Технологічний апарат

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^[1]

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.

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).

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.

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.

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

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).

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

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.

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^[2] 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 %.

За ОСТ 26 291-94^[3] 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^[4]
• 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.

• Ректифікаційна колона
• Пароконденсатор
• Десорбер
• Хімічний реактор

• 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 конструирования. Справочно-методическое пособие. Книга 1. — М.: Машиностроение, 1988.
• Орлов П. И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. Книга 2. — М.: Машиностроение, 1988.

• 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.