Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра машин и аппаратов химических и
силикатных производств
ПРОЦЕССЫ И АГРЕГАТЫ
ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Методические указания к курсовому проектированию для студентов заочной формы обучения специальности1-36 07 01 «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов» специализации 1-36 07 01 02 «Машины и оборудование предприятий строительных материалов».
Минск 2013 УДК 691:666.3 (076.5)(075.8) ББК 38.3 я П Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом университета Составители:
доцент, кандидат технических наук В. С. Францкевич, профессор, доктор технических наук Э. И. Левданский Рецензент профессор кафедры ПиАХП УО БГТУ, доктор технических наук В. А. Марков По тематическому плану изданий учебно-методической литературы университета на 2013 год. Поз. 194.
Для студентов заочной формы обучения специальности 1-36 07 01 «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов» специализации 1-36 07 01 02 «Машины и оборудование предприятий строительных материалов».
© УО «Белорусский государственный технологический университет»,
ВВЕДЕНИЕ
В нашей стране с каждым годом увеличивается объем строительства, который требует резкого роста производства строительных материалов и изделий на их основе. Кроме того, перед промышленностью в данной области стоит задача по улучшению качества выпускаемой продукции и расширению ее ассортимента.Производство строительных материалов состоит из различных технологических процессов, основными из которых являются механические, гидромеханические, тепловые, массообменные и химические. Для осуществления каждого из них используется большое количество специального оборудования. Следовательно, изучать процессы технологии производства строительных материалов наиболее целесообразно одновременно с изучением оборудования, применяемого для осуществления этих процессов. Таким образом, курс «Процессы и агрегаты производства строительных материалов» является дисциплиной, объединяющей общеинженерные и специальные курсы в единую систему.
Цель изучения курса «Процессы и агрегаты производства строительных материалов» – приобретение студентами знаний по процессам производства строительных материалов, методам их расчета, определению технологических и конструктивных параметров машин и оборудования, применяемых для осуществления этих процессов. Курсовой проект выполняется с целью систематизации, закрепления и расширения теоретических знаний, углубленного изучения одного из вопросов, поставленных в проекте, овладения навыками самостоятельного решения инженерных задач, выполнения технических расчетов и графического оформления проекта. Приступая к курсовому проектированию, студенты должны: изучить достижения науки и техники по выбранной теме; научиться самостоятельно применять полученные в университете теоретические знания при решении практических вопросов; уметь пользоваться специальной и справочной литературой при нахождении требуемых величин и значений, а также других необходимых технических сведений.
В данной работе содержатся методические указания только по расчету и подбору того вспомогательного оборудования, которое применяется в аппаратурно-технологических схемах процесса. Кроме того, приводится тематика курсовых проектов.
1. СТРУКТУРА КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Курсовой проект по дисциплине «Процессы и агрегаты производства строительных материалов» состоит из пояснительной записки и графической части.Пояснительная записка включает; титульный лист (образец см. в приложении), задание на проектирование, содержание (оглавление), введение, литературный обзор, описание технологической схемы установки, расчет основного аппарата (агрегата), расчет и подбор вспомогательного оборудования, заключение и список использованных литературных источников. При необходимости в пояснительную записку включают список условных обозначений и приложения (например, программу расчета установки на ЭВМ), который помещают после содержания (оглавления), а приложения после списка использованной литературы.
Задание на проектирование выдает руководитель проекта.
Содержание (оглавление) включает перечень наименований разделов и подразделов, из которых состоит пояснительная записка.
Во введении кратко освещают перспективы развития промышленности строительных материалов, роль технологического процесса и назначение проектируемой установки. Объем введения не должен превышать 2-х страниц.
В литературном обзоре приводят описание:
теоретических основ разрабатываемого процесса;
основных технологических схем для его проведения;
типового оборудования для проектируемой установки.
По заданию преподавателя литературный обзор может быть дополнен патентным обзором по современному аппаратурному оформлению процесса.
Описание технологической схемы включает обоснование ее выбора и обоснование выбора основного аппарата и вспомогательного оборудования с кратким описанием их конструкций и принципа действия, а также подробное описание принципа действия разрабатываемой установки.
Описание технологической схемы завершается кратким обоснованием мероприятий по охране окружающей среды, т.е. по предотвращению и обезвреживанию вредных промышленных выбросов.
Расчет основного аппарата производят с учетом его назначения, типа и конструкции. Он включает технологический и конструктивный расчеты по существующим методикам.
Подбор вспомогательного оборудования, обычно стандартизированного и нормализованного, производится на основе ориентировочных расчетов.
В заключение приводят характеристики установки, основного аппарата и вспомогательного оборудования.
Список использованных литературных источников включает перечень литературы, использованной при выполнении курсового проекта. Литературные источники заносятся в список в том порядке, в котором они упоминаются в тексте. По ходу текста должны приводиться ссылки на эти источники.
Оформление пояснительной записки выполняют по требованиям СТП 002-2007.
Графическая часть включает в себя 3 листа чертежей, выполненных с соблюдением норм и правил ЕСКД для каждого вида чертежей.
Первый лист графической части представляет собой технологическую схему установки (формат А3).
Второй лист представляет собой чертеж общего вида основного аппарата (формат А1).
На половине третьего листа (формат А2) располагают сборочный чертеж одного из узлов основного аппарата, а на второй половине (формат A3 или А4) вычерчивают детали узла.
2. РАСЧЕТ И ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Промышленная очистка газов от взвешенных в них твердых частиц является одной из важных технологических задач большинства предприятий промышленности строительных материалов. Из большого количества пылеулавливающего оборудования в промышленности наибольшее распространение получили циклоны как аппараты первой ступени очистки газов, а также электрофильтры и рукавные фильтры, которые, как правило, устанавливаются после циклонов и являются аппаратами тонкой очистки газов. Однако правильно выбранный циклон может также обеспечить высокую степень очистки газов от пыли.Степень очистки газов в циклоне зависит от многих факторов, и прежде всего, от дисперсного состава пыли, конструктивных особенностей аппарата (типа циклона)» его диаметра, плотности пыли и газового потока. Так как с увеличением диаметра циклона эффективность очистки газов значительно понижается, то применять циклоны с диаметром более 1,2 м не рекомендуется. При больших расходах газа следует устанавливать группу параллельно работающих циклонов. Максимально допустимая запыленность газов на входе в циклон не должна превышать 400 г/м3.
Наибольшее распространение в нашей стране получили циклоны конструкции научно-исследовательского института очистки газов (НИИОГаз), в частности, циклоны ЦН–15, ЦН–15у и ЦН–24 (цифра при ЦН указывает величину угла (в град.) наклона входного патрубка).
Внутренний диаметр циклона может быть для ЦН–11, ЦН–15 – 40, 60, 80, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 550, 600, 700, 750, 800; ЦН–15у – 200–800 (с интервалом 50 мм); ЦН–24 – 400–1000 (с интервалом мм). Основные параметры некоторых типов циклонов приведены в табл. 2.1.
Схематично конструкция циклона показана на рис. 2.1. Запыленный газовый поток вводится обычно в верхнюю часть корпуса циклона, представляющего собой чаще всего цилиндр, заканчивающийся в нижней части конусом. Патрубок входа газа в циклон, в основном прямоугольной формы, располагают по касательной к окружности цилиндрической части. Газ выходит из аппарата через круглую выхлопную трубу или отверстие, расположенные по оси циклона.
Основные параметры циклонов (в долях диаметра аппарата) Параметр верстия, d Ширина входного патрубка, b Высота входного патрубка, а ти, h Высота конической части, h Общая высота циклона, Н Коэффициент Оптимальная скорость на сечение циклона, опт После входа в циклон газ движется сверху вниз, вращаясь в корпусе циклона и образуя внешний вращающийся вихрь. Развивающиеся центробежные силы отбрасывают частицы пыли или капли, взвешенные во вращающемся газовом потоке, к стенкам корпуса циклона как цилиндрической, так и конической его части. Постепенно, преимущественно в конической части циклона основной газовый поток поворачивается и двигается вверх к выходу, образуя внутренний вращающийся вихрь. Частицы пыли, достигшие стенок циклона, перемещаются вместе с газами вниз, и через пылеотводящий патрубок выносятся из циклона. Движение частиц пыли вниз к пылеотводящему патрубку обусловлено не только влиянием силы тяжести. В первую очередь оно вызвано тем, что газовый поток у стенок цилиндрической и конической частей корпуса циклона не только вращается, но и движется вдоль оси циклона к вершине его конуса. Поэтому циклон может работать, располагаясь не только вертикально конусом вниз, но и горизонтально, и даже вертикально конусом вверх.
1 – корпус; 2 – труба; 3 – входной патрубок; 4 – приемный бункер При выборе и расчете циклона для очистки конкретного запыленного потока необходимо сравнить характеристики всех типов циклона и определить оптимальный вариант, отвечающий технологическим условиям очистки. При этом следует учитывать следующие рекомендации.
Содержание твердой фазы (а, г/м3) в пылегазовой смеси в зависимости от слипаемости следует принимать:
– для слабослипающихся частиц (табл. 2.2) Допустимое содержание твердой фазы а, г/м Примечание. Для частиц средней слипаемости величина а снижается в 2 раза; для сильно слипающихся — в 4 раза.
– отношения P/g – в пределах 55–75 м, причем для циклонов ЦН–15 принимать значение P/g меньше 55 м и для циклонов ЦН– менее 65 м не рекомендуется вследствие снижения степени очистки.
При очистке пыли от крупной фракции пыли, при >90% отношение P/g можно принимать < 55 м при условии, чтобы фиктивная скорость газового потока (отнесенная к полному поперечному сечению циклона) была выше 2,5 м/с во избежание забивки пылью циклона.
Очистка запыленных потоков циклонами обычно проводится при атмосферном и близком к нему давлениях и температурах до ~770 К.
Предварительно выбор циклона можно привести по результатам, приведенным в табл. 2.3.
Приближенные величины коэффициентов извлечения твердой фазы Диаметр Коэффициент извлечения частиц Коэффициент гидразличных размеров, к Основными параметрами технологического расчета циклонов являются степень очистки (коэффициент извлечения), %, а также потери давления (энергозатраты) на проведение процесса.
Степень очистки пылегазовой смеси представляет собой отношение количества твердой фазы извлеченный в циклоне, к количеству этой фазы на входе в циклон:
где Gн, Gк количество твердой фазы в смеси на входе и выходе из циклона, кг.
Кроме формулы (2.1) используют также фракционную степень очистки ф, % где Gнф, Gкф количество данной фракции в смеси на входе и выходе из циклона, кг.
При известных ф для каждой фракции можно рассчитать общую степень очистки:
m1, m2,…, mn процентное содержание (массовая доля) каждой фракции твердой фазы в смеси.
Производительность (Vц, м3/с) циклона определяют по формуле где S – площадь сечения циклона, м2; y скорость газового потока, отнесенная полному сечению циклона, м/с. Величина y определяется по формуле где P потери давления в циклоне, Па; коэффициент гидравлического сопротивления. Для циклонов значения представлены в табл. 2.3.
Для расчета циклонов должны быть известны: расход пылегазовой смеси (воздух + твердая фаза) V, м3/с; температура смеси на входе в циклон t, °С; давление, при котором происходит процесс Р, Па; фракционный состав твердой фазы в смеси, содержание фракции в смеси (%, масс); плотность твердых частиц т, кг/м3; допускаемое гидравлическое сопротивление P, Па.
Определив диаметр циклона, округляем его значение до ближайшего стандартного и, используя формулу (2.4), находим рабочую скорость газа (она не должна отличаться от оптимальной более чем на ±15%).
Теоретический расчет циклонов весьма сложен, поскольку на процесс влияет множество факторов как режимных, так и конструктивных.
Ниже приведена методика расчета циклонов НИИОГАЗ. Для расчета основных параметров циклона можно использовать графические зависимости, установленные НИИОГАЗом на основании экспериментальных данных (рис. 2.2–2.6). Ниже подрисуночных надписей на примерах показано, как использовать графики.
Сущность использования графоаналитического способа заключается в следующем:
1) определяем средний диаметр частиц пыли каждой фракции;
2) по графику (рис. 2.2) по среднему диаметру частиц определяем степень улавливания пыли для каждой фракции в циклоне ЦН-15 при определенных условиях, указанных на рис. 2.2;
Условия очистки: D = 600 мм; т=1930 кг/м3;
0=1,32 кг/м3 (при нормальных условиях); начальная концентрация пыли 1,7 г/м Рис. 2.2 – Степень улавливания пыли в циклоне ЦН- 3) по известному процентному содержанию каждой фракции и найдя из графика (рис. 2.2) степень улавливания в циклоне каждой из них по формуле (2.3) определяем общую эффективность улавливания;
4) согласно графику (рис. 2.3) делаем поправку общей степени очистки газа с учетом типа циклона (пример: для циклона ЦН–15 найдено = 90% (точка А). Чтобы определить значение для циклона ЦН-24, из точки А проводим вертикаль до пересечения с линией ЦН-24. В точке В находим 83%.);
5) согласно графику (рис. 2.4) делаем поправку общей степени очистки газа с учетом диаметра циклона (пример: для циклона с D = 600 мм найдено = 87% (точка А). Чтобы определить значение для D = 900 мм, находим на той же кривой точку В, ордината которой дает искомое значение = 85%.);
Рис. 2.3 Изменение степени очистки газа в зависимости от типа циклона Рис. 2.4 Изменение степени очистки газа в зависимости 6) согласно графику (рис. 2.5) делаем поправку степени очистки газа с учетом плотности твердой фазы (пример: при т=1930 кг/м3 найдено = 64% (точка А). Чтобы определить значение при т=2700 кг/м3, находим точку В на пересечении соответствующей кривой с вертикалью т=2700 кг/м3. Ордината точки В дает искомое значение = 70%.) Рис. 2.5 Изменение степени очистки газа в зависимости 7) согласно графику (рис. 2.6) делаем поправку степени очистки газа на фактор скорости (пример: при = 85% (точка А). Чтобы определить значение при 40 м, находим точку В на пересечении соответствуют g щей кривой с вертикалью искомое значение = 80%.);
8) сравниваем полученную степень очистки с требуемой.
Если требуемая степень очистки газов будет равна или ниже полученной при графоаналитическом расчете, то далее согласно табл. 2.1, приступаем к расчету геометрических размеров циклона. Если расчетная степень очистки газов оказалась ниже требуемой, то следует выбрать другой тип циклона и расчет повторить снова или установить группу параллельно работающих циклонов меньшего диаметра.
Рис. 2.6 Изменение степени очистки газа в зависимости от отношения Одним из основных элементов электрофильтра является осадительная камера (рис. 2.7), в которой размещены осадительные электроды, выполненные в виде труб (цилиндрических или шестигранных) или пластин.
Рис. 2.7. Схема электрофильтра с пластинчатым (а) По образованным этими электродами каналам снизу вверх или горизонтально движется запыленный газ. Внутри каналов размещены коронирующие электроды, выполненные из нихромовой проволоки диаметром 2-3 мм. При создании между электродами разности потенциалов в 55-70 кВ газ ионизируется и заряженные ионами твердые частицы переносятся к осадительному электроду.
Электрофильтры устанавливаются как аппараты второй ступени очистки, обеспечивающие эффективность улавливания до 99 % при начальной запыленности газа до 0,05 кг/м3, они работают при разряжении в системе от 2 до 5 кПа, создавая гидравлическое сопротивление 150-200 Па. Основные параметры электрофильтров, применяемых в промышленности строительных материалов, приведены в табл. 2.4.
Расшифровка буквенных обозначений: У универсальный; Г с горизонтальным ходом газа; Ц для улавливания цементной пыли; Д для очистки дымовых газов; В с вертикальным ходом газа; П пластинчатый; Т высокотемпературный. Цифры после буквенной индексации означают порядковый номер габаритной группы или число электрических полей, или площадь для прохода запыленных газов.
Дополнительными буквами обозначены: СК стальной корпус, жб железобетонный корпус, бц фильтр установлен после батарейного циклона. Подбор электрофильтра производится в соответствии с заданными условиями его работы по площади сечения активной зоны с последующим проверочным расчетом степени очистки.
Площадь сечения активной зоны электрофильтра f, м2 рассчитывается по следующей зависимости:
где Vг объемный расход газа при температуре очистки,м3/с;
г скорость газа в электрофильтре, м/с (г=0,8-2 м/с);
К коэффициент запаса, учитывающий подсосы атмосферного воздуха (К =1,1).
Степень очистки газов в электрофильтре, % вычисляется по формуле где ч скорость дрейфа заряженных частиц по направлению к осадительному электроду, м/с;
а коэффициент, характеризующий геометрические размеры аппарата и скорость газа в нем;
где L длина электрода, м;
П активный периметр осадительного электрода, м;
fэ площадь сечения активной зоны, ограниченной стенками осадительного электрода, м2 (для пластинчатых электродов П/fэ = 7,7).
Реальная скорость дрейфа заряженных частиц зависит как от их размера, так и от напряженности поля. Ориентировочно скорость дрейфа для частиц различных диаметров можно принять по табл. 2.5:
Так как скорость дрейфа, а, следовательно, и степень очистки зависят от диаметра частиц пыли, общую степень очистки электрофильтра следует рассчитывать по фракционным их значениям в соответствии с формулой (2.3).
Рукавные фильтры, как и электрофильтры, используются в качестве второй ступени при комплексной очистке газов. Они представляют собой вертикально расположенные секции рукавов, помещенные в стальной герметичный корпус прямоугольного или круглого сечения (рис. 2.8). Отношение длины рукавов к диаметру составляет 16-20 мм, а диаметр рукавов колеблется в пределах 125-300 мм.
При прохождении запыленного газа через фильтровальную ткань твердые частицы постепенно осаждаются в порах между волокнами, соединяются друг с другом, образуя пористую перегородку, обеспечивающую совместно с тканью хорошую степень очистки газов. При образовании слоя пыли определенной толщины, когда резко увеличивается сопротивление фильтра (до 5002000 Па), производят удаление пыли встряхиванием или обратной продувкой рукавов.
1 – рукав; 2 – корпус; 3 – встряхивающий механизм;
4 – клапан для очищенного газа и продувочного воздуха Рис. 2.8 – Схема устройства рукавного фильтра Рукавные фильтры работают в диапазоне температур, верхний предел которых определяется температуростойкостью материала, а нижний точкой росы очищаемого газа. Степень очистки газа в рукавных фильтрах определяется экспериментальным методом.
Основные параметры наиболее распространенных рукавных фильтров приведены в табл. 2.6 (индексация фильтров: Ф – фильтр; Р – рукавный; О – обратная продувка: К – каркасный; И – с импульсной продувкой: римские цифры – количество секций; цифры после тире – поверхность фильтрации.).
Общая поверхность фильтровальных рукавов F, м где z общее число рукавов в аппарате;
l и d длина и диаметр рукавов, м.
Так как во время работы фильтра с обратной продувкой часть его рукавов zр отключается на регенерацию, рабочая поверхность рукавного фильтра Fр, м2 будет равна:
Для односекционных фильтров можно принять Расчетная рабочая поверхность фильтрации Fф, м где Vг расход запыленного газа, поступающего в аппарат, м3/с;
Vпр расход продувочного воздуха, м3/с (Vпр=(0,10,2)·Vг);
Vп.в. расход подсасываемого воздуха, г допустимая удельная скорость газа, отнесенная к 1 м2 поверхности фильтра, м3/м2·с (г==(0,81,0) 10-2).
Расход подсасываемого воздуха зависит от температуры запыленного газа, поступающего в фильтр. Если запыленный газ подходит к фильтру с высокой температурой tг, которую необходимо снизить за счет разбавления холодным воздухом до температуры tсм, ниже допустимой tд для данной ткани, то количество холодного воздуха Vв, м3/с можно рассчитать по формуле Определяющими параметрами для подбора тягодутьевых машин (вентиляторов, дымососов, газодувок) являются объемный расход газов и гидравлическое сопротивление технологической линии, по которой эти газы перемещаются. Технологическая линия, как правило, состоит из трубопроводов и аппаратов. При выборе типа, марки и исполнения тягодутьевых машин следует учитывать температуру газа и наличие в нем механических примесей. Расход газа в технологической линии обычно определяют из расчета материального и теплового балансов установки в целом или отдельного аппарата, либо берут из задания на проектирование. Объемный расход газа определяют при температуре и давлении его на входе во всасывающий патрубок вентилятора.
«