Перспективные направления развития автоклавов высокого давлен

УДК 621

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ АВТОКЛАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Д.А.Еловенко1

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены тенденции развития автоклавов высокого давления и обозначено одно из направлений их развития.

Ил. 1. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: химическая промышленность; рулонированный сосуд; автоклав.

FUTURE DIRECTIONS OF THE DEVELOPMENT OF HIGH-PRESSURE AUTOCLAVES D.A.Elovenko

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The author deals with the tendencies of development of high-pressure autoclaves and marks one of the directions of their

development.

Ifigure. 4 sources.

Key words: chemical industry; rolled vessel; autoclave.

Одним из направлений развития химической промышленности является создание многослойных сосудов высокого давления со все более высокими параметрами рабочих давлений, температур и производительного объёма. Идеи, открывающие путь к изготовлению цилиндрических сосудов на высокие параметры, возникли в разных странах сравнительно давно. В 30-х годах ХХ века в США Мак.Л.Джаспер и фирма «А.О.Смит» применили многослойные конструкции в производстве сосудов высокого давления. По этому способу на центральную обечайку надевается предварительно свальцованная замкнутая обечайка или два полуцилиндра с толщиной листа до 6 мм, которые затем стягиваются при помощи плетёных строп и завариваются продольными швами.

В ФРГ для аппаратуры высокого давления применялись многослойные сосуды, изготовленные по методу Ширенбека. В этом случае узкая профилированная лента послойно навивалась на центральную обечайку по винтовой линии без сварки витка с витком. Такие конструкции оказались недостаточно надёжными и не получили большого распространения.

В Чехословакии для химической промышленности изготавливали сварные двухслойные сосуды, цилиндрическая часть которых состоит из кованых обечаек, насаживаемых с натягом на центральную обечайку в горячем состоянии из корозионностойкой стали. Обечайки сваривались между собой кольцевыми швами. Этот способ отличался высокой трудоёмкостью и необходимостью применения уникального оборудования для ковки, механической и термической обработки обечаек.

Во Франции фирмой «Жекса» было освоено производство многослойных сосудов по методу «Мульти-волл», изготавливаемых из обечаек с толщиной стенки 30-50 мм, которые в откалиброванном и нагретом состоянии надеваются одна на другую до образования

необходимой толщины стенки.

Реальные основы новой прогрессивной конструкции и технологии были заложены в 1961 году, когда институтом электросварки имени Е.О.Патона АН УССР, заводом Уралхиммаш, а затем ИркутскНИИ-химмашем были начаты комплексные работы по созданию принципиально новой отечественной сварной рулонированной конструкции сосудов высокого давления. Принципиальное отличие рулонированного сосуда от всех других конструкций состоит в том, что отдельные обечайки или вся цилиндрическая часть корпуса сосуда изготавливается не методом наслаивания многочисленных тонкостенных или толстостенных обечаек одна на другую, а способом непрерывной намотки в холодном состоянии рулонной стали максимальной ширины. Из отдельных рулонированных обечаек кольцевыми швами сваривается корпус сосуда [1].

Также стоит отметить, что сосуды с концентрическим расположением слоев имеют сварные швы в каждом слое. Контроль швов небольшого сечения, свариваемых поверх ранее собранной и сваренной части толстой стенки, затруднителен. Наблюдение за швами в дальнейшем невозможно, что снижает надежность сосудов. Рулонированные сосуды можно изготовить без сварки в пределах длины рулонной полосы. Это уменьшает объем сварочных работ и увеличивает надежность аппарата.

При изготовлении многослойной рулонированной обечайки используется одна стальная длинная полоса. При концентрическом расположении слоев нужно по меньшей мере столько деталей, сколько слоев в обечайке, причем все они разные. Нельзя рассчитать заранее, какие потребуются обечайки, так как, даже если они плотно надеваются одна на другую, происходит накопление неточностей в фактической толщине металла. При изготовлении рулонированных мно-

1Еловенко Денис Александрович, аспирант, тел.: 89041159090, e-mail: Bear-Paw3@yandex.ru Elovenko Denis Alexandrovich, a postgraduate student, tel.: 89041159090, e-mail: Bear-Paw3@yandex.ru

послойных сосудов лучше используются достижения металлургии. Можно применять широкую полосу, получаемую на непрерывных прокатных станах, в кусках нужной длины, свернутых в рулон. Ширина полосы (1400 - 1700 мм) и её толщина (4 - 5 мм) удобны для производства многослойных сосудов. Рулонирование позволяет более эффективно применять термоупроч-няемые стали. При изготовлении сосудов с концентрическим расположением слоев каждый слой имеет по меньшей мере один сварной шов, а следовательно, такое место (зона термического влияния сварки), которое снижает прочность всей многослойной части. Таким образом, сравнение двух основных способов изготовления многослойных сосудов показывает, что рулонирование имеет значительные преимущества [2].

Одними из представителей РСВД являются автоклавы для синтеза и выращивания монокристаллов в гидротермальных условиях. Для изготовления корпуса таких автоклавов не требуется тяжелого, дорогого оборудования. Безопасность эксплуатации многослойных автоклавов гарантируется отсутствием случаев хрупкого разрушения при рабочих параметрах. Это важный факт, если учитывать, что технологические особенности гидротермального синтеза выдвигают в качестве главных требований надёжность работы и стабильность параметров процессов в течение всего цикла. Появляется возможность увеличения рабочих параметров температуры и давления. Но в то же время проблемы, связанные с адекватным отображением их напряженного состояния и обеспечения прочностных характеристик, ставят новые задачи перед учеными этой области. Следует отметить, что вопросы тепломассообмена крупногабаритных автоклавов разработаны в данное время в недостаточной степени [3]. Улучшение тепломассообмена при выращивании кристаллов гидротермальным способом с целью получения более однородных, чистых и качественных кристаллов невозможно без совершенствования аппаратуры для их выращивания. Сегодня необходимы автоклавы, рабочие параметры давления и температуры которых были бы выше, чем у существующих. Такие автоклавы должны увеличивать скорость растворения шихты в гидротермальном методе выращивания кристаллов и сократить время ростового цикла. Техническим новшеством была бы возможность управления конвекцией и, следовательно, процессом роста кристаллов гидротермальным методом. Исследование новой конструкции должно быть сосредоточено на математическом моделировании и инженерном анализе. Используя полученные тепловые поля, напряжения и деформации узлов автоклава, подтверждённые отдельными экспериментами, можно будет оптимизировать конструкцию и сформировать укрупненные рекомендации по технологии изготовления аппарата. В этом также может быть своя новизна, так как в данный момент на производстве такого оборудования используются типовые, в основном традиционные технологические подходы, зачастую недостаточно эффективные и обоснованные решения.

В 1997 году научными сотрудниками АО «Иркут-

скНИИхиммаш» была предложена и запатентована принципиально новая конструкция автоклава со встроенными в корпус сосуда термоэлектрическими нагревателями и теплоизолирующим слоем между нагревателями и несущей обечайкой [4]. Развивая данную идею, можно разработать новую конструкцию автоклава на базе уже существующих многослойных рулонированных конструкций, которые в данный момент изготавливаются промышленными предприятиями.

Появление новой конструкции должно решить целый ряд важных проблем, связанных с различными несовершенствами существующих аппаратов и высокими потребностями в повышении параметров технологического цикла, таких как температура, давление и его длительность. Ожидается повышение прочности автоклава за счет защиты от нагрева теплоизолирующим слоем, повышающее механические свойства материала несущей части аппарата. Возможно изготовление теплоизолирующего слоя из сыпучего материала, например, шамотного песка [4]. Он должен сохранять сыпучесть после рабочих нагрузок, что обеспечит возможность быстрой разборки аппарата и ремонтной замены отдельных его узлов и деталей в процессе эксплуатации.

Новая модель будет представлять собой вертикальный цилиндрический сосуд высокого давления с нагревателями, встроенными в многослойную стенку, между которыми будет слой теплоизоляции между наружной стенкой и нагревателями (рисунок).

Модель автоклава

Автоклав включает корпус 1, нагреватели 2 с опорными элементами 3 между ними и обечайку 4. Между несущей стенкой и нагревателями установлен теплоизолирующий слой 5. Расстояние l между опорными элементами нагревательной системы составляет от 0,5 до 15 толщины обечайки, а центры нагревателей расположены по длине окружности на расстоянии Б, составляющем от 2 до 4 толщин обечайки [4].

Автоклав будет рассчитываться на параметры рабочего давления более 150 МПа, температуру выше 400 0С, внутренний диаметр не менее 700 мм и общую массу не более 100 тонн.

Для решения поставленной задачи в научной работе будет создана математическая модель автокла-

ва или несколько вариантов на основе технической документации подобных конструкций. На втором этапе будут исследованы температурные поля и НДС узлов и деталей конструкции, возникающие при различных параметрах нагрузок.

По результатам проведенных расчётов выбираются оптимальные мощности нагревателей, толщина теплоизоляционного слоя и материал центральной обечайки автоклава, учитывая требуемые при проектировании режимы нагружения и вес аппарата. Важной задачей является технология изготовления конструкции в виде укрупненного технологического процесса, которая станет теоретической основой для внедрения нового автоклава на производстве.

Библиографический список

1. Химическое машиностроение. Рулонированные сосуды высокого давления: сборник научных трудов. М.: НИИхим-маш, 1973. Вып.63. 176 с.

2. Макаров В. М., Зисельман Б. Г. Рулонированные сосуды высокого давления. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.

3. Жариков В. А., Иванов И. П., Литвин Ю. А. Современная техника и методы экспериментальной минералогии. М.: Наука, 1985. 280 с.

4. Патент 2093481 РФ. Автоклав для синтеза и выращивания кристаллов в гидротермальных условиях / П.Г. Пим-штейн [и др.]; Заявл. 24.04.1991; Опубл. 20.10.1997.