Устройства для присоединения трубопроводов и гарнитура реакционных аппаратов

 

Штуцеры изготавливаются из того же материала, что и обечайки и крышки самих аппаратов. Штуцеры стальных и алюминиевых аппаратов привариваются, медных – привариваются или припаиваются к ним. Штуцеры литой аппаратуры отливаются с ней заодно.

рис. 4. Варианты приварки штуцеров

 

Штуцеры могут располагаться: на крышке аппарата, на обечайке и на днище.

На крышке аппарата располагают штуцеры, соединяющие реакционный аппарат с трубопроводами, подводящими и отводящими материалы, участвующие в процессе, а также ряд штуцеров, необходимых для эксплуатации аппарата: для промывки и продувки инертным газом или паром, подачи сжатого воздуха, установки предохранительных клапанов, термометра и других целей.

На обечайке аппарата, как правило, располагают штуцеры для перелива продукта, предназначенные для удаления из аппарата избыточного количества реакционной массы.

На днище располагают штуцеры для спуска продукта. В аппаратах с эллиптическими, сферическими и коническими днищами допускается установка только одного штуцера, расположенного в низшей точке аппарата и обеспечивающего полное удаление жидкости.

Бобышки. Вместо штуцеров с фланцами в некоторых случаях применяются бобышки, которые представляют собой фланцы, приваренные непосредственно к корпусу аппарата (рис. 5).

Достоинство бобышек состоит в том, что они служат укрепляющими кольцами. К их недостаткам относятся необходимость обработки их на цилиндр или сферу и, вследствие этого, большая толщина, чем фланца, и необходимость применения вместо болтов шпилек, ввернутых в тело бобышки. В случае обрыва шпилек (а шпильки чаще всего обрываются заподлицо с поверхностью бобышек) удаление их представляет значительные трудности.

Бобышки применяют для устройства смотровых стекол, при установке сальников, контрольно-измерительных приборов и для присоединения трубопроводов небольших диаметров, вместо штуцеров малых диаметров, которые легко поломать при перевозке и монтаже. Более широко бобышки применяются в литой чугунной аппаратуре, где они отливаются вместе с царгами аппарата.

рис. 5. Стальная приварная бобышка:

а – накладная под фланец, б – вварная под фланец, в – вварная под резьбу

 

Люки и лазы

 

Люки служат для осмотра аппарата, монтажа и демонтажа внутренних устройств, загрузки сырья и очистки.

Конструкции люков и лазов зависят от условий работы и давлении в аппарате. Если лазом пользуются редко, то крышку делают в виде заглушки, поставленную на бобышке или коротком штуцере с фланцем (рис. 6, а). При необходимости частого открывания крышку делают на откидных болтах (рис. 6, б), которые отвертываются значительно быстрее, чем обыкновенные, а люки и лазы, которые необходимо открывать несколько раз в день, делают с поворотной скобой, на конец которой накидывают петлю (рис. 6, в). Вместо болтов они имеют скобу 3, ворот 1, натяжной винт 2 и вилку 4. При закрывании люка скобу подводят под вилку и, вращая ворот, плотно прижимают крышку люка к горловине, так как при вращении ворота натяжной винт поднимает скобу и, опираясь на нее, давит на крышку. Люки со скобой очень удобны в работе при необходимости загрузки сыпучих продуктов в аппарат, однако они очень ненадежны, так как повреждение любого узла, нагруженного давлением, ведет к разрушению всего люка. Поэтому их снимают с производства.

Для облегчения перемещения тяжелых крышек лазов, а также из соображений безопасности крышки лазов делают на шарнире или подвешивают на укосине. Такие конструкции особенно необходимы для лазов, расположенных на большой высоте.

рис. 6. Люки и лазы:

а – с заглушкой; б – с крышкой на откидных болтах; в – с поворотной скобой

 

Опоры аппаратов

 

Опоры аппаратов служат для установки аппаратов на фундаменты и несущие конструкции.

При установке вертикальных аппаратов на полу или на фундаментах применяют опорные лапы (стойки), при подвеске их между перекрытиями – боковые.

Сварная лапа (рис. 7, б) состоит из двух вертикальных косынок и приваренного к ним снизу основания с отверстиями для крепления оборудования к фундаменту и отжимными болтами, которые служат для точной установки машин и аппаратов при монтаже. Лапы приваривают к боковым стенкам корпуса аппарата. При незначительной толщине стенки под лапы приваривают накладные листы.

Стойки приваривают к днищам вертикальных аппаратов (рис. 7, а). Стойки также состоят из двух вертикальных косынок и приваренного к ним снизу основания. В резьбовом отверстии основания установлен регулировочный винт, предназначенный для нивелирования. Второе отверстие служит для крепления аппарата к фундаменту при помощи анкерных болтов. При небольшой толщине днища над стойками также приваривают накладные листы.

рис. 7. Опоры аппаратов:

а – опорные стойки; б – боковые лапы; в – опоры из труб и уголков

 

Для опирания горизонтальных аппаратов используют седловидные опоры, размещаемые снизу аппарата и охватывающие его не менее чем на 120° по окружности. Количество опор может быть 2, 3 и более, в зависимости от длины аппарата.

 

Теплообменные устройства

 

По конструктивному исполнению теплообменные устройства подразделяют на наружные и внутренние.

Примером устройств первой группы является греющая рубашка.

Рубашка представляет собой сосуд, который надевается на корпус аппарата с зазором.

Гладкая рубашка эффективна, когда скорость движения теплоносителя мало влияет на теплопередачу, например, при обогреве паром. При использовании жидких теплоносителей для увеличения скорости их движения к рубашке приваривают спираль. Это увеличивает эффективность теплообменного устройства иногда в 6–7 раз.

Соединение сосуда с рубашкой выполняется в различных вариантах (рис. 8).

 

рис. 8. Варианты присоединения рубашки к корпусу аппарата:

1 – рубашка; 2 – аппарат; 3 – нижний сливной штуцер

 

Иногда соображения технологического характера заставляют применять рубашку, покрывающую целиком боковую поверхность аппарата и, следовательно, доходящую до его верхнего фланца.

рис. 9. Способы крепления фланцев рубашки (3), аппарата (2) и крышки (1)

 

По условиям механической прочности давление насыщенного водяного пара, подаваемого в рубашку стального аппарата, не должно превышать 1,1 МПа, в рубашку чугунного аппарата 0,6 МПа.

рис. 10. Приваренные змеевики:

а – из целой трубы; б – из полутрубы; в – из профильного проката

 

Если для обогрева стальных реакторов требуется насыщенный водяной пар давлением выше 1,1 МПа или необходимы высокие скорости движения теплоносителей, применяют приваренные снаружи к стенке реактора змеевики, выполненные из целой трубы (рис. 10, а), полутрубы (рис. 10, б) или профильного проката (рис. 10, в), а также рубашки со вмятинами.

рис. 11. Рубашка из полутруб (а) и со вмятинами (б)

 

Рубашки из полутруб (рис. 11, а) выполняются из спиральной полутрубы, приваренной к цилиндрической части сосуда. На днище устанавливается рубашка со вмятинами или змеевик из трубы полного сечения. Рубашки со вмятинами (рис. 11, б) выполняются из обечайки 2, на которой предварительно прорублены отверстия 1, а их кромки отогнуты внутрь. Кромки отверстий привариваются к сосуду аппарата.

Рубашка имеет ограниченную поверхность и не всегда способна обеспечить требуемый теплообмен. В этих случаях прибегают к установке внутренних теплообменных элементов (рис. 12).

Их выполняют в виде цилиндрической (" а ") или плоской (" б ") трубчатой спирали. В первом случае спираль устанавливают около стенки, во втором – у дна реактора. Недостаток такого расположения змеевиков – в сложности их чистки. В качестве теплообменных элементов вместо змеевиков часто используют полые диффузоры в виде цилиндрического или конического стакана с легко очищаемыми стенками (" в ") или пучки прямых труб (" г ").

 

рис. 12. Внутренние теплообменные элементы:

а – цилиндрическая трубчатая спираль; б – плоская трубчатая спираль; в – диффузор; г – пучок прямых труб

 

Кроме змеевиков используют также специальные охлаждающие гильзы (рис. 13).

 

рис. 13. Гильзы:

1 – трубка для ввода охлаждающей жидкости; 2 – трубка для вывода охлаждающей жидкости; 3 – фланец

 

Перемешивание

Конструктивное оформление процесса перемешивания

 

Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через понижающую передачу.

Традиционный вид оборудования для механического перемешивания – вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой, ось вращения которой совпадает с осью. Основными элементами таких аппаратов являются корпус, привод, уплотнение вала и мешалка.

Приводом перемешивающего устройства практически всегда служит электродвигатель, соединенный с валом мешалки прямой или понижающей передачей. Прямая передача встречается сравнительно редко, основными областями ее применения являются аппараты малого объема (менее 1 м³), переносные мешалки и аппараты с экранированными электродвигателями, используемые в качестве привода аппаратов, предназначенных для перемешивания токсичных, взрыво- и пожароопасных веществ при повышенных давлениях.

рис. 14. Сальниковое уплотнение:

1 – корпус; 2 – нажимная крышка; 3 – втулка; 4 – натяжные шпильки; 5 – сальниковая набивка

 

Уплотнение вала осуществляется различными способами, зависящими в основном от давления среды в аппарате, требуемой степени герметизации и других специфических условий, предъявляемых к тому или иному аппарату.

Аппараты, предназначенные для перемешивания нетоксичных и невзрывоопасных жидкостей при невысоких давлениях (до 0,6 МПа) снабжают сальниковыми уплотнениями.

Торцовые уплотнения более совершенны, поэтому ими снабжаются аппараты, предназначенные для перемешивания токсичных и взрывоопасных сред.

рис. 15. Одинарное торцовое уплотнение:

1 – корпус; 2 – сильфон; 3 – неподвижное графитовое кольцо; 4 – подвижное кольцо; 5 – втулка; 6 – пружина

 

рис. 16. Гидравлическое уплотнение:

1 – вал; 2 – втулка; 3 – кольцевая канавка; 4 – трубка; 5 – дроссельный вентиль; 6 – крышка аппарата; 7 – стакан; 8 – неподвижный стакан

Для аппаратов, работающих при высоких давлениях (10 МПа и более), применяется втулочное гидравлическое уплотнение.

рис. 17. Реактор с экранированным электродвигателем:

1 – ротор электродвигателя; 2 – вал; 3 – подшипники; 4 – экранирующая гильза; 5 – статор; 6 – горловина; 7 – крышка реактора; 8 – кожух; 9 – змеевик

 

Все вышеописанные способы не гарантируют полной герметизации аппаратов. Утечки перерабатываемой среды в атмосферу можно полностью устранить, применив в качестве привода асинхронный электродвигатель с экранирующей гильзой или магнитную муфту.

рис. 18. Манжетное уплотнение:

1 – фланец; 2 – манжета; 3 – диск; 4 – стальная пружина

 

В оборудовании, работающем при атмосферном давлении широко используются манжетные уплотнения (рис. 18).

Мешалки

 

ГОСТом 20680–80 регламентируется 12 типов мешалок: трехлопастная с углом наклона лопасти a = 24°; винтовая (пропеллерная); турбинная открытая; турбинная закрытая; шестилопастная, с углом наклона лопасти a = 45°; клетьевая; лопастная; шнековая; якорная; рамная; ленточная; зубчатая.

Все применяемые мешалки могут быть разделены на быстроходные и тихоходные. Под быстроходными понимаются мешалки, используемые для перемешивания жидких сред при турбулентном и переходном режимах движения жидкости; под тихоходными – при ламинарном движении жидкости. Быстроходные мешалки обычно применяются в аппаратах при значениях Г ³ 1,5 (, где D _ап – внутренний диаметр аппарата, d _м – диаметр мешалки), тихоходные – при значениях Г = (1,05¸1,25).

При работе любых вращающихся мешалок возникает сложное трехмерное течение жидкости: тангенциальное, радиальное и осевое. При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на кромках мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости равна скорости вращения мешалки.

Радиальное течение характеризуется направленным движением жидкости от мешалки к стенкам аппарата за счет центробежной силы, возникающей при вращении мешалки. Дойдя до стенки сосуда, поток жидкости делится на два: один движется вниз, другой вверх (рис. 19). Осевое течение жидкости направленно параллельно оси вращения мешалки. При осевом течении создается циркуляция жидкости (насосный эффект), являющийся важной характеристикой мешалки: чем больше насосный эффект, тем лучше идет процесс перемешивания.

 

рис. 19. Профиль жидкости при тангенциальном (а), радиальном (б) и осевом (в) течении

 

Быстроходные мешалки. К быстроходным относят лопастные, пропеллерные, турбинные, клетьевые и зубчатые мешалки.

Лопастные мешалки. Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу.

Наиболее часто применяют двухлопастные (иногда называемые лопастными), трехлопастные и шестилопастные мешалки.

 

рис. 20. Лопастные мешалки:

а – двухлопастная; б – трехлопастная; в – шестилопастная; 1 – втулка; 2 – лопасть; 3 – укрепляющие ребра

 

Турбинные мешалки работают по принципу центробежного насоса. В отличие от лопастных, рамных и якорных мешалок, сообщающих жидкости в основном вращательное движение, они обеспечивают и значительное радиальное течение.

 

рис. 21. Турбинная мешалка

 

Турбинные мешалки снабжены лопатками и имеют четко очерченный ротор (рис. 21). Наиболее простой и одновременно высокоэффективной является мешалка с прямыми лопастями, расположенными радиально. Лопатки могут быть приварены к диску или прикреплены с помощью болтов. Плоские лопатки могут также быть наклонены под определенным углом относительно плоскости вращения мешалки (чаще всего a = 45°).

Винтовые мешалки представляют собой сварную трехлопастную конструкцию. Каждая из трех лопастей выполняется из листа и является частью правильной винтовой поверхности, имеющей постоянный шаг, равный диаметру пропеллера d _м (рис. 22).

рис. 22. Винтовая мешалка

 

Быстроходные мешалки чаще всего работают в аппаратах с отражательными перегородками. Целью установки отражательных перегородок служит изменение структуры поля скоростей – уменьшение окружной составляющей скорости при соответствующем увеличении осевой и радиальной составляющих. Преимущественно окружной характер движения перемешиваемой среды в аппаратах без внутренних устройств в ряде случаев ограничивает возможности интенсификации перемешивания вследствие завихрения жидкости и образования воронки.

В аппаратах с неметаллическими покрытиями (эмалированные, гуммированные) роль отражательных перегородок выполняют отражатели, закрепляемые на крышке (рис. 23). Для повышения жесткости при действии гидродинамических нагрузок отражатели изготавливают из труб.

рис. 23. Схемы отражателей:

а, б – с прямыми лопастями; в – с изогнутыми лопастями; г – веслообразный отражатель

К тихоходным мешалкам относятся рамные, якорные, шнековые и ленточные мешалки.

Рамные и якорные мешалки (рис. 24) отличаются исключительно низким числом оборотов. Их окружная скорость не превышает 0,5–1,5 м/с, а число оборотов 0,33–1 об/с. Диаметр мешалок приближается к диаметру сосуда, и зазор между лопастью и стенкой сосуда обычно принимается в пределах (0,005¸0,1) D. Таким образом, в случае применения этих мешалок можно избежать местного перегрева жидкости (при нагреве с помощью рубашки) или осадка на дне сосуда. Якорные и рамные мешалки применяются для перемешивания жидкостей высокой вязкости. Якорные мешалки пригодны для перемешивания жидкостей вязкостью 50 Па×с, а рамные – для перемешивания жидкостей вязкостью 100 Па×с.

 

рис. 24. Тихоходные мешалки:

а – якорная; б – рамная для аппаратов с эллиптическими днищами; в – рамная для аппаратов с коническими днищами