61
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x(1− x3 ) |
|
|
|
x |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
4 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
(1− x |
2 |
) |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1+ x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1− x3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
(1+ x)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x3 (1− x3 ) |
|
|
x3 (1+ x3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x(1− x3 )2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
1+ x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1− x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задание к лабораторной работе №9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Пример оформления гистограмм: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
120 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
МПа |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КН = 0.7 |
МПа 100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КН = 0.8 |
80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КН = 0.91 |
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
7 |
28 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
7 |
28 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Время твердения, сутки. |
|
|
|
|
|
|
Времятвердения, сутки. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 3.5. Влияние на гидравлическую активность введенных в клинкер добавок: а) Д4б (5%), б) Д3 (5%).
|
% |
|
|
|
300 |
|
|
|
|
250 |
|
|
|
Без |
|
|
|
добав- |
|
|
|
|
|
ки |
200 |
|
|
15% |
|
|
|
|
шлак |
15% |
150 |
|
|
|
тре- |
|
|
|
пел |
|
|
|
|
|
30% |
100 |
15% |
|
|
шлак |
15% |
|
30% |
||
|
шлак |
|
||
50 |
|
тре- |
|
тре- |
|
пел |
|
пел |
|
0 |
|
|
|
|
100% - прочность обычного нелегированного клинкера без добавок - цемент на основе нелегированного клинкера
- цемент на основе легированного клинкера Рис 2. Относительная прочность смешанных цементов с КН = 0,7 в возрасте двух суток твердения
62
Задание: оформить экспериментальные данные в виде гистограмм.
1. Влияние КН клинкера и добавок на гидравлическую активность клинкеров
|
№ |
|
Добавка |
|
Предел прочности при сжатии, |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
МПа, в возрасте суток. |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
7 |
|
28 |
|
||||
|
1 |
|
|
|
без |
13.8 |
|
32.6 |
57.0 |
|
71.1 |
|
|||||
|
|
|
|
добавки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 |
|
|
|
Д3 |
32.3 |
|
57.6 |
54.1 |
|
87.7 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
Д4 |
37.1 |
|
69.2 |
64,0 |
|
70.9 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
Д5 |
|
не |
65.0 |
65.8 |
|
74.9 |
|
|||||
|
|
|
|
опред. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
5 |
|
|
|
Д6 |
|
–//– |
68.78 |
74.1 |
|
68.3 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Результаты активизации клинкеров |
|
|
||||||||||
|
КН клин- |
Активизация |
Предел прочности при сжатии, МПа, в |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
возрасте, сут |
|
|
|||||||||||
|
|
кера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
7 |
|
28 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
0,7 |
|
Нет |
|
15,2 |
|
|
33,7 |
|
46,6 |
|
|||||
|
|
|
|
|
Есть |
|
41,4 |
|
|
60,5 |
|
52,3 |
|
||||
|
|
0,8 |
|
Нет |
|
48,3 |
|
|
76,4 |
|
91,0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
Есть |
|
62,1 |
|
|
99,7 |
|
119,8 |
|
||||
|
|
0,85 |
|
Нет |
|
49,4 |
|
|
69,6 |
|
94,1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
Есть |
|
64,5 |
|
|
84,9 |
|
105,1 |
|
||||
|
|
|
3. Влияние добавки на активность клинкера |
|
|
||||||||||||
|
|
КН |
|
Добавка |
|
Прочность при сжатии, МПа, в возрасте, су- |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ток |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
3 |
|
7 |
|
28 |
|
|||
|
0,85 |
|
нет |
|
22,1 |
|
49,4 |
|
|
69,6 |
|
94,1 |
|
||||
|
|
5% |
|
31,5 |
|
64,5 |
|
84,9 |
|
105,2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
0,8 |
|
нет |
|
21,3 |
|
48,3 |
|
|
76,4 |
|
91,0 |
|
|||
|
|
|
5% |
|
27,8 |
|
61,8 |
|
93,0 |
|
111,5 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
0,7 |
|
нет |
|
9,5 |
|
15,2 |
|
|
33,7 |
|
46,6 |
|
|||
|
|
|
5% |
|
17,7 |
|
41,4 |
|
60,5 |
|
52,3 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
63
УКАЗАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ
Цель курсовой работы: на примере расчета сырьевой смеси и горения топлива научиться создавать связанные расчеты для автоматизации работы технолога.
При работе на производстве инженеру-технологу приходится решать технологические проблемы, что связано с проведением значительных по объему расчетов. Примером наиболее часто проводимой работы на заводах являются теплотехнические испытания печных агрегатов. В ходе таких испытаний выявляются не эффективно работающие участки технологической линии. При этом набирается значительное количество экспериментальных данных, которые усредняют и используют для составления материального и теплового балансов печного агрегата.
Основным достоинством электронных таблиц является возможность создания связанных расчетов. При грамотном подходе удается создать электронную таблицу, в которую достаточно ввести исходные данные, а все расчеты и форматирование результатов осуществляются автоматически.
В лабораторном практикуме описаны возможности электронных таблиц при проведении расчетов и графическом представлении данных. В курсовом проекте предлагается провести расчет трехкомпонентной сырьевой смеси для обжига клинкера и расчет горения газообразного топлива при помощи электронных таблиц.
Курсовая работа на тему: «Расчет технологических параметров
цементного производства с помощью электронных таблиц
EXCEL» состоит из двух частей.
Часть 1. Расчет трехкомпонентной цементной сырьевой смеси. Часть 2. Расчет горения топлива.
В первой части проводится расчет трехкомпонентной сырьевой смеси для обжига клинкера. Во второй – расчет количества воздуха, которое необходимо подать во вращающуюся печь для обеспечения полного сгорания топлива.
Выполнение каждой части курсовой работы включает:
1. Введение – краткое описание передела, для которого рассчитываются технологические параметры. В этой части работы необходимо описать проблемы, возникающие на этой стадии производства цемента и способы их решения.
64
2.Расчет технологических параметров (в письменном и электронном виде).
3.Выводы и рекомендации по результатам расчетов.
Варианты заданий и примеры расположения расчетов представлены в приложении для курсовой работы.
ВНИМАНИЕ!!! Все расчетные величины записываются в ячейки электронной таблицы EXCEL в виде формул. Если в расчете участвуют переменные, заранее заданные величины, их записывают в формулу только с использованием ссылок.
Часть 1. Расчет трехкомпонентной сырьевой смеси
Цементная сырьевая смесь готовится из природных компонентов и отходов промышленности. Технологический расчет сырьевой смеси состоит в нахождении соотношения сырьевых компонентов, которое обеспечит получение клинкера с заранее заданными характеристиками. Для производства цемента используется сырьевая смесь, состоящая из четырех основных оксидов: оксид кальция – CaO, оксид кремния – SiO2, оксид алюминия – Al2O3 и оксид железа – Fe2O3. Эти четыре оксида очень редко встречаются в необходимом соотношении в одном виде сырья. Как правило, для трехкомпонентной сырьевой смеси используют известковый компонент (СаСО3), глинистый компонент (nSiO2 mAl2O3 xH2O) и корректирующую добавку, которая чаще всего служит источником Fe2O3.
Весь расчет сырьевой смеси сводится к решению системы линейных уравнений. В качестве заданных характеристик клинкера для расчета используются коэффициент насыщения (КН) и модульные характеристики клинкера (n или p). Для расчета так же необходимо знать химический состав сырьевых компонентов.
Порядок расчета трехкомпонентной сырьевой смеси с использованием электронных таблиц EXCEL.
1.Ввод данных. В ячейки таблицы EXCEL ввести исходные данные: химический состав сырьевых компонентов и заданные характеристики клинкера. В ячейке для расчета суммы оксидов, производить расчет с помощью встроенной в EXCEL математической функции для расчета суммы.
2.Пересчет химического состава исходных компонентов на
100%. (Лаборатории цементных заводов химический состав сырья, как правило, не пересчитывают на 100%).
Для каждого компонента смеси вычисляют пересчетный коэффициент:
65
100 .
Сумма исходных оксидов
Затем каждый оксид исходного химического состава умножается на соответствующий коэффициент, результаты сводятся в таблицу:
В этой таблице (и далее), все содержания оксидов вводятся не виде чисел, а виде расчетных формул. Для приведения суммы оксидов к 100% используются ссылки на содержание соответствующего оксида в исходном оксидном составе и рассчитанные в отдельных ячейках коэффициенты пересчета. Желательно при расчете использовать абсолютные и относительные виды ссылок.
После пересчета необходимо проверить правильность расчета, суммируя оксиды для каждого компонента. Расчет производить с помощью встроенной в EXCEL математической функции для расчета суммы.
3. Расчет коэффициентов.
Расчет сырьевой смеси представляет собой решение системы линейных уравнений. Для трехкомпонентной смеси составляется система
Х1
двух уравнений Х2 , так как содержание третьего компонента Х3
(корректирующей добавки) в долях принимается равным 1. На данном этапе производят расчет коэффициентов а и b для уравнений. Вид формулы для расчета коэффициентов зависит от заданных для расчета характеристик клинкера, так как расчет трехкомпонентной сырьевой смеси можно проводить по заданным КН и n или по КН и р.
Формулы для расчетов коэффициентов а и b
|
для заданных КН и n |
для заданных КН и p |
||||
11 |
1 |
1 |
1 1 |
а11 = (2,8 КНS1 |
+ 1,65 A1+ 0,35 F1) – C1; |
|
а |
= (2,8 КНS + 1,65 A + 0,35 F ) – C ; |
|
|
|
||
a12 |
= (2,8 КНS2 + 1,65 A2 + 0,35 F2) - C2; |
a12= (2,8 КНS2 + 1,65 A2 + 0,35 F2) - C2; |
||||
b1 = C3 – (2,8 КНS3 + 1,65 A3 + 0,35 F3); |
b1 = C3 – (2,8 КНS3 + 1,65 A3 + 0,35 F3); |
|||||
a21 = n (A1 + F1) – S1; |
|
a21 = p F1 - A1; |
|
|
||
a22 = n (A2 + F2 ) – S2 ; |
|
a22 = p F2 - A2; |
|
|
||
b2 = S3 - n (A3 + F3); |
|
b2 = A3 - p F3; |
|
|
||
Сi, Si, Ai, Fi – содержание оксидов CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 в сырьевых компонентах соответственно, например: С1 – содержание СаО в первом сырьевом компоненте, приведенном к 100%.
Коэффициенты должны быть рассчитаны в отдельных ячейках электронной таблицы. Значения КН, n, p и содержание оксидов не в коем случае нельзя задавать набором цифр в строке формул. Все вышепере-
66
численные значения задаются только с помощью ссылок на соответствующие ячейки.
4. Расчет содержания сырьевых компонентов в долях.
Делая ссылки на соответствующие (рассчитанные ранее) коэффициенты a и b их подставляют в уравнения для Х1 и Х2. Таким образом рассчитывают доли известкового и глинистого компонентов в сырьевой смеси.
|
b |
− |
a22 |
*b |
, Х2 = |
b1 −a11 * X1 , |
|||||
a12 |
|||||||||||
Х1 = |
2 |
|
|
1 |
|||||||
|
a |
21 |
− |
a22 |
|
* a |
|
a12 |
|
||
|
|
||||||||||
|
|
|
|
a12 |
11 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Х1 – содержание первого компонента (доли); Х2 – содержание второго компонента (доли); Х3 – содержание третьего компонента (доли);
Х3 = 1.
5. Расчет содержания сырьевых компонентов в процентах.
Получив содержание всех трех компонентов в долях, производят пересчет их содержания в смеси в процентах. Для этого суммируют доли всех трех компонентов и сумму принимают равной 100%. Вычисляют пересчетный коэффициент для каждого компонента:
100
сумма долей всех компонентов Перемножив доли каждого компонента сырьевой смеси на пере-
счетный коэффициент, получают их процентное содержание в сырьевой смеси, соответственно – Х1%, Х2%, Х3%.
6. Расчет химического состава сырьевой смеси.
Содержание оксидов в сырьевой смеси рассчитывается по формуле:
С0 = (C1 Х1% +С2 Х2% +С3 Х3%)/100,
где С0– содержание СаО в сырьевой смеси; С1, С2, С3 – содержание СаО в первом, втором и третьем сырьевых компонентах, приведенных к 100%;
Х1%, Х2%, Х3% – процентное содержание в сырьевой смеси первого, второго и третьего компонентов.
Содержание других оксидов в сырьевой смеси рассчитывается аналогично.
7. Расчет химического состава клинкера.
Так как обжиг клинкера проводится при температуре более 1000°C, то в клинкере отсутствуют потери при прокаливании (ППП). В соответствии с этим из состава клинкера необходимо исключить эту статью и пересчитать содержание оксидов на 100%, умножая содержание каждого оксида сырьевой смеси на пересчетный коэффициент:
67
100
100 − ППП0
Содержание оксидов в клинкере рассчитывают по формуле:
С = С0 |
100 |
, |
100 − ППП0 |
где С – содержание СаО в клинкере; С0– содержание СаО в сырьевой смеси; ППП0 – потери при прокаливании сырьевой смеси.
8. Расчет минералогического состава клинкера и модульных характеристик.
По результатам расчета химического состава клинкера вычисляют его минералогический состав и проводят контрольный расчет модульных характеристик:
Минералогический состав клинкера: C3S= 4,071С – 7,6S – 6,718A– 1,43F C2S= 8,6S + 5,068A +1,079F – 3,071C C3A= 2,65A –1,692F
C4AF= 3,043F
Модульные характеристики
КН = CaO −(1,65 Al2O3 +0,35 Fe2O3 ) ; 2,8 SiO2
n = |
SiO2 |
, p = |
Al2O3 . |
|
Al2O3 +Fe2O3 |
Fe2O3 |
|
||
Если расчет выполнен верно, то рассчитанные и заданные модульные характеристики будут равны.
Пример расположения расчета состава цементной сырьевой смеси на листе электронной книги EXCEL приведен в приложении к курсовому проектированию.
Часть 2. Расчет горения газообразного топлива
Расчет горения топлива сводится к определению теплоты горения топлива Qнр (кДж/нм3 газа), количества воздуха, необходимого для сгорания топлива (теоретического и действительного, соответственно
Lов и Lдв нм3/нм3 газа) и выхода продуктов горения Lпг (нм3/нм3 газа). Для расчета необходимо знать состав рабочей массы топлива и коэф-
фициент избытка воздуха α, который для вращающихся печей изменяется от 1,05 до 1,3 в зависимости от свойств используемого топлива. Все расчеты проводятся на 1 нм3 газообразного топлива.
68
Формулы для расчета горения природного газа:
Qнр = 358, 2 CHр4 +637,5 C2H6р +912,5 C3H8р +1186,5 C4H10р +
+1460,8 C5H12р ;
Lов = 0,0476(2 CHр4 +3,5 C2H6р +5 C3H8р +6,5 C4H10р + 8 С5 H12p );
LВД =α L0В
Lпг = LCO2 + LH2O + LN2 + LO2 ;
LCO2 = 0,01(COр2 +CHр4 +2 C2H6р +3 C3H8р +4 C4H10р +5 C6H10р ;
LH2O = 0,01(2 CHр4 +3 C2H6р + 4 C3H8р +5 C4H10р +6 C5H12р );
LN2 = 0,01 Nр2 +0,79 Lвд;
LO2 = 0, 21(α−1)Lов,
где CHр4 , C2H6р и т.д. – процент составляющих природного газа .
Массовый расход воздуха ( Gвс и Gвд , кг/нм3 газа) и выход продуктов горения (Gпг,кг/нм3 газа) определяют с учетом плотности газов:
Gс =1, 293 Lо |
; |
Gд =1, 293 Lд |
; |
||
в |
в |
|
в |
в |
|
GПГ=GСО2+GН2О+GN2+GO2
GCO2 =1,977 LCO2 ;
GH2O = 0,805 LH2O ;
GN2 =1, 251 LN2 ;
GO2 =1, 429 LO2 .
Результаты расчета сводят в таблицу материального баланса горения топлива при действительном расходе воздуха. Сумма масс не должна расходиться более чем на 1%.
69
Таблица
Таблица материального баланса горения топлива
Приход материалов |
Количество |
Выход материалов |
Количество |
|||
|
нм3 |
кг |
|
|
нм3 |
кг |
1. Топливо |
|
|
1. |
Углекислый газ |
|
|
|
|
|
2. |
Водяные пары |
|
|
2. Воздух (действи- |
|
|
3. |
Азот |
|
|
тельный) |
|
|
4. |
Кислород |
|
|
Сумма |
|
|
Сумма |
|
|
|
Пример расположения расчета горения топлива на листе электронной книги EXCEL приведен в приложении к курсовой работе.
Вопросы к защите курсовой работы
1.Какие данные необходимы для расчета состава трехкомпонентной сырьевой смеси?
2.Опишите порядок расчета состава сырьевой смеси и объясните каждый этап.
3.Химический состав рядового портландцементного клинкера.
4.Фазовый состав рядового портландцементного клинкера.
5.Коэффициент насыщения и модульные характеристики портландцементного клинкера: расчетные формулы, оптимальные значения.
6.Какие данные являются исходными для расчета горения топли-
ва?
7.Какова цель расчета горения топлива?