Принцип дії та конструкція гіпсоварного котла

Зміст

                                                                                               

1. Принцип дії та конструкція  гіпсоварного котла                          2  

2. Розрахунок горіння палива                                                         8 

3. Матеріальний баланс                                                                11  

4. Тепловий баланс                                                                      13 

5. Список використаної літератури                                               16  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принцип дії та конструкція гіпсоварного котла

В cистемі СаS0₄ *2Н₂0 встановлено існування наступних фаз:          

       Двугідрат сульфата кальція- СаS0₄ *2Н₂0; полугідрат сульфата кальція- СаS0₄*0,5 Н₂0 ; розчинний ангідрит або ангідритЗ- СаS0₄; нерозчинний ангідрит або ангідрит2; аналогічний природному ангідриту- СаS0₄; ангідрит 1, який утворюється при температурі більше 1180°С.

   Із цих фаз стабільнішими являются - СаS0₄ *2Н₂0 та ангідрит2. Дегідратація гіпсового камню може перебігати не тільки на повітрі а й у водному середовищі.

   Крім перелічених вище фаз існують також проміжні продукти -зневоднені α і β-напівгідрати, які утворюются відповідно при 200-210 і 170-180°С із а і β -напівгідратів.

    В    Рентгенофазним аналізом встановлено, що існує три типии кристалічних ґраток: двугідрата ,напівгідрата і ангідрита. Решітка обезводненого полугідрата аналогічна гратці напівгідрата, а ангідрита 3 - гратці ангідритів 2 та 1.                      

     Криві розчинності двугідрата і продуктів його дегідратації свідчать про те, що   1 нижче 42°С стабільнішим є двугідрат, вище 42°С - ангідрит. Ангідрит розчиненого ангідритав цих умовах виникає лише у водному середовищі в присутності кристалів  ангідрита. При 97°С СаS0₄ *2Н₂0 переходить в полугідрат, який при цій температурі менш розчинний, ніж двугідрат , що і пояснює його стабільність.

     В залежності від того, як протікає термообробка, утворюєтся а чи β модифікації полугідрата і розчиненого ангідрита. Якщо процесе проходить в середовищі насиченого пару чи в розчинах деяких солей, утворюєтся α-модифікація , якщо у відкритих апаратах β модифікація. Процесе дегідратації СаS0₄ *2Н₂0 ендотермічній:

СаS0₄ *2Н₂0 ------>α СаS0₄ * 0,5Н₂0+15 Н₂0- 17,2 кДж/моль

СаS0₄ *2Н₂0 ------- β СаS0₄ * 0,5Н₂0+І5 Н₂0 - 19,4 кДж/моль

СаS0₄ *2Н₂0 — > СаS0₄(ангідрит2)+ 2 Н₂0 - 16,9 кДж/моль (рідина) чи 105кДж/моль (пара)                                                                                                 

Термодинамічне дослідження процеса дегідратації гіпсу проводили: К.Келлі, Д.Суттард і К.Андерсон.                                                                                   Для реакції:

СаS0₄ *2Н₂0 —~ а СаS0₄ * 0,5Н₂0+1,5Н20 (рідина) Рівновага (РН20=О,1МПа) встановлюється при температурі 97°С.

Для реакції:

СаS0₄ *2Н₂0 ----> β СаS0₄ * 0,5Н₂0. * 0,5Н₂0 +1,5Н₂0 (пара) Рівновага досягається при температурі 109°С. Дані термодинамічних розрахунків співпадають з експерементальними. Фізико - хімічні характеристики окремих фаз наведені в таблиці1.1.

                                                                                                           

Фізико-хімічні характеристики модифікацій  сульфата кальцію:  

Таблиця 1.1.

 

  Різна степінь впорядкованості а і β модифікацій пояснює їх різноманітні фізико-технічні властивості, різну інтенсивність на рентгенограмах, а також різний вміст гистохіометричної води.

      β СаS0₄ *0,5Н₂0 - має більш високу водопотребу, скоріше тужіє але міцність його нижче. При однаковому водо-гіпсовому співвідношенні міцність зразків із а і β- напівгідратів приблизно однакова.

    В процесі подальшого нагрівання випаровується вода, що залишилася, і напівгідрати перетворюються в обезводнені напівгідрати. Температура, при якій відбувається перетворення, для а модифікації 200-210°С, а для β модифікації 170-180°С.

     При переході напівгідратів в зневоднені напівгідрати кристалічна гратка не має змін і рентгенограми обох продуктів схожі. Обезводнені полугідрати мають високу гігроскопічність і легко перетворюються в полугідрати. В процесі нагрівання відповідно до температур більше 220 і 300°С обезводнені а і β напівгідрати переходять в розчинені а і β ангідрити. Цей перехід супроводжується невеликим екзотермічним ефектом (рис 1.2.)

    Розчинні а і β ангідрити мають підвищений рівень водопотреби, малу міцність і дуже короткий термін тужавіння, тому при технологічному процесі отримати будівельного гіпсу намагаються не нагрівати до температури більш 170-180'С.

       При нагріванні вище 450°С розчинні а і β ангідрити перетворюються в нерозчинні ангідрит 2, аналогічно природному. Так як при цьому кристалічна гратка не перебудовується, на термограмах немає ніяких змін.  

 

    Нерозчинний ангідрит самостійно не гідратується і не твердіє, тому його іноді називають   намертво   обпечений.   Кристалічна   гратка   нерозчиненрго   ангідриту характеризується наявністю ланцюгів  із  іонів  Са²⁺ і груп  80₄²", розташована паралельно осі х.                                                                                              

   При температурі вище 750°С починається частковий розклад гіпсу з виділенням СаО. Гіпс знову набуває здатності зхватування проходить повільно.                       

       При 1180°С ангідрит 2 переходить в ангідрит 1. Зберегти ангідрит 1 низьких температурах   не   вдається   оскільки   нижче   1180°Свін   знову   перетворюється в  ангідрит 2.

      При температурі 1495°С 1 плавиться і повільно розкладається на СаО і S0_3.

         В кожному  окремому діапазонні температур  одночасно існують продукти  різного ступеню зневоднення. Тому можна говорити лише про перевагу в кількості того чи іншого продукту при даній температурі.                                                    

    Встановлено, різновиди гіпсу з гарно вираженими крупними кристалами втрачають кристалізаційну воду при більш високій температурі, ніж дрібно кристалічними різновидами.                                                                                       

     Із  схеми дегідратації двугідрата гіпсу видно,  що  на основі  його  можна отримати різні типи в'яжучих матеріалів. При нагріванні гіпсу до 120°С-170°С в  посудині,  що  контактує з  атмосферою,  і  в  автоклавах  під тиском  0,13-0,7  МПа отримують швидко туживіючий і швидко твердіючи й в'яжучий матеріал. При нагріві вище і 750°С отримують високо обпечений екстрихгіпс-повільно туживіючий і повільно твердіюче  в'яжуче                                                                                                                            

       Температура, при якій рівновага між двугідратом і напівгідратом, однакова для гіпсового каменю різних родовищ і залежить від багатьох факторів, в тому числі від чистоти сировини, розмірів і питомої поверхні шматків, товщини шару підпадає    дегідратації, швидкості нагріву.

        При дуже  тривалому нагріві, можна отримати  одночасно а і β напівгідрати в одному шматку гіпсу, причому в центрі шматка переважно а модифікація, а в шарах віддалених від центру, β модифікація. Дослідження В.А. Іпатієвої показали що введення невеликих кількостей №С1  (приблизно 0,1%) у варочний котел, який контактує з атмосферою, також приводить до збільшення кількості а напівгідрату, а ггакож і до покрашення властивостей гіпсу.    

Гіпсоварний   котел призначений для дегідратації двуводного гіпсу і переводу його при нагріванні в напівводний будівельний гіпс.                           

       Котел безперервної  дії забезпечує інтенсивну внутрішню циркуляцію матеріалу.

Гіпсований котел безперервної дії має зварний корпус 1, улаштований  стакані з вогнетривкої цегли. Порожнини між корпусом і стінками стакана призначені для циркуляції топкових газів. Сферичне днище 2набране за допомогою     окремих елементів із жаростійкого чавуну, стики між якими ущільнені азбестовим шнуром і прокладками. 

 

 

     У корпусі підвішений барабан 3 з подвійними стінками, між якими циркулює топковий газ, що надходить по трубках. Усередині барабана є порожнистий двозахідний перемішувальний шнек 4, що дістає обертання від електродвигунів   потужністю 10 кВт через редуктор 7. Крізь перемішувальний шнек 4 пропущенний вертикальний вал 8, у нижній частині якого змонтована чотирилопатева мішалка. До лопатей 9 на ланцюгах 10 прикріплені косинці 11, призначені для очищення днища котла. Лопаті мішалки в середній частині мають лопатки, що забезпечують напрям руху гіпсу в нижчу конічну частину барабана 3 і створюють підпір,

потрібний для захоплення витками  шнеку гіпсу і його піднімання. Піднятий шнеком 4 гіпс пересипається через обріз барабана 3 і надходить знову у внутрішню порожнину корпусу.  Завдяки інтенсивній циркуляції гіпс добре перемішується.                                          

          Сирий гіпс подається безперервно гвинтовим живильником 12 з регульованою швидкістю подачі, яка змінюється залежно від температури гіпсу, що виходить із котла.    

     Безперервність і температура варіння гіпсу підтримується автоматично. Під час варіння гіпсового порошку відбувається дегідратація. При цьому зневоднений гіпс, що має меншу щільність, витісняється з нижньої зони сирим гіпсом, що    надходить. Готовий гіпс піднімається до вікна у стінці корпусу котла, через нього  надходить самопливом у бункер томління.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Розрахунок горіння палива

Гіпсований котел місткістю 4,4 м³ забезпечує продуктивність 5-6 т/год гіпсу.

             Вихідні дані:

Паливо - газ родовище «нижньоомринське»

Гіпс- Звозький

Його вологість 16%

Доля СаS0₄ *2Н₂0 -83,98% Температура газу - 20°С Температура повітря - 24°С Відносна вологість повітря - 55% Коефіцент надлишку повітря - а = 1,5 Продуктивність котла -4,8 т/год

Хімічний склад палива.

Табл. 2.1.

 

Назва	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СO2	Н2S	N2
Сухий газ	84	4,5	1,5	0,8	0,1	0,1		9
Розрахунок на вологий газ	82,32	4,41	1,47	0,784	0,098	0,098		8,82

                                                                

Вирахуємо коефіцент насищення газу вологою

 К=(100- Н₂0)/100=0,983

Де Н₂0 - вміст вологи в газі

           100*w        100*19

Н₂0=----------=------------ = 2,31%

        804 + w    804+19

w - вологовміст газу при Т(20°С) =19 г /нм³ сухого газу

проводимо розрахунок вологого газу помножив коефіцент к кожен компонент сухого газу. Дані в табл. 2.1.

Визначимо теплоту згоряння газу:

Q^pn= q_СН4*СН₄+ q_С2Н6 *С₂Н₆+ q_С3Н8* С₃Н₈+ q_С4Н10* С₄Н₁₀+ +q_С5Н12* *С₅Н₁₂

Де q-теплота згорання кожного компонента

Q^pn=358,2*82,32+637,5*4,41+912,5*1,47+1186,5*0,784+1460,8*0,098=34713 кДж/м³

Витрати повітря на горіння палива вираховуємо із стереометричних  коефіцентів реакції горіння компонентів газу:

СН₄+20₂=С0₂+2Н₂0

С ₂Н₆+3,50₂=2С0₂+ЗН₂0   і так далі

Витрати сухого повітря :

L=0,0476 м³_пов/м³_газ

Знаходимо теоретично необхідну кількість  сухого повітря:

L_о= L *(2*СН₄^Р++3,5* С₂Н₆^Р+5* С₃Н₈^Р +6,5* С₄Н₁₀^Р +8* *С₅Н₁₂^Р+1,5* Н₂S ^Р=0,0476+193,31=9,2м³_пов/м³_газ

Знаходимо теоретично необхідну кількість  атмосферного повітря враховуючи його вологість.

 L_о= L_о(1+0,0016*d)

Де d-вологовміст повітря

Визначаємо по d-діаграмі в залежності від і-пов=24°С і його відносної вологості

w=55%

L"_о = 10,31 *(1+0,0016*18)=9,4 м³_пов/м³_газ

Для забезпечення повного згоряння газу беремо надлишок повітря. Дійсна витрата сухого повітря :

L"_а=d* L_о=1,55*9,2 =13,8м³_пов/м³_газ

Витрата вологого повітря:

L"_α =α* L"_о =1,55*9,4=14,1м³_пов/м³_газ

Визначимо кількість і склад  продуктів горіння:

V(СО₂)=0,01 *( СН₄+2* С₂Н₆^Р+СО₂^Р+3* С₃Н₈^Р +4*С₄Н₁₀^Р +5*С₅Н_І2^Р)= 0,01*(82,32+8,82+4,41+31,36+0,49_0,098)=0,99м³