Технологические машины и аппараты химической промышленности

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
М. Ю. Лазарев, Н. Г. Бакиров, А. В. Старкова 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ 
ПРОМЫШЛЕННОСТИ  
Учебно-методическое пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2023 

УДК 66.02(075) 
ББК 34.7я7 
Л17 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. хим. наук Ю. В. Филиппов 
канд. техн. наук Р. Ф. Сабиров 
Л17 
Лазарев М. Ю. 
Технологические машины и аппараты химической промышленности : 
учебно-методическое пособие / М. Ю. Лазарев, Н. Г. Бакиров, 
А. В. Старкова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. 
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2023. – 88 с. 
ISBN 978-5-7882-3436-6 
Изложены теоретические сведения об оборудовании, применяемом в химической промышленности. Приведены задания для выполнения лабораторных работ по курсам «Процессы и аппараты охраны окружающей среды», «Технология 
и оборудование защиты окружающей среды», «Процессы и аппараты химической 
технологии». 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 15.03.02 
(15.04.02) «Технологические машины и оборудование». 
Подготовлено на кафедре оборудования химических заводов. 
УДК УДК 66.02(075) 
ББК 34.7я7 
ISBN 978-5-7882-3436-6 
© Лазарев М. Ю., Бакиров Н. Г., 
Старкова А. В., 2023 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2023 
2

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение 
......................................................................................................................... 4 
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА ................................................................................. 5 
1.1. Свойства дисперсного материала................................................................................5 
1.2. Характеристики дисперсности материалов ...............................................................6 
1.3. Методы графического описания гранулометрического состава 
дисперсного материала .......................................................................................................7 
1.4. Методы определения дисперсности материалов 
.......................................................9 
1.5. Ситовой анализ ...........................................................................................................10 
1.6. Лабораторная работа 1. Определение гранулометрического состава 
каменной соли методом ситового анализа ......................................................................15 
2. ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ...................................................................... 24 
2.1. Теория центробежной фильтрации ...........................................................................24 
2.2. Лабораторная работа 2. Определение остаточной влажности волокнистого 
материала при центробежной фильтрации на лабораторной центробежной 
центрифуге..........................................................................................................................27 
3. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 
..................................................... 30 
3.1. Измельчение. Общие сведения 
..................................................................................30 
3.2. Теории измельчения ...................................................................................................32 
3.3. Классификация дробильно-помольных аппаратов .................................................34 
3.4. Лабораторная работа 3. Измельчение каменной соли в шаровой мельнице ........36 
4. КОНВЕКТИВНАЯ СУШКА .................................................................................. 43 
4.1. Теоретические сведения о процессе сушки .............................................................43 
4.1.1. Основные параметры влажного воздуха ............................................................43 
4.1.2. Связь влаги с материалом и равновесие при сушке 
..........................................46 
4.1.3. Основы кинетики процесса конвективной сушки 
.............................................47 
4.2. Лабораторная работа 4. Изучение процесса конвективной сушки 
........................51 
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ............ 56 
5.1. Теория трения 
..............................................................................................................56 
5.2. Лабораторная работа 5. Определение коэффициента трения ................................62 
5.3. Лабораторная работа 6. Определение степени сжатия ...........................................64 
6. СМЕШИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ 
......................................................................... 68 
6.1. Теория смешивания ....................................................................................................68 
6.1.1. Физико-химические основы процесса смешивания 
..........................................70 
6.1.2. Эффективность и качество смешивания ............................................................72 
6.1.3. Оборудование для перемешивания. Смесители ................................................78 
6.2. Лабораторная работа 7. Смешивание сыпучих материалов 
в вибросмесителе ...............................................................................................................80 
Заключение .................................................................................................................. 84 
Список литературы ..................................................................................................... 85 
3 

В В Е Д Е Н И Е
Технологические машины и аппараты химической промышленности являются основными объектами изучения для инженеров с механическим уклоном образования по направлениям «Технологические машины и оборудование». Знание устройства оборудования, его технических характеристик и режимов работы является ключевой обязанностью инженера-механика на производстве. Оборудование химических 
производств отличается большими габаритами и спецификой условий 
его эксплуатации. 
Учебно-методическое пособие предназначено для усвоения студентами навыков самостоятельной работы с лабораторным оборудованием, имитирующим работу реального промышленного оборудования 
и протекающих в нем физико-химические процессов. 
В учебно-методическое пособие входят теоретические сведения 
по измельчению материалов, определению гранулометрического состава дисперсных материалов, сушке и отжиму волокнистых материалов, прессованию и смешиванию материалов. 
В каждой главе приведены контрольные вопросы и методические 
указания к проведению лабораторных работ. 
4 

.  О П Р Е Д Е Л Е Н И Е  Г Р А Н У Л О М Е Т Р И Ч Е С К О Г О
С О С Т А В А  Д И С П Е Р С Н О Г О  М А Т Е Р И А Л А  
1 . 1 .  С в о й с т в а  д и с п е р с н о г о  м а т е р и а л а
Важнейшие свойства дисперсного материала, возможность его 
использования в тех или иных технологических процессах, безопасность работы с ним зависят от размеров и формы составляющих его частиц, т. е. от дисперсности материала. 
Рассмотрим важнейшие технологические свойства сыпучих материалов, зависящие от его дисперсности. 
Насыпная плотность – масса единицы объема материала при его 
свободной насыпке. Значение насыпной плотности необходимо знать 
прежде всего для расчета объема емкости, которая должна вместить заданную массу материала, например для расчета объема матрицы прессформы, использующейся при прессовании порошков.  
Плотность утряски – плотность, достигаемая после уменьшения 
объема свободно насыпанного порошка при воздействии на него механических колебаний. Плотность утряски превышает насыпную плотность на 20–25 %. 
Текучесть дисперсного материала характеризует его способность вытекать из отверстия и заполнять полости. Хорошая текучесть 
особенно важна при автоматическом прессовании заготовок с объемным дозированием порошка.  
Уплотняемость – это способность дисперсного материала 
к уменьшению занимаемого им объема и, соответственно, к увеличению плотности под действием приложенного давления.  
Формуемость дисперсного материала характеризует способность спрессованной из него заготовки сохранять полученную под воздействием давления форму. При низких давлениях прессования заготовка имеет высокую пористость (низкую плотность), и после извлечения из пресс-формы ее кромки осыпаются; при слишком высоких давлениях прессования в полученной заготовке с низкой пористостью (высокой плотностью) после снятия давления возникает расслоение (трещины).  
5 

Уплотняемость и формуемость порошка определяют его прессуемость – качественную характеристику способности порошка образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданные размеры, 
форму и плотность. 
1 . 2 .  Х а р а к т е р и с т и к и  д и с п е р с н о с т и  м а т е р и а л о в  
Важнейшей характеристикой дисперсности материалов является 
удельная поверхность. Удельная поверхность 𝑆уд. представляет собой 
сумму наружных поверхностей всех частиц, содержащихся в единице 
массы материала. Для металлических порошков характерна удельная 
поверхность от 0,01 до нескольких м2/г, хотя у очень мелких порошков 
она может достигать значительно большей величины, например 20 м2/г 
для карбонильного никеля. В настоящее время активно осваиваются 
процессы получения наноразмерных порошков, отличающихся высокими значениями удельной поверхности. 
Величина удельной поверхности зависит от формы и размеров 
частиц, а также от наличия рельефа на поверхности, что определяется 
условиями получения порошка (табл. 1.1). Первичная форма порошков, полученных тем или иным способом, может несколько видоизменяться при последующей обработке: отжиге, размоле, грануляции 
и т. п. 
 
Таблица 1.1 
Влияние методов получения порошков на форму их частиц 
Метод получения 
Форма частиц 
Карбонильный, распыление 
Сферическая 
Восстановление 
Губчатая 
Измельчение в шаровых мельницах 
Осколочная 
Вихревое измельчение 
Тарельчатая 
Электролиз 
Дендритная 
Измельчение в бегунах 
Плоская или чешуйчатая 
6 

Дисперсность материала часто характеризуют величиной среднего размера частиц – 𝑑. Если предположить, что материал состоит из 
одинаковых частиц сферической формы, то, зная плотность материала 𝜌, легко перейти от его удельной поверхности к среднему размеру 
частиц. Поверхность одной частицы с диаметром d определяется как 
𝜋𝑑3
𝑆уд. = 𝜋𝑑2, объем частицы – 𝑉
𝑑=
6 , масса одной частицы –  
𝜌𝜋𝑑3
𝜌𝑉
𝑑=
6 . В единице массы, например в одном грамме, содержится 
1
6𝜋𝑑2
6
𝜌𝜋𝑑3 =
𝜌𝑑. Отсюда 
𝜌𝑉𝑑 частиц, следовательно, 𝑆уд. =
6
𝑑=
𝜌𝑆уд..                                              (1.1) 
По величине 𝑑 трудно судить об истинной дисперсности конкретной партии порошка, так как реальный порошок содержит частицы разного размера. Более детальной характеристикой является гранулометрический состав, т. е. распределение частиц дисперсного материала по 
классам крупности (фракциям). Именно от диапазона крупности частиц, составляющих порошок, и от содержания фракций различного 
размера внутри этого диапазона зависят важнейшие свойства дисперсного материала. 
1 . 3 .  М е т о д ы  г р а ф и ч е с к о г о  о п и с а н и я  
г р а н у л о м е т р и ч е с к о г о  с о с т а в а  д и с п е р с н о г о  
м а т е р и а л а  
Обычно при описании гранулометрического состава его представляют в графической форме, используя несколько типов кривых 
(рис. 1.1).  
Частные кривые распределения по крупности строят по точкам, 
абсциссы которых равны среднему размеру частиц фракции, а ординаты – по выраженному в процентах количественному содержанию 
данной фракции 𝑄.  
Ординаты точек суммарной (интегральной, кумулятивной) кривой по минусу соответствуют содержанию в материале частиц  
7 

размером меньшим, чем значение абсциссы. Иначе говоря, каждому 
значению размера 𝑑 соответствует выраженная в процентах доля материала 𝑄−, которая прошла бы через сито с данным размером ячейки. 
Очевидно, что при значениях 𝑑, меньших или равных минимальному 
размеру частиц порошка, 𝑄− = 0 %, а при значениях, больших или равных максимальному размеру частиц, 𝑄− = 100 %.  
Суммарные и частная кривые распределения
Q , %
100
90
80
1
2
70
60
50
40
30
3
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
d, мм
 
1 - суммарная кривая по минусу;
2 - суммарная кривая по плюсу;
Рис. 1.1. Суммарные и частная кривые распределения частиц 
порошка по размерам: 1 – суммарная кривая по минусу; 2 – суммарная 
3 - частная кривая распределения
кривая по плюсу; 3 – частная кривая распределения 
Ординаты точек суммарной кривой по плюсу соответствуют содержанию в материале частиц размером большим, чем значение абсциссы, 
т. е. каждому значению размера 𝑑 соответствует выраженная в процентах 
доля материала 𝑄+, которая осталась бы на сите с данным размером 
ячейки. При значениях 𝑑, больших или равных максимальному размеру 
частиц порошка, 𝑄+ = 0 %, а при значениях, меньших или равных минимальному, 𝑄+ = 100 %. Очевидно, что 𝑄−+  𝑄+= 100 %. 
Характер частной кривой распределения зависит от набора конкретных размеров фракций, определяемых исследованием. От этого недостатка свободна дифференциальная кривая распределения по крупности (рис. 1.2), при построении которой содержание фракции относят 
к ширине соответствующего ей интервала размеров частиц. 
8 

160
140
120
100
80
P' (d ) = DQ /Dd , %/мм
60
40
20
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
d, мм
 
Рис. 1.2. Дифференциальная кривая распределения частиц порошка 
по размерам 
∆𝑄
Ординаты точек дифференциальной кривой 𝑃′(𝑑) =
∆𝑑 характеризуют плотность распределения частиц по крупности. При использовании дифференциальной кривой распределения долю частиц в заданном интервале размеров 𝑑1÷𝑑2 определяют как площадь, ограниченную снизу осью абсцисс, сверху – дифференциальной кривой распределения, а слева и справа – ординатами, восстановленными из точек 𝑑1 
и 𝑑2 оси абсцисс. Если известно уравнение, описывающее дифференциальную кривую распределения, площадь можно определить аналитически как определенный интеграл. 
1 . 4 .  М е т о д ы  о п р е д е л е н и я  д и с п е р с н о с т и  
м а т е р и а л о в  
Размеры частиц порошков могут колебаться в широких пределах 
(от сотых долей микрометра до 1–2 мм). Существует ряд методов определения дисперсности порошков, основные из которых можно разделить на четыре группы:  
1. Разделение на фракции: 
а) ситовой анализ; 
б) сепарация в восходящем потоке газа или жидкости. 
9