Aparatura w przemyśle chemicznym

• Strona główna
• Artykuły
• Aparatura w przemyśle chemicznym

2018-11-29  / Autor: Tomasz Darowski

Wysokiej jakości aparatura procesowa dla przemysłu chemicznego musi być wykonywana przez wyspecjalizowane w tym przedsiębiorstwa. Z informacji prezentowanych przez zainteresowane podmioty wynika, że taka praca na ogół bazuje na dokumentacji własnej, stworzonej przez wewnętrzne biuro konstrukcyjne w oparciu o obliczenia technologiczne lub na podstawie dokumentacji powierzonej przez zleceniodawcę. Każdy projekt zbiornika magazynowego lub procesowego lub innych elementów składających się na aparaturę jest opracowywany przez dział konstrukcyjny z zastosowaniem najnowszych wersji programów obliczeniowych i projektowych.

Dobór aparatów technologicznych to podstawowa faza projektowania odbywającego się na potrzeby przemysłu chemicznego. Decyduje ona nie tylko o kształcie instalacji przemysłowej, ale też o przyszłych wynikach ekonomicznych przedsiębiorstwa z uwagi na możliwą wydajność procesów realizowanych przy pomocy danego ciągu instalacyjnego. Jednocześnie jednak z uwagi na różnorodność technologii używanych w przemyśle chemicznym jest to faza niezwykle skomplikowana. Ta wielość sposobów oraz warunków prowadzenia procesów chemicznych i operacji jednostkowych przesądza o tym, iż aparatura stosowana do ich realizacji jest zawsze niepowtarzalna. Duża różnorodność produktów chemicznych narzuca dużą liczbę procesów technologicznych. Niemniej można wyróżnić kilka aspektów wspólnych, składających się na aparaturę, będącą wyposażeniem chemicznym.

Rozpocząć należy od aparatów podstawowych, mających zasadnicze znaczenie dla przebiegu procesu technologicznego i często definiujących poziom kosztów. W tym obszarze wyróżnić można reaktory chemiczne, główne kolumny destylacyjne i absorpcyjne, a także krystalizatory, główne filtry oraz suszarnie. W dalszej kolejności natomiast natrafiamy na aparaty i urządzenia pomocnicze, takie jak wymienniki ciepła, maszyny przetłaczające (pompy, sprężarki, dmuchawy, wentylatory), maszyny rozdrabniające (młyny, kruszarki), zbiorniki, wagi, mieszalniki.

Aparat lub urządzenie stanowi zespół przedmiotów (części), skonstruowanych w celu prowadzenia odpowiednich procesów, z możliwością spełnienia wymagań procesowych. Istnieje wiele podziałów aparatów na grupy, które są związane z pełnioną funkcją w procesie technologicznym i cechami konstrukcyjnymi. O kształcie aparatu procesowego decydują w największym stopniu właściwości substancji biorących udział w procesie i warunki fizyczne jego przebiegu. Typowym aparatem stosowanym w większości procesów chemicznych jest aparat typu zbiornikowego. Większość aparatów typu zbiornikowego podlega normalizacji pod względem kształtu i wymiarów, przez co uzyskuje się duże oszczędności w projektowaniu. Szczegóły określa w tym zakresie norma „Aparaty typu zbiornikowego - Średnice BN-75/2201-01”.

Proces technologiczny jest realizowany w jednym lub częściej w szeregu aparatów i urządzeń, tworzących tzw. ciąg technologiczny. Ze względu na charakter pracy i przetwarzania substancji w wymienionym ciągu, aparaty i urządzenia podzielić można na pracujące w sposób okresowy, ciągły lub mieszany.

Przystępując do projektowania procesu technologicznego lub doboru aparatów i urządzeń do jego realizacji, jako podstawowe wykonuje się obliczenia statyki procesu, bilanse masowe i energetyczne, a następnie obliczenia kinetyczne. Bilanse masowe i energetyczne są jednym z kryteriów oceny racjonalności stosowania zarówno danego procesu technologicznego, jak i poszczególnych aparatów i urządzeń. Racjonalność polega m.in. na jak najlepszym wykorzystaniu surowców i możliwie najmniejszej masie produktów ubocznych, nie mających wartości użytkowych. Ważnym zagadnieniem jest również jak najlepsze wykorzystanie energii.

Konkretne potrzeby i wymagania prowadzonych procesów fizykochemicznych decydują o istocie aparatu procesowego, która jest związana z np. ze specyficznym przeznaczeniem i rodzajem prowadzonych w nim procesów, stąd np. typu aparatów: reaktor, piec, filtr, suszarka, wymiennik ciepła. Również o kształcie aparatu decydują właściwości  substancji biorących udział w procesie i warunki fizyczne, w jakim ten proces przebiega. Jak wspomniano, najbardziej powszechnym aparatem używanym w większości procesów technologicznych jest aparat typu zbiornikowego.

W produkcji zbiorników ze stali nierdzewnej i reaktorów dla przemysłu chemicznego często spotkać się można z różnymi specyficznymi wymaganiami. Niektóre konstrukcje muszą być odporne zarówno na nadciśnienie, jak i podciśnienie, także na duże różnice temperatur oraz na właściwości żrące przechowywanych substancji.

Jeśli chodzi o budowę aparatów procesowych, to powłoki są najistotniejszymi i najbardziej materiałochłonnymi częściami wchodzącymi w ich skład. Kształt powłoki, zależnie od przeznaczenia i wymagań konstrukcyjnych, może być cylindryczny, kulisty, stożkowy, prostopadłościenny. Największe zastosowanie znajdują powłoki cylindryczne, a dzieje się tak z uwagi na prostotę wykonania i małe zużycie materiału konstrukcyjnego. W zależności od przeznaczenia są one stosowane w usytuowaniu (położeniu) pionowym lub poziomym.

Natura procesów chemicznych i związane z tym często agresywne chemicznie środowisko, wysoka temperatura i ciśnienie mają istotny wpływ na rodzaj materiału konstrukcyjnego stosowanego do budowy aparatury procesowej i jej wyposażenia. Dobór właściwego materiału jest zagadnieniem bardzo istotnym i jednocześnie złożonym. Biorąc pod uwagę postępy w technologii wytwarzania nowych tworzyw konstrukcyjnych i zapobieganiu korozji oraz warunki prowadzenia procesów, to w grę wchodzić mogą setki materiałów. Ogólnie, materiały stosowane w budowie aparatury chemicznej i procesowej dzieli się na metalowe i niemetalowe. Spośród materiałów metalowych wyróżnia się przede wszystkim stale. Materiały niemetalowe to natomiast m.in. polimery, szkło i ceramika, grafit oraz różnego rodzaju kompozyty tworzyw.

Integralną część instalacji technologicznej pracującej na potrzeby przemysłu chemicznego stanowią rurociągi. Od ich sprawności zależy ciągłość pracy instalacji, jakość produktów i warunki pracy. Rurociągami przesyła się substancje o różnych właściwościach fizykochemicznych, np. gazy, ciecze, ciekłe polimery, materiały stałe sypkie, mieszaniny wielofazowe. Substancje te mogą być obojętne chemicznie, kwaśne lub zasadowe, gorące i wybuchowe, zestalające się i wydzielające osady, wybuchowe i toksyczne, czyli po prostu niebezpieczne dla zdrowia. Zarówno produkcja rur, jak i innych elementów związanych z rurociągiem jest znormalizowana. Obejmuje to łączenie części rurociągu, podawanie i odbiór substancji, regulację przepływu. Te dodatkowe elementy noszą nazwę armatury. Czynnikiem, który w największym stopniu musi być brany pod uwagę podczas projektowania sieci rurociągów jest naprężenia termiczne. Wszystkie rurociągi, z wyjątkiem niemetalowych, maluje się. Czyni się tak w celu ochrony ich przed korozją, ale i z zamiarem informacyjnym dla ułatwienia eksploatacji i bezpieczeństwa. Odpowiednim przesyłanym substancjom odpowiadają następujące kolory: azot - czarny, amoniak - żółty, woda - zielony, wodór - ciemnozielony, para wodna nasycona - czerwony, próżnia - biały, powietrze sprężone - szary.

Tak samo jak transport, za który odpowiadają rurociągi, tak samo i magazynowanie jest nieodmienną składową każdego ciągu technologicznego. Wynika to z faktu, że dostawy surowców często nie są ciągłe i odbiór produktów gotowych nie jest natychmiastowy. Magazyny stanowią wyodrębnione powierzchnie, pomieszczenia, a także różnego rodzaju zbiorniki otwarte lub zamknięte do przechowywania surowców. Pomieszczenia i sposoby magazynowania, a także czynności z tym związane są dostosowane do właściwości fizykochemicznych materiałów magazynowanych.

W przypadku magazynowania ciał stałych (np. sody, siarki, granulatów tworzyw sztucznych), gdy istnieje konieczność zabezpieczenia materiałów przed szkodliwym działaniem środowiska zewnętrznego, są wtedy stosowane magazyny zamknięte. Jeśli koszt składowania i poboru materiału z magazynu jest większy od kosztu jego utrzymania lub gdy nie jest możliwe jego przechowywanie w klasycznym magazynie, to stosuje się zasobniki, zwane też silosami lub bunkrami. Substancje ciekłe są magazynowane w różnego rodzaju zbiornikach. Sposób magazynowania cieczy zależy w największym stopniu od jej objętości i właściwości, takich jak prężność par, korozyjność, palność i wybuchowość. Pojemność zbiorników zmienia się od litrów do kilkudziesięciu tysięcy m3. Usytuowanie ich może być podziemne, półpodziemne i naziemne.

Wartym przywołania z uwagi na swe funkcje typem aparatu jest także wymiennik ciepła. W nim to bowiem lub za jego pomocą ciepło jest przenoszone z jednego środowiska (czynnika) do drugiego. Środowisko wymiany ciepła może być jednorodne - gazowe, ciekłe lub stałe, bądź niejednorodne, czyli heterofazowe. Wymiana ciepła odbywać się może przez bezpośredni kontakt czynników (nośników) ciepła - wymienniki ciepła bezprzeponowe lub za pośrednictwem przepony - wymienniki ciepła przeponowe. Istnieje duża liczba wymienników ciepła, które muszą spełniać różnorodne wymagania odnośnie do temperatury, strumieni przepływu, spadków ciśnienia, odporności mechanicznej i korozyjnej, sprawności cieplnej, kosztów. Wymienniki ciepła mogą być rurowe, płytowe, w powiększoną powierzchnią wymiany ciepła, Regeneratory rotacyjne (dyskowe, bębnowe). Specjalnym rodzajem wymienników ciepła są kotły na paliwo stałe.

Literatura:

Warych J.: Aparatura chemiczna i procesowa

Projektowanie procesów technologicznych pod. red. L. Synoradzkiego i Jerzego Wisialskiego

P. Wesołowski, J. Borowski, Aparatura Chemiczna i Procesowa

J. Couper, W. Penney, J. Fair, S. Walas, Chemical engineering equipment