Дипломная работа: Проектирование отделения вакуумной сепарации титановой губки на базе АО "УК ТМК"

Исходные данные для расчета.

Состав реакционной массы: 4300 кг титана, 2907 кг магния, 682 кг хлорида магния.

Температура выдержки в процессе вакуумной сепарации 1010 °С.

Аппарат поступающий в отделение сепарации имеет температуру 600 – -650 °С.

Температура стенки охлаждаемой оборотной реторты не более 100 °С. Температуры: плавления Mg — 651 °С, кипения Mg — 1102 °С, плавления MgCl2 — 718 °С, кипения MgCl2 — 1410 °С.

Тепловой расчет реактора

Рассчитываем количество тепла необходимое на испарение магния:

 ,

гдеQ/ - скрытая теплота испарения Mg – 5606,5 кДж/кг °С;

 - скрытая теплота плавления Mg –361,9 кДж/кг °С;

С - теплоемкость Mg;

G - вес Mg;

 кДж.

Определим количество тепла, необходимого на испарение MgCl2:

 ,

гдеQ// - теплота возгонки MgCl2 - 1368 кДж/кг °С;

 - теплота плавления MgCl2 - 452 кДж/кг °С;

С - теплоемкость MgCl2 ;

G - вес MgCl2 .

QMgCl2 = 682 . [0,84 . (718 – 20) + 452 + 1368 + 0,97 . (1010 – 718) =

= 1834279 кДж.

Определим количество тепла необходимого на нагрев титановой губки:

QTi = G . C . (tпл – tг) ,

гдеС - теплоемкость титана – 0,67 кДж/кг °С

G - вес титана - 4300 кг

tг - температура губки - 700°С.

QTi = 4300 . 0,67(1010 – 700) = 893110 кДж.

Количество тепла необходимого на нагрев реактора:

Qp = G . C . (tнр – tр),

где С - теплоемкость нержавеющей стали – 0,62 кДж/кг °С;

G - вес реактора.

,

гдеdн - наружный диаметр реактора, м;

dВн - внутренний диаметр реактора, м;

- плотность материала реактора – 7200кг/м2.

.

Qрет = 3310 . 0,62 . (1010 – 600) = 841402 кДж.

Расчет потерь тепла в оборотную реторту:

- потери через крышку реактора:

,

гдеE - степень черноты крышки – 0,9;

С0 - лучеиспускание абсолютно черного тела 20,7 кДж.

,

где n - число экранов;

F - площадь экранов крышки.

Fэ = Fкр – Fц.патр. .

Fэ= .

.

- потери через центральный патрубок:

Суммарные потери в оборотную реторту: Qв.обр.рет = Qкр + Qц.п ,

Qв..обор.рет.= 199805 +8520 =208325 кДж

Расчет охлаждения оборотной реторты

Расчет охлаждения оборотной реторты производится при конденсации Mg от температуры процесса равной 1010 °С до температуры водоохлаждаемой стенки реторты равной 100 °С.

- тепловыделения при конденсации Mg:

Q1 = G . Q/,

где Q/ - скрытая теплота возгонки Mg - 5606 кДж;

G - вес Mg.

Q1 = 2907 . 5606 = 16298269 кДж.

- тепловыделения при охлаждении магния до температуры плавления 651 °С:

Q2 = G × Cж × (tпр – tпл).

Q2 = 2907 × 1,4 ×(1010 × 651) = 1458400 кДж.

где Cж - теплоемкость Mg = 1,4 кДж.

- тепловыделения при затвердении жидкого Mg:

Q3 = G × Q// .

Q3= 2907 × 362 = 1052087 кДж

гдеQ// - скрытая теплота плавления – 362 кДж.

- тепловыделения при охлаждении твердого Mg до температуры водо-охлаждаемой стенки реторты:

Q4 = G × C × (tпл × tст) .

Q4= 2907 × 1,17 × (651 – 100) = 1876490 кДж.

где С - теплоемкость Mg в интервале 651 – 100 °С – 1,17 кДж.

- Суммарные тепловыделения при конденсации Mg:

QMg = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 .

QMg = 16298269 + 1458400 + 1052087 + 1876490 = 20685248 кДж.

Расчет тепловыделений при конденсации паров MgCl2 от температуры процесса 1010 °С до температуры конденсатора 100 °С

- тепловыделения от конденсации паров MgCl2:

Q1 = G × Q///,

где Q/// - скрытая теплота испарения MgCl2 – 1368 кДж.

Q1 = 682 × 1368 = 933090 кДж.

- тепловыделения при охлаждении от 1010 °С до температуры плавления 718 °С:

Q2 = G × Cж × (tпр – tпл) ,

гдеCж - теплоемкость MgCl2 – 0,97 кДж.

Q2 =682 × 0,97 × (1010 – 718) = 193304 кДж.

- тепловыделения при затвердевании жидкого MgCl2: Q3 = G × QIÑ .

где QIÑ - скрытая теплота плавления MgCl2 – 452 кЛж

Q3 = 682 × 452 = 308176 к Дж.

- тепловыделения при охлаждении твердого MgCl2 до температуры водоохлаждаемой стенки оборотной реторты:

Q4 = G × C × (tпл -tст) .

где С - теплоемкость MgCl2 в интервале температур 718 – 100 °С – 0,84 кДж.

Q4= 682 × 0,84 × (718 × 100) = 354451 кДж.

- общие тепловыделения при конденсации MgCl2:

Q MgCl2 = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 .

QMgCl2 = 933090 + 193304 + 308176 + 354451 = 1789024 кДж.

На период возгонки основного количества конденсата затрачивается примерно до 20% времени выдержки. Остальное время процесса сепарации идет на удаление оставшегося Mg и MgCl2.

На основании опытных данных об увеличении температуры выдержки на 10°С продолжительность высокотемпературной выдержки, с температурой по зонам 970, 1010, 1020, 1010, принимаем 62 часа. Определяем время интенсивной возгонки:

62—100%х = 12,4 часов.

х—20%

- часовые тепловыделения при конденсации Mg и MgCl2:

.

.

Суммарные тепловыделения в конденсатор из реактора:

Q = QMg + QMgCl2 + Qкрыш .

Q = 166165 + 144276 + 209362 = 2021805 кДж.

Расчет водяного охлаждения оборотной реторты (конденсатора)

Охлаждение реторты – конденсатора во время процесса сепарации производится водой. Из практических данных известно, что температура воды после охлаждения порядка 70 °С. Начальная температура воды – 20 °С. Определяем количество воды, необходимое для охлаждения оборотной реторты:

где С - теплоемкость воды = 4,184 кДж/кг×с.

Теплоотдача при стекании жидкости по вертикальной поверхности:

 ,

где G - расход воды на охлаждение равен 2,68 ?

pd – периметр орошения, м

m - коэффициент динамической вязкости воды, при 20 °С m = 10-3 н×с/м2

.

т. к. Re = 1957 < 2000, то давление можно считать ламинарным.

По упрощенной формуле толщина пленки воды:  ,

гдеr - плотность воды при 20 °С = 0,998 × 103 кг/м3.

Критерий Прандтля для воды при 20 °С равен 7,02.

гдеH - высота с которой стекает пленка воды.

Критерий Галия:.

Критерий Нуссельта: Nu = 0,67 ×(Ga2 × P2 × Re)1/9 ,

Nu = 0,67 × [(87,93 × 1012)2 × 7,023 × 19,57] = 3792.

Коэффициент теплоотдачи для пленочного течения определяется из уравнения:

 ,

где l - теплопроводность воды, при 20 °С = 10-2Вт/м×ч.

Определим необходимую поверхность орошения водой:

Действительная поверхность орошения реторты конденсатора:

Таким образом, поверхности орошения и количества воды вполне достаточно для отвода выделяющегося тепла и конденсации всего количества MgCl2.

Тепловой расчет печи сепарации

Потери тепла в стационарном режиме.

Исходные данные: tп – рабочая температура печи – 1020 °С; tв - температура окружающей среды – 20 °С; d1 – толщина шамота легковеса ШЛБ – 10 – 0,12 м; aкоэффициент теплопроводности шамота 2,5 кДж/м2 × ч × °С; d2 - толщина пенодиатомита ПД – 350 – 0,38 м; aкоэффициент теплопроводности пенодиатомита – 0,62 кДж/м2×ч×°С; d3 - толщина металлического кожуха – 0,02 м; aкоэффициент теплопроводности стали – 185,3 кДж/м2×ч×°С.

Определим площади слоев кладки футеровки и кожуха: F = p dcp ×H .

Средняя поверхность слоя шамота: F1 = 3,14 × 2,0 ×4,85 = 30,46м2 .

Средняя поверхность слоя пенодиатомита: F2 = 3,14 × 2,46 × 4,99 = 38,55м2.

Наружная поверхность кожуха: F3 = 3,14 × 2,50 × 5,04 = 40 м2.

Определим температуру наружной поверхности кожуха печи. Для этого задаемся температурами наружной стенки печи 50, 70, 90°С. Определим коэффициент теплопередачи для этих температур:

.

.

- потери тепла в окружающую среду при заданных температурах:

 .

Потери тепла теплопроводностью: Qт = F × k × (tвн.ст – tн.ст),

где .

 .

.

.

.

Температура наружной стенки печи сепарации равна 58 °С. Определяем коэффициент потерь тепла конвекцией и излучением:

где tcт - температура наружной стенки печи сепарации; tв - температура окружающей среды.

.

 .

Суммарный коэффициент тепловых потерь составит:

 .

- потери тепла через боковую поверхность кожуха печи сепарации:

 .

.

Потери через низ печи.

Исходные данные: d1 – толщина шамота легковеса ШЛБ – 1 – 0,2 м; d1 - толщина пенодиатомита ПД – 350 – 0,6 м; d3 - толщина металлического кожуха - 0,02 м; λ - коэффициент теплопроводности шамота – 2,5 кДж/м2.ч.0С; λ 2 - коэффициент теплопроводности пенодиатомита – 0,62 кДж/м2.ч.0С; λ 3 - коэффициент теплопроводности стали – 185,3 кДж/м2.ч.0С.

- поверхность слоев футеровки и кожуха:

.

.

.

где d - средний диаметр слоев футеровки и кожуха;

- температура наружной поверхности низа печи.

Задаемся температурами наружной стенки 60, 70, 80 °С. Для поверхностей, обращенных вниз.

.

 кДж/м2 × ч × °С .

 кДж/м2 × ч × °С .

 кДж/м2 × ч × °С .

- потери тепла конвенцией и излучением:

 .

- потери теплопроводностью: ,

где k - коэффициент теплопроводности

.

.

.

.

Определяем коэффициент потерь тепла конвенцией и излучением.

- потери тепла нижней поверхностью печи:

 .

.

- потери тепла печью сепарации:

- тепло, необходимое на нагрев всей футеровки печи от 20 °С до 1020 °С.

- тепло на нагрев шамота: Q1 = G1×C2×(t1-t2) ,

гдеG1 – вес шамота – 1150 кг (по данным практики);

С1 - удельная теплоемкость шамота – 1,04 кДж/кг °С.

.

- тепло на нагрев пенодиатомита:

,

где G2 – вес пенодиатомита – 1300 кг (по данным практики);

С2 - удельная теплоемкость пенодиатомита – 0,96 кДж/кг °С.

.

Общее количество тепла на нагрев футеровки:

.

Суммарные потери тепла реактором и печью сепарации:

- часовые теплопотери:

,

где t - время наиболее интенсивных теплопотерь – 12,4ч.

Данные расчетов сведены в таблицу 5.

Расчет мощности печи сепарации

Необходимую мощность печи сепарации рассчитываем по формуле:

 , где k - коэффициент запаса мощности, учитывающий различные незначительные потери.

Для печей непрерывно действующих: k = 1,2 /1,3 .

Q – общий расход тепла в печи.

.

Электрический расчет печи сепарации

Напряжение печи 380 В, нагреватели питаются то сети перемененного тока через трансформатор. В качестве нагревателей применяем ленточный нихром марки Х20Н80 ГОСТ-2615-58, сечением 3,2´36 мм.

Таблица 5.

Тепловой баланс процесса вакуумной сепарации

Удельное электрическое сопротивление нихрома при рабочей температуре: r = 1,15 Ом × мм2 /м

Предельно допустимая температура для нихрома марки Х20Н80 равна 1150 °С. На основании опыта эксплуатации печей с повышенной цикловой производительностью, нагреватели печей распределяем по четырем зонам. Мощность каждой зоны 175 кВт.

Расчет нагревателей: Мощность зоныР = 175 кВт; напряжениеU = 380 В; сила тока ; сопротивление; сечение ленты S = 3,2 × 3,6 = 115 мм2 ; длина ленты ; поверхность лентыF = 2 × (0.32 + 3.6) × 8250 = 64680см2; Ваттная нагрузка

Технологический расчет основного оборудования

Количество печей сепарации

На основании данных дипломного проекта предлагается сокращенные высокотемпературные выдержки процесса сепарации на 10 часов, продолжительность печного цикла 80 часов: разогрев до температуры выдержки – 16 ч; время высокотемпературной выдержки – 62 ч; охлаждение аппарата в печи – 2 ч.

Календарное количество дней в году – 365 дней.

Печь на кап. ремонте – 12 дней.

Печь на профилактическом ремонте – 5 дней.

Итого 348 дней.

Производительность одной печи сепарации в год составит:

- количество печей сепарации, обеспечивающих заданную годовую производительность:

- коэффициент использования печей сепарации составляет:

k = 348/365 = 0,95.

- количество печей сепарации с учетом коэффициента использования:

n = 67/0,95 = 70,5 » 71

- резерв печей сепарации: 71 × 0,05 = 3,5

Общее количество печей сепарации составит: 71 + 4 = 75

Расчет количества холодильников

Цикл охлаждения аппарата сепарации в холодильнике принимаем 53 ч. (охлаждение воздухом – 3 ч; охлаждение водой – 50 ч..). Количество календарных дней работы холодильника в год – 365 дней.

- производительность холодильника в год: .

- количество холодильников, обеспечивающих заданную производительность: n = 30000 / 700,98 = 43 холодильника.

- коэффициент использования холодильников: k = 360 / 365 = 0,98

- необходимое количество холодильников с учетом коэффициента использования составит: n = 43 / 0,98 = 43,8 » 44

- резерв холодильников: 44 × 0,05 = 2,2 » 3

Общее число холодильников: n = 44 + 3 = 47

Расчет количества реторт.

- суточная производительность цеха: Псут. = 30000 / 365 = 82,19 т/сут.

- общее количество реторт необходимых для обеспечения заданной производительности отделения, из них:

- реторты, занятые на вакуумной сепарации: 75 × 2 = 150

- реторты, находящиеся на охлаждении: 47 × 2 = 94

- всего реторт: 244

- резерв реторт: 244 × 0,05 = 13

- общее количество реторт: 244 + 13 = 257

Выбор и расчет вспомогательного оборудования

Выбор вакуумных насосов

Для создания вакуума в аппарате сепарации устанавливается диффузионный насос в паре с механическим насосом. Откачиваемый объем воздуха равен сумме двух объемов –реактора, оборотной реторты и объема вакуумных проводов. Объем реторты – 4,8 м3. Объем вакуумных проводов до механического насоса – 1,5 м3, до диффузионного - 1 м3. Время откачки механическим насосом – 10 мин (600с)

Время откачки диффузионным насосом – 5 мин (300с)

Остаточное давление в системе после откачки механическим насосом 13,3 Па, после откачки диффузионным насосом 0,133 Па.

Суммарный откачиваемый объем: 4,8 + 4,8 + 1,5 = 11,1 м3

Скорость откачки от атмосферного давления до 13,3 Па определим по формуле:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10