ВСТУП.ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МАШИНИ І АПАРАТИ ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ. Методична розробка з дисципліни Обладнання підприємств галузі

 

Лисичанський промислово-технологічний фаховий  коледж

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП.  ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МАШИНИ І АПАРАТИ   ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

методична розробка заняття

з дисципліни

ОК 17 ОБЛАДНАННЯ  ПІДПРИЄМСТВ ГАЛУЗІ

в закладах фахової передвищої освіти

 

 

   

Розробник:

 СкибаЮ.С., викладач спеціаліст  Лисичанського промислово-технологічного фахового  коледжу

 

 

 

 

              

              2025

 

ВСТУП

Хімічна промисловість є однією з ключових галузей сучасного виробництва, що забезпечує матеріалами та речовинами різні сфери економіки – від фармацевтики до металургії. Для здійснення хімічних процесів необхідне спеціалізоване обладнання, яке забезпечує ефективність, безпеку та економічність виробництва. Знання про машини й апарати хімічної промисловості є основою для подальшого вивчення технологічного обладнання та процесів, а також для забезпечення ефективної діяльності підприємств галузі. Методична розробка заняття  Вступ.  Основні відомості про машини і апарати хімічної промисловості виконана у відповідності з методичними рекомендаціями з підготовки та проведення лекційних занять у закладах фахової передвищої освіти. Заняття підготовлено відповідно до робочої і навчальної програми з дисципліни  ОК 17 Обладнання підприємств галузі  спеціальності 133 «Галузеве машинобудування» за освітньо-професійною програмою «Обслуговування та ремонт обладнання підприємств хімічної та нафтогазопереробної промисловості».

У рамках лекції  розглядаються  основні види машин і апаратів, що застосовуються на підприємствах хімічної галузі, їхню класифікацію, конструктивні особливості та принципи роботи. Ознайомлення з цими аспектами є важливим для майбутніх фахівців, оскільки дозволяє розуміти технологічні процеси, вибирати оптимальне обладнання та забезпечувати його правильну експлуатацію.

Методична розробка заняття Вступ.  Основні відомості про машини і апарати хімічної промисловості відповідає теоретичному й методико-практичному розділам навчальної програми, має інноваційний характер, відповідає новітнім технологіям навчання, спрямована на формування фахової компетенції майбутніх фахівців, дисципліна «Обладнання підприємств галузі»  закладає основи розуміння будови, принципів роботи, конструювання, вимог до безпечної експлуатації, механічних розрахунків обладнання, яке використовується на підприємствах галузі та є базою для вивчення технічного обслуговування і ремонту обладнання галузі. 

Методична розробка Вступ.  Основні відомості про машини і апарати хімічної промисловості може бути рекомендована для викладачів спеціальних дисциплін спеціальності 133 «Галузеве машинобудування» за освітньо-професійною програмою «Обслуговування та ремонт обладнання підприємств хімічної та нафтогазопереробної промисловості». в закладах фахової передвищої освіти в якості як основного, так і навчально-методичного матеріалу.

 

МЕТОДИЧНА    РОЗРОБКА   ЗАНЯТТЯ

СТРУКТУРА ЗАНЯТТЯ:

1.Організаційний момент:

1)Привітання

2) Перекличка

3)Перевірка готовності до заняття

2. Мотивація навчальної та пізнавальної діяльності студентів, оголошення теми та цілей заняття.

3.Реалізація теми за планом.

3.1 Лекція за  планом

1 Класифікація хімічного обладнання.

2 Загальні відомості про призначення і будову апарату та його вузлів.

   3 Методи випробовування апаратів.

  4 Стандартизація у хімічному машинобудуванні.

3.2 Тестування знань

3.3. Проблемні ситуації

3.4.Питання для самоконтролю

4. Підсумок заняття. Оцінювання

5. Домашнє завдання

  ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 1. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МАШИНИ І АПАРАТИ ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ОБЛАДНАННЯ

 

ТЕМА 1. ВСТУП. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МАШИНИ І АПАРАТИ ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ.

План

1 Класифікація хімічного обладнання.

2 Загальні відомості про призначення і будову апарату та його вузлів.

3 Методи випробовування апаратів.

4 Стандартизація у хімічному машинобудуванні.

 

1 Класифікація хімічного обладнання

 

До складу сучасного хімічного і нафтохімічного заводу входить значне число установок і цехів різного технологічного призначення .

Технологічне устаткування можна класифікувати за наступними ознаками:

•        просторовому положенню;
•        розташуванню на території установки або цеху;
•        ваговим і габаритним характеристикам.

Залежно від положення в просторі основні апарати і машини можна підрозділити на горизонтальні, вертикальні і просторові. 

До горизонтальних апаратів відносяться всілякі ємності, відстійники, мірники, підігрівачі з паровим простором, теплообмінники, кристалізатори, контактори, фільтри, насоси, компресори тощо.

До вертикальних апаратів відносяться башти, колони тарілчасті і насадочні, реактори і генератори, вертикальні ємності і теплообмінники, скрубери, бункери,  компресори,  полімеризатори тощо. Велике число апаратів

 мають значну вагу (до 10-400 т) і негабаритні (діаметр до 12,5 м і висоту до 100 метрів), які для перевезень по залізниці в зібраному вигляді не можливі. Тому на місце монтажу апарати доставляють в розібраному вигляді, а по місцю їх збирають, використовуючи вантажопідйомні механізми.

По розташуванню на території устаткування ділиться на: устаткування, встановлене  на рівні землі або на невисоких фундаментах поза будівлею; устаткування, встановлене на високих фундаментах, постаментах і металоконструкціях поза будівлею; устаткування, встановлене усередині будівлі, під постаментами і на міжповерхових перекриттях будівель і постаментів. Монтаж устаткування усередині будівлі пов'язаний з певними труднощами, викликаними обмеженістю простору, а також значною вагою

На нафтопереробних і нафтохімічних заводах всі апарати усередині установки, а установки усередині заводу зв'язані між собою в нерозривну єдину систему, в якій кожен апарат виконує певну операцію, а зв'язок між ними здійснюється по трубопроводах. Регулювання технологічним процесом в таких умовах проводиться за допомогою засобів автоматики і контрольно-вимірювальних приладів. Обслуговуючий персонал спостерігає за роботою устаткування, а також виконує чисто допоміжні операції (перемикання апаратів, відключення при необхідності, спостереження за станом устаткування, змащення вузлів тертя, поточний і профілактичний ремонти тощо).

Все обладнання хімічної технології в залежності від закономірностей протікання процесу умовно поділяють на п'ять груп.

До першої групи віднесене обладнання для проведення механічних процесів: подрібнення, транспортування, сортування та змішування твердих матеріалів. Процеси цієї групи проводять в спеціально сконструйованих машинах і апаратах (наприклад, подрібнювачах, класифікаторах, дозаторах тощо).

Друга група – обладнання для гідромеханічних процесів, інтенсивність яких визначається законами гідродинаміки – законами про рух рідин і газів. До цієї групи обладнання відносяться трубопроводи для переміщення рідин та газів, осаджувані камери, циклони тощо.

Третя група – обладнання для теплових процесів, швидкість протікання яких залежить від швидкості теплопередачі. До цієї групи входять холодильники, підігрівачі, кип'ятильники, випарні установки, холодильні агрегати, печі тощо.

Четверта група включає в себе обладнання для масообмінних процесів, швидкість яких залежить від швидкості масопередачі. Це абсорбери, адсорбери, колони для перегонки, ректифікації, екстракції, кристалізації, апарати для сушіння тощо.

П'ята група – хімічні реактори, в яких відбувається хімічна реакція – перетворення речовин зі зміною їх хімічних властивостей. Конструкції реакторів різноманітні: реактори з мішалками, з нерухомим або псевдозрідженим шаром каталізатора тощо.

За конструкцією обладнання поділяється на машини та апарати.

До машин відносяться механічне обладнання, призначене для виконання корисної роботи внаслідок відносного руху складових деталей.

Апарати – це герметично закрите обладнання, яке призначене для проведення технологічного процесу, що не має рухомих частин.

Технологічний процес може бути організований в періодичному або безперервному режимі.

У періодичному режимі всі стадії процесу проводяться в одному апараті, але в різний час. Наприклад, спочатку здійснюють завантаження вихідної сировини, потім перемішують і нагрівають суміш, а після закінчення процесу спорожнюють реактор. У такому режимі послідовно проводять всі технологічні операції, кожна з яких вимагає суворого дотримання часових параметрів процесу, участі великого числа реагентів.

Як правило, продуктивність таких процесів невелика. У періодичному режимі проводять процеси, в яких задіяно велику кількість компонентів, а також малотоннажні процеси.

При безперервному режимі завантаження сировини, протікання процесу, вивантаження продукту здійснюються в один час, але в різних апаратах.

До переваг безперервного режиму проведення процесу відноситься можливість використання спеціальної апаратури для кожної стадії процесу, стабілізації процесу в часі, поліпшення якості продукту, вирішення питань автоматизованого управління процесом. Як правило, великотоннажні процеси переробки нафти здійснюють в безперервному режимі.

 

2 Загальні відомості про призначення і будову апарату та його вузлів

 

Хімічні апарати призначені для проведення фізичних, хімічних та фізико-хімічних процесів, а також для зберігання та транспортування різних хімічних речовин. В залежності від призначення та конструкції їх називають: реактор, змішувач, холодильник, теплообмінник колона (ректифікаційна, адсорбційна тощо).

Будь-який апарат складається з корпусу, який включає циліндричну обичайку, приварене днище та (або) кришку, що знімається. Апарат забезпечується штуцерами для подачі сировини та виводу продуктів, встановлення контрольно-вимірювальних приладів тощо. Також передбачаються люки та лази для обслуговування і ремонту апарату. Для встановлення його на території підприємства на апараті передбачаються опори або опорні кільця. Для проведення технологічного процесу апарат може бути забезпечений рубашкою, мішалкою та іншими пристроями.

Корпус хімічних апаратів у відповідності до умов експлуатації повинен бути достатньо міцним і в переважній більшості випадків герметичним. Головним елементом корпусу є обичайка. Форма корпусу, а відповідно, і обичайки визначається технологічними та конструктивними вимогами, що пред'являються до пристрою, і може бути циліндричною, конічною, сферичною тощо. Найбільше розповсюдження отримали циліндричні обичайки, що відрізняються простотою виготовлення, раціональним витрачанням матеріалу та хорошою стійкістю до середовища.

В залежності від призначення циліндричні апарати знаходять застосування як у вертикальному, так і в горизонтальному виконанні, причому, перевагу слід віддавати вертикальному виконанню, особливо для тонкостінних апаратів, що працюють під надлишковим тиском. Тонкостінні апарати – це апарати у яких товщина стінки менше 10% внутрішнього діаметра апарата, тиск менше 10 МПа. У цьому випадку виключені додаткові вигини напруги в корпусі від сили тяжкості апарату та середовища, що мають місце в горизонтальних апаратах, що лежать на окремих опорах.

Технологічні процеси в апаратах проводять при різних, властивих кожному процесу, тисках – від глибокого вакууму до надлишкового тиску в декілька сотень тисяч кПа і при дуже різних температурах – від мінус 250 °С до 950 °С.

3 Методи випробовування апаратів

 

Якщо надлишковий тиск в апараті перевищує 0,07 МПа, то такий апарат повинен відповідати вимогам Державної служби України з питань праці (Держпраці), яка встановлює основні вимоги до виготовлення, випробовування та безпечної експлуатації обладнання. Для безпечної експлуатації апаратів вони піддаються різноманітним випробовуванням: огляду, гідравлічним дослідженням та дослідженням на міцність.

Початковий вид контролю, якому підлягають усі типи обладнання – огляд. При ньому виявляють дефекти металу та зварних швів, перевіряють відповідність обладнання вимогам креслення, наявність та правильність маркування.

У хімічній та нафтовій промисловості широко застосовують гідравлічне випробовування. При ньому апарат витримують під тиском води за нормованих значеннях пробного тиску. Значення пробного тиску залежить від розрахункового тиску і визначається за формулою:

, МПа,        (1.1)

де [σ]₂₀, [σ]_t – допустимі навантаження матеріалу корпусу при 20 °С та робочій температурі.

При гідравлічному випробовуванні напруження в стінках посудини не повинні складати більше 90 % від межі текучості матеріалу при 20 ℃.

При гідравлічному випробовуванні апарат від’єднують від комунікацій, заливають водою і створюють в ньому пробний тиск, витримуючи нормований час. Час дослідження визначається в залежності від товщини стінки апарату:

1.     до 50 мм – 10 хвилин;
2.     від 50 до 100 мм – 20 хвилин;
3.     більше 100 мм – 30 хвилин.

Потім тиск знижують до робочого, оглядають стінки та простукують молотком зварні шви. Результати випробувань вважаються задовільними, якщо під час їх проведення не спостерігається падіння тиску на манометрі, відсутні потоки, бульбашки повітря або газу в зварювальних з'єднаннях і на основному металі, ознаки розриву і течі в з'єднувальних з'єднаннях, а також відсутня остаточна деформація металу.

При гідравлічному дослідженні необхідно слідкувати, щоб апарат був заповнений повністю, повітряних мішків у верхній частині апарату бути не повинно. Після випробовування воду повністю видаляють.

Гідравлічне випробовування проводять на заводі-виробнику і потім кожні 8 років експлуатації апарату.

Окрім гідравлічних випробувань можуть проводитися випробування на герметичність. Воно проводять з метою визначення витоків на місцях зварних швів люмінесцентним методом або шляхом змащування гасом. Гас внаслідок малого значення коефіцієнта поверхневого натягу має високу проникну властивість. Зварні шви з однієї сторони рясно змочують гасом, а з іншого – покривають крейдою. В місцях наявності тріщин або пор на мелованій стороні шва виступають плями. Час витримки в залежності від товщини металу та розташування шва і складає від 20 до 40 хвилин.

 Випробовування фреоном дозволяє виявити дуже незначні нещільності зварних швів та фланцевих з’єднань. Апарат заповнюють сумішшю повітря та фреону (концентрація фреону ≈ 10 %), піднімають тис до робочого та перевіряють зварні шви та з’єднання спеціальним чутливим індикатором, який визначає навіть незначну кількість фреону.

 

4 Стандартизація у хімічному машинобудуванні

 

 Хімічне обладнання дуже різноманітне за конструкцією, однак за останні роки на основі вивчення умов роботи апаратів та машин, призначених для однотипних процесів, проведена велика робота по уніфікації та стандартизації. Так, наприклад, стандартизовані теплообмінна апаратура, горизонтальні резервуари, центрифуги, багато типів сушарок та інші машини і апарати. Хімічні машини та апарати у багатьох випадках є нестандартними, але їх виготовляють з порівняно невеликої кількості однотипних вузлів та деталей: днищ, фланців тощо.

 Це дає можливість конструювати апарати зі стандартних та нормалізованих елементів. Нормалізують деталі хімічних апаратів, відбираючи найбільш вдалі конструкції, що застосовуються в промисловості.

 ГОСТи та нормалі на окремі вузли і деталі апаратів будемо розглядати у відповідних темах. Особливо хочу виділити ГОСТ, що описує основні розміри апаратів: «Сосуди і апарати. Ряди діаметрів».

 При розробці обладнання та апаратів необхідно ознайомитись з усіма нормативними документами, що стосуються даного апарату. Застосування нестандартних вузлів та деталей допускається у крайньому випадку і зазвичай вимагає технічного обґрунтування.

 

2.ТЕСТУВАННЯ ЗНАНЬ  З ТЕМИ

Основні відомості про машини і апарати хімічної промисловості

1. Що є основною функцією хімічного апарату?
   а) Виконання механічної обробки матеріалів
   б) Проведення хімічних перетворень речовин
   в) Вимірювання фізичних параметрів
   г) Збереження готової продукції
2. Який вид апаратів використовується для теплових процесів у хімічній промисловості?
   а) Реактори
   б) Теплообмінники
   в) Фільтри
   г) Насоси
3. Який пристрій застосовується для подрібнення твердих матеріалів?
   а) Дробарка
   б) Реактор
   в) Насос
   г) Теплообмінник
4. Що є основною функцією насосів у хімічній промисловості?
   а) Переміщення рідин і газів
   б) Змішування речовин
   в) Очищення реагентів
   г) Регулювання температури
5. Який основний принцип роботи центрифуги?
   а) Використання відцентрової сили для поділу фаз
   б) Нагрівання та охолодження реагентів
   в) Хімічна реакція між компонентами
   г) Насичення газів у рідині
6. Який з цих пристроїв застосовується для фільтрації у хімічній промисловості?
   а) Абсорбер
   б) Циклон
   в) Прес-фільтр
   г) Реактор
7. Як називається процес передачі тепла від одного середовища до іншого через стінку?
   а) Конвекція
   б) Теплопередача
   в) Дифузія
   г) Абсорбція
8. Яке основне призначення реактора в хімічній промисловості?
   а) Переміщення рідин
   б) Проведення хімічних реакцій
   в) Розділення компонентів суміші
   г) Зберігання реагентів
9. Який пристрій застосовують для очищення газів від твердих частинок?
   а) Конденсатор
   б) Циклон
   в) Теплообмінник
   г) Насос
10. Що є основною характеристикою компресора?
    а) Він зменшує об'єм і підвищує тиск газу
    б) Використовується для подрібнення матеріалів
    в) Виконує розділення рідинних сумішей
    г) Нагріває газоподібні речовини

3 ПРОБЛЕМНІ СИТУАЦІЇ

СИТУАЦІЯ 1

На хімічному підприємстві спостерігається значне зниження ефективності роботи теплообмінника. Температура вихідного продукту не відповідає необхідним параметрам, що призводить до збоїв у виробничому процесі.

Питання для обговорення:

1. Які можливі причини погіршення роботи теплообмінника?
2. Які методи діагностики та усунення несправностей можна застосувати?
3. Як вибір конструкції теплообмінника впливає на його ефективність?

СИТУАЦІЯ 2

На заводі виникла проблема з відокремленням твердих частинок із рідкої суміші. Працівники помітили, що прес-фільтр швидко забивається, а якість очищеної рідини не відповідає вимогам технологічного процесу.

Питання для обговорення:

1. Які фактори можуть впливати на ефективність фільтрації?
2. Які заходи можна застосувати для покращення роботи прес-фільтра?
3. Чи можна використати інший тип фільтраційного апарата для вирішення проблеми?

4 ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ ДО ТЕМИ

1. Що таке машини і апарати хімічної промисловості, і яку роль вони виконують?
2. Які основні групи машин і апаратів використовуються в хімічному виробництві?
3. Які основні принципи роботи теплообмінників, і де вони застосовуються?
4. Які види насосів використовуються у хімічній промисловості, і в чому їх особливості?
5. Чим відрізняється механічне подрібнення матеріалів від хімічної переробки?
6. Які види реакторів існують у хімічній промисловості, і для яких процесів вони використовуються?
7. Як працюють фільтраційні апарати, і які їх основні види?
8. Що таке абсорбція і сорбція, і які апарати застосовуються для цих процесів?
9. Які особливості роботи центрифуг у хімічному виробництві?
10. Як здійснюється очищення газів у хімічних процесах, і які апарати для цього застосовуються?

ВИСНОВОК

Машини та апарати хімічної промисловості відіграють ключову роль у технологічних процесах, забезпечуючи механічну, термічну та хімічну обробку сировини. Вони поділяються на різні групи залежно від функціонального призначення: теплообмінники, насоси, реактори, фільтри, подрібнювальні та змішувальні пристрої тощо.

Розуміння принципів роботи та конструктивних особливостей цих машин і апаратів дозволяє ефективно їх експлуатувати, підтримувати у справному стані та вдосконалювати технологічні процеси. Вибір відповідного обладнання впливає на якість продукції, енергоефективність виробництва та рівень екологічної безпеки.

Таким чином, знання про машини і апарати хімічної промисловості є необхідними для майбутніх фахівців у галузі, оскільки вони дозволяють забезпечувати безперебійну роботу підприємств, оптимізувати виробничі процеси та впроваджувати інноваційні технології.

Методична розробка  заняття з дисципліни Обладнання підприємств галузі за темою Вступ. Основні відомості про машини і апарати хімічної промисловості  може бути рекомендована для викладачів спеціальних дисциплін спеціальності 133 «Галузеве машинобудування» за освітньо-професійною програмою «Обслуговування та ремонт обладнання підприємств хімічної та нафтогазопереробної промисловості». в закладах фахової передвищої освіти в якості як основного, так і навчально-методичного  матеріалу.

ЛІТЕРАТУРА

1. Барвін О.І., Гєнкіна І.М., Іванченко В.В., Тараненко Г.В., Штонда Ю.М.  Конструювання  і  розрахунок  сталевих  зварних  посудин  та  апаратів. Обичайки та днища: навч. посібник. –  Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля, 2005. – 310 с.
2. Барвін О.І., Гєнкіна І.М., Іванченко В.В., Тараненко Г.В., Штонда Ю.М.  Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів.  Фланцеві  з'єднання.  –  Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля, 2007. – 306 с.
3. Василенко С.М., Шутюк В.В. Теплообмінні апарати. Основи розрахунку та вибору. - К.: УДУХТ, 2017- 36 с.
4. Варгов А.П. Теплобміні процеси та обладнання хімічних та газонафтопереробних виробництв: навч. посібник - К.: Патерик, 2016. - 262с.
5. Мікульонок І. О. Виготовлення, монтаж та експлуатація обладнання хімічних виробництв. – К. : НТУУ«КПІ», 2019. – 419 c.
6. Мікульонок І. О. Технологія виготовлення обладнання хімічних виробництв. — К. : ІЗМН, 2020. — 282 с.
7. Склабінський В.І., Артюхов А.Є., Ляпощенко О.О., Шостаківський І.І.. Обладнання газо- та нафтопереробних виробництв - Суми: СумДУ, 2017. - 343 с.
8. Барсков.Д.М. Машины и аппараты резинового производства. М.:Химия, 2022.- 598с.
9. Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. М.: Высшая школа 2000.- 324с.
10. Карпов В.Н. Оборудование предприятий резиновой промышленности. М.: Химия, 2023.-398.