Выбор и обоснование общей технологии производства строительного гипса. Характеристика сырьевых материалов. Подбор основного технологического оборудования. Анализ технологического процесса, расчет материальных потоков. Организация контроля производства.
При низкой оригинальности работы "Завод по производству строительного гипса 300 тыс. тонн в год", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Строительными минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые после затворения водой образуют пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов с течением времени затвердевать, то есть переходить из пластичного тестообразного состояния в твердое камневидное.
Все строительные минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основного свойства затвердевать и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды делят на две основные группы: воздушные и гидравлические. Для правильного выбора тех или иных вяжущих в конкретных целях необходимо изучить их состав и свойства, уметь определять их качество и делать заключение об их соответствии техническим требованиям.
Вяжущие вещества - основа современного строительства.
Гипсовые вяжущие вещества наиболее эффективны в технико- экономическом отношении, особенно по удельным затратам сырья, топлива, электроэнергии и труда на единицу продукта. Неограниченны и запасы исходного природного сырья, а также побочных гипсосодержащих материалов, образующихся на предприятиях химической промышленности.
Гипсовые вяжущие разделяют на: строительный гипс, состоящий из в-модификации полугидрата; формовочный гипс того же состава с повышенными техническими свойствами; технический ( высокопрочный) гипс, состоящий из б-полуводного гипса.
Гипсовые вяжущие применяют главным образом для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочных плит и панелей, элементов заполнения междуэтажных и чердачных перекрытий зданий, вентиляционных коробов и других деталей, используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 60%. Из гипса изготовляют разнообразные архитектурные, огнезащитные, звукопоглощающие и тому подобные изделия. Из в- гипса выполняют стеновые камни, панели и блоки, используемые при возведении наружных стен малоэтажных домов, а также зданий хозяйственного назначения. При этом необходимо защищать наружные гипсовые конструкции от увлажнения.
В данном курсовом проекте для строительства завода по производству строительного гипса выбран город Новомосковск Тульской области. Поскольку в Новомосковском городском округе находится самое крупное в Европе месторождение каменного гипса и в области хорошо развиты: металлургия, машиностроение, химическая промышленность и промышленность строительных материалов строительство такого завода экономически целесообразно. Гипсовый камень будет доставляться автомобильным и железнодорожным транспортом. Это наиболее экономичный способ. Рядом с городом проходят автомагистрали М4 E 115 «Дон», Р132 Калуга - Тула - Михайлов - Рязань, Тула - Новомосковск, железнодорожные магистрали Москва - Донбасс и Сызрань - Вязьма, которые связывают Новомосковск со многими крупными городами и другими регионами страны.
Гипсовое вяжущее в-модификации полуводного гипса называют строительным гипсом. По ГОСТ 125-79 и ГОСТ 23789-79 он характеризуется по прочности при сжатии образцов марками от Г-2 до Г-25.
Свойства всех разновидностей гипсовых вяжущих, а также методы их определения регламентируются ГОСТ 125-79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия» и ГОСТ 23789-79 « Вяжущие гипсовые. Методы испытаний».
Истинная плотность строительного гипса колеблется в пределах 2,6-2,75 г/см3. Насыпная плотность в рыхлом состоянии обычно составляет 800-1300, в уплотненном- 1250-1450 кг/м3 [1].
Выпускаемое вяжущее имеет истинную плотность 2,6 г/см3, насыпная плотность 1300 кг/м3, тонкость помола до остатка на сите №02 не более 10%.
Затвердевший гипс представляет собой твердое тело с высокой пористостью, достигающей 40-60% и более (с увеличением воды затворения пористость гипсового изделия возрастает, а прочность уменьшается).
Строительный гипс является быстросхватывающимся вяжущим. По ГОСТ 125-79 в зависимости от сроков схватывания различают три вида гипсовых вяжущих, классифицируемых следующим образом: Начало схватывания Конец схватывания не ранее, мин не позднее, мин
Быстротвердеющий 2 15
Нормальнотвердеющий 6 30
Медленнотвердеющий 20 не нормируется
Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако, в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно. Для регулирования сроков схватывания в гипс при затворении вводят различные добавки [2].
По ГОСТ 125-79 гипсовые вяжущие в зависимости от предела прочности при изгибе и сжатии разделяют на марки Г-2 - Г-25. Прочность гипсовых вяжущих определяют в соответствии с требованиями ГОСТ 23789-79. Зависимость прочности гипса и гипсовых изделий от влагосодержания является их существенным недостатком [1].
Марка выпускаемого нами строительного гипса Г-10, Г-13.
Гипсовые вяжущие в затвердевшем состоянии, а также изделия из них проявляют большие пластические деформации, особенно при длительном действии изгибающих нагрузок. Эти деформации относительно невелики, если изделие полностью высушен
Введение
Строительными минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые после затворения водой образуют пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов с течением времени затвердевать, то есть переходить из пластичного тестообразного состояния в твердое камневидное.
Все строительные минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основного свойства затвердевать и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды делят на две основные группы: воздушные и гидравлические. Для правильного выбора тех или иных вяжущих в конкретных целях необходимо изучить их состав и свойства, уметь определять их качество и делать заключение об их соответствии техническим требованиям.
Вяжущие вещества - основа современного строительства.
Гипсовые вяжущие вещества наиболее эффективны в технико- экономическом отношении, особенно по удельным затратам сырья, топлива, электроэнергии и труда на единицу продукта. Неограниченны и запасы исходного природного сырья, а также побочных гипсосодержащих материалов, образующихся на предприятиях химической промышленности.
Гипсовые вяжущие разделяют на: строительный гипс, состоящий из в-модификации полугидрата; формовочный гипс того же состава с повышенными техническими свойствами; технический ( высокопрочный) гипс, состоящий из б-полуводного гипса.
Гипсовые вяжущие применяют главным образом для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочных плит и панелей, элементов заполнения междуэтажных и чердачных перекрытий зданий, вентиляционных коробов и других деталей, используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 60%. Из гипса изготовляют разнообразные архитектурные, огнезащитные, звукопоглощающие и тому подобные изделия. Из в- гипса выполняют стеновые камни, панели и блоки, используемые при возведении наружных стен малоэтажных домов, а также зданий хозяйственного назначения. При этом необходимо защищать наружные гипсовые конструкции от увлажнения.
В данном курсовом проекте для строительства завода по производству строительного гипса выбран город Новомосковск Тульской области. Поскольку в Новомосковском городском округе находится самое крупное в Европе месторождение каменного гипса и в области хорошо развиты: металлургия, машиностроение, химическая промышленность и промышленность строительных материалов строительство такого завода экономически целесообразно. Гипсовый камень будет доставляться автомобильным и железнодорожным транспортом. Это наиболее экономичный способ. Рядом с городом проходят автомагистрали М4 E 115 «Дон», Р132 Калуга - Тула - Михайлов - Рязань, Тула - Новомосковск, железнодорожные магистрали Москва - Донбасс и Сызрань - Вязьма, которые связывают Новомосковск со многими крупными городами и другими регионами страны.
Гипсовое вяжущее в-модификации полуводного гипса называют строительным гипсом. По ГОСТ 125-79 и ГОСТ 23789-79 он характеризуется по прочности при сжатии образцов марками от Г-2 до Г-25.
Свойства всех разновидностей гипсовых вяжущих, а также методы их определения регламентируются ГОСТ 125-79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия» и ГОСТ 23789-79 « Вяжущие гипсовые. Методы испытаний».
Истинная плотность строительного гипса колеблется в пределах 2,6-2,75 г/см3. Насыпная плотность в рыхлом состоянии обычно составляет 800-1300, в уплотненном- 1250-1450 кг/м3 [1].
Выпускаемое вяжущее имеет истинную плотность 2,6 г/см3, насыпная плотность 1300 кг/м3, тонкость помола до остатка на сите №02 не более 10%.
Затвердевший гипс представляет собой твердое тело с высокой пористостью, достигающей 40-60% и более (с увеличением воды затворения пористость гипсового изделия возрастает, а прочность уменьшается).
Строительный гипс является быстросхватывающимся вяжущим. По ГОСТ 125-79 в зависимости от сроков схватывания различают три вида гипсовых вяжущих, классифицируемых следующим образом: Начало схватывания Конец схватывания не ранее, мин не позднее, мин
Быстротвердеющий 2 15
Нормальнотвердеющий 6 30
Медленнотвердеющий 20 не нормируется
Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако, в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно. Для регулирования сроков схватывания в гипс при затворении вводят различные добавки [2].
По ГОСТ 125-79 гипсовые вяжущие в зависимости от предела прочности при изгибе и сжатии разделяют на марки Г-2 - Г-25. Прочность гипсовых вяжущих определяют в соответствии с требованиями ГОСТ 23789-79. Зависимость прочности гипса и гипсовых изделий от влагосодержания является их существенным недостатком [1].
Марка выпускаемого нами строительного гипса Г-10, Г-13.
Гипсовые вяжущие в затвердевшем состоянии, а также изделия из них проявляют большие пластические деформации, особенно при длительном действии изгибающих нагрузок. Эти деформации относительно невелики, если изделие полностью высушено. Значительная подверженность затвердевшего гипса к деформациям ползучести в сильной степени ограничивает возможности его применения в конструкциях, работающих на изгиб.
Изделия из в-полуводного гипса характеризуются большой долговечностью при службе их в воздушно-сухой среде.
Гипсовые изделия огнестойки. Они прогреваются относительно медленно и разрушаются лишь после 6-8ч нагрева, т.е. при такой продолжительности пожара, которая маловероятна. Поэтому гипсовые изделия рекомендуются в качестве огнезащитных покрытий [1].
Исходными материалами для производства вяжущих веществ служат различные горные породы и некоторые побочные продукты ряда отраслей промышленности.
Для производства гипсовых вяжущих используются гипсовые породы, состоящие в основном из двуводного гипса CASO4•2H2O. Для этой же цели применяют и фосфогипс, являющийся отходом производства фосфорных удобрений.
Природный двуводный гипс - горная порода осадочного происхождения, сложенная в основном из крупных или мелких кристаллов сернокислого кальция CASO4•2H2O.
Гипсовые породы содержат обычно некоторое количество примесей глины, песка, известняка, битуминозных веществ и других. Химический состав гипса Новомосковского месторождения Тульской области приведен в табл.1.
Таблица 1- Химический состав природного гипса Новомосковского месторождения
Содержание, %
CAO SO4 SIO2 Al2O3 Fe2O3 MGO H2O кристаллизационная CASO4·2H2O
Чистый гипс белого цвета, примеси придают ему различные оттенки: оксиды железа окрашивают его в желтовато- бурые цвета, органические примеси - в серые и т.д. Небольшое количество примесей, равномерно распределенных в гипсе, заметно не ухудшает качество вяжущих. Вредное влияние оказывают крупные включения.
По ГОСТ 4013-82 гипсовый камень для производства гипсовых вяжущих веществ должен содержать не менее 95% двуводного гипса в сырье 1-го сорта, не менее 90% в сырье 2-го сорта и не менее 80 и 70% в сырье 3- и 4-го сортов. В гипсовых породах Новомосковского месторождения содержится до 1-10% примесей [1].
По содержанию CASO4·2H2O гипсовый камень данного месторождения можно отнести к первому сорту.
Средняя плотность гипсового камня зависит от количества и вида примесей и составляет 2,2-2,4 г/см3.
Насыпная плотность гипсового щебня 1200-1400 кг/м3, влажность колеблется в значительных пределах 3-5%. Содержание воды в различных партиях гипсового камня неодинаково и зависит от его физических свойств, относительной влажности воздуха, времени года и условий хранения [2].
В качестве исходных материалов для производства гипсовых вяжущих веществ рационально использование побочных продуктов (отходов) химической промышленности - фосфогипса, борогипса, фторогипса. В виде фосфогипса, борогипса, фторогипса и т.д. на соответствующих предприятиях их получают в большом количестве и почти полностью направляют в отвалы. Отвалы занимают значительные площади земельных угодий. Особенно нежелателен сброс отходов в отвалы изза вреда, наносимого окружающей среде. Причиной этого является, в частности, наличие в отходах вредных примесей (серная, фосфорная кислоты, фтористые соединения в количестве 1-2,5%).
Фосфогипс образуется при переработке природных апатитовых и фосфоритовых пород в удобрение, борогипс и фторогипс- при производстве борной кислоты и фтористых соединений.
Все отходы в основном состоят из двуводного, полуводного гипса, ангидрита, общее содержание которых колеблется в пределах 80-98% по массе [1].
При производстве строительного гипса на нашем заводе будем использовать в качестве исходного материала гипсовый камень, доставляемый из Новомосковского месторождения, с исходной крупностью кусков 500мм.
1.3 Выбор и обоснование общей технологии производства вяжущего
Основным компонентом строительного гипса является двуводный гипсовый камень, который добывается в карьере с помощью экскаватора и доставляется на завод автомобильным и железнодорожным транспортом. В нашем случае это самый выгодный с точки зрения экономических затрат способ доставки сырья. Куски гипсового камня крупностью 500мм и влажностью 4% разгружаются в приемный бункер, откуда поступают на склад закрытого типа. Из сырьевого бункера гипсовый камень направляют в дробильно-сортировочный цех, где он проходит дробление, а потом сортировку.
Дробление осуществляется в щековой дробилке, так как это довольно крупный материал средней прочности. Принимаем многостадийное дробление, а именно, в две стадии, так как на практике чаще всего используется двустадийное дробление, как более экономичный по сравнению с многостадийной однолинейной схемой. Затем полученный гипс грохочением разделяем на фракции и отправляем в следующий цех для обжига.
Обжиг является основной технологической операцией в производстве вяжущих материалов.
При обжиге протекает эндотермическая реакция
CASO4·2H2O= CASO4·0,5H2O 1,5H2O с поглощением 588КДЖ теплоты на 1кг полугидрата.
Основные способы производства строительного гипса, применяемые в настоящее время, можно разделить на следующие три группы, характеризующиеся: предварительной сушкой и измельчением сырья в порошок с последующей дегидратацией гипса (обжиг гипса в гипсоварочных котлах); совмещением операций сушки, помола и обжига двуводного гипса; обжигом гипса в виде кусков различных размеров в шахтных, вращающихся, камерных и других печах. В результате обжига содержащийся в гипсовом камне двуводный сернокислый кальций превращается в полуводный [1].
Гипсоварочные котлы широко применяются для тепловой обработки тонкоизмельченного гипсового камня.
В котле гипс обжигают следующим образом. Продолжительность процесса варки зависит от размеров котла, температуры, влажности и частичной дегидратации поступающего в него гипса. Продолжительность процесса варки колеблется от 1 до 3 ч, при этом температура варки 140ОС. Гипс в варочных котлах интенсивно перемешивается и равномерно нагревается, что обеспечивает получение однородного продукта высокого качества. Гипсоварочные котлы имеют объем 2,5-15м3; мощность электродвигателей привода котла 2,8-20КВТ.
Недостатком гипсоварочных котлов является периодичность работы, что ограничивает их производительность, затрудняет автоматизацию производственных процессов [2].
В настоящее время во вращающихся печах обжигают гипс в кусках.
Вращающимися печами для обжига строительного гипса служат барабаны.
Сушильный барабан представляет собой сварной стальной цилиндр, вращающийся на опорных роликах. Барабан устанавливают с наклоном к горизонту 3-50 и приводят во вращение электродвигателем. Если направление движения горячих газов и материалов в печи совпадает, то барабан работает по принципу прямотока, если направление не совпадает - по принципу противотока. Вторая схема отличается пониженным расходом топлива.
На обжиг в сушильный барабан обычно поступает гипсовый щебень 10-20 и 20-35мм. Фракции 10-20 и 20-35мм обжигают раздельно. Обжиг ведется при температуре 1600С. Фракция 0-10мм является отходом производства, если ее содержание не более 5%. Если же ее содержание больше 5%, то можно создать безотходное производство, отправив щебень этой фракции в гипсоварочный котел и обжигая при температуре 140ОС.
Обожженная гипсовая крупка поступает в расходные бункера шаровой мельницы или направляется в бункер выдерживания. Крупку размалывают до остатка на сите № 02 не более 10-12%. Измельчают чаще всего в одно- или двухкамерных шаровых мельницах.
Гипс хранят обычно в круглых силосах, куда он доставляется пневмотранспортом.
Технологические процессы производства гипса с обжигом его во вращающихся печах непрерывные, и поэтому легко осуществить их автоматическое управление. Этот способ получения гипса очень экономичен. Расход топлива колеблется в пределах 45-50кг, электроэнергии-15-20КВТ·ч на 1 т.
Строительный гипс, получаемый обжигом во вращающихся печах, отличается пониженной водопотребностью (48-55%) при получении теста нормальной густоты по сравнению с гипсом из варочных котлов (60-65%), что обусловлено отчасти применением для размола шаровых мельниц, придающих частичкам таблитчатую форму. Кроме того, при помоле гипса в мельницах при 120-130ОС происходят дегидратация остатков гипса и выравнивание его модификационного состава. Этот способ производства гипса применяют в значительных масштабах в отечественной и зарубежной практике [1].
1.4 Определение режима работы предприятия
В производстве строительного гипса в качестве основного компонента используется природный двуводный гипсовый камень. в-гипс получают путем обжига гипсового камня, предварительно молотого и сортированного, во вращающихся печах при температуре 1600С, в гипсоварочных котлах при температуре 1400С.
В связи с тем, что сушильные барабаны - это непрерывно действующие агрегаты, следует предусмотреть трехсменный режим работы.
При непрерывном режиме работы годовой фонд времени предприятия рассчитывается по формуле: Тф.пр.=(365-n)·3·8=( 365-15) ·3·8=8400 ч/год где n- число дней на капитальный ремонт (принимается равным 15дней).
Таблица 2- Производственная программа предприятия по выпуску вяжущего вещества
Наименование выпускаемой продукции Выпуск продукции, Т в год в сутки в смену в час
Строительный гипс 300000 860 287 36
Потребность в сырьевом материале по нормам технологического проектирования из условия удельного расхода 1,25т/т товарного гипса, т.е.
36·1,25=45 т/час
1.5 Расчет грузопотоков
Таблица 3-расчет грузопотоков при производстве строительного гипса
Наименование технологического передела (операции) Процент потерь Грузопотоки, Т в год в сутки в смену в час
На склад сырья поступает 0,5 0,5 317772 907,92 302,64 37,83
На дробление поступает 0,5 314664 899,04 299,68 37,46
На сортировку поступает 0,5 0,5 313068 894,48 298,16 37,27
На дробление поступает 0,5 309960 885,60 295,20 36,90
На сортировку поступает 0,5 308448 881,28 293,76 36,72
В цех обжига поступает 0,5 0,5 306936 876,96 292,32 36,54
В цех помола поступает 303912 868,32 289,44 36,18
Функциональная схема производства строительного гипса
1.6 проектирование складов сырья, полуфабрикатов и готовой продукции
Склады проектируются на основании норм технологического проектирования, с учетом величины грузопотоков и принятых условий организации работы технологической линии. Сырье поступает в производственные цеха с заводских сырьевых складов. Выбор типов складов определяется технологическими и технико-экономическими показателями. В основном применяют склады закрытого типа, что обеспечивает стабильность качественных характеристик хранимого материала. При правильной работе склада обеспечивается быстрая разгрузка прибывающего транспорта, бесперебойная подача сырья в производство, наименьшая стоимость транспортных операций.
Величина складов должна быть минимально необходимой, что увеличивает использование оборотных фондов предприятия. Согласно норм запаса материала на складах сырьевых материалов запас на складе составляет: текущий - 2 суток, страховой - 1 сутки.
Для готовой продукции: текущий - 2 суток страховой -
На основании этих данных текущий объем хранящихся на складе сырьевых материалов рассчитывается по формуле: Vmatep.=Qcyt.•3 где Qcyt. - суточный расход материала, м3;
3 - общий запас материала на складе, сут.
Таким образом, объем гипсового камня, хранящегося на складе: Vгипс.=2193,85 •3=6582 м3.
Объем склада для рассчитанного объема сырьевых материалов вычисляется по формуле: Vскл.=Vmatep./К , где К - коэффициент использования объема склада ( К =0,8)
Объем склада гипсового камня
Vскл.=6582/0,8=8227,5 м3
Ширина (в) склада назначается исходя из принятой его высоты с учетом угла естественного откоса хранимого материала. в=18 м;
Длина склада определяется по формуле: Lскл.= Vскл./Fскл, где Fскл. - часть поперечного сечения склада, заполненная материалом
( определяется путем эскизного представления).
Lскл.=8227,5/90=91,4 м
Примем длину склада 96 м.
1.7 Расчет складов готовой продукции
Строительный гипс хранится на складе силосного типа. Запас на складе делается на четверо суток.
Объем силосного склада [6]: Vсил.=А •4/365•К•г , где Vсил.- объем силосных складов, К - коэффициент использования объема склада, К=0,9;
4 - общий запас материала на складе, сут.
А- производительность завода, т/год;
г - средняя объемная масса гипса, загружаемого в силосы.
Vсил.=700000 •4/365•0,9•1,3=655,6 м3;
Количество банок - 12 штук, тогда объем одной банки
V1=Vсил/12 = 655,6/12 = 54,63 м3
Высота банки: h = 4•V/р•d2, где d - диаметр банки, d=8м;
h = 4•54,63/3,14•82 = 1,08м.
2. Формирование исходных данных для расчета
Исходные данные для расчета аппарата представлены в таблице 7.
Таблица 7- Исходные данные для расчета сушильного барабана, высушиваемый материал - гипсовый камень
Наименование Обозначение, единица измерения Численное значение Источники информации
1. Производительность по высушенному материалу П, кг/ч 66331 В соответствии с технологическим регламентом
2. Плотность в зерне с, кг/мі 1300 Приложение 1 /4/
3. Размеры кусков dk, мм 20 Приложение 1 /4/
4. Влажность начальная щн, % 5 Приложение 1 /4/
5. Влажность конечная щк, % 0 Приложение 1 /4/
6. Температура теплоносителя: · на входе · на выходе t1, °С t2, °С 900 160 Приложение 1 /4/
7. Топливо - природный газ; месторождение Кущевское, Краснодарского края
8. Состав газа (в процентах по объему) СО2 СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 N2 0,1 91,5 4,0 1,6 0,28 0,13 2,39 Приложение 2 /4/
2.1 Материальный баланс процессов сушки и дегидратации
Производительность сушильного барабана по гипсовому камню: Пг.к. =П/100-Вх.св ·100, (1) где П - производительность сушильного барабана по в-полугидрату, кг/ч;
Вх.св. - удаляемая химически связанная вода (1,5Н2О) по реакции дегидратации относительно двуводного гипса, %(масс.).
Пг.к. = 66331 ·100 = 78740,5 кг/ч
100-15,76
Для 4-х барабанов П=16625 кг/ч, Пг.к.=19735,3 кг/ч
Количество испаряемой химически связанной воды: Wx.св. = Пг.к.-П (2)
Wx.св.=19735,3-16625=3110,3 кг/ч
Количество испаряемой химически несвязанной воды
Wн.св =Пг.к.• щн , (3)
100 где щн-влажность поступающего гипсового камня, %.
Wн.св =19735,3.• 5 =986,77 кг/ч
100
Общее количество испаряемой воды: W=Wx.св. Wн.св. , (4)
W=3110,3 986,77=4097,07 кг/ч
2.2 Расчет процесса горения топлива и параметров продуктов горения на входе в сушилку
В большинстве сушильных аппаратов в качестве сушильного агента используется смесь атмосферного воздуха и дымовых газов, получаемая сжиганием топлива в собственном топочном устройстве. Такую смесь в технической и справочной литературе называют продуктами сгорания топлива.
Сначала, исходя из состава природного газа и стехиометрических соотношений реакций горения каждой горючей составляющей газа, рассчитывается количество продуктов горения (СО2 и Н2О) и количество кислорода (О2), требуемого для горения. Этот расчет представлен в таблице 8.
Таблица 8- Расчет горения природного газа (выполнен на 100 мі газа)
Исходные данные для расчета Удельн. расход кислорода, мі/мі Расход кислорода, мі, на 100 мі газа Состав и количество продуктов горения, мі, при нормальных условиях Расход воздуха, мі
Состав газа (по объему), % Реакция горения СО2 Н2О О2 N2 Всего
Вовлекается Н2О при Хо = 0,005: (195,985 737,28)·0,005·1,293/0,805 - здесь 1,293 - плотность воздуха, а 0,805 - плотность пара - - - 7,91 - - 7,91 - Итого при б = 1,0 - - 105,52 211,13 - 780,43 1097,08 885,95
Расходы при б = 2,39
Расход О2: 195,985·3,179 - 494,3 - - - - - - в т.ч. свободного О2 - - - - 287,48 - 287,48 -
TT - температура топлива, поступающего на горение, TT = 10°С;
СТ - удельная теплоемкость топлива при TT, СТ = 1,56 КДЖ/мі·К;
Vt.в. - теоретический объем воздуха (при б = 1,0), Vt.в. = 8,86 мі;
тво - температура воздуха, поступающего на горение, тво = 10°С;
Сво - удельная теплоемкость воздуха при тво, Сво = 1,29 КДЖ/мі·К;
VCO2, VH2O, VN2 - объемы газов в составе дымовых газов, образовавшиеся от сгорания 1 мі горючего газа, VCO2 = 1,06 мі, VH2O = 2,11 мі, VN2 = 7,8 мі;
ССО2, CH2O, CN2 - удельные теплоемкости составляющих дымовых газов, их значения определяются соответственно температуре горения топлива.
Так как при выборе значений удельной теплоемкости тд не известна, то условно назначим температуру в пределах 1500 - 2000°С, и вычислим приближенное значение тд. Примем тд = 1800°С, тогда ССО2 = 2,40 КДЖ/мі·К, CH2O = 1,92 КДЖ/мі·К, CN2 = 1,47 КДЖ/мі·К. тд = 37385·0,9 1,56·10 1·8,86·1,29·10 = 1864°С.
Общий коэффициент избытка воздуха ( б ) определяют как: б=бг бд , (6) где бг- коэффициент избытка воздуха на горение;
бд - дополнительный коэффициент избытка воздуха (на понижение температуры дымовых газов.
Дополнительный коэффициент избытка воздуха рассчитывается из уравнения теплового баланса: (VCO2·CCO2 VH2O·CH2O VN2·CN2)• тд- (VCO2·CCO2 VH2O·CH2O VN2·CN2)• t1 ,(7) бд= VTB•CB1·TB1 Vt.в.·сво·хво· t1 •CH2O /CH2O - Vt.в.·Сво·тво где V - объем сухих продуктов горения, образовавшихся из 1 мі газа при б = 1,0;
С - удельная теплоемкость сухих продуктов горения, КДЖ/мі·К;
t1 - температура продуктов горения на входе в сушилку, t1 = 900°С;
Св1 - удельная теплоемкость воздуха при температуре t1, Св1 =1,38 КДЖ/мі·К;
2.3 Представление процесса сушки на I-x диаграмме, определение параметров горения на выходе из сушилки, определение расходов сушильного агента и топлива
Построение графика процесса сушки начинается с построения точки А, соответствующей параметрам исходного воздуха to=100С и цо=65%. Затем определяется положение точки В (t1=9000С, х1=0,061 кг/кг, I1=1152 КДЖ/кг), соответствующей расчетным значениям параметров продуктов горения I1и х1 и температуре t1.
Точка С соответствует пересечению линии I1 = const и t2= const. Точке С соответствует х2Т=0,36кг/кг. Это значение будем использовать для определения расхода сушильного агента, но предварительно по (4) определим производительность сушильного барабана по влаге (W): W=4097,07 кг/ч
Расход сушильного агента L, проходящего через сушильный аппарат, в теоретическом процессе сушки равен: L=W/ (х2Т-х1) или L=4097,07/ (0,36-0,061)=19899,67м3/ч.
Для построения на I-х-диаграмме практического процесса сушки необходимо определить величину снижения (потери) энтальпии (Іп) продуктов горения на выходе из сушилки, которую можно представить как Іп= qn (qm qx.p.)/L , (10) где qm - расход теплоты на нагрев материала, КДЖ/кг ;
qn - потери теплоты в окружающую среду через стенки и наружную теплоизоляцию сушильного барабана, КДЖ/кг;
qx.р-расход теплоты на химическую реакцию дегидратации двуводного гипса.
В свою очередь qm=Пг.к.•( тм2 - тм1)·См Wп(tcm - tm1)·Св , (11) где См- удельная теплоемкость высушиваемого материала, КДЖ/(кг0С);
Wп- производительность сушилки по влаге при условии полного высушивания материала: Wп= Пг.к.•щн/100, (12) тсм -средняя температура материала в сушилке, ее можно определить как тсм= тм1 2/3(тм2 - тм1).
qx.р=Пг.к.·Qx.р. , (13) где Qx.р-эндоэффект химической реакции (Qx.р=580,7 КДЖ/кг). qx.p=19735,3.·580,7=11460288,71 КДЖ/кг
Величина потери энтальпии: Іп= 80,64 (8668733,5 11460288,71)/19899,67 =1092,17 КДЖ/кг
Вернемся к I-х-диаграмме и отложим от т.С вертикально вниз величину Іп в масштабе оси координат. Получим т.D. Эту точку соединим с исходной т.В, на пересечении с t2=1600С, х2=0,184 кг/кг.
Действительный расход влажных продуктов горения, уходящих из сушильного аппарата в расчете на сухие газы будет равен: по массе - L=W/х2-х, (14) по объему - Vc=L/ссух, где ссух- плотность сухих продуктов горения (табл.).
Для рассматриваемого случая расход составит: L=4097,07/ 0,184-0,061=33309,5 кг/ч
Vc=33309,5/ 1,198=27804,26 м3/ч
Расход природного газа в топке составит: В=I1•L/QHP·ЮТ , (15) где ЮТ - к.п.д. топки, можно принять ЮТ = 0,9.
Для рассматриваемого примера
В=1152•33309,5 /37385·0,9 = 1140,5м3/ч.
Удельный расход топлива относительно удаленной из материи влаги: Вудw = В/W = 1140,5/4097,07=0,278 м3/ч=278 м3/т.
Количество воздуха, необходимого для горения топлива: Vвг=VTB.·В . (16)
В нашем случае
Vвг=8,86.·1140,5=10104,83 м3/ч.
Количество воздуха, необходимого для разбавления дымовых газов: Vвр=( б-1)· VTB·В. (17)
В нашем случае: Vвр=( 2,39-1)· 8,86·11405,83=14045,71 м3/ч .
Общее количество воздуха: Vв= Vвг Vвр, (18)
В нашем случае: Vв= 10104,83 14045,71=24150,54 м3/ч
Количество паров воды в отходящих из сушилки газах: VH2Ообщ=VH2Опг·В W/0,803 (19)
VH2Опг -объем паров воды в продуктах сгорания при расчетном (б=2,39) значении коэффициента избытка воздуха, м3/м3 , Получаем: VH2Ообщ=2,2212·1140,5 4097,07/0,803=7635,48 м3/ч
Объем выходящих из сушилки влажных продуктов горения: Lвл=L VH2Ообщ. (20)
В нашем случае: Lвл=33309,5 7635,48=40944,98 м3/ч .
Объемное соотношение сухих газов (у1) и паров воды (у2): у1=L/Lвл ; у2= VH2Ообщ/Lвл. (21)
В нашем случае: у1=33309,5 / 40944,98=0,814;
у2= 7635,48 / 40944,98=0,186.
Плотность ( при нормальных условиях) смеси влажных газов: свл= у1 •ссух у2 •спв , (22) где ссух - плотность сухих продуктов горения, кг/м3;
спв - плотность паров воды, кг/м3.
В нашем случае: свл= 0,814 •1,198 0,186 •0,803=1,125 кг/м3 .
Плотность влажных продуктов горения при температуре t1: ct1= свл •273/(273 t1). (23)
В нашем случае: ст1= 1,125 •273/(273 900)=0,262 кг/м3 .
Фактический объем входящих в сушилку при t1 влажных газов (Vвл): Vвл1= Lвл•свл /ст1. (24)
В нашем случае: Vвл1= 40944,98 •1,125 /0,262=143027,4 м3/ч
На выходе из сушилки при t2=1600С ст2= 1,125 •273/(273 160)=0,709 кг/м3 .
2.4.1 Определение интенсивности процесса сушки и объема сушильного барабана
Объем сушильного пространства Vб складывается из объема Vn , необходимого для прогрева влажного материала до температуры мокрого термометра, при которой начинается интенсивное испарение влаги, и объема Vc, требуемого для испарения влаги: Vб = Vn Vc. (25)
Основная доля приходится на объем Vc.
Для вычисления объема сушильного пространства применима формула: Vc = W" , (26) вщ·Дх"ср где W" - производительность сушилки по влаге, W" = W/3600=1,138 кг/с;
произведение (вщ·Дх"ср) служит мерой интенсивности процесса испарения; в него вошли: вщ - коэффициент объемной влагоотдачи, с-1;
Дх"ср - средняя движущая сила прцесса массотдачи, кг/мі.
Коэффициент объемной влагоотдачи вщ может быть вычислен по эмпирическому уравнению: вщ = 1,6·10-2·(wcp·сср)0,9·n0,7·в0,54·Ро , (27)
С·сср·(Ро - Рср) где wcp - средняя скорость сушильного агента (ее принимают не более 2-3 м/с /5/);
сср - средняя плотность сушильного агента при средней рабочей температуре в барабане, кг/мі;
n - частота вращения барабана, обычно не превышает 8 мин-1;
в - степень заполнения объема барабана высушиваемым материалом, принимается по приложению 8 /5/: для подъемно-лопастных перевалочных устройств в = 12%;
Ро - давление, при котором осуществляется сушка, Ро = 105 Па;
С - удельная теплоемкость сушильного агента при средней рабочей температуре в барабане, КДЖ/мі·К; С = 1,32 КДЖ/мі·К;
Рср - среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па.
Среднюю плотность сушильного агента сср определяют при средней температуре газов: тср = t1 t2 = 900°С 160°С = 530°С;
2 2
Соответственно: сср = М . То = со . То , (28)
22,4 То тср То тср где со = масса продуктов горения = 3123,8 = 1,26 кг/м3;
объем продуктов горения 2477,03 сср = 1,26 •273 = 0,43 кг/мі.
273 530
Среднее парциальное давление водяных паров определяется как:
Рср = Р1 Р2, (29)
2 где Р1 - парциальное давление водяных паров в газе на входе в сушилку, Па;
Р2 - парциальное давление водяных паров в газе на выходе из сушилки, Па;.
Значения Р1 и Р2 определяются по I-х диаграмме соответственно для точек по формулам: Р1 = (х1/18)·105 и Р2 = (х2/18)·105 , (30)
1/Мд.г. х1/18 1/Мд.г. х2/18 где Мд.г. - средняя молярная масса дымовых газов: Мд.г. = 22,4·сд.г. = 22,4·1,26=28,22 кг/моль;
Р1 = (0,061/18)·105 = 0,0875·105 Па;
1/28,22 0,061/18
Р2 = (0,184/18)·105 = 0,22·105 Па;
1/28,22 0,184/18
Рср = 0,0875·105 Па 0,22·105 Па = 0,154·105 Па.
2
Удельную теплоемкость продуктов горения при средней температуре можно определить как С=УСО2·ССО2 УН2О·СН2О УО2·СО2 YN2·CN2 , (31)
Таким образом, С=0,045·2 0,0897·1,33 0,1161·1,4 0,7517·1,33=1,3673 КДЖ/м3. вщ = 1,6·10-2·(3·0,43 кг/мі)0,9·(3)0,7·100,54·105 = 0,3022 с-1.
1,37·0,43 кг/мі·(105 - 0,15·105 )
Движущую силу массопередачи можно определить из уравнения: Дх"ср = Дх"н - Дх"к , (32)
2,3 ?n(Дх"н/Дх"к) где Дх"н = х1* - х1 - движущая сила в начале процесса сушки, кг/кг;
Дх"к = х2* - х2 - движущая сила в конце процесса сушки, кг/кг;
х1*, х2* - равновесные содержания влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/кг; их значения определяются по I-х диаграмме соответственно точкам пересечения линий тмт1 (температура мокрого термометра для начального состояния) и ц = 100%, тмт2 и ц = 100%;
х1*= 0,44; х2* = 0,21;
Дх"н = 0,44 - 0,061 = 0,379;
Дх"к = 0,21 - 0,184 = 0,026;
Дх"ср = 0,379 - 0,026 = 0,132 кг/мі.
2,31?n(0,278/0,016)
Окончательно: Vc = 1,138 = 66,1 мі.
0,3022·0,057
Объем барабана Vn, необходимый для прогрева влажного материала, можно определить из следующего уравнения теплопередачи: Vn = Qn , (33)
Кх·Дтср где Qn - количество теплоты, необходимое на нагрев материала до температуры тмт1;
Кх - объемный коэффициент теплоотдачи, КВТ/МІК;
Дтср - средняя разность температур, °С.
Список литературы
1. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1986-462с.
2. Юшкевич М.О., Анастасиади А.П., Боровский В.Р. Справочник по производству гипса и гипсовых изделий. - М.: Стройиздат, 1963 - 464с.
