Виробництво будівельного гіпсу в гіпсоварильних котлах

Курсовий проект на тему: «Виробництво будівельного гіпсу в гіпсоварильних котлах»

Зміст Вступ

1. Опис роботи теплової установки

2. Технологічні параметри та режим роботи установки

3. Розрахунок горіння палива

4. Матеріальний та тепловий баланс

4.1 Матеріальний баланс

4.2 Тепловий баланс

5. Аеродинамічний розрахунок Література

Вступ Гіпсові в’яжучі є повітряними в’яжучими. Добування їх грунтується на здатності двогідрату гіпсу СаS0₄*2Н₂O в процесі нагрівання частково або повністю дегідратуватися.

Сировиною для виробництва гіпсових в’яжучих є, як правило, природний гіпс СаS0₄*2Н₂O. Рідше використовується безводний гіпс — ангідрит, а також гіпсовмісні відходи хімічної промисловості (фосфогіпс, борогіпс тощо).

Варіння в гіпсоварильних котлах. Серед агрегатів, у яких проводиться теплова обробка гіпсу, найпоширенішими є варильні котли, їх перевага перед іншими агрегатами полягає в простоті конструкції, чистоті й однорідності продукту, що добувається.

Недоліком котлів є періодичність дії, а отже, зайві затрати часу на завантаження і вивантаження. Крім цього, днище й обичайки котлів часто прогоряють, тому потрібний додатковий час на ремонтні роботи.

Будівельний гіпс — гіпсова низьковипалювальна в’яжуча речовина, що складається в основному з в-напівгідрату сульфату кальцію. в-напівгідрату сульфату кальцію утворюється під час випалу в гіпсоварильних котлах.

В курсовому проекті наведені вимоги до сировини та готової продукції, вибір та обґрунтування технології виготовлення, розрахунок продуктивності технологічних ліній та багато іншого, технологічний розрахунок, техніко-економічні показники підприємства.

1. Опис роботи теплової установки Гіпсоварильний котел являє собою циліндричний сталевий зварний барабан із сферичним днищем. В середині барабана розташована мішалка з обертовими лопастями. Часто до лопастей кріплять ланцюги, щоб мішалка, обертаючись, очищувала днище, набране із сегментів. Зверху барабан має завантажуючий шнек, за його допомогою подається порошок в середину барабана. В середині барабана є жарові труби, крізь які проходять гарячі гази, і труба для виходу пари. Котел вмурований у мур, в якому є топка. В ній згоряє паливо і утворюються гарячі гази, котрі обдувають котел зовні і проходять в середину по жаровим трубам. Так створюється рівномірний нагрів і певні умови для процесу дегідратації двоводного гіпсу. Після варіння з котла виходить готовий порошок (напівводний гіпс) і поступає в бункер томління чи витримування. На практиці застосовують, як правило, котли місткістю 7−15м³. В таких котлах питомі витрати палива 40−50 кг умовного палива на 1 тону. Вихідний порошок, який подається в котел має температуру 40−60°.

2. Технологічні параметри та режим роботи установки При варінні в котел подається порошок гіпсу і одночасно вмикається мішалка; порошок рівномірно перемішується і нагрівається до температури 120−150°. За І-шу годину температура підвищується до 150−180°, потім іде процес дегідратації гіпсу, температура матеріалу залишається постійною, тому що процес дегідратації - ендотермічний з поглинанням тепла. Хімічна вода, яка виділяється з гіпсу у вигляді пари, утворює ефект кипіння.

Порошок витримується у котлі 1−3 години, причому чим більше витримування, тим більш вища якість готового продукту. Це пояснюється тим, що при збільшенні витримування збільшуються кристали напівгідрату, вони стають більш чіткішими. Проте при збільшенні витримування знижується продуктивність котлів. Після виділення хімічної води порошок осідає в котлі. Коли температура підвищується на 20−30°, процес варіння гіпсу зупиняють і готовий гіпс вивантажується в бункер витримування.

Гарячі гази з варильного котла можуть іти в шахтний млин і використовуватися для сушіння гіпсового каменю. Основний недолік гіпсових котлів є періодичність дії цих апаратів. Розроблені апарати безперервної дії, наприклад апарат киплячого шару: під дією гарячих газів гіпс «кипить» в певному шарі і переливається в бункер витримування.

Реакція одержання будівельного гіпсу:

В бункерах витримування гіпс зберігається декілька годин, причому за рахунок підвищення температури матеріалу проходить кінцева дегідратація, а вода, що утворюється, іде на гідратацію зневодненого гіпсу та розчинного ангідриту, тому якість будівельного гіпсу підвищується. Порошок гіпсу, що випалюється в гіпсоварильному котлі, для підвищенні якості може додатково перемелюватись. При цьому якість будівельного гіпсу, його сортність підвищується. Для повторного помелу застосовуються кульові млини — обертові барабани, які завантажені стальними кульками (мелючими тілами). При обертанні млина ці кульки подрібнюють матеріал за рахунок ударної і стираючої дії. Остаточно готовий будівельний гіпс подається в бункерні чи силосні склади готової продукції.

Для забезпечення необхідної продуктивності лінії виробництва запроектовано 9 гіпсоварильних котлів 3061, механічні характеристики яких і параметри роботи наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 Технічні характеристики і параметри роботи котлів

В залежності від застосованої сировини і від вимог, що висуваються до готоової продукції, встановлюють графік варіння гіпсу.

Графік варіння гіпсу в гіпсоварильних котлах з попереднім підігрівом гіпсової муки в млині наведений на рис. 1.

3. Розрахунок горіння палива Розрахувати процес горіння вугілля такого умовного склад:

Кам’яне вугілля (вугільний пил) Богословського (Б2) родовища.

Спалювання проводиться у виносній топці. Вміст золи А^с = 20; вміст вологи W^P = 29. Початкова температура повітря: t_пов = 20. Початкова температура палива: t_пал = 20. Вологовміст повітря: d = 10 г/кг cухого палива.

1. Визначаємо склад робочого палива.

Вміст золи в робочому паливі:

Вміст інших елементів в робочому паливі:

Результати розрахунків зводимо в таблицю:

2. Визначаємо значення теплоти згорання робочого палива.

— нижча теплота згорання:

339*39.76+1030*2.56−109*13.07−25*29=13 965.81кДж/кг

3. Теоретично необхідна кількість повітря для горіння:

— сухе повітря:

0,0889*39,76+0,265*2,56−0,0333*13,06= 3,78 м³/кг.

— вологе повітря (з врахуванням вологості атмосферного повітря):

(1+0,0016*10)3,78=3,84 м³/кг;

де d — вологовміст повітря. Горіння палива з теоретичною кількістю повітря є ідеальним випадком. Па практиці при спалюванні палива в топках і печах необхідно давати дещо більшу кількість повітря через недосконалість процесу спалювання. Відношення дійсної кількості повітря, що надходить на горіння, до теоретичної називається коефіцієнтом надлишку повітря:

Коефіцієнт, а залежить від виду та способу спалювання і складає:

— для твердого палива:

пилеподібного 1,2…1,25

4. Дійсна кількість повітря для горіння. Приймаємо коефіцієнт надлишку повітря для горіння =1.2. Тоді витрати:

сухого повітря 1.2*3.78=4.54 м³/кг;

атмосферного повітря 1.2*3.84=4.61 м³/кг;

5. Склад і кількість продуктів згорання при б=1.2:

0,1 855*39,76=0,738 м³/кг;

0,112*2,56+0,0124*29+0,0016*10*4,54=0,72 м³/кг;

0,007*0,34=0,002 м³/кг;

0,79*4,54+0,008*0,74=3,59 м³/кг;

0,79*(0,2)3,78=0,6

Загальна кількість продуктів горіння при б=1.2:

V_б=0.738+0.72+0.002+3.59+0.6= 5.65 м³/кг.

6. Складаємо матеріальний баланс процесу горіння на 100 кг вугілля, при б = 1,2. Матеріальний баланс процесу горіння Таблиця 2

Нев’язка балансу складає:100*4.71/690.76 = 0.68%.

7. Визначимо калоричну (теоретичну) температуру горіння (t_т). Для цього запишемо рівняння теплового балансу процесу горіння 1 кг палива:

Дійсні витрати атмосферного повітря по масі:

кг /кг;

Витрати димових газів за масою складуть (див. табл. матеріального балансу):

V_б=1.45+0.0057+0.57+4.49+0.85=7.36 кг Для проектних розрахунків можна користуватись наближеними формулами:

для твердих видів палива і мазуту [кДж/кг•°С];

Калоричну температуру можна визначити методом послідовного наближення (підбору) або шляхом розв’язку квадратного рівняння.

Якщо прийняти початкову температура палива та повітря рівною 20 °C та підставивши решту відомих значень в рівняння теплового балансу процесу горіння, отримаємо:

13 965+5,53*1*20+1*20 = 7,36

13 965+5,53*1*20+1*20 = 7,36

Таким чином, маємо квадратне рівняння, розв’язавши яке отримаємо: t_т = 1110 °C.

8. Знайдемо дійсну температуру горіння з врахуванням величини пірометричного коефіцієнту

Для даних умов при t_т = 0.9*1110=999°С=1000°С.

В пічних установках в зоні випалу необхідно підтримувати значення температури горіння (а в сушильних установках — теплоносія), що відповідають технологічним умовам теплової обробки.

Тому задавшись необхідним значенням температури із рівняння теплового балансу можна визначити додаткову кількість повітря, що необхідно подати в зону горіння, або для розбавлення димових газів після топки.

Нехай при варінні гіпсу у гіпсоварильному котлі температура в зоні варіння повинна становити 160 °C.

Запишемо рівняння теплового балансу процесу горіння:

де — необхідна теоретична температура горіння:

— теплоємність повітря при =1110°С; =1.42.

— необхідна додаткова кількість повітря.

= 1.72 [кДж/кг•°С];

Тоді:

13 965+1*20+(5.53+X_ПОВ)*1*20 = 7,36

Звідси Хпов = 0,02 кг/кг палива.

Тоді загальна кількість повітря, що витрачається на горіння:

L^``=4.61+0,02= 4,63 кг/кг палива або 3,85 м /кг палива.

Дійсний коефіцієнт витрати повітря:

Визначимо загальну кількість продуктів горіння при новому

0,1 855*39,76=0,738 м³/кг; без змін

0,112*2,56+0,0124*29+0,0016*10*3,85=0,74 м³/кг;

0,007*0,34=0,002 м³/кг; без змін

0,79*3,85+0,008*0,74=3,6 м³/кг;

0,79*(0,2)3,78=0,61 м³/кг;

Загальна кількість продуктів горіння при б_Д=1,002:

V_б=0,738+0,74+0,002+3,6+0,61= 5,69 м³/кг.

4. Матеріальний та тепловий баланс Основні дані для матеріального та теплового балансу:

1. Характеристики гіпсоварильного котла 3061.

1. Зовнішні габарити котла 2,5*3,0*2,545

2. Місткість котла, м³ 3

3. Продуктивність за один цикл варки т 2,0

4. Тривалість циклу варки, год 1,0

2. Режим роботи котла

5. Температура в топці 1000°С

6. Температура газів за котлом 500°С

7. Температура гіпсового порошку, що завантажується у котел 10°С

8. Кінцева температура варіння 160°С

9. Витрати порошку з водяною парою 2%

10. Температура водяної пари що залишають котел 127°С

11. Надлишок повітря в топці б=1,002

12. Паливо: кам’яне вугілля Богословського (Б2) родовища

3. Склад гіпсового каменю, %

а) 92

б) мінеральні домішки 8

в) гігроскопічна волога 5, вміст гідратної води 20,6

4. Склад в’яжучого а) напівводний гіпс 80,9

б) нерозкладений двогідрат 2,0

в) розчинний ангідрит 7,7

г) мінеральні домішки 9,4, вміст гідратної води у в’яжучому 5,86

5. Температура в цеху 10 °С

6. Поверхня охолодження гіпсоварильного котла, м² 30

7. Середня товщина цегляної стінки котла, м 0,73

4.1 Матеріальний баланс

1. Визначення масового складу в’яжучого отриманого за один цикл варіння.

А) напівводний гіпс 2000*0,809=1618 кг Б) двоводний гіпс 2000*0,02=40 кг В) розчинний ангідрит 2000*0,77=154 кг Г) мінеральні домішки 2000;(1618+40+154)=168 кг

2. Визначення потреби в сирому зневодненому гіпсі на один цикл варки. молекулярні маси гіпсу і продуктів його гідратації

Потреба в сировині визначається, використовуючи хімічні реакції утворення продуктів дегідратації гіпсу:

Отримання напівводного гіпсу На отримання 145 кг будівельного гіпсу необхідно 172 кг двоводного гіпсу, на отримання 1016 кг будівельного гіпсу необхідно х кг двоводного гіпсу.

Отримання розчинного ангідриту На отримання 136 кг ангідриту необхідно 172 кг двоводного гіпсу, на отримання 154 кг ангідриту необхідно х кг двоводного гіпсу.

Таким чином витрати сухого порошку на один цикл варки складає:

1918+195+40+168=2342 кг, а з врахуванням 2% втрати порошку, що виносяться водяною парою і 0,3% гігроскопічної вологи каменю, дійсна витрата сирого гіпсового порошку на цикл варки буде:

3. Визначення кількості водяної пари, що виділилась з матеріалу При утворенні водяної пари, що виділилась з матеріалу

1919;1616=301 кг При утворенні ангідриту виділилась

195−154=41 кг Гігроскопічної вологи -6 кг Всього водяної пари — 348 кг

Матеріальний баланс гіпсоварильного котла Таблиця 3

4.2 Тепловий баланс Розрахунок ведеться на один цикл варки.

1. Визначення витрати тепла на доведення меленого сирого гіпсу до температури початку реакції зневоднення: 2342*1,21(107−10)=276 037,2 кДж

2. Витрати тепла на випаровування гігроскопічної вологи з сировини:

6(2639,7−1,2*10)=15 586,8кДж

3. Визначення витрати тепла на хімічні реакції розкладу двоводного гіпсу з отриманням продуктів зневоднення та водяної пари.

Розклад 1 кг двоводного гіпсу з утворенням напівводного гіпсу потребує 484,4 кДж тепла.

Розклад 1 кг двоводного гіпсу з утворенням ангідриту потребує 679,6 кДж тепла, звідки в нашому випадку для отримання напівводного гіпсу потребує:

1919*484,4=929 563,6 кДж, А на утворення розчинного ангідриту

195*679,6=132 529,7 кДж Сумарна витрата тепла на хімічні реакції складе:

929 563,6+132 529,7=106 202,5 кДж

4. Витрати тепла на доведення продуктів зневоднення гіпсу до кінцевої температури варіння (160°С).

Ця витрата за своїм абсолютним значенням рівна різниці тепловмісту готового в’яжучого і фізичної теплоти вихідних продуктів на початку реакції (умовно 107 °С).

Теплоємність при 160 °C рівна 1,048кДж/кг*°С При 107 °C — 0,96 кДж/кг*°С Теплоємність при 160 °C рівна 0,88 кДж/кг*°С При 107 °C — 0,62 кДж/кг*°С Фізична теплота продукції, що вивантажується з котла складає:

А) з 1618*160*1,048=279 784,5 кДж Б) з 154*160*0,88=22 353,7 кДж В) з домішками 168*160*0,838=25 994,8 кДж Г) з 40*107*1,22=5200,63 кДж Всього матеріал, що вивантажується виносить 333 200,1 кДж за один цикл.

Тепловміст продуктів дегідратації гіпсу при 107 °C складає:

1618*107*0,96=166 841,6 кДж

40*107*1,22=5200,6 кДж

154*107*0,82=13 463,3 кДж Мінеральні домішки 188*107*0,84=16 857,2 кДж Всього 202 369,5 кДж Таким чином витрати тепла на доведення продуктів зневоднення гіпсу з 107 °C до кінцевої температури варки складає:

333 200,1−202 369,5=130 830,6 кДж

5. Витрати тепла на перегрів водяної пари до 127 °C Теплоємність водяної пари при 127 °C становить С_п=1,93кДж/кг*°С.

Перегрів пари складає 20 °C, витрата тепла тоді складає

348*1,93*20=13 414,7 кДж На весь процес отримання в’яжучого витрачається на один цикл варки:

=276 037,2+15 586,8+1 062 022,5+130 630,6+13 414,7=1 497 691,8 кДж

6. Визначення тепловтрат цеглою-обмуровкою гіпсоварильного котла в навколишнє середовище.

Середню температуру внутрішньої поверхні стін пиймаємо на 50 °C нижчу середньої температури димових газів.

Середня температура газів становить

(1000+500)/2=750°С Середня температура внутрішньої поверхні стін 750−50=700°С При кладці шириною 0,73 м температура зовнішньої поверхні стін буде складати 65 °C (визначається за графіком 23)[3].

З врахуванням температури зовнішньої поверхні стін і температури навколишнього середовища з допомогою графіка (3) визначаємо величину тепловтрат кладки в навколишнє середовище. Вона складає 2095 кДж/м²*год.

Годинна тепловтрата обмурівки буде складати при площі охолодження поверхні котла 30 м²:

30*2095=62 850кДж/год Оскільки цикл варки складає 1 год, то втрати за цикл варки складатимуть кДж/год.

Загальна витрата тепла на процес отримання в’яжучого разом з тепловитратами в навколишнє середовище:

1 497 891,8+62 850=1560741,8 кДж

7. Визначення витрат палива Для визначення витрати палива задаємось коефіцієнтом корисної дії топки (). Приймаємо =0,85. Спалюване в топці паливо дає відому кількість тепла, частина якого втрачається в установці. Решта у вигляді фізичної теплоти димових газів виходить з гіпсоварильного котла.

Визначенню витрат палива передує визначення тепловтрат з відхідними газами (подальший розрахунок ведеться на 1 кг палива).

Загальний об'єм газів: V_заг =5.69 м³/кг Теплоємність газів при 500 °C рівна 1,35кДж/м³.

Тепловтрати з відхідними газами, отриманих при спалюванні 1 кг палива складають:

1,35*500*5.69=3840.75кДж З врахуванням коефіцієнта корисної дії топки в установці використовуються:

13 965*0.85−3840.75=8029.5кДж/кг палива Таким чином витрати натурального палива на один цикл варки складуть:

1 560 741,6/8029,5=194 кг На 1 т готової продукції 194/2=97 кг В умовному паливі на 1 т в’яжучого буде:

97*13 965/29300=46 кг Таблиця 4 Тепловий баланс гіпсоварильного котла

5. Аеродинамічний розрахунок При згоранні 1 кг палива утворюється 5.69 м³ димових газів. За годину (цикл варіння) використовується 194 кг палива, тоді за 1 секунду будемо мати димових газів:

Враховуючи те, що одночасно працює 9 гіпсоварильних котлів отримаємо:

Температура газів на виході з котла 500⁰С. швидкість газів приймаємо 2 м/с. Для того щоб димові гази не вибивались назовні приймаємо, що установка працює під розрідженням. Аеродинамічний розрахунок ведеться згідно аеродинамічної схеми. ДР₁-втрати тиску на тертя по довжині труби.

Для очищення димових газів візьмемо циклони типу «розетка», характеристики яких наведені в таблиці 5.

гіпсоварильний котел аеродинамічний мультициклон Таблиця 5 Технічні характеристики циклонних елементів мультициклонів

Приймаємо циклон діаметром 254 мм, їх кількість визначаємо за формулою:

Гідравлічний опір батареї циклонів становить:

ДР₃-втрати тиску на тертя по довжині трубопроводу.

Підбираємо вентилятор згідно з робочими характеристиками, t=100⁰C. Візьмемо вентилятор Д8, характеристики якого наведені в таблиці 6.

Таблиця 6

Для забезпечення необхідної продуктивності ставимо 1 вентилятор Д8

V=2.8 м³/с

P=1100 Па ДР₅-втрати тиску на тертя по довжині трубопроводу.

ДР₆-втрати тиску в камері змішування. Об'єм газів збільшуємо так як в камеру поступає випаровувана волога з гіпсу Де 0,048 — кількість вологи що виходить з котла за секунду, 0,2934 — густина водяної пари при 80 ⁰C. ДР₇-втрати тиску на тертя по довжині трубопроводу.

ДР₈-втрати тиску на тертя в електрофільтрі. Вибираємо електрофільтр типу ЦВП-8, технічні характеристики якого наведені в таблиці 7.

Таблиця 7 Технічні характеристики електрофільтрів

ДР₉-втрати тиску на тертя по довжині трубопроводу.

Приймемо 2 вентилятори Д-8, які працюють паралельно і технічні характеристики якого наведені в таблиці 6.

ДР₁₁-втрати тиску на тертя по довжині трубопроводу.

Втрати тиску по аеродинамічному тракту наведені в таблиці 8.

Таблиця 8 Втрати тиску по аеродинамічному тракту

Розрахунок димової труби Швидкість газів в гирлі труби х = 4 м/с.

Діаметр гирла труби

d_г=v (4П)/(рх)=v (4?3,9)/(3,14?4)=1,1 м Діаметр основи труби

d₀=1.5d_г=1.5?1,1=1,65 м Середній діаметр труби

d_ср=(d₀+d_г)/2=(1,65+1.1)/2=1,38 м Швидкість газів в трубі

х=(4П)/(р d_ср²)=(4?3,9)/(3,14?1,38²)=2,6 м/с Для викиду відпрацьованих газів в атмосферу приймаємо димову трубу висотою 30 м.

Температура газів в гирлі труби :

t_г=t_осн-H??t=60−30?1,5=20 ^оС, де

t_осн — температура газів на вході в трубу (в основі), ^оС; ?t — падіння температури по висоті труби (для цегляних труб — 1…1,5 ^оС/м).

Середня температура газів в трубі :

t_ср=(t_осн+ t_г)/2=(60+20)/2=40 ^оС

Тоді величину розрідження, що створюється димовою трубою, можна знайти з виразу:

?P=P_г-?P_тр-?P_м

?P_тр — втрати тиску на тертя по довжині труби; ?P_м — місцеві втрати при виході газів із труби в атмосферу.

Геометричний напір можна знайти за наведеним нижче виразом, з перерахунком густин газів на дійсну температуру:

P_г=Hg (с_пов^t-с_г^t)

P_г=Hg (с_пов^t-с_г^t)=30?9,81?(1,29/(1+(20/273))-1,3/(1+(40/273)))=38 Па Втрати на тертя по довжині труби:

?P_тр=л?H/ d_ср?х_ср²/2?с_г^t=5,5 Па

лкоефіцієнт тертя газів об стінки труби, для цегляних труб — 0,035…0,05.

Місцеві втрати при виході газів з труби при 4 м/с:

?P_м=ж? х_г²/2?с₀?(1+ t_г/273)=1,1?4²/2?1,3?(1+20/273)=12,3 Па ж — коефіцієнт місцевого опору: ж =1,06…1,15 (верхня межа для менших швидкостей, нижня — для більших).

Величина розрідження становить:

?P=P_г-?P_тр-?P_м=38−5,5−12,3=20,2 Па

Таблиця 9 Техніко-економічні показники підприємства

Література

1. Дворкин Л. Й, Шестаков В. Л. Проектування підприємств для виготовлення вяжучих материалів.-Київ:ВІПОЛ, 1996 р.

2. Пащенко О. О., Сербін В.П.- «Вяжучі матеріали» Київ: Вища школа, 1995 р.