Проектирование отделения вакуумной сепарации титановой губки на базе АО "УК ТМК" (стр. 5 из 14)

0,135 + 118,445 = 118,58 хлора,

0,02 алюминия,

0,928 – 0,501 = 0,427 железа,

0,339 – 0,2 = 0,1239 азота,

0,37 – 0,1 = 0,27 кремния,

0,847 – 0,401 = 0,446 никеля.

Всего образуется конденсата 838,29 кг.

Материальный баланс вакуумной сепарации представлен в таблице 3.

Составим цикловой материальный баланс процесса сепарации который представлен в таблице 4 для аппарата производительностью 4.3 тоны за цикл.

Коэффициент пересчета 4300 / 1002,606 = 4,2888233

Тепловой расчет аппарата сепарации

Во время процесса сепарации происходит разделение компонентов Mg, MgCl₂ и Ti путем конденсации их на охлажденных стенках конденсатора.

Таблица 2

Материальный баланс процесса восстановления тетрахлорида титана магнием

Приход			Расход
Наименование	Количество		Наименование	Количество
	кг	%		кг	%
1	2	3	4	5	6
Тетрахлорид титана, в том числе: TiCl4 FeCl3 SiCl4 AlCl3 VOCl3 O	3961,21 3960,54 0,118 0,198 0,198 0,135 0,023	100 99,983 0,003 0,005 0,005 0,0034 0,006	Реакционная масса, в том числе: Ti N O Si Cl Fe Ni Al	1836,854 1000 0,339 0,366 0,370 0,135 0,928 0,847 0,02	100 54,44 0,018 0,019 0,02 0,007 0,05 0,046 0,001
Магний– восстанови-тель, в том числе: Mg Fe Ni O N Si Cl	1694,533 1691,686 0,847 0,847 0,338 0,338 0,338 0,135	100 99,832 0,05 0,05 0,02 0,02 0,02 0,008
			Избыток магния	677,813	36.9
			Оставшийся хлорид магния	159,041	8.658
			Слив хлорида магния, в том числе: MgCl2 VOCl2	3817,1 3816,994 0,106	100 99.997 0,003
Примеси аргона, в том числе: O N	0.0067 0,0005 0,0017	100 74,62 25,37
Невязка	1,795	0,03
Итого	5655,749		Итого	5653,954

Таблица 3.

Материальный баланс вакуумной сепарации

Приход			Получено
Наименование	Количество		Наименование	Количество
	кг	%		кг	%
Реакционная масса, в том числе: Ti N O Si Cl Fe Ni Al избыток Mg ост. MgCl2	1836,854 1000 0,339 0,336 0,370 0,135 0,928 0,847 0,020 77,813 159,041	100 54,44 0,018 0,019 0,020 0,007 0,050 0,046 0,001 36,90 8,658	Губчатый титан, в том числе: Ti Fe C Cl N O Si Ni	1002,606 999,999 0,501 0,200 0,802 0,200 0,401 0,100 0,401	100 99,74 0,05 0,02 0,08 0,02 0,04 0,01 0,04
			Конденсат, в том числе: Mg Cl Fe N Si Ni Al	838,290 718,408 118,580 0,427 0,139 0,270 0,446 0,020	100 858,699 14,145 0,050 0,016 0,032 0,053 0,002
Невязка	4,042	0,219
Итого	1836,854 кг		Итого	1840,896 кг

Таблица 4.

Материальный баланс процесса вакуумной сепарации (цикловой)

Приход			Расход
Наименование	Количество		Наименование	Количество
	кг	%		кг	%
Реакционная масса	7877,942	100	Губчатый титан.	4300	100
В том числе: Ti N O Si Cl Fe Ni Al избыток Mg ост. MgCl2	4288,823 1,453 1,569 1,586 0,578 3,980 3,632 0,085 2907,020 682,098	54,44 0,018 0,019 0,020 0,007 0,050 0,046 0,001 36,90 8,658	В том числе: Ti Fe C Cl N O Si Ni	4288,820 2,150 0,800 3,440 0,860 1,720 0,430 1,720	99,74 0,05 0,02 0,08 0,02 0,04 0,01 0,04
			Конденсат	3595,277	100
			В том числе: Mg Cl Fe N Si Ni Al	3081,124 508,568 1,831 0,596 1,158 1,913 0,085	858,699 14,145 0,050 0,016 0,032 0,053 0,002
						Невязка	17,335	0,219
						Итого	7877,942 кг		Итого	7895,277 кг

Исходные данные для расчета.

Состав реакционной массы: 4300 кг титана, 2907 кг магния, 682 кг хлорида магния.

Температура выдержки в процессе вакуумной сепарации 1010 ^°С.

Аппарат поступающий в отделение сепарации имеет температуру 600 – -650 ^°С.

Температура стенки охлаждаемой оборотной реторты не более 100 ^°С. Температуры: плавления Mg — 651 ^°С, кипения Mg — 1102 ^°С, плавления MgCl₂ — 718 ^°С, кипения MgCl₂ — 1410 ^°С.

Тепловой расчет реактора

Рассчитываем количество тепла необходимое на испарение магния:

,

гдеQ^/ - скрытая теплота испарения Mg – 5606,5 кДж/кг ^°С;

- скрытая теплота плавления Mg –361,9 кДж/кг ^°С;

С - теплоемкость Mg;

G - вес Mg;

кДж.

Определим количество тепла, необходимого на испарение MgCl₂:

,

гдеQ^// - теплота возгонки MgCl₂ - 1368 кДж/кг ^°С;

- теплота плавления MgCl₂ - 452 кДж/кг ^°С;

С - теплоемкость MgCl₂ ;

G - вес MgCl₂ .

Q_MgCl2 = 682 ^. [0,84 ^. (718 – 20) + 452 + 1368 + 0,97 ^. (1010 – 718) =

= 1834279 кДж.

Определим количество тепла необходимого на нагрев титановой губки:

Q_Ti = G ^. C ^. (t_пл – t_г) ,

гдеС - теплоемкость титана – 0,67 кДж/кг ^°С

G - вес титана - 4300 кг

t_г - температура губки - 700^°С.

Q_Ti = 4300 ^. 0,67(1010 – 700) = 893110 кДж.

Количество тепла необходимого на нагрев реактора:

Q_p = G ^. C ^. (t_нр – t_р),

где С - теплоемкость нержавеющей стали – 0,62 кДж/кг ^°С;

G - вес реактора.

,

гдеd_н - наружный диаметр реактора, м;

d_Вн - внутренний диаметр реактора, м;

- плотность материала реактора – 7200кг/м².

.

Q_рет = 3310 ^. 0,62 ^. (1010 – 600) = 841402 кДж.

Расчет потерь тепла в оборотную реторту:

- потери через крышку реактора:

,

гдеE - степень черноты крышки – 0,9;

С₀ - лучеиспускание абсолютно черного тела 20,7 кДж.

,

где n - число экранов;

F - площадь экранов крышки.

F_э = F_кр – F_ц.патр. .

F_э=

.

.

- потери через центральный патрубок:

Суммарные потери в оборотную реторту: Q_{в.обр.рет} = Q_кр + Q_ц.п ,

Q_{в..обор.рет.}= 199805 +8520 =208325 кДж

Расчет охлаждения оборотной реторты

Расчет охлаждения оборотной реторты производится при конденсации Mg от температуры процесса равной 1010 °С до температуры водоохлаждаемой стенки реторты равной 100 °С.

- тепловыделения при конденсации Mg:

Q₁ = G ^. Q^/,

где Q^/ - скрытая теплота возгонки Mg - 5606 кДж;

G - вес Mg.

Q₁ = 2907 ^. 5606 = 16298269 кДж.

- тепловыделения при охлаждении магния до температуры плавления 651 °С:

Q₂ = G × C_ж × (t_пр – t_пл).

Q₂ = 2907 × 1,4 ×(1010 × 651) = 1458400 кДж.

где C_ж - теплоемкость Mg = 1,4 кДж.

- тепловыделения при затвердении жидкого Mg:

Q₃ = G × Q^// .

Q₃= 2907 × 362 = 1052087 кДж

гдеQ^// - скрытая теплота плавления – 362 кДж.

- тепловыделения при охлаждении твердого Mg до температуры водо-охлаждаемой стенки реторты:

Q₄ = G × C × (t_пл × t_ст) .

Q₄= 2907 × 1,17 × (651 – 100) = 1876490 кДж.

где С - теплоемкость Mg в интервале 651 – 100 °С – 1,17 кДж.

- Суммарные тепловыделения при конденсации Mg:

Q_Mg = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ .

Q_Mg = 16298269 + 1458400 + 1052087 + 1876490 = 20685248 кДж.

Расчет тепловыделений при конденсации паров MgCl₂ от температуры процесса 1010 °С до температуры конденсатора 100 °С

- тепловыделения от конденсации паров MgCl₂:

Q₁ = G × Q^///,

где Q^/// - скрытая теплота испарения MgCl₂ – 1368 кДж.

Q₁ = 682 × 1368 = 933090 кДж.

- тепловыделения при охлаждении от 1010 °С до температуры плавления 718 °С:

Q₂ = G × C_ж × (t_пр – t_пл) ,

гдеC_ж - теплоемкость MgCl₂ – 0,97 кДж.

Q₂ =682 × 0,97 × (1010 – 718) = 193304 кДж.

- тепловыделения при затвердевании жидкого MgCl₂: Q₃ = G × Q^IÑ .

где Q^IÑ - скрытая теплота плавления MgCl₂ – 452 кЛж

Q₃ = 682 × 452 = 308176 к Дж.

- тепловыделения при охлаждении твердого MgCl₂ до температуры водоохлаждаемой стенки оборотной реторты:

Q₄ = G × C × (t_пл -t_ст) .

где С - теплоемкость MgCl₂ в интервале температур 718 – 100 °С – 0,84 кДж.

Q₄= 682 × 0,84 × (718 × 100) = 354451 кДж.

- общие тепловыделения при конденсации MgCl₂:

Q _MgCl2 = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ .

Q_MgCl2 = 933090 + 193304 + 308176 + 354451 = 1789024 кДж.

На период возгонки основного количества конденсата затрачивается примерно до 20% времени выдержки. Остальное время процесса сепарации идет на удаление оставшегося Mg и MgCl₂.

На основании опытных данных об увеличении температуры выдержки на 10°С продолжительность высокотемпературной выдержки, с температурой по зонам 970, 1010, 1020, 1010, принимаем 62 часа. Определяем время интенсивной возгонки: