Проектирование отделения магнийтермического восстановления тетрахлорида титана

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Восточно-Казахстанский государственный

технический университет им. Д. Серикбаева

Кафедра химии, металлургии и обогащения

ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ

Зав.кафедрой, к.т.н.

_______ Н.А. Куленова

«___»___________2009 г.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

050709.6708.02 ПЗ

Тема: ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТДЕЛЕНИЯ МАГНИЙТЕРМИЧЕСКОГОВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕТРАХЛОРИДА ТИТАНА НА БАЗЕ АО «УК ТМК».

Руководитель:

Зав.кафедрой, к.т.н. Н.А. Куленова

Студент А.Б. Ергасымов

Группа 06-МТз-3

« ___ » _________2009г.

Усть-Каменогорск

2009

Консультанты:

1. Консультант по экономике металлургических предприятий Е.Ю. Ван

"_____"_______________ 2009г.

2. Консультант по автоматизации металлургических производств к.т.н., доцент Г.К. Шадрин

"_____"_______________ 2009г.

3. Консультант по охране труда и экологии старший преподаватель Б.К. Нургазина

"_____"________________ 2009г.

4. Рецензент

"_____"_______________ 2009г.

5. Нормоконтролер

Н.А. Хорошева

"_____"_______________ 2009г.

Аннотация

Проект содержит пояснительную записку на листах с рис.,табл.,7 черт., библиогр. назв.

ТЕТРАХЛОРИД ТИТАНА, АРГОН, МАГНИЙ-ВОССТАНОВИТЕЛЬ, ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ, ХЛОРИД МАГНИЯ, АППАРАТ ВОССТАНОВЛЕНИЯ, РЕАКЦИОННАЯ МАССА, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ.

Целью работы является реконструкция отделения восстановления тетрахлорида титана магнием производительностью 15000 тонн губчатого титана в год.

В проекте осуществлен выбор аппаратурно-технологической схемы, выполнен расчет материального и теплового балансов. На основании материального баланса и данных действующего предприятия выбрано основное и вспомогательное оборудование.

С целью интенсификации производства в проекте предусмотрена установка аппаратов восстановления повышенной цикловой производительностью - 5т/цикл. Внедрение более производительных аппаратов позволит на тех же площадях получать большее количество губчатого титана, снизить капитальные и эксплуатационные затраты и таким образом снизить себестоимость продукции.

Экономические расчеты выполнены на основании прогрессивных норм выработки и расходных коэффициентов, отражающих современный уровень развития титановой подотрасли.

В проекте в необходимом объеме рассмотрены вопросы охраны труда и техники безопасности.

Графическая часть проекта состоит из сборочных чертежей основного оборудования отделения восстановления, функциональной схемы автоматизации, схемы цепи аппаратов и компоновочных чертежей цеха.

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор технологий

1.2 Обзор патентной литературы

1.3 Анализ работы действующего предприятия

2. Выбор и обоснование принимаемого в проекте технологического решения

3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура сырья и продукции

3.2 Описание основного технологического процесса

3.3 Металлургические расчеты

3.3.1 Расчет материального баланса процесса восстановления

3.3.2 Конструктивный расчет аппарата восстановления

3.3.3 Тепловой расчет аппарата восстановления

3.3.4 Расчет тепловой мощности печи восстановления

3.3.5 Расчет требуемой мощности печи

3.3.6 Электрический расчет печи восстановления

3.4 Выбор и расчет основного и вспомогательного оборудования

3.4.1 Выбор и расчет основного оборудования

3.4.2 Выбор и расчет вспомогательного оборудования

4. Контроль и автоматизация технологических процессов

4.1 Характеристика процесса как объекта управления

4.2 Постановка задач управления процессом восстановления

4.3 Описание функциональной схемы

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов

5.1.1 Классификация производственных факторов

5.1.2 Характеристика вредных веществ, специфических для данного производства

5.2 Организационные мероприятия

5.3 Средства индивидуальной защиты

5.4 Обеспечение спецпитанием

5.5 Санитарно-гигиенические мероприятия

5.6 Организация воздухообмена

5.7 Расчет защитного заземления

5.8 Освещение

5.9 Противопожарные мероприятия

5.10 Виды аварий и мероприятия по их ликвидации

5.11 Экологичность проекта

5.11.1 Охрана воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами

5.11.2 Охрана водоемов, почв от загрязнения вредными веществами

5.11.3 Проектные решения по утилизации отходов

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Многовалентность титана, его высокая активность обуславливают применение особых технологических приемов в процессе его производства.

В мировой практике, в том числе и в Казахстане преимущественное развитие получил магниетермический способ получения титана. Хлорид магния (MgCl2), получаемый в качестве побочного продукта процесса, является сырьем для производства магния (Mg). Вместе с тем при электролизе магния побочным продуктом является хлор, который необходим для получения тетрахлорида титана (TiCl4). Этим и объясняется целесообразность совмещения производств титана и магния.

Отделение восстановления тетрахлорида титана магнием является самым важным в производстве губчатого титана, так как в отделении получают титановую губку, в которой формируются все основные физико-химические и технологические свойства [1].

Цикловой съем губчатого титана (Г.Т.) определяется, прежде всего, коэффициентом использования магния.

В данном дипломном проекте принимаем коэффициент использования магния равный 60%.

Повышение коэффициента использования магния позволит уменьшить оборотные потоки магния, снизить энерго-, металло- и трудоемкость процесса восстановления.

Повышение единичной мощности аппаратов восстановления позволяет увеличить на тех же площадях производительность аппаратов по губчатому титану, причем часовая продолжительность возрастает незначительно, так как длительность вспомогательных операций (монтажа и т.д.) остается прежней.

Поэтому вопросы интенсификации технологического процесса, а также снижение энерго- и металлозатрат в отделении магнийтермического восстановления являются на сегодняшний день наиболее актуальными.

Целью настоящего дипломного проекта является модернизация существующего отделения магнийтермического восстановления, предусматривающего установку аппаратов повышенной цикловой производительностью (5 тонн губчатого титана за цикл) и интенсификация технологического процесса за счет повышения коэффициента использования магния.

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор технологий

Наибольший интерес при производстве титана представляют следующие способы его получения:

- восстановление тетрахлорида титана магнием или натрием;

- восстановление диоксида титана кальцием или гидридом кальция;

- электролитический способ.

Подавляющая часть титана, выпускаемая промышленностью, производится восстановлением хлорида титана магнием или натрием.

Магнийтермический способ получения титана основан на следующей реакции:

TiCl4 + 2Mg = Ti +2MgCl2+Q (1)

Восстановление магнием проводят в стальных герметичных аппаратах в атмосфере аргона. Реакция восстановления титана экзотермична, выделяющегося тепла достаточно для самопроизвольного течения процесса. Процесс ведут в интервале температур 720-975 0С. В результате восстановления получаем реакционную массу, которая представляет собой пористую массу титана - титановую губку, пропитанную остатками хлорида магния и избытком магния. Для очистки реакционной массы применяют вакуумную сепарацию, которая основана на относительно высокой упругости паров Мg и MgCl2 при температуре 850-950 0С.

Восстановление тетрахлорида титана натрием ведут в интервале температур 801-883 0С, в атмосфере аргона. Процесс идет за счет теплоты химической реакции, избыток тепла отводят.

Натриетермический способ основан на следующей реакции:

TiCl4 + 4Na = Ti + 4NaCl + (2)

Натрийтрмический способ имеет ряд преимуществ перед магнийтермическим: легкость транспортировки натрия вследствие низкой температуры (98С) его плавления, высокая скорость восстановления и реакции со 100% коэффициентом использования натрия, отсутствие сложного и энергоемкого процесса вакуумной сепарации, возможность ведения полунепрерывного процесса. Вместе с тем, у этого способа есть и недостатки: высокая активность натрия, высокая экзотермичность реакции восстановления, большой объем восстановителя и продуктов реакции, что приводит к использованию громоздкой аппаратуры.

Для получения мелкозернистых порошков титана, используемых в порошковой металлургии можно применять технологию восстановления диоксида титана кальцием или гидридом кальция.

Восстановление диоксида титана кальцием проходит по реакции:

TiO2 + 2Ca = Ti + 2CaO (3)

Процесс восстановления ведут в атмосфере аргона, при температурах 1000-1100 0С.

Несмотря на значительные выделения тепла, для самопроизвольного протекания процесса необходимо постоянно подогревать реактор.

Восстановление диоксида титана гидридом кальция идет по реакции:

TiO2 + 2CaH2 = Ti + 2CaO + H2 (4)

С помощью йодного метода можно получить высокочистый титан. Йодидное рафинирование позволяет достаточно глубоко удалить из титана ряд примесей. Йодидный способ очистки титана основан на обратимости реакции:

TiJ4 = Ti + 2J2 (5)

Все эти способы применяются ограничено и по своим масштабам значительно уступают магний- и натрийтермическим способам.

Перспективным является электролитический способ получения титана. Главное его преимущество - отсутствие металлического восстановителя.

Выбор способа производства зависит от ресурсов в данной стране, соотношения их в стоимости, созданных мощностей по тому или иному методу, наличие энергоресурсов и др. В нашей стране существует титаномагниевое комбинированное предприятие. Это обусловлено тем, что у нас достаточно большие запасы магниевого сырья, отработанная отечественная технология получения магния и сравнительно низкая себестоимость магния перед натрием.

В промышленной практике производства титана используются следующие схемы получения губчатого титана:

- раздельная, при которой перевод процесса восстановления на процесс вакуумной сепарации осуществляется после охлаждения аппарата восстановления, процесс сепарации ведется в специализированной печи;

- полусовмещенная, при которой монтаж аппарата сепарации осуществляется без охлаждения аппарата восстановления, процесс сепарации ведется в специализированной печи;

- совмещенная, при которой процессы восстановления и сепарации последовательно осуществляются в одной и той же печи.

Раздельный процесс наименее экономичен и практически не используется. Наибольшее распространение в практике получил полусовмещенный процесс. Совмещенный процесс был разработан в СССР и в различные годы был опробован на ЗТМК и УКТМК, но на тот период не показал заметных преимуществ перед полусовмещенным и не нашел промышленного применения.

Кроме того, аппараты восстановления различаются способом вывода образующегося в ходе процесса хлорида магния: с нижним сливом (через хвостовик) (рисунок 1А) и с верхним сливом соли, который в свою очередь подразделяется на верхний слив через сливной стояк внутри реактора и вне реактора (рисунок 1Б,1В).

Рисунок 1 - Принципиальная схема аппаратов восстановления. А - с нижним сливом соли; Б, В - с верхним сливом соли;

1.2 Обзор патентной литературы

Анализ патентной и научно-технической информации показывает, что как в странах СНГ, так и в странах дальнего зарубежья совершенствование способа получения титана проводится в одних и тех же направлениях, а именно:

- увеличение производительности аппаратов восстановления и сепарации;

- снижение энергоёмкости и трудозатрат;

- автоматизация технологических процессов восстановления и вакуумной сепарации.

Анализ патентной литературы показывает, что за рубежом ведётся интенсивный поиск более совершенной конструкции аппаратов как с верхним, так и с боковым расположением конденсатора. Обращает на себя то, что за рубежом применяется как полусовмещённые, так и совмещённые схемы получения губчатого титана.

Согласно акцептованной заявке (Япония) N55-36254 Японская фирма Осака Тайтениум Сэйдзо К.К. испытала аппараты совмещённого типа цикловой производительностью 7 т. Восстановление и сепарацию ведут в одной печи. В процессе восстановления догружают магний по мере удаления хлорида магния. Испытания прошли успешно, была достигнута экономия электроэнергии, сокращение времени технологического процесса и трудозатрат.

По данным Юкио Окура, Труды *-й Всемирной конференции по титану, 1996г, Бирменгем, стр.1427, фирмой Toho Titanium Co эксплуатируются аппараты цикловой производительностью 4-6 тонн с боковым расположением конденсатора. Процессы восстановления и вакуумной сепарации ведут в различных печах. По мнению автора трудно сказать, какой процесс лучше. Полусовмещённый процесс обеспечивает низкую стоимость оборудования, а совмещённый - лучшее функционирование.

Американская фирма Timet совместно с фирмой Toho Titanium Co осуществила модернизацию передела получения губчатого титана с установкой аппаратов до 8,0 т / цикл (диаметр реторты 2,0 м) с боковым расположением конденсатора.

Аппараты с горизонтальной ретортой цикловой производительностью 6,3 т испытаны в США фирмой Оремет , патент США N 23556491. Процесс сепарации без вакуумирования в токе инертного газа. Это привело к снижению энергозатрат.

Другой патент опубликован японской фирмой Мицубиси Киндзоку К.К. 28.01.84., заявка N59-16928. Аппарат для металлотермического восстановления содержит реактор, конденсационную камеру и газопровод, соединяющий оба аппарата. Имеющий защитное устройство, предотвращающее зарастание газопровода конденсатом.

Двумя Японскими фирмами Осака Тайтениум Сэйдзо К.К. и Тюгай ро Коге , совместно был предложен усовершенствованный вариант процесса Королла, по которому в центре реакционного сосуда помещено устройство, позволяющее контролировать и регулировать температуру шихтовых материалов во время получения металла с высокой температурой плавления. Реактор, в котором при взаимодействии с расплавленным магнием из хлорида титана получается титан и хлористый магний, помещен в нагревательную печь. Для ограничения подъема температуры в следствии реакции по внутренней трубе подается воздух для охлаждения центра реактора и одновременно охлаждается периферия нагревательной печи. После полного завершения процесса восстановления непрореагированный магний и хлорид магния разогревают выше температуры кипения, используя дополнительное тепло от нагревателя в центре реактора и удаляют их в парообразной форме через трубку, расположенную в центре реактора.

Американской фирмой Westinghouse Electrik Corp. Предложен реактор для магнийтермического восстановления хлорида титана, имеющий отдельную емкость (сублиматор) для испарения хлоридов, соединен с реактором системой трубопроводов, которые снабжены вентилями, контролирующие поступление хлоридов в реакционную зону. Один сублиматор может обслуживать несколько реакторов. Реакторы снабжены устройствами для быстрого охлаждения реакционной массы после завершения процесса восстановления. Регулирование подачи хлорида осуществляется посредством взвешивания загрузки сублиматора.

Обзор технической и патентной литературы показывает наличие тенденции к увеличению единичной мощности аппаратов для производства губчатого титана, как в ближнем, так и в дальнем зарубежье [14].

По мнению авторов, размеры реактора имеют большое значение для снижения энергоёмкости и повышения производительности аппаратов за счёт экономии трудозатрат и упрощения оборудования. Японская фирмаОсака тайтениумзаменила реакторы цикловой производительностью 1,4 - 2,0 т губчатого титана на реакторы производительностью 5,7 и 10 т. Другая японская фирма Тохо тайтениум увеличила цикловую производительность аппаратов с 1,4 т до 5,0 т губчатого титана за цикл. По аналогичному пути произведена реконструкция завода в г. Цзуньи (КНР), установлены аппараты производительностью 5,0 т губчатого титана.

По зарубежным источникам информации[15] сравнительная характеристика аппаратов различной цикловой производительности показывает, что при повышении цикловой производительности выше 5,0 т идёт значительное затухание преимуществ аппаратов большой производительности.

В странах СНГ увеличение выпуска губчатого титана достигалось за счёт усовершенствования технологии и аппаратуры, реконструкции существующих производств с внедрением более производительных аппаратов. Технико-экономические показатели при этом неуклонно возрастали. Изучалась связь показателей губчатого титана с габаритами аппаратов для его получения. Выявлено, что с точки зрения качества губчатого титана, повышение циклового съёма за счёт увеличения габаритов даёт положительное резюме [16].

Одновременно с увеличением циклового съёма может быть достигнуто повышение часовой производительности и улучшение основных технико-экономических показателей. Однако, некоторые показатели, как например, удельная нагрузка на конденсатор при проведении процесса вакуумной сепарации изменяется в худшую сторону. Это обстоятельство свидетельствует о необходимости поиска оптимума для габаритов аппаратов.

При увеличении габаритов аппаратов снижается удельная поверхность блока губчатого титана. Что в конечном итоге приводит к закономерному сокращению выхода низкокачественного металла (счисток и низового обруба). Чётко проявляется закономерность пропорционального увеличения выхода качественного кричного металла. Снижается выход гарниссажной губки.

Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении единичной мощности технико-экономические показатели производства губчатого титана и его качества повышаются.

1.3 Анализ работы действующего предприятия

На АО «УК ТМК» применяется магнийтермический способ получения титановой губки в электропечах шахтного типа. Производительность аппарата восстановления и вакуумной сепарации 4,1 тонн титановой губки за цикл.

С выходом комбината на международный рынок встаёт вопрос о снижении себестоимости выпускаемой продукции, увеличение объемов выпуска титановой губки на наименьших производственных площадях. При этом качество титановой губки должно оставаться на прежнем уровне. На комбинате постоянно ведутся работы в этом направлении:

- увеличение коэффициента использования магния;

- уменьшение по времени цикла процесса восстановления и сепарации.

Еще одним направлением уменьшения себестоимости титановой губки является внедрение аппарата восстановления и сепарации с цикловой производительностью 5 тонн за цикл, что и предлагается в данном дипломном проекте.

2. Выбор и обоснование принимаемого в проекте технологического решения

технология титан металлургический

Как показал анализ научно-исследовательских работ и анализ работы действующего предприятия повышение цикловой производительности аппаратов восстановления и снижение энергозатрат в процессе магнийтермического производства губчатого титана является на сегодняшний момент актуальной проблемой.

Цикловой съем губчатого титана определяется, прежде всего, коэффициентом использования магния, увеличение которого позволяет снизить - энерго-, - метало- и трудоемкость магнийтермического передела.

Основным отличием проектируемой технологии от базовой состоит:

- в конструктивном пересчете на повышенную производительность аппарата (5 тонн губчатого титана за цикл);

- в более полном использовании магния-восстановителя.

Таблица 3 - Технико-экономическое отличие проектируемой технологии от базовой.

Технология	Коэффициент использования магния, %	Расход магния на 1 т губчатого титана, т	Расход магния в год, т	Затраты в год, тыс. т.
Проектируемая Базовая	60 56-58	1,694 1,750	25410 26250	7368900 7612500

Повышение коэффициента использования магния позволит снизить расход магния-восстановителя на 840 тонн в год, что составит 243600000 тенге.

3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура сырья и продукции

Сырьем для отделения восстановления является:

- очищенный тетрахлорид титана, поступающий из отделения ректификации цеха по производству очищенного тетрахлорида титана, соответствующего ТУ 647 РК 00202028 - 101 - 99 и техническим условиям следующего состава:

TiCl4 - 99,995%;

SiCl4 - 0,001%;

VOCl3 - 0,001%;

AlCl3 - 0,002%;

FeCl3 - 0,001%;

- магний-восстановитель, который должен соответствовать СТП 3826- 2.1-101;

Mg - 99,99%;

O - 0,02%;

Si - 0,001%;

Al - 0,02%;

Fe - 0,04%;

N - 0,03%;

Ni - 0,001%;

Cu - 0,002%;

Cl - 0,004%;

инертный газ - аргон, который должен соответствовать ГОСТу 10157-79 (аргон газообразный и жидкий):

Ar - 99,985%;

O - 0,005%;

N - 0,01%.

Отходами отделения является хлорид магния, который направляется на переработку по существующей на УК ТМК схеме - в цех по производству магния-сырца.

В результате процесса восстановления тетрахлорида титана магнием с последующей очисткой реакционной массы методом вакуумной сепарации, получаем титановую губку.

Качество титановой губки определяется содержанием химических примесей, равномерностью их распределения, твердостью, крупностью и внешним видом и должно соответствовать международному стандарту качества ISO-9003.

3.2 Описание основного технологического процесса

Промышленный магниетермический способ получения титана основан на реакции:

TiCl4+2Mg=2MCl2 + (6)

Восстановление титана можно представить как ступенчатое восстановление четыреххлористого титана и его низших хлоридов:

TiCl2+Mg = Ti+MgCl2 (7)

TiCl4+1/2Mg = 2TiCl3+1/2MgCl2 (8)

2TiCl3+Mg = 2TiCl2+MgCl2 (9)

TiCl2+Mg = Ti+MgCl2 (10)

Реакция начинается в газовой фазе. Образующийся TiCl2 конденсируется на поверхности расплава или на твердых поверхностях, а затем восстанавливается до металлического титана. Хлористый магний образуется в обеих стадиях в газообразном состоянии. Он является основным источником тепла.

В процессе восстановления одновременно с одним объемом титана образуется 12 объемов хлористого магния. При этом титан имеет вид прочно сросшихся дендритов.

Реакция взаимодействия четыреххлористого титана с магнием относится к гетерогенным. На ее скорость влияют, прежде всего, факторы, определяющие равновесие химического акта: температура, давление, концентрация реагирующих веществ.

Во время процесса могут образовываться низшие хлориды титана. Наличие их в реакторе может быть обусловлено следующим:

- недостатком восстановителя;

- низкими температурами в зоне реакции;

- наличие холодных зон в реакторе, даже если они значительно удалены от основной зоны реакции;

- недостатком активной поверхности в зоне реакции.

Образование низших хлоридов явление совершенно нежелательное. Это, прежде всего потери титана, так как низшие хлориды не используются для получения титана. Кроме того, наличие их приводит к сильному дымлению и возгоранию при вскрытии реактора. Причиной дымления является взаимодействие низших хлоридов титана с влагой воздуха, в результате чего выделяются пары соляной кислоты.

Взаимодействие четыреххлористого титана с магнием начинается при температуре 3000С, но реакция протекает при этом с небольшой скоростью. Приемлемой для промышленных условий является такая скорость начала процесса, которая развивается при температуре магния выше 8000С. Достаточно высокая температура необходима и для того, чтобы образовавшийся хлористый магний находился в жидком состоянии. В течении процесса на 1 кг получаемого титана выделяется около 6280,5 кДж тепла. Если тепло не отводить, то температура в печи будет быстро повышаться. Для повышения скорости процесса желательно, чтобы в зоне протекания реакции температура была по возможности более высокой. Контактирование реакционной массы с материалом реторты начинается при температуре выше 9000С. Это опасно вследствие загрязнения получаемого титана железом с образованием хлоридов и титанидов железа, загрязняющих титан, особенно при недостатке в зоне реакции восстановителя:

2TiCl4 + Fe = FeCl2 + 2TiCl3, (11)

TiCl3 + Fe = FeCl2 + 2TiCl4, (12)

4TiCl3 + Fe = FeTi + 3TiCl4, (13)

2FeCl3 + 3Ti = 2FeTi + TiCl4 (14)

Замер температуры производится контактными термопарами (термощупами), которые в наиболее характерных точках прижимаются к стенке реактора на наружней стороне. Колебания температур в пределах температурных зон может составлять 100-1500С. В связи с указанным, процесс следует вести при температуре на наружной стенке реактора 870-9000С.

Механизму формирования блока реакционной массы в промышленном реакторе посвящено ряд работ.

Содержание титана в реакционной массе центральной зоны блока примерно такое же, как и среднее по всему сечению. Однако ее плотность в центре блока больше в 1,5-2 раза. Следовательно, наибольшее количество титана образуется в центре блока.

Исходя из изложенного выше, механизм формирования блока реакционной массы в промышленном реакторе можно представить следующим образом. Четыреххлористый титан, находясь на поверхности расплава в виде капель и очагов, испаряясь, вступает во взаимодействие с газообразным магнием. Образовавшийся двухлористый титан конденсируется на поверхности расплава и восстанавливается до металла. В первый период титановая губка образуется в основном на поверхности расплава и опускается на дно вместе с хлористым магнием. Наличие губчатого титана способствует ускорению процесса, поскольку по порам губки из расплава подается магний и отводится часть тепла из зоны реакции, кроме того, на ней конденсируется двухлористый титан и кристаллизуется образовавшийся металл.

По мере уплотнения губки в результате вторичной реакции доступ магния в зону реакции затрудняется, и процесс постепенно замедляется. Кроме того, на затухание процесса влияет то, что весь оставшийся магний находится в порах губки и удерживается там силами смагничивания.

Одной из основных задач в производстве титана является получение металла, по возможности свободного от примесей. Основными источниками примесей являются исходные продукты. В процессе восстановления все примеси содержащиеся в четыреххлористом титане и в магнии, практически полностью переходят в титановую губку независимо от условий проведения процесса.

Основные примеси, содержащиеся в магнии, собираются первыми порциями образующегося титана и в основном попадают в нижнюю часть блока губки. Примеси из четыреххлористого титана распределяются по всему блоку равномерно.

После процесса восстановления в реакторе остается спекшийся блок реакционной массы, представляющий собой титановую губку, пропитанную магнием и хлоридом магния. Состав реакционной массы (средний по блоку) примерно следующий: 55-60% титана, 25-35% магния, 8-12% хлорида магния, 0,01-0,1% низших хлоридов титана.

Далее реакционная масса направляется на передел вакуумной сепарации, целью которого является очистка титановой губки от магния, хлорида магния и низших хлоридов титана.

3.3 Металлургические расчеты

3.3.1 Расчет материального баланса процесса восстановления

Основным сырьем при производстве губчатого титана является очищенный TiCl4.

Особенность процесса восстановления заключается в том, что в аппарат восстановления, нагретый до температуры 750-8000С в атмосфере инертного газа-аргона загружают магний-восстановитель в жидком виде, сразу в количестве, необходимом на весь процесс.

Далее в реактор непрерывно в течение всего процесса подают TiCl4.

Взаимодействие TiCl4 с магнием начинается при температуре 3000С, но при этом реакция протекает с небольшой скоростью.

Для промышленных условий оптимальной является такая скорость процесса, которая развивается при температуре 800-8500С. Такая температура необходима для того, чтобы M и MCl2 в течение процесса находились в жидком состоянии, так как только при этих условиях, возможно, объяснить разделение этих компонентов и нормальное проведение процесса восстановления. Об окончании процесса восстановления свидетельствует установившееся давление в реакторе, после использования магния на 56-60 %.

После завершения процесса восстановления аппарат с реакционной массой, выдержанной при температуре 860-9000С в течение 1 часа, для того, чтобы довосстановились образовавшиеся в ходе процесса низшие хлориды титана и с целью создания благоприятных условий для удаления, оставшегося MCl2 в реакторе.

Материальный расчет производим на 1000 килограмм титановой губки с последующим пересчетом на цикловую производительность аппарата [13].

При расчетах химический состав тетрахлорида титана берем, исходя из материального баланса передела очистки, а магния и аргона согласно утвержденным техническим условиям.

Таблица 6- Химический состав тетрахлорида титана, магния и аргона

Примеси	TiCl4, %	M,%	Ar ,%
O	0,001	0,02	0,005
Si	0,001	0,01
Al	0,001	0,02
V	0,001
Fe	0,001	0,04
N		0,003	0,01
Ni		0,001
Cu		0,002
Cl		0,004
Итого	0,005	0,1	0,015

В тетрахлориде титана присутствующие примеси находятся в виде VOCl3, SiCl4, AlCl3, FeCl3 (таблица 1), а в магнии и аргоне в виде механических примесей. Очищенный тетрахлорид титана, поступающий на передел восстановления, имеет следующий состав:

Таблица 7 - Состав очищенного тетрахлорида титана,(%)

Компоненты	Содержание, %
TiCl4	99,995
SiCl4	0,001
VоCl3	0,001
AlCl3	0,002
FeCl3	0,001
Итого	100%

Определим требуемое количество тетрахлорида титана, необходимое для получения 1000 килограмм титановой губки:

TiCl4 + 2M = Ti +2MCl2

189, 948, 6447, 9190, 64

На 47,9 кг Ti требуется 189,9 кг TiCl4

на 1000 кг Ti требуется x кг TiCl4

3964,51 кг TiCl4 составляет 99,995 %

х кг TiCl4 составляет 100 %

На заданное количество тетрахлорида титана приходится примесей:

1) На 99,995 кг TiCl4 приходится 0,001 кг FeCl3

на 3964,51 кг TiCl4 приходится х кг FeCl3

2) На 99,995 кг TiCl4 приходится 0,001 кг SiCl4

на 3964,51 кг TiCl4 приходится х кг SiCl4

3) Так как в VОCl3 содержится тоже 0,001%, то и в 3964,51 кг TiCl4 содержится 0,04 кг VОCl3.

4) На 99,995 кг TiCl4 приходится 0,002 кг AlCl3

на 3964,51 кг TiCl4 приходится х кг AlCl3

Количество примесей = 0,04 + 0,04 + 0,04 + 0,08 = 0,2 кг.

Общее количество тетрахлорида титана с примесями, необходимое для получения 1000 килограмм титановой губки составит:

3964,51+ 0,2 = 3964,71 кг TiCl4

Определим необходимое количество магния для восстановления 3964,51 кг тетрахлорида титана и 0,2 кг примесей:

TiCl4 + 2M = Ti + 2MCl2

189,9 48,64

На189,9 кг TiCl4 требуется 48,64 кг Mg

на 3964,51 кг TiCl4 требуется х кг Mg

2FeCl3 + 3Mg = 2Fe + 3MgCl2

32572,96

На 325 кг FeCl3 требуется 72,96 кг Mg

на 0,04 кг FeCl3 требуется х кг Mg

SiCl4 + 2Mg = Si + MgCl2

170 48,64

На 170 кг SiCl4 требуется 48,64 кг Mg

на 0,04 кг SiCl4 требуется х кг Mg

2VОCl3 + Mg = 2VOCl2 + MgCl3

208,724,32

На 208,7 кг VОCl3 требуется 24,32 кг Mg

на 0,04 кг VОCl3 требуется х кг Mg

2AlCl3 + 3Mg = 2Al + 3MgCl2

266,872,96

На 266,8 кг AlCl3 требуется 72,96 кг Mg

на 0,08 кг AlCl3 требуется х кг Mg

Общее количество магния, необходимое для получения 1000 килограмм титановой губки составит:

Количество Mg = 1015,45 + 0,009 + 0,01 + 0,003 + 0,02 = 1015,49 кг.

Количество примесей в этом количестве магния составляет:

В 99,9 % Mg содержится 0,1 % примесей, тогда в 1015,49 кг Mg содержится х кг примесей:

Магний с примесями составляет:

1015,49 + 1,02 = 1016,51 кг Mg.

Из практических данных АО УКТМК, согласно проектируемой конструкции аппарата восстановления, принимаем коэффициент использования магния равным 60%.

Количество магния, которое необходимо загрузить в реактор для получения 1000 кг титановой губки с учетом коэффициента использования магния составит:

1016,51 кг Mg составит 60%

х кг Mg составит 100%

Количество избыточного магния составит:

1694,18 - 1016,51= 677,67 кг Mg.

В процессе восстановления тетрахлорида титана магнием образуется хлорид магния. Определим его количество при получении 1000 килограмм титановой губки.

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

47,9 190,64

На 47,9 кг Ti приходится 190,64 кг MgCl2

на 1000 кг Ti приходится х кг MgCl2

2FeCl3 + 3Mg = 2Fe + 3MgCl2

325 285,96

На 325 кг FeCl3 приходится 285,96 кг MgCl2

на 0,04 кг FeCl3 приходится х кг MgCl2

SiCl4 + 2Mg = Si + 2MgCl2

170190,64

На 170 кг SiCl4 приходится 190,64 кг MgCl2

на 0,04 кг SiCl4 приходится х кг MgCl2

2VОCl3 + Mg = 2VОCl2 + MgCl2

34795,32

На 347 кг VOCl3 приходится 95,32 кг MgCl2

на 0,04 кг VОCl3 приходится х кг MgCl2

При восстановлении AlCl3 образуется хлористого магния:

266,8 285,96

2AlCl3 + 3Mg = 2Al + 3MgCl2

0,08

кг MgCl2

Общее количество хлорида магния, образующегося в процессе восстановления, составит:

3979,96 + 0,035 + 0,045 + 0,01 + 0,085 = 3980,14 кг MgCl2

На основании практических данных на АО УКТМК принимаем процент сливаемого из реактора хлорида магния 97 %.

3980,14 кг MgCl2 составляют 100 %, x кг MgCl2 составляют 97 %

С реакционной массой в реакторе остается хлорида магния:

3980,14 - 3860,74 = 119,4 кг MgCl2

Определим количество примесей, приносимых в титановую губку из тетрахлорида титана. Для этого сделаем пересчет примесей, содержащихся в тетрахлориде титана на химические элементы:

На 162,5 кг FeCl3 приходится 55,8 кг Fe, на 0,001% FeCl3 приходится х % Fe:

2Fe + 3Cl2 = FeCl3

55,8162,5

На 170 кг SiCl4 приходится 28 кг Si

на 0,001 % SiCl4 приходится х % Si

Si + 2Cl2 = SiCl4

28170

На 173,5 кг VOCl3 приходится 51 кг V

на 0,001 % VOCl3 приходится х % V

2V + O2 + 3Cl2 = 2VOCl3

51173,5

На 133,5 кг AlCl3 приходится 27 кг Al

на 0,002 % AlCl3 приходится х % Al

2Al + 3Cl = 2AlCl3

27133,5

На основании данных АО УКТМК, кроме вышеуказанных примесей, в титановую губку вносятся примеси кислорода в количестве 0,0005 % из-за подсоса воздуха и железа 0,0001 % из реактора.

Определим весовое количество примесей, кг:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0003 кг Fe, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг Fe

Из реактора привносится 0,0001% Fe, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится

Общее количество железа равно:

0,0119+0,0039=0,00158 кг Fe

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0002 кг Si, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг Si:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0003 кг V, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг V:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0004 кг Al, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг Al:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0005 кг O2, а на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг O2:

Сумма примесей составит:

0,0039 + 0,0119 + 0,0079 + 0,0118 + 0,0158 + 0,0198 = 0,072 кг из TiCl4.

Определим количество примесей, вносимых в титановую губку с магнием:

На 100 килограмм Mg приходится 0,04 килограмма Fe

На 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Fe

на 100 килограмм Mg приходится 0,01 килограмма Si

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Si

на 100 килограмм Mg приходится 0,002 килограмма Cu

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Cu

на 1000 килограмм Mg приходится 0,62 килограмма Al

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмма Al

на 100 килограмм Mg приходится 0,001 килограмма Ni

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Ni

на 100 килограмм Mg приходится 0,004 килограмма Cl2

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Cl2

на 100 килограмм Mg приходится 0,003 килограмма N2

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм N2

на 100 килограмм Mg приходится 0,02 килограмма O2

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм O2

Общее количество примесей, вносимых в титановую губку с Mg составит:

0,6776+0,1694+0,0338+0,0338+0,0169+0,0677+0,0508+0,3388=1,695 кг

Определим количество примесей, вносимых в титановую губку инертным газом-аргоном. Это количество примесей определяем по формуле:

, (15)

где P - количество примесей;

V - расход аргона на 1 тонну титана (из практики АО УКТМК V=7000 л);

a - содержание примеси в аргоне;

m - молекулярный вес примеси.

Количество N2 составит:

Количество кислорода в аргоне составляет:

Сумма примесей будет равна:

0,0042 + 0,0025 = 0,0067 кг из Ar.

Практикой установлено, что 85% примесей из аргона переходит в губку:

=0,0042* 0,85 = 0,00357 кг N2,

= 0,0025*0,85 = 0,0021 кг O2.

Сумма примесей равна:

0,0037 + 0,0021 = 0,0058 кг из Ar.

Результаты расчетов заносим в таблицу 8.

Таблица 8- Материальный баланс процесса восстановления

Загружено	Получено
Компоненты	Кг	%	Компоненты	кг	%
1	2	3	4	5	6
TiCl4	3964,51	70,04	Ti губка	1000	17,67
AlCl3	0,08	0,001
FeCl3	0,04	0,0007	N2	0,0508	0,0009
VOCl3	0,04	0,0007	O2	0,3388	0,006
SiCl4	0,04	0,0007	Fe	0,6776	0,012
			Si	0,1694	0,003
			Al	0,3388	0,006
			Cu	0,0338	0,0006
			Ni	0,0169	0,0003
Mg	1694,18	29,93	Cl	0,0677	0,001
N2	0,0508	0,0009
O2	0,3388	0,006	TiCl4
Fe	0,6776	0,012	O2	0,0198	0,0003
Si	0,1694	0,003	Si	0,0079	0,0001
Al	0,3388	0,006	Fe	0,0158	0,0003
Cu	0,0338	0,0006	Al	0,0158	0,0003
Ni	0,0169	0,0003	V	0,0118	0,0002
Cl	0,0677	0,001
Ar примеси	0,0058	0,0001	MgCl2	3860,74	68,2
			MgCl2 в PM	119,4	2,11
			Mg в PM	677,67	11,97
Итого:	5660,59	100	Итого:	5660,59	100

В данном проекте принимаем производительность аппарата восстановления и сепарации 5 тонн титановой губки за цикл.

Составляем таблицу материального баланса процесса восстановления за цикл. Полученная после процесса восстановления реакционная масса подвергается процессу сепарации. Во время процесса сепарации происходит удаление магния и хлорида магния.

Таблица 9- Материальный баланс процесса восстановления за цикл

Загружено	Получено
Компоненты	Кг	%	Компоненты	кг	%
TiCl4	19822,55	70,06	Ti	5000	17,67
Mg	8470,9	29,94	Слито MgCl2	19303,7	68,23
Ar примеси	0,029	0,0001	Осталось MgCl2 в реакционной массе	597	2,11
			Осталось Mg в реакционной массе	3388,35	11,98
Итого:	28293,48	100	Итого:	28293,48	100

3.3.2 Конструктивный расчет аппарата восстановления

В титановой промышленности наиболее распространенными являются аппараты цикловой производительностью 1,5; 3; 3,7; 4,1 т/цикл диаметром 1,2; 1,4; 1,45; 1,5 метров и высотой 2,4; 28; 3; 3,8 метров соответственно.

На основе анализа и опыта, накопленного отечественной промышленностью исследованиями последних лет, на аппаратах повышенной производительности для получения титана магниетермическим способом показана техническая возможность дальнейшего укрупнения их габаритов и увеличения цикловой производительности до 5 т/цикл.

Как следует из опытных данных, повышение цикловой производительности аппаратов до 5 т/цикл влечет за собой увеличение часовой производительности на переделах восстановления и вакуумной сепарации и увеличения ее на 50 % по сравнению с действующими аппаратами.

Повышение часовой производительности достигается за счет увеличения циклового съёма аппарата, а длительность вспомогательных операций (монтаж, демонтаж и другое) остаётся той же, что и на аппарате производительностью 4,1 т/цикл.

Исходя из вышеизложенного в настоящем проекте выбираем аппарат производительностью 5 тонн титановой губки за цикл.

За основу конструкции аппарата принимаем существующий на ОАО УКТМК аппарат производительностью 4,1 т/цикл.

Конструкция пятитонного аппарата включает в себя надежные отработанные узлы, унифицированные с соответствующими узлами аппарата производительностью 4,1 т/цикл. Сборочные узлы проектируемого аппарата указаны в спецификации приложения А.

Отличие аппарата производительностью 5 т/цикл от действующего аппарата производительностью 4,1 т/цикл заключается в увеличении габаритных размеров аппарата по длине, тем самым увеличиваем коэффициент загружаемого магния.

Для определения размеров аппарата используем количество конечных продуктов, полученных в результате процесса восстановления. При выборе диаметра необходимо учитывать два фактора:

- при проведении процесса восстановления желательно применение аппарата с возможно большим диаметром, так как с увеличением аппарата повышается скорость процесса восстановления;

- при проведении процесса вакуумной сепарации изменение аппарата с большим диаметром приводит к снижению производительности аппарата и к недосепарации.

Так, например, условная производительность аппарата при диаметре, равном 1000мм составляет 16,5 кг/ч, однако, при той же цикловой производительности аппарата, но с диаметром 1200 мм часовой производительности падает до 10,2 кг/ч.

Исходя из вышесказанного, принимаем диаметр аппарат равный 1500 мм.

При производительности аппарата 5 т/цикл титановой губки необходимо загрузить 8471 килограмм магния, коэффициент заполнения аппарата восстановления, согласно практике, принимаем 0,8.

Магний загружается в аппарат в жидком виде при температуре 700-750С.

Удельный вес магния при данной температуре равен 1560 кг/м3.

Определим объем, занимаемый магнием:

, (20)

Где Р - количество магния необходимое загрузить в аппарат, кг;

У- плотность магния при температуре 700-750С, У=1560кг/м3.

Полный объем реактора с учетом коэффициента заполнения равен:

составляют 80 %

х составляют 100 %

Диаметр реторты равен 1500 мм. Высоту реторты определяем по формуле:

, (21)

где V- объем занимаемый магнием, м3;

Д- диаметр реторты, м3.

Остальные размеры аппарата восстановления принимаем на основании практических данных АО УКТМК для аппарата цикловой производительностью 5 т/цикл:

Высота фланца крышки - 50 мм.

Высота фланца реторты - 50 мм.

Сферическая часть реторты - 300 мм.

Сливной патрубок с фланцем - 120 мм.

Запорное устройство - 700 мм.

Крышка углублена в реторту на 300 мм. Поэтому для сохранения объема необходимо удлинить реторту на 300 мм.

Общая высота аппарата восстановления равна:

е = 50 + 50 + 300 + 120 + 700 + 300 + 3800 = 5320 мм

Проверим объем аппарат восстановления по конечным продуктам процесса.

Количество и плотность продуктов в реакторе после процесса восстановления:

- титановая губка - 5000 килограмм; 1750 ;

- магний - 3388,35 килограмм; 1530;

- хлористый магний - 597 килограмм; 1650.

Коэффициент заполнения реактора 0,8.

Определим объем, занимаемый титановой губкой:

Объем, занимаемый магнием:

Объем, занимаемый хлористым магнием:

Объем, занимаемый реакционной массой:

Vр.м.=2,86+2,21+0,36=5,43

Полный объем с учетом коэффициента заполнения:

Vр = 5,43/0,8 = 6,79

Это подтверждает правильность расчета аппарата восстановления.

Для проведения процесса вакуумной сепарации реакционной массы в качестве конденсатора используется оборотная реторта, конструктивно аналогичная аппарату восстановления.

3.3.3 Тепловой расчет аппарата восстановления

Во время процесса восстановления тетрахлорида титана магнием протекает химическая реакция с большим выделением тепла. Реакция экзотермична и, если избыток тепла не отводить, то температура в реакторе будет быстро возрастать. При достижении температуры у стенок реактора 1085С образуется легкоплавкая эвтектика Fe-Ti, в результате чего возможен прогар стенки реактора.

Тепловой расчет аппарата восстановления заключается в том, что необходимо рассчитать тепловой баланс процесса восстановления с тем, чтобы температура в ходе процесса восстановления на стенке реактора поддерживалась в пределах 800-850С. В основе процесса восстановления тетрахлорида титана магнием лежит реакция:

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 + Q (18)

В данной химической реакции тепловой эффект равен 520235 кДж/моль.

Часовые тепловыведения в результате реакции при средней скорости подачи TiCl4 300 кг/час, принятой на АО УК ТМК составляют:

Общий объем тепла во время процесса восстановления идет в трех направлениях:

- за счет съема тепла с крышки реактора (естественная конвенция);

- со сливом хлорида магния;

- принудительное воздушное охлаждение стенок реактора в зоне реакции.

Потери тепла через крышку аппарата:

За счет излучения, тепло с поверхности расплава попадает на экранирующую поверхность крышки аппарата, а затем с нее естественной конвенцией и излучением рассеивается в окружающую среду. При расчете газовую фазу над расплавом принимаем прозрачной.

Приведенная степень черноты системы

Экран-крышка Поверхность расплава

Сталь Е1 = 0,8Е2 = 0,8

Определим поверхность расплава:

(19)

где Д - диаметр реторты.

Принимаем предельно допустимую температуру поверхности расплава t1=900C.

Температуру поверхности экрана крышки принимаем t2 = 600C.

Определяем количество тепла, передающегося от расплава к экрану-крышке:

(20)

где Y - коэффициент диафрагмирования - 0,7;

Епр - приведенная степень черноты системы;

Со - коэффициент лучеиспускания абсолютного черного тела, равный 4,96 ккал/час ?С = 20,73 кДж/час С;

F - поверхность расплава - 1,76 .

=213792,71 кДж/ч.

Для проверки правильности выбора температуры экрана крышки, определяем суммарный коэффициент теплоотдачи конвенцией и излучением:

, (21)

где ак - коэффициент теплоотдачи конвенцией;

аизл - коэффициент теплоотдачи излучением;

b - суммарный коэффициент;

k - коэффициент конвективных потерь вверх с горизонтальной поверхности, равен 2,8;

t0 - температура окружающей среды - 20 С;

t2 - температура поверхности экрана - 600 С;

С-коэффициент лучеиспускания стали- 16,6

Потери тепла от крышки в окружающую среду составят:

Q=bF(t-t)= (22)

Таким образом, Q1=Q2, а значит, температура экрана крышки выбрана правильно.

Условно принимаем, что атмосфера над расплавом прозрачная, но в практических условиях она может быть и непрозрачной. Следовательно, температура может быть ниже и за счет водоохлаждаемых фланцев у крышки реактора и охлаждения в центральной горловине за счет подачи тетрахлорида титана.

Потери тепла с водой, охлаждающей уплотнения между фланцами реактора и крышки:

, (23)

где ф - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали 15

h - высота крышки - 0,4 метра;

F - сечение цилиндрической обечайки крышки;

d - диаметр реактора;

d1 - толщина стенки обечайки крышки;

t1 - температура крышки - 600С;

t2 - температура водоохлаждения фланцев - 50С.

F=3,14х1,5х0,01=0,05,

Q3

Суммарные потери тепла через крышку реактора:

Qk = Q1 + Q3 = 213347,2 + 4317,84 = (24)

Потери тепла при сливе хлорида магния:

(25)

где G - количество сливаемого хлорида магния - 300 кг/час;

Ств - средняя теплоемкость хлорида магния - 0,201 кДж/кгоС;

Сж - средняя теплоемкость жидкого хлорида магния- 0,232 кДж/кгоС;

tпл - температура плавления хлорида магния - 718С;

tраспл - температура процесса - 900С;

t0 - температура окружающей среды - 20С;

Lпл- теплота плавления хлорида магния - 108,2 кДж/кгоС.

QMgCl2 = [300 *[0,201 ? (718 - 20) + 108,2] + 0,232 ?(900 - 718)]?4,187 = 320205,19 кДж/ч.

Суммарные тепловые потери через крышку аппарата и со сливом хлорида магния:

Q = QMgCl2 + Qк = 320205,19 + 218022,32 = 538227,51кДж/ч (26)

Расчет воздушного охлаждения:

В результате взаимодействия тетрахлорида титана с магнием выделяется тепло, которое необходимо отводить из зоны реакции. Для охлаждения наружной стенки реактора тепловой поток составит:

Qнар.ст. = Qреакции - Qобщ = 821855 - 53822,7 = 283628 кДж/ч(27)

Расход воздуха на боковое охлаждение реактора:

(28)

где Св - теплоемкость воздуха -

t1 - температура окружающей среды -20С;

t2 - температура воздуха на выходе - 50С.

V =Нм3/ч

Определим скорость воздуха в кольцевом зазоре между реактором и футеровкой печи.

Сечение кольцевого зазора:

(29)

где D1 - внутренний диаметр печи - 2 метра;

D2 - внешний диаметр реактора - 1,5 метра.

Определим скорость воздуха при нормальных условиях:

W0 = (30)

W0 = = 1,47 м/с

Действительная скорость воздуха составит:

(31)

где tср- средняя температура воздуха в зоне охлаждения - 350С;

a - температурный коэффициент воздуха -1/273.

Wдейст. =

Кольцевой зазор между стенкой печи и стенкой реактора считаем как эквивалентный диаметр:

dэкв. = D1 - D2 = 2 - 1,5 = 0,5 м (32)

Для определения коэффициента теплоотдачи воспользуемся формулами критериев. Режим движения воздуха в кольцевом зазоре турбулентный:

(33)

где Re - критерий Рейнольдса, характеризующий движение воздуха в зависимости от диаметра и кинематической вязкости воздуха;

n - кинематическая вязкость воздуха - .

Уравнение теплоотдачи:

Nu = 0,018 (Re)0,8 (34)

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий процесс теплообмена между теплоносителем и стенкой.

Определим коэффициент теплоотдачи:

(35)

где j - коэффициент теплоотдачи воздуха = 0,097 .

Определим теплоотдачу:

 (36)

где а - коэффициент теплопроводности

F - поверхность охлаждения реторты.

(37)

где Д1 - диаметр реторты - 1,5 метра;

H - высота зоны охлаждения - 0,8 метра;

tст.рет. - допустимая температура стенки реторты - 900С;

tср.воз. - средняя температура воздуха - 35С;

Со - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела - 20,73 ;

Qт - тепло поток на воздушное охлаждение наружной стенки реактора 57000ккал = 238260кДж/ч;

Т - приведенная степень черноты.

, (38)

где Д2 - внутренний диаметр печи - 2 метра;

Е1 - степень черноты реактора - 0,9;

Е2 - степень черноты шамотной футеровки - 0,8.

Определим исходную температуру внутренней стенки печи tф:

Тф = 1121

tф = Тф - 273 =1121- 273 = 848С = 850С

Таблица 12- Тепловой баланс аппарата восстановления

Приход	Расход
Тепловой эффект реакции восстановления Qр = 821855,61кДж/ч	Потери через крышку реактора Qк = 218022,32 кДж/ч Потери при сливе MgCl2 = 320205,19 кДж/ч Тепло, уносимое воздушным охлаждением Qв = 283628 кДж/ч
Итого: 821855,61 кДж/ч	Итого: 821855,61 кДж/ч

3.3.4 Расчет тепловой мощности печи восстановления

Печь рассчитываем в двух режимах работы:

- В стационарном тепловом режиме в период ведения процесса восстановления;

- В режиме нагрева аппарата восстановления с оборотным конденсатом;

Стационарный тепловой режим печи.

Определим потери тепла через боковую поверхность печи.

Исходные данные:

tвн.ст. - температура внутренней стенки печи - 850С;

tв - температура окружающей среды - 20С;

d1 - толщина шамота легковеса - 0,12 метра, g = 1,25 т/;

1 - коэффициент теплопроводности шамота легковеса - 2,5 .

Определяем среднюю площадь поверхности слоя шамота:

F1 = Пdср. Н, (39)

где dср. - диаметр слоя шамота в печи - 2,12 метра;

Н - высота шамота печи - 5,26 метра.

Определим среднюю площадь поверхности пенодиатомитового слоя:

d2 - толщина пенодиатомитового слоя - 0,36 метра, g = 0,6 т/;

2 - коэффициент теплопроводности - 0,15 ;

F2 = П ? dср. ? Н (40)

где dср. - средний диаметр пенодиатомитового слоя - 2,62 метра;

Н - высота пенодиатомитового слоя - 5,56 метра.

F2 = 3,14 2,62 5,56 = 45,7

Определим площадь поверхности кожуха печи:

d3 - толщина металлического кожуха печи - 0,02 метра;

3 - коэффициент теплопроводности стали - 44,3 ;

С - коэффициент лучеиспускания стали - 3,97 ;

F3 = П ? dср. Н, (41)

где dср. - средний диаметр металлического кожуха - 3,02 метра;

Н - высота кожуха - 5,6 метра.

F3 = 3,14 3,02 5,6 = 53

Для определения температуры поверхности кожуха печи задается ряд температур стенки кожуха печи: 40С; 60С; 80С.

Определим значение коэффициента теплоотдачи конвенцией для заданных температур:

(42)

для вертикальной стенки:

,

,

Потери тепла конвенцией и лучеиспусканием:

(43)

где ак - коэффициент теплоотдачи конвенцией;

Тст. - заданная температура стенки печи;

Тв. - температура окружающей среды;

F - площадь металлического кожуха;

С - коэффициент лучеиспускания стали - 3,97 ;

Е - степень черноты 0,8.

Определим потери тепла теплопроводностью:

(44)

где k - коэффициент тепло проводимости;

F - площадь кожуха печи - 53 .

(45)

Q

Q

Q

Строим график в координатах Q - tC и по пересечению прямой Qт.с.Qл.+к. определяем истинную температуру наружной поверхности печи.

Рисунок 5- Определение температуры наружной поверхности печи

По графику определим, что температура наружной поверхности печи равна 52C.

Определим для этой температуры коэффициент теплоизлучения и коэффициент конвективных потерь тепла.

(46)

где Со - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела = 20,7 ;

tст. - температура наружной поверхности печи - 52 C.

Общий коэффициент тепловых потерь составляет: