Лекция 1. Химическое производство. Виды технологического оборудования

Лекция 1. Химическое производство. Виды технологического оборудования

Тема 1.2 «Классификация технологического оборудования»

На химических производствах задействовано огромное количество всевозможного промышленного оборудования, которое можно разделить на аппараты, машины, транспортные средства.

Аппарат– инженерная конструкция, которая обладает рабочим объемом и оснащена энергетическими и контрольно-измерительными средствами управления и мониторинга техпроцессом.

Машина– инженерная конструкция, в которой протекание технологического процесса сопряжено с вводом в рабочий объем механической энергии посредством рабочих органов оборудования.

Рабочий объем (реакционное пространство) – место протекания технологического процесса.

Второй тип реакторов обладает максимально высокой производительностью и намного проще в устройстве, включая средства управления и контроля технологических процессов, но позволяет получать очень ограниченное число видов конечного продукта.

Кроме этого, все химическое оборудование, в зависимости от его назначения, делят на:

1) универсальное – данное оборудование используется на предприятиях в таком виде, как есть, без внесения в него каких-либо изменений. К нему относятся:

-насосы агрессивных сред (более подробно о насосах);

-миксеры, сушилки, центрифуги и сепараторы (более подробно о центрифугах);

-компрессоры (более подробно о компрессорах);

-вентиляторы (более подробно о вентиляторах и сжатии газа);

-фильтры, пылеулавливающие и газоочистительные устройства (более подробно о фильтрах и газоочистке);

-транспортные средства.

2) специализированное – это оборудование, которое задействовано в каком-либо одном технологическом процессе различных изменений. К нему относятся:

-теплообменные агрегаты (более подробно о теплообменном оборудовании);

-ректификационные (разделяющие жидкие смеси) колонны;

-абсорбционные аппараты.

3) специальное – оборудование, которое используется только для осуществления одного производственного процесса. К нему относятся:

-каландры и каландровые агрегаты (более подробно о валковых машинах, каландрах);

-прессы вулканизационные (более подробно о прессовом оборудовании);

-шахтные хлораторы;

-сублимационные установки.

Кроме прочего, технологическое оборудование делится еще на основное и вспомогательное.

Основное – это машины, установки и аппараты, в которых протекают различные технологические операции и процессы.

К основному промышленному оборудованию химических производств относятся следующие аппараты: реакционные – контактные устройства, реакторы, шахтные конверторы и колонны синтеза (производство аммиака) и другие устройства; машины и аппараты для осуществления физико-химических операций и процессов – теплообменные и выпарные аппараты, абсорберы, вальцы, сушилки, прессы, каландры и так далее.

Вспомогательное – различные резервуары, емкости и хранилища. Вспомогательное оборудование предназначено для осуществления дополнительных производственных процессов. К вспомогательному оборудованию относятся емкости, способные хранить и транспортировать различные типы веществ и материалов: резервуары, газгольдеры, бункеры.

Тема 1.3 «Требования к химическому оборудованию»

Химическому оборудованию предъявляются следующие основные требования:

1) механическая прочность, определяющая способность конструкции выдерживать рабочие нагрузки;

2) устойчивость – способность конструкции сохранять в рабочем состоянии свою первоначальную форму;

3) долговечность – продолжительность его эксплуатации (обычно принимают равным 10-15 лет);

4) герметичность – способность конструкции машины или аппарата не пропускать находящуюся в них под давлением среду;

5) простота устройства, обслуживания и ремонта;

6) технологичность конструкции – простота и невысокая трудоемкость изготовления, применения в конструкции стандартных и унифицированных

элементов;

7) надежность и безопасность во время эксплуатации – свойство аппарата сохранять во времени функциональные возможности при требуемых параметрах;

8) транспортабельность – возможность транспортирования оборудования комплектно или блоками с завода-изготовителя к месту монтажа;

9) экономичность – минимальная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации;

10) высокие производительность и КПД;

11) стабильное обеспечение требуемых технологических режимов в условиях непрерывного автоматизированного производства;

12) удовлетворение требованиям технической эстетики.

Все указанные требования взаимосвязаны, поэтому необходимо их оптимальное сочетание.

Виды КМ

1. Металлы группы железа и их сплавы между собой и с другими элементами.

2. Медь и её сплавы.

3. Алюминий и его сплавы.

4. Титан, тантал, ниобий, цирконий, вольфрам и их сплавы.

5. Стекло, фарфор, полиоксидные керамики.

6. Полимеризационные пластмассы, каучуки и резины, углепластики.

7. Композиционные, наполненные и тканые материалы

ЖЕЛЕЗО и его сплавы

Самый важный класс конструкционных материалов всей техники. Железо – довольно твёрдый серебристо-белый металл.

Чистое железо использутся только в электротехнических изделиях.

В качестве конструкционных материалов для основных узлов применяются железоуглеродные сплавы: чугуны и углеродистые стали, а также стали с добавками иных металлов – легированные. Кроме того, определённое применение в не контактирующих со средой узлах находят железо-, кремне-, алюминеуглеродные сплавы – ферросилиций; силаль, сихромаль.

Чугуны

Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода от 2,03 до 5,7 %. Получают в результате доменного процесса из железной руды. Чугуны, содержащие менее 4,25 % углерода, называют доэвтектическими; свыше 4,25 % углерода, называют заэвтектическими

По плотности и теплоёмкости чугуны почти не отличаются от сталей. Как правило, имеют большую теплопроводность. Высокоферромагнитны. Химическая стойкость чугунов в водных средах, особенно кислых, невысока: соответствует уровню: «ограниченно стойкий-нестойкий».

Достоинства чугунов: хорошо льются, а также поддаются обработке резанием и шлифованием. Благодаря этому, на чугунном оборудовании формируют гладкие поверхности, что позволяет наносить на чугунные аппараты разнообразные устойчивые защитные покрытия; в первую очередь – эмалевые, которые на чугуне держатся лучше, чем на стали.

Основные недостатки чугунов – хрупкость и несвариваемость.

Из чугуна изготавливают корпуса трубопроводной арматуры; сосудов и реакторов-котлов, а также разнообразные детали и узлы механических агрегатов.

Тз-за хрупкости чугуна стенки сосудов приходится делать толстыми (не менее 18 мм). Поэтому чугунная аппаратура всегда значительно тяжелее стальной или титановой. Чугунные аппараты малопригодны для ведения высокоэнергетичных процессов. В настоящее время использование чугуна сокращается.

Углеродистые стали

Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода не более 2,03 %. Получают в результате конвертерных процессов из чугуна или непосредственно из железной руды.

Как и чугуны – ферромагнитны.

Маркировка углеродистых сталейвключает: аббревиатуру «Ст»; цифровое указание массовой доли углерода в десятых или сотых долях %; буквенное обозначение технологии удаления кислорода/раскисления (Сп–спокойная; Кип – кипящая).

Пример маркировки:

Ст10 Сп

В сталях жёстко ограничивают содержание серы (<0,02 %) и фосфора (<0,03 %).

Обладают высокими пластическими, прочностными и технологическими характеристиками. К ним хорошо применимы все методы механической, термической и оптической обработки.

Химическая стойкость углеродистых сталей в водных и водно-органических средах, особенно кислых, также невысока: соответствует уровню: «ограниченно стойкий - нестойкий». Стали довольно устойчивы к щелочным и аммонийным средам. Органические кислоты, особенно муравьиная и уксусная, корродируют углеродистые стали.

Используют для изготовления всех видов и типов химического оборудования. Детали, предназначенные для контакта с агрессивными средами, подлежат антикоррозийной защите. В настоящее время использование углеродистых сталей сокращается.

Коррозионностойкие стали

Основной способ улучшения свойств углеродистых сталей – введение в состав сплава т. н. легирующих добавок – компонентов, обеспечивающих повышение отдельных или сразу многих качеств сплава. Стали, содержащие такие добавки, называют легированными.

Для химического машиностроения наиболее важно улучшить антикоррозионные свойства. Соответственно, коррозионностойкие стали представляют важнейший класс легированных.

Наиболее сильным пассивирующим действием на стали обладают хром, никель, титан, ниобий и марганец.

Коррозионностойкие стали делят на три класса: низколегированные (НЛС), среднелегированные (СЛС), высоколегированные (ВЛС) (таблица 1).

Таблица 1 – Классификация коррозионностойких сталей

Наименование	Массовая доля легирующих добавок, %
Низколегированные	менее 2
Среднелегированные	свыше 2 до 10
Высоколегированные	свыше 10 до 60

Обозначение основных легирующих элементов: Х –хром; Н – никель; Т – титан; М – молибден;

Маркировка легированных сталей включает буквенное обозначение элемента и цифровое указание его массовой доли в %. Массовая доля углерода в таких сталях не превышает 0,12 %; углерод буквой не обозначают.

Пример маркировки:

10Х18Н10Т

| | | |__________________________ титан - < 2%

| | |_____________________________ никель – 10 %

| |_________________________________ хром - 18 %

|__________________________________ углерод – 0,10 %

Легированные стали, как правило, отличаются большей прочностью, твёрдостью и вязкостью, чем углеродистые. Поэтому они сложнее поддаются термической и механической обработке и хуже поддаются литью (за исключением некоторых марок).

Высоколегированные коррозионностойкие стали – самый важный класс конструкционных материалов для химического машиностроения. Их них изготавливают все детали и узлы химического, нефтяного и пищевого оборудования, контактирующие со средой – разнообразные сосуды; корпуса, мешалки, теплообменные и статические внутренние устройства реакторов-котлов; колонные аппараты; теплообменники всех конструкций; фильтры; корпуса и роторы центрифуг и жидкостных сепараторов; рабочие органы насосов, газодувок и компрессоров; трубы и трубные детали; рабочие части трубопроводной арматуры; защитные узлы для устройств КИПСА.

Высокая прочность ЛС позволяет существенно уменьшать массу оборудования при равных технических характеристиках.

НИКЕЛЬ, КОБАЛЬТ и их сплавы

Никель и кобальт – элементы подгруппы железа. По свойствам они сходны с железом, однако имеют и ряд существенных отличий. Плотность их существенно выше плотности железа, чугунов и сталей]. Оба металла также прочнее и твёрже, чем железо. Оба отличаются меньшей химической активностью и большей коррозионной стойкостью; особо ценное их качество – довольно высокая стойкость к газовой коррозии. Кроме того, оба элемента и их соединения высокотоксичны. Оба металла также значительно дороже железа и его сплавов.

Основное их использование – антикоррозионные наружные покрытия на изделия из железа и углеродистых сталей, наносимые электрохимически. Кроме того, из никеля и кобальта изготовляют детали и узлы пар скольжения и уплотнений. Особое значение имеют сплавы никеля и кобальта с железом – инвар, коинвар, маллой, пермаллой, супермаллой. Эти сплавы имеют высокие магнитные свойства и применяются для изготовления магнитопроводов электромагнитных устройств.

МЕДЬ и ее сплавы

Мягкий металл. Отличается высокой тепло- и электропроводностью. Хорошо поддаётся термомеханической обработке, литью, пайке и сварке.

Достаточно устойчива к действию воды и разбавленных водных растворов кислот, щелочей и солей. Неустойчива в растворах аммиака и аминов (особенно алифатических). Также неустойчива к окислителям (азотной кислоте, концентрированной серной кислоте, растворам бихроматов).

Медь как чистый металл применяется для изготовления электроведущих деталей (провода, шины, электроды электрохимических реакторов); деталей и узлов пар скольжения и деталей уплотнений (вкладышей, гильз, колец, шайб) в аппаратуре высоких давлений и глубокого вакуума.

Большое значение имеют сплавы меди: латуни и бронзы.

Латуни.Сплавы меди, содержащие цинк (до 45 %). Кроме цинка, латуни легируют добавками Al, Mg, Si, Mn, Ni, Cr.

Бронзы. Любые сплавы меди, не содержащие цинка. Бронзы легируют добавками Sn, Al, Mg, Si, Mn, Ni, Cr, Ве.

Латуни и бронзы по коррозионной стойкости не уступают или превосходят медь (особенно по отношению к атмосферной коррозии). По механическим свойствам, как правило, превосходят медь. Наибольшей стойкостью отличаются алюминиево-бериллиевые бронзы. Применяются для изготовления труб, корпусов и внутренних деталей трубопроводной арматуры, уплотнительных деталей аппаратуры, теплообменных аппаратов.

СВИНЕЦ

Мягкий белый металл. Свинец и все его соединения высокотоксичны. Стойкость свинца определяется образованием оксидных плёнок. Малостоек в растворах окисляющих, а также низших органических кислот. Достоинство свинца – стойкость в электрохимических процессах и стойкость к фторидам. Особое значение имеет сплав свинца с (6…12) % олова – гартблей («твёрдый свинец»). Применяется – ограниченно - в виде листов для наложения – плакирования рабочих поверхностей аппаратуры сернокислотного производства; процессов сульфирования, фторирования; а также для изготовления деталей насосов, арматуры и электродов. Верхний температурный предел для оборудования со свинцовыми покрытиями – 120 °С.

АЛЮМИНИЙ и его сплавы

Мягкий белый пластичный лёгкий металл. Отличается высокой теплопроводностью и электропроводностью. Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999999 %). Алюминий и его соединения малотоксичны. Стойкость алюминия определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH3, H2S. Малостоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также щелочей.

Достоинство алюминия – лёгкость; существенный недостаток – низкая прочность. В технике, в т. ч. – химическом машиностроении большое значение имеют сплавы с кремнием, медью, магнием, марганцем, хромом, железом – силумины, дюралимины, магналины.

Дюралюмины имеют высокие прочностные свойства, но низкую стойкость; изделия из них защищают плакированием чистым алюминием.

Силумины отличаются хорошей стойкостью к окислительным нейтральным и кислым средам, а также к газовой коррозии.

Магналины имеют наилучшие из сплавов алюминия свойства. Особенность всех сплавов алюминия – нестойкость к контактной электрохимической коррозии –особенно в парах со сплавами меди и железа.

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления реакторов, кристаллизаторов, сосудов, фильтров, теплообменников, дистилляционных и ректификационных аппаратов и труб, работающих под давлением до 0,6 МПа.

ТИТАН и его сплавы

Твёрдый белый с синеватым отливом лёгкий металл. Отличается умеренной теплопроводностью и электропроводностью. Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999 %). Тугоплавкость титана делает производство весьма энергоёмким и дорогим. Титан и его соединения малотоксичны.

Титан и его сплавы весьма прочны и тверды. Поддаются всем основным видам термомеханической обработки: ковке, прокату, штамповке, резанию, сварке, обработке методами порошковой металлургии.

Стойкость титана определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Титан легируют добавками Al, Mo, Ta, Nb, Zn, Cu, Pd, Pt. Титан устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH3, H2S; а также в растворах едкого натра и едкого кали при массовой доле до 20 %. Менее стоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также крепких щелочей. Присутствие окислителей - бихроматов, перманганатов – в среде повышает коррозионную стойкость титана. Титан исключительно стоек в морской воде и морской атмосфере. Легирование – особенно цирконием, молибденом и танталом - повышает коррозионную стойкость титановых сплавов в (2…200) раз.

Титан и его сплавы имеют три фундаментальных достоинства: лёгкость (в 1,7 раза легче стали); прочность и высокая стойкость. Титан и его сплавы наряду с коррозионностойкими сталями являются наиболее ценными конструкционными материалами для химического машиностроения. Из титановых материалов можно изготавливать практически любые рабочие детали, узлы и агрегаты любых машин и аппаратов химических производств.

Широкое использование титана сдерживается его дефицитностью и большим потреблением в военной технике, особенно судостроении.

СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Так в целом называют все материалы, существенным компонентом которых является двуокись кремния. В основном это полиминералы: полиоксиды; полисиликаты; силикаты-карбонаты щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и железа.

Общими свойствами таких материалов являются высокая твёрдость; хрупкость (кроме асбеста); высокая химическая стойкость в большинстве сред (особенно кислых), кроме крепких щелочей, фтора и фторидов.

ОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Химическое машиностроение использует большое количество разнообразных материалов органической природы, в основном синтетических.

Наиболее важные классы этих материалов.

1. Полимеризационные пластмассы.

2. Каучуки и резины

3. Элементоорганические (кремнийорганические, германийорганические, оловорганические) полимеры

4. Углеродные материалы.

Полимеризационные пластмассы

Так традиционно называют материалы из синтетических полимеров, получаемых полимеризацией моноенов и поликонденсацией.

Наиболее широкое применение из них получили:

- полиэтилен высокого давления (ПЭВД);

- полипропилен высокого давления (ППВД);

- полистирол и его сополимеры;

- поливинилхлорид (ПВХ);

- полиэтилентерефталат (лавсан);

- полиакрилонитрил (нитрон);

- полифторэтилены – в первую очередь: политетрафторэтилен (тефлон, фторопласт-4).

По сравнению с металлами и даже силикатными материалами пластмассы отличаются низкой плотностью (наиболее плотен фторопласт). Они значительно пластичнее – удлинение до восьми раз (наименее пластичен полистирол). Для пластмасс характерно сохранение механических свойств при низких температурах – уникален в этом отношении фторопласт, способный «работать» при температурах, близких к абсолютному нулю.

Пластмассы сравнительно малопрочны, нетвёрды и нестойки к истиранию. Практически все пластмассы – диэлектрики и хорошие электроизоляторы. Пластмассы отличаются довольно высокой стойкостью к водным растворам солей, оснований и неокисляющих кислот. Окислители, галогенангидриды и другие реагенты, генерирующие радикалы, быстро разрушают большинство пластмасс. Кроме того, многие органические реагенты – полигалогеналканы, ароматические углеводороды, нитропроизводные – вызывают набухание полимеров с быстрой потерей прочности.

Уникальной стойкостью отличаются полифторэтилены – особенно фторопласт-4: они более инертны, чем даже фарфор. Только фтор и бром вызывают набухание фторопласта.

Низкая прочность и термостокость, а также ограниченная стойкость к органическим средам до настоящего времени существенно ограничивают применение пластмасс в химической технике. Из них изготавливают сосуды, не работающие под давлением; теплообменники; фильтры; трубы, трубные детали и трубопроводную арматур; уплотнительные детали. Важные изделия из пластмасс – плёночные материалы, используемые для упаковки продуктов, а также для изготовления фильтровальных мембран.

Наиболее ценная во всех отношениях пластмасса – фторопласт. Помимо уникальной стойкости, он отличается малой адгезией и низким коэффициентом трения. Из фторопластов изготавливают не только все указанные виды оборудования, но и детали узлов трения скольжения; особо важно также изготовление микропористых и ультрамикопористых мембран для фильтрования под давлением до 10 МПа.

Поликонденсационные пластмассы

Из материалов этого класса следует в первую очередь упомянуть три типа пластмасс.

1. Фенолоформальдегидные смолы (фенопласты)и композиционные наполненные материалы на их основе.

Наиболее многотоннажная по потреблению в химическом машиностроении сложная пластмасса. Получают поликонденсацией (полиалкилированием) замещённых фенолов с формальдегидом.

Основное их использование – производство композиционных пластиков – пресс-порошковых;волокнитовых (асбоволокнит, фаолит, стекловолокнит); слоистых (текстолит, асботекстолит, стеклотекстолит).

Из асбоволокнита изготавливают фаолит.

Эпоксидные смолы.

Продукты поликонденсации жирноароматических эпоксидов с алифатическими или ароматическими полиаминами. Отличаются высокой прочностью, но, как правило, жёстки и хрупки. Превосходные клеи. Стойки к большинству неорганических реагентов, в т.ч., к окислителям. Также стойки к углеводородам, спиртам, карбоновым кислотам.

Эпоксидные смолы очень широко применяют в качестве универсальных клеев и антикоррозионных покрытий, а также в качестве связующего при изготовлении ударопрочных слоистых пластиков.

Каучуки и эластомеры

Специфичность структуры сообщает каучукам и эластомерам уникальную эластичность и упругость. Каучуки и резины обладают хорошей адгезией к металлам. Стойки к действию большинства неорганических реагентов, в т.ч., к окислителям – кроме галогенов и галогенангидридов. Также стойки к спиртам, карбоновым кислотам; нестойки к углеводородам. Диапазон рабочих температур от (-30) до (100…150)°С.

Особое место в этом классе материалов занимают т.н.силиконовые каучуки. Кремнийорганические полимеры отличаются не только высокой прочностью и упругостью, но и уникальной, сопоставимой с фторопластами – химической стойкостью к действию почти всех агентов. Диапазон рабочих температур: от (-60) до (200…300)°С.

Каучуки и резины в основном применяют для изготовления уплотнительных деталей оборудования, шлангов, труб, а также в качестве клеев и герметиков.

Важнейший аспект – использование в качестве защитных покрытий стальной аппаратуры: реакторов, сосудов, фильтров, центрифуг, труб. Защита резиновыми покрытиями называется гуммированием. Гуммируемые детали обкладывают листами сырой резины и вулканизуют в среде острого пара или воздуха при температуре порядка 150°. Гуммированное оборудование работоспособно при температурах до 100°С в неабразивных средах.

Углеродные (графитовые) материалы – углепласты

Из четырёх известных в настоящее время аллотропных форм углерода – сажи, фуллерена, графита и алмаза лишь графит нашёл широкое применение в химическом машиностроении.

Графит – основная форма существования углерода. Отличается уникальной тугоплавкостью. Как металлы, графит электропроводен; отличается также высокой (электронной) теплопроводностью. Уникальна также химическая стойкость графита – по существуон разрушается только концентрированной серной кислотой и фтором. Недостаток графита – хрупкость. Поэтому в основном используют графитопласты – композиции графита с фенопластами (в основном – фаолитом и бакелитом)

Из графитопластов изготавливают корпуса и лопатки химических насосов; трубы; уплотнительные детали, детали пар скольжения; электроды и корпуса электролизёров; теплообменники для работы в среде паров галогенов и гидрогалогенидов.

Станины, корпуса, рамы

Станины – это основной неподвижный элемент машины, обеспечивающий необходимое взаимное расположение отдельных узлов и деталей и крепление их на фундаменте. В большинстве случаев станину выполняют в виде корпуса (металлической оболочки) или рамы (соединения брусьев).

Корпуса машин обычно имеют сложную форму и состоят из ряда элементов (стенок, ребер, бобышек, фланцев и т.п.), связанных между собой. Корпуса изготовляют методом литья или сварки. При конструировании корпусных деталей особое внимание следует уделять обеспечению жесткости системы.

Литые корпусные детали. Рационально использовать их для машин, выпускаемых серийно. Детали, подверженные статической сжимающей нагрузке, изготавливают из чугуна, при воздействии растягивающих или циклически меняющихся нагрузок используют углеродистую конструкционную сталь, высокопрочные чугуны. При необходимости ограничить массу машины применяют легкие сплавы на основе алюминия.

При конструировании литых корпусных деталей необходимо учитывать особенности технологии литья и последующей механической обработки. Участки деталей, для которых требуются повышенные прочность и жесткость, усиливают ребрами. В местах расположения фланцев, бобышек часто приходится увеличивать толщину стенки корпуса.

Толщина стенок корпусов при отливке их из сталей примерно на 30% больше, чем при отливке их из чугуна из-за меньшей жидкотекучести материала.

Сварные корпусные детали. При единичном и мелкосерийном производстве экономически целесообразно корпуса, станины, рамы выполнять сварными. В качестве заготовки можно использовать сортовой прокатный металл (листовой, профильный, трубы), а также отливки, штамповки, детали, полученные свободной ковкой из стали. Толщина стенки сварного корпуса в среднем составляет 0,7 толщины стенки чугунного литья.

В зависимости от требований к точности размеров конструктор решает, какие поверхности стоит подвергать механической обработке после сварки корпуса.

Крышки корпусов, люки и другие элементы, не несущие нагрузки, а лишь защищающие внутреннюю полость корпуса от попадания пыли, выполняют из стального листа толщиной 1-3 мм и снабжают прокладкой; при серийном производстве крышки изготовляют из пластмассы с ребрами жесткости.

Дизайн. Форма машины должна максимально соответствовать ее функциональному назначению. Также на форму могут сильно влиять так разноречивые факторы, как особенности эксплуатации, ремонта, транспортировки, удобства обслуживания, степень использования унифицированных деталей, экономические факторы, технологические возможности предприятия-изготовителя и т.д. все эти факторы должны быть учтены, согласованы и в конечном счете подчинены эстетическим критериям.

Все эстетические факторы могут быть определены как «красота» машины. Красота машины – это ее целесообразность и полезность на современном этапе развития общества, соответствие формы машины функциональным и эстетическим требованиям, т.е. максимальное удобство, безопасность и положительное воздействие на человека.

Эстетически совершенная машина обладает гармоничными формами, т.е. правильным соотношением частей изделия между собой, определенной направленностью объемов по отношению к основному элементу, композиционным единством.

Композиция является эстетической характеристикой машины, отражающей систему организации связей элементов формы и содержания, расположение основных элементов в определенной системе и последовательности.

Композиция содержит ряд категорий: объемно пространственная структура или компоновка, тектоника, симметрия и асимметрия, пропорциональность, масштабность, ритмичность и т.д.

На стадии компоновки в машине устанавливается взаимное расположение элементов, узлов таким образом, чтобы был виден композиционный замысел, заметнавзаимоподчиненность элементов. Только при правильной компоновке создается целостный образ машины.

Тектоника – это выражение закономерностей строения предмета, соотношение несущих и несомых частей. Тектоника должна показать, как выражено распределение основных усилий, как работает материал. Используются ли в полной мере его возможности, не обременяет ли он конструкцию.

Для впечатления устойчивости машины необязательно увеличения массы основания, можно зрительно увеличить основание размерами, фактурой, материалом, цветом.

Во всех случаях надо добиваться правильной передачи образа машины, т.е. несущие части прочные, станина устойчивая, надстройки легкие, без массивных кожухов и т.д.

Симметрия и асимметрия сообщают композиции изделия равновесие.

Пропорциональность характеризует соразмерность всех элементов и частей в линейных, площадных и объемных измерениях.

Масштабность является категорией композиции, которая выражает соразмерность машины с человеком. Машина немасштабна, если в ней отсутствуют элементы, по которым можно судить о незримом присутствии человека. Обычно показателями масштаба являются органы управления, которые всегда соразмерны с человеком.

Днища и крышки приварные

Днище – элемент сосуда или аппарата, ограничивающий корпус сверху, снизу или с боков (в зависимости от положения аппарата) и разъемно или неразъемно связанный с ним. Днища, так же как и обечайки, являются одним из основных элементов аппарата. Чаще днища крепятся к корпусам неразъемно с помощью сварки, реже – разъемно на фланцах.

В литых аппаратах днища чаще всего отливают вместе с корпусом. Форма днища зависит от способа изготовления, нагрузки, которую оно должно воспринимать, а также от его назначения – должно оно только ограничивать корпус аппарата или обеспечивать какую-либо дополнительную функцию (например, вывод из аппарата сыпучих материалов). В сосудах и аппаратах применяют стандартные или нормализованные днища: полусферические, эллиптические, торосферические, сферические неотборотованные, конические неотбортованные и отбортованные, плоские.

Полусферические и эллиптические днища. Полусферические (полушаровые) днища (см. рисунок 1) целесообразно применять в аппаратах больших диаметров (D ≥ 4000 мм), работающих под избыточным давлением свыше 0,07 МПа. Стандартные стальные полушаровые днища изготавливают с внутренним базовым диаметром D = 3600…12 000 мм и толщиной стенок 10…36 мм. Изготавливаются полушаровые днища сварными из штампованных лепестков и шарового сегмента. Эллиптические днища (см. рисунок 2) благодаря рациональной форме и надежности в работе получили наиболее широкое распространение при изготовлении аппаратов, работающих при давлении до 10 МПа и под вакуумом. Эллиптическое днище состоит из выпуклой части, представляющей в диаметральном разрезе эллипс, и цилиндрической отбортованной части. Изготавливаются эллиптические днища штамповкой из плоских круглых заготовок, состоящих из одной или нескольких частей. В соответствии с ГОСТ 6533 изготавливают днища эллиптические отбортованные стальные с внутренним базовым диаметром D = 400…4500 мм (толщиной стенки от 4 до 100 мм) и наружным базовым диаметром D_н = 159…720 мм (толщиной стенки от 4 до 25 мм). Отношение высоты днища к диаметру H/D составляет 0,25, а высота отбортовки в зависимости от базового диаметра и толщины стенки составляет от 25 до 120 мм.

Рисунок 1 – Полушаровое днище

Рисунок 2 – Эллиптическое днище

Торосферические днища. Торосферические днища (или как их часто называют – коробовые) представляют собой часть сферы радиуса R, плавно отбортованную на цилиндр радиусом торового перехода r₁ (см. рисунок 3). При этом радиус центральной части днища R не должен превышать внутреннего диаметра днища, радиус отбортовкиr должен быть не менее 0,095D, а высота выпуклой части Н не менее 0,2D. Торосферические днища уступают в прочностном отношении эллиптическим днищам.

В зависимости от соотношения параметров R, D₁, r₁, приняты следующие типы торосферических днищ: тип А – R= D₁, r ≥ 0,095D₁; тип В – R= 0,9D₁, r ≥ 0,170D₁; тип С – R= 0,8D₁, r ≥ 0,150D₁. Длина отбортованной цилиндрической части h₁ должна составлять не менее 50 мм.

Рисунок 3 – Торосферическое днище

Сферические неотбортованные днища. Представляют собой шаровой сегмент, который приваривается непосредственно к обечайке или фланцу (см. рисунок 4).

Рисунок 4 – Сферическое неотбортованное днище

Радиус сферы днища R должен быть не более внутреннего диаметра обечайки D и не менее 0,8D. Днища просты по конструкции. Их допускается применять только в сосудах и аппаратах, работающих под наливом или нагруженных внутренним избыточным давлением, не превышающим 0,07 МПа. В аппаратах, работающих при давлении выше 0,07 МПа или под вакуумом, данные днища допускается применять только в качестве элемента фланцевых крышек. Соединение их с обечайкой должно осуществляться сварным швом со сплошным проваром.

Плоские круглые днища. Представляют собой круглые пластины, приваренные к обечайке. В прочностном отношении они менее совершенны, чем описанные выше виды. Поэтому их обычно применяют в аппаратах, работающих под атмосферным или небольшим избыточном давлении. В аппаратах, работающих под давлением, они обычно используются только в тех случаях, когда это обусловлено какими-либо конструкционными особенностями, необходимостью размещения внутренних устройств (например, трубные решетки теплообменников), а также в качестве крышек люков и заглушек. Плоские днища больших диаметров при необходимости могут быть закреплены элементами жесткости (ребрами), которые привариваются по радиусу от центрально расположенного кольца или параллельно диаметру. Плоские круглые днища рекомендуется применять в сварной вертикальной цилиндрической аппаратуре, работающей под налив и атмосферным давлением, при установке аппарата днищем на сплошное основание (нижнее днище).

Конические днища. Представляют собой усеченные конические обечайки, приваренные расширенной частью к цилиндрической части корпуса. Днища изготавливают вальцовкой из заготовки, состоящей из цельного или составного листа, и последующей сваркой. Такие днища обычно применяют в конструкции вертикальных сосудов и аппаратов, из нижней части которых необходимо выводить сыпучие материалы или вязкие среды. Конические переходы используют для соединения обечаек разных диаметров. Конструктивно конические днища выполняют неотбортованными и отбортованными с тороидальным переходом. В аппаратах, работающих под давлением больше 0,07 МПа, используются только отбортованные конические днища с тороидальным переходом.

Рисунок 5 – Конические днища: а – неотбортованные, б – с тороидальным переходом

Фланцевые соединения

Для разъемного соединения корпусов или отдельных элементов аппарата, присоединения трубопроводов наиболее широкое применение нашли фланцевые соединения, обеспечивающие прочность, жесткость и герметичность, а также технологичность изготовления и простоту сборки-разборки.

Фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев 1 (см. рисунок 12), <