49488

Тепловая установка для варки жидкого натриевого стекла

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Вводная часть Технология производства жидкого стекла в общем виде включает следующие технологические операции: Прием и подготовка исходных сырьевых материалов; Растворение исходных сырьевых материалов в воде или в щелочных растворах; Корректирование состава жидкого стекла в процессе варки или после его завершения при необходимости; Отстаивание жидкого стекла в бассейнеотстойнике; Фильтрация и концентрирование жидкого стекла упариванием; Хранение и отгрузка жидкого стекла. Существует несколько способов изготовления этапа...

Русский

2013-12-28

175.5 KB

67 чел.

Министерство образования Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

Строительный факультет

Кафедра строительных материалов и специальных технологий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Теплотехника и теплотехническое оборудование»

НА ТЕМУ: Тепловая установка для варки жидкого натриевого стекла

                                                              Выполнил студент группы ПСК-07-2

                                                           Мезенцева Юлия Алексеевна_______

Проверил Катаева Людмила Ивановна______________

Дата выдачи задания на курсовой

проект 19.02.2010

Дата защиты курсового проекта________

Оценка за курсовой проект__________

Пермь 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1. Вводная часть………………………………………………………….2

2. Аэродинамическая расчетная схема автоклава…………………..5

3. Расчет и проектирование теплоизоляции теплотехнического оборудования……………………………………………………………...7

5. Материальный баланс………………………………………………...8  .6.Тепловой балансы автоклава ……………………………………….9
7. Используемая литература…………………………………………...13

1.Вводная часть

Технология производства жидкого стекла в общем виде включает следующие технологические операции:

  •  Прием и подготовка исходных сырьевых материалов;
  •  Растворение исходных сырьевых материалов в воде или в щелочных растворах;
  •  Корректирование  состава жидкого стекла в процессе варки или после его завершения (при необходимости);
  •  Отстаивание жидкого стекла в бассейне-отстойнике;
  •  Фильтрация и концентрирование жидкого стекла упариванием;
  •  Хранение и отгрузка жидкого стекла.

В пределах данной дисциплине нас интересует процесс варки.

Существует несколько способов изготовления (этапа растворения) жидкого стекла:

  1.   Производство жидкого стекла из силикат-глыбы, которое включает в себя два передела: производство самой силикат-глыбы и ее растворение (как правило, оно осуществляется самим потребителем)
  2.  И прямое растворение кремнеземсодержащих компонентов в едких щелочах с получением требуемых щелочно-силикатных растворов (жидких стекол), происходящее в один этап.
  3.  Жидкое стекло можно получить и путем варки в открытых котлах аморфного кремнезема (трепела) с содержанием кремнезема 76-82% и едкого натра при температуре 90-100оС. Для получения 1 тонны жидкого стекла необходимо 800 кг, едкого натра в пересчете на сухое вещество-290 кг.

Несмотря на кажущуюся простоту возможных технологических решений, второй способ не получил значительного промышленного распространения в силу ряда причин, главным из которых являются нестабильность технологического  процесса, определяемая широким диапазоном состава и свойств исходного кремнеземсодержащего сырья, высокие параметры процесса растворения, давление, температура, худшей по сравнению с жидким стеклом из силикат-глыбы качество готового продукта, большое количество отходов,  дефицит едкой щелочи, сложность получения высокомодульных стекол. Поэтому рассмотрим наиболее распространенный метод производства жидкого стекла - растворение силикат глыбы.

 Растворение силикат-глыбы

Основными агрегатами для растворения силикат-глыбы являются автоклавы (стационарные и вращающиеся) и аппараты для безавтоклавного растворения. Как в стационарных, так и во вращающихся автоклавах разогрев силикат-глыбы и поддержание требуемой температуры осуществляется острым паром. Процесс растворения осуществляется при 0,3-0,7 МПа и температуре 135-1650С. Длительность варки в стационарных автоклавах составляет 5-6 ч, вращающихся- 3-5 часов. Кроме более длительного цикла растворения, к недостаткам стационарных автоклавов следует отнести возможность образования значительных нерастворимых осадков, которые требуют систематического удаления.

Таким образом, наиболее распространенным и выгодным является автоклав вращающегося типа.

Получение жидкого натриевого стекла во вращающимся автоклаве

После подачи силикат-глыбы в автоклав через загрузочный люк 1 в целях экономии энергии и уменьшении времени автоклавной обработки в установку подается горячая вода t=600С. По окончании загрузки автоклава его люк закрывают болтами и начинают процесс варки. Для этого в автоклав подают острый пар под давлением 1,0 МПа и включают механизм вращения автоклава. После достижения давления в автоклаве 0,75 МПа подачу пара прекращают, далее процесс идет за счет тепла реакции и периодической подпидки паром.

По окончании процесса варки производится слив жидкого стекла. Для этого прекращают подачу пара. Жидкое стекло с помощью остаточного давления перемещается в промежуточную емкость. Паровоздушная смесь, сопровождающая раствор жидкого стекла, удаляется в атмосферу через ловушку, где происходит расширения паровоздушной смеси улавливание брызг.

2.Аэродинамическая схема установки

Нагрев до температуры t=1700C  сырьевых материалов должен происходить при скорости нагрева νнаг<50C, таким образом время нагрева при начальной температуре t1=250C равно:

τнаг==30 мин

Время экзотермической реакции из технологических  таблиц в зависимости от силикатного модуля будет равен tэкз=65 мин.

Время охлаждения

τохл==30 мин

Время тепловой обработки τ=30+65+30=115 мин

рис.1 Тепловой режим автоклавной обработки

  1.  Расчет теплоизоляции [3]

Для цилиндрических объектов диаметром менее 2 м толщина теплоизоляционного слоя определяется по формуле

,

,

B=di/d  — отношение наружного диаметра изоляционного слоя к наружному диаметру изолируемого объекта;

λк - теплопроводность теплоизоляционного слоя (Вт/ М° С)

rtot — сопротивление теплопередачи на 1 м длины теплоизоляционной конструкции цилиндрических объектов диаметром менее 2 м, (м×°С)/Вт;

rm— термическое сопротивление стенки трубопровода. Так как стенки автоклава выполнены из стали, то rm будет мала, поэтому ей можно пренебречь;

d — наружный диаметр изолируемого объекта, м.

άe – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции (Вт/ М° С).

,

где tw=170°С  - температура вещества ;

te - температура окружающей среды, в данном случае установка будет работать в помещении, поэтому принимаем te=20° С;

q е— нормированная поверхностная плотность теплового потока, Вт ч/м2; По диаметру и средней температуре tср=100+170/2=135 0С

qe=50 Вт ч/ м2

K1- коэффициент, принимаемый по нормированной линейной плотности теплового потока для Уральского региона K1=1.03.

Тогда rtot=(170-20)/(50*1,03)=2,91 (м×°С)/Вт

Таким образом, по СНиПу άe=6 Вт/(м2×°С)

Необходимо просчитать толщину теплоизоляционного слоя при максимальной температуре. Здесь расчет будем вести по заданной температуре на поверхности изоляции.

где ti – температура поверхности изоляции. В соответствии с действующими нормами принимаем ti=45 °С (для изолируемых поверхностей, расположенных в рабочей или обслуживаемой зоне помещений и содержащих вещества с температурой выше 1000С)

λк=0,033+0,00014 tw=0,568 Вт/ М° С, (из приложения  к [3] в зависимости от типа теплоизоляционного материала, места нахождения установки и производительности)тогда

δк=0,568*(170-45)/6*(45-20)=0,047м  

По ГОСТ принимаем минераловатные плиты толщиной 50 мм

Производим пересчет фактического плотность теплового потока

B=(2δк/d)+1=2*0,05/1,4=1,072

lnB=0,069

,

rm— термическое сопротивление стенки трубопровода. Так как стенки автоклава выполнены из стали, то rm будет мала, поэтому ей можно пренебречь;

 отсюда rtot= 2,95

И qeфакт=(170-20)/2,95*1,03=49,3 Вт ч/ м2

  1.  Материальный баланс

Расчет ведется на 1000 кг раствора жидкого стекла.

По ГОСТ 13079-81 жидкое стекло в зависимости от области применения характеризуется составом в пределах: SiO2 -22,7-36,7%;  Na2O- 7,9-13,8%, с учетом данного силикатного модуля процентное содержание главных оксидов будет равно SiO2=31,8%, Na2O =11,3%, содержание воды и примесей -56,9%, силикатный модуль n=(31,7/11,3)*1,033=2,9.

Тогда на 1000 кг раствора жидкого стекла SiO2=318 кг, Na2O =113 кг, воды и примесей-569 кг.

Определяем потребность расхода силиката натрия (силикат-глыбы). По ГОСТ 13079-81 для высокомодульного силиката натрия состав SiO2-69,7-76,2%, Na2O =22,5-27,9%,примиси-0,88-1,3%.

Для расчета принимаем состав силиката натрия SiO2=73,4%, Na2O=26,1%, силикатный модуль n=(73,4/25,3)*1,033=2,9.

Для упрощения расчета, считаем, что при варке модуль не изменяется. В промышленных условиях, как правило, силикатный модуль раствора жидкого стекла несколько ниже силикатного модуля исходной глыбы, что связано с образованием кремнеземистых осадков в процессе варки и отстаивания. В автоклаве вращающегося типа процент осадки минимизирован, поэтому потери кремнезема на осадок учитывать не будем.

Таким образом, теоретический расход силикат натрия:  Na2O=113:0,261=433 кг или SiO2=318:0,734=433кг. Без учета сконденсированной воды масса воды, необходимая для варки силикат-глыбы без уменьшения силикатного модуля H2O=567кг

Статья

Вход

Выход

%

кг/цикл

%

кг/цикл

силикат-глыба Na2O*2,9SiO2

43,3

2598

-

-

H2O

56,7

3402

-

-

Пар

244

Жидкое стекло (Na2O*2,9SiO2

100

5678

Варка производится острым паром при избыточном давлении 0,792 МПа и температурой экзотермии 1700С.

  1.  Тепловой баланс

Расходные статьи баланса

  1.  Расход на нагрев силикат-глыбы:

Q1=m1*c1*(t2-t1)=433*0,837*(170-20)=54363,15 кДж

с1-удельная теплоемкость силиката натрия [1]

2.Расход тепла на нагрев воды:

   Q2=(M1-qконд)*c2*(t1-t1воды)=(563- qконд)*4,186*(170-60) =

=259238,98-460,46* qконд

c2-удельная теплоемкость раствора жидкого стекла [1];

t1воды - исходная температура воды;

3.Расход тепла на нагрев автоклава

Q3=Mавав*(t2-tав)=5657*0,45*(170-100)=178195,5кДж

tав при быстрой выгрузке будет равен 1000С

  1.  Потери в окружающую среду

Q4=qфакт*F

F=2*π*R*l=2*3,14*0,65*3,5=14,29м2

Q4=49,3*14,29=704,497кДж

5.Неучтенные потери 0,15

Q5=0,15*ΣQрасх=0,15*(54363,15+25923,98-460,46qконд+178195,5

+704,497)=73875,32-69,06 qконд

  Приходные статьи баланса

  1.  Теплота конденсации острого пара;

Q6= qконд* i’*τ=719,15* qконд*1,92=1380,77* qконд

2.Теплота растворения силикат-глыбы (экзотермическая реакция)

Q7=q0*M1

q0-удельная теплота растворения силиката натрия

По данным Вейля [2], для силиката Na2O*SiO2 первая теплота растворения равна 28,1 кДж/моль, ее и принимаем для расчета (фактическая теплота растворения должна быть несколько ниже исходя из состава и механизма растворения силикат-глыбы).

q0=28,1*1000/122=230,33кДж/кг,

где 122=относительная молекулярная масса Na2O*SiO2

Q7=433*230,33=99731,97кДж

Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=Q6+Q7

54363,15+25923,98-460,46* qконд+178175,5+704,497+73875,319-69,06*qконд=1380,77* qконд+99731,97

1910,23 qконд=466645,48

qконд=244,29 кг/цикл

qv= qконд/Mгот. пр.=244,29/5678=42,86кг/тонну готовой продукции

Таким образом, количество воды добавляемой при загрузке сырьевых материалов будет равно Мводытреб-qконд=3402-244,29=3157,7кг/цикл

Невязка 0,52%

  1.  Технико-экономическое обоснование

На данный момент существует тенденция роста количества предприятий, изготавливающих натриевое жидкое стекло самостоятельно для собственных нужд , путем растворения кремнеземсодержащих компонентов и едкой щелочи.

Но, выбранный метод получения жидкого натриевого стекла (варка силикат-грыбы) является наиболее энергетически выгодным из всех на данный момент существующих и наиболее распространенных в промышленном масштабе. Сравним некоторые показатели:

Время варки во вращающимся автоклаве в 1,5-2 раза меньше, чем в стационарных автоклавах с той же производительностью за цикл.

Так же значительно сокращается количество нерастворенного кремнеземсодержащего осадка (в процессе варки в стационарном автоклаве осадок составляет до 5% от готового продукта за цикл [1], а это около 300 кг за цикл)

Таким образом, для промышленного производства варка жидкого стекла путем растворения силикат-глыбы наиболее выгодное.

7.Используемая литература

[1] В.И. Корнеев, В.В.Данилов «Жидкое и растворимое стекло», Санкт-Петербург: Стройиздат, СПб., 1996-216с.

[2] Vail J.G. Soluble Silicatas, New York 1952 v.1.2

[3] СНиП 2.04.14-88(98) «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»

[4] М.И. Роговой, Кондаков М. Н. «Расчеты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов» , Москва, Стройиздат, 1975, 320 с

[5] ГОСТ 21880-94 «Маты минераловатные прошивные для тепловой изоляции промышленного оборудования. Технические условия»

[6] Никифорова Н. М. «Основы проектирования тепловых установок при производстве строительных материалов», Москва, «Высшая школа» 1974 г, 144 с

[7] В.В. Перегудов, М. И. Роговой «Тепловые процессы и установки в технологии строительных материалов», Москва, Стройиздат, 1983, 416 с.

PAGE  14


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12086. Исследование токовой и тепловой загрузки тиристоров в мо-стовой схеме управляемого выпрямителя однофазного тока при работе на RL - нагрузку 284 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 по курсу Силовые полупроводниковые приборы Тема: Исследование токовой и тепловой загрузки тиристоров в мостовой схеме управляемого выпрямителя однофазного тока при работе на RL нагрузку. Цели: 1 продолжение знакомства с многообразием
12087. Введение в компьютерные сети 58 KB
  1. Введение в компьютерные сети 1.1. Локальные и глобальные сети На самом элементарном уровне сеть это два компьютера обменивающихся информацией по соединяющему их кабелю. Кроме того компьютеры могут использовать общие разделяемые устройства например факсмодемы. ...
12088. Сетевые компоненты 39 KB
  Тема 2. Сетевые компоненты 2.1. Передача сигналов Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии немодулированную передачу и модулированную передачу. 2.1.1.Немодулированная передача Немодулированные baseband системы передают данные в виде цифр
12089. Теоретическая модель сети 102.5 KB
  Тема 3. Теоретическая модель сети 3.1. Сетевые модели OSI и IEEE Project 802 3.1.1. Работа сети Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить несколько отдельных задач: распознать данные; разбить данные на управляемые бл...
12090. Реальные сети 2.57 MB
  Тема 4. Реальные сети 4.1. Ethernet 4.1.1. Обзор 4.1.1.1. Происхождение В конце 60х годов Гавайский университет разработал глобальную вычислительную сеть ГВС под названием ALOHA. Университет располагая обширной территорией решил объединить в сеть все имеющиеся в его распоряжен
12091. Глобальные сети, Удаленный доступ 8.42 MB
  Глобальные сети. Удаленный доступ. Технология модемов Модем modem это устройство которое позволяет компьютерам обмениваться данными по телефонной линии. Когда компьютеры расположены далеко друг от друга и их нельзя соединить стандартным сетевым...
12092. Пример создания проекта 1.34 MB
  Лабораторная работа 5.1. Пример создания проекта Цель проекта: разработать компьютерную программу состоящую из двух модулей. Процесс создания такой программы содержит разработку алгоритма и программирование каждого модуля их совместную отладку и оформление програм...
12093. Движение тела, брошенного с некоторой высоты под углом к горизонту 319 KB
  Лабораторная работа 112 Движение тела брошенного с некоторой высоты под углом к горизонту. Краткая теория 1. Основные понятия кинематики материальной точки. Кинематика это раздел механики описывающий движение тел без выяснения причин обусловивших это дв...
12094. Определение коэффициента восстановления скорости при соударении шаров 186 KB
  Лабораторная работа №116. Определение коэффициента восстановления скорости при соударении шаров. Краткая теория Ударом называется относительно кратковременное взаимодействие двух или более тел время взаимодействия значительно меньше времени движения те...