Технологічний апарат

Теплообмінний апарат

Промислові ректифікаційні колони

Конденсатор у розрізі

Ємкісний хімічний реактор (у розрізі) періодичної дії з мішалкою та охолоджувальною сорочкою

Ємкісний хімічний реактор (вигляд зсередини) з нержавкої сталі (ANSI 316) з триступеневою мішалкою під час перевірки внутрішнього стану

Технологі́чний апара́т — технологічне устаткування, що призначене для здійснення в ньому хімічних, фізичних або фізико-хімічних процесів (хімічна реакція, теплообмін без зміни агрегатного стану, випаровування, конденсація, кристалізація, розчинення, випарювання, ректифікація, абсорбція, адсорбція, сепарація, фільтрація тощо) а також для зберігання чи переміщення в них різноманітних речовин.

За ДСТУ 3007-95:

Апарат (технологічний) — устаткування, з обов'язковою наявністю робочого органу для здійснення впливу на продукти, який змінює їхні фізичні та хімічні властивості або агрегатний стан

Загальні поняття

Апаратними називають технологічні процеси, які протікають під впливом теплової, хімічної або електричної енергії у спеціальних апаратах: печах, реакторах, автоклавах, ваннах тощо. На відміну від механічних процесів, за яких змінюються розміри, форма і зовнішній вигляд предмета праці, в апаратних процесах одержують продукт, відрізняється від сировини за хімічним складом чи агрегатним станом.

Апаратні процеси поширені в хімічній, нафтопереробній, металургійній, харчовій промисловості, а також у виробництві електричної та теплової енергії.

У залежності від виду процесу, що відбувається в технологічному апараті, останній отримує свою назву: хімічний реактор, ядерний реактор, теплообмінник, конденсатор тощо.

Речовини, що містяться чи переробляються в апаратах, можуть: перебувати у різних агрегатних станах (частіше у рідкому чи газоподібному, рідше у твердому), мати різну хімічну активність (стосовно конструкційних матеріалів) — від інертних до агресивних, бути стосовно обслуговчого персоналу нешкідливими аж до шкідливих та вибухо- вогненебезпечних.

Режими роботи

Різні технологічні процеси в апаратах здійснюються при різних, властивих кожному процесу, тисках — від глибокого вакууму до надлишкового у сотнях тисяч кПа та температурах — від —250 до +900 °C.

Режим роботи апаратів може бути неперервним і періодичним, а встановлення апаратів може бути стаціонарним (у приміщенні чи на відкритому майданчику) і нестаціонарним (передбачає чи допускає переміщення апарату).

Особливості будови технологічних апаратів

Усі апарати поряд з наявністю в них своїх специфічних пристроїв, зазвичай складаються з таких основних елементів:

• циліндричного корпусу (з однієї чи декількох обичайок);
• днища;
• кришки;
• штуцерів (для приєднання трубопровідної арматури та трубопроводів);
• пристроїв для приєднання контрольно-вимірювальних приладів;
• люків;
• опор;
• зварних і фланцевих з'єднань;
• риштування.

Власне апарати поділені за найзручнішою для конструювання ознакою на три характерних види: ємнісні, теплообмінні і колонні.

Ємкісні апарати

Основною ознакою ємкісних апаратів є відношення довжини (висоти) до діаметра H/D ≤ 5, у яких можуть бути різноманітні спеціальні внутрішні пристрої (мішалки, розбризкувачі тощо), а також зовнішні обігрівальні (охолоджувальні) сорочки.

Теплообмінні апарати

Відрізняльною ознакою теплообмінників (переважно кожухотрубних) є наявність у них теплообмінної поверхні незалежно від розташування апарата (горизонтального чи вертикального).

Колонні апарати

Особливістю колонних апаратів є їх вертикальне розташування та відношення H/D > 5, у яких розміщені додаткові пристрої у вигляді тарілок чи насадок (у сорбційних та ректифікаційних колонах).

Основні розрахункові параметри

Основними розрахунковими параметрами для вибору конструкційного матеріалу і розрахунку елементів апарату на міцність є температура і тиск середовища робочого процесу.

Температура

Розрізняють робочу і розрахункову температури:

Робоча температура t — це температура середовища технологічного процесу при нормальному його перебігу.

Розрахункова температура t_R — це температура стінки для визначення фізико-механічних характеристик конструкційного матеріалу і допустимих напружень. Визначається на основі теплового розрахунку та результатів випробувань.

Тиск

Розрізняють робочий, розрахунковий, умовний (номінальний) і пробний тиски.

Робочий тиск p — максимальний внутрішній надлишковий або зовнішній тиск середовища в апараті при нормальному перебігу технологічного процесу без врахування гідростатичного тиску і допустимого короткочасного підвищення тиску під час спрацювання запобіжного пристрою (клапана). Для випадку розрідження робочим тиском є вакуум.

Розрахунковий тиск p_R — максимальний допустимий робочий тиск, на який роблять розрахунок міцності і стійкості елементів апарату при їх максимальній температурі.

Умовний (номінальний) тиск p_у — надлишковий робочий тиск при температурі елементів апарату 20 °C (без врахування гідростатичного тиску). Умовні тиски приймають за ГОСТ 356-80 при стандартизації апаратів та їх вузлів з ряду 0,10 (1,0); 0,16 (1,6); 0,25 (2,5); 0,40 (4,0); 0,63 (6,3); 1,00 (10); 1,60 (16); 2,50 (25); 4,00 (40); 6,30 (63); 10,00 (100); 12,50 (125); 16,00 (160); 20,00 (200); 25,00 (250); 32,00 (320); 40,00 (400); 50,00 (500); 63,00 (630); 80,00 (800); 100,00 (1000); 160,00 (1600); 250,00 (2500) МПа (кгс/см²).

Під пробним тиском (p_пр) слід розуміти надлишковий тиск, при якому повинно проводитись гідравлічне випробування апарату, арматури і деталей трубопроводу на міцність і герметичність водою при температурі не менше 5 °C і не більше 70 °C, якщо в нормативно-технічній документації не зазначено конкретне значення цієї температури. Граничне відхилення значення пробного тиску не повинно перевищувати ± 5 %.

Класифікація технологічних апаратів

За ОСТ 26 291-94 технологічні апарати поділяються на п'ять груп:

• Група 1 — розрахунковий тиск p_R>0,07 МПа незалежно від температури для вибухонебезпечного і пожежонебезпечного середовища 1 та 2 класів небезпеки за ГОСТ 12.1.007-76
• Група 2 для наступних співвідношень розрахункових тиску і температури:
  • 0,07 МПа < p_R < 2,5 МПа, t_R > +400 °С;
  • 2,5 МПа < p_R < 5,0 МПа, t_R > +200 °С;
  • 4,0 МПа < p_R < 5,0 МПа, t_R < —40 °С;
  • p_R > 5,0 МПа незалежно від температури.
• Група 3 для наступних співвідношень розрахункових тиску і температури:
  • 0,07 МПа < p_R < 1,6 МПа, 200 °С < t_R < +400 °С та t_R < -20 °С;
  • 1,6 МПа < p_R < 2,5 МПа, t_R < +400 °С;
  • 2,5 МПа < p_R < 4,0 МПа, t_R < +200 °С;
  • 4,0 МПа < p_R < 5,0 МПа, —40 °С < t_R > +200 °С.
• Група 4 для співвідношень розрахункових тиску і температури:
  • 0,07 МПа < p_R < 1,6МПа, —20 °С < t_R > +200 °С.
• Група 5а та Група 5б для розрахункового тиску p_R<0,07 МПа незалежно від температури для вибухонебезпечного і пожежонебезпечного середовища 1, 2, 3 класів та 4 класу небезпеки за ГОСТ 12.1.007-76, відповідно.

Див. також

• Ректифікаційна колона
• Пароконденсатор
• Десорбер
• Хімічний реактор

Джерела

• Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник: учеб. пособие / А. С. Тимонин. — 2-е изд., перераб. и доп. — Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2002. Т. 1. — 2-е изд., перераб. и доп. — 2002. — 852 с. — ISBN 5-89552-043-X
• Орлов П. И. Основы конструрования. Спрвочно-методическое пособие. Книга 1. — М.: Машиностроение, 1988.
• Орлов П. И. Основы конструрования. Спрвочно-методическое пособие. Книга 2. — М.: Машиностроение, 1988.

Література

• Колонні апарати в нафтопереробці та нафтохімії: Навч. посіб. для студ. напряму 0916 «Хім. технологія та інженерія» для спец. 7.091604 «Хім. технологія палива та вуглец. матеріалів» / П. І. Топільницький, О. Б. Гринишин; Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Л., 2004. — 144 c. — Бібліогр.: с. 139—141.