Расчёт барабанной вращающейся печи

Cодержание

 

1 Расчёт барабанной вращающейся печи………………………………...3

1.2 Конструкция барабанной  вращающейся печи……………………….4

2 Материальный расчет………………………………………………..5

3 Тепловой расчет……………………………………………………...6

4 Конструктивный расчет…………………………………………………10

5 Прочностной расчет……………………………………………………….11

6 Литература………………………………………………………………..31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Расчёт барабанной вращающейся печи

Таблица 1 – Данные для расчета реактора кипящего слоя

 

Производительность по Мо, кг/час	7.5
Давление в аппарате, МПа	0,1
Извлечение  Мо из материала %	99
Содержание Fe % мас.	1
Температура F2, Ar, °C	25
Температура Мо C°	25
Диаметр частиц, мм	1

 

 

1.2 Конструкция барабанной вращающейся печи

 

Конструкция барабанной печи состоит из барабана, наклоненного к горизонту под углом 5⁰ для обеспечения возможности продвижения материала внутри печи от камеры загрузки к камере выгрузки.

Барабан приводится во вращение электродвигателем через редуктор с помощью венцовой шестерни, установленной непосредственно на барабане.

Для передачи давления от масс всех вращающихся частей аппарата барабан снабжен бандажами, которые  опираются на опорные ролики опорных  станций. Для предотвращения перемещения  наклоненного барабана служат упорные  ролики опорно-упорной станции.

Загрузка исходного материала происходит с помощью шнекового питателя, приводимого во вращение электродвигателем через редуктор.

 

Рисунок 1.1 – Конструкция барабанной сушильной печи

 

2 Материальный расчет

Материальный расчет  ведем на основании закона сохранения массы веществ, то есть масса вещества поступившего в реакцию соответственно равна массе вещества, которая получается в результате этой реакции:

 

;

 

где G_исх. – количество реагентов, поступивших в аппарат в единицу времени, кг/час;

       G_прод. – количество продуктов, удаляемых из аппарат в единицу времени, кг/час.

Процесс фторирования выглядит следующим образом:

 

;                        

 

Исходные данные для расчета:

1.Состав газа, поступающего печь состоит:

F₂=50% , об ; Ar=50% , об.

Избыток фтора 20%.

Производительность по Мо составляет:

 

 

Содержание Fe составляет:

 

Рассчитаем реакции фторирования:

 

.

Определяем молекулярные массы реагентов:

 

Производительность по MoF₆

 

Производительность по F₂

 

Производительность по FeF₃

 

Производительность по F₂

 

                       

 

 

Производительность по Ar

 

                            

Таблица 2 – Материальный баланс процесса получения МоF₆

 

Приход			Расход
Статьи	Кг/ч	%	Статьи	Кг/ч	%
1. Mo	7.5	25.5	1. MoF6	16.406	56
2. Fe	0.076	0.5	2. FeF3	0.153	1
3.  F2	10.76	37	3. F2 ост	1.781	6
4. Ar	10.76	37	4. Ar	10.76	37
Итого:	29.096	100	Итого:	29.096	100

3 Тепловой  расчет

Тепловой баланс проводим по закону сохранения энергии. В соответствии, с которым, в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна.

Расчет тепловых потоков проводится на основании уравнения теплового  баланса, которое запишется в общем виде:

 

∑Q_прих+Q_р +Q_нагр= ∑Q_расх..+Q_потери+Q_{охл, .}                                  

 

где Q_прих – это количество тепла, вносимое в аппарат с исходными веществами, кВт;

        Q_расх. – это количество тепла, уносимые из аппарата, продуктами реакции, кДж/час;

        Q_р – тепловой эффект реакции, кВт;

        Q_охл, - тепло, которое снимается путем охлаждения, кВт;

        Q_потери – потери тепла в окружающую среду, кВт.

        Q_{ф.п. -} тепло, которое затрачивается на фазовый переход, кВт.

Тепло, вносимое, уносимое i – компонентом рассчитывается по формуле:

 

                                            

 

где m_i – масса i – компонентом

       c_i – теплоемкость i – компонента при данной температуре;

       t_i – температура i – компонента;

       M_i – молекулярная масса i – компонента.

Рассчитаем количество тепла, которое приходит в реактор вместе с исходными компонентами.

Исходные данные для  расчета:

1. F₂, Ar поступают в реактор при t=25°C;
2. Mo и Fe поступают при t=25°C;
3. Температура реакции фторирования 300 ^оС;
4. Температура МоF₆ и газа на выходе t=300°C;
5. Температура огарка(FeF₃) t=300°C.

В таблице 3 представлены уравнения теплоемкости веществ.

Таблица 3 – Теплоемкости веществ

Вещество	Теплоёмкость с,Дж/(моль*K)
Mo	23.93
F2	31.34
Ar	20.79
Fe	58.59
MoF6	120.57
FeF3	91

 

Стадия 1

Рассчитываем тепло  затрачиваемое на электронагрев материалов до температуры протекания процесса (300°С)

Вт

Тепловые потери от электронагревателей принимаем 20%

Тогда:

Стадия 2

Приход:

 

   .                                  

 

с Мо при температуре 25°C

 

с F₂ при температуре 25°C

 

 

с Ar при температуре 25°C

 

с Fe при температуре 25°C

Тепловой эффект реакции

 

                                        

 

где ΔΗ_ip – тепловой эффект реакции при температуре процесса 300град. Из термодинамических данных тепловой эффект реакции при данной температуре составляет ΔΗ_ip = -1553 кДж/моль.

 

           

 

Тогда                                                        

 

                

Расход:

 

                         

 

с МоF₆г при температуре 300°C

 

 

с FeF₃  при температуре 300°C

 

 

с F₂ при температуре 300°C

 

с Ar при температуре 300°C

 

 

 

Тогда

 

кВт.

 

Тепло, которое снимается за счет охлаждения рассчитываем как

 

        (3.14)

 

По результатам расчета  составляем таблицу теплового баланса.

 

Таблица 3.4 – Тепловой баланс процесса получения МоО₃

 

Приход			Расход
Статьи	кВт		Статьи	кВт
1 Qприх	0.116		1 Qрасход	2
1.1 QMo	0.013		1.1Q MoF6г	0.785
1.2 QF2	0.061		1.2 QFeF3	0.010
1.3 QAr	0.041		1. 3Q F2	0.739
1.4 QFe	0.00055		1.4 QAr	0.466
2 Qреакции	33.7		2 Qпотерь	0.748
3 Qнагр	4.492		3 Qохл.	35.56
Итого:	38.308		Итого:	38.308

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Конструктивный расчет

 

Целью конструктивного  расчёта является определение основных размеров барабанной вращающейся печи, а именно: диаметра и длины барабана, скорость вращения двигателя.

 

Основные размеры можно определить двумя способами.

 

1 способ

По заданной производительности:

 

где  – производительность печи, кг/ч;

 – время пребывания материала  в аппарате, с;

 – коэффициент заполнения;

 – средняя плотность материала,  кг/м³.

Выразим объем барабана печи и соотношения длины и  диаметра:

Принимаем L/D=10, тогда

2 способ

По эмпирическим формулам:

где – суточная производительность, тонны/сутки.

Учитывая 1 и 2 способы  принимаем D=0,255м, L=1.7м.

 

Скорость  вращения барабана можно определить по формуле:

Диаметры патрубков  рассчитываются на основании уравнения  расхода по формуле:

где V – объемный расход жидкости или пара, м³/с;

 w – скорость потока, м/с.

Диаметр патрубков  для воздуха:

 

Принимаем d_{вых.возд} = 0,2м Диаметр патрубка для выхода материала принимаем равным 0,3м. Диаметр смотрового окна принимаем равным 0,2м, диаметр патрубка для подвода материала выбираем по диаметру шнека.

 

 

5 Прочностной расчет

 

5.1 Расчет барабана

Схема распределения нагрузки на барабан  показана на рисунке 4.2.

Барабан представляет собой  балку постоянного сечения длиной L=8 м с действующей на нее постоянной по всей длине распределенной нагрузкой. Балка установлена на опорах, расстояние между которыми принимаем равным l₂=7,5 м. Расстояние от края барабана до опорного бандажа (опора В) l₃=0,5 м, от упорного бандажа до венцовой шестерни l₁=0,5 м. Нагрузка от венцовой шестерни P=23 кН.

 

Рисунок 4.2 – Распределение нагрузки на барабан

 

5.1.1 Расчет барабана на прочность

 

Толщина стенки барабана определяется по формуле:

 

где   D -внутренний диаметр барабана, м.

 

С учетом давления p=0,2 МПа принимаем

Наружный диаметр барабана

Масса материала, находящегося в прокалочной  печи, определяется по формуле:

 

Масса корпуса определяется по формуле:

 

где   - плотность стали, кг/м³.

 

Суммарная масса барабана, материала, кольцевой насадки и венцовой шестерни

Линейная нагрузка, действующая  на барабан, определяется по формуле:

 

Для определения максимального  изгибающего момента M_{Z max} построим эпюры поперечных сил и изгибающих моментов, для чего определим реакции опор R_A и R_B от действия нагрузки q и P.

Составим уравнения моментов всех внешних сил относительно опор, а для проверки составим уравнение  проекций этих сил на ось Y.

 

После подстановки числовых значений определяем реакции:

 

Используя метод сечений, определим Q_Y и M_Z:

В сечении 1-1 слева

В сечении 2-2 слева

В сечении 3-3 справа

 

В сечении 4-4 справа

Результаты расчета значений поперечных сил и изгибающих моментов приведены в таблице 4.4.

 

Таблица 5.4 – Результаты расчета значений поперечных сил и изгибающих моментов

 

Сечение	x	QY (x), кН	MZ (x), кН×м
1-1	0 l - l1 - l2 - l3	0 -6	0 -1,5
2-2	l - l1 - l2 - l3 l - l2 - l3	-29 -35	-1,5 -17,5
3-3	0 l3	0 6	0 -1,5
4-4	l3 l2 + l3	-42,87 47,13	-1,5 -17,48

 

Максимальное значение M_Z будет тогда, когда эпюра Q_Y принимает значение нуля:

По полученным значениям Q_Y и M_Z строим эпюры (рисунок 4.3).

 

 

Рисунок 5.3 – Эпюры поперечных сил и изгибающих моментов, действующих на барабан

 

 

 

 

Условие прочности для барабана печи выглядит следующим образом:

 

где   – напряжение в барабане,

  – максимальный изгибающий момент, действующий на барабан,

       – момент сопротивления сечения барабана,

      – допускаемое напряжение,

 

Для аппарата из стали  марки 12Х18Н10Т при рабочей температуре

 

где   - средний диаметр барабана,

Подставив полученные значения M_Z и W в условие прочности, получим:

 

 

 

5.1.2 Расчет барабана на жесткость

 

Условие жесткости для барабана

где      - относительный прогиб;

        - суммарный максимальный прогиб от действующих нагрузок,

  - допускаемый относительный прогиб для барабана без футеровки.

Суммарный максимальный прогиб от действующих нагрузок

 

где          - линейная нагрузка от массы обрабатываемого материала,

               - линейная нагрузка от массы барабана,

- модуль упругости материала корпуса при рабочей температуре,

                  I_x- момент инерции единичного кольцевого участка барабана,

 

5.2 Расчет бандажа

 

Расчет бандажа барабанной печи выполняем согласно [26,29].

В качестве бандажа вращающейся  барабанной печи применяем свободно надетый бандаж.

Для установки бандажа  применим башмаки, число которых  примем конструктивно:

Материал бандажа – сталь 45, роликов – 35 (модуль упругости бандажа и роликов допускаемое напряжение на изгиб допускаемое контактное напряжение ). Принимаем угол между роликами – 60 ⁰С.

4.6.2.1 Определение реакций опорных  роликов и их размеров

 

Схема действия сил на бандаж, опорные  ролики и упорный винт показана на рисунке 4.4.

 

Рисунок 5.4 - Схема действия сил на бандаж, ролики и упорный винт

 

Опорные реакции роликов  определяются из уравнения равновесия сил:

 

                                      

где   - нагрузка на бандаж,

- реакция ролика,

 

Так как 

                            

то

                                         

где

                                             

Расчётная ширина роликов  определяется по формуле:

 

,                                            

где   - расчётная ширина роликов, м;

- допускаемая удельная нагрузка  на единицу длины касания, МН/м;

- для медленно вращающихся  аппаратов  при изготовлении бандажей из стали 45.

Исполнительная ширина роликов b принимается с учётом возможного теплового удлинения машин или аппарата Db и прибавки 30-40 мм для облегчения их монтажа:

                                

где  -возможное тепловое удлинение машины или аппарата, м;

-коэффициент линейного расширения  материала машины или аппарата, ⁰С^-1;

-максимальная рабочая температура  аппарата и минимальная температура их монтажа, °С;

-расстояние от данного ролика  до неподвижного бандажа, расположенного между упорными роликами, м.

Для материала печи (сталь 12Х18Н10Т) при температуре

 

Максимальная рабочая  температура аппарата равна:

 

Минимальная температура  их монтажа равна:

 

Тогда

Принимаем b = 0,16 м.

Диаметры опорных роликов определяются по формуле:

 

                              

где   - наружный диаметр бандажа,

 

Величина наружного  диаметра бандажа задается конструктивно:

 

Принимаем

В процессе регулировки  ролика на каждый из двух упорных винтов приходится усилие p', которое определяется по формуле:

 

                        

где   -коэффициент трения между рамой и плитой, принимаемый равным для стали:

Тогда

                                  

При y = 30° для стали

                                          

Минимальный диаметр регулировочного винта из условия прочности определяется по формуле:

                                       

Принимаем d_р.в=0,01 м.

 

 

5.2.2 Определение реакций упорных роликов и их размеров

 

На рисунке 4.5 представлена схема действия сил на упорный ролик.

Упорный ролик удерживает барабан от сползания с опорных  роликов. Нагрузка А, действующая на него, является осевой составляющей силы тяжести Q наклонно расположенного барабана, т.е.

где   a - угол наклона барабана к горизонтали, равный

Сила T₂, нормальная к боковой поверхности ролика, определяется по формуле:

где   – угол при вершине конуса, принимаемый:

 

 

Рисунок 5.5 – Схема действия сил на упорный ролик

 

Из рисунка 5.5 видно, что

где   - средний диаметр упорного ролика, м.

Окончательно принимаем

Ширина упорного ролика определяется по формуле:

 

где   Е₁, E₂ – модуль упругости материала бандажа и упорного ролика, МПа;

              – масса бандажа, кг;

              – масса звездочки и ее крепления, кг.

 

 

Принимаем b_уп.р=0,01 м.

 

 

5.2.3 Расчёт бандажа и роликов на контактную прочность

 

При расчёте на контактную прочность уточняется ширина бандажа, рабочая длина опорного и высота упорного роликов.

В месте контакта бандажа и  роликов возникают деформированные  участки. Материал на этих участках находится  в условиях объёмного напряжённого состояния. Схема распределения контактного давления в опорном ролике показаны на рисунке 4.6.

Рисунок5.6 – Схема распределения контактного давления

В этом случае бандаж и  ролик рассматривают как два  цилиндра длиной b₁, сжатые силой Т, которая действует в плоскости осей цилиндров. При этом считают, что материал цилиндров изотропный, а деформации упругие.

Установлено, что в  этих условиях цилиндры сминают по линии первоначального контакта с образованием полоски шириной 2с:

 

где   , - модули упругости материалов соответственно бандажа и опорного ролика,

                - коэффициент Пуассона, равный для стали

          и - радиусы соответственно опорного ролика и бандажа,

                 - ширина бандажа,

 

Ширина бандажа равна  расчетной ширине роликов.

При изготовлении бандажа  из стали 45, роликов – из стали 35 модули упругости при расчетной температуре будут равны:

 

Давление на площади  контакта распределяется по ширине полоски  по эллиптическому закону:

где   – максимальное давление при , равное:

 

Максимальное эквивалентное  напряжение в зоне контакта рассчитывается по формуле:

поэтому условие прочности  при расчёте бандажей и роликов на контактную прочность имеет вид:

где  – допускаемое контактное напряжение для материала бандажа,

 

Условие контактной прочности для  бандажа и опорного ролика также может быть записано в следующей форме:

 

5.2.4 Расчёт бандажа на прочность от действия изгибающих моментов

 

5.2.4.1 Определение максимального изгибающего момента

 

В случае, когда число башмаков четное (n = 14), но не кратное 4, два башмака располагают симметрично относительно вертикального диаметра бандажа, а нагрузка на каждый i – тый башмак определяется по формуле:

 

где    – порядковый номер башмака в левом нижнем квадранте, начиная с нижнего сечения вертикального диаметра;

 – угол между соседними  башмаками.

 

Рисунок 5.7 – Схема действующих сил и моментов

 

Значения силы N₀ и момента M₀ в этом случае равны: