Расчёт аппарата восстановления тетрахлорида титана магнием

 

 

4. технологические и конструктивные расчеты

1.  Выбор конструкции аппарата

При выборе конструкции и размеров аппарата восстановления необходимо руководствоваться следующими соображениями : аппарат должен иметь надёжные отработанные узлы, быть унифицированным с оборудованием работающим в цехе, а так же экономическими соображениями. За основу расчёта выбирается аппарат с цикловой производительностью 5000 кг с нижним сливом MgCl₂. Данный аппарат имеет ряд преимуществ: простота и сравнительная надёжность (по сравнению с аппаратами с верхним сливом MgCl₂) , удобство в обслуживании , высокая часовая производительность по сравнению с аналогами зарубежных фирм. Но данный аппарат имеет и ряд недостатков, таких как: большие габаритные размеры аппарата, вес.

Принимаем данные, характеризующие  реактор.

Диаметр мм:

Внутренний                                                    1500

Наружный                                                       1550

Фланца (д крышки)                                        1950

Общая высота                                                 3970

Толщина крышки                                            200   

Расстояние от поверхности расплава            200

до днища крышки

Д заливной горловины                                   114*16

Скорость подачи   TiCI₄                                300 кг / час

Масса загружаемого восстановителя           8721,9 кг                

Толщина стенки :

реактора                               25 мм.

крышки                                 20 мм.

Общий вес материала и самой реторты без фланца, кг. находится по формуле :

Q = Q₁ + p= 5530 +8721,9=14251,9 кг.

где Q₁ –вес материала  в реторте, 8721,9 кг

P - вес реторты, кг. = 5530 кг 

p – площадь сечения обечайки, см.

В виду того , что обечайка коническая с Д _min = 1350 мм, и Д_мах = 1450 мм , площадь сечения подсчитываем для Д_ср. – (1350+1450)/2 = 1400 мм. и толщины стенки S = 20 мм.

p = π*( Д_ср + S)* S = 3,14*(1400+20)*20 = 891,76 см²

Действительное напряжение:

σ_д = Q/ p = =15,98 кг/см²

Средний срок службы реторты 35 циклов.

Избыточное давление , испытываемое ретортой при процессе восстановления

 Р_вн. = 0,3 кгс/см²

Предельно допустимое  напряжение при процессе восстановления         

σ= 66 кгс/см²  (для 800⁰С)

2. Определение веса основных элементов аппарата

Вес обечайки находим по формуле:

Q _о = π D _ср S L γ=3,14*1500*25*200*0,008 = 1884 кг.

где  D _ср – средний внутренний диаметр реторты, мм. , D _ср = 1500 мм.

S – толщина стенки реторты , мм.,  S = 25 мм.

L-  длинна обечайки реторты, мм.,  L = 200 мм.

γ -  удельный вес стали , кг/см³    γ = 0,008 кг/см³

Общий вес фланца находим по формуле:

Q_ф = πħγ (R²_H – R²_B)= 3,14*50*0,008*(1950²-1500²) = 1949 кг

Где ħ – толщина фланца, мм., ħ = 50 мм.

R_H  и R_B – наружный и внутренний диаметры фланца, мм., 1950 и 1500 мм. соответственно

Рассчитываем вес, ушедший с  выточками на фланце реторты:

Выточка под водяное охлаждение имеет длину 100 мм и толщину 15 мм., её вес равен:  3,14*1,5*0,008*(1950² – 100²) =  1055,9 кг.

Выточка под прокладку имеет  наружный диаметр 1900 мм . и внутренний диаметр  1880  мм., толщину 7мм., её вес будет равен :

3,14*0,7*0,008*(1900²-1880²) = 132,9 кг.

В итоге вес фланца с учётом выточек  под прокладку и под водяное  охлаждение будет равен: 1949-1055,9-132,9 = 760,2 кг.

Вес стандартного эллиптического днища диаметром 1550 мм. равен  500 кг., вес ложного днища равен 430 кг , вес прочих элементов равен 150 кг.

Общий вес реторты будет равен : 760,2+500 +150+430+1884+2566 = 6290 кг.

Вес реторты без фланца : 6290 – 760 = 5530 кг.

Рассчитываем вес верхнего пояса реторты :

Q _о = πγ D _ср LS = 3,14*0,008*150*2,5*133 = 1252 кг. 

Вес реторты без фланца и верхнего пояса :

5530 – 1252 = 4278 кг.

Вес материалов, поступающих в реторту.

Из материального баланса известно, что всего за процесс восстановления загружается магния Q _м =8721,9 кг.

После процесса восстановления в реторте  образуется реакционная масса,  в  количестве

Q _рм =8669,34 кг.

В ней содержится :

титановой губки 8669,34*0,6 =5201,6 кг;

магния 8669,34*0,25 =2167,34 кг; 

хлористого магния  8669,34*0,15 =1300,4 кг.

3. Расчёт обечайки реторты и толщины стенки на прочность

Напряжение , испытываемое ретортой во время процесса восстановления:

σ _М = (Q_M +Q_PP1)/(πD _срS _р)=(8721,9+5530)/(3,14*152,5*2,5) =11,9 кгс/см²

σ _Д = - (Р_ВН –D_Н) / (2S _Р) = (0,3 – 155) / (2*2,5) = -30,94 кгс/см²

σ _МАХ = √(σ² _м +σ² _д +σ _м*σ _д) =11,9 +(-30,94)²+11,9*(-30,94)= 24,51 кгс/см².

σ _мах = 24,51 кгс/см²  ≤ σ =66 кгс/см² – условие прочности для реторты по процессу восстановления выполняется.

4.  Расчёт печи

В качестве печи для проведения процесса восстановления предлагается печь СШО используемая на участке цеха 35 ОАО «АВИСМА». Для расчётов размеров печи принимаем стандартную структуру футеровки.

Исходные данные для расчёта  габаритных размеров печи:

D аппарата , внутренний, 1500 мм

---------------, наружный,   1550 мм.

Расстояние от стенки реактора до крючков нагревателей, 100 мм.

Крючки нагревателей выступают  из футеровки на 32 мм

Высота углубления крышки в реторту, 200 мм.

Толщины слоёв футеровки и кожуха, мм:

S ₁ – 100 мм

S ₂ - 230 мм.

S ₃ – 10 мм

S ₄ – 10 мм

Расстояние от пода печи до днища  реактора, 150 мм.

Высота санотсоса – 590 мм

Средний диаметр реактора будет  равен: (1550+1500)/2 = 1525 мм.

D _{вн  печи} = d _ср. + 2с +2L= 1525+2(100)+2(32 ) = 1789 мм

 где  с – расстояние от стенки реактора до крючков нагревателей

         L – величина выступа нагревателей из футеровки

D _{нар  печи} = D _{вн  печи} + 2S₁ +2S₂ +2S₃+2S₄=

=1789+ 2*(100)+2*(230)+2*(10)+2*(10) = 2489 мм

где S₁  -  S₄ –толщины слоёв футеровки и кожуха

Высота печи Н определяется по формуле :

Н печи = h+l _д +h _п+h _к+h _с= 3970+ 150+350+120 +360 =4950 мм

где  h- высота реактора, общая, 3970 мм

        l _д – расстояние от пода печи до днища реактора., 150 мм.

        h _п и h _k – высота пода и высота крышки, мм, 350 и 120 мм соответственно

        h _c – высота санотсоса, 360 мм

 

заключение

В данном проекте был произведен расчет печи и аппарата восстановления с цикловой производительностью 5000 кг губчатого титана. По итогам расчета были получены следующие показатели:

1. высота аппарата 3,97м
2. внутренний диаметр аппарата 1,5м
3. наружный диаметр аппарата                                                                                  1,55м
4. общий вес аппарата                                                                                               6290кг                               
5. высота печи 4,95м
6. внутренний диаметр печи                                                                                     1,789м
7. наружный диаметр печи                                                                                       2,489м
8. мощность печи                                                                                                     390 кВт

 

Произведя  все расчеты по данному  процессу, я пришел к выводу, что  выбранный мной аппарат экономически  выгоден. Изменив данные в процессе  получили качественный губчатый титан с наименьшими примесями. А также повысилось качество товарного магния до 99,9%. Во время разогрева реторты с реакционной массой, время на разогрев тратится меньше т.к. увеличили диаметр аппарата и его высоту,  что привело к более быстрой скорости химической реакции в аппарате после окончательного разогрева, до рабочей температуры 865⁰С.  При этом энергии затрачивается  меньше. Что увеличивает срок службы нагревательных элементов и рабочий цикл самой реторты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1976.
2. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1995.
3. Кувшинский М.Н., Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности». – М.: Высшая школа, 1980.
4. Лучинский Г.П. Химия титана. – М. Химия, 1971.
5. Иодко Э.А. Термодинамика и теплофизика процесса магнийтермического восстановления титана – Березники. 1982.
6. Надольский А.П. Расчёты процессов и аппаратов производства тугоплавких металлов. – М. Металлургия, 1980.
7. Технологический регламент № 35-18/2-2004 производства губчатого титана магнийтермическим способом ОАО «АВИСМА».