66

М ІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ РУБІЖАНСЬКИЙ ФІЛІАЛ

ІНЖЕНЕРНО-ЕКОНОМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА МАШИН І АПАРАТІВ ХІМІЧНИХ

ВИРОБНИЦТВ

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ ХІМІЧНИХ ВИРОБНИЦТВ

Конспект лекцій

2005

Технологічне обладнання хімічних виробництв. Конспект лекцій для студентів спеціальності 7.090.220 «Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів». / Укладач Мамчур О.В., Бєлкін Д.І. - Рубіжне: РФ СНУ імені В. Даля, 2005 – 81 с.

Конспект лекцій містить теоретичні відомості про обладнання хімічних виробництв: класифікація обладнання, схеми апаратів та їх використання у виробництві.

Розглянуто і схвалено кафедрою МАХВ

Протокол № _________ від «_____» ___________ 2005 р.

Зав. кафедрою Бєлкін Д.І.

Схвалено методичною радою РФ СНУ ім. В.Даля

Протокол № _____ від «___» _________ 2005 р.

Голова методичної ради Тімошин А.С.

Зміст

Вступ 1 Обладнання й технологічні процеси 2 Загальна класифікація обладнання хімічних виробництв 3 Хіміко-технологічні системи 4 Структурний і параметричний синтез машини 1 Машини для здрібнення матеріалів 1.1 Способи здрібнювання і класифікація подрібнювачів 1.2 Дробарки. Конструкція, принцип дії 1.2.1 Щокові дробарки 1.2.2 Конусні дробарки 1.2.3 Валкові дробарки 1.2.4 Молоткові дробарки 1.3 Млини. Конструкція, принцип дії 1.3.1 Барабанні млини 1.3.2 Роликокільцеві і шарокільцеві млини 1.3.3 Бігуни 1.3.4 Дезінтегратор й дисмембратор 1.3.5 Бильний (аеробильний) млин 1.3.6 Бісерний млин 1.3.7 Відцентровий млин 1.3.8 Вібраційний млин 1.3.9 Газоструминні млини 1.3.10 Віброкавітаційний млин 1.3.11 Конусні млини 1.4 Принципи параметричних розрахунків подрібнювачів 2 Обладнання для розділення сипучих матеріалів 2.1 Класифікація обладнання 2.2 Грохоти. Конструкція, принцип дії 2.2.1 Ситовий грохот 2.2.2 Барабанні грохоти 2.3 Гідрокласифікатори. Конструкція, принцип дії 2.3.1 Відстійники 2.3.2 Спіральний класифікатор 2.3.3 Рейковий класифікатор 2.4 Повітряні сепаратори. Конструкції, принцип дії 2.4.1 Газохід відстійний 2.4.2 Відцентрові сепаратори 2.5 Принципи параметричних розрахунків 3 Обладнання для очищення газів 3.1 Класифікація 3.2 Обладнання для сухого очищення. Конструкція, принцип дії 3.2.1 Циклони 3.2.2 Фільтри 3.2.3 Електрофільтри 3.3 Апарати для мокрого очищення. Барботажній апарат. Конструкція, принцип дії 3.4 Принципи параметричних розрахунків пиловловлювачів 4 Промислові фільтри 4.1 Класифікація фільтрів 4.2 Фільтри періодичної дії 4.2.1 Нутч-фільтр і друк-фільтр 4.2.2 Фільтр-прес автоматизований камерний (ФПАКМ) 4.2.3 Рамний фільтр-прес 4.2.4 Листові фільтри 4.2.5 Патронний фільтр 4.3 Фільтри безперервної дії. Конструкція, принцип дії 4.3.1 Барабанні фільтри 4.3.2 Дискові фільтри 4.3.3 Стрічкові фільтри 4.3.4 Розподільна головка 4.4 Принципи параметричних розрахунків 5 Центрифуги 5.1 Класифікація центрифуг 5.2 Центрифуги періодичної дії. Конструкція, принцип дії 5.2.1 Вертикальні підвісні центрифуги 5.2.2 Вертикальні трьохколонні центрифуги 5.2.3 Горизонтальні центрифуги з ножовим зніманням осаду 5.3 Центрифуги безперервної дії. Конструкції, принцип дії 5.3.1 Центрифуги зі шнековим вивантаженням осаду 5.3.2 Центрифуги з пульсуючим поршнем 5.3.3 Центрифуги з інерційним вивантаженням осаду 6 Машини і апарати для змішування матеріалів 6.1 Класифікація 6.2 Машини і апарати для змішання сипучих матеріалів. Конструкції, принцип дії 6.2.1 Барабанні змішувачі 6.2.2 Лопатеві змішувачі 6.2.3 Барабанно-лопатневі змішувачі 6.2.4 Відцентрові змішувачі 6.2.5 Пневмотичні змішувачі 6.3 Мішалки. Конструкції, принцип дії 6.3.1 Лопатеві мішалки 6.3.2 Турбінні мішалки 6.3.3 Якірні і рамні мішалки 6.3.4 Стрічкові мішалки 6.4 Машини і апарати для змішання пастоподібних матеріалів: валкові, роторні й черв'ячні змішувачі. Конструкції й принцип дії 6.5 Принципи параметричних розрахунків машин і апаратів для змішання матеріалів 7 Теплообмінні апарати 7.1 Класифікація 7.2 Кожухотрубчаті теплообмінники: жорсткої, нежорсткі і напівпівжорсткі. Конструкції, принцип дії 7.3 Пластинчасті теплообмінники 7.4 Спіральні теплообмінники 7.5 Принципи параметричних розрахунків теплообмінників 8 Випарні апарати й установки 8.1 Класифікація 8.2 Випарні апарати з випарюванням у об’ємі. Конструкції, принцип дії 8.2.1 Випарні апарати зі співвісною гріючою камерою і істотною циркуляцією 8.2.2 Випарні апарати зі співвісною гріючою камерою і примусовою циркуляцією 8.2.3 Випарні апарати з виносною гріючою камерою і істотною циркуляцією 8.3 Плівкові випарні апарати 8.3.1 Випарні апарати з плівкою, що сходить 8.3.2 Плівкові випарні апарати з плівкою, що стікає 8.3.3 Плівкові роторні апарати 8.4 Випарний апарат з заглибною горілкою. Конструкції, принцип дії 8.5 Принципи параметричних розрахунків випарних апаратів 9 Масообмінні апарати 9.1 Класифікація апаратів 9.2 Апарати з фіксованою поверхнею контакту фаз. Конструкції, принцип дії 9.2.1 Плівкові масообмінні апарати 9.2.2 Поличні апарати 9.2.3 Розпилювальні масообмінні апарати 9.3 Колонні апарати. Конструкція зовнішніх елементів 9.4 Тарілчасті колони. Конструкції, принцип дії 9.4.1 Ковпачкові стальні тарілки 9.4.2 Ковпачкові керамічні тарілки 9.4.3 Тунельні тарілки 9.4.4 Тарілки з S - подібними елементами 9.4.5 Сітчасті тарілки 9.4.6 Струминні тарілки 9.4.7 Клапанні тарілки 9.4.8 Решітчасті і дірчасті тарілки 9.5 Апарати насадкові. Конструкції, принцип дії 9.5.1 Схема апарата із затопленою насадкою 9.5.2 Схема апарата з насадкою, розділеної на секції 9.5.3 Види насадок. Опорні ґрати 9.5.4 Розподільні пристрої насадкового апарата 9.5.5 Перерозподільні пристрої 9.6 Апарати із зовнішнім підведенням енергії. Конструкції, принцип дії 9.6.1 Пульсаційні апарати 9.6.2 Роторні апарати 10 Сушильні апарати і установки 10.1 Класифікація сушарок 10.2 Конвекційні сушарки. Конструкції, принцип дії 10.2.1 Камерні і тунельні сушарки 10.2.2 Стрічкові і петльові сушарки 10.2.3 Турбінні і шахтні сушарки 10.2.4 Барабанні сушарки 10.2.5 Сушарки із псевдозрідненим шаром 10.2.6 Розпилювальні сушарки 10.2.7 Аерофонтанні сушарки 10.3 Контактні сушарки. Конструкції, принцип дії 10.3.1 Вакуумні-гребкові сушарки 10.3.2 Вальцьові сушарки 10.3.3 Барабанні сушарки 10.4 Спеціальні сушарки: терморадіаційні, високочастотні, сублимаційні. Конструкції, принцип дії 10.5 Принципи параметричних розрахунків сушарок Список літератури

7 7 8 8 9 9 9 10 10 12 13 15 16 16 17 18 19 20 20 21 22 23 24 24 24 25 25 25 25 26 27 27 28 29 29 29 30 31 31 31 31 31 32 33 34 35 36 36 36 36 37 37 38 38 38 38 39 39 40 41 41 41 41 41 42 42 43 43 44 44 45 45 45 45 46 46 47 48 49 49 49 50 50 51 51 51 51 52 53 53 54 54 54 54 54 55 56 57 57 58 59 59 60 60 61 61 61 62 62 63 64 64 64 65 65 66 66 66 67 67 67 68 68 69 69 70 70 71 72 72 73 73 73 74 74 75 76 76 77 77 78 79 79 80 81

ВВЕДЕННЯ

Кваліфікаційна характеристика інженера-механіка спеціальності «Устаткування хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів», визначаючи його призначення, передбачає глибоку й різнобічну професійну підготовку майбутнього фахівця. Інженер-механік цієї спеціальності повинен знати питання проектування, конструювання, експлуатації й дослідження технологічного встаткування хімічних виробництв, методи механічних розрахунків складальних одиниць вузлів і деталей, машин і апаратів, принципи визначення конструктивних розмірів, що забезпечують їхню функціональну ефективність, взаємозв'язок робітничих середовищ і технологічних процесів з методами вибору матеріалів і конструювання встаткування.

Оскільки фахівець орієнтований на проектно-конструкторську, виробничо-технологічну, організаційно-управлінську й дослідницьку діяльність в області виробництва й експлуатації машин і апаратів хімічних виробництв, він повинен ясно представляти основні напрямки й перспективи розвитку хімічної промисловості й хімічного машинобудування, знати методи проведення наукових досліджень і експериментів за фахом.

1 Обладнання й технологічні процеси

Перед хімічним машинобудуванням поставлене завдання створення й випуску високопродуктивного встаткування, у тому числі для принципово нових технологічних процесів у хімічній, нафтовій і газовій, целюлозно-паперовій промисловості. Хімічне машинобудування повинне внести великий вклад у розвиток паливно-енергетичного комплексу, істотно збільшити виробництво встаткування й агрегатів великої одиничної потужності для випуску мінеральних добрив, засобів захисту рослин і ін.

Основні напрямки розвитку хімічного машинобудування:

- створення встаткування великої одиничної продуктивності;

- комплексна й комплектна поставка технологічних ліній і установок, що дозволяє до мінімуму скоротити строки введення встаткування в роботу;

- створення агрегатів безперервної дії, що інтенсифікують хімічні виробництва на основі використання новітніх досягнень науки й техніки (вібраційної, ультразвуковий, лазерної й т.д.);

- широка механізація й автоматизація технологічних процесів;

- максимальна економія матеріальних і енергетичних ресурсів у знову створюваному встаткуванні й у галузі;

- підвищення якості встаткування, що випускає, зокрема надійності.

2 Загальна класифікація обладнання хімічних виробництв

Хімічне встаткування класифікується по двох основних ознаках: характер технологічного процесу; спільність конструктивних форм, машинобудівний технології, застосування матеріалів і захисних покриттів. Хімічне встаткування по номенклатурі ділиться на типи, а останні - на типорозміри.

До машин хімічних виробництв ставляться технологічне встаткування, у якому обов'язковим і визначальний зміст технологічного процесу є механічний вплив робочих органів машини на об'єкт обробки. У машинах хімічних виробництв можливі як механічні, так і гідромеханічні процеси, що іноді супроводжуються тепло - і масобмінними процесами, хімічними перетвореннями.

По функціонально-технологічному призначенню розрізняють наступні види машинного технологічного встаткування хімічних виробництв: 1) дробарки й млини; 2) машини для класифікації сипучих матеріалів; 3) змішувачі, живильники, дозатори; 4) мішалки; 5) фільтри; 6) центрифуги, сепаратори; 7) машини з обертовими барабанами. У машинах перших трьох груп виконуються механічні процеси хімічної технології по обробці кускових матеріалів і сипучих середовищ, у машинах наступних трьох груп - гідромеханічні процеси, обробляються в основному рідкі середовища. У машинах з обертовими барабанами обробляють як сипучі, так і рідкі середовища.

3 Хіміко-технологічні системи

Машини застосовують для збільшення продуктивності суспільної праці й полегшення фізичної праці людини при виконанні технологічних процесів або окремих операцій.

Технологічна машина – комплекс механізмів, призначених для виконання технологічного процесу відповідно до заданої програми. У ході технологічного процесу під впливом робочих органів машини змінюються якісні показники предмета праці (фізичні властивості, форма); при цьому затрачається корисна робота. У машинах хімічних виробництв технологічний процес звичайно носить складний характер: на предмет праці крім механічного впливу може накладатися типовий процес хімічної технології - хімічне перетворення, міжфазний масообмін, підігрів.

Машини хімічних виробництв являють собою складний технічний об'єкт, тобто є складною системою, що складається з великої кількості взаємодіючих елементів. Система характеризується св’язком її елементів, керованістю, змінюваністю й иерархічністю, тобто можливістю розчленовування на рівні. На вищому рівні розглядаються загальні властивості об'єкта; у міру зниження рівня ступінь подробиці розгляду елементів зростає, причому розглядають не систему, а окремі блоки. Це дозволяє застосувати при проектуванні машини блочно-ієрархічний підхід, розділяючи складну проблему на ряд послідовно розв'язуваних завдань малої складності.

У загальному машини мають наступні функціональні системи:

1. Корпус – основна несуча конструкція.

2. Пристрою для подачі й відводу основних і допоміжних матеріалів.

3. Виконавчі механізми – робочі органи виконуючу корисну роботу.

4. Привод машини.

5. Система обігріву або охолодження робочих зон.

6. Система контролю.

7. Система й пристрої мастильні.

4 Структурний і параметричний синтез машини

Структурний синтез машини – частина процесу проектування, пов'язана з вибором варіанта схеми машини і її пристроїв. Структурний синтез виконується по блочно-ієрархічному принципі. Відповідно до його на кожному рівні проектування синтезується певний ранг системи: спочатку - загальна схема, потім функціональна, далі окремі функціональні деталі й елементи.

Параметричний синтез – визначення основних конструкційних (геометричних і механічних) параметрів машини в цілому, її окремих механізмів, пристроїв робочих органів. У більшості випадків параметричний синтез є завданням оптимізаційного типу: параметри машини визначаються таким чином, щоб заданий показник мав оптимальне значення.

Дослідження технологічного процесу дозволяє знайти найвигідніші параметри технологічного режиму (швидкості, тиску), що забезпечує його ефективність і висока якість продукції, одержати необхідні відомості для проведення енергетичних розрахунків, визначити навантаження й т.д.

1 Машини для здрібнення матеріалів

1. Способи здрібнювання й класифікація подрібнювачів

Хімічна промисловість споживає саму широку гаму матеріалів, що подрібнюють. Вони можуть бути твердими, м'якими, тендітними, липкими, термічно нестійкими, нейтральними, хімічно активними й нешкідливими.

Залежно від розмірів шматків вихідної сировини й кінцевого продукту здрібнювання ділять на кілька класів:

	Клас здрібнювання	Розмір шматків до здрібнювання	Розмір шматків після подрібнювання
Дроблення		dн, мм	dк, мм
	Велике	1000	250
	Середнє	250	20
	Дрібне	20	1
Мливо
	Грубий	1-5	0,01-0,10
	Середній	0,1-0,04	0,005-0,015
	Тонкий	0,1-0,04	0,001-0,005
	Колоїдний	-0,1	-0,001

Відношення розмірів шматків до й після здрібнювання називають ступенем здрібнювання - i. Розрізняють лінійну (i = d_н ∕ d_к) і об'ємну (i = V_н / V_к) ступеня здрібнювання.

Способи здрібнювання. Матеріал можна руйнувати й подрібнювати роздавлюванням, розколюванням, розламуванням, стиранням, ударом, різанням, розпилюванням і різними комбінаціями цих способів.

Здрібнення матеріалів звичайно здійснюється сухим способом (без застосування води), тонке здрібнювання - мокрим. При мокрому здрібнюванні не спостерігається пилу утворення й полегшується транспортування здрібнених матеріалів. У цей час почали застосовувати нові способи здрібнювання: електрогідравлічний, ультразвуковий, гравітаційний, метод швидкої зміни температур, світловим променем.

Класифікація подрібнювачів. Існує два принципи класифікації подрібнювачів: 1) по кружності одержуваного продукту; 2) по способі здрібнювання.

По кружності одержуваного продукту подрібнювачі діляться на дробарки й млини.

По способі здрібнювання машини бувають: 1) дії, що розколює й розламує; 2) дії, що роздавлює; 3) дії, що стираючи - роздавлює; 4) ударної дії; 5) ударно - стираючої дії; 6) колоїдні подрібнювачі.

2. Дробарки. Конструкція, принцип дії

1.2.1 Щокові дробарки

Щокові дробарки ставляться до подрібнювачів дії, що розколює й розламує. Вони використаються для великого здрібнювання й одержання кускового матеріалу з мінімальним виходом дріб'язку.

1 - щока нерухома; 2 - щока рухлива; 3 - вал ексцентриковий; 4 - шатун; 5 - плити розпірні; 6 - пружина; 7 - тяга

Рисунок 1.2.1 - Щокова дробарка з верхнім підвісом щоки й простим коченням

Робочим елементом дробарок є дві щоки: нерухома 1 і рухлива (хитна) 2. Щоки утворять упасти, у яку зверху надходить матеріал. При зближенні щік шматки матеріалу руйнуються, а при розбіжності здрібнений матеріал висипається через нижню щілину пасти.

Рухливу щоку зміцнюють шарнірно зверху або знизу. При верхнім кріпленні (підвісі) найбільший розмах робить нижній кінець рухливої щоки. Ширина щілини під час роботи змінюється, розмір шматків вихідного матеріалу різний.

При нижнім кріпленні рухливої щоки найбільше хитання робить її верхній кінець, ширина вихідної щілини не змінюється, тому продукт більше однорідний. Однак у таких дробарках утворяться застійні зони в нижній частині дробарки, а це знижує продуктивність і збільшує витрату енергії на здрібнення, тому такі дробарки мають невелику продуктивність і застосовуються для дослідницьких цілей.

Найбільше поширення одержали дробарки з верхнім підвісом рухливої щоки.

Для зменшення зношування станини й рухливої щоки на їхні робочі поверхні встановлюють броньові плити й клини, які виготовляються зі зносостійкої сталі або загартованого чавуну. Для збільшення терміну служби плити виготовляють таким чином, щоб у міру зношування цієї ділянки плити її можна було перевернути верхнім кінцем униз.

Для захисту дробарки від ушкоджень при влученні в камеру дроблення стороннього матеріалу, що не здрібнюється, служать запобіжні елементи або пристрої. Таким запобіжним елементом служить розпірна плита, що руйнується при навантаженнях, що перевищують максимально припустиму. Однак заміна плити пов'язана із простоєм машини і є трудомістким процесом. У нових дробарках використають запобіжники, що не руйнуються - муфти граничного моменту.

Істотним недоліком даних дробарок є те, що зусилля здріблення передаються безпосередньо ексцентрикові приводного вала, що утрудняє створення дробарок більших розмірів.

1.2.2 Конусні дробарки

Конусні дробарки ставляться до дробарок дії, що розколює й розламує й використається для великого, середнього й дрібного здрібнювання (в останньому випадку вони є конусними млинами). Робочими елементами дробарок є поверхні двох вхідний друг у друга конусів. Зовнішній конус нерухомо зв'язаний зі станиною, а внутрішній установлений на осі.

В одних конструкціях нижній кінець осі кріплять ексцентрично в склянці, внаслідок чого вісь при обертанні описує конус. В інших конструкціях вісь кріпиться в співвісних підшипниках з ексцентриситетом щодо осі зовнішнього конуса.

1 - конус нерухомий; 2 - конус рухливий; 3 - опора ексцентрикова; 4 - привод

Рисунок 1.2.2 - Конусна дробарка з ексцентриковим кріпленням обох торців осі конуса

Під час обертання внутрішній конус в одній частині окружності наближається до нерухомого конуса, руйнуючи матеріал, а в іншій (протилежної) частини віддаляється від нерухомого конуса. Здрібнений матеріал при цьому висипається через вихідну щілину, що розширилася.

Отже, у відмінності від щокових дробарок у конусних руйнування матеріалу й видалення його із зони здрібнювання відбувається безупинно. За рахунок безперервності й більшої рівномірності в роботі продуктивність конусних дробарок вище. Конусні дробарки витрачають менше енергії й не мають потреби в громіздкому маховику. Однак при малій продуктивності й великий крупності вихідного матеріалу щокова дробарка може виявитися вигідніше конусною.

Такі дробарки зручні при монтажі, експлуатації й ремонті, тому що ексцентрикова склянка встановлюється зверху, при здрібнюванні вологих або глинистих матеріалів зменшується небезпека забивання дробарки. Матеріал надходить у простір між зовнішнім і внутрішнім конусами, подрібнюється й виводиться через центральний нижній отвір станини.

Кружність дробленого матеріалу визначається шириною вихідного отвору, яку можна міняти.

Вітчизняні підприємства випускають конусні дробарки для великого здрібнювання - марок В, для середнього - марок КСД і для дрібного - марок КМД.

1.2.3 Валкові дробарки

1- бункер; 2 - валок зубчастий; 3 - корпус; 4 - пружина; 5 - тяга; 6 - ґрати колосникова

Рисунок 1.2.3.1 - Одновалкова зубчаста дробарка з колосниковими ґратами

Валкові дробарки застосовуються для великого, середнього й дрібного дроблення матеріалів з різними фізико-механічними властивостями, у тому числі вологими й грузлими.

Основними робочими елементами валкових машин є масивні цільні пустотілі або збірні валки циліндричної форми.

За формою робочої поверхні дробарки бувають із зубчастими, рифленими або гладкими валками. Дробарки із зубчастими й рифленими поверхнями валків застосовуються для великого й середнього дроблення, із гладкими - для дрібного.

У зубовалкових дробарках матеріал подрібнюється в основному розколюванням, у гладковалкових - роздавлюванням і частково стиранням. У двохвалкових дробарках підлягаючому здрібнюванню матеріал захоплюється в зазор обертових назустріч один одному валків, де й подрібнюється.

В одновалковій зубчастій дробарці матеріал подрібнюється в зазорі між валком і колосниковими ґратами або підвішеною щокою.

1- бункер; 2 - привод; 3 - станина; 4 - пружина; 5,6 - валок

Рисунок 1.2.3.2 - Двохвалкова дробарка із гладкими валками

У деяких конструкціях двохвалкових дробарок для двох підшипників ковзного валка встановлюється загальне коромисло, що має амортизаційну пружину. Це робиться для того, щоб уникнути перекосу валків, що з'являється при незалежній амортизації кожного підшипника.

У чотирьохвалкових дробарках є дві пари валків - верхня й нижня. Верхня служить для попереднього, нижня - для остаточного здрібнювання. Зазор між валками у верхньої пари більше, ніж у нижньої, тому для забезпечення однакової пропускної здатності нижні валки обертаються з більшою частотою.

Використання чотирьохвалкової дробарки, що дає високий ступінь здрібнювання, доцільніше використання двох окремих валкових дробарок або інших типів подрібнювачів. Вона менш металоємка, і для її установки потрібно менша виробнича площа. Недолік - обмежується продуктивність нижньою парою валків, тому що верхня працює з недовантаженням.