Термодинамический анализ силикатной системы CaO-SiO2

∆Z⁰₇₀₀=-22419.18-0.8*700*ln700+200.9+45.71+2618=-23223.17 кал/моль

∆Z⁰₈₀₀=-22419.18-0.8*800*ln800+262.4+40+2992=-23402.93 кал/моль 
∆Z⁰₉₀₀=-22419.18-0.8*900*ln900+332.1+35.56+3366=-23583.24 кал/моль 
∆Z⁰₁₀₀₀=-22419.18-0.8*1000*ln1000+410+32+3740=-23763.38 кал/моль

∆Z⁰₁₁₀₀=-22419.18-0.8*1100*ln1100+496.1+29.09+4114=-23942.69 кал/моль 
∆Z⁰₁₂₀₀=-22419.18-0.8*1200*ln1200+590.4+26.67+4488=-24120.58  кал/моль

∆Z⁰₁₃₀₀=-22419.18-0.8*1300*ln1300+692.9+24.62+4862=-24295.98 кал/моль

∆Z⁰₁₄₀₀=-22419.18-0.8*1400*ln1400+803.6+22.86+5236=-24470.25 кал/моль

∆Z⁰₁₅₀₀=-22419.18-0.8*1500*ln1500+922.5+21.33+5610=-24641.21 кал/моль 
∆Z⁰₁₆₀₀=-22419.18-0.8*1600*ln1600+1049.6+20+5984=-24809.11 кал/моль

∆Z⁰₁₇₀₀=-22419.18-0.8*1700*ln1700+1184.9+18.82+6358=-24973.66 кал/моль 
∆Z⁰₁₈₀₀=-22419.18-0.8*1800*ln1800+1328.4+17.78+6732=-25134.58 кал/моль 
 
 
 
 
 
 

3.2 Расчет изобарно-изотермического  потенциала ∆Z = f(T) реакций в силикатной системе 3CaO-SiO₂.

1. Определяем энтальпию реакции при температуре 298 К: 
∆H⁰₂₉₈=-700.45+3*151.9+215.48=-29.27 ккал/моль 
2. Определяем изменение изобарно-изотермического потенциала реакции при температуре 298 К.

∆Z⁰₂₉₈=-665.47+3*144.4+202.83=-29.44 ккал/моль 
3.Определяем уравнение изменения теплоемкости в зависимости от температуры полиморфного превращения: 
∆a=1.46 
∆b=1.7*10^-3

∆c=18.28*10⁵ 
∆C_p=1.46+1.7*10^-3*298+18.28*10⁵/298²=22.55 
4. Определяем ∆H₀=-29270-1.46*298+0.5*1.7*10^-3*88804-18.28*10⁵/298=-23646.33 кал/моль

5. Определяем  y: 
y=(-29440+23646.33+1.46*298*ln298+75.48+3067.11)/298=-0.57

6. Составляем уравнение зависимости изобарно-изотермического потенциала от температуры:

∆Z⁰₂₉₈=-23646.33-1.46*298*ln298-0.85*10^-3*88804-3067.11-169.86=-29438.74 кал/моль

∆Z⁰₃₀₀=-23646.33-1.46*300*ln300-76.5-3046.67-171=-29438.75 кал/моль

∆Z⁰₄₀₀=-23646.33-1.46*400*ln400-136-2285-228=-29793.34 кал/моль

∆Z⁰₅₀₀=-23646.33-1.46*500*ln500-212.5-1828-285=-30508.49 кал/моль

∆Z⁰₆₀₀=-23646.33-1.46*600*ln600-306-1523.33-342=-31421.37 кал/моль

∆Z⁰₇₀₀=-23646.33-1.46*700*ln700-416.5-1305.71-399=-32462.74 кал/моль

∆Z⁰₈₀₀=-23646.33-1.46*800*ln800-544-1142.5-456=-33596.46 кал/моль

∆Z⁰₉₀₀=-23646.33-1.46*900*ln900-688.5-1015.56-513=-34801.74 кал/моль

∆Z⁰₁₀₀₀=-23646.33-1.46*1000*ln1000-850-914-530=-36025.65 кал/моль

∆Z⁰₁₁₀₀=-23646.33-1.46*1100*ln1100-1028.5-830.91-627=-37379.66 кал/моль

∆Z⁰₁₂₀₀=-23646.33-1.46*1200*ln1200-1224-761.67-684=-38737.81 кал/моль

∆Z⁰₁₃₀₀=-23646.33-1.46*1300*ln1300-1436.5-703.08-741=-40135.8 кал/моль

∆Z⁰₁₄₀₀=-23646.33-1.46*1400*ln1400-1666-652.86-798=-41570.39 кал/моль

∆Z⁰₁₅₀₀=-23646.33-1.46*1500*ln1500-1912.5-609.33-855=-43039.11 кал/моль

∆Z⁰₁₆₀₀=-23646.33-1.46*1600*ln1600-2176-571.25-912=-44540.02 кал/моль

∆Z⁰₁₇₀₀=-23646.33-1.46*1700*ln1700-2456.5-537.647-969=-46071.55 кал/моль

∆Z⁰₁₈₀₀=-23646.33-1.46*1800*ln1800-2754-507.784-1026=-47632.39 кал/моль 
 
 

3.3. Расчет изобарно- изотермического потенциала на ЭВМ

Программа составлена на языке программирования Qbasic. 

CLS

INPUT "Введите ∆H "; H298

INPUT "Введите ∆Z "; Zt

INPUT "Введите ∆a "; a

INPUT "Введите ∆b "; b

INPUT "Введите ∆c "; c

INPUT "Введите ∆H₀"; H0

T = 298

y = (Zt - H0 + a * T * LOG(T) + .5 * b * T ^ 2 + .5 * c * (1 / T)) / T

PRINT "y="; y

FOR T = 300 TO 2000 STEP 100

Zt = H0 - a * T * LOG(T) - .5 * b * T ^ 2 - .5 * c * (1 / T) + y * T

PRINT "T="; T; "Z="; Zt

NEXT T

SLEEP

 CaO*SiO₂ 
 
 
 

3CaO*SiO₂ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выбор и описание аппарата или оборудования для заданного  технологического процесса. 

Длинная вращающаяся  печь с внутренним теплообменным  устройством (с размерами 7 * 230 м)  
 

     Вращающимися  печами с теплообменниками во внутренней полости и без каких-либо устройств, расположенных за их загрузочными концами и предназныченных для использования тепла отходящих газов, оборудована большая чать отечественных и зарубежных заводов. Основным типом вращающихся печей, принятым к установке, являются печи с размерами 4,5 * 170м и 5 * 185м.

      Цилиндрический  сварной корпус вращающейся печи 4,5 * 170м расположен на семи опорах с  наклоном к горизонту, равным 4%. Особенностью этих печей по сравнению с печами прежних конструкций является одинаковый по всей длине диаметр корпуса и наличие вместо одного двух основных приводных устройств, установленных с обеих сторон венцовой шестерни. Расстояние между опорами приблизительно одинаково и составляет 24-26м. Большая чать корпуса изготовлена из стальных листов толщиной 30мм, а по длине зоны спекания он сварен из 45-мм стальных листов. Толщины листов для всех подбандажных обечаек выбрана равной 60мм. Подбандажные обечайки усилины к тому же двумя кольцами жесткости, расположенными по обе стороны бандажа. Кольца жесткости имеют тавровую форму сечения и привариваются прерывистым швом широкой полкой наружу.

      Большая жесткость корпуса позволила  произвести установку печи на семи опорах, а не на восьми, как это  сделано у зарубежных печей такого-же размера.

      Все бандажи печи, точно также, как  и опорные ролики, имеют одинаковую конструкцию и одинаковые размеры  по ширине, которые соответственно равны 800 и 900 мм. Бандажи прямоугольного сечения насажены на корпус свободно.

      Цапфы опорных роликов опираются на отдельно установленные подшипники скольжения. Каждый подшипник имеет карцерно-ковшовую систему смазки и систему водяного охлаждения.

      Для переодической смены масла устанавливается  централизованная станция принудительной смены масла. Контроль за температурой нагрева подшипников осуществляется автоматически с помощью датчиков, установленных в теле вкладыша.

      Разъемный зубчатый венец печи, состоящий из двух частей, расположен между третьим  и четвертым бандажами, считая от головки печи. Венец посажен на корпус печи с помощью стальных пружин, направленных вдоль образующих корпуса. От каждого из двух приводных двигателей движение зубчатому венцу передается через трехсткпенчатый редуктор с общим передаточным числом i=87,82.

      Соединение  последнего вала редуктора основных приводных устройств с валом ведущей шестерни осуществляется при помощи универсального шпинделя. Главный приводной механизм печи оборудован двумя асинхронными электродвигателями с фазовым ротером мощьностью по 250кВт каждый. Электродвигатели вспомогательных приводных устройств имеют мощность по 14кВт.

      Средняя скорость вращения печи составляет 1,1 об./мин.

      Приводной механизм печи оборудован двумя станциями  циркуляционной смазки.

      Станция производительностью 200л/мин служит для смазки главных редукторов, подшипников упорных роликов и подшипников подвенцовых шестерен, а другая производительностью 18 л/мин – для смазки узла зацепления подвенцовых и венцовой шестерни.

      Для повышения производительности и  тепловой эффективност вращающаяся печь 7 * 230м оборудована рядом встроенных теплообменных устройств. Непосредственно у холодного конца печи за цепной завесой устанавливается цепной фильтр-поглотитель, обеспечивающий подогрев шлама и частичное обеспыливание отходящих газов. Затем следует цепная завеса с навеской цепей гирляндами и лопастные теплообменники.

      Для охлаждения выходящего из печи клинкера устанавливаются колосниковые холодильники переталкивающего типа производительностью 50 т/ч, обеспечивающие конечную температуру  охлажденного клинкера до 60°С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4 Технологические  процессы, происходящие  в аппарате с  данной системой  в определенном  интервале температур

   Характер  процессов, протекающих в сырьевой смеси определяется температурой обжига.

   Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов, имеющих значительную температуру (300-600°С). При этом начинается энергичное испарение воды, которое сопровождается постепенным загустеванием шлама. В дальнейшем, когда значительная часть воды уже испарилась, образуются крупные комья, которые затем распадаются на более мелкие частицы вследствие ухудшения свойств глиняного компонента, а также разрыхляющего воздействия цепей.

   При последующем  движении по длине печи материал попадает в область более высоких температур. При 400 -500 °С- в материале выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита других глинистых минералов с образованием, в частности, каолинитового ангидрида AI₂0₃-2Si0₂. Удаление из глины гидратной воды сопровождается потерей пластичности и связующих свойств, что приводит к распаду образовавшихся ранее комьев материала в подвижный порошок. Все эти процессы проходят в печи до температуры материала примерно 600-700°С. Участок печи, где вода испаряется и материал высыхает, называется зоной сушки.

   Следующая зона, где происходит дегидратация глины и идет дальнейшее нагревание материала до 700-800°С, называется зоной подогрева. Эти две зоны занимают до 50-55% длины печи.

   При температуре 750-800°С и выше и материале начинаются реакции в твердом состоянии  между его составляющими. Вначале  они едва заметны, однако с повышением температуры материала до 1000°С и более интенсивность их резко возрастает. При 800°Св результате взаимодействия между компонентами, находящимися в твердой фазе, начинается сцепление отдельных частичек порошка и образование

гранул разного  размера. Повышению интенсивности  реакций в твердом состоянии способствует тонкое измельчение материла и тесное смешение компонентов. При реакциях в твердом состоянии между карбонатом кальция и продуктами распада глинистых минералов образуются β-2CaOSi0₂, CaO AiO и 2Ca0Fe₂0₃. При 900-1000 С резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием окиси кальция в свободном виде и углекислого газа С0₂. Участок печи, где разложение углекислого кальция идет наиболее интенсивно, т. е. в пределах температуры 900-1000°С резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием окисда кальция идет наиболее интенсивно, то есть в пределах температуры 900-1100°С, называется зоной кальцинирования. В этой зоне печи потребление тепла наибольшее. Это обусловлено тем, что разложение СаСОз является эндотермической реакцией, идущей с большим поглощением тепла (1780 кДж на 1 кг СаСОз).

   На  участке вращающейся печи, где  температура материала достигает 1000—1100°С и где основная масса  СаСОз уже превратилась в свободную  окись кальция и частично в  C₂S, СА и C₂F (конец зоны кальцинирования), резко возрастает интенсивность реакций в твердом состоянии. Реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция являются экзотермическими. В связи с этим интенсивное образование указанных соединений сопровождается значительным выделением тепла (до 420 кДж на 1 кг клинкера), что приводит к интенсивному повышению температуры материала —на 150—200°С на коротком участке печи в несколько метров. Этот участок печи получил название экзотермической зоны. В зоне кальцинирования, особенно в экзотермической зоне, с повышением температуры материала возрастает скорость образования C₂S, а также перехода СА в С₅Аз и далее в СзА. К концу экзотермической зоны температура материала достигает примерно 1300° С. К этому времени он состоит преимущественно из C₂S, СзА, C₄AF или C₂F и некоторого количества

свободной окиси  кальция. При температуре 1300°С начинается спекание материала вследствие образования  в нем расплава в количестве 20— 30% объема начавшей спекаться массы. В начальный момент спекания в расплав переходят СзА, C₄AF, MgO и СаО, в дальнейшем в нем начинает растворяться и двухкальциевый силикат C₂S. При этом в жидкой фазе создаются благоприятные условия для образования основного минерала портландцемента — трехкальциевого силиката C₃S из C₂S и СаО. Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего оно выделяется из него в виде мелких кристаллов, которые в последующем могут значительно увеличиваться в размерах. Выделение из расплава СзБ сопровождается понижением в нем концентрации C₂S и окиси кальция, что приводит к переходу в расплав новых порций этих веществ, остававшихся в твердом состоянии в общей массе материала. Это в свою очередь обусловливает дальнейший ход процесса образования в расплаве и выделения из него C₃S до почти полного связывания свободной