокого холода, органического синтеза и органических кислот.

Алюминий. Алюминий обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью и сопротивлением коррозии при малом удельном весе. Отлично обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Образование на поверхности алюминия окисной пленки увеличивает его коррозионную стойкость, однако ее наличие мешает проведению сварки и пайки.

Алюминий  и его сплавы (с марганцем АМц, с магнием АМг, с магнием и кремнием АВ) применяются в промышленности глубокого холода, в производстве аммиачной селитры, азотной кислоты.

Титан в 2 раза легче и в 6 раз менее теплопроводен, чем сталь. Его сплавы в 2-3 раза прочнее алюминиевых и превосходят по прочности некоторые легированные стали. Титан и его сплавы обладают очень высокой стойкостью против действия агрессивных сред и высоких температур, приближаясь по стойкости к платине. Из титана можно изготовлять теплообменники для различных кислотных оснований, автоклавы для переработки горячих газов и другие аппараты, работающие в условиях агрессивной среды и высокого давления.

Неметаллические материалы. В химической промышленности применяют машины, аппараты, узлы и другое оборудование, выполненное из неметаллических материалов. Такие процессы, как хлорирование, бромирование, получение хлор- и фторорганических продуктов, проводят в реакторах из неметаллических материалов.

1) в качестве  конструкционных материалов для  аппаратов, работающих под давлением,  с температурой стенки выше 450 °С применяются, только специальные высоколегированные стали. Углеродистые и качественные углеродистые стали, применяются при температуре 400-450 °С. Для цветных металлов (меди, латуни, бронзы и др.) установлена более низкая температура, т. к. наблюдаемое явление хрупкости обусловленно присутствием вредных примесей свинца, сурьмы, висмута и др. 2) в аппаратах с высокотемпературными процессами не применяют пластмасс, т. к. они уже при температуре 100-150 °С становятся пластичными; 3) сосуды, обогреваемые непосредственно пламенем или газами с температурой выше 450 °С, снабжаются указателем уровня жидкости; 4) в конструкциях аппаратов обязательно учитываются температурные деформации различных частей изделия, когда наблюдаются местные перегревы или части аппарата изготовлены из разных материалов.

Производства химической аппаратуры

I. Заготовительные операции:

– первичная  обработка основного металла (правка листового и сортового проката, очистка металла);

– обработка  заготовок (разметка, раскрой, обработка  кромок, гибка заготовок);

– прессовые (горячая и холодная штамповка).

II. Сборочные – сборка свариваемых элементов:

– до сварки продольных и поперечных швов корпусов аппаратов;

– до сварки деталей аппаратов: штуцеров, лап, фланцев  и др.;

– сборка трубных  узлов и секций трубопроводов;

– сборка монтажных  узлов.

III. Сварочные: автоматическая, ручная дуговая, контактная.

IV. Термические:

– предварительная  термическая обработка до сварки и в процессе ее (подогрев);

– термическая  обработка после обработки давлением  и сварки (отжиг, высокий отпуск и  др.).

V. Сборочные: узлов, аппаратов.

VI. Операции  контроля: