Машины и аппараты химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
О.К. Семакина 
 
 
 
 
МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ, 
НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ 
И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2016 

 

 

УДК 66.02+665.63.02(075.8) 
ББК  35.115+35.514я73 
С30 
 
Семакина О.К. 
С30 
 
Машины и аппараты химических, нефтеперерабатывающих 
и нефтехимических производств : учебное пособие / О.К. Семакина ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во 
Томского политехнического университета, 2016. – 154 с. 
 
ISBN 978-5-4387-0693-9 
 
В предлагаемом учебном пособии описаны основные разделы, включенные в программу дисциплины «Машины и аппараты химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств»: теплообменные и массообменные аппараты, установки для выпаривания и сушки материалов. 
Предназначено для студентов, обучающихся по профилю «Машины  
и аппараты химических производств» в рамках направления 18.03.01  
«Химическая технология». 
 
 
УДК 66.02+665.63.02(075.8) 
ББК 35.115+35.514я73 
 
 
Рецензенты 
 
Доктор технических наук, профессор  
Северского технологического института 
Национального исследовательского ядерного  
университета МИФИ 
А.Я. Сваровский 
 
Кандидат технических наук 
генеральный директор ЗАО «НПК “Полимер-Компаунд”» 
А.Е. Чернов 
 
 
 
 
ISBN 978-5-4387-0693-9 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2016 
© Семакина О.К., 2016 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 5 

1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ............................................................... 6 
1.1. Классификация и свойства теплоносителей ......................................... 6 
1.2. Классификация и основные типы теплообменников .......................... 9 
1.3. Кожухотрубчатые теплообменники ...................................................... 10 
1.3.1. Теплообменники с неподвижными трубными решетками (тип Н) .. 11 
1.3.2. Теплообменники с температурным компенсатором на кожухе  
(тип К) .................................................................................................... 15 
1.3.3. Теплообменники с U-образными трубами (тип У) ............................ 16 
1.3.4. Теплообменники с плавающей головкой (тип П) .............................. 18 
1.4. Элементы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов ................ 20 
1.5.  Расчет теплообменных кожухотрубчатых аппаратов ...................... 26 
1.5.1. Конструктивный расчет теплообменника........................................... 26 
1.5.2. Механический расчет теплообменников ............................................ 28 
1.5.2.1. Определение температурных напряжений в трубах и корпусе... 28 
1.5.2.2. Определение деформаций под действием давления .................... 32 
1.5.2.3. Расчет развальцовочного соединения ............................................ 33 
1.5.2.4. Расчет трубных решеток ................................................................. 35 
1.5.3. Гидравлический расчет ......................................................................... 39 
1.5.4. Интенсификация процесса теплообмена в кожухотрубчатых 
теплообменниках .................................................................................. 40 
1.6. Теплообменные аппараты типа «труба в трубе»................................ 44 
1.7. Аппараты воздушного охлаждения ....................................................... 46 
1.8. Оросительные теплообменники ............................................................ 47 
1.9. Погружные змеевиковые теплообменники ......................................... 48 
1.10. Витые теплообменники ......................................................................... 48 
1.11. Аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной  
из листового материала ........................................................................ 49 
1.11.1. Пластинчатые теплообменники ......................................................... 50 
1.11.2. Спиральные теплообменники ............................................................ 56 
1.12. Циклонные теплообменники ................................................................ 58 
1.13. Теплообменники из неметаллических материалов ......................... 59 
1.13.1. Блочные графитовые теплообменники ............................................. 61 
1.13.2. Теплообменники из стекла ................................................................. 63 
1.13.3. Оборудование из керамических материалов .................................... 64 
1.13.4. Оборудование с эмалированной поверхностью ............................... 65 
1.13.5. Оборудование из пластмасс ............................................................... 66 

2. МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ............................................................ 68 
2.1. Тарельчатые массообменные аппараты .............................................. 68 
2.1.1. Колпачковые тарелки с капсульными колпачками ........................... 72 

2.1.2. Тарелки с S-образными элементами .................................................... 75 
2.1.3. Ситчатые тарелки с отбойными элементами ..................................... 76 
2.1.4. Решетчатые тарелки провального типа ............................................... 78 
2.1.5. Клапанные тарелки ............................................................................... 79 
2.2. Насадочные массообменные аппараты ................................................ 82 
2.2.1. Типы насадок ......................................................................................... 83 
2.2.2. Устройства для распределения жидкости и пара  
насадочных колоннах ........................................................................... 89 
2.2.3. Отбойные устройства ............................................................................ 91 
2.3. Экстракционные аппараты для систем жидкость‒жидкость ......... 92 
2.4. Механический расчет тарелок ............................................................... 96 
2.5. Расчет опорной обечайки ........................................................................ 99 

3. АППАРАТЫ ДЛЯ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ ........................................... 104 
3.1. Конвективные аппараты ...................................................................... 105 
3.2. Конвективные барабанные сушилки ................................................. 108 
3.3. Аппараты для сушки материала в псевдоожиженном  
(кипящем) слое ........................................................................................ 112 
3.4. Распылительные сушилки .................................................................... 114 
3.5. Гребковые сушилки ............................................................................... 116 
3.6. Выбор сушильного агента ..................................................................... 117 

4. ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ .......................................................................... 120 
4.1. Общие положения ................................................................................... 120 
4.2. Однокорпусное выпаривание ............................................................... 122 
4.2.1. Материальный баланс однокорпусного выпаривания .................... 123
4.2.2. Тепловой баланс однокорпусного выпаривания .............................. 123 
4.2.3. Поверхность нагрева ........................................................................... 125 
4.3. Многокорпусное выпаривание ............................................................ 126 
4.3.1. Схемы многокорпусных вакуум-выпарных установок ................... 127 
4.3.2. Материальный баланс многокорпусного выпаривания .................. 129 
4.3.3. Тепловой баланс многокорпусного выпаривания ........................... 130 
4.4. Классификация выпарных аппаратов ............................................... 131 
4.5. Конструктивный расчет выпарного аппарата ................................. 138 
4.6. Гидравлический расчет выпарного аппарата .................................. 141 
4.7. Расчет конденсаторов смешения ......................................................... 147 
4.8. Расчет барометрической трубы ........................................................... 151 
4.9. Механический расчет выпарного аппарата ...................................... 152 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................ 153 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Современное химическое предприятие – это сложный комплекс 
машин и оборудования, в который входят аппараты и машины, предназначенные для химических процессов; емкостное оборудование для 
хранения жидкостей и газов; трубопроводы; машины для перемещения 
жидкостей и газов; машины для транспортировки твердых сыпучих 
продуктов. 
Рациональная конструкция машины и аппарата должна удовлетворять производственным, конструктивным и технико-экономическим 
требованиям, а также технике безопасности. Удовлетворить всем этим 
требованиям в максимальной степени не всегда возможно, поэтому задача заключается в том, чтобы создать наиболее приемлемую конструкцию, которая отвечала бы техническим условиям.  
К этим требованиям относятся: 
1. Простота, компактность, надежность и технологичность конструкции с точки зрения удобства и дешевизны изготовления, монтажа, 
эксплуатации и ремонта; стандартизация узлов и деталей; правильный 
выбор допусков. 
2. Механическая надежность: прочность, жесткость, устойчивость, герметичность и долговечность. 
3. Обеспечение требуемого технологического режима: 
а) непрерывность процесса; 
б) соблюдение требуемых параметров; 
в) получение продукта требуемого качества; 
г) устойчивость работы при небольших колебаниях в производстве; 
д) наиболее длительная работа между остановками на ремонт; 
е) удобство обслуживания; 
ж) хорошая регулировка и возможность контроля работы; 
з) механизация и автоматизация процесса; 
и) высокий КПД. 
4. Интенсификация процесса, малый вес, малый расход мощности, 
невысокая стоимость, возможность изготовления аппарата из недефицитных материалов, стойкость против коррозии. 
5. Безопасность обслуживания, наличие оградительных устройств 
и предохранительных клапанов в аппаратах, работающих под давлением, безопасность операций по загрузке и разгрузке. 
6. Минимальная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации, удобство перевозки. 
7. Соответствие конструкции требованиям Ростехнадзора. 
 

1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 

Неотъемлемая часть любого технологического процесса получения 
химических продуктов – теплообменные процессы (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация). Аппараты или устройства, в которых 
происходит передача теплоты от одного теплоносителя к другому, 
называют теплообменниками. 
Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты. 
Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть 
технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес теплообменного оборудования на предприятиях химической промышленности составляет в среднем 15–18 %, 
в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности – 50 %. 
Значительный объем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что почти все основные процессы химической 
технологии связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты. 

1.1. Классификация и свойства теплоносителей 

Тепловые процессы протекают при взаимодействии не менее чем 
двух сред с различными температурами, причем теплота переходит  
от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой (без 
затраты работы). Движущиеся среды, участвующие в переносе теплоты, 
называются теплоносителями. 
Выбор теплоносителей для осуществления теплообмена в аппаратах определяется рядом условий: назначением и характером теплового 
процесса (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация); конструкцией теплообменного аппарата; теплофизическими, химическими и эксплуатационными свойствами теплоносителей; экономическими соображениями и т. д. 
Теплоносители, используемые в теплообменных аппаратах и энергетических установках, разделяются по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные. 
Твердые теплоносители применяются в высокотемпературных 
процессах нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров органических жидкостей до температур 1000–2000 °С. Они выпускаются в виде шариков диаметром 8–12 мм или более мелких зернистых 
фракций, изготовленных из стали, чугуна, кремнезема, каолина, окислов 

алюминия, магния, циркона и пр. Твердые жаростойкие теплоносители 
получили применение в теплообменниках с неподвижным, падающим 
или псевдокипящим слоем. 
К жидким теплоносителям относятся обычная и тяжелая вода, 
минеральные масла, дифенил, кремнийорганические соединения, расплавы металлов, сплавов и солей. 
К газовым теплоносителям относятся воздух, дымовые газы, азот, 
углекислый газ, двуокись серы, водород, гелий, а также пары воды. 
При температурах, превышающих 2000 °С, применяются ионизированные газы – так называемая низкотемпературная плазма. 
При температурах ниже окружающей среды и ниже 0 °С применяются хладоносители и хладоагенты (водные растворы солей щелочных металлов, аммиак, углеводороды, хладоны и др.), а при очень низких температурах – криогенные жидкости (жидкие азот, кислород, воздух, гелий). 
Свойства теплоносителей многообразны и имеют большое значение при проектировании и организации теплотехнического процесса. 
Поэтому при выборе теплоносителей следует учитывать наиболее важные их технологические свойства. К теплофизическим свойствам теплоносителей относятся плотность, теплоемкость, теплопроводность, 
теплота парообразования, температура кипения, температура плавления. 
Теплоносители, обладающие большой плотностью, как правило, 
дают возможность переносить теплоту в больших количествах при малых собственных температурных перепадах. Для них не требуется 
больших проходных сечений каналов в аппаратах и трубопроводах, невелики емкости для их хранения. С этой точки зрения газы наименее 
пригодны как теплоносители. 
Теплоносители с большой теплоемкостью аккумулируют много теплоты в малом количестве массы, чем достигается снижение расхода теплоносителя, экономия энергии на его транспорт, уменьшение затрат на 
трубопроводы и емкости для хранения. Вода, обладающая большой теплоемкостью, выгодно отличается от других жидкостей, металлов и газов. 
Коэффициент теплопроводности теплоносителей существенно 
влияет на коэффициент теплоотдачи в теплообменном аппарате. Чем 
выше коэффициент теплопроводности, тем больше коэффициент теплоотдачи на стороне этого теплоносителя. Поэтому жидкие металлы превосходят по теплоотдаче жидкости и газы. 
Теплота парообразования (испарения) имеет важное значение 
при теплообмене с фазовым превращением, ее величина определяет 
расход теплоносителя. 

Температура кипения теплоносителя определяет его давление  
в процессе передачи теплоты. Предпочтителен такой теплоноситель,  
у которого высокая температура кипения, и с повышением температуры 
кипения давление насыщения паров резко не возрастает. Малые давления 
паров в теплообменнике позволяют иметь тонкостенные аппараты и трубопроводы, т. е. облегчают и удешевляют теплообменное устройство. 
Температура плавления теплоносителей должна быть низкой, 
чтобы в условиях окружающей среды теплоноситель не затвердевал  
и при остановке теплообменника оставался в жидком состоянии. Если 
температура плавления превышает 20 °С, то возможно застывание его 
до твердого состояния при остановке всей технологической системы. 
Эксплуатация таких систем возможна только при сооружении специальных обогревающих устройств. 
Вещества, применяемые в качестве теплоносителей: 
 
должны быть химически стойкими в широком интервале температур; 
 
не должны разлагаться, вступать в химические взаимодействия 
с конструкционными материалами (металлами, смазочными материалами); 
 
не должны менять своих свойств в контакте с воздухом и водяным паром; 
 
не должны образовывать взрыво- и пожароопасную смесь при 
контакте с другими веществами. 
При выборе теплоносителей для определенных технологических 
условий необходимо учитывать такие факторы и свойства, как стабильность теплофизических и химических показателей; удобство хранения; 
транспортабельность; простота заправки и опорожнения; пожаро- и взрывобезопасность; токсичность; распространенность и простота получения. 
Двухкомпонентные теплоносители. Для интенсификации теплообмена в технологических аппаратах применяются неподвижные насадки из небольших твердых тел, через которые пропускается охлаждаемая 
или нагреваемая газовая среда. Таким образом, неподвижная насадка 
является вторым компонентом, участвующим в теплообмене. Насадка 
представляет собой пористую керамику, кусочки кокса, кольца Рашига, 
различные катализаторы в кусках, таблетках и т. д. 
В производственной практике имеются тепломассообменные процессы и аппараты, в которых применяются трехкомпонентные теплоносители в виде паровоздушной смеси и активированного угля (силикагеля, катализатора и т. д.).  

 

1.2. Классификация и основные типы теплообменников 

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим 
признакам.  
По конструкции: 
1. Аппараты, изготовленные из труб: 
а) кожухотрубчатые: 
 
с неподвижными трубными решетками – ТН; 
 
линзовым компенсатором на корпусе – ТК; 
 
плавающей головкой – ТП; 
 
U-образными трубами – ТУ; 
 
витым змеевиковым трубным пучком – ТВ; 
б) теплообменники типа «труба в трубе» – ТТ; 
в) оросительные – ТО; 
г) погружные змеевиковые – ТПЗ; 
д) воздушного охлаждения – ТВО; 
е) из оребренных труб – ТР. 
2. Аппараты, изготовленные из листового материала: 
а) пластинчатые: 
 
разборные – ТПР; 
 
полуразборные – ТПП; 
 
сварные неразборные – ТПС; 
б) спиральные – ТС; 
в) с рубашкой из листа – ТРЛ. 
3. Аппараты, изготовленные из неметаллических материалов: 
а) с эмалированной поверхностью – ТЭМ; 
б) из стекла – ТСТ; 
в) из графита – ТГ; 
г) из пластмассы, фторопласта – ТФ.  
По назначению: холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы. 
По направлению движения теплоносителей: прямоточные, противоточные, перекрестного тока. 
В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической промышленности около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. 
Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в 
эксплуатации и, в то же время, достаточно универсальны, т. е. могут 
быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей. Теплообменники 
типа «труба в трубе» и змеевиковые составляют около 8 %.  

Из-за разнообразия требований, предъявляемых к теплообменникам, применяют аппараты самых различных конструкций и типов. Теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам 
рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат. 
Существуют рекомендации общего характера, которыми можно 
руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы 
движения в нем теплоносителей: 
1.  При высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники. В этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за 
малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус. 
2.  Коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках 
целесообразно направлять по трубам, т. к. в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замены корпуса теплообменника. 
3.  При использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например 
из фторопласта, обладающего уникальной коррозионной стойкостью. 
4.  Если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то 
целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки. 
5.  Для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение 
скорости теплоносителя (при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности). 
К теплообменникам предъявляют следующие требования: 
а)  небольшие габаритные размеры при высокой производительности; 
б)  высокий коэффициент теплопередачи; 
в)  малое гидравлическое сопротивление; 
г)  герметичность со стороны каждой среды; 
д)  возможность разборки конструкции и чистки. 

1.3. Кожухотрубчатые теплообменники 

По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменники изготовляют следующих типов: 
 
Н – с неподвижными трубными решетками; 
 
К – с температурным компенсатором на кожухе; 
 
П – с плавающей головкой; 
 
У – с U-образными трубами. 
Медные кожухотрубчатые аппараты по ГОСТ 11971 изготовляют 
двух типов (Н и К). 

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут 
быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями. Их изготавливают одно- и многоходовыми. Кожухотрубчатые 
теплообменники могут иметь поверхность теплообмена от 1 до 5000 м2, 
условное давление в трубном или межтрубном пространстве – от 0,6 до 
16 МПа, температура жидких и газообразных сред – от –60 до +600 °С. 
Использование стальных кожухотрубчатых теплообменников в химическом производстве составляет: Н – 75 %, К – 15 %, У – 3 %, П – 
остальное. 

1.3.1. Теплообменники с неподвижными трубными решетками (тип Н) 

Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками 
приведена на рис. 1.1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены 
фланцами. 

 
Рис. 1.1. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой 

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат 
снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. 
Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. 
В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб  
и кожуха, поэтому аппараты этого типа называют теплообменниками 
жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных аппаратах приведены на рис. 1.2. 
Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить 
так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, 
огибающей пучок труб, был минимальным, в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность 

теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего 
между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают 
специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть непосредственно расположены у внутренней поверхности кожуха (рис. 1.3). 

 
Рис. 1.2. Варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата 

 
Рис. 1.3. Способы расположения в пространстве между трубным 
пучком и кожухом полос (а) и заглушенных труб (б) 

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости 
теплоносителей: для газов – 8–30 м/с; для жидкостей – не менее 1,5 м/с. 
Скорость теплоносителей обеспечивают подбором площади сечения 
трубного и межтрубного пространства. 
Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые 
теплообменники жесткой конструкции. 
Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н (рис. 1.4) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3, которые приварены к кожуху. 
Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. 
В крышке и распределительной камере выполнены штуцера для ввода