Магнитермическое востановление титана

 

 

 

 

Принимаем внутреннюю длину  ванны, равную ближайшему большому  кратному размеру кирпича: L_вн=4270 мм. По конструктивным соображениям принимаем внутреннюю  ширину хлоратора b_вн= 2735 мм.

В нижний части средней  стенки устанавливается изоляционная прокладка толщиной 115 мм, что увеличивает  толщину средней стенки до 715 мм. Тогда ширину отделения в этой части устанавливаем по формуле:

 В₀=(В_вн-S)/2=(2735-715)/2=1010 мм, где S - толщина средней стенки.

Рабочее сечение хлоратора  может быть найдено из соотношения:

F_p= 2В₀* L = 2*1,01*4,37 =8,8 м².

Принимаем высоту надрасплавной  части хлоратора(Н_н) 2 метра, глубину(h) 3 метра и толщину свода(S_c) 1,5 метра. По формулам: Н= Н_в+S_c и Н_в= Н_н+h рассчитываем общую высоту хлоратора: Н_в =2+3=5 метра; Н=5+1,5=6,5 м.

Принимаем, что хлорный  газ полается по восьми хлорпроводам.

По материальному балансу  расход хлор газа на один хлоратор составит: m = (2,06603*100)/(1,78754*24)=4,8 т/ч.

Для определения диаметров  хлорпровода и фурмы принимаем  следующие исходные данные: Давление газов выходящих из хлоратора 101,0505 кПа; плотность,кг/м³: 1700 расплава; 1,293 воздуха; 3,22 хлора; доля в хлорном газе: 0,3 воздуха; 0,7 хлора; скорость хлоргаза, м/с: 6 в хлорпроводе; 9 в фурме

Статическое давление расплава в хлораторе при глубине ванны 3 м:

H_в=1700*3/10000*10,1=51,5 кПа.

 

Давление хлоргаза, подаваемого  в хлоратор, рассчитываем по формуле:

Р=Р’+H_в, где Р’- давление газов выходящих из хлоратора,кПа; Р=101,0505+51,5=153 кПа.

Плотность хлоргаза при указанном  давлении в хлораторе из выражения: γ₁=(a*ρ_в+b* ρ_x)*P/101,3; где а и b – доли воздуха в хлоргазе;

ρ_в и ρ_x –плотность воздуха и хлора, кг/м³.

ρ₁=((0,3*1,293+0,7*3,22)*153)/101,3 = 3,99 кг/м³.

Объём хлоргаза, поступающего в хлоратор, находим по формуле:

V=m*1000/3600* γ₁, м³/с; где ρ₁- плотность хлоргаза при имеющемся давлении в хлораторе, кг/м³, m – расход хлоргаза на один хлоратор.

V = 4,8*1000/3600*3,99=0,334 м³/с.

Объём хлоргаза, проходящего  через один хлорпровод:

0,334/8=0,043 м³/с.

Площадь поперечного сечения  и диаметр хлорпровода определяем из выражений: и f = q/ω; где q – количество хлоргаза проходящего через хлорпровод,м³/с; ω- скорость хлоргаза в хлорпроводе м/с:

f = 0,043/6=0,0072 м²;   =0,094 м.

Принимаем диаметр хлорпровода 100мм.

Площадь поперечного сечения  и диаметр фурмы находим по формулам: :   и f₁= q₁/ ω₁ ; где q – количество хлоргаза проходящего через фурму,м³/с; ω- скорость хлоргаза в фурме м/с:

f = 0,042/9=0,0047 м²;   =0,077 м.

Принимаем диаметр фурмы 80 мм.

 

2.3 Расчет теплового баланса хлоратора

Расчет проводим  на часовую  производительность по четыреххлористому  титану. По материальному балансу  на 100 кг титанового шлака получается 1787,5 TiCl₄. При производительности хлоратора 150 т/сут TiCl₄ для перехода к часовой производительности вводим коэффициент пересчета 2,4.

Приход тепла. Количество физического тепла материалов, поступающих  в хлоратор, определяем следующим  образом.

Теплоемкость поступающих  материалов состовляет, кДж/(кг*К): 094 для  шлака; 0,835 для пекового кокса; 0,795 для  отработанного электролита; 0,556 для  хлоргаза. Температура этих материалов 20^оС.

Определяем количество физического  тепла материалов:

шлака Q_ш= 100*2,4*0,94*20=45120 кДж/ч;

пекового кокса Q_к=210,79*2,4*0,835*20=8448 кДж/ч;

электролита Q_э=150*2,4*0,795*20=5724 кДж/ч;

хлоргаза Q_х=2066,03*2,4*0,556*20=55138 кДж/ч;

Всего физического тепла  материалов:

Q_ф= 45120+8448+5724+55138=114430 кДж/ч.

Количество тепла экзотермических  реакций оцениваем следующим  образом.

При хлорировании  титанового шлака протекают экзотермические  реакций. Данные о тепловых эффектах этих реакций при температуре  хлорирования отсутствуют. Определим  тепловой эффект при температуре  восстановления  900⁰С с учетом агрегатного состояния соединений, участвующих в реакциях (Q₁₁₇₃). Затем наидем количество тепла, выделаемого реакцией в час (Q^ч).

Тепловой эффект реакций:

TiO₂+C+2Cl₂= TiCl₄+ CO₂ и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (218/79,9)*(18/19)*833*2,4*1000=5170562 кДж/ч

 

Тепловой эффект реакций:

SiO₂+C+2Cl₂= SiCl₄+ CO₂ и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (138/60,1)*(18/19)*42,5*2,4*1000=222253 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

2Al₂O₃+3C+6Cl₂= 4AlCl₃+ 3CO₂ и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (250/204)*(18/19)*58,8*2,4*1000=164442 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

2FeO+C+2Cl₂= 2FeCl₂+ CO₂ и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (500/142)*(18/19)*9,5*2,4*1000=76032 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

2FeO+C+3Cl₂= 2FeCl₃+ CO₂ и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (469/142)*(18/19)*28,5*2,4*1000=213840 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

TiO₂+2C+2Cl₂= TiCl₄+ 2CO и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (100/80)*(1/19)*833*2,4*1000=131526 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

SiO₂+2C+2Cl₂= SiCl₄+ 2CO и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (75/60,1)*(1/19)*42,5*2,4*1000=6710 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

Al₂O₃+3C+3Cl₂= 2AlCl₃+ 3CO и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (40,6/102)*(1/19)*58,8*2,4*1000=2809 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

FeO+C+Cl₂= FeCl₂+ CO и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (200/71,9)*(1/19)*9,5*2,4*1000=3171 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

2FeO+2C+3Cl₂= 2FeCl₃+ 2CO и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (300/143,8)*(1/19)*28,5*2,4*1000=7135 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

CO₂+C= 2CO и ;

 

Выделяемое по реакций  тепло 

= (7/44)*21,43*2,4*1000=8182 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

S+O₂= SO₂ и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (309/32)*9,53 *2,4*1000=220858 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

CH₄+ 2O₂= CO₂ + H₂O и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (750/16)*7,56*2,4*1000=850500 кДж/ч

Тепловой эффект реакций:

C+O₂= CO₂ и ;

Выделяемое по реакций  тепло 

= (396/12)*5,8* 2,4*1000=459360 кДж/ч

         Всего тепла экзотермических  реакций Q_экз=7537380 кДж/ч. Приход тепла Q_прих=7651810 кДж/ч.

Расход тепла. Количество физического тепла уходящего  из хлоратора. Принимаем температуру  отработанного расплава 750⁰С, теплоемкость расплава 0,947 кДж/(кг*К). Тогда тепло, уносимое отработанным расплавом, Q_расх=177,41*2,4*0,947*750=302413 кДж/ч.

Принимаем температуру ПГС 750⁰С. Теплоемкость основных составляющих ПГС для этой температуры, кДж/(моль*К): 103 TiCl₄; 38,8 СО₂; 22,1 N₂; 83 AlCl₃; 89,7 FeCl₃; 21,5 HCl;102,0 SiCl₄.

Средняя теплоемкость ПГС  равна c_ср=(103/189,5)*0,597+

+(38,8/44)*0,1896+(22,1*28)*0,0756+(83/133,35)*0,041+(89,7/162,2)*0,017+  +(21,5/36,5)*0,017+(102/170,1)*0,033=0,616 кДж/(кг*К)

          Тогда количество тепла уносимое  ПГС:  Q_пгс=3255,57*2,4*0,616*750=3609776 кДж/ч.Всего потерь физического тепла материалов Q_ф=302413+3609776=3912189 кДж/ч.

Количество тепла эндотермических  реакций примем 912021 кДж/ч.

Потери тепла во внешнюю  среду оцениваем следующим образом. Принимаем структуру футеровки  хлоратора. Рассматриваем под и  боковые стенки, находящиеся в  зоне расплава. Толщина шамотного  кирпича ванны хлоратора S₁ и боковых стенок его в надрасплавной зоне S^’₁ составит 750 и 295 мм соответственно. Толщина засыпки шамотной крошки S₂ и S^’₂ в обоих случаях составят 30 и 50 мм соответственно.

Принимаем коэффициенты теплопроводности для шамота 0,955; для шамотной крошки 0,465 и для диабазовой плитки 1,163 Вт/(м*К).

Принимаем температуру внутренней стенки хлоратора и пода 750⁰С. Определяем удельные потери тепла через ванну хлоратора и надрасплавные боковые стенки q. Для этого устанавливаем тепловое сопротивление ванны и стенки хлоратора :

ванна хлоратора 

λ = 0,75/0,955+0,03/0,465+0,05/1,163=0,89;

стенка хлоратора над  расплавом 

₁/ λ^’=0,295/0,955+0,03/0,465+0,05/1,163=0,42

Температура наружной поверхности  хлоратора и удельные потери тепла: в ванне хлоратора t_н = 80⁰С и q= 1163 Вт/(м²*К); в стенках хлоратора над расплавом t^’_н = 120⁰С и q^’= 2100 Вт/(м²*К). Поверхность ванны хлоратора F_в=8,8+4,37*3*2+2,735*3*2=51,4 м². Поверхность боковых стенок стенок надрасплавной зоны F_с =5,28*2*2+3,645*2*2=35,6 м². Определяем потери тепла за 1 час: через ванну хлоратора Q_в=1163*51,4*1=59778 Вт; через стенку над расплавом Q_с=2100*35,6*1=74760 Вт. Всего теряется тепла во внешнюю среду Q_вн=59778+74760=134538 Вт, или Q_вн= 134538*3,6=484337 кДж/ч.

Неучтенные потери принимаем  равными 2% от общего прихода тепла, что составляет Q_н=7651810*0,02=153036 кДж/ч.

Тогда общий расход тепла  Q_расх=3912189+912021+484337+153036= =5461583 кДж/ч.

Избыточное тепло, которое  нужно отвести, охлаждая хлоратор:

Q_изб=7651810-5461583 = 2190227 кДж/ч.

В таблице  приведен тепловой баланс хлоратора за 1 час.

 

Таблица 3  Тепловой баланс хлоратора за 1 час

Приход			Расход
статья	количество		статья	количество
	кДж/ч	%		кДж/ч	%
Физическое тепло  Тепло экзотермических реакций	114430     7537380	1,5     98,5	Физическое тепло  Тепло,энторемичес- ких реакций Тепло, терямое в среду Тепло,отодимое при охлаждении Неучтенные потери	3809913   912021   484337   2190227 153036	49,8   11,92   6,33   29,96 2,26
Итого	7651810	100	Итого	7651810	100