Исследование процесса обескремнивания флюоритового флотоконцентрата

2.2 Методика термодинамических расчетов по методу Темкина-Шварцмана

Вычисление констант равновесия при любых температурах без проведения опытов по изучению равновесия является одним из наиболее важных практических приложений химической термодинамики. Эти расчеты проводятся с использованием абсолютных энтропий. В основе расчета констант равновесия реакций при любых температурах лежит уравнение для стандартной энергии Гиббса:

. (2.1)

Для стандартной энергии Гиббса реакции получаем (при Т=const)

, (2.2)

где - стандартный тепловой эффект реакции при Т; - стандартная энтропия реакции при Т.

Подставляя выражение для из уравнения (1) в (2), находим

. (2.3)

Тепловой эффект реакции при заданной температуре определяется по уравнению Кирхгофа (4):

, (2.4)

где определяют по стандартным теплотам образования.

Изменение энтропии реакции при заданной температуре находят следующим образом. Энтропия отдельного вещества связана с обратимым изменением теплоты соотношением

dS = дQобр /Т.

Связь молярной теплоёмкости Ср вещества с теплотой процесса при Q=Qобр и р=const определяется из выражения:

дQобр=СрdT.

Из этих двух уравнений получаем:

dS=CрdT.

Если между несколькими веществами происходит реакция и изменение теплоемкости во время реакции равно ДСр, то изменение энтропии ДS определяется из соотношения

dДS = Cpdt/T.

После интегрирования в интервале температур от 298 К до Т получим:

, (2.5)

где определяется по стандартным абсолютным энтропиям компонентов.

Подставляя значение и из равенств (2.4) и (2.5) в уравнение (2.3), получаем:

, (2.6)

где

. (2.7)

В результате имеем:

, (2.8)

где M0, M1, M2, M-2 - функции температуры.

Выражения для М0 (при n=0) и для Mn (при n=1, 2, -2)имеют вид:

; (2.9)

. (2.10)

Определив по уравнению (2.6) стандартную константу равновесия К0, рассчитывают константу Кр для идеальной газовой смеси в единицах МПа.

Темкин и Шварцман составили таблицы для расчета коэффициентов M0, M1, M2, M-2 в уравнении (2.8), поэтому определение констант химических реакций по уравнениям (2.6) - (2.8) называется методом Темкина-Шварцмана. В настоящее время этот метод широко используется для расчета констант равновесия реакций и дает достаточно точные результаты. Это объясняется тем, что теплоты образования и абсолютные энтропии необходимые для расчета и по уравнению (2.6), берутся из справочных таблиц. Значение I по (8) определяется менее точно, так как коэффициенты а, b, c, с' в интерполяционных уравнениях для теплоемкости приводятся с невысокой точностью. Слагаемое I/R в (2.6) имеет сравнительно небольшое значение, поэтому ошибка при определении I существенно не влияет на точность вычисления константы равновесия[19].

Если известны молярные теплоемкости компонентов только при стандартной температуре, то для I получается менее точное выражение:

. (2.11)

2.3 Термодинамический расчет равновесия основных реакций

2.3.1 Теория термодинамичского расчета

Термодинамический расчет основан на законе сохранения и превращения энергии, являющимся наиболее общим законом природы. Этот закон используется в форме первого закона термодинамики. Точнее, термодинамический аппарат основан на законе сохранения энергии и принципе существования энтропии, на базе которых получено основное уравнение термодинамики. Это объясняет универсальность термодинамического аппарата, достоверность выводов термодинамики, всех ее уравнений и зависимостей, равно достоверности закона сохранения энергии[20].

Основные понятия и термины.

Термодинамикой называется наука, изучающая законы превращения энергии и особенности процессов этих превращений.

Термодинамика, изучающая превращения энергии в химических реакциях и исследующая возникающие при этом тепловые явления, называется химической термодинамикой.

Применение термодинамических методов для исследования химических реакций в настоящее время дает возможность установить, какие из реакций в рассматриваемой системе при заданных температуре, давлении и концентрациях могут протекать самопроизвольно (т.е. без затраты работы извне), каков предел их самопроизвольного протекания (т.е. каково положение равновесия) и как следует изменить эти условия, чтобы процесс мог совершаться в нужном направлении в требуемой степени.

При этом наиболее часто используют данные об изменении энтальпии (?Н), теплоемкости (?CP), энтропии (?S), энергии Гиббса (?G) и о константе равновесия (К)

Энтальпия - функция состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии S и давлении р, связанная с внутренней энергией U соотношением:

H = U + pV,

где V - объем системы.

Энтропия - функция состояния термодинамической системы, изменение которой (dS) в равновесном процессе равно отношению количества теплоты (dQ), сообщенного системе или отведенного от неё, к термодинамической температуре (Т) системы:

dS = dQ/T.

Теплоемкость - отношение количества теплоты, полученного телом (веществом) при бесконечно малом изменении его состояния в каком-либо процессе, к вызванному им приращению температуры.

Гиббса энергия (изобарно-изотермический потенциал, свободная энтальпия) - функция состояния термодинамической системы, определяемая равенством:

G = H - TS,

где H - энтальпия, T - абсолютная температура, S - энтропия.

Константа равновесия - величина, количественно выражающая закон действующих масс и связанная со стандартным изменением энергии Гиббса ?G0 соотношением:

ln Kp = - ?G/RT.

Константа равновесия выражает взаимную зависимость между концентрациями веществ в системе при достижении равновесия и характеризует степень направленности реакции в сторону образования тех или иных продуктов.

Принципиальная осуществимость процесса определяется знаком ?G: если при заданных условиях ?G < 0, то реакция возможна, если ?G > 0, то реакция неосуществима; при ?G = 0 система находится в равновесии. Значение ?G (при ?G < 0) позволяет установить, насколько изучаемая система далека от состояния равновесия.

Если при ?G < 0 реакция не идет, то это указывает лишь на необходимость преодоления тормозящих реакцию препятствий (как правило, низких температур) и вывода системы из состояния ложного равновесия.

Таким образом, реакция может не протекать как вследствие близости к состоянию равновесия, так и вследствие торможения. Для того, чтобы вызвать реакцию, в первом случае необходимо изменить условия ее протекания, а во втором - ее скорость. В заторможенной системе реакция может быть возбуждена нагреванием.

Без знания термодинамики процесса нельзя указать, какая доля наблюдаемого эффекта в каждом отдельном случае обусловлена изменением скорости, и какая - смещением равновесия[20].

2.3.2 Термодинамический расчет

Реакции для расчета:

1) CaF2 + H2SO4 > 2HF + СаSO4,

2) SiO2 + 6NH4F > (NH4)2SiF6 + 2H2O + 4NH3

3) SiO2 + 3NH4F•HF > (NH4)2SiF6 + 2H2O + NH3

4) SiO2 + 3NH3 + 6HF > (NH4)2SiF6 + 2H2O + NH3

5) SiO2 + 4HF > SiF4 + 2H2O

При термодинамическом расчете будем учитывать, что реакции 2) и 3) действительны только при температурах меньше 3200С, после этой температуры идет распад фторида и бифторида аммония на NH3 и HF.

?G298=?H298 - T?S298 (2.12)

?GT =?H298 - T?S298 + ?Cp0 (T-298-T ln) (2.13)

?GТ=?ni ?GТпрод.-?ni ?GТисх (2.14)

Таблица 1. Термодинамические свойства веществ в состоянии идеального газа и конденсированном состоянии при 298K.

Вещество	?H0f,298, Дж/моль	?S0298, Дж/моль K	Cp, Дж/моль K
CaF2	-1231000,00	68,80	67,03
H2SO4	-814000,00	157,00	139,00
СаSO4	-1435000,00	107,00	100,00
SiO2	-910100,00	41,80	44,48
(NH4)2SiF6	-2632200,00	284,00	228,26
H2O	-241820,00	188,80	33,60
SiF4	-1613500,00	281,70	73,60
HF	-270900,00	173,50	29,14
NH4F	-463100,00	71,70	65,27
NH3	-46800,00	192,30	35,60
NH4F·HF	-800000,00	115,50	106,76

Таблица 2. Сводная таблица данных реакций

	CaF2 + H2SO4 > 2HF + СаSO4
Т, К	298	373	473	573	673
?G	0,1964	0,0002458	-37,66019	-57,8016	-77,1054
	SiO2 + 6NH4F > (NH4)2SiF6 + 2H2O + 4NH3
Т, К	298	373	473	573	673
?G	99,9376	28,01223	-67,92901	-163,9077	-259,9173
	SiO2 + 3NH4F•HF > (NH4)2SiF6 + 2H2O + NH3
Т, К	298	373	473	573	673
?G	8,7112	0,0109036	-71,30194	-115,9715	-160,0499
	SiO2 + 3NH3 + 6HF > (NH4)2SiF6 + 2H2O + NH3
Т, К	298	373	473	573	673
?G	-246,612	-186,2197	-105,8116	-25,50874	54,70749
	SiO2 + 4HF > SiF4 + 2H2O
Т, К	298	373	473	573	673
?G	-80,643	-74,72875	-66,37452	-57,58913	-48,4487

По данным таблиц можно сделать несколько выводов. Во-первых, основная реакция идет в прямом направлении только после температуры 2800К. Реакция оксида кремния с фторидом аммония до 4000К идет в обратном направлении, реакция оксида кремния с бифторидом аммония идет в обратном направлении до 3750К.

Также нужно отметить, что после распада фторида и бифторида аммония на аммиак и соляную кислоту после 3200С, реакция оксида кремния с соляной кислотой и аммиаком не может протекать в прямом направлении.

Реакция оксида кремния с соляной кислотой протекает во всем интервале температур от 298 до 6730К.

Наглядно зависимость энергии Гиббса от температуры для разных реакций продемонстрировано на рисунке 9:

2.4 Переработка отходящих газов

Процесс обескремнивания флюоритового флотоконцентрата сопровождаются выделением газообразного гексафторосиликата аммония (ГФСА). Кроме того, в результате термического разложения флюорита в газовую фазу выделяется тетрафторид кремния. Переработка данных фторсодержащих газов является одной из основных задач разрабатываемой технологии.

2.4.1 Переработка гексафторосиликата аммония

Наиболее приемлемыми способами утилизации гексафторосиликата аммония являются метод сублимации-десублимации и взаимодействие с аммиачной водой. Данные способы описаны в литературе, однако в силу ряда причин не нашли широкого практического применения.

При проведении операции обескремнивания флюоритового флотоконцентрата бифторидом аммония выделяется значительное количество гексафторосиликата аммония, который удаляется из системы при температуре выше 319оС за счет сублимации. Утилизацию ГФСА возможно проводить с помощью операции сублимации-десублимации. Данный процесс протекает в диффузионной области реагирования. Для его интенсификации необходимо внешнее воздействие, например, интенсивное перемешивание продукта при проведении процесса, что можно осуществить во вращающихся обогреваемых аппаратах. Но надо оговориться, что в литературе имеются разногласия по поводу возможности полной количественной сублимации - десублимации (NH4)2SiF6: в работах [12, 14] показано, что (NH4)2SiF6 начинает сублимироваться при температуре выше 280оС, и давление паров достигает атмосферного при температуре 319оС. Но в то же время есть данные [7, 16] согласно которым это вещество, переходя в газовую фазу, разлагается по реакции

(NH4)2SiF6 = 2NH3 + 2HF + SiF4.

Несмотря на то, что гексафторосиликат аммония является товарным продуктом, например, используется в шпалопропиточном производстве и в травлении стекла [7], он не пользуется значительным спросом на рынке. Поэтому предлагается утилизировать его методом поглощения раствором аммиака по реакции (1.20), в результате чего получается диоксид кремния. Данный продукт, иначе называемый «белая сажа», широко применяется в качестве усиливающего наполнителя полимерных материалов в шинной, резинотехнической и химической промышленности, а так же строительной индустрии для получения высококачественного бетона. Аморфный SiO2 применяется в производстве огнетушащих порошков, шпаклевок, компаундов, жидкого стекла, а так же как добавка, улучшающая перерабатываемость полимеров при производстве труб и вспененных материалов [35, 36].

В странах СНГ производителями белой сажи являются: ОАО Сода (г. Стерлитамак), ОАО Сумыхимпром (Украина). ОАО Тульский горнохимический завод - крупный производитель белой сажи (до 10 тыс. тонн в год) - в основном поставляет свою продукцию на предприятия шинной промышленности [36].

Так же на рынке России присутствует импортный кремнеземистый наполнитель фирм Degussa (Германия) и Ron-Pulenk (Франция), стоимость которого в зависимости от марки выпускной формы колеблется от 1700 до 2500 долларов США за тонну. Данные наполнители обладают более высоким качеством, чем белая сажа Тульского горнохимического завода, и используется для выпуска крупногабаритных шин, легковых высокодисперсных шин, материалов и продуктов парфюмерии (зубных паст, кремов и пр), пленочных материалов, латексных изделий. В РФ и странах СНГ производство аналогичного продукта отсутствует [35].

По данным ВНИИШП (г. Москва) спрос в РФ на высокочистый аморфный SiO2 составляет до 20 тысяч тонн в год, который в настоящее время удовлетворяется в основном за счет зарубежных поставщиков [36].

Таким образом, утилизация гексафторосиликата аммония методом поглощения аммиачной водой позволит получить товарный продукт - диоксид кремния - широко пользующийся спросом на рынке. Данный способ получения диоксида кремния описан в работе [14], однако до сих пор не нашел широкого промышленного применения.

2.4.2 Переработка тетрафторида кремния

В современной промышленности разработаны и внедрены различные способы утилизации газообразного тетрафторида кремния, преобладающими являются адсорбционные способы очистки. Тетрафторид кремния растворим в воде при пониженных температурах, поэтому вода является для него хорошим адсорбентом. Введение в раствор добавок в виде щелочей приводит к более глубокой очистке газов от этого соединения.

Наиболее традиционным способом извлечения тетрафторида кремния из газов является промывка водой в механических камерах с разбрызгивающими валками с последующим доулавливанием примесей в полых башнях [21]. Однако этот метод не отличается высокой эффективностью, так как в результате гидролиза тетрафторида кремния по реакции

3SiF4 + 2H2O = 2H2SiF6 + SiO2

образуется кремнегель, который налипает на механические разбрызгивающие устройства, препятствуя нормальному контакту между жидкой и газовой фазой.

Существует способ утилизации SiF4 путем взаимодействия с газообразным аммиаком:

3SiF4 + 4NH3 + 2H2O = 2(NH4)2SiF6 + SiO2.

Продукты данной реакции улавливают с помощью мешочных фильтров, остаток обрабатывают водой для извлечения гексафторосиликата аммония, а диоксид кремния отделяют фильтрацией. Известен способ переработки тетрафторида кремния высокотемпературным плазмохимическим гидролизом по реакции:

SiF4 +2H2O = SiO2 + 4HF.

Однако этот метод слишком дорогой и сложен в аппаратурном оформлении. Описан способ утилизации SiF4 растворами аммиака [22]:

SiF4 + 4NH4OH = 4NH4F + 2H2O + SiO2

Данный способ наиболее приемлемый для нашей технологии, поскольку позволяет утилизировать SiF4 с образованием диоксида кремния и раствора фторида аммония, и не потребует установки дополнительного оборудования в технологическом процессе. Полученный в результате аммиачного гидролиза фторид аммония может быть разложен до бифторида по существующим в промышленности технологиям.

Таким образом, проведенные исследования позволяют предложить принципиально-технологическую схему утилизации газов, получающихся при фторировании и обескремнивании топазового концентрата бифторидом аммония. Она включает в себя следующие стадии (рисунок 10):

1) десублимацию гексафторосиликата аммония;

2) растворение ГФСА в аммиачной воде;

3) абсорбцию SiF4 аммиачной водой;

4) регенерацию фторирующего агента и возвращение бифторида аммония на стадию фторирования флюоритового концентрата.

Принципиальная особенность данной схемы состоит в выделении и отделении (NH4)2SiF6 от остальных газов с получением дополнительного товарного продукта. Кроме того, предложенная схема позволяет так же регенерировать фторирующий агент с последующим повторным его использованием в технологии. Образующийся в результате термического разложения флюорита тетрафторид кремния вносит в данную систему дополнительный избыток фтора, который можно выводить и хранить в виде (NH4)2SiF6. При возникновении необходимости в дополнительном фторирующем агенте его можно использовать для получения фторида аммония. Также данная схема позволяет перерабатывать флюоритовый флотоконцентрат с любым исходным содержание избыточного кварца, регулируя технологический процесс количеством исходного фторирующего агента.

Рисунок 10. Принципиальная схема утилизации отходящих газов

3. Экспериментальная часть

3.1 Кинетическая теория

Гетерогенные некаталитические реакции занимают видное место в химической промышленности. Основной признак гетерогенной реакции - наличие границы раздела фаз:

твердое - жидкость;

твёрдое - газ;

жидкость - газ;

жидкость-жидкость (несмешивающиеся);

твёрдое-твердое.

Основной особенностью гетерогенных некаталитических реакция является многостадийное последовательное взаимодействие реагентов. Во всех гетерогенных реакциях можно различить несколько стадий:

Конвективных подход реагента (внешняя диффузия);

Адсорбция на поверхности частицы

Внутренняя диффузия через пористый слой золы к ядру частицы;

Химическая реакция

Диффузия по поверхности поры от ядра.

Десорбция в приповерхностный газовый поток;

Конвективный унос продукта реакции.Основной задачей гетерогенной кинетики является определение лимитирующей стадии процесса и скорости всего процесса в целом. Только после определения лимитирующей (т.е. самой медленной) стадии химик-технолог может найти способ интенсифицировать процесс.

Критерием лимитирующей стадии является энергия активации. Для вступления в реакцию молекула должна обладать некоторой избыточной энергией - энергией активации, пропорциональной скорости с которой она налетает на другую молекулу. Чем больше энергия активации, тем более сложные энергетические барьеры может преодолеть молекула на пути столкновения с объектом реакции.

Чем выше энергия активации, тем труднее молекулам вступать в контакт и тем медленнее идёт процесс в целом.

Интервал энергий активации, в котором одна из стадий является лимитирующей и называется областью реагирования.

Если процесс лимитируется химической реакцией то считается, что такая реакция протекает в кинетической области реагирования. Если самой медленной стадией является подвод реагента к частице или диффузия внутрь частицы через поры - такая реакция протекает в диффузионной области реагирования. В реальных системах трудно четко определить самую медленную стадию. Химическая реакция может протекать внутри частицы и на её поверхности, сопровождаться адсорбцией и катализом. Диффузия также может протекать через поры или сквозь твердую оболочку и также сопровождаться рядом параллельных процессов. Все это приводит к множеству областей реагирования, различаемые разными авторами. Отметим основные четыре области реагирования и энергии активации соответствующие им.

Таблица.3 Характеристика областей гетерогенного реагирования

Область реагирования	Кинетическая	Переходная	Внешняя диффузионная	Внутренняя диффузионная
Энергия активации КДж/моль	Более 40	40-20	20-10	Менее 10
Способ ускорения процесса	Повышение температуры	Определяется экспериментально	Перемешивание среды	Измельчение Частиц

Связь энергии активации с константой скорости определяется уравнением Аррениуса:

 (3.1)

где: ko - истинная константа скорости;

kt - температурная константа скорости;

EA - энергия активации.

В логарифмических координатах экспоненциальную зависимость можно изобразить прямой линией:

lnkt = lnk0 - EA/RT (3.2)

Математическая линеаризация уравнения Аррениуса позволяет всего по двум экспериментальным точкам, при двух разных температурах построить полную зависимость константы скорости от температуры. Определить константу скорости (как и любую другую физическую константу) можно только экспериментальным путём. Для достаточной точности обычно проводят не менее четырёх экспериментов при разных температурах.

Таким образом, для определения кинетических параметров необходимо измерить скорость реакции при различных температурах. Скорость реакции можно определить как изменение массы одного из реагирующих веществ во времени.

Для удобства математической обработки используют не изменение массы, а степень превращения, выраженную в долях или процентах:

(3.3)

где: m0 - начальная масса вещества;

mt - масса вещества через время t после начала реакции.

После проведения эксперимента и построения кинетических кривых, необходимо осуществить математическую обработку результатов.

Целью математической обработки является вывод из экспериментальных данных аналитической формулы, связывающей степень превращения вещества от времени и температуры.

Реальные химические реакции осложнены множеством побочных процессов, что приводит к некоторому разбросу экспериментальных точек от аналитических графиков. Необходимо подобрать уравнение, наиболее точно описывающее экспериментальные кинетические кривые.

Это уравнение «сокращающейся сферы» (Грея-Веддингтона):

1- (3.4)

эта формула описывает модель сокращающейся сферы, т.е. может применятся в процессах горения или растворения, когда частица реагирующего вещества, теряя массу, уменьшается в размере. Обычно уравнение сокращающейся сферы хорошо описывает процессы протекающие в кинетической области реагирования.

Уравнение Яндера:

(3.5)

Это уравнение описывает модель нарастания на частице слоя продукта, т.н. слоя золы. Экспериментальные точки достаточно точно ложатся на график уравнения Яндера только в том случае, если толщина слоя, образовавшегося на частице твёрдого продукта реакции, значительно меньше радиуса непрореагировавшего ядра. В случае если частица покрыта толстым слоем золы, то кинетика процесса подчиняется уравнению Кранка-Гистлинга-Броунштейна, которое описывает процессы, протекающие в диффузионных областях реагирования:

(3.6)

Уравнения составлены таким образом, что если правую часть принять за функцию, а время реакции за аргумент, то получится график прямой линии, а тангенс угла наклона численно будет равен коэффициенту скорости.

В практических расчётах часто используется т.н. уравнение Казеева-Ерофеева:

(3.7)

Показатель степени n характеризует область реагирования. При n ? 1 исследуемый процесс протекает в кинетической области, при n <1 процесс протекает в диффузионной области.

По уравнению Аррениуса графическим методом определяется энергия активации.

Вывод кинетического уравнения необходим для того, чтобы технолог, реализующий процесс на производстве, имел возможность определить при каких температурах и за какое время достигается максимальная полнота реагирования (более 95%). По величине энергии активации определяется область реагирования, и даются рекомендации по интенсификации процесса.

Только после определения кинетических параметров, можно рассчитать планируемый экономический эффект и приступить к проектированию аппаратуры.

3.2 Методика проведения эксперимента

Рис. 11. Лабораторная установка для проведения кинетических исследований; 1 - Pt-тигель с навеской; 2 - регулируемая печь; 3 - весы; 4 - терморегулятор; 5 - блок обработки сигнала; 6 - монитор.

Эксперимент заключается в определении массы оставшейся смеси после реагирования 95%-го фторида кальция и чистого фторида кальция массой 20г с фторидом аммония массой 6г. Фторид аммония брали с избытком 3,15 гр. Вещества тщательно перемешивали, помещали в платиновый тигель и опускали на электронные весы внутри электрической печи. Печь предварительно нагревали до заданной температуры. Показания температуры внутри печи снимали с помощью термопары, подсоединенной к терморегулятору. Измерения проводили при 3200С, 3500С, 3800С, 4100С. Каждые 5 минут снимались показания изменяющейся массы смеси.

3.3 Обработка опытных данных

Экспериментальные данные, представленные в виде зависимости изменений массы и степени реагирования от времени при разных температурах(кинетические кривые) представлены на графике 12:

После проведения экспериментов и построения графика зависимости степени превращения от времени для реакций взаимодействия фторида кальция(95%) с бифторидом аммония, осуществляем математическую обработку результатов.

Целью математической обработки является вывод из экспериментальных данных аналитической формулы, связывающей степень реагирования вещества от времени и температуры.

Первым шагом является определение математической зависимости степени реагирования от времени, т.е. определение уравнения которым описывается экспериментальная кривая.

Реальные химические реакции осложнены множеством побочных процессов, что приводит к некоторому разбросу экспериментальных точек от аналитических графиков.

Необходимо подобрать уравнение, наиболее точно описывающее экспериментальные кинетические кривые.

Проведем математическую обработку экспериментальных данных процесса взаимодействия фторида кальция(95%) с бифторидом аммония.

Для того чтобы определить, какое из уравнений более точно описывает экспериментальные данные, необходимо пересчитать степень реагирования в анаморфозы нескольких уравнений и сравнить, какая анаморфоза более точно соответствует прямой линии.

Таблица 4. Линеаризация кинетических кривых

T, К	t, мин	б	1-(1-б)1/3	(1-(1-б)1/3)2	1-2/3*б-(1-б)^2/3
683	0	0	0	0	0
	5	0,174286	0,061840675	0,003824269	0,003666606
	10	0,401429	0,157237258	0,024723555	0,022131913
	15	0,671429	0,309956294	0,096072904	0,076220637
	20	0,86	0,48075059	0,23112113	0,157046717
	25	0,952857	0,638752126	0,408004278	0,234261878
	30	0,964286	0,670683122	0,44981585	0,248693251
653	0	0	0	0	0
	5	0,107143	0,037071607	0,001374304	0,001340339
	10	0,357143	0,136945626	0,018754104	0,017041909
	15	0,621429	0,276593159	0,076503776	0,062396828
	20	0,825714	0,44141758	0,19484948	0,137509489
	25	0,914286	0,559088862	0,312580355	0,196073559
	30	0,915714	0,561552104	0,315340765	0,197287252
623	0	0	0	0	0
	5	0,1	0,034510615	0,001190983	0,001163582
	10	0,342857	0,13059941	0,017056206	0,015571186
	15	0,598571	0,262317592	0,068810519	0,056777046
	20	0,765714	0,383525284	0,147091643	0,109482734
	25	0,895714	0,529302809	0,280161463	0,181301297
	30	0,905714	0,544856199	0,296868278	0,189034597
593	0	0	0	0	0
	5	0,047143	0,015967902	0,000254974	0,00025226
	10	0,207143	0,074453348	0,005543301	0,005268156
	15	0,407143	0,15992766	0,025576856	0,022849892
	20	0,717143	0,343569049	0,118039691	0,091003168
	25	0,884286	0,512700844	0,262862155	0,173015723
	30	0,9	0,535841117	0,287125702	0,184556531

Наиболее подходящим является уравнение cокращающейся сферы:

1- (1-б)1/3 = k·t

Ниже приведен график линеаризации кинетических кривых по уравнению сокращающейся сферы. Из графического изображения, очевидно, что кинетические кривые наиболее точно линеаризуются в координатах уравнения. Соответственно именно это уравнение наиболее точно описывает кинетику рассматриваемого процесса.

Рассчитаем тангенсы углов наклона прямых, которые соответствуют температурным константам скорости:

tgц593 = 0,51/1500 = 3,4·10- 5 с-1;

tgц623 = 0,53/1500 = 3,53·10-5 с-1;

tgц653 = 0,56/1500 = 3,73·10-5 с-1;

tgц683 = 0,63/1500 = 4,2·10-5 с-1;

По полученным температурным константам скорости строим график в координатах уравнения Аррениуса:

ln kT=ln k0 - EA / RT

Таблица 5. Координаты уравнения Аррениуса: ln kT=ln k0 - EA / RT

Т	103/Т	kT ·105	ln kT
593	1,686	3,4	-10,289
623	1,605	3,53	-10,251
653	1,531	3,73	-10,197
683	1,464	4,2	-10,078

Из графика следует, что ln k0= -10,5, тогда k0= 2,75 · 10-5 с-1. Энергию активации находим по тангенсу угла наклона прямой линии E/R = tgц=0,25/2·10-3 = 250. Отсюда находим величину энергии активации E =250·R= 2077,5 Дж/моль.

Полученные значения константы скорости и энергии активации подставляем в исходное уравнение:

(1 - б)1/3=2,75 · 10-5 ·exp( -2077,5/ RT)·t

Зависимость степени превращения от времени для данного процесса выглядит следующим образом:

б=1-[1-(2,75 · 10-5 ·exp(-2077,5/ RT)·t)1/2]3

Подставляя в полученное уравнение желаемые температуру и время можно вычислить степень реагирования исходного вещества в продукт при заданных условиях.

Энергия активации процесса составила величину 2,077 кДж/моль. Процесс протекает во внутренней диффузионной области реагирования. Способ ускорения процесса - перемешивание и измельчение частиц.

Аналогично проводился эксперимент с чистым фторидом кальция.

Для описания кинетики данного процесса наиболее точно подошло уравнение сокращающейся сферы.

По полученным температурным константам скорости строим график в координатах уравнения Аррениуса:

ln kT=ln k0 - EA / RT

Из графика следует, что ln k0= -10,39, тогда k0= 3,07 · 10-5 с-1. Находим величину энергии активации E =265·R= 2202,15 Дж/моль.

Зависимость степени превращения от времени для данного процесса выглядит следующим образом:

б=1-[1-(3,07 · 10-5 ·exp(-2202,15/ RT)·t)1/2]3

Энергия активации процесса составила величину 2,202 кДж/моль. Процесс протекает во внутренней диффузионной области реагирования. Способ ускорения процесса - перемешивание и измельчение частиц.

3.4 Выводы и рекомендации

Полученные экспериментальные данные показывают, что применение фторида аммония позволяет достаточно полно очистить фторид кальция от кремния.

По установленным энергиям активации можно сделать вывод, что лучший способ ускорения процесса - перемешивание и измельчение частиц. Оптимальным аппаратом, выпускаемым промышленностью для таких целей соответственно является барабанно-вращающаяся печь.

Оптимальная температура процесса ~3600C.

Также в результате расчетов были получены зависимости степени превращения от времени для процессов реагирования 95%-го фторида кальция и чистого фторида кальция с фторидом аммония. Оба процесса протекают во внутренней диффузионной области реагирования.

Для реакции с 95% фторидом кальция:

б=1-[1-(2,75 · 10-5 ·exp(-2077,5/ RT)·t)1/2]3

Для реакции с чистым фторидом кальция:

б=1-[1-(3,07 · 10-5 ·exp(-2202,15/ RT)·t)1/2]3

Подставляя в полученные уравнения желаемые температуру и время можно вычислить степень реагирования исходного вещества в продукт при заданных условиях.

4. Укрупненное проектирование

4.1 Разработка аппаратурно-технологической схемы процесса обескремнивания

На основании технологической карты процесса(рис. 18) предложено аппаратурное оформление процесса.

Рисунок 18. Технологическая схема процесса обескремнивания ФФ

В данной технологии используются только стандартные аппараты, выпускаемые химической промышленностью, что не вызовет затруднения при проектировании и эксплуатации производства.

Аппаратурно-технологическая схема представлена на рис.19.



Рисунок 19. Аппаратурно-технологическая схема процесса обескремнивания ФФ

Флюоритовый флотоконцентрат и фторид аммония из бункеров 1 и 2 соответственно через шнек-затвор 3 поступают в барабанно-вращающуюся печь 4. В барабанно-вращающейся печи бифторид аммония реагирует с оксидом кремния по реакции:

SiO2 +3NH4F*HF = (NH4)2SiF6 + 2H2O + NH3

Чистый фторид кальция сбрасывается в бак 5. Гексафторосиликат аммония, образующийся в результате реакции, при нагревании переходит в газообразное состояние. Газообразный (NH4)2SiF6 десублимируется в абсорбере 7, растворяется в воде и обрабатывается NH4OH. Полученный раствор периодически выгружается в переливной бак 9.

Затем осадок гидратированного оксида кремния отделяют фильтрацией от раствора фторида аммония в вакуумном фильтре 10. Отделенный раствор фторида аммония выкачивается в бак 11. Оттуда фторид аммония поступает в кристаллизатор 12, где упаривается и кристаллизуется в виде технического фторида аммония состава 25% NH4F, 75% NH4F*HF, который выгружается из бака 13 в исходный бункер загрузки 2.

4.2 Химический материальный баланс

Материальный расчет процесса обескремнивания флюоритового флотоконцентрата ведем, исходя из производительности 6300 тонн по исходному сырью в год.

Материальный процесса обескремнивания флюоритового флотоконцентрата отражает закон сохранения массы вещества. Для всех участвующих веществ он может быть представлен уравнением, левую часть которого образует масса исходных веществ УGj исх., а правую - масса получаемых продуктов УGj прод..

?Gi исх.= ?Gi прод., (4.1)

где Gi исх. - количество реагентов, поступающих в аппарат за единицу времени, т/г;

Gi прод. - количество продуктов, удаляемых из аппарата за единицу времени, т/г.

В результате анализа состава флюорита были получены следующие результаты:

Таблица 6. Состав флюоритового флотокоцентрата

	СaF2	SiO2	Al2O3	CaCO3
%	94	2	2	2
тонн	5922	126	126	126

Установлено, что при взаимодействии флюорита и бифторида аммония при температуре 350 0С протекают следующие реакции:

SiO2 + 3,5NH4F•HF = (NH4)3SiF7 + 2H2O + 0,5NH3

(NH4)3SiF7 = (NH4)2SiF6 + NH3 + HF

Al2O3 + 6NH4HF2 = 2(NH4)3AlF6 + 3H2O

(NH4)3AlF6 = (NH4)AlF4+ 2NH3 + 2HF

(NH4)AlF4 = AlF3 + NH3 + HF

CaCO3 + NH4F•HF = CaF2 + CO2 + H2O + NH3

NH4F•HF=NH3 + 2HF

Реакции бифторида аммония с оксидами кремния и алюминия протекают через образование промежуточных комплексов с последующим их разложением. В процессе реакции идет постепенное разложение избыточного бифторида.

Материальный баланс рассчитывали с учетом двукратного избытка фторида аммония.

Таблица 7. Годовой материальный баланс процесса обескремнивания флюоритового флотоконцентрата в барабанной вращающейся печи производительностью 6300 т/г по исходному сырью

Приход в год	Расход в год
Статья прихода	Масса, т/г	%	Статья расхода	Масса, т/г	%
CaF2	5922	68,36	CaF2	6020,3	69,50
SiO2	126	1,45	(NH4)2SiF6	373,8	4,31
Al2O3	126	1,45	H2O	165	1,90
CaCO3	126	1,45	NH3	633,3	7,31
NH4F•HF	2362,8	27,28	HF	1207,5	13,94
			CO2	55,4	0,64
			AlF3	207,5	2,40
Итого	8662,8	100	Итого	8662,8	100

Таблица 8. Часовой материальный баланс процесса обескремнивания флюоритового флотоконцентрата в барабанной вращающейся печи производительностью 875 кг/ч по исходному сырью

Приход в год	Расход в год
Статья прихода	Масса, кг/ч	%	Статья расхода	Масса, кг/ч	%
CaF2	822,5	68,36	CaF2	836,2	69,50
SiO2	17,5	1,45	(NH4)2SiF6	51,9	4,31
Al2O3	17,5	1,45	H2O	22,9	1,90
CaCO3	17,5	1,45	NH3	88	7,31
NH4F•HF	328,2	27,28	HF	167,7	13,94
			CO2	7,7	0,64
			AlF3	28,8	2,40
Итого	1203,2	100	Итого	1203,2	100

По полученным данным материального баланса можно сделать несколько выводов. Во-первых, необходимо отметить, что после фтораммонийного обескремнивания флюоритового флотоконцентрата количество фторида кальция увеличивается на 2%. Это связано с тем, что примесь фторида кальция карбонат кальция реагирует с бифторидом аммония и это приводит к образованию некоторого количества CaF2 и ряда летучих продуктов.

Также материальный баланс показывает выгодность данного метода очистки фторида кальция от примесей по сравнению с действующим методом по схеме Бусса. По данной схеме после фтораммонийной очистки на выходе получается уже очищенный от основных примесей CaF2, это позволяет избавиться от стадии ректификации, что значительно удешевляет весь технологический процесс.

Также видно, что для 100%го обескремнивания фторида кальция необходимо примерно 2362,8т бифторида аммония(с учетом двукратного избытка). Реально на процесс фторирования расходуется 1181,4 тонн бифторида аммония. Избыточный NH4F•HF в процессе реакции разлагается на аммиак и HF. Необходимо отметить, что весь бифторид аммония является не расходуемым реагентом, а т.н. реакционной средой.

4.3 Тепловой расчет процесса фтораммонийного обескремнивания флюоритового флотоконцентрата

Тепловой расчет процесса фтораммонийного обескремнивания флюоритового флотоконцентрата включает в себя определение тепловых потоков, составление таблицы теплового баланса и определение мощности нагревателя.

Расчет тепловых потоков проводится на основании уравнения теплового баланса, которое в общем виде запишется по формуле:

УQприх = УQрасх (4.2)

Или: Q1+ Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6+ Q

где Qприх - количество тепла, вносимое в аппарат с исходным веществами и нагревателем, кДж/ч;

Qрасх - количество тепла, уносимое из аппарата продуктами, идущее на нагрев аппарата и теряемое в окружающую среду, кДж/ч.

Приход тепла:

С фторидом кальция:

SiO2 Q1= m(SiO2) · CР(SiO2) • t(SiO2) / М(SiO2) = 17,5·44,48·20/60 = 259,5 кДж; (4.3)

CaF2 Q2=822,5 · 1305,56 · 20/78=14136,5 кДж;

Al2O3 Q3=17,5 · 79,04 • 20/102=271,2 кДж;

CaCO3 Q4= 17,5 · 81,25 • 20/110=258,5 кДж;

С бифторидом аммония:

NH4F·HF Q5 = 382,2 · 402,66 · 20/57= 12294,3 кДж;

С электрическим обогревом:

Qэл.=1,3·(УQ6-15 - УQ1-5 ) = 551108,1 кДж; (4.4)

Расход тепла:

CaF2 Q6=67,03 · 836,2 · 350/78= 251508,6 кДж;

(NH4)2SiF6 Q7=51,9 · 228.26 • 350/178=23294,1 кДж;

H2O Q8=14961,3 кДж;

NH3 Q9=64498,8 кДж;

HF Q10=85518,6 кДж;

CO2 Q11=227 кДж;3

AlF3 Q12=9012 кДж;

Тепло, затрачиваемое на протекание реакций аммонийного гидрофторирования:

SiO2 Q13 = m(SiO2) · ?Hp / M(SiO2) = 17,5•147,46/78 = 33,1 кДж; (4.5)

Al2O3 Q14 =34,8 кДж;

CaCO3 Q15= 14,9 кДж;

Потери тепла в окружающую среду:

Qпотерь= 0,3·Qэл./1,3 = 127178,8 кДж; (4.6)

Таблица 9. Тепловой баланс процесса термического гидрофторирования флюоритового флотокоцентрата в барабанной вращающейся печи производительностью 6300 т/г по исходному сырью

Приход	Расход
Статья прихода	Количество тепла, кДж	%	Статья расхода	Количество тепла, кДж	%
CaF2	14136,5	2,44	CaF2	251508,6	48,06
SiO2	259,5	0,04	(NH4)2SiF6	23294,1	4,45
Al2O3	271,2	0,05	H2O	14961,3	2,86
CaCO3	258,5	0,04	NH3	64498,8	9,21
NH4F•HF	12294,3	2,13	HF	85518,6	11,25
Эл. обогрев	551108,1	95,29	CO2	2273,0	0,43
			AlF3	9012,0	1,72
			На реакции	82,8	0,16
			Потери	127178,8	22
Итого	578328	100	Итого	578328	100

Мощность электронагревателя определятся по формуле:

Nэл. =Qэл./3600 (4.7)

Nэл. = 551108,1/3600 = 153,09 кВт.

Принимаем мощность электронагревателя Nэл. = 200 кВт.

4.4 Расчет основного аппарата

В данном случае процесс фтораммонийного обескремнивания флюоритового флотоконцентрата проводится в барабанной вращающейся печи.

Барабанная вращающаяся печь состоит из реторты, наклоненной к горизонту под углом 20. Реторта приводится во вращение электродвигателем через редуктор и цепную передачу.

Для передачи давления от масс всех вращающихся частей аппарата, барабан снабжен бандажами, которые опираются на опорные ролики опорных станций. Для предотвращения перемещения барабана в горизонтальной плоскости, установлены упорные ролики опорно-упорной станции.

С одной стороны барабана установлены: бункер загрузки фторида кальция и бункер загрузки фторида аммония. Загрузка в печь происходит с помощью шнекового питателя. Движение материала внутри барабана происходит за счет его вращения и наклона к горизонту. На другом конце барабана установлена камера выгрузки, куда ссыпаются полупродукты.

Недостатком вращающихся барабанных печей являются низкая тепловая и массовая нагрузка топочного объема, высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

Конструктивный расчет барабана

Наружный диаметр и длина реторты определяются по формулам

Dн = 0,452 • GT0,34 (4.8)

L = 2,59 • GT0,447 (4.9)

где GT - суточная производительность печи, т/сутки;

Dн - наружный диаметр реторты, м;

L - длина реторты, м;

GT = Gматериала •24 = 1,79 • 24 = 42,96 ? 43 т/сутки. (4.10)

Dн = 0,452 • GT0,34 = 1,6 м,

L = 2,59 • GT0,447 = 13,91 м.

Принимаем D = 1,6м, L =16 м. Из стандартного ряда[23].

Для обеспечения возможности регулирования параметров процесса термического гидрофторирования(бифторидом аммония) смеси, принимаем скорость вращения реторты равной:

n = 0,6 об/мин.

Установочная мощность двигателя определяется по формуле:

N = 0,0013 • D3 • L • ссм • n • ц (4.11)

D - диаметр реторты, м;

L - длина реторты, м;

ссм - насыпная плотность смеси, кг/м3;

n - скорость вращения реторты;

ц - коэффициент заполнения реторты.

N=0,0013 • 1,63 • 16 • 1230 • 0,6 • 0,09 = 5,66 кВт.

Принимаем с учетом пускового момента N = 12 кВт.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 20. Распределение нагрузок на барабан

Схема распределения нагрузок на барабан показана на рисунке 20. Реторта представляет собой балку постоянного сечения, длиной L = 16 м, с действующей на нее, постоянной по всей длине, распределенной нагрузкой. Балка установлена на опорах, расстояние между которыми принимаем равным l2=9 м, расстояния от краёв реторты до опорного и опорно-упорного бандажей (опоры А и Б соответственно) принимаем l = 3,5 м. Зубчатый венец устанавливаем на расстоянии l1 = 1,2 м от опоры Б[24].

Расчет барабана на прочность

Толщину стенки реторты выбираем из условия:

Sб=(0,007…0,01)·Dн, (4.12)

где Dн - наружный диаметр реторты, м.

Sб=0,007 · 1,6 = 0,0112 м

Принимаем Sб = 0,015 м.

Внутренний диаметр реторты:

Dв = Dн - 2 · Sб = 1,6 - 2 · 0,015 = 1,57 м (4.13)

Масса материала, находящегося в печи определяется по формуле:

mM = ц · сm • L · р • Dв2 / 4 (4.14)

Dв - внутренний диаметр реторты;

ц - коэффициент заполнения реторты;

сm - насыпная плотность материала;

L - длина реторты;

mM= 0,09 · 1230 • 16 · 3,14 • 1,572 / 4 = 3427,2 кг.

Масса корпуса реторты определяется по формуле:

mK = ·(DH2 - DB2) · сстали, (4.15)

mK = (3,14 · 16/4) · (1,62 - 1,572) · 7800 = 9316,8 кг.

Суммарная масса реторты и материала:

m= mM + mK = 3427,2 + 9316,8 = 12744 кг. (4.16)

Линейная нагрузка, действующая на реторту, определяется по формуле:

q = mg/L, (4.17)

q = 12744 • 9,81/16 = 7813,7 Н/м.

Поперечная сила действующая на реторту в месте крепления венцовой шестерни:

QB = (mш + mкр)g, (4.18)

mш + mкр = 2010 кг.

QB = 2010 • 9,81 = 19718,1 кH,

Реакции опор от действия q и QB:

RA = qL/2 + QBl1/l2; (4.19)

RB = qL/2 + QB(l2 - l1)/l2; (4.20)

RA= 7813,7 • 16/2 + 19718,1 • 1,2/9 = 65138,7 H;

RB= 7813,7 • 16/2 + 19718,1 • (9-1,2)/9 = 79598,62 H;

Ммах - максимальный изгибающий момент, действующий на реторту(на двух опорах), Н•м:

Mmax = qL(2l2 - L)/8 + QB(l2 - l1)l1/l2. (4.21)

Mmax = 7813,7 • 16 • (2•9 - 16)/8 + 19718,1 • (9-1,2) • 1,2/9 = 51761,6 H•м

W - момент сопротивления сечения реторты:

W=, (4.22)

Где Dср - средний диаметр реторты, м3;

W = 0,015 · 3,14 · 1,5852/4 = 0,029,19,242 м3.

Напряжение в реторте:

у=?[у], (4.23)

где у - напряжение в реторте, МПа;

у = 51761,6/0,029 = 1,78 • 106 Па = 1,78 МПа.,19,242

[у] = 200 МПа - допускаемое напряжение для аппарата из стали марки 10Х17Н13М2Т при рабочей температуре t < 6000С.

Расчет барабана на жесткость

Суммарный максимальный прогиб от действующих нагрузок:

, (4.24)

где q1 - линейная нагрузка от массы обрабатываемого материала, Н/м;

где q2 - линейная нагрузка от массы барабана, Н/м;

E = 1,86·105 МПа - модуль упругости материала корпуса при рабочей температуре (t = 350 0C);

Ix=1·sу3/12

- момент инерции единичного кольцевого участка барабана, м3.

q1 = g · mM/L = 9,81 • 3427,2/25 = 1362,5 Н/м,

q2 = g · mK/L = 9,81 • 9316,8/25 = 3656 Н/м,

Ix = 0,0153/12 = 2,81•10-8 м3,

ymax= (1,5852/(8·1,86·1011·2,81•10-8))·(0,04·1362,5 + 0,002·3656) = 3,1•10-4 м.

е - относительный прогиб;

е = ymax/Dср ? [е],

е = 3,1•10-4/1,585 = 0,0002=1/5000;

[е] = 1/200 - допускаемый относительный прогиб (для барабана без футеровки);

Условие жесткости выполняется: е ? [е], (1/5000 < 1/200).

Расчет бандажа барабанной печи

Расчет бандажа барабанной печи выполняем согласно методике приведенной в литературе [25].

Для бандажа барабанной печи принимаем: число башмаков nб=12, диаметр опорного ролика dр=500 мм, угол между опорными роликами 2ш=680, материал бандажа и роликов - сталь 45Л (модуль упругости бандажа и опорного ролика E1=E2=2·105 МПа, допускаемое напряжение на изгиб [у]из=50 МПа, допускаемое контактное напряжение [у]к=500 МПа).

Нагрузки на свободно надетый бандаж, опирающийся на башмаки.

Реакция опорного ролика:

Rp=Rоп/(2·cos j), (4.25)

Rp=79,6/(2·cos340) = 48·10-3 МН.

Где Rоп - max (RA, RB) - реакция опоры, Н;

Т - реакция опорного ролика, Н;

j - половина угола между роликами.

Угол между башмаками

j1=2р/nу=2·1800/12=300.

nу - число башмаков.

Силы, действующие на башмак,

Q0=4·Rоп/nу (4.26)

Q0 = 4•79598.9/12= 26533 ? 26,5 кН.

Когда один башмак расплолжен в самой нижней точке вертикального диаметра

Q1=Q0·cos(j1)=26.5•(cos300)= 22,95 кН.

Когда внизу расположены два башмака симметрично относительно вертикального диаметра,

Q2i=Q0·cos(2•j1),

Q2 = 26,5·cos 600=13,25.

Расчетные углы для определения пар сил:

Q0: и0: = 1800; sin1800=0; cos1800= - 1;

Q1: и 1: = 1600; sin1600= 0,34; cos1600= - 0,94;

Q2: и 2: = 1300; sin1300=0,77; cos1300=-0,64;

в=1460; tg1460= - 0,68; cos1460= - 0,83;

Средний радиус бандажа при Dср.б =1,2 Dн =1,2·1600 = 1920 мм.

Rср = Dср.б/2 = 1920/2=960 мм = 0,96 м.

Изгибающий момент в местах приложения сил определяется по формулам:

M00=-=-26,5•0,96/(2•3,14)[1+1/cos146-(3,14-2,54) •tg146]= -2,34 кН•м, (4.27)

M01=-22,95•0,96/3,14[1-cos160/cos146-(3,14-2,79)sin160+(3,14-2,54)cos160 •tg146]= -0,95 кН•м,

Суммарный изгибающий момент в ключевом сечении

М0=М00+М01= -2,34-0,95=-3,29 кН•м.

Нормальное усилие определяется по формуле:

N0=N00+N01,

N00= - (Q0/2р)[(р - в)•tgв]= - (26,5/2 •3,14)[(3,14 - 2,54)•tg146]=1,72 кН,

N01= -(Q1/р)[(р-и1)•sin и1-(р - в)•cos и1• tgв]= -(22,95/3,14)[(3,14-2,79)•sin160-(3,14 - 2,54)•cos 160• tg146]= 1,94 кН,

N0=1,72 + 1,94= 3,65 кН.

Ширина бандажа при DН.Б.> DCp.Б. (DН.Б. =2 м) определяется по формуле:

(4.28)

Где DН.Б. - наружный диаметр бандажа, м.

м. = 83 мм.

Высота сечения бандажа:

 (4.29)

Внутренний диаметр бандажа надетого на башмаки

DВ.Б.=DСр.Б. - h = 1,92 - 0,073 = 1,847 м.

Диаметр внешней опорной поверхности башмаков

DОП=DВ.Б.- б•?t•DСр.Б.-0,02=1,847-1,86•10-7•330•1,92-0,2=1,65 м.

где б-коэффициент линейного расширения материала барабана

б=1,86•10-7 С-1

?t - разность между температурами барабана при монтаже и в рабочем состоянии, 0С; •?t=330 0С;

Ширина опорного ролика определяется по формуле:

bp= b+б•?t•l2 + (0,03+0,04),

где l2 - расстояние между бандажами (опорами), м.

bp= 0,083+1,86•10-7 •330•9 + 0,07=0,15 м

Определение размеров упорных роликов

Нагрузка на упорный ролик определяется по формуле:

обескремнивание удаление примесь флюоритовый флотоконцентрат

A=G•sinб, (4.30)

где G - сила тяжести барабана, Н;

б - угол наклона барабана к горизонтали, град.

Сила T2, нормальная к боковой поверхности ролика определяется:

T2=;

где г - угол при вершине конуса упорного ролика. Принимаем г = 17о.

T2== 7892 Н; (4.31)

Средний диаметр упорного ролика, м:

dу.р.= DСр.Б•tg(г/2)=1,92•tg8,5=0,29 м. (4.32)

принимаем dу.р=0,3 м.

Ширина упорного ролика:

bур= (4.33)

где E3=2•105 МПа - модуль упругости материала упорного ролика;

mш = 2010 кг - масса венцевой шестерни;

bУ.P=0,592*=0,39м

В результате проведенных расчетов была спроектирована барабанная вращающаяся печь для термического хлорирования смеси оксидов.

В результате проведенных расчетов была спроектирована барабанная вращающаяся печь для термического хлорирования смеси оксидов.

Основные характеристики печи приведены в таблице

Таблица 10. Основные характеристики печи.

Длина реторты, м	16
Диаметр реторты, м	1,6
Толщина стенки реторты, м	0,015
Наружный диаметр бандажа, м	2
Внутренний диаметр бандажа, м	1,847
Высота сечения бандажа, м	0.073
Ширина бандажа, м	0,0832
Диаметр опорного ролика, м	0,5
Ширина опорного ролика, м	0,15
Диаметр упорного ролика, м	0,3
Ширина упорного ролика, м	0,39

Исходя из полученных значений основных характеристик печи можно сделать вывод, что данная печь являются аппаратом непрерывного действия и предназначена для термической и термохимической обработки сыпучих материалов в химической, лесохимической, рудной и других отраслях промышленности.

Основные составные части вращающейся печи с барабаном:

Барабан, поворотная рама с приводом вращения барабана, основание печи, камера нагрева, устройство загрузки со шнековым питателем, устройство разгрузки, домкрат, уплотнитель, площадка обслуживания, шкаф управления.

Барабан предназначен для сушки и перемещения нагреваемых материалов от загрузки к выгрузке и конструктивно выполнен в виде трубы.

Рисунок 23. Схема барабанного аппарата

Приводная станция состоит из электродвигателя, редуктора, подвенцовой шестерни.

Зубчатый венец, связанный с приводной станцией через шестерню, служит для приведения во вращение барабана аппарата.

Камера нагрева представляет собой металлоконструкцию, футерованную изнутри шамотно-волокнистым огнеупорным материалом. Камера оборудована открываемыми поворотными боковыми стенками, обеспечивающими доступ к внутреннему пространству и нагревателям камеры. Нагреватели располагаются на дне и боковых стенках камеры и выполнены из алюмохроможелезистого сплава.

Устройство загрузки со шнековым питателем присоединяется к загрузочной стороне барабана и служит для подачи материала.

Разгрузочное устройство выполнено с вибратором и присоединяется к барабану со стороны выхода готового продукта.

Камеры разгрузки служат для выгрузки обрабатываемого материала, а также для отвода технологического отработанного газа.

Шкаф управления выполнен в отдельном корпусе. В шкафу управления размещена электроаппаратура, которая обеспечивает управление механизмами печи.

5. Схема контроля и автоматизации процесса

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) -- комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Под АСУ ТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций на производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

В английской литературе для обозначения АСУ ТП обычно используется термины Process Control Systems или реже Automatic Control Systems[26].

Автоматизация технологических процессов является одним из главныхнаправлений технического прогресса, повышения производительности трудаи создания материально-технической базы построения общества. Средстваавтоматизации в настоящее время широко внедряются во все отраслипромышленности. Особое значение придается вопросам автоматизациипроцессов химической технологии в связи со взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ, их агрессивностью и токсичностью, с необходимостью предотвращения вредных выбросов в окружающую среду. Указанные особенности, высокая чувствительность к нарушениям заданного режима, наличие большого числа точек контроля и управления процессом, а также необходимость своевременного и соответствующего сложившейся в данный момент обстановке воздействия на процесс, в случае отклонения от заданных по регламенту условий протекания, не позволяют даже опытному оператору обеспечить качественное ведение процесса вручную[27].

В химической промышленности автоматизации уделяется большое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а также чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы и т.д.

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности, эффективности и безопасности труда.

Системы автоматизации технологических процессов должны строиться, как правило, на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной технике. При этом следует применять однотипные устройства и унифицированные системы, характеризуемые простотой сочетания. Преимущественно необходимо использовать устройства Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), ГОСТ 12997-84. По возможности ограничивают число приборов, аппаратуры управления и сигнализации, устанавливаемых на щитах и пультах.

Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом проекта автоматизации, определяющим структуру системы управления технологическим процессом, а также оснащения его средствами автоматизации. На функциональной схеме изображаются технологические аппараты - барабанно-вращающаяся печь, бункеры, переливные баки, кристаллизатор шнековый, насосы, трубопровод, а также связи между ними.