高純氧化鎂生產工藝計算以及設備選型計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16640高純氧化鎂生產工藝計算以及設備選型計算案例 114191.1物料衡算 1156671.2能量衡算 337981.3總體物料衡算 8222231.4管件的設計 1351641.5酸浸反應容器的設計 151.1物料衡算設輕燒白云石的基準質量為1噸（CaO∶MgO=6∶4）輕燒白云石消化工藝中各個物料的含量：MgO+CaO+2H2O→Mg(OH)2+Ca(OH)24056365874400kg600kg373kg580kg793kg使1噸輕燒白云石的消化反應進行完全，總需水量為373kg，為使反應后漿料能夠便于輸送，需加入過量的水，是反應后漿料中水的占比為40%，故總需水量為(580+793)×0.4+373=922kg表2-1物料統(tǒng)計名稱進料出料輕燒白云石1000kg0kg水922kg549kg氫氧化鎂0kg580kg氫氧化鈣0kg793kg總計1922kg1922kg由表可知，物質的進料量和出料量相等，所以物質的物料守恒。酸浸工藝中各個物料的含量：Mg(OH)2+Ca(OH)2+2H2SO4→MgSO4+CaSO4+4H2O587419612013672580kg793kg2030kg1200kg1457kg746kg硫酸濃度為50%，硫酸中水含量為2030kg。表2-2物料統(tǒng)計名稱進料出料氫氧化鎂580kg0kg氫氧化鈣793kg0kg硫酸2030kg0kg水2579kg3325kg硫酸鎂0kg1200kg硫酸鈣0kg1457kg總計5982kg5982kg由以上計算可知，物質的進料等于出料，那么物料守恒。酸浸工藝中生成的硫酸鎂會溶解在水中，而硫酸鈣不溶于水，會沉淀下來，然后經過過濾工藝，將硫酸鈣固體過濾出來，而硫酸鎂溶液進入下一道工藝，假設工藝過程中硫酸鎂損失量為5%；氨水沉淀工藝各個物料的含量：MgSO4+2NH3·H2O→Mg(OH)2+(NH4)2SO412070581321140kg665kg551kg1254kg氨水濃度為25%。表2-3物料統(tǒng)計名稱進料出料硫酸鎂1140kg0kg氨水665kg0kg水5320kg5320kg氫氧化鎂0kg551kg硫酸銨0kg1254kg總計7125kg7125kg由表可知，物質的進料等于出料量，所以物料守恒。（5）氫氧化鎂煅燒工藝各個物料的含量：Mg(OH)2→MgO+H2O584018551kg380kg171kg表2-3物料統(tǒng)計進料出料氫氧化鎂551kg0kg氧化鎂0kg380kg水0kg171kg總計551kg551kg由表可知，物質的進料等于出料量，所以物料守恒。（6）換熱系數若一年按365天來，假設其中有35天是休息調整，那么一年實際生產時間為330天。若采用每日24小時不間斷生產，則每小時高純氧化鎂陶瓷粉產量為：由物料衡算可知，1000kg輕燒白云石可生產出高純氧化鎂陶瓷粉380kg。那么實際的換熱系數為：1.2能量衡算各反應釜的換熱面積：（1）消化反應釜：氧化鎂：氧化鈣：水：帶出反應釜的熱量為：氫氧化鎂：氫氧化鈣：水：因此可得：表2-4各物料變化表名稱輸入系統(tǒng)熱量/kJ輸出系統(tǒng)熱量/kJ氧化鎂5107200氧化鈣4708200水51502923066714氫氧化鎂0863968氫氧化鈣01054690損失的熱量0306592移走的熱量05291964總計61318326131832（2）酸浸反應釜：氫氧化鎂：氫氧化鈣：硫酸：水：帶出反應釜的熱量為：硫酸鎂：硫酸鈣：水：因此可得：表2-5各物料熱量變化表名稱輸入系統(tǒng)熱量/kJ輸出系統(tǒng)熱量/kJ氫氧化鎂8639680氫氧化鈣10546900硫酸117715640水306671418573450硫酸鎂01212960硫酸鈣01802163損失的熱量0837846移走的熱量0-5669483總計1675693616756936（3）氨水反應釜：硫酸鎂：氨水：水：帶出反應釜的熱量為：氫氧化鎂：硫酸銨：水：因此可得：表2-5各物料熱量變化表名稱輸入系統(tǒng)熱量/kJ輸出系統(tǒng)熱量/kJ硫酸鎂11523120氨水37058460水2971752029717520氫氧化鎂0820770硫酸銨02362639損失的熱量01728784移走的熱量0-54035總計3457567834575678這次設計要求是在30分鐘內將原料加熱到反應所需溫度，若采用水蒸氣進行加熱，則需要水的壓力為0.4MPa。查找資料了解到水蒸氣在0.4MPa時的溫度為143℃。假設進入酸浸反應釜的物料溫度為70℃，通過查閱資料了解到酸浸的最佳反應溫度為90℃，所以平均溫度是：設計使用帶攪拌的夾套反應釜，那么其傳熱面積為：1.3總體物料衡算（1）消化工段：氧化鎂每年需要生成20萬噸，假設一年生產工作時間為330天，則每天生產氧化鎂量：200000/330=606.06t/d金屬鎂量：606.06/40×24=363.64t/d假設輕燒白云石為100％，反應產率為0.95％，則理論上需純Mg的量為363.64/(1.0×0.95)=382.77t/d那么需要純氧化鎂為：328.09×40/24=637.96t/d假設輕燒白云石中氧化鎂純度為40%，則需要輕燒白云石637.96/0.4=1594.89t/d假設輕燒白云石的密度為1.45t/m3，則體積為1594.89/1.45=1099.92m3/d1t輕燒白云石實際需要水量為922kg，則每天用水量為1594.89×0.922=1470.49t/d體積量為：1470.49/1=1470.49m3/d反應釜1中參與反應物料總量為1099.92+1470.49=2570.41m3/d每日分成三次加料，那么每次加料量為：2570.41/3=856.80m3/次反應時總體積膨脹，因此設反應器體積為反應物總體積1.1倍，則反應器總體積為：856.80×1.1=942.48m3假設取32個反應器，每個反應器容積為30m3（2）酸浸工段：每日進入酸浸工段的Mg(OH)2量：637.96×58/40=925.04t/d體積量為：925.04/2.36=391.97m3/d每日進入酸浸工段的Ca(OH)2量：956.93×74/56=1264.51t/d體積量為：1264.51/2.24=564.51m3/d每日進入酸浸工段的水量：1594.89×0.549=875.59t/m3體積量為：875.59/1=875.59m3/d1t輕燒白云石需硫酸2.03t，每日需總硫酸量為：1594.89×2.03=3237.63t/d硫酸濃度為50%，則總量為：3257.63×2=6475.25t/d體積量為：6475.25/1.39=4658.46m3/d反應釜2中參與反應物料總量為:391.97+564.51+875.59+4658.46=6490.53m3/d每日分成三次加料，那么每次加料量為:6490.53/3=2163.51m3/次反應時總體積膨脹，因此設反應器體積為反應物總體積1.1倍，則反應器總體積為：2163.51×1.1=2379.86m3假設取80個反應器，每個反應器容積為30m3（3）過濾工段1進入板框過濾機的物料總量為6490.53m3/d1t輕燒白云石可以生產1.457t硫酸鈣，則每日硫酸鈣總量為：1594.89×1.457=2323.75t/d過濾得到硫酸鈣濾餅含水量為5%，則濾餅量約為2323.75×1.05=2439.94t/d設濾餅密度為3t/m3，則濾餅體積為2439.94/3=813.31m3/d濾液量為6490.53－813.31=5677.22m3/d=236.55m3/h假設取100臺板框過濾機，過濾1h，卸渣所用時間1h。反應完的料漿進入每臺板框過濾機的速率為5677.22/3/100/1=18.92m3/h每次每臺過濾機處理的料液量為18.92m3所含固體體積量為18.92×813.31/6490.53=2.37m3質量為2439.94×18.92/6490.53=7.11t設濾液密度為1,則每臺一小時所獲得的濾餅體積為2.37+7.11/0.95×0.5/1=6.11m3每次每臺過濾機獲得濾液的體積V為18.92－6.11=12.81m3以q表示單位過濾面積獲得的濾液體積，以t表示過濾時間，K=0.23，qe=0.012，t=1h，則q=0.47m3過濾面積A為12.81/0.47=27.26m3（4）氨水用量計算1t輕燒白云石生產氫氧化鎂需氨水0.665t，則每日硫酸鈣總量為：1594.89×0.665=1060.61t/d所用工業(yè)氨水濃度15%，密度為0.93t/m3，則體積量為1060.61/0.15/0.93=7602.93m3/d每次投料的總物料量的體積為(5677.22+7602.93)/3=4426.72m3物料反應時總體積膨脹，因此設反應器體積為反應物總體積1.1倍左右，則反應釜的體積為4426.72×1.1=4869.38m3假設取140個反應器，每個器體積為：7033.15/200=31.62m3，取32m3。（5）過濾工段2每次進入板框過濾機的物料總量為13280.16m31t輕燒白云石可以生產0.551t氫氧化鎂，則每日氫氧化鎂總量為：1594.89×0.551=878.78t/d過濾得到硫酸鈣濾餅含水量為5%，則濾餅量約為878.78×1.05=992.72t/d設濾餅密度為2t/m3，則濾餅體積為992.72/2=461.36m3/d濾液量為13280.16－461.36=12818.80m3/d=534.12m3/h假設取200臺板框過濾機，過濾1h，卸渣所用時間1h。反應完的料漿進入每臺板框過濾機的速率為13280.16/3/200/1=22.13m3/h每次每臺過濾機處理的料液量為22.13m3所含固體體積量為22.13×461.36/13280.16=0.77m3質量為992.72×22.13/13280.16=1.65t設濾液密度為1,則每臺一小時所獲得的濾餅體積為0.77+1.65/0.95×0.5/1=1.64m3每次每臺過濾機獲得濾液的體積V為22.13－1.64=20.49m3以q表示單位過濾面積獲得的濾液體積，以t表示過濾時間，K=0.23，qe=0.012，t=1h，則q=0.47m3過濾面積A為20.49/0.47=43.60m3（6）煅燒工段氫氧化鎂濾餅質量992.72t/d煅燒收率95%，得到氧化鎂陶瓷粉質量為992.72×0.98×40/58=650.40t/d每年按330天計，年產量約為650.40×330=21.5萬噸符合生產工藝要求。1.4管件的設計（1）消化反應釜出料管①出料液總體積為：②出料液流量浸出反應釜出料所用時間為120min，那么出料液的流量為③消化反應釜出料管的直徑設出料液流速為2.5m/s，則出料管直徑為查閱化工管路手冊得，將其圓整至，則外徑D為115mm。=4\*GB3④消化反應釜出料管壁厚因為消化工藝是在常壓80℃的狀態(tài)下進行的，那么反應釜管壁厚為:含義分別為:—管壁厚度負偏差附加量（mm）；—腐蝕裕度（mm）；—管子熱加工減薄量（mm）。查得管子壁厚經圓整至則浸出反應釜出料管選用不銹鋼襯四氟管，規(guī)格為。（2）酸浸反應釜出料管①出料液總體積為：②出料液流量反應釜出料所用時間為180min，那么出料液的流量為③反應釜出料管管徑出料液的流速5m/s，則出料管管徑查閱化工管路手冊得，將其圓整至，則外徑D為110mm。=4\*GB3④反應釜出料管管壁厚度由于酸浸反應是在常壓90℃的狀態(tài)下進行的，那么酸浸反應釜出料管壁厚為：的含義為:—管壁厚度負偏差附加量（mm）；—腐蝕裕度（mm）；—管子熱加工減薄量（mm）。查得經圓整，得管子壁厚所以酸浸反應釜出料管的材料應選用不銹鋼襯四氟，規(guī)格為。（3）中和反應釜出料管①出料液總體積為：②出料液流量反應釜出料所用時間為180min，那么出料液的流量為③反應釜出料管管徑出料液的流速5m/s，則出料管管徑根據化工管路手冊可得，將其圓整至，則外徑D為110mm。=4\*GB3④反應釜出料管管壁厚度由于中和反應是在常壓90℃的狀態(tài)下進行的，那么反應釜管壁厚為：含義分別為:—管壁厚度負偏差附加量（mm）；—腐蝕裕度（mm）；—管子熱加工減薄量（mm）。查得管子壁厚經圓整至所以鋁溶膠反應釜出料管應選用的鋼管規(guī)格為。1.5酸浸反應容器的設計⑴罐體和封頭的設計=1\*GB3①罐體公稱直徑的確定表2-6幾種攪拌釜的長徑比攪拌釜種類設備內物料類型長徑比i值一般攪拌釜液-固相或液-液相物料發(fā)酵罐類氣-液相物料此次設計的物料反應類型為液-固反應，此次設計取i=1.2，因為接管和傳動裝置安裝對內徑要求較大。將罐體當做筒體進行計算，則罐體長徑比為由，又所以，經圓整，得，所以罐體的公稱直徑為②確定封頭尺寸在封頭內部使用中橢圓型封頭，讓封頭與筒體內徑一樣。查閱《化工設備設計基礎》了解到，反應釜釜體橢圓封頭的直邊高度為③確定筒體高度下封頭的容積與筒體容積之和等于反應釜容積。查得，時的橢圓型封頭容積是，筒體高度為其容積筒體高度由計算取，則式中，；；④夾套的尺寸計算在安裝與工藝上，夾套結構尺寸要同時達到相應的要求。夾套的內徑可根據內徑由下表選取表2-7夾套的直徑與釜體直徑的關系500~600700~18002000~3000一般工藝的裝料系數，由于該工藝是在80℃的條件下進行的，所以選取裝料系數為選取夾套直徑：由2-8表可知，夾套直徑夾套封頭直徑與筒體相同且封頭形狀也為橢圓型確定夾套高度，圓整后，?、茒A套反應釜釜體強度的計算①確定罐體公稱壓力由已知條件同時考慮工藝要求以及腐蝕等影響因素，根據GB25025-2010，本設計用于制造罐體和封頭的材料為搪瓷鋼板材料，且在100~150℃下其許用應力為在加壓和工作狀態(tài)下需考慮液柱的高度該儲罐在夏季的最高溫度為，在該溫度下水的飽和蒸汽壓為0.00594（絕對壓力），所以操作壓力為。即罐體的公稱壓力②罐體設計壓力的確定：，取液體靜壓：，其中為出料液的平均相對密度計算壓力：反應釜釜內設計溫度，夾套的設計溫度，夾套的設計壓力為，據已知參數有焊縫系數?：通過焊接的搪瓷反應釜，其焊縫中可能存在一定的缺陷，且在焊縫附近會因為受熱而引起結構的變化從而造成環(huán)節(jié)的薄弱，所以在計算時根據《過程設備設計》選取焊縫系數?=0.85（采用雙面焊縫，進行局部無損探傷檢測）[14]且夾套封頭也均采用搪瓷鋼板材料拼焊。罐體的筒體厚度計算：夾套筒體厚度的計算：罐體封頭厚度的計算：夾套封頭厚度的計算：根據《過程設備設計》，搪瓷鋼板材料的厚度負偏差C1取C1=0.45mm，腐蝕裕量C2=3mm，熱工減薄量C3=1.5mm（封頭熱加工C3=0.5mm），所以壁厚附加量則罐體筒體的設計厚度為夾套筒體的設計厚度為罐體封頭的設計厚度為夾套封頭的設計厚度為夾套筒體的名義厚度為夾套封頭的名義厚度為通過查閱資料，根據GB25025-2010《搪瓷反應釜執(zhí)行標準》中對設計要求：玻璃設備的瓷層厚度0.8-2.0mm，搪瓷玻璃設備附件的瓷層厚度0.6-1.8mm，有因為搪瓷反應釜屬于承壓容器，還要符合GB150《鋼制壓力容器》的設計要求，筒體規(guī)定的最小厚度不超過3mm且包括腐蝕裕量。鋼板的標準規(guī)格名義厚度不得小于5mm[15]。所以，為便于筒體和封頭的焊接，則夾套封頭和筒體的厚度都取5mm。設反應釜釜體的名義厚度為：厚度附加量為：罐體筒體有效厚度為：罐體筒體外徑為：筒體計算長度為：系數系數通過查找《過程設備設計》得到參數系數，系數則許用外壓所以壁厚能夠滿足外壓穩(wěn)定性要求，且圓整到搪瓷鋼板厚度規(guī)格為⑶計算罐體封頭壁的厚度：①按照內壓計算時，封頭壁的厚度代入上式得為便于封頭與筒體的焊接，則封頭壁應與筒體厚相等，那么②按外壓計算：根據圖算法算得，封頭壁的厚度橢圓封頭的計算當量半徑，查閱資料有關設計可知，所以系數經查得，則許用壓力大于水壓操作壓力，所以滿足外壓穩(wěn)定性要求⑷水壓實驗校核：確定試驗水壓Pr,按照設計規(guī)定要求可知：罐體水壓取夾套水壓?、賰葔涸囼灂r：釜體筒壁內壓應力：封頭壁內壓應力：夾套筒壁內壓應力：夾套封頭壁內壓應力：因為在常溫下，鋼材料Q235-A其屈服應力，且水壓試驗安全條件為。由上可知筒壁以及封頭內應力小于，所以滿足實驗條件，水壓試驗安全。②外壓水壓試驗：罐體筒體外壓校核：參考資料《過程設備設計》查出相應的參數系數，系數則許用外壓。為了保證反應釜的釜體以及筒體的平穩(wěn)，在0.4MPa外界壓力下水壓試驗時應向釜體內增加壓力。釜體下封頭進行外壓校核：因為其允許外壓[P]=0.503MPa>0.4MPa，所以安全。計算結果如下表：表2-8容器尺寸表名稱罐體夾套筒體8mm5mm封頭8mm5mm⑸鞍座的設計鞍座的負荷的粗算公式為：各個所代表的物理意義為：—罐體的總質量—罐體的質量；—水壓試驗或液氨的質量滿水質量；—封頭的質量；—附件的質量。=1\*GB3①罐體質量：有，的筒節(jié)，質量，那么=2\*GB3②封頭的質量：有管程，直邊高度的橢圓形封頭，它的質量，那么=3\*GB3③液氨的質量：據《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》，裝量系數取0.85，則貯罐體積為：液氨在-20℃下的密度是665,那么水在常溫常壓下的密度為1000，那么經以上計算可知，進行滿水水壓試驗時，質量較好。=4\*GB3④附件的質量：人孔的質量為，其他接管總和約為，所以：則罐體的總質量M：按照《壓力容器設計》的鞍式支座標準，根據計算出的各個鞍座承受約為的負荷可知，可選用150°較大包角的鞍座的帶墊板，對減小鞍座平面處的軸向應力、切向剪應力和周向應力有利。即鞍座鞍座=7\*GB2⑺人孔的設計=1\*GB3①設計人孔的作用人孔是方便工作人員對設備進行維護工作的開孔裝置，同時也是應急通氣裝置，一般會放在儲罐頂部，使用時與呼吸閥、滅火器等配合作業(yè)。人孔是設備中必不可少的安全保護裝置，能夠防止反應釜內有部分真空情況的應急作業(yè)，或者反應出現(xiàn)錯誤導致儲罐因罐內壓力突然急劇增加產生的破壞，并且其還有一定的阻燃作用，。=2\*GB3②人孔的選擇在儲罐的設計溫度，最高工作壓力的前提下，選取公稱壓力為0.6，公稱直徑為600mm的A型回轉蓋板平焊法蘭人孔，根據標準HG21516—95，此次設計中可選用的人孔為：