МАЭ РФ Государственный технологический институт Кафедра МАХП ПЕЧЬ ТУННЕЛЬНАЯ Курсовой проект МАХП 800.11.00 КР Профессор ________________ «______»_____________. Студент группы _________________. «______»______________.

  \t "Заголовок 2;3;Заголовок 3;3" Содержание
  \t "Заголовок 2;3" Введение
1   Данные для расчета
2   Материальный расчет
3   Тепловой расчет
4   Конструктивный расчет
5   Расчет конструктивных элементов печи на прочность
5.1  Расчет фланцевого соединения кожуха
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 технологического процесса получения таблеток. В этом процессе проявляются как все физико-химические свойства исходного порошка, так и все предыдущие технологические операции. Кроме того, на качество таблеток оказывают существенное влияние параметры самого процесса спекания, в первую очередь газовая среда, температура и время спекания.
Для регулируемого удаления летучих соединений с целью предупреждения растрескивания таблетки перед спеканием медленно нагревают до 600 - 800 °С в течение 10 часов, после чего температуру повышают до заданной температуры спекания. Заданный режим обеспечивается продвижением лодочек с таблетками в печах тоннельного типа, работающих в непрерывном режиме и имеющих три температурные зоны: нагревание таблеток, спекание и охлаждение.

1 Данные для расчета

Исходные данные приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Исходные данные

1 Производительность, кг/сут	700
2 Начальное влагосодержание материала, %	1
3 Конечное влагосодержание материала, %	0
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 .

2 Материальный расчет

Материальный расчет процесса сушки будет сводиться к составлению материального баланса и определению массовых расходов всех потоков. Уравнения материального баланса по влаге имеет вид:
,
,
где G_H - массовый расход высушиваемого материала, кг/с;
 G_K - массовый расход высушенного материала, кг/с;
 W - количество отводимой влаги, кг/с;
 W_H - количество влаги, содержащейся в высушиваемом материале, кг/с;
 W_K - количество влаги, содержащейся в высушенном материале кг/с;
 G_c - массовый расход сухого материала, кг/с;
 w_CH - начальное влагосодержание материала, %;
 w_CK - конечное влагосодержание материала, %.
Из уравнения материального баланса (1) определим массовые расходы:
,
,
,
,
.
По результатам расчета составляем таблицу материального баланса.

 Таблица 2 - Материальный баланс

Приход			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 0 7	99 0 1
Итого	707	100	Итого	707	100

3 Тепловой расчет

Тепловой расчет сводится к составлению теплового баланса процесса сушки и процесса прокалки и определению количества подводимого тепла.
Уравнение теплового баланса процесса сушки имеет вид:
,
где - количество тепла, поступающего в печь с сухим материалом, Вт;
- теплоемкость материала, Дж/(кг К);
   - начальная температура при входе в печь, ⁰С;
- количество тепла, поступающего в печь с влагой, Вт;
   - теплоемкость влаги, Дж/(кгК);
 Q_нагр -тепло от нагревателей, Вт;
- количество тепла, отводимое из печи с сухим материалом, Вт;
- конечная температура материала при выходе из зоны сушки, ⁰С;
- количество тепла, отводимое из сушилки с влагой, Вт;
10% - потери тепла в окружающую среду, при открывании дверей и через футеровку и кирпичную кладку, Вт;
- количество тепла, поступающее с тележками, 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 в таблице
Таблица 3 - Тепловой баланс

Приход		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 - количество тепла, поступающего в печь с сухим
материалом, Вт;
- теплоемкость материала, Дж/(кгК);
- начальная температура при входе в зону спекания, ⁰C ;
Q_нагр -тепло от нагревателей, Вт;
- количество тепла, отводимое из печи с прокаленным
 материалом, Вт ;
- конечная температура материала при выходе из печи, ⁰С;
10% - потери тепла в окружающую среду, при открывании дверей и через футеровку и кирпичную кладку, Вт;
- количество тепла, поступающее с тележками, 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 в таблице
Таблица 4 - Тепловой баланс

Приход			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 каждой тележки 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=1 м.
Объем рабочей зоны равен:

Общая длина печи:
,
где l₁ ,l₂ - длины боксов загрузки и выгрузки соответственно.

5 Расчет конструктивных элементов печи на прочность

 

5.1 Расчет фланцевого соединения кожуха

Кожух изготовлен из стали толщиной 6,35 мм. Кожух испытывается на герметичность до кирпичной кладки, в процессе окончательной сборки и перед нагревом. К фланцевым соединениям прикреплены змеевики водяного охлаждения, предназначенные для защиты прокладок. Конструкция прокладки обеспечивает герметичность 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 диаметру фланца
а = 52мм .
6 Наружный диаметр прокладки


где е - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки.
е = 37 – для плоских прокладок и диаметра болта d_б = 27мм .
7 Средний диаметр прокладки

где b - ширина прокладки.
Выбираем плоскую неметаллическую прокладку для нее b = 25мм .

8 Количество болтов

t_ш – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбирается в зависимости от давления по таблице 1.43 [5,c97] .
t_ш = (4,2 – 5)*d_б = (4,2 – 5)*27 = 113,4 – 135 .
Принимаем t_ш = 125мм .

Принимаем n_б = 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 приварного встык фланца .
;
;

Принимаем h_ф = 60мм .
10 Болтовая нагрузка, необходимая для обеспечения герметичности


где - площадь поперечного сечения болта.
11 Условие прочности болтов


12 Условие прочности прокладки


13 Условие герметичности фланцевого соединения, определяемое углом поворота фланца

;
;
;
;
;
;
;
;
0,0052 < 0.013.

 

5.2 Расчет пластин кожуха

Расчет проводим для случая прямоугольной пластины, нагруженной по всей поверхности давлением р=0,12 МПа, заделанной по контуру. Напряжения и прогибы находим по формулам:
;    ;    .
где - коэффициенты зависящие от отношения b/a;
a, b – длины сторон пластины, м.   a = b = 2м.
;
;
.
Приближенно максимальные значения прогибов (в центре) и напряжения (в середине более длинной стороны) могут быть определены по следующим формулам:
;
.
к - коэффициент зависящий от отношения а/b

 

5.3 Расчет футеровки

Расчет прочности футеровки при продольном растяжении по несущей способности 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, учитывающий снижение несущей способности.
.
Расчет элементов футеровки на прочность при осевом растяжении производят на основе неравенства

где N - растягивающая сила;
R_p - расчетное сопротивление футеровки, при растворе марки 5-100 следует принимать 0,16 МПа .

Расчет элементов футеровки на срез производят исходя из неравенства

где Q - расчетная поперечная сила;
R_cp – 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 исходя из неравенства

где Q - расчетная поперечная сила;
 R_ra - расчетное сопротивление кладки главным растягивающим  напряжениям при 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, и свободно стоящие стены и столбы, имеющие сечение прямоугольной формы и значительную высоту, проверяют на допустимые отношения высоты стен к их толщинам:

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 печи более 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 по формуле

где К - коэффициент зависимости силы R от температуры, равен 3,5 при температуре более 1200°С,
 Р - сила тяжести свода,
   - центральный угол свода, град.

Выбор профиля пятовых балок. Момент сопротивления пятовой балки рассчитывают по формуле

где - допустимое напряжение на разрыв,
 l - расстояние между балками каркаса.

Принимаем профиль пятовых балок в виде равнополочного угольника с размерами 90x90x8 мм.
Определение сечения верхней поперечной связи. Сечение верхней и нижней связей рассчитывают по формулам:
;     
;   
Выбор профиля боковой стойки. Момент сопротивления боковой стойки рассчитывают по формуле:

По найденному моменту сопротивления выбирают профиль боковой стойки:

Профиль боковой стойки   -  угольник   равнополочный,   с   размерами 125x125x10 мм.

 

5.5 Фундамент печи

Статическую нагрузку, слагающуюся из массы металлических деталей и футеровки, воспринимает фундамент печи. Фундамент выполняют из бутового камня, бетона или железобетона. Основное преимущество железобетона в сравнении с другими материалами (кроме прочности): возможность придания фундаменту любой сложной формы, что позволяет при малой строительной высоте (без значительного углубления в грунт) получить большую площадь давления фундамента на основание. Толщина фундамента должна быть такова, чтобы давление от печи передавалось на все основание и в фундаменте не возникло слишком больших изгибающих и скалывающих усилий.
Особенности сооружения фундаментов топок:
1)  на один и тот же фундаментный массив нельзя опирать части печи и других сооружений, так как может произойти различная осадка фундамента и появятся трещины и перекосы в сооружении;
2)  если конструкция топки располагается ниже уровня грунтовых вод, то фундамент строят  так, чтобы исключался доступ воды  к футеровке.   Это достигается путем устройства вокруг фундамента глиняных стенок до 300 мм толщиной; гидроизоляции фундамента;  искусственного снижения уровня грунтовых вод устройством дренажа; сооружения сварного кессона из мягкой стали;
3)  основание фундамента должно быть  расположено   ниже   глубины промерзания грунта ( обычно 1,8 м от уровня земли) ; в отапливаемых или горячих цехах углубление фундамента незначительно;
4)  для предотвращения сильного нагревания фундамента от футеровки устраиваются воздушные каналы между ними .
Обыкновенно давление топки на грунт не превышает 100 кПа, поэтому сооружение фундаментов не представляет больших трудностей. Размеры основания фундамента определяются нагрузкой и допустимым давлением на грунт. Допустимую нагрузку 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., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. - 552с.
2 Плановский А.Н., Рамм В.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. -168 с.,ил.
4 Исламов М.Ш. Печи химической промышленности - М.: Химия, 1969. -176с.,ил.
5 Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств./ Под ред. М.Ф. Михалева. Л.: Машиностроение, 1984. - 301 с.,ил.
6  Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Конструкция и расчет заводских печей и сушил. М., Машиностроение, 1973, 272 с.