Технологические расчеты в проектировании химических установок

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Ю. И. Нейн, Н. П. Бельская

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ  
В ПРОЕКТИРОВАНИИ  
ХИМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета в качестве учебного пособия
для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
18.03.01, 18.04.01 «Химическая технология»

УДК 66.02(075.8)
ББК 
35.11я73-1

 
Н46

ISBN 978-5-7996-3240-3 
© Уральский федеральный университет, 2021

Н46
Нейн, Ю. И.
Технологические расчеты в проектировании химических установок : учебное 
пособие / Ю. И. Нейн, Н. П. Бельская ; под общ. ред. М. Ф. Костериной ; Ми-
нистерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский 
федеральный университет. —  Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. — 166 с. : 
ил. —  Библиогр.: с. 163–164. — 30 экз. —  ISBN 978-5-7996-3240-3. —  Текст : непос-
редственный.

ISBN 978-5-7996-3240-3

В учебном пособии даны теоретические основы и методики расчетов материальных 
и тепловых балансов, приведены технологические расчеты оборудования химических 
производств. Подробно рассмотрены примеры технохимических расчетов оборудования 
предприятий органического синтеза и заводов пластмасс.
Для бакалавров и магистрантов химических факультетов университетов.

УДК 66.02(075.8)
ББК 35.11я73-1

Под общей редакцией
М. Ф. Костериной

Рецензенты:
кафедра пожаротушения и аварийно- спасательных работ
Уральского института Государственной противопожарной службы
МЧС России (начальник кафедры полковник внутренней службы С. А. Бараковских);
С. Г. Кедина, кандидат химических наук,
руководитель исследовательской органической лаборатории
(ООО «Полипласт —  УралСиб»)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 
6

Введение 
7

1. Материальные расчеты 
9
1.1. Методика расчета материального баланса 
9
1.2. Примеры материальных расчетов 
14
1.2.1. Расчет материального баланса производства 
4-амино-6-хлорпиримидина периодическим методом 
14
1.2.2. Расчет материального баланса производства 
4-хлорфениламино-2-(тиазол)акрилонитрила (тиазола) 
периодическим способом 
22
1.2.3. Расчет материального баланса производства фталевого 
ангидрида непрерывным методом 
42
1.2.4. Расчет материального баланса производства  
резинотехнических изделий 
49

2. Технологические расчеты емкостного оборудования 
54
2.1. Расчет аппаратов периодического действия 
54
2.2. Расчет мерников 
57
2.3. Расчет объема хранилищ жидких веществ 
57
2.4. Расчет объема сборников 
58
2.5. Примеры расчетов емкостного оборудования 
58
2.6. Особенности расчетов реакторов непрерывного действия 
61
2.6.1. Специфические особенности реакторов непрерывного 
действия. Движущая сила процессов в проточных реакторах 
61
2.6.2. Технологический расчет проточных реакторов 
66
2.7. Примеры расчетов реактора непрерывного действия 
71
2.8. Удельная производительность и выбор реактора 
72
2.9. Методы увеличения КПД реакторов полного смешения 
75
2.10. Пример технологического расчета проточных реакторов 
78

3. Технологические расчеты процессов производства  
резинотехнических изделий 
85
3.1. Приготовление резиновых смесей 
85
3.1.1. Расчет производительности вальцов 
85
3.1.2. Периодическое смешение в закрытых роторных смесителях 
88
3.2. Непрерывное формование резиновых смесей 
90
3.2.1. Расчет производительности каландра 
91
3.2.2. Расчет производительности экструдеров (шприц-машин) 
92
3.3. Вулканизация резиновых изделий 
94
3.3.1. Расчет производительности вулканизационного котла 
95
3.3.2. Расчет производительности вулканизационного пресса 
96
3.3.3. Расчет производительности барабанного вулканизатора 
97
3.3.4. Расчет производительности карусельного вулканизатора 
98
3.3.5. Расчет производительности форматора-вулканизатора 
98
3.4. Периодическое формование резиновых смесей 
99
3.4.1. Расчет производительности вулканизационного пресса 
99
3.4.2. Расчет производительности литьевых машин 
100

4. Тепловые расчеты 
102
4.1. Тепловые расчеты емкостной аппаратуры 
102
4.1.1. Общее уравнение теплового баланса реактора 
102
4.1.2. Расчет начального и конечного теплосодержания реакционной 
массы Q1 и Q4  
103
4.1.3. Расчет теплового эффекта процесса Q3  
104
4.1.4. Расчет теплоты Q5, расходуемой на нагрев (охлаждение) аппарата 113
4.1.5. Расчет теплоты (холода) Q6, теряемой аппаратом в окружающую 
среду, и необходимой толщины теплоизоляции 
115
4.1.6. Расчет теплоты Q2 и определение необходимой поверхности 
теплообмена Fрасч  
119
4.1.7. Особенности теплового расчета реактора периодического 
действия 
121
4.1.8. Расчет величины ∆tср, расхода теплоносителя 
или охлаждающего агента 
123
4.1.9. Примеры расчетов тепловых балансов 
125
4.1.9.1. Расчет теплового баланса получения 
фенолформальдегидных смол 
125
4.1.9.2. Тепловой расчет аппарата для реакции алкилирования 
131
4.1.9.3. Пример расчета теплового баланса пиролиза нефти 
138

4.1.9.4. Пример расчета теплового баланса реактора газофазной 
гидратации ацетилена 
140
4.1.9.5. Пример расчета теплового баланса реактора получения 
формальдегида 
141
4.2. Тепловые расчеты процессов производства резинотехнических изделий 142
4.2.1. Тепловой расчет процесса вальцевания 
142
4.2.2. Тепловой расчет периодического резиносмесителя 
149
4.2.3. Тепловой расчет процесса каландрования 
152
4.2.4. Тепловой расчет процесса шприцевания 
155
4.2.5. Тепловой расчет процесса вулканизации 
158

Библиографический список 
163

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Технологические расчеты в проектировании химических 
установок» предназначено для самостоятельной работы студентов при 
выполнении домашних заданий, при подготовке к практическим занятиям, 
контрольным работам и сдаче экзамена по дисциплинам бакалавриата «Осно-
вы проектирования и оборудование предприятий органического синтеза», 
«Основы проектирования и оборудование химико-фармацевтических про-
изводств» и магистратуры «Методы переработки полимерных материалов». 
Также данное пособие незаменимо при написании пояснительных записок 
к курсовым и дипломным проектам, так как технологические расчеты при 
проектировании химических установок составляют основную часть этих 
работ. На этом этапе пособие может использоваться в комплексе с учебным 
пособием по оформлению дипломных и курсовых проектов бакалавров, под-
готовленным ранее кафедрой технологии органического синтеза (Нейн Ю. И., 
Бельская Н. П. Основы проектирования химических установок: Содержание 
и оформление курсового проекта и выпускной квалификационной работы 
бакалавра : учеб. пособие. Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019).
Пособие включает четыре главы. Первая глава посвящена расчетам мате-
риальных балансов химических производств основного органического синтеза 
и переработки пластических масс. Во второй и третьей главах подробно рас-
смотрены расчеты оборудования, в последней, четвертой, главе представлен 
разбор тепловых балансов химических производств. В каждой главе пособия 
содержатся теоретические основы расчетов и приведено большое количество 
примеров, помогающих разобраться в особенностях технохимических расчетов.
Рассмотренные в пособии основные вопросы проектирования химических 
установок помогут студентам выполнить курсовой и дипломный проекты 
с учетом реальных условий производства.

ВВЕДЕНИЕ

В процессе создания новых производств, включающем стадии исследова-
ния, проектирования, строительства, монтажа и пуска нового промышленного 
объекта, одним из важнейших моментов является разработка технического 
проекта.
В настоящее время существуют следующие основные виды (направления) 
проектирования химических производств:

 
ȣ проектирование производств с новой технологией;

 
ȣ проектирование расширения действующего производства (ввода до-
полнительных мощностей);

 
ȣ проектирование реконструкции действующего производства.
При проектировании промышленного объекта необходимо соблюдать 
следующие принципы:

 
ȣ использовать наиболее прогрессивную технологию и новейшую конкурентоспособную 
технику;

 
ȣ предусматривать механизацию, автоматизацию и, при необходимости, 
роботизацию производства;

 
ȣ позитивно решать вопросы охраны окружающей среды (экологической 
безопасности производства).
В настоящее время наиболее совершенной формой проектирования считается 
проектирование промышленных предприятий с безотходной технологией 
и водооборотом.
При выполнении студентами курсового и дипломного проектов по специальности 
необходимо знание основ технологического проектирования, 
с которыми студенты знакомятся на дисциплинах, посвященных основам 
проектирования и оборудования заводов основного органического синтеза 
и по переработке пластмасс.
Важным этапом проектирования химического производства является 
выполнение технохимических расчетов —  материальных, технологических 
и тепловых. Помочь студентам овладеть навыками правильного выполнения 
указанных расчетов —  главная цель данного учебного пособия.

В установку (агрегат или участок проектируемого производства) кроме 
основного аппарата (машины) входит ряд аппаратов (машин), непосредственно 
связанных с разрабатываемым. Выбрав конструкцию таких аппаратов 
(машин), необходимо рассчитать их количество в соответствии с заданной 
мощностью, принятым режимом работы, нормами производительности и временем 
на ремонт. Таким образом, технологический расчет проводится по проектируемому 
аппарату (машине) и участку производства, в состав которого 
он (она) входит.
Как известно, переработка материалов в химических аппаратах обычно 
связана с затратой теплоты или ее отводом. В том и другом случаях нужно 
произвести тепловой расчет с целью определения требуемой поверхности 
тепло обмена аппарата (машины).
Определение размеров деталей (их толщины) аппаратов (машин), которые 
должны обеспечить их прочность и необходимую долговечность, осуществляется 
с помощью механического расчета.

1. МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

Материальный расчет производства —  это расчет количества загружаемых 
веществ и получаемых продуктов с выводом расходных коэффициентов 
по сырью и материалам и с определением состава и количества отходов. 
Результаты материальных расчетов служат, таким образом, основой технологических, 
тепловых и экономических расчетов проекта. Основным инструментом 
выполнения материальных расчетов является материальный баланс 
производства.

1.1. Методика расчета материального баланса

Для периодического процесса материальный баланс составляется на единицу 
массы целевого продукта, чаще всего на 1000 кг (1 т). При непрерывном 
процессе расчет ведут на часовой выпуск продукта —  Gчас (кг/ч, т/ч). При производстве 
штучных изделий, например, при проектировании предприятий, 
выпускающих резинотехнические изделия, допускается расчет материального 
баланса на выпуск заданного количества изделий (шт., пог. м). Указанные 
количества целевого продукта составляют так называемый масштаб расчета.
В основе материальных расчетов лежит закон сохранения масс:

 
исх
получ,
G
G
=

где Gисх и Gполуч —  суммы масс исходных и полученных веществ, кг.
Ниже приведена более детальная структура материального баланса химической 
стадии технологического процесса.
Представим стехиометрическое уравнение химической реакции в виде

 
,
a A
b B
c C
d D
⋅
+ ⋅
= ⋅
+
⋅

где А и В —  исходные реагенты; С —  целевой продукт; D —  побочный продукт 
реакции; а, b, с, d —  стехиометрические коэффициенты.

Материальный баланс данной стадии может быть представлен в общем 
виде следующим образом:

 
 ост
 ост
прим
потери
 
 
,
A
B
C
D
A
B
G
G
G
G
G
G
G
G
+
=
+
+
+
+
+

где GА и GВ —  массы исходных реагентов, кг; GС и GD —  массы целевого и побоч-
ного продуктов реакции, кг; GАост и GВост —  массы реагентов А и В, не вступивших 
в химическую реакцию, кг; Gприм —  масса примесей, вносимых в реактор с исход-
ными реагентами технической квалификации, кг; Gпотери —  масса механических 
потерь целевого продукта, кг.
Следует отметить, что химические потери (массы исходных реагентов GА ост 
и GВ ост, не вступивших в основную реакцию) часто имеют большую величину, 
чем механические потери, сопутствующие химической стадии процесса.
Среди исходных веществ рекомендуют выделять ключевое исходное ве-
щество (КВ), определяющее выход целевого продукта реакции (КВ берется 
в эквимолярном количестве или в мольном недостатке по отношению к другим 
реагентам).
Массу фактически получаемого целевого продукта и, соответственно, массу 
его потерь определяют, вводя в расчет величины практических выходов про-
дукта по отдельным технологическим стадиям (η1, η2, η3, …, ηi) и по процессу 
производства в целом (ηобщ). Общий практический выход продукта по произ-
водству в целом связан с постадийными выходами соотношением

 
общ
1
2
3,
,
,
i
η
= η
η
⋅
⋅
η
η


где 1, 2, 3, …, i —  номера стадий технологического процесса.
Величина практического выхода продукта реакции на химической стадии 
процесса определяется соотношением

 

факт

теор
100 %,
i
G

G
η =
⋅

где Gфакт —  масса фактически полученного по основной реакции целевого 
продукта С, кг; Gтеор —  количество продукта С, которое должно получаться 
по стехиометрическому уравнению реакции, кг.

 
теор
, 
A
C

A

G
c M
G
a M

⋅ ⋅
=
⋅

где МА и МС —  мольные массы соответственно ключевого исходного веще-
ства А и целевого продукта реакции С, кг/кмоль; а и с —  стехиометрические 
коэффициенты.

С учетом вышеизложенного можно рекомендовать следующую методику рас-
чета материального баланса химической стадии технологического процесса (ТП):
1. Сбор необходимых для расчета исходных данных.
В сводку исходных данных должны входить:

 
ȣ масштаб расчета;

 
ȣ состав исходного сырья и товарного (целевого) продукта;

 
ȣ перечень стадий ТП и выходов по стадиям;

 
ȣ удельные или мольные загрузки реагентов, используемых в нестехио-
метрических количествах;

 
ȣ данные о возврате в цикл реагентов, взятых в избытке или не участвующих 
в химической реакции (например, растворителей, каталитических 
добавок и т. д.).
2. Определение расхода ключевого исходного вещества по стехиометрии 
и с учетом общего практического выхода продукта.
3. Определение расходов остальных исходных веществ на основе удельных 
загрузок (Gi кг на 1 кг КВ) или мольных отношений реагентов (N моль реагента 
на 1 моль КВ).
4. Определение количества продуктов, полученных по стехиометрии (согласно 
уравнению реакции) и с учетом выхода по стадии.
5. Определение остатков непрореагировавших исходных веществ, а также 
их механических потерь.
6. Составление материального баланса стадии и представление его в виде 
таблицы. При этом строго должно выполняться равенство

 
загруж
получ.
G
G
=

Материальные расчеты стадий (операций), связанных с реализацией только 
физических процессов (фильтрация, сушка, перегонка, кристаллизация и т. п.), 
менее трудоемки. Ниже представлены типовые схематические структуры мате-
риального баланса стадий фильтрации и сушки химических продуктов (рис. 1.1 
и рис. 1.2).
Как отмечалось ранее, одной из задач материальных расчетов является 
определение величин расходных коэффициентов по сырью. Расходный коэф-
фициент по сырью —  это суммарный расход отдельного вида сырья (по всем 

Загружено:
суспензия
+
вода на промывку
жидкая фаза
твердая фаза

Получено:
фильтрат
+
потери
+
паста
+
промывные воды

Рис. 1.1. Структура материального баланса стадии фильтрации

стадиям производства), приходящийся на единицу массы готового товарного 
продукта. Результаты определения расходных коэффициентов по всем видам 
сырья и материалов представляются в виде таблицы (см. пример 1.2.1, с. 14). 
Данные материальных расчетов по количествам и составу твердых отходов, 
сточных вод и газовых выбросов на единицу массы готового продукта также 
целесообразно представить в виде таблицы (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Перечень и характеристика отходов производства

№  
п/п

Стадии 
производ-
ства

Отходы
(твердые, жид-
кие, газ)

Количество,  
кг/кг прод.

Состав
Методы утили-
зации или обез-
вреживания
кг
%

В заключение следует отметить, что при выполнении материальных расче-
тов необходимо на начальном этапе работы провести анализ технологического 
процесса, выявить все его узлы, где имеются изменения материальных соот-
ношений перерабатываемых веществ, и составить схему-граф материальных 
потоков данного производства. Общий вид схемы-графа и конкретный пример 
представлены на рис. 1.3 и рис. 1.4.

Загружено:
паста
+
горячий воздух
(или инертный газ)
твердая фаза
влага

Получено:
+
потери
товарный продукт
+
летучие (газы, пары)

Рис. 1.2. Структура материального баланса стадии сушки

Сырье 1
Сырье 2
Сырье 3

Дробление
Растворение

Основная химическая реакция

Охлаждение, отстаивание и сепарация
Сточные воды

Головной погон
Дистилляция
Кубовый остаток

Готовый продукт

Рис. 1.3. Схема-граф материальных потоков химического производства

ТП 1 Химическая
реакция 

ТП 2 Горячее
фильтрование 

ТП 3
Кристаллизация  

ТП 4 Фильтрование 
и промывка

ТП 5 Сушка 

Gто

Gтт

Gип

Gдфк

Gтп

Gф

Gвоздух
Gлетучие

Gип

Gпф

Gф

Gсусп

GРМ

Рис. 1.4. Схема-граф технологического процесса производства тиазолотриазола

Далее приведены примеры материальных расчетов химического производства, 
выполненных по вышеизложенной методике.