Современные конструкции технологических машин и аппаратов

 
 
 
 
С. В. Карпушкин 
 
 
 
 
 
 
СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И АППАРАТОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621 
ББК 34.4 
К26 
 
 
Рецензенты: 
к. т. н., ведущий инженер-конструктор бюро прочностных  
и технологических расчетов АО «ЗАВКОМ» (г. Тамбов)  
Мариковская Мария Павловна; 
д. т. н., профессор кафедры «Технологические процессы, аппараты  
и техносферная безопасность» (Тамбовский ГТУ)  
Борщев Вячеслав Яковлевич 
 
 
 
 
 
 
Карпушкин, С. В. 
К26   
Современные конструкции технологических машин и аппаратов : учебное пособие / С. В. Карпушкин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 144 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1957-4 
 
Представлены конструкции, области применения и методики технологических 
расчетов технологических машин и аппаратов, выпускаемых машиностроительными 
предприятиями: вертикальных емкостных аппаратов с перемешивающими устройствами; теплообменной аппаратуры; тарельчатых и насадочных колонн; уплотнительных устройств технологических машин и аппаратов. Пособие включает лабораторный 
практикум, содержащий формулировки заданий, исходные данные, рекомендации по 
выполнению и тестовые задания к защите лабораторных работ. Приложения содержат 
справочные данные о характеристиках стандартных кожухотрубчатых теплообменников, тарельчатых массообменных колонн и стандартных уплотнений, необходимые 
для выполнения лабораторных работ. 
Для студентов, обучающихся по направлению 15.03.01 «Машиностроение» дневной и заочной формы обучения. 
 
УДК 621 
ББК 34.4 
 
 
 

ISBN 978-5-9729-1957-4 
” Карпушкин С. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ. ................................................................................................................. 4 
1. АППАРАТЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД ............................... 6 
1.1. Конструкции механических мешалок ................................................................ 8 
1.2. Расчет механических перемешивающих устройств ....................................... 13 
1.3. Конструкции элементов приводов механических мешалок .......................... 18 
1.4. Аппараты для пневматического перемешивания ........................................... 28 
1.5. Теплообменные устройства вертикальных емкостных аппаратов ............... 29 
2. ТЕПЛООБМЕННАЯ АППАРАТУРА 
................................................................. 31 
2.1. Основные закономерности процесса теплопередачи ..................................... 31 
2.2. Кожухотрубчатые теплообменники ................................................................. 36 
2.3. Пленочные испарители 
...................................................................................... 47 
2.4. Другие конструкции теплообменников ........................................................... 49 
3. КОЛОННЫЕ АППАРАТЫ .................................................................................. 54 
3.1. Тарельчатые колонны ........................................................................................ 54 
3.2. Насадочные колонны ......................................................................................... 70 
4. УПЛОТНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И АППАРАТОВ 
............. 77 
4.1. Уплотнения неподвижных соединений ........................................................... 77 
4.2. Уплотнения соединений с возвратно-поступательным движением ............. 81 
4.3. Уплотнения соединений вращательного движения........................................ 84 
5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ .......................................................................... 
91 
5.1. Лабораторная работа № 1. Изучение конструкций, технологические  
расчеты механических перемешивающих устройств емкостных  
аппаратов 
.................................................................................................................... 91 
5.2. Лабораторная работа № 2. Изучение конструкций, технологические 
расчеты кожухотрубчатых теплообменников ...................................................... 103 
5.3. Лабораторная работа № 3. Изучение конструкций контактных  
массообменных устройств, технологический расчет тарельчатой  колонны ......... 111 
5.4. Лабораторная работа № 4. Изучение конструкций, технологические  
расчеты уплотнительных устройств технологических машин и аппаратов 
........... 117 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 127 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 128 
ПРИЛОЖЕНИЕ А Справочные данные для расчета кожухотрубчатых  
теплообменников типа Н и К 
..................................................................................... 
129 
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Справочная информация для расчета тарельчатых  
ректификационных колонн 
......................................................................................... 
132 
ПРИЛОЖЕНИЕ В Характеристики деталей стандартных обтюраций 
................ 
136 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Курс «Современные конструкции технологических машин и аппаратов» – 
одна из основных дисциплин направления 15.03.01 «Машиностроение». Предмет курса – изучение конструкций технологического оборудования выпускаемого машиностроительными предприятиями г. Тамбова и Тамбовской области, 
а также методики его технологических расчетов с учетом специфики реализуемого процесса и рекомендаций по предпочтительным областям применения 
машин и аппаратов различных модификаций. Основное внимание уделяется: 
– подробностям устройства оборудования; 
– влиянию вида реализуемого технологического процесса и условий его 
реализации на конструктивные особенности машин и аппаратов; 
– методике технологических расчетов машин и аппаратов.  
Технологическое оборудование большинства производств подразделяется 
на машины и аппараты:  
Машина – это устройство для переработки материала, причем материал 
может изменить форму, размеры, но не меняет физико-химических свойств 
(мельница, пресс);  
Аппарат – это устройство, где перерабатываемый материал меняет свои 
физико-химические свойства (реактор, фильтр, сушилка). 
Технологические машины и аппараты могут работать в условиях агрессивных и ядовитых рабочих сред, широкого диапазона применяемых температур и давлений, обрабатывать вещества с разнообразными свойствами в различных агрегатных состояниях. Конструкция машины или аппарата определяется:  
а) его технологическим назначением; 
б) параметрами процесса и способом его реализации (периодический или 
непрерывный); 
в) агрегатным состоянием обрабатываемых веществ; 
г) особенностями конструкционного материала. 
Основные требования к машине или аппарату:  
1) обеспечение технологических параметров процесса (температуры, давления, расходов сырья, производительности по продукту); 
2) механическая прочность и герметичность (разрушение аппарата и 
нарушение герметичности в условиях высоких температур и давлений, токсичных и взрывоопасных сред может привести к тяжелым последствиям); 
3) долговечность (расчетный срок службы 10–12 лет); 
4) транспортабельность (возможность перевозки общедоступным транспортом); 
4 

5) стандартизация (выполнение требований РСТ, ГОСТ, ОСТ, ТУ, СТП  
к основным размерам и параметрам оборудования, системе обозначений, изготовлению узлов и деталей, транспортировке и хранению, методам испытаний); 
6) унификация и агрегатирование (конструирование оборудования из 
стандартных деталей и узлов); 
7) удобство и безопасность ремонта и обслуживания. 
Технологическое оборудование изготавливается на предприятиях химического, нефтяного и полимерного машиностроения, заводах криогенного оборудования, промышленной арматуры и компрессорного оборудования. Разработки нового оборудования и контроль за использованием (реконструкцией, 
перепрофилированием) существующего осуществляются под руководством головных организаций, например, института НИИХИММАШ, г. Москва.   
Предлагаемое учебное пособие включает описание конструкций, областей применения и методики технологических расчетов механических перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов, теплообменной аппаратуры, тарельчатых и насадочных колонн, уплотнений неподвижных и подвижных соединений машин и аппаратов. В пособие включен лабораторный 
практикум, включающий задания и методические указания по выполнению четырех лабораторных работ, выполнение которых способствует выработке практических навыков выполнения технологических расчетов промышленных машин и аппаратов. 
 
5 

1. АППАРАТЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД 
 
В химической промышленности перемешивание в жидких средах применяется для приготовления растворов, эмульсий, суспензий, а также для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов. Емкостные аппараты, оснащенные перемешивающими устройствами, в большинстве своем 
универсальны и пригодны для реализации комплекса процессов (нагревание, 
растворение, химическая реакция, охлаждение, суспензирование). 
Различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (через барботер сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют 
перемешивание в трубопроводах (за счет турбулентного режима течения компонентов), циркуляционное (многократное прокачивание жидкости через систему 
аппарат-циркуляционный насос) и перемешивание в соплах (рисунок 1.1). 
Наибольшее распространение в промышленной практике получил механический способ. 
 
п
 
 
а)                               б) 
 
Рисунок 1.1. Способы перемешивания: 
а) циркуляционное; б) в сопле 
 
Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть использованы для их сравнительной оценки, являются интенсивность перемешивания и эффективность устройства.  
Интенсивность перемешивания определяется затратами энергии на единицу расхода перемещаемой жидкости. Мерой интенсивности перемешивания 
может служить отношение затрат мощности к объему N/V или массе N/m перемешиваемой жидкости (для механической мешалки – число оборотов в единицу 
времени).  
6 

 
 
Рисунок 1.2. Аппарат с механическим  
перемешивающим устройством: 
1 – опорная стойка, 2 – днище, 3 – мешалка, 
4 – обечайка, 5 – рубашка, 6 – крышка,  
7 – труба передавливания, 8 – уплотнение 
вала, 9 – редуктор, 10 – электродвигатель,  
11 – соединительная муфта, 12 – стойка 
привода; 13 – люк; 14 – вал;  
15 – опорная лапа 
Эффективность 
перемешивающего устройства является характеристикой качества проведения процесса. Способ ее оценки определяется 
целью перемешивания, например, при 
суспензировании 
эффективность 
определяется степенью равномерности распределения твердой фазы в 
объеме аппарата, при интенсификации тепловых и диффузионных процессов – отношением коэффициентов 
тепло- и массоотдачи с перемешиванием и без него. В каждом конкретном случае эффективность должна 
соотноситься с целесообразной интенсивностью (расходом энергии и 
времени на проведение процесса). 
Большинство аппаратов с механическими мешалками представляют 
собой вертикальную цилиндрическую 
емкость, на корпус которой установлено перемешивающее устройство. 
Аппарат 
может 
комплектоваться 
внутренними устройствами для создания определенного режима перемешивания (отражательные перегородки), теплообменными устройствами (змеевик, рубашка). Выбор конкретной 
конструкции аппарата определяется свойствами перемешиваемой среды, требуемой производительностью, необходимыми для проведения процесса температурой и давлением. 
Важнейший элемент аппарата – перемешивающее устройство, которое чаще всего включает вертикально расположенный вал, на котором размещены одна 
или несколько (до 5-ти) мешалок, уплотнение вала, привод и муфту, соединяющую вал привода с валом мешалки (рисунок 1.2). Привод осуществляется от 
электродвигателя, как правило, через редуктор или клиноременную передачу. 
Конструкция перемешивающего устройства должна отвечать следующим условиям:  
7 

1) установка на вал нескольких мешалок допускается при невозможности 
обеспечить требуемый режим перемешивания одной мешалкой и если отношение высоты заполнения аппарата к его диаметру H/D>1.3;  
2) при размещении на валу нескольких мешалок их конструкция и размеры должны быть одинаковыми, расстояние между соседними мешалками не 
должно быть меньше их диаметра dм;  
3) высота установки нижней мешалки над днищем аппарата при D/dм >1,5 
должна быть в пределах (0,4y1)˜dм, но не выше H/2; при D/dм d 1,5 – в пределах 
(0,5y5)˜(D – dм), но не выше D/4. 
 
1.1. Конструкции механических мешалок 
 
По типу организации потоков жидкости в аппарате различают мешалки, 
обеспечивающие преимущественно тангенциальное, радиальное или осевое течение (рисунок 1.3). В промышленных аппаратах с мешалками возможны различные сочетания этих типов течения. По устройству лопастей различают мешалки лопастные, пропеллерные, турбинные, дисковые и специальные. 
 
осевое
радиальное
 тангенциальное
 
 
Рисунок 1.3. Виды течений 
 
Лопастные мешалки (рисунок 1.4) создают в аппаратах тангенциальные 
и радиальные потоки, применяются для перемешивания взаимнорастворимых 
маловязких жидкостей (P < 0,05 Па˜с), суспензирования легких осадков, медленного растворения кристаллических веществ. Основные параметры:  
– диаметр мешалки dм = 80y2500 мм,  
– отношение высоты лопасти к диаметру hм/dм = 0,1,  
– критерий гидродинамического подобия ГD = D/dм =1,5y2,5,  
– частота вращения n =15y90 1/мин, 
–  коэффициент гидравлического сопротивления ]= 0,88.  
 
8 

 
 
Рисунок 1.4. Лопастная мешалка 
 
Достоинства: простота конструкции и низкая стоимость, надежность в работе, малая энергоемкость. Недостаток – малая интенсивность перемешивания.  
К лопастным относят также рамные и якорные мешалки (рисунок 2.15), применяемые для перемешивания вязких и тяжелых жидкостей (P d 10 Па ˜ с), суспензирования в вязких средах. Их использование для интенсификации теплообмена 
в аппаратах с рубашками или змеевиками уменьшает загрязнение теплопередающих поверхностей. Для рамных и якорных мешалок: n = 10y60 1/мин, dм =  
= 200–2500 мм, ]= 1,28, Параметры рамных: ГD = 1,1y1,3, hм/dм = 0,8y1, s/dм =  
= 0,07, якорных: ГD = 1,15y1,5, hм/dм = 0,7, s/dм = 0,1. 
 
 
 
а)                                             б) 
 
Рисунок 1.5. Разновидности лопастных мешалок: 
а) рамная; б) якорная 
 
9 

 
 
Рисунок 1.6. Трехлопастная 
мешалка 
Пропеллерные (трехлопастные) мешалки (рисунок 1.6) создают в аппарате преимущественно осевые потоки и применяются для интенсивного перемешивания маловязких жидкостей, взмучивания осадков (до 10 % твердой 
фазы, размеры частиц до 0,15 мм), для приготовления суспензий и эмульсий. 
Основные параметры:  
– dм = 80y2500 мм,  
– ГD = 3y6,  
– n = 100y1000 1/мин,   
– ]= 0,56.  
Для улучшения циркуляции жидкости 
мешалку иногда устанавливают внутри диффузора. Достоинства: высокая интенсивность 
перемешивания при небольшом расходе энергии, невысокая стоимость. Недостатки: малая 
эффективность перемешивания вязких жидкостей  (P > 0,5 Па˜с), ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости, непригодность для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности. 
Турбинные мешалки (рисунок 1.7) могут быть открытые и закрытые. Они создают в 
аппарате преимущественно радиальные потоки, а при расположении лопаток под углом 
также осевые, применяются для интенсивного 
перемешивания вязких жидкостей (P < 1 Па˜с 
для открытых и P < 5 Па˜с для закрытых), тонкого диспергирования и быстрого 
растворения, получения суспензий, содержащих до 60 % твердой фазы с размерами частиц до 1,5 мм для открытых и до 2,5 мм для закрытых мешалок. Закрытые мешалки иногда устанавливают внутри неподвижного направляющего аппарата с изогнутыми лопатками. Основные параметры:  
– dм = 80y2500 мм,  
– ГD = 3y6,   
– n = 100y350 об/мин,   
– ]= 8,4.  
10