МАЭ РФ
Государственный технологический институт
Кафедра МАХП
ПЕЧЬ ТУННЕЛЬНАЯ
Курсовой проект
МАХП 800.11.00 КР
Профессор
________________
«______»_____________.
Студент группы
_________________.
«______»______________.
Содержание
Введение
1 Данные для расчета
2 Материальный расчет
3 Тепловой расчет
4 Конструктивный расчет
5 Расчет конструктивныхэлементов печи на прочность
5.1 Расчет фланцевого соединениякожуха
5.2 Расчет пластин кожух
5.3 Расчет футеровки
5.4 Расчет каркаса
5.5 Фундамент печи
Литература
Введение
Спекание таблеток из UO2 является основной стадией технологическогопроцесса получения таблеток. В этом процессе проявляются как все физико-химическиесвойства исходного порошка, так и все предыдущие технологические операции.Кроме того, на качество таблеток оказывают существенное влияние параметрысамого процесса спекания, в первую очередь газовая среда, температура и времяспекания.
Для регулируемого удаления летучих соединений с цельюпредупреждения растрескивания таблетки перед спеканием медленно нагревают до600 — 800 °С в течение 10 часов, после чего температуру повышают до заданнойтемпературы спекания. Заданный режим обеспечивается продвижением лодочек стаблетками в печах тоннельного типа, работающих в непрерывном режиме и имеющихтри температурные зоны: нагревание таблеток, спекание и охлаждение.
/>1Данные для расчета
Исходные данные приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Исходные данные1 Производительность, кг/сут 700 2 Начальное влагосодержание материала, % 1 3 Конечное влагосодержание материала, %
4 Начальная температура материала, 0C 20
5 Температура спекания, 0С 1750
6 Температура сушки, 0С 800
7 Давление газа в печи (H2), МПа 0,12
8 Плотность материала, г/см3 10,5 9 Рабочая длина печи, м 10
Примечание:
1) материал находится в печи 24 часа;
2) молибденовые обогреватели содержатся в вакууме ;
3) охлаждение проводится продувкой инертным газом .
/>2Материальный расчет
Материальный расчет процесса сушки будет сводиться к составлениюматериального баланса и определению массовых расходов всех потоков. Уравненияматериального баланса по влаге имеет вид:
/>,
/>,
где GH — массовый расход высушиваемого материала, кг/с;
GK — массовый расход высушенного материала, кг/с;
W- количествоотводимой влаги, кг/с;
WH — количество влаги, содержащейся в высушиваемом материале, кг/с;
WK — количество влаги, содержащейся в высушенном материале кг/с;
Gc — массовый расход сухого материала, кг/с;
wCH — начальное влагосодержаниематериала, %;
wCK — конечное влагосодержаниематериала, %.
Из уравнения материального баланса (1) определим массовые расходы:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>.
По результатам расчета составляем таблицу материального баланса.
Таблица 2 — Материальный балансПриход Расход Статьи прихода кг/сут % Статьи расхода кг/сут %
1 Высушиваемый материал GH
Сухой материал GC
Влага WH
707
700
7
99
1
1 Высушенный материал GK
Сухой материал GC
Влага WK
2 Влага W
700
700
7
99
1 Итого 707 100 Итого 707 100
3 Тепловой расчет
Тепловой расчет сводится к составлению теплового баланса процессасушки и процесса прокалки и определению количества подводимого тепла.
Уравнениетеплового баланса процесса сушки имеет вид:
/>,
где /> — количествотепла, поступающего в печь с сухим материалом, Вт;
/> — теплоемкость материала,Дж/(кг К);
/> - начальная температура при входе впечь, 0С;
/> — количество тепла, поступающего в печь свлагой, Вт;
/> - теплоемкостьвлаги, Дж/(кгК);
Qнагр -теплоот нагревателей, Вт;
/> — количество тепла, отводимое из печи ссухим материалом, Вт;
/> — конечная температура материала при выходе из зонысушки, 0С;
/> — количество тепла, отводимое из сушилки свлагой, Вт;
/>10% — потери тепла в окружающую среду, приоткрывании дверей и через футеровку и кирпичную кладку, Вт;
/> — количество тепла, поступающее стележками, Вт;
/> 255 Дж/(кг К);
/> — количество тепла, отводимое с тележками,Вт.
Определим составляющие уравнения теплового баланса:
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
Определим количество дополнительного тепла, подводимого к сушилке:
/> ;
/> ;
Результаты расчета теплового баланса процесса сушки приведены втаблице
Таблица 3 — Тепловой балансПриход Расход Статьи прихода кг/сут Статьи расхода кг/сут
1 Высушиваемый материал
с сухим материалом QCH
с влагой QWH
2 C тележкой />
3 Тепло нагревателя Qнагр
1,041
0,194
0,035
55,04
1 С высушенным материалом QCK
2 С влагой WK
3 С тележкой />
4 Потери />
41,652
7,74
1,416
5,504 Итого 56,314 Итого 56,314
Уравнение теплового баланса процесса прокалки имеет вид:
/>,
где /> — количествотепла, поступающего в печь с сухим
материалом, Вт;
/> — теплоемкость материала,Дж/(кгК);
/> — начальная температура при входе в зону спекания, 0C ;
Qнагр -теплоот нагревателей, Вт;
/> — количество тепла, отводимое из печи с прокаленным
материалом, Вт ;
/> — конечная температура материала при выходе изпечи, 0С;
/>10% — потери тепла в окружающую среду, приоткрывании дверей и через футеровку и кирпичную кладку, Вт;
/> — количество тепла, поступающее стележками, Вт;
/> 255 Дж/кг К;
/> — количество тепла, отводимое с тележками,Вт;
Определим составляющие уравнения теплового баланса:
/>;
/>
/>;
/>;
/>;
Определим количество дополнительного тепла, подводимого к сушилке:
/>;
/>;
Результаты расчета теплового баланса процесса сушки приведены втаблице
Таблица 4 — Тепловой балансПриход Расход Статьи прихода кВт % Статьи расхода кВт %
1 С высушенным материалом QCH
2 C тележкой />
3 Тепло нагревателя Qнагр
41,652
1,416
56,86
41,8
1,4
56,8
1 С прокаленным материалом QCK
2 С тележкой />
3 Потери />
91,12
3,12
5,686
91,3
3
5,7 Итого 99,928 100 Итого 99,926 100
4 Конструктивный расчет
В конструктивном расчете необходимо определить рабочий объем печи.
Продукция в печи располагается на тележках. Вместимость каждойтележки составляет 70 кг UO2. Период нахождения продукта в печи 1 сутки.Принимаем, что в печи может находиться 10 тележек. Длина каждой тележки l =300 мм, ширина 200 мм,грузоподъемность 70 кг. Расстояние между тележками принимаем 700 мм.
Размеры таблеток:
d=7,6 мм (готовые);
h=10 мм (готовые);
с учетом припуска на шлифование:
d=7,75 мм;
h=10,15 мм.
Плотность готовой таблетки 10,5 г/см3. Следовательно,масса таблетки
/>
/>.
Длину рабочей зоны принимаем L=10 м, ширину Ь=0,7 м,высоту h=1м.
Объем рабочей зоны равен:
/>
Общая длина печи:
/>/>,
где l1 ,l2 — длины боксов загрузки и выгрузки соответственно.
5 Расчет конструктивныхэлементов печи на прочность 5.1 Расчет фланцевого соединения кожуха
Кожух изготовлен из стали толщиной 6,35 мм. Кожух испытывается нагерметичность до кирпичной кладки, в процессе окончательной сборки и переднагревом. К фланцевым соединениям прикреплены змеевики водяного охлаждения,предназначенные для защиты прокладок. Конструкция прокладки обеспечиваетгерметичность на всем диапазоне рабочих температур.
1 Принимаем расчетную температуру 20°С.
Температура болта />
2 Допускаемое напряжение для материала болтов />.
3 Толщина втулки фланца
для приварного встык />
4 Диаметр болтовой окружности
/>
принимаем />
/>
где и — нормативный зазор между гайкой и втулкой (u =4 — 6).
5 Наружный диаметр фланца
/>
/>
где а — конструктивная добавка для размещения гаек по диаметруфланца
а = 52мм .
6 Наружный диаметр прокладки
/>
/>
где е — нормативный параметр, зависящий от типа прокладки.
е = 37 – для плоских прокладок и диаметра болта dб = 27мм .
7 Средний диаметр прокладки
/>
где b — ширина прокладки.
Выбираемплоскую неметаллическую прокладку для нее b = 25мм .
/>
8 Количество болтов
/>
tш – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбирается в зависимости отдавления по таблице 1.43 [5,c97] .
tш = (4,2 – 5)*dб = (4,2 –5)*27 = 113,4 – 135 .
Принимаем tш = 125мм .
/>
Принимаем nб = 70шт .
9 Высота фланца
/>
/>,
/>
/> — принимается по рисунку 1.39 [5,c95] , />=2,5 ;
/> — высота втулки фланца приварного встык
i – уклон втулки I = 1/3;
/>-толщина у основания втулки приварноговстык фланца .
/>;
/>;
/>
Принимаемhф = 60мм .
10 Болтовая нагрузка, необходимая для обеспечения герметичности
/>
/>
где/> — площадьпоперечного сечения болта.
11 Условие прочности болтов
/>
/>
12 Условие прочности прокладки
/>
/>
13 Условие герметичности фланцевого соединения, определяемое угломповорота фланца
/>
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
0,0052 5.2 Расчет пластин кожуха
Расчет проводим для случая прямоугольной пластины, нагруженной повсей поверхности давлением р=0,12 МПа, заделанной по контуру. Напряжения ипрогибы находим по формулам:
/>; /> ; />.
где /> — коэффициенты зависящие ототношения b/a;
a, b – длины сторонпластины, м. a = b = 2м.
/>;
/>;
/>.
Приближенно максимальные значения прогибов (в центре) и напряжения(в середине более длинной стороны) могут быть определены по следующим формулам:
/>;
/>.
к — коэффициентзависящий от отношения а/b/>/> 5.3 Расчет футеровки
Расчет прочности футеровки при продольном растяжении по несущейспособности при температуре до 50 С° производится исходя из следующего неравенства
/>
Здесь R — расчетное сопротивление футеровки сжатию, R = 3,9 по табл.3.7[3, с100];
F-площадь сечения элемента футеровки;
/> — коэффициент продольного изгиба, учитывающийснижение несущей способности.
/>/>.
Расчет элементов футеровки на прочность при осевом растяжении производят на основенеравенства
/>
где N — растягивающая сила;
Rp — расчетное сопротивление футеровки, при растворе марки5-100 следует принимать 0,16 МПа .
/>
Расчет элементов футеровки на срез производят исходя из неравенства
/>
где Q — расчетнаяпоперечная сила;
Rcp – расчетное сопротивление футеровки срезу 0,16 МПа;
f- коэффициент трения по шву футеровки 0,7 ;
/> — среднее напряжение сжатия, />;
/>
Расчет элементов футеровки на поперечный изгиб следует производить исходяиз неравенства
/>
где Q — расчетная поперечная сила;
Rra — расчетное сопротивление кладки главным растягивающим напряжениямпри изгибе [3, табл.3.10];
b- ширина сечения;
z- плечо внутренней пары сил, z=(2/3)h.
/>
Расчет устойчивости футеровки. Футеровку топок, выполненную из кирпичей, исвободно стоящие стены и столбы, имеющие сечение прямоугольной формы изначительную высоту, проверяют на допустимые отношения высоты стен к ихтолщинам:
/>
где Н — высота футеровки,
h- толщина стены.
Это отношение не должно превышать 25.
/>
Из [6,c.113] принимаем для стены высотой более 1000 мм и температуре печиболее 1200 С, внутренний слой кладки выполняется из шамотного кирпича класса А, толщиной 300 мм; свод с пролетом — из того же материала толщиной 200 мм. 5.4 Расчет каркаса
Распорное усилие свода должно быть воспринято каркасом.Приближенная сила горизонтального распора свода может быть определена поформуле
/>
где К — коэффициент зависимости силы R от температуры, равен3,5 при температуре более 1200°С,
Р — сила тяжести свода,
/> - центральныйугол свода, град.
/>/>
Выбор профиля пятовых балок. Момент сопротивления пятовой балкирассчитывают по формуле
/>
где /> — допустимоенапряжение на разрыв,
l- расстояние между балками каркаса.
/>
Принимаем профиль пятовых балок в виде равнополочного угольника сразмерами 90x90x8 мм.
Определение сечения верхней поперечной связи. Сечение верхней и нижнейсвязей рассчитывают по формулам:
/>; />
/>; />
Выбор профиля боковой стойки. Момент сопротивления боковой стойкирассчитывают по формуле:
/>
По найденному моменту сопротивления выбирают профиль боковойстойки:
/>
Профиль боковой стойки - угольник равнополочный, с размерами 125x125x10 мм. 5.5 Фундамент печи
Статическую нагрузку, слагающуюся из массы металлических деталей ифутеровки, воспринимает фундамент печи. Фундамент выполняют из бутового камня,бетона или железобетона. Основное преимущество железобетона в сравнении сдругими материалами (кроме прочности): возможность придания фундаментулюбой сложной формы, что позволяет при малой строительной высоте (беззначительного углубления в грунт) получить большую площадь давления фундаментана основание. Толщина фундамента должна быть такова, чтобы давление от печипередавалось на все основание и в фундаменте не возникло слишком большихизгибающих и скалывающих усилий.
Особенности сооружения фундаментов топок:
1) на один и тот же фундаментный массив нельзя опирать части печии других сооружений, так как может произойти различная осадка фундамента ипоявятся трещины и перекосы в сооружении;
2) если конструкция топки располагается ниже уровня грунтовыхвод, то фундамент строят так, чтобы исключался доступ воды к футеровке. Этодостигается путем устройства вокруг фундамента глиняных стенок до 300 мм толщиной;гидроизоляции фундамента; искусственного снижения уровня грунтовых водустройством дренажа; сооружения сварного кессона из мягкой стали;
3) основание фундамента должно быть расположено ниже глубиныпромерзания грунта ( обычно 1,8 м от уровня земли); вотапливаемых или горячих цехах углубление фундамента незначительно;
4) для предотвращения сильного нагревания фундамента от футеровкиустраиваются воздушные каналы между ними .
Обыкновенно давление топки на грунт не превышает 100 кПа, поэтомусооружение фундаментов не представляет больших трудностей. Размеры основанияфундамента определяются нагрузкой и допустимым давлением на грунт. Допустимуюнагрузку на фундамент рассчитывают по формуле:
/>
где R — предел прочности кирпичной футеровки при сжатии, Па;
F- полная площадь фундамента, м2;
F1 — нагруженная площадь фундамента .
/>
/> — для бетона
/>
Литература
1 Павлов К.Ф., РоманковП.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химическойтехнологии. — Л.: Химия, 1976. — 552с.
2 Плановский А.Н., РаммВ.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. — Л.: Химия, 1968.- 848 с.
3 Исламов М.Ш.Проектирование топок специального назначения. — Л.: Энергоиздат.1982. -168с., ил.
4 Исламов М.Ш. Печихимической промышленности — М.: Химия, 1969. -176с., ил.
5 Расчет иконструирование машин и аппаратов химических производств./ Под ред. М.Ф.Михалева. Л.: Машиностроение, 1984. — 301 с., ил.
6 Долотов Г.П., КондаковЕ.А. Конструкция и расчет заводских печей и сушил. М., Машиностроение, 1973,272 с.