Получение титана
Работа из раздела: «
Химия»
/
/
Введение
Титан - металл, элемент IV группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер-22. Атомная масса - 47,88. Плотность - 4,5 г/см3. Температура плавления-16650С. Температура кипения - 35720С.
Большой интерес, проявляемый к титану и титановым сплавам, основан на его ценных свойствах - малом удельном весе, высокой удельной прочности и хорошей сопротивляемости коррозии. В последние годы в связи с разработкой более совершенных методов получения ковкого и деформируемого титана применение его в различных областях промышленности расширилось.
Впервые в мире титан был открыт в виде двуокиси титана в 1789 году английским учёным Мак-Грегором. Позднее многим исследователям удавалось получить металлический титан. К их числу можно отнести Берцелиуса (1825), получившего металлический титан восстановлением фтортитаната калия натрием; Нильсона и Питерсона (1877), которые получили металлический титан восстановлением тетрахлорида титана натрием; Муассана (1895), получившего металл, содержащий не более 2% примесей, восстановлением двуокиси титана углеродом с последующим рафинированием, и многих других. Однако долгое время титан ошибочно считали непригодным для использования в качестве конструкционного материала, так как получаемый металл получался хрупким из-за большого количества примесей. Только в начале этого столетия был получен титан с новыми свойствами, которые ставят его в ряд с самыми ценными конструкционными материалами.
Наиболее распространены два способа получения титана: восстановление тетрахлорида титана магнием и восстановление тетрахлорида титана натрием.
У второго способа получения титана есть один существенный недостаток - качество получаемого металла оставляет желать лучшего, в то время как металл, получаемый первым способом, высокого качества. В целом получение титана - это очень энергоёмкий процесс, связанный с использованием токсичных веществ и больших температур.
1. Описание технологической схемы
Металлургический цех состоит из двух корпусов и вспомогательных подразделений.
1 Корпус №3 - корпус по магниетермическому восстановлению тетрахлорида титана и очистке полученной реакционной массы методом вакуумной сепарации с получением блоков губчатого титана. Корпус состоит из трех участков: восстановление, монтажного, вакуумной сепарации.
2 Корпус №1 - по переработке губчатого титана. Процесс переработки включает в себя: измельчение блока, рассев, сортировку, 100% просмотр, комплектацию товарных партий в соответствие с требованиями нормативной документации (НД).
Корпус состоит из участка выбивки, технологических ниток по дроблению, рассеву, сортировке и комплектации товарных партий губчатого титана, склада готовой продукции, участка подготовки тары.
Производство губчатого титана магниетермическим методом состоит из следующих основных переделов:
1 Восстановление тетрахлорида титана магнием,
2 Очистка губчатого титана методом вакуумной сепарации.
3 Переработка блоков губчатого титана в товарную продукцию.
4 Подготовка сырья, сменного оборудования и основных материалов к процессу.
1.1 Восстановление тетрахлорида титана магнием
Процесс восстановления терахлорида титана осуществляется в аппарате полусовмещенного типа, установленном в шахтную электропечь сопротивления.
Аппарат восстановления (АВ) собирают в стенде монтажного участка. Подаваемые на сборку детали аппарата должны быть исправными, сухими и чистыми. Аппарат проверяется на герметичность опрессовкой мыльным раствором, затем откачивается и устанавливается в холодильник участка сепарации, рядом с печью сепарации и монтируется паропровод. После проведения процесса сепарации реторта - конденсатор устанавливается в печь восстановления. Аппарат восстановления разогревается, сливается конденсат в ковши для хлористого магния, из вакуум-ковша заливается магний, отстоянный в миксере, и подается четырёххлористый титан.
Расход четыреххлористого титана, температура, давление поддерживаются автоматически.
Процесс восстановления тетрахлорида титана магнием - это высокотемпературный процесс, протекающий по основной химической реакции:
TiCl4 + 2 Mg = Ti + 2MgCl2 + Q
После пропуска TiCl4 в количестве 240 кг производят остановку в подаче в течение 1 часа для рафинирования магния путём отстоя. После отстоя хлористый магний сливают в тигельный ковш. Скорость подачи TiCl4 устанавливают в начале процесса 390 кг и поддерживают её до коэффициента использования магния 40 - 50%. Заключительную стадию процесса проводят при пониженной скорости подачи TiCl4.
Образующийся во время процесса восстановления MgCl2 периодически сливают в тигельный ковш, установленный на электрокаре. После пропуска 19300 кг TiCl4 останавливают подачу жидкости в аппарат, разогревают его до температуры 850єС и производят выдержку в течении 1 часа. После окончательной выдержки сливают максимально возможное количество MgCl2. Затем аппарат охлаждают до температуры 600єС, после аппарат отсоединяют от материальных и импульсных линий, коммуникаций аргона и охлаждающей воды и извлекают из печи для передачи на монтажный участок.
Исходя из выше сказанного контролю, управлению и регулированию подлежат температура реактора восстановления, температура TiCl4 как в емкости, так и в трубопроводе, также его расход, еще контроль слива MgCl2.
1.2 Обоснование выбора точек контроля и регулирования
1. Процесс восстановления протекает при температуре, значение которой должно поддерживаться в определенных рамках. В верхней части аппарата температура должна держаться в пределах 780 - 820єС, в нижней части - 810 - 850єС. Для поддержания данных параметров, процесс контроля и регулирования температуры аппарата полностью автоматизирован (поз 1…10).
2. Процесс восстановления протекает с использованием TiCl4 и требуются точные данные о количестве его подачи в каждый аппарат и остатке в баках. Плотность тетрахлорида титана зависит от температуры и поэтому производится контроль температуры при подаче в реактор (поз. 11) и в емкостях (поз. 12).
3. На начальном этапе процесса в аппарате насосом поддерживается вакуум для откачки газов и паров воды, далее поддерживается избыточное давление подачей аргона. Для поддержания нужных параметров давления в аппарате осуществляется контроль и регулирование подачи аргона, и сброс газов в линию стравливания (поз. 13,14,15).
4. В емкостях TiCl4 поддерживается избыточное давление подачей аргона. Для поддержания нужных параметров давления в емкостях осуществляется контроль и регулирование подачи аргона, и сброс газов в линию стравливания (поз. 16,17,18).
5. На ПЭВМ производится расчет подачи TiCl4 в кг, при известной температуре тетрахлорида титана и расходе (0-390). Для определения и поддержания этого параметра в нужных пределах производится контроль и регулирование расхода TiCl4 в реактор (поз. 19).
6. Во время процесса восстановления периодически производится слив МgCl2. С помощью автоматики на ПЭВМ поступают данные о проведении слива (поз. 20).
7. ПЭВМ производится расчет массы TiCl4 в баках, при известной температуре и уровне. Для определения этого параметра в нужных пределах производится контроль уровня TiCl4 в баках (поз. 21).
1.3 Очистка губчатого титана методом вакуумной сепарации.
Процесс вакуумной сепарации основан на способности магния и хлористого магния интенсивно испаряться при высокой температуре в условиях глубокого вакуума с последующей конденсацией в охлаждаемой зоне аппарата. Губчатый титан остается в этих условиях в твёрдом состоянии.
Аппарат восстановления после охлаждения в печи подают на монтажный участок, устанавливают в термостат, где приваривают колпак на сливное устройство. После этого аппарат сепарации (АС) устанавливают в печь сепарации, где монтируют паропровод, подсоединённый к реторте-конденсатору, установленной в холодильник. Производят откачку реторты-конденсатора. Одновременно создается контр - вакуум в печи сепарации. Включают печь. После окончания процесса сепарации реторта с очищенной титановой губкой (ТГ) устанавливается в холодильник, а реторта-конденсатор в печь восстановления. После охлаждения реторта с ТГ из холодильника устанавливается в опорное кольцо монтажного участка, где демонтируется и после очистки обечайки от налётов магния и низших хлоридов, её отправляют на участок выбивки 1 корпуса.
1.4 Переработка блоков губчатого титана в товарную продукцию
Блоком считается общая масса губчатого титана, полученного в реторте. Блоки губчатого титана представляют собой спеченный, прочный и вязкий материал, неоднородный по структуре и химическому составу. На участке выбивки блок титановой губки выпрессовывают из реторты, затем дробят. Составными частями блока являются: крица, гарнисаж, обруб, счистки с реторт. Пустая реторта очищается от наростов губчатого титана и направляется в 3 корпус на сборку реторты - конденсатора.
2. Технологические расчеты
2.1 Исходные данные для расчета
Исходные данные:
Производительность 5000 кг/цикл
Температура процесса 8500 С
Скорость подачи тетрахлорида титана 300 кг/ч
Извлечение титана из четырёххлористого титана в губчатый 97,5%
Коэффициент использования магния 60%
3.1 Материальный баланс процесса восстановления.
Расчёт материального баланса ведётся на 100 кг тетрахлорида титана, производительность аппарата за процесс 5000 кг титановой губки.
Таблица 1. Исходные данные
|
Вещество
|
TiCl4
|
2 Mg
|
2 MgCl2
|
Ti
|
|
|
Молекулярная масса
|
189.9
|
48,6
|
190,6
|
47,9
|
|
|
кг
|
100
|
а
|
б
|
с
|
|
|
В производство поступают материалы следующего состава:
Четырёххлористый титан:
25,19% - Ti;
0,001% - Fe;
0,001% - V;
0,001% - Si;
0,001% - Al;
0,001% - C;
74,8% - Cl;
0,0004% - O;
0,001% - N.
Магний товарный:
99,9% - Mg;
0,05% - Fe;
0,01% - Si;
0,004% - C;
0,006% - Cl;
0,01% - O;
0,02% - N.
Предполагается получить титан губчатый марки ТГ-100, имеющий по ГОСТ 17746-72 состав:
99,77% - Ti;
0,07% - Fe;
0,01% - Si;
0,01% - C;
0,08% - Cl;
0,02% - N;
0,04% - О.
Расчёт ведём на 100 кг четырёххлористого титана. Для расчёта принимаем:
Потери титана со сливом хлористого магния при восстановлении 2,5%;
Извлечение титана из четырёххлористого титана в губчатый 97,5%;
Реакционная масса после восстановления содержит: 60% - Ti; 15% - MgCl2; 25% - Mg.
Коэффициент использования магния - 60%.
Восстановление четырёххлористого титана протекает по реакции:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti
Определим количество расходуемого Mg и образующихся продуктов реакции. Отсюда:
Mg;
MgCl2;
Ti,
где 48,6; 190,6; 47,9 и 189,9 молекулярные массы соответственно 2Mg, 2MgCl2, Ti и TiCl4.
С учётом коэффициента использования Mg = 60% получаем:
Mg.
В этом случае необходимо товарного Mg:
т Mg, где 0,999 - содержание чистого магния в товарном Mg.
Состав расходуемого Mg 42,653 кг Mg
42,696*0,0005 = 0,021 Fe 42,696*0,0001 = 0,004 Si
42,696*0,00004 = 0,002 C 42,696*0,00006 = 0,003 CI
42,696*0,0001 = 0,004 O 42,696*0,0002 = 0,009 N
Принимаем, что при производстве 1т Ti расходуется 20 м3 Аr.
Из 25,19 кг титана в 100 кг TiCl4 в губчатый титан переходят:
25,19* 0,975 = 24,56 кг, где 0,975 - количество Ti, полученного из TiCl4.
при этом получается титана губчатого:
, где 0,9977 количество Ti в 1 кг титановой губки.
В процессе восстановления, которого расходуется аргон в количестве:
;
с аргоном вносятся примеси:
O N Н
Всего примесей поступающих с аргоном - 0,015 кг.
Количество и состав реакционной массы и сливаемого MgCl2 определяем:
по реакции образуется б=100,277 MgCl2
С ним теряется титана: 25,19*0,025 = 0,630 кг, где 25,19 - содержание Ti в TiCl4, 0,025 - потери титана при сливе 1 кг MgCl2.
В реакционную массу перейдёт титана 25,19 - 0,63 = 24,56 кг.
В этом случае
Образующая реакционная масса содержит 24,56 кг титана.
42,6*0,15 = 6,39 кг MgCl2 42,6*0,25 = 10,65 кг Mg
Сливаемый MgCl2 содержит 100,277 - 6,39 = 93,887 кг MgCl2
Всего сливается хлористого магния: 93,887 + 0,63 = 94,517 кг.
Расчёт материального баланса приведён в сводной таблице 2.
Таблица 2. Материальный баланс
|
Приход
|
Расход
|
|
|
Наи-ие
|
Количество
|
Наименование
|
Количество
|
|
|
кг
|
%
|
|
кг
|
%
|
|
|
ТICL4, в том числе:
|
100,0
|
100,0
|
Реакцион. масса, в том числе:
|
42,6
|
100
|
|
|
Ti
|
25,19
|
25,19
|
Ti
|
24,56
|
57,65
|
|
|
Fe
|
0,001
|
0,001
|
Mg
|
10,65
|
25
|
|
|
Si
|
0,001
|
0,001
|
MgCI2
|
6,39
|
15
|
|
|
Al
|
0,001
|
0,001
|
Fe
|
0,022
|
0,05
|
|
|
C
|
0,001
|
0,001
|
Si
|
0,005
|
0,01
|
|
|
Cl
|
74,804
|
74,804
|
Al
|
0,001
|
0,002
|
|
|
O
|
0,0004
|
0,0004
|
C
|
0,002
|
0,004
|
|
|
N
|
0,001
|
0,001
|
O
|
0,008
|
0,018
|
|
|
|
|
N
|
0,010
|
0,023
|
|
|
Mg товарный, в том числе:
|
42,696
|
100
|
Н
|
0,01
|
0,023
|
|
|
Mg
|
42,653
|
99,9
|
|
|
|
|
|
Fe
|
0,021
|
0,05
|
Слив дихлорида Mg, в том числе:
|
94,517
|
100
|
|
|
Si
|
0,004
|
0,01
|
Ti
|
0,63
|
0,67
|
|
|
C
|
0,002
|
0,004
|
Mg
|
24,102
|
25,5
|
|
|
CI
|
0,003
|
0,006
|
CI
|
69,782
|
73,83
|
|
|
O
|
0,004
|
0,01
|
|
|
|
|
|
N
|
0,009
|
0,02
|
|
|
|
|
|
ИТОГО
|
142,696
|
|
ИТОГО
|
137,117
|
|
|
|
Компоненты реакционной массы при сепарации распределяются между губчатым титаном и конденсатом. Переход титана при вакуумной сепарации в конденсат составляет 0,5% от содержания его в четырёххлористом титане. 25,19*0,005 = 0,13 кг
При этом в губчатый титан переходит титана с учётом возврата конденсата на восстановление:
24,56 - 0,13 кг = 24,43 кг, где 24,56 - содержание Ti в реакционной массе после процесса восстановления.
Образуется губчатого титана:
, 99,77 - процентное содержание Ti в губке.
В конденсат полностью переходят Mg, V, Al, H
Остальные составляющие реакционной массы переходят в конденсат за исключением элементов переходящих в губчатый титан.
Состав конденсата после сепарации следующий:
0,13 kg Ti
12,58 kg Mg
0,001 - V
0,001 - Al
0,0029 - H
4,6878 - CI
0,0033 - Fe
0,0023 - Si
0,0001 - C
0,0005 - O
0,0105 - N
Конденсат в реакторе с участка сепарации поступает на участок восстановления.
К установке принимаем реактор из стали 12Х18Н10Т производительностью 5000 кг губчатого титана за цикл.
Составим циклический материальный поток восстановления. За 1 цикл получается 5 тонн титановой губки.
С учетом потерь:
кг
Для получения 5036,7 кг губки требуется:
тетрахлорида:
кг, где 25,19 - содержание Ti в TiCl4 в процентах.
Магния:
кг, где 25,59 - количество Mg, необходимого для восстановления 100 кг TiCl4.
Образуется конденсата:
кг, где 42,653 - кол-во Mg, необх. для восстановления Ti с учетом 60% использования.
Необходимо товарного магния:
mMg+mконд= 5116,8+3403=8519,8 кг
Реакционной массы:
кг
Сливается хлористого магния:
кг,
где б - кол-во MgCl2, получаемого при восстановлении 100 кг TiCl4.
На основании приведённых расчётов составим суточный материальный баланс участка восстановления таблица 3.
Таблица 3. Материальный баланс участка восстановления за весь процесс
|
Поступило
|
Получено
|
|
|
Наименование
|
Количество, кг
|
Наименование
|
Количество, кг
|
|
|
TiCl4
|
19994,9
|
Реакционная масса
|
8393,3
|
|
|
Магний
|
5116,8
|
Слив MgCl2
|
20050,29
|
|
|
Конденсат
|
3403
|
Примеси аргона
|
71,11
|
|
|
Итого
|
28514,7
|
Итого
|
28514,7
|
|
|
2.2 Тепловой баланс процесса восстановления
Мощность печи рассчитываем по периоду первоначального разогрева от 300 до 865 0С, который должен обеспечить наибольшую скорость нагрева. Продолжительность разогрева 14 часов.
Во время разогрева печи имеют место следующие тепло потери: тепло, аккумулируемое кладкой печи Q1; тепло расходуемое на нагрев реактора Q2; тепло теряемое в окружающую среду Q4; тепло теряемое через крышку реактора Q3; тепло расходуемое на нагрев воды охлаждающей фланцы Qф;
Определяем количество тепла, аккумулируемого кладкой печи:
Q1 = Qл+ Qу+ Qуз+ Qжк
где Qл - тепло, аккумулируемое легковесом;
Qу - тепло, аккумулируемое ультралегковесом;
Qуз - тепло, аккумулируемое ультралегковесной засыпкой;
Qжк - тепло, аккумулируемое железным кожухом;
Для расчётов принимаем в начале разогрева печи температуру, 0С: внутренней поверхности кладки tкн=300; наружной поверхности кожуха tжкн=30; на границе легковес - ультралегковес tлун=160; на границе ультралегковес - ультралегковесная засыпка tузн=90; на границе ультралегковесная засыпка-железо tзжн=30; в конце разогрева печи соответственно приведённому, 0С: tкк=865; tлук=700; tузк=180; tзжк=110.
Определяем среднюю температуру огнеупорных слоёв:
В начале разогрева:
tср.лн==230 0С;
tср.ун= =125 0С;
tср узн== 600С;
В конце разогрева:
tср.лк= = 780 0С;
tср.ук== 440 0 С;
tср.узк==145 0С;
Находим массу легковеса:
mл = = = 2398 кг.
где с л - плотность легковеса, ;
Устанавливаем изменение средней температуры легковеса за период разогрева печи:
Дtср.л= t кср.л - tнср.л
где t кср.л - средняя температура слоя легковеса в конце разогрева, 7800С;
tнср.л - средняя температура слоя легковеса в начале разогрева, 230 0С;
Дtср.л = 780-230 = 550 0С
Теплоёмкость легковеса будет равна:
Сл = ;
где 1,046 и 0,00092 - коэффициенты теплопроводности.
Количество тепла, аккумулируемого легковесом:
Qл = mл· Сл· Дtср.л=;
Находим массу ультралегковеса при его плотности :
mул = =;
Теплоёмкость ультралегковеса будет равна:
Су =,
где 0,33 и 0,00058 - коэффициенты теплопроводности
Дtср.у=315 - изменение ср. температуры ультралегковеса за период разогрева печи.
Количество тепла аккумулированного ультралегковесом будет равно:
Qу = mул· Су· Дtср.у=
Находим массу ультралегковесной засыпки при её плотности :
mуз = =;
Теплоёмкость засыпки будет равна:
Суз = ;
где 0,33 и 0,00058 - коэффициент теплопроводности, Дtср.уз=85 0С
Количество тепла аккумулированного засыпкой будет равно:
Qуз = mуз· Суз· Дtср.уз=
Находим массу железного кожуха при плотности железа :
mжк = =;
Принимаем теплоёмкость железа 0,51 кДж
Количество тепла, аккумулированного кожухом равно:
Qжк = mжк·Сжк· Дtжк=
Всего тепла, аккумулированного печью:
Q1= Qл+ Qу+ Qуз+ Qжк= 2046932,8+542474,4+112323,27+=2810425,34 кДж.
При продолжительности разогрева печи ф=14 часов аккумулируется тепла:
Количество тепла, идущее на нагрев реактора, определяется следующим образом: реактор устанавливается после предварительной сушки в печь при температуре 700 0С с последующим нагревом до 865 0С. Теплоемкость железа при температуре 865 0С равна 0,67 . Находим разность температур при нагревании реактора:
Дtр = 865 - 700 = 165 0C
Тепло, идущее на нагрев реактора, будет равно:
Qр =;
где mр - масса реактора, 6290 кг
.
Потери тепла через крышку реактора складываются из потерь непосредственно через крышку и потерь тепла через водо-охлаждаемые фланцы. При определении потерь тепла через крышку, считаем, что излучаемое от расплава тепло через паровую фазу попадает на крышку, а затем конвекцией и излучением передаётся в окружающую среду. Условно считаем паровую фазу прозрачной.
Для определения теплопередачи от расплава к крышке принимаем:
- коэффициент излучения абсолютно черного тела 5,7 ;
- коэффициент диафрагмирования 0,75;
- t 0 К поверхности расплава и крышки 1173 и 873 0К соответственно;
- степень черноты расплава 0,8;
- приведённая степень черноты 0,64.
Определяем поверхность расплава в реакторе по формуле:
Fр =,
где D вн - внутренний диаметр аппарата, 1,5 м.
Теплопередача излучением от расплава к крышке будет равна:
Qрк =, где 0,64 - приведенная степень черноты; 5,7 - к-т излучения абсолютно черного тела; 0,75 - к-т диафрагмирования; Fр=1,77 - поверхность расплава; 1173, 873 - температуры поверхности расплава и крышки соответственно.
Для определения тепло потока от крышки в окружающую среду принимаем:
- t 0окр.среды= 293 К (t 1 = 20 0С);
- коэффициент конвекции с горизонтальной поверхности вверх 2,8;
- коэффициент излучения крышки 3;
- t 0 поверхности крышки 873 0К (t2 = 600 0С);
Тогда суммарный коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией 51,98 .
Тепло поток от крышки в окружающую среду находим по формуле:
Qк.о. =.
где Fр - поверхность расплава в реакторе, 1,77 м2.
Тепло потери через крышку реактора равны:
Определяем количество тепла, теряемого в окружающую среду, которое складывается из потерь конвекцией и излучением.
Для определения потерь тепла конвекцией принимаем температуру кожуха печи 1100С и окружающего воздуха 200С.
Местный коэффициент теплопередачи определяем по формуле:
где 2,56 - коэффициент поправочный,
tk, tокр.ср - температуры кожуха и окружающей среды.
Устанавливаем поверхность печи:
.
Потери тепла конвекцией находим из выражения:
Для определения потерь тепла излучением принимаем степень черноты железного кожуха покрытого алюминиевой краской 0,4:
Температура кожуха печи равна 418 К.
Потери тепла определяем по формуле:
25931,48 Вт.
Суммарные потери тепла в окружающую среду:
Q4 = (Qkч + Qич)= (58308,16+25931,48) =303262,15 .
Потери тепла в период разогрева печи без учёта потерь в водоохлаждаемых фланцах:
Qпот = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 200857,19+49668,54+192105,6+303262,15
=745892,88 .
Потери тепла на водоохлаждаемые фланцы составляют 20% от общих потерь тепла:
Qф= Qпот ·0,2=745892,88 ·0,2=149178,58 .
Qпот.общ. = Qпот + Q ф =745892,88+149178,58=895070,28 .
Часть потерь тепла компенсируется за счёт тепла, вносимого печью, нагретой до 300 0С.
Количество тепла, вносимого печью, будет равно:
Масса слоёв кладки печи и средние температуры слоёв были определены ранее. При этих средних температурах теплоёмкости слоёв кладки печи рассчитываются по формуле:
Сл= алегк +0,00092·t ср.легк=1,046+0,00092·230 = 1,2576 ; где 1,046 и 0,00092 - к-ты теплопроводности.
Су = 0,33+0,00058·125 = 0,4025 ; где 0,33 и 0,00058 - к-ты теплопроводн.
Суз= (0,33 +0,00058·60) ·0,8+0,2· 1,3 = 0,563 ;
Сжк = 0,51 .
Количество тепла, вносимого печью, будет равно:
Qл = mл ·Сл ·tср.легк ==693616,7 кДж;
Qу= mу·Cу ·tср.у ==168899,06 кДж;
Qуз= mуз ·Cуз ·tср.уз = =37072,8 кДж;
Qжк = mжк ·Cжк ·tср.жк = =41351,31 кДж.
Всего вносится тепла нагретой печью:
Qп = Qлегк + Qу + Qуз + Qжк =693616,7+168899,06+37072,8+41351,31=
=940939,47 кДж
Приход тепла при разогреве печи:
Qр = .
Количество тепла, которое должно быть подведено за счёт электрического нагрева:
Qэ = Qпот.общ - Qп =895070,82-67210 =827860,82
Необходимую мощность печи при коэффициенте запаса мощности k=1,65 находим по формуле:
Р = (Qэ*k)/3600кВт
К установке принимаем печь мощностью 380 кВт
Количество тепла экзотермической реакции восстановления ТiCl4 магнием определяем следующим образом:
Тепловой эффект реакции при температуре 8500С (1123 0 К) = 412,6 кДж.
На восстановление поступает ТiCl4 300 кг/час.
,
где Qэкз - тепловой эффект реакции;
m - молекулярная масса ТiCl 4;
хпод- скорость подачи ТiCl 4.
Количество тепла, вносимого расплавленным магнием, находим, принимая следующие данные:
Масса загружаемого магния в реторту, ММg=8519,8 кг.
- теплоёмкость расплавленного магния, =1,4 .
-температура расплавленного магния, = 710 0С.
Тепло, вносимое с расплавленным магнием, будет равно:
Поступает тепла с расплавленным магнием: .
Всего приход тепла составляет:
.
Расход тепла:
Потери тепла со сливаемым MgCl2 находим с учётом следующих данных:
Теплоёмкость MgCl2 при температуре слива 0,92 ;
Температура слива 850 0С;
Сливается MgCl2 за 1 час восстановления:
mч MgCl2 = .
Потери тепла со сливаемым хлористым магнием, находим по формуле:
Q MgCl2 =.
Определяем количество тепла, аккумулируемого реакционной массой. Принимаем для расчёта следующие данные:
- теплоёмкость титана при температуре восстановления 8500С равна 0,59 ;
- теплоёмкость Mg и MgCl2 при темп-ре восстановления 8500С равна 1,4 ;
- температура процесса 850 0С
Состав реакционной массы за цикл: 60% Ti; 15% MgCl2; 25% Mg;
;
;
.
Тепло, аккумулируемое реакционной массой, будет равно:
Qр.м. =
.
При восстановлении аккумулируется тепла реакционной массой:
.
Количество тепла, теряемого через крышку реактора и печью в окружающую среду, определено ранее: Q3 = 192105,6 ; Q4 =303262,15 .
Всего расход тепла:
Qрасх=Q MgCl2+Qчр.м.+Q3+Q4 =435536,855 +181132,45+192105,6 +303262,15 =1112036,58
Для определения расхода воздуха на охлаждение реторты принимаем следующие данные:
-теплоёмкость охлаждающего воздуха, = 1,3
-температура охлаждающего воздуха, =200С;
-температура воздуха после охлаждения, = 500С.
Определяем расход воздуха по формуле:
.
где Qв = Qприх-Qрасх= 1216395,50-1112036,58 = 104358,92
По результатам расчётов составляем тепловые балансы для печи восстановления в период разогрева и в период процесса восстановления.
Таблица 4. Тепловой баланс печи восстановления в период разогрева
|
приход
|
расход
|
|
|
статья
|
количество
|
статья
|
количество
|
|
|
|
%
|
|
|
%
|
|
|
Тепло электрического нагрева
|
827860,82
|
92,49
|
Тепло, аккум.
кладкой и кожухом печи
|
200857,19
|
22,44
|
|
|
Тепло, нагретых кладки и кожуха печи
|
67210,0
|
7,51
|
Тепло, теряемое через крышку реактора
|
192105,6
|
21,45
|
|
|
Тепло, теряемое в окружающую среду
|
303262,15
|
33,88
|
|
|
Тепло на нагрев реактора
|
49668,54
|
5,54
|
|
|
Тепло, на нагрев водоохлаждаемых фланцев
|
149117,58
|
16,69
|
|
|
итого
|
895070,82
|
100
|
итого
|
895070,82
|
100
|
|
|
Таблица 5. Тепловой баланс печи восстановления в период процесса восстановления
|
приход
|
расход
|
|
|
статья
|
количество
|
статья
|
количество
|
|
|
|
%
|
|
|
%
|
|
|
Тепло экз. реакции
|
651816,75
|
53,59
|
Тепло, теряемое со сливом MgCI2
|
435536,855
|
35,81
|
|
|
Тепло, вносимое расплавленным магнием
|
564578,75
|
46,41
|
Тепло, аккумулированное реакционной массой
|
181132,45
|
14,89
|
|
|
Тепло, отводимое охлаждающим воздухом
|
104358,92
|
8,58
|
|
|
Тепло, теряемое через крышку
|
192105,6
|
15,79
|
|
|
Тепло, теряемое в окружающую среду
|
303262,15
|
24,93
|
|
|
Итого
|
1216395,5
|
100
|
Итого
|
1216395,5
|
100
|
|
|
3. Расчет основных конструкционных размеров аппарата
При выборе конструкции и размеров аппарата восстановления необходимо руководствоваться следующими соображениями: аппарат должен иметь надёжные отработанные узлы, быть унифицированным с оборудованием работающим в цехе, а так же экономическими соображениями. За основу расчёта выбирается аппарат с цикловой производительностью 5000 кг с нижним сливом MgCl2. Данный аппарат имеет ряд преимуществ: простота и сравнительная надёжность (по сравнению с аппаратами с верхним сливом MgCl2), удобство в обслуживании, высокая часовая производительность по сравнению с аналогами зарубежных фирм. Но данный аппарат имеет и ряд недостатков, таких как: большие габаритные размеры аппарата, вес.
Принимаем данные, характеризующие реактор.
Диаметр мм:
Внутренний 1500
Наружный 1550
Фланца (д крышки) 1950
Общая высота 3970
Толщина крышки 200
Расстояние от поверхности расплава 200
до днища крышки
D заливной горловины 114*16
Скорость подачи TiCI4 300 кг / час
Реакционной массы 8393,33 кг
Толщина стенки:
реактора 25 мм.
крышки 20 мм.
Общий вес материала и самой реторты без фланца находится по формуле:
Q = Q1 + P = 6290 +8393,33=14683,33 кг.
где Q1 - вес материала в реторте, 8393,33 кг
P - вес реторты, кг; P = 6290 кг
p =
p - площадь сечения обечайки, .
Действительное напряжение:
уд = ==12,27 .
Избыточное давление, испытываемое ретортой при процессе восстановления
Рвн. = 0,3
Предельно допустимое напряжение при процессе восстановления
у= 66 (для 8000С)
3.1 Определение веса основных элементов аппарата
Вес обечайки находим по формуле:
Qо = р D ср S L г=3,14 · 1525 · 25 · 200 · 0,008 = 1884 кг;
где D ср - средний внутренний диаметр реторты, мм, Dср = 1525 мм;
S - толщина стенки реторты, мм., S = 25 мм;
L - длинна обечайки реторты, мм., L = 200 мм;
г - удельный вес стали ;г = 0,008 ;
Общий вес фланца находим по формуле:
Qф = рhг (R2H - R2B)= 3,14· 50· 0,008 · (19502-15002) = 1949 кг
Где h - толщина фланца, мм, h = 50 мм.
RH и RB - наружный и внутренний диаметры фланца, мм., 1950 и 1500 мм. соответственно
Рассчитываем вес, ушедший с выточками на фланце реторты:
Выточка под водяное охлаждение имеет длину l=100 мм и толщину b=15 мм, её вес равен:
Qв=р· b· г·(RH2-l2)= 3,14 ·1,5· 0,008 · (19502 - 1002) = 1055,9 кг.
Выточка под прокладку имеет наружный диаметр dпрн=1900 мм и внутренний диаметр dпрвн=1880 мм, толщину Sпр=7 мм, её вес будет равен:
Qпр= р· Sпр· г·(dпрн2 - dпрвн2)= 3,14· 0,7· 0,008· (19002-18802) = 132,9 кг.
В итоге вес фланца с учётом выточек под прокладку и под водяное охлаждение будет равен:
Qф1 = Qф - Qв - Qпр =1949-1055,9-132,9 = 760,2 кг.
Вес стандартного эллиптического днища диаметром 1550 мм равен 500 кг, вес ложного днища равен 430 кг, вес прочих элементов равен 150 кг.
Общий вес реторты будет равен:
760,2+500 +150+430+1884+2566 = 6290,2 кг.
Вес реторты без фланца:
6290,2 - 760,2 = 5530 кг.
Рассчитываем вес верхнего пояса реторты:
Qо = рг D ср LS = 3,14*0,008*150*2,5*133 = 1252 кг.
Вес реторты без фланца и верхнего пояса:
5530 - 1252 = 4278 кг.
Вес материалов, поступающих в реторту.
Из материального баланса известно, что всего за процесс восстановления загружается магния Qм =5116,8 кг.
После процесса восстановления в реторте образуется реакционная масса, в количестве:
Q рм =8393,33 кг.
В ней содержится:
титановой губки 8393,33· 0,6 =5035,98 кг;
магния 8393,33· 0,25 =2098,33 кг;
хлористого магния 8393,33· 0,15 =1259 кг.
4. Механические расчеты
Исходные данные:
1. Внутренний диаметр, D=1500 мм.
2. Длина цилиндрической части корпуса до опасного сечения, L=3800 мм.
3. Избыточное внутреннее давление в аппарате, Р=0,03 МПа.
4. Максимальная температура среды, соприкасающаяся со стенкой аппарата, Тр=8500 С.
5. Скорость коррозии корпуса аппарата, Vк=0,1 мм/г.
6. Срок службы аппарата, ф=10 лет.
7. Материал корпуса аппарата - сталь 12Х18Н10Т.
Расчетная температура.
Максимальная рабочая температура в аппарате с учетом охлаждения равна 8500 С. За расчетную температуру принимаем рабочую температуру увеличенную на 500 С (прямой обогрев стенки аппарата).
Тр=650+50=7000 С.
Расчетное давление.
Максимальное рабочее давление принимаем для нижней части аппарата.
Ррасч.=Рраб.+Ргидр., где
Рраб.=0,03 МПа.
Ргидр.=1 МПа - давление действующее на нижнюю часть аппарата от веса реакционной массы.
Ррасч.=0,03+1=1,03 МПа.
Давление в условиях испытания:
, где
- допустимое напряжение материала аппарата при температуре 200С.
- допустимое напряжение материала аппарата при температуре 7000С.
=184 МПа. =30 МПа.
Ри=3,9 МПа.
Допустимое напряжение.
А). Для рабочих условий:
Так как среда не взрывоопасна .
В). Для гидравлических испытаний:
, где
- предел текучести материала стенки при температуре 200С.
Прибавка к расчетной толщине стенки аппарата:
Аппарат рассчитан на 5450 циклов. Максимальная скорость коррозии за 1 цикл равна 0,002 мм/год. (Других условий нет).
С=5450*0,002?11 мм.
Расчет цилиндрической обечайки реторты на прочность:
Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки:
1) в рабочих условиях:
мм
2) В условиях испытания:
За исполнительную толщину стенки принимаем максимальную толщину стенки + прибавка на коррозию:
Допустимое внутреннее давление:
1) в рабочих условиях:
2) в условиях испытания:
Условие прочности:
> условие прочности выполняется.
Расчет на прочность эллиптического днища:
Расчет толщины стенки днища:
1) в рабочих условиях:
R - радиус кривизны;
2) в условиях испытаний:
Принимаем толщину стенки днища равную 24 мм.
Допускаемое внутреннее давление:
1) в рабочих условиях:
2) в условиях испытаний:
Условие прочности:
> условие прочности выполняется.
Заключение
В данном курсовом проекте произведен расчет аппарата восстановления в производстве титана губчатого. Было рассчитано:
1. Материальный баланс процесса восстановления;
2. Тепловые расчеты процесса восстановления;
3. Расчет основных конструктивных размеров аппарата;
4. Механический расчет.
Выполнив эти расчеты, мы убедились в том, что данный аппарат является работоспособным, имеет запас прочности по механическим расчетам, выдерживает тепловые нагрузки, конструктивные размеры аппарата вписываются в габариты цеховых пролетов.
Список литературы
титан технологический тетрахлорид магний
1. М.Н. Кувшинский, А.П. Соболева, «Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности»». Москва 1980 г.
2. «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность». ГОСТ 14249-89, Москва 1989 г.
3. А.В. Тарасов, «Металлургия титана». Москва 2003 г.
4. Техническая документация на электропечь типа СШО. ОАО «АВИСМА».
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976.
