Конструирование и расчет элементов химического оборудования

КО НСТРУИ РО ВАНИ Е И  РАСЧЕТ ЭЛЕМ ЕНТО В 

ХИ М И ЧЕСКО ГО  О БО РУД О ВАНИ Я

П освящ аем
свет лой памят и ж ены и мат ери 
Клавдии М ихайловны П оникаровой

И .
И .
 П оникаров

Доктор технических наук,
 
заслуж енны й деятель науки 
и техники РФ ,
 академик 
М еж дународной инж енерной 
академии,
 профессор кафедры  
«
М аш ины  и аппараты  
химических производств»
 
Казанского государственного 
технологического университета

С.
И .
 П оникаров

Доктор технических наук,
 
профессор,
 заведую щ ий 
кафедрой «
М аш ины  и 
аппараты  химических 
производств»
 Казанского 
государственного 
технологического 
университета

М осква • АльфаМ  • 2
0
1
0

И .
И .
 
C
.
И .
 П О Н И КАРО В
П О Н И КАРО В 

К О Н С ТРУИ РО ВАН И Е 

И  РАСЧЕТ ЭЛЕМ ЕН ТО В 

ХИ М И ЧЕС К О ГО  

О БО РУДО ВАН И Я

Рекомендовано Государственным образовательным 

учреж дением высш его профессионального 

образования «
Российский химикотехнологический 

университет им. Д .И . М енделеева»
 в качестве учебника 

для студентов высш их учебных заведений,
 

обучаю щ ихся по специальностям 2
4
0
8
0
1
 «
М аш ины 

и 
аппараты химических производств»
 

и 1
3
0
6
0
3
  «
О борудование нефтегазопереработки»

УДК 66.02(075.8)
ББК 35.11:35.514
П56

Издание учебника осуществлено при финансовой поддержке А.Н. Нестерова, с
отличием окончившего КГТУ (КХТИ) в 1986 г., специальность «Машины и аппараты химических производств»

Р е ц е н з е н т:

доктор технических наук, профессор А.С. Тимонин (Московский государственный
университет инженерной экологии)

Поникаров И.И.
Конструирование и расчет элементов химического
оборудования : учебник / И.И. Поникаров, С.И. Поникаров. – М. : АльфаМ, 2010. – 382 с. : ил.

ISBN 9785982811745

Рассматриваются основы конструирования химических машин и аппаратов. Излагаются теории расчета оболочек вращения, круглых пластин,
быстровращающихся дисков и оболочек, виброустойчивости валов. Приводятся методы расчета элементов и узлов оборудования: толщины стенок
корпусов аппаратов, крышек и днищ, фланцевых соединений, трубных решеток, аппаратов с рубашками, укрепления отверстий, методы расчета аппаратов на ветровую и сейсмическую нагрузку и др. Содержание учебника
соответствует требованиям государственного образовательного стандарта
высшего профессионального образования.
Для студентов, обучающихся по специальностям «Машины и аппараты химических производств» и «Оборудование нефтегазопереработки».
Представляет интерес для студентов других механических специальностей
химикотехнологического и пищевого профиля, а также инженеров химических предприятий, работающих в конструкторских и технологических
отделах.
УДК 66.02(075.8)
ББК 35.11:35.514

© «АльфаМ». Оформление, 2010
© Поникаров И.И., Поникаров С.И., 2010

П56

ISBN 9785982811745

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебный курс «Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли» является одним из основополагающих курсов на завершающем этапе обучения и базируется
на знании многих других учебных дисциплин: высшей математики, сопротивления материалов, деталей машин, материаловедения, технологии металлов, САПРа, процессов и аппаратов
химической технологии и др. В этом курсе как бы синтезируются ранее приобретенные знания студентов.
Несмотря на большое число наименований учебников и
учебных пособий по вопросам конструирования и расчета химических машин и аппаратов, на сегодняшний день они заметно устарели. Это побудило авторов написать учебник для студентов, обучающихся по специальностям «Машины и аппараты
химических производств» и «Оборудование нефтегазопереработки».
Учебник написан на базе накопленного опыта преподавания курса «Конструирование и расчет элементов оборудования
отрасли» на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Казанского государственного технологического университета, где один из авторов читает этот лекционный курс
более 35 лет.
Инженермеханик должен не только знать и уметь использовать на практике расчетные формулы, но и четко представлять процесс их вывода. Следовательно, учебник по упомянутому курсу должен носить не рецептурный характер, что приемлемо для средних специальных учебных заведений, а
рассматривать теории, на базе которых получены расчетные
формулы, за что ратовали крупные специалисты по прочностным
расчетам
профессора
МИХМа
З.Б.
Канторович
и
С.Н. Соколов. Поэтому в настоящем учебнике помимо конкретных расчетов элементов химического оборудования рассматриваются теории расчета тонкостенных и толстостенных
оболочек вращения, круглых пластин, быстровращающихся

оболочек, виброустойчивости валов. В книге также проанализированы основы конструирования деталей и узлов оборудования, изложены вопросы методологии, проектирования машин
и аппаратов, снижения их металлоемкости, обеспечения достаточной прочности и жесткости и др.
Учебник не содержит описания конструкций аппаратов и
машин, так как авторы считают, что студенты ознакомлены с
этим при изучении курса «Процессы и аппараты химической
технологии». Исключение составляют конструкции сосудов
высокого давления, описание которых отсутствует в упомянутом курсе. Материал рассчитан на один семестр занятий (60 ч
лекций, 30 ч лабораторной работы, 15 ч практических занятий
и 116 ч самостоятельной работы) и предполагает курсовую работу.
Нельзя не отметить, что содержание учебного курса «Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли»
сформировалось благодаря трудам выдающихся отечественных специалистов в этой области знаний, таких, как В.Л. Вихман,
В.И.
Ганчуков,
А.Д.
Домашнев,
З.Б.
Канторович,
С.А. Круглов, А.А. Лощинский, Ю.И. Макаров, М.Ф. Михалев, В.И. Рачков, И.И. Румянцев, В.И. Соколов, С.Н. Соколов,
В.Н. Соколов, А.Г. Толчинский, А.С. Тимонин, Д.Е. Шкоропад и др.
Авторы благодарны профессору А.С. Тимонину за советы и
замечания, которые заметно улучшили содержание книги.

10
Предисловие

ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Общие требования, предъявляемые
к конструкции машин и аппаратов

Проектирование химического оборудования начинается с установления технических условий (ТУ). Каждый
проектируемыйаппарат(машина)долженудовлетворятьопределенным требованиям, основные из которых приводятся ниже.
Высокая эффективность, т.е. обеспечение наибольшего выхода
продукта с единицы его объема или массы. Эффективное
функционирование оборудования означает бoльшую единичную мощность (производительность с реализацией высокоинтенсивных, преимущественно непрерывных процессов, основанных на использовании важнейших научных достижений, с
полной механизацией и автоматизацией вспомогательных
операций).
Надежность при эксплуатации, характеризуемая прочностью
оборудования, его жесткостью, устойчивостью, герметичностью.
При этом оборудование не должно быть чрезвычайно прочным, т.е. напряжение в его деталях должно быть не намного ниже
допускаемого, иначе масса и стоимость конструкции будут
слишком велики. Для снижения массы и расхода материала стремятся сделать всю конструкцию не только прочной, но и равнопрочной, что особенно важно для изделий массового производства. Принцип равнопрочности иногда сознательно нарушают,
делая одну из легкозаменяемых и дешевых деталей менее прочной, чтобы в случае перенапряжений сломалась эта менее прочная деталь, предохранив тем самым конструкцию от поломки.
Для аппаратов, подверженных сжимающим нагрузкам,
критической может оказаться не прочность, а жесткость. Разрушение в этих случаях происходит изза потери первоначальной формы (потери устойчивости), которая сопровождается
большим снижением прочности.
Герметичность – необходимое условие для аппаратов, работающих под давлением или обрабатывающих токсичные, едкие, огнеопасные или взрывоопасные вещества. В противном
случае в аппаратуре, работающей при перепаде давлений, появляются утечки, недопустимые изза потери производительности и по условиям санитарной безопасности.
Способность к длительной эксплуатации. Различают расчетную
и действительную долговечность. Р а с ч е т н а я д о л г о в е ч н о с т ь оборудования – величина условная, задаваемая проектной организацией. Для большинства химического оборудования установленная долговечность составляет 10–12 лет
и
принимается за основу при определении амортизационных отчислений. Д е й с т в и т е л ь н а я д о л г о в е ч н о с т ь оборудования, обычно превышающая эти сроки, определяется усталостью металла, эрозионным износом и коррозией, вызывающей снижение механической прочности изделия.
Не следует делать оборудование излишне долговечным. При
современных темпах развития техники оборудование быстро
морально стареет, поэтому лучше через определенный срок заменить его новым, более производительным и совершенным.
Максимальное использование стандартизованных и нормализованных узлов и деталей, проверенных в изготовлении и хорошо
зарекомендовавших себя в эксплуатации. Степень использования стандартных и нормализованных элементов по сравнению
с общим числом элементов конструкции определяется показателями стандартизации. Стандартные узлы и детали оборудования (к которым не относят крепежные детали) изготовляются, как правило, на специализированных предприятиях.
Широкое использование таких элементов облегчает проектирование и изготовление машин и аппаратов, снижает стоимость и трудоемкость этих процессов, сокращает время промышленного освоения новой техники.
Удобство в сборке и разборке, транспортабельноcть и ремонтоспособность. Современные химические машины и аппараты
отличаются большими размерами. Например, диаметр отстойника может составлять 50 м, длина вращающейся печи 180 м,
высота колонны 70 м, масса аппарата доходит до сотен тонн.

12
Глава 1. Основы и принципы конструирования оборудования

Такие аппараты в собранном виде перевозить, как правило, невозможно.
Все транспортируемые по железной дороге грузы, в том числе и химическая аппаратура, должны полностью вписываться в
ширину железнодорожного полотна, их масса не должна превышать грузоподъемность вагона или платформы. В исключительных случаях по специальному согласованию с администрацией
железных дорог допускается провозить изделия, несколько превышающие дозволенные габариты (табл. 1.1). Очень большие
аппараты (например, сухие газгольдеры, емкости для хранения
продуктов) приходится собирать на месте.

Таблица 1.1. Максимальные параметры агрегатов, допускаемых к перевозке

Масса, т
400
240
120
120
120

Диаметр, мм
4380
3900
4000
3800
3200

Длина, м
11
22
21
37
48

При водных перевозках ограничения по габаритам и массе
менее жесткие.
Обеспечение безопасности персонала при транспортировке, монтаже, эксплуатации и ремонте оборудования, для чего предусматривается: ограждение механических передач и подвижных
органов машины; защита кабелей и трубопроводов от случайных повреждений; установка перил и ограждений на площадках
обслуживания аппаратов; блокировка и отключение привода
при открывании крышки на работающей машине; предупреждение персонала об опасности подачей звукового или светового
сигнала; установка запрещающих, предупреждающих и предписывающих знаков на пункте управления и в зоне обслуживания. Запрещающий знак представляет собой круг красного
цвета с белым круглым полем внутри, предупреждающий
знак – равносторонний треугольник желтого цвета с черной
каймой, предписывающий знак – круг синего цвета с белой
каймой. Согласно требованиям Ростехнадзора, регламентированы окраска и надписи на баллонах, бочках и цистернах для
хранения и транспортировки сжатых и сжиженных газов.
Экологическое совершенство. К обязательным мероприятиям
для химических предприятий относятся ликвидация выброса

1.1. Требования, предъявляемые к конструкции машин и аппаратов
13

вредных газов, паров и пыли в атмосферу, зацикливание или
очистка сточных вод, утилизация твердых отходов.
Производственная и эксплуатационная технологичность, определяемая стоимостью и трудоемкостью изготовления оборудования, его эксплуатации и ремонта. Детали и узлы машины следует конструировать таким образом, чтобы для их обработки и
сборки не требовались специальные станки и приспособления,
уникальные инструменты и трудоемкие операции, каковой является, к примеру, подгонка деталей по месту установки.
Эксплуатационные показатели технологичности характеризуются количеством персонала и затратами физического
труда, необходимого для обслуживания машины, сложностью
операций настройки, регулирования и управления, стабильностью выхода и качества продукции. К основным технологическим показателям оборудования при ремонтах относятся
уровень его агрегатирования, ремонтопригодность и взаимозаменяемость деталей, простота и удобство сборки и монтажа узлов и агрегатов.
Соответствие основным положениям эргономики и технической
эстетики. Показатели э р г о н о м и к и характеризуют распределение функций в системе человек–машина. Необходимо освободить персонал от выполнения монотонных, утомительных, трудоемких операций, возложив на него задачи планирования, программирования, управления и контроля. Следует
обеспечить комфортные условия обслуживания, отвечающие
требованиям научной организации труда. Эти требования регламентируют положение и очертание зоны размещения органов управления машиной, физические нагрузки, температуру
и освещенность рабочего места, допустимый уровень шума и
вибрации, отсутствие пыли, газов и вредных веществ в зоне обслуживания, удобство для рабочего, информативность пульта
управления и др. Органы управления располагают в зоне обслуживания так, чтобы расстояние между ними не затрудняло
выполнение операций. Маховички, штурвалы, рукоятки должны соответствовать требованиям стандартов при рабочей нагрузке на них (окружном усилии) не более 25 Н.
Зоны размещения органов управления ограничиваются в
вертикальной области окружностью радиусом 600 мм с центром на высоте 1300 мм. Если частота использования этих орга14
Глава 1. Основы и принципы конструирования оборудования