Квалификационная характеристика инженера-механика по специальности “Химическое машиностроение и аппаратостроение”, определяя его назначение, предусматривает глубокую и разностороннюю профессиональную подготовку будущего специалиста. Инженер-механик этой специальности должен знать вопросы проектирования, конструирования, эксплуатации и исследования технологического оборудования химических производств, методы механических расчетов сборочных узлов и деталей, машин и аппаратов, принципы определения конструктивных размеров, обеспечивающих их функциональную эффективность, взаимосвязь рабочих сред и технологических процессов с методами выбора материалов и конструирования оборудования.

Широкий профиль подготовки специалиста обеспечивает глубокое изучение таких общеинженерных технических дисциплин, как сопротивление материалов, теория механизмов и машин, материаловедение, технология конструкционных материалов, детали машин, гидравлика, термодинамика и теплопередача, электротехника и ряд других, которые в то же время являются основополагающими и для цикла профилирующих дисциплин.

Поскольку специалист ориентирован на проектно-конструкторскую, производственно-технологическую, организационно-управленческую и исследовательскую деятельность в области производства и эксплуатации машин и аппаратов химических производств, он должен ясно представлять основные направления и перспективы развития химической промышленности и химического машиностроения, знать методы проведения научных исследований и экспериментов по специальности.

Одним из главных звеньев ускорения научно-технического прогресса является химизация народного хозяйства: создание комплексных производств, полноценно и всесторонне использующих природное сырье, не загрязняющих окружающую среду, поставляющих во все отрасли промышленности необходимые химические продукты (кислоты, щелочи, красители, полимерные материалы, искусственные кристаллы и т. д.). Особую роль играет химическая индустрия в сельскохозяйственном производстве: получение высоких урожаев, увеличение продукции животноводства невозможны без использования минеральных удобрений, химических средств защиты растений от болезней и сельскохозяйственных вредителей, кормовых добавок.

Химическое машиностроение, как самостоятельная отрасль, производящая оборудование для химической промышленности и смежных с ней нефтехимической, газовой, микробиологической, целлюлозно-бумажной и других отраслей народного хозяйства, существует с 1966 г., когда было создано Министерство химического и нефтяного машиностроения. В настоящее время химическое машиностроение представляет собой большую отрасль народного хозяйства страны, имеющую свои крупные заводы, отраслевую научную, лабораторную и опытную базы. Только за десятую пятилетку в отрасли было освоено серийное производство 1300 новых изделий; значительно выросли технический уровень, производительность и эффективность вновь создаваемых агрегатов; оборудование многих видов выпускают с государственным Знаком качества.

Перед химическим машиностроением поставлена задача создания и выпуска высокопроизводительного оборудования, в том числе для принципиально новых технологических процессов в химической, нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической, медицинской, микробиологической, целлюлозно-бумажной промышленности. Химическое машиностроение должно внести большой вклад в развитие топливно-энергетического комплекса страны, существенно увеличить производство оборудования и агрегатов большой единичной мощности для выпуска минеральных удобрений, средств защиты растений и др.

Основные направления научно-технического прогресса в химическом машиностроении:

-создание оборудования большой единичной производительности;

-комплексная и комплектная поставка технологических линий и установок, позволяющая сократить до минимума сроки введения в строй новых и реконструируемых предприятий;

-создание новых агрегатов непрерывного действия, интенсифицирующих химические производства на основе использования новейших достижений науки и техники, например, вибрационной, ультразвуковой, лазерной, радиационной, высокотемпературной и пр.;

-широкая механизация и автоматизация технологических процессов, применение гибких автоматизированных производств, что особенно актуально для малосерийных производств изделий; использование промышленных роботов и робототехнических комплексов для замены ручного труда;

-максимальная экономия материальных и энергетических ресурсов во вновь создаваемом оборудовании и в отрасли; широкое использование новых конструкционных материалов;

-повышение качества выпускаемого оборудования и, в частности, такого его показателя, как надежность, поскольку простои оборудования высокой интенсивности приводят к большим экономическим потерям.

Советский Союз сотрудничает со странами — членами СЭВ в области создания и взаимных поставок химического оборудования.

В основу классификации химического оборудования положены два признака: характер технологического процесса; общность конструктивных форм, машиностроительной технологии, применения материалов и защитных покрытий.

В общесоюзном классификаторе промышленной продукции (ОКП) химическое оборудование имеет индексы 361100—361800. К нему относятся аппараты колонные, теплообменные, сушильные, аппараты для физико-химических процессов, сосуды и аппараты емкостные, фильтры жидкостные, центрифуги, оборудование для физико-механической обработки материалов. Номенклатура оборудования каждой группы делится на типы, а последние — на типоразмеры.

К машинам химических производств относится технологическое оборудование, в котором обязательным и определяющим содержание технологического процесса является механическое воздействие рабочих органов машины на объект обработки. В машинах химических производств возможны как механические, так и гидромеханические процессы, иногда сопровождающиеся тепло- и массообменными процессами, химическими превращениями.

По функционально-технологическому назначению различают следующие виды машинного технологического оборудования химических производств: 1) дробилки и измельчители; 2) машины для классификации сыпучих материалов; 3) смесители, питатели, дозаторы; 4) мешалки; 5) фильтры; 6) центрифуги, сепараторы; 7) машины с вращающимися барабанами. В машинах первых трех групп выполняются, в основном, механические процессы химической технологии по обработке кусковых материалов и сыпучих сред, в машинах следующих трех групп — гидромеханические процессы, обрабатываются преимущественно жидкие среды. В машинах с вращающимися барабанами обрабатывают как сыпучие, так и жидкие среды.

Основой развития химического машиностроения является проведение глубоких экспериментальных и теоретических исследований процессов и оборудования. Эту работу выполняет ряд отраслевых научно-исследовательских и конструкторских институтов, среди которых головным является НИИхиммаш (Москва).

Велика роль советских ученых и инженеров в разработке теории, методов расчета и конструирования машин и аппаратов химических производств: П. А. Ребиндера, В. А. Баумана, В. Н. Блиничева, И. Ф. Гончаревича, Л. В. Левенсона, В. А. Олевского, В. А. Повидайло и др. — в области дробильно-размольного и сортировочного оборудования; С. Я. Гзовского, А. М. Ластовцева и др. — в разработке мешалок и смесителей; В. А. Жужикова, Н. В. Шпанова и др. — в разработке фильтров; В. И. Соколова, Д. Е. Шкоропада и др. — в исследовании центрифуг. Общие методы расчета машин и аппаратов и их элементов нашли отражение в трудах Г. Л. Вихмана, Н. И. Гельперина, А. Д. Домашнева, 3. Б. Канторовича, А. Г. Касаткина, В. В. Кафарова, А. Н. Плановского, В. Н. Соколова и ряда других деятелей науки, создавших теоретические основы проектирования химического оборудования.

В химическом машиностроении применяют металлы и сплавы, минералосиликатные, полимерные (синтетические и природные) и композиционные материалы.

Выбор конструкционного материала, определяемый условиями эксплуатации проектируемого элемента (температура, величина нагрузки и ее цикличность, характер агрессивного воздействия среды и др.), следует выполнять так, чтобы при низкой стоимости и недефицитности материала обеспечивать эффективную технологию изготовления элемента (изделия).

Работоспособность изделия, т. е. состояние, при котором оно способно нормально выполнять заданные функции, оценивается обычно критериями прочности, жесткости, устойчивости, износостойкости, коррозионной стойкости.

При расчете деталей по критерию прочности различают статическую, циклическую и контактную прочность.

Критерием статической прочности характеризуют, например, такие элементы химического оборудования, как обечайки и другие детали сосудов и аппаратов, работающих при постоянном внутреннем давлении, быстровращающиеся роторы и диски, детали с большим начальным усилием затяжки (большая часть крепежных деталей), несущие конструкции, находящиеся под постоянной нагрузкой. Представляет опасность явление ползучести нагруженных деталей — изменение во времени деформаций и напряжений, особенно сильно проявляющееся при высоких температурах.

По критерию циклической прочности рассчитывают все детали оборудования химических производств, находящиеся под действием переменной нагрузки - валы и оси (если нет ограничений по жесткости), зубчатые колеса, шатуны, штоки, пружины, корпуса и рамы машин, а также металлические конструкции, подверженные действию переменных сил. Следует учитывать, что воздействие коррозии и высоких температур снижает предел выносливости материала.

Низкие температуры, ударные нагрузки на детали, изготовленные из материалов с малой вязкостью, наличие концентраторов напряжений способствуют хрупкому разрушению деталей.

Критерий контактной (статической и циклической) прочности является определяющим при расчете таких элементов машин, как пары бандаж—ролик, кулачок—толкатель, роликовые направляющие, шариковые опоры, подшипники качения и т. п.

Для деталей, критерием работоспособности которых является прочность, рационально использовать материалы с повышенными механическими характеристиками, в частности, термообработанные низколегированные и легированные стали, что позволяет уменьшать массу машин и улучшать их технико-экономические показатели.

Критерий жесткости является основным для таких деталей, как рамы и корпусные элементы машин, нагружаемые статическими или плавно меняющимися нагрузками, валы передач и т. д. Конструкционные материалы для таких деталей должны иметь высокий модуль упругости и технологические свойства, обеспечивающие возможность получения тонкостенных конструкций с малыми остаточными напряжениями.

Характерные элементы химического оборудования, при расчете которых учитывают критерий устойчивости — оболочки, нагруженные внешним избыточным давлением или сосредоточенными силами, кольца, а также длинные штоки, стойки и другие детали, находящиеся под воздействием сжимающих сил.

С учетом критерия износостойкости выбирают материалы для изготовления рабочих органов многих машин химических производств: бандажей валков, дробящих и отражательных плит и других элементов дробилок и измельчителей; решет и сит в классификаторах; фильтрующих элементов и разделительных поверхностей в фильтрах и центрифугах; лопастей, дисков и других элементов в смесителях, мешалках, питателях, дозаторах и пр.; различных направляющих, деталей фрикционных узлов, зубчатых и червячных колес, ходовых винтов и т. п. Износостойкость определяется главным образом твердостью поверхностного слоя материала, а сопротивление схватыванию — степенью химического сродства контактирующих материалов.

Во многих случаях материалы следует выбирать с учетом совокупности нескольких критериев работоспособности. Например, рабочие органы валковых машин должны удовлетворять требованиям износостойкости и жесткости, а в некоторых случаях и коррозионной стойкости; распылительные диски в центробежных сушилках — требованиям прочности и износостойкости и т. п.

Металлы а сплавы. Сталь. Благодаря широкому спектру свойств, определяемых составом и химико-термической обработкой, сталь — наиболее распространенный конструкционный материал.

Сталь, предназначенная для изготовления сосудов и аппаратов, по химическому составу и механическим свойствам должна удовлетворять требованиям ГОСТов, ТУ и ОСТ 26-291—79.

Сталь углеродистую обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) применяют для изготовления несущих металлических конструкций, обечаек, днищ, фланцев, люков, лазов, патрубков, штуцеров и других деталей машин и аппаратов. В зависимости от назначения сталь подразделяется на три группы, поставляемые: А — по гарантированным механическим свойствам для; использования в состоянии поставки (в обозначении марки стали букву А не указывают); Б — по гарантированному химическому составу для изготовления изделий с применением горячей обработки (ковка, сварка); В — по гарантированным механическим свойствам и химическому составу. По нормированным показателям стали группы А делятся на три, группы Б – на две и группы В – на шесть категорий.