Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. Примеры расчетов

 
 
 
 
 
 
С. Р. РУЗАНОВ, С. И. СМИРНОВ, А. М. ПЕТРОВСКИЙ  
 
 
 
 
 
 
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ 
 
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рекомендовано ученым советом Нижегородского государственного технического 
 университета им. Р. Е. Алексеева в качестве учебного пособия для студентов,  
обучающихся по направлениям подготовки «Химическая технология»  
и «Технологические машины и оборудование» всех форм обучения 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 

 
УДК 66.02 
ББК 35.11 
Р83 
 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор, директор по развитию  
производства ООО «Синтез-ПКЖ» С. Е. Когтев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рузанов, С. Р. 
Р83  
Процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. Примеры расчетов : учебное пособие / С. Р. Рузанов, С. И. Смирнов, А. М. Петровский. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
248 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1628-3 
 
Изложены задачи, объем и состав курсового проекта по дисциплине «Процессы 
и аппараты химической технологии». Содержатся методические рекомендации и указания по выполнению разделов пояснительной записки, графической части, организации выполнения и защиты проекта. Приводятся примеры расчетов наиболее распространенных аппаратов. В соответствии с нормативными документами рассмотрены 
методы и примеры расчета тепловой изоляции аппаратов и трубопроводов. Приведены основные расчетные зависимости нестационарного теплообмена в емкостных аппаратах с мешалками.  
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Химическая технология», «Технологические машины и оборудование».  
 
УДК 66.02 
ББК 35.11 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1628-3 
” Рузанов С. Р., Смирнов С. И., Петровский А. М., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 

 
Оглавление 
 
Предисловие ............................................................................................................... 5 
1. Задачи, тематика и сроки проектирования ..................................................... 6 
2. Состав и объем курсового проекта (работы) ................................................... 8 
3. Содержание разделов пояснительной записки ............................................... 9 
3.1. Титульный лист ................................................................................................. 9 
3.2. Задание ............................................................................................................... 9 
3.3. Аннотация .......................................................................................................... 9 
3.4. Содержание 
........................................................................................................ 9 
3.5. Введение 
............................................................................................................. 9 
3.6. Технологическая схема установки ................................................................ 10 
3.7. Конструкция аппарата. Выбор конструкционных материалов .................. 10 
3.8. Технологический расчет аппарата 
................................................................. 10 
3.9. Расчет аппарата на прочность 
........................................................................ 11 
3.10. Подбор стандартного вспомогательного оборудования ........................... 12 
3.11. Выводы ........................................................................................................... 12 
3.12. Список литературных источников .............................................................. 12 
4. Оформление пояснительной записки ............................................................. 13 
5. Оформление графической части проекта ...................................................... 16 
5.1. Общие требования 
........................................................................................... 16 
5.2. Технологическая схема 
................................................................................... 16 
5.3. Чертеж общего вида аппарата 
........................................................................ 19 
6. Особенности расчета и проектирования типовых аппаратов                      
и установок ............................................................................................................... 22 
6.1. Расчет теплообменников ................................................................................ 22 
6.2. Расчет выпарных установок 
........................................................................... 23 
6.3. Расчет абсорбционных аппаратов ................................................................. 26 
6.4. Расчет ректификационных колонн 
................................................................ 27 
6.5. Расчет адсорбционных установок ................................................................. 29 
6.6. Расчет сушилок 
................................................................................................ 29 
6.7. Расчет холодильных установок ..................................................................... 30 
7. Организация работы и защита проекта ......................................................... 31 
8. Примеры технологических расчетов в типовых курсовых проектах      
(работах) .................................................................................................................... 32 
8.1. Расчет кожухотрубчатого подогревателя ..................................................... 32 
8.2. Расчет кожухотрубчатого испарителя .......................................................... 38 
8.3. Расчет кожухотрубчатого конденсатора 
....................................................... 41 
8.4. Расчет кожухотрубчатого холодильника 
...................................................... 47 
8.5. Расчет пластинчатого холодильника 
............................................................. 51 
8.6. Расчет пластинчатого конденсатора (дефлегматора) .................................. 54 
8.7. Расчет спирального теплообменника 
............................................................ 59 
8.8. Расчет трехкорпусной выпарной установки ................................................ 62 
8.9. Расчет выпарного аппарата с вынесенной зоной кипения 
.......................... 71 
8.10. Расчет пленочного выпарного аппарата ..................................................... 75 
3 
 

 
8.11. Расчет тарельчатого абсорбера .................................................................... 80 
8.12. Расчет насадочного абсорбера ..................................................................... 87 
8.13. Расчет распыливающего абсорбера 
............................................................. 93 
8.14. Расчет оптимального флегмового числа 
................................................... 102 
8.15. Расчет насадочной ректификационнойколонны 
...................................... 108 
8.16. Расчет тарельчатой ректификационной колонны 
.................................... 115 
8.17. Расчет адсорбера ......................................................................................... 121 
8.18. Расчет пневматической трубы-сушилки 
................................................... 129 
8.19. Расчет сушилки кипящего слоя ................................................................. 135 
8.20. Расчет барабанной сушилки 
....................................................................... 142 
9. Расчет толщины тепловой изоляции аппаратов и трубопроводов 
......... 148 
9.1. Общие положения ......................................................................................... 148 
9.2. Требования к материалам и конструкциям изоляции ............................... 149 
9.3. Варианты расчетов толщины теплоизоляционного слоя 
.......................... 150 
9.4. Расчет толщины изоляции по заданной температуре                                   
на поверхности изоляции объектов, содержащих вещества                                  
с температурой выше температуры окружающего воздуха ............................ 150 
9.5. Расчет толщины тепловой изоляции, предотвращающей конденсацию 
влаги из воздуха на поверхности объектов, содержащих вещества                     
с температурой ниже температуры окружающего воздуха 
............................. 153 
9.6. Расчет толщины тепловой изоляции по нормированной плотности          
теплового потока .................................................................................................. 154 
9.7. Примеры расчетов тепловой изоляции аппаратов и трубопроводов            
в курсовых проектах (работах) ........................................................................... 156 
10. Расчет нестационарного теплообмена в емкостных аппаратах                  
с мешалками 
........................................................................................................... 163 
10.1. Общие сведения о нестационарном теплообмене                                         
в емкостных аппаратах с мешалками 
................................................................. 163 
10.2. Расчет коэффициентов теплоотдачи ......................................................... 166 
10.2.1. Теплоотдача при перемешивании жидкостей мешалками ............... 166 
10.2.2. Теплоотдача при конденсации насыщенного пара                                    
в рубашке и змеевиках 
...................................................................................... 168 
10.2.3. Теплоотдача без изменения агрегатного состояния                               
в рубашке и змеевиках 
...................................................................................... 169 
10.3. Температурные схемы в аппаратах с мешалками 
.................................... 171 
10.4. Поддержание постоянной температуры в аппарате                                    
за счет конденсации насыщенного пара ............................................................ 173 
10.5. Нагревание (охлаждение) среды в аппарате теплоносителем                      
с постоянной начальной температурой 
.............................................................. 174 
10.6. Поддержание постоянной температуры в аппарате теплоносителем         
с постоянной начальной температурой 
.............................................................. 175 
10.7. Пример расчета нестационарного теплообмена                                              
в химическом реакторе ........................................................................................ 176 
Библиографический список ................................................................................ 185 
Приложения 
............................................................................................................ 189 
4 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Учебное пособие является практическим руководством к курсовому проектированию по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» для 
студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Химическая технология» всех форм обучения. 
Приведенные в пособии краткие теоретические положения помогут студентам в изучении тепловых, массообменных и совмещенных тепломассообменных процессов и аппаратов химической технологии. Компоновка материала пособия соответствует графику учебного процесса и максимально отражает 
содержание рабочих программ дисциплины «Процессы и аппараты химической 
технологии». 
Пособие состоит из четырех частей. Первая часть посвящена постановке 
задач курсового проектирования, его тематике. Приведены требования к составу и объему курсового проекта (работы), правила оформления основных частей 
проекта. Обращено внимание на особенности расчета и проектирования типовых установок. 
Во второй части даны примеры технологических расчетов, которые могут являться дополнением к существующей учебно-методической литературе 
по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». 
Третья часть посвящена расчетам тепловой изоляции аппаратов и трубопроводов в соответствии с рекомендуемыми нормативными материалами. 
В четвертой части пособия подробно разобран часто встречающийся на 
практике случай теплообмена в емкостных аппаратах с мешалками. Предложены методики расчета и приведены примеры расчета различных теплообменных 
процессов, проводимых в емкостных аппаратах. 
Пособие содержит также необходимый справочный материал для выполнения курсового проекта. 
Пособие составлено с учетом опыта работы авторов на кафедрах «Процессы и аппараты и ОХТ», «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии», «Технология и оборудование химических и пищевых производств» 
и «Технологическое оборудование и транспортные системы» Дзержинского политехнического института (филиала) НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 
 
Авторы 
 
 
 
5 
 

 
1. ЗАДАЧИ, ТЕМАТИКА И СРОКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
 
Курс «Процессы и аппараты химической технологии» (далее ПАХТ) базируется на фундаментальных законах естественных наук и составляет теоретическую основу химической технологии. 
Курсовой проект по процессам и аппаратам химической технологии является по существу первой самостоятельной инженерной работой студентов.  
Работая над проектом, студент изучает действующие ГОСТы, ОСТы, нормали, справочную литературу, приобретает навыки выбора аппаратуры с учетом технико-экономических показателей, оформления технической документации.  
Таким образом, курсовой проект по курсу ПАХТ имеет своей целью: 
 систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний и 
практических навыков курса; 
 развитие навыков самостоятельного решения инженерно-технических 
задач по проектированию основных процессов и аппаратов химических производств. 
Тематика курсового проектирования по дисциплине ПАХТ включает в себя решение задачи по расчету и проектированию аппарата, входящего в состав 
одной из установок химической технологии, наиболее широко представленных 
на химических и нефтехимических производствах:    
 выпарной установки для концентрирования водных растворов; 
 абсорбционной установки для очистки и разделения парогазовых смесей; 
 ректификационной установки для разделения бинарной смеси; 
 адсорбционной установки для очистки воздуха; 
 сушильной установки для сушки дисперсных материалов; 
 парокомпрессионной холодильной установки. 
Тема курсового проекта (работы) формулируется в приказе на проектирование следующим образом, например: 
 «Расчет и проектирование дефлегматора установки ректификации для 
разделения смеси ацетонвода»; 
 «Расчет и проектирование абсорбера для улавливания паров метанола 
из воздушной смеси»; 
 «Расчет и проектирование колонны ректификации бинарной смеси 
ацетонвода»; 
 «Расчет и проектирование адсорбера улавливания паров толуола из воздуха»; 
 «Расчет и проектирование сушилки для сушки кальцинированной соды»; 
 «Расчет и проектирование испарителя аммиачной компрессионной машины». 
 
6 
 

 
Курсовой проект (работа) выполняется в течение заключительного семестра изучения дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии». Рекомендуемые сроки представления законченного проекта (работы) к защите: 
 осенний семестр не позднее 15.12; 
 весенний семестр не позднее 15.05. 
Выполнение курсового проекта является обязательным условием положительной аттестации студента на экзамене по дисциплине ПАХТ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

 
2. СОСТАВ И ОБЪЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА (РАБОТЫ) 
 
Курсовой проект (работа) включают пояснительную записку и графическую часть. 
Содержание проекта (работы) должно продемонстрировать теоретическую 
и практическую готовность студента к выполнению проектно-конструкторской 
и производственно-технологической деятельности.  
Содержание и объем пояснительной записки приведены в табл. 1. Как правило, пояснительная записка проекта имеет объем основного текста 2535 страниц формата А4 (объем приложений не регламентируется). 
 
Таблица 1. Состав и объем пояснительной записки 
Состав пояснительной записки 
Кол-во стр. 
Титульный лист 
1 
Задание 
1 
Аннотация 
1 
Содержание 
1 
Введение 
1 
Технологическая схема установки (отделения, стадии, узла) 
2–3 
Конструкция аппарата. Выбор конструкционных материалов 
3–4 
Технологический расчет аппарата 
10–16 
Расчет аппарата на прочность*  
2–3 
Подбор стандартного вспомогательного оборудования 
2–4 
Заключение 
1 
Список использованной литературы 
1–2 

 Раздел только для направления «Химическая технология» 
– 
 
Состав и объем графической части курсового проекта (работы) приведен в табл. 2. Объем графической части проекта должен составлять 2 листа 
формата А1. 
 
Таблица 2. Состав и объем графической части 
Состав графической части 
Количество листов формата А1 
Технологическая схема установки (стадии)  
(формат согласовать с преподавателем) 
1 
Чертеж общего вида аппарата 
1 
 
Окончательный состав и объем разделов пояснительной записки и графической части курсового проекта устанавливаются руководителем. 
Оформление пояснительной записки и графической части проекта (работы) должно соответствовать требованиям стандартов и нормативов. 
За правильность проектных решений, расчетов, оформления записки и графической части отвечает автор работы  студент. 
8 
 

 
3. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 
 
3.1. ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ 
 
Титульный лист пояснительной записки проекта (работы) выполняется 
на листе формата А4 и оформляется по форме, приведенной в прил. 1. На титульном листе указывают название темы, в соответствии с приказом дирек- 
тора на курсовое проектирование, фамилии руководителя, студента – автора 
проекта (работы). У каждой фамилии оставляют поле для подписи и простановки даты. В нижней части титульного листа предусматривают поля для даты защиты работы, оценки. 
 
3.2. ЗАДАНИЕ 
 
В соответствии с приказом на выполнение проекта (работы) руководитель выдает студенту задание, которое является официальным документом, определяющим содержание, состав и особенности проекта. Задание оформляет- 
ся на специальном бланке, где указываются полное название темы работы, исходные данные для проектирования (производительность, требования к качеству продукта, виду сырья, проектируемому оборудованию), содержание пояснительной записки, перечень обязательных чертежей. Заполненный бланк задания подписывается руководителем работы, студентом, который принял задание к исполнению, и утверждается заведующим кафедрой. Пример оформления бланка задания приведен в прил. 2. 
 
3.3. АННОТАЦИЯ 
 
Кратко формулируются основные положения проекта, дающие общее представление о решаемых вопросах и полученных результатах, а также сведения 
об объеме пояснительной записки и графической части. 
 
3.4. СОДЕРЖАНИЕ 
 
Содержание является первым листом пояснительной записки (с основной 
надписью по форме 2 ГОСТ 2.104, см. прил. 3), включающим номера и заголовки разделов и подразделов с указанием номера страниц. Наименования разделов в содержании записываются строчными буквами, начиная с прописной 
буквы. В содержании также перечисляются все приложения. 
Слово «СОДЕРЖАНИЕ» записывают в виде заголовка с выравниванием 
по центру заглавными буквами. 
 
3.5. ВВЕДЕНИЕ 
 
Необходимо отразить назначение и роль процесса, протекающего в проектируемом аппарате, указать место аппарата в технологической установке. Далее 
должна быть сформулирована задача, решаемая в курсовом проекте.  
9 
 

 
При изложении этого раздела, как и последующих, рекомендуется давать 
ссылки на литературные источники из списка, приведенного в конце пояснительной записки. Ссылка дается в виде номера источника из списка, заключенного в квадратные скобки, например: [1, 2], [3] и т. п. 
 
3.6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ  
 
В разделе следует дать описание принципиальной схемы установки (отделения, стадии, узла и т. д.). Упрощенный вариант схемы рекомендуется привести 
в записке. Пример оформления схемы в качестве рисунка приведен в прил. 4.  
Ссылка на рисунок или чертеж по тексту обязательна.  
При описании схемы следует указывать конкретные технологические среды (например, 10-ный водный раствор MgCl2), используемые теплоносители 
(например, водяной насыщенный пар давлением 0,2 МПа). При описании процесса необходимо указывать его параметры (например, при температуре 25 ƒС 
и давлении 1,6 МПа).  
 
3.7. КОНСТРУКЦИЯ АППАРАТА.  
       ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
В начале раздела следует дать литературный обзор конструкций аппаратов, которые могут применяться для реализации заданного процесса [1, 2, 11, 
15, 23, 24, 51]. Рекомендуется при обзоре использовать поясняющие рисунки. 
При анализе следует обращать внимание на область применения аппаратов, их 
простоту, гидравлическое сопротивление и металлоемкость. По данным обзо- 
ра выбирается одна конструкция аппарата, подлежащая разработке. Если темой проекта конструкция аппарата задана, то в обзоре приводится ее сравнение 
с другими возможными конструкциями. 
Далее приводится рисунок разрабатываемой конструкции аппарата, описание устройства и принципа его работы. Пример оформления конструкции аппарата в качестве рисунка приведен в прил. 5. 
В конце раздела выбираются конструкционные материалы для основных 
элементов аппарата, крепежных изделий и прокладочных материалов. При выборе материалов следует руководствоваться рекомендациями [5, 18, 50]. 
 
3.8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА 
 
Целью технологического расчета является определение основных конструктивных параметров проектируемого аппарата (линейных размеров: диаметра, высоты или длины; площадей поверхностей; рабочих объемов), необходимых для выполнения конструкторской разработки. 
Исходными данными для расчета является производительность по исходному продукту (готовому продукту, теплоносителю, газовой смеси и т. д.), его 
качественные показатели (состав или концентрация), показатели эффективности процесса, режимные параметры (температура, давление и др.). 
10