Классификация машин и аппаратов химических производств

Основные положения.

Предмет и содержание курса.

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Несмотря на разнообразие методов химической технологии, получение различных химических продуктов связано с проведением однотипных химических и физико-механических процессов, являющихся общими для большинства химических производств. Аппаратное оформление современных химико-технологических процессов также весьма разнообразно, однако для одних и тех же целей в различных отраслях химической технологии в большинстве случаев применяются сходные по конструкции машины и аппараты.

В курсе «Машины и аппараты химических производств» изучаются основы теории процессов протекающих в них, рассматриваются конструкции машин и аппаратов, принцип работы и методика их комплексного расчета.

Целью изучаемой дисциплины является ознакомление с основными типовыми машинами и аппаратами, составляющими основу современных химических производств. На основе типовых стандартизированных машин и аппаратов рассматриваются конструкции и принцип работы машин и аппаратов, их узлов и деталей, основные принципы комплексных расчетов и конструирования, выбора оптимальных режимов работы, тенденции и перспективы их развития.

В курсе машин и аппаратов химических производств рассматриваются расчеты, имеющие инженерный характер, доводимые до определения основных размеров аппаратов и их элементов, потребляемых мощностей и возникающих усилий.

В качестве машин и аппаратов для изучения в данном курсе выбраны такие, которые нашли широкое применение в химической промышленности, на примере которых можно показать комплексные методы расчета, объединяющие вопросы гидродинамики, тепломассообмена, энергетики и динамики механизмов, а также методы монтажа, транспортировки и ремонта оборудования, испытаний и его эксплуатации.

Различные химико-технические процессы (фильтрование, выпаривание, перегонка, сушка и др.), для проведения которых применялась примитивная аппаратура, были известны еще в древности. Собственно химическая промышленность начала создаваться на рубеже 18-19 веков и за исторически короткий период, насчитывающий около 200 лет, превратилась в развитых странах в одну из основных и ведущих отраслей народного хозяйства. В нашей стране наиболее значительный вклад в науку о процессах, машинах и аппаратах химических производств внесли русские и советские ученые: Денисов Ф.А. (1828 г.), Крупский А.К. (1909 г.), Тищенко И.А. (1911 г.), Коновалов Д.П. (1924-1925 г.), Фокин Л.Ф., Павлов К.Ф. (1923-1925, 1929, 1932 гг.), Касаткин А.Г. и целый ряд других современных ученых.

За последние 10-15 лет произошли большие изменения как в науке о химической технологии, так и в самой химической и нефтехимической промышленности. Обусловлено это прежде всего развитием теории процессов, созданием принципиально новой аппаратуры и внедрением во все области деятельности общества, в том числе и в промышленности, электронно-вычислительных машин.

Все это предъявляет повышенные требования к подготовке инженеров-механиков по машинам и аппаратам химических производств.

Современное химическое предприятие – это сложный комплекс машин и оборудования, в который входят: аппараты машины химического производства, предназначенные для химических и физико-химических процессов; емкостное оборудование для хранения жидкостей и газов, трубопроводы с соответствующей арматурой, машины для перемешивания жидкостей и газов; машины для транспортирования твердых материалов, расфасовки и затаривания сыпучих продуктов; КИП и автоматика, электрооборудование.

1.2. Классификация процессов химической и нефтехимической технологии.

Несмотря на разнообразие продукции химических предприятий, для производства всего ее ассортимента достаточно сравнительно небольшого числа типов химических и физических процессов:

1) химические процессы, осуществляемые в реакционных аппаратах различного типа;

2) процессы массообмена – ректификация, перегонка, абсорбция, …, проводимые преимущественно в аппаратах колонного типа;

3) гидравлические процессы – отстаивание, центрифугирование, фильтрация, протекающие в различных отстойниках, центрифугах, фильтрах;

4) процессы теплообмена – нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, проводимые в теплообменниках различных типов;

5) механические процессы – измельчение, рассев, транспортирование жидких, газообразных и твердых материалов и пр

Конструкции аппаратов и способы проведения процессов в значительной степени зависят от агрегатного состояния реагирующих веществ.

В технологических аппаратах возможны следующие фазовые системы (6 шесть):

1) газ + газ;

2) жидкость + газ;

3) жидкость + жидкость;

4) жидкость + твердое вещество;

5) газ + твердое вещество;

6) твердое вещество + твердое вещество.

В системе 1 (газ + газ) проводят высокотемпературные химические процессы, для которых применяют змеевиковые и контактные аппараты и конвертеры различных систем, а также процессы газоочистки (циклоны).

В системе 2 (газ + жидкость) производят ректификацию, абсорбцию, мокрую газоочистку, а также многие химические реакции. При этом применяют колонные и башенные аппараты с устройствами, обеспечивающими хороший контакт между жидкостью и газом. Для газов, хорошо растворимых в жидкости, когда достаточно небольшая поверхность контакта, процесс проводят в простейших аппаратах барботажного типа или в поверхностных абсорберах (контакт по поверхности раздела фаз).

В системе 3 (жидкость + жидкость) осуществляются физико-химические и различные химические процессы. Для этого применяют емкостные аппараты с мешалками или без них и аппараты змеевикового типа. Для обработки взаимно нерастворимых жидкостей с различным удельным весом иногда используют аппараты колонного типа с противоточным движением жидкостей. Сепарацию проводят в сепараторах центробежного типа.

Химические и физико-химические процессы в системе 4 (жидкость + твердое вещество) осуществляют в емкостных аппаратах с мешалками или в проточных камерах, заполняемых твердым продуктом. Фильтрацию, отстаивание и центрифугирование проводят соответственно в фильтрах, отстойниках и центрифугах.

В фазовой системе 5 (газ + твердое вещество) проводят газоочистку, сушку, адсорбцию, а также ряд химических процессов, в основном высокотемпературных. Простейший аппарат для сушки, обжига или химического взаимодействия – камера, заполненная твердым продуктом, омываемым потоком газа. Для интенсификации процесса применяют аппараты гребкового типа, аппараты в виде вращающихся барабанов и аппараты с псевдоожиженным слоем.

Систему 6 (твердое вещество + твердое вещество) в химической технологии применяют сравнительно редко в (основном при переработке резин и полимеров). Для обработки используют аппараты гребкового типа, валковые машины, червячные смесители, пластификаторы и т.п.

Периодический или непрерывный способ проведения процесса существенно влияет на конструкцию аппарата, так как определяет конфигурацию, способ загрузки и разгрузки компонентов и другие конструктивные особенности.

Классификация машин и аппаратов химических производств

Единой классификации пока нет. Известны следующие принципы классификации: по конструктивному признаку, по принципу организации процесса (периодический или непрерывный), по агрегатному состоянию реагирующих веществ, по основному процессу протекающему в аппарате.

Все оборудование химических производств можно разделить на три класса:

1. Аппараты;

2. Машины;

3. Транспортные средства.

Аппарат – устройство, имеющее рабочий объем, в котором протекают определенные процессы (тепловые, диффузионные, химические, физические, гидромеханические и т.п.). аппараты в большинстве случаев лишены движущихся узлов и деталей (но не всегда).

Машины – механизм или сочетание механизмов, осуществляющих определенные целесообразные движения для преобразования энергии или производства работы. Существует 2 класса машин:

1) Машины – двигатели, с помощью которых один вид энергии преобразуется в другой удобный для эксплуатации: тепловые, гидравлические, ветровые, электрические, пневматические и т.п.

2) Рабочие машины, с помощью которых производится изменение формы, свойств, состояния и положения объекта труда (последнее – транспортные средства).

Это машины технологические (станки, центрифуги, дробилки), транспортирующие (насосы, компрессоры, вентиляторы), транспортные (автомобили, транспортеры)

Всякая машина состоит из трех основных механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного.

Четкого разделения между аппаратом и машиной провести можно не всегда (фильтры, сушилки и т.п.).

В зависимости от назначения химическое оборудование делится на:

1) Универсальное;

2) Специализированное;

3) Специальное.

К универсальному относят оборудование общего назначения или общезаводское. Его можно применять без каких-либо изменений в различных химических производствах. Сюда относятся насосы, компрессоры, вентиляторы, калориферы, центрифуги, сушилки, экстракторы, сепараторы, а также газоочистное и пылеулавливающее оборудование и транспортные средства.

К специализированному относят оборудование для использования одного процесса различных модификаций: теплообменники, колонны ректификационные, абсорберы и др.

К специальному относят оборудование, предназначенное только для проведения одного процесса: каландры, вулканизационные прессы, ……………, хлораторы, сублиматоры и др.

Технологическое оборудование делят на:

1) Основное;

2) Вспомогательное (емкости, резервуары, хранилища и т.п.).

К основному технологическому оборудованию относят аппараты и машины, в которых осуществляют различные технологические процессы – химические и физико-химические и др., в результате чего получают целевые продукты. К основному технологическому оборудованию можно отнести следующую аппаратуру: ректификационную – контактные аппараты, реакторы, конверторы, колонны синтеза и другие аппараты, в которых протекают химические реакции, а также аппараты и машины для физико-химических процессов – абсорберы, экстракторы, ректификационные колонны, сатурационные башни, сушилки, выпарные и теплообменные аппараты, вальцы, каландры, прессы и т.п.

Продукты обычно получают на ряде установок, связанных единым технологическим процессом; при этом физическое состояние или химический состав, перерабатываемого продукта, будет меняться и соответственно аппараты и машины, входящие в состав каждой установки, будут работать в различных рабочих условиях. Поэтому аппарат по своей конструкции – форме, размерам и внутреннему устройству – должен соответствовать свойствам обрабатываемых веществ, условиям и требования проводимого в нем процесса. Важнейшими факторами, определяющими тип аппарата, является агрегатное состояние веществ, участвующих в процессе, их химические свойства, температура, давление, тепловой эффект, а также способ проведения процесса (периодический или непрерывный).

Для учебных целей наиболее удобно использовать классификацию химических машин и аппаратов по основному процессу, протекающему в аппарате.

Ниже дана классификация химических машин и аппаратов по этому признаку.

Машины и аппараты химических производств

Механические процессы машины и аппараты механических процессов

Тепло- массообменные процессы

Аппараты массообменных аппаратов

Для сушки влаж- ных материалов

Для разделения ректификацией

Для разделения экстракцией

Для разделения абсорбцией

Для разделения адсорбцией

Оборудование для переработки полимеров и эластомеров

Для измерения твердых тел

Для сортировки сыпучих материалов

Для смешения сы-пучих материалов

Сушилка, барабан, в К.С.

Ректификационные колонны

Экстракторы

Абсорбционные колонны

Адсорберы

Термомехано-химические процессы

Дробилки, мельницы

Грохот

Смесители различного типа

Вальцы, каланд-ры, прессы экст-рудеры, шприц-машины

Гидромеханические процессы

Тепловые процессы

Химические процессы

Оборудование гидромеханических процессов

Аппараты тепловых процессов

Реакторы

Для разделения суспензий

Для очистки газов

Для смешивания жидкостей

Вспомогательные машины и аппараты

Емкости, резервуары, хранилища и т. п.

Для нагревания, испарения, конденсации, охлаждения

Для выпаривания жидкостей

Для кристаллизации

Некаталитические газо-фазные

Каталитические газо-фазные

Жидкофазные

В твердой фазе

Реакторы различного типа Отстойники, фильтры, центрифуги

Циклоны, филь- тры, абсорберы

Смесители различного типа

Теплообменники

Выпарные установки

Кристаллизаторы