Модернизация технологической схемы получения активных веществ для производства металлопористых термоэффективных катодов с разработкой основного оборудования
Выпускная квалификационная работы “Модернизация технологической схемы получения активных веществ для металлопористых термоэлектронных катодов”
Объектом работы является непосредственно разработка непрерывной технологии и расчет реактора с перемешивающим устройством.
Цель работы – Расчет реактора с перемешивающим устройством для осуществления непрерывного осаждения.
В ходе выполнения работы были произведены все необходимые расчеты для конструирования аппарата, определены его размеры и основные механические характеристики.
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………………….. 13
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР…………………………………………………………………………………………….. 15
1.1 МПК и способы их изготовления ……………………………………………………………………………. 15
1.2 Активные вещества для металлопористых катодов ………………………………………………….. 16
1.3 Схема экспериментальной установки ……………………………………………………………………… 22
1.4 Результаты и их обсуждение …………………………………………………………………………………… 23
2 Технологическая схема получения активных веществ для металлопористых катодов …….. 28
3 Технологический расчет ……………………………………………………………………………………………….. 29
3.1 Материальный баланс реактора для непрерывной технологии синтеза активных
веществ …………………………………………………………………………………………………………………………… 29
3.2 Гидродинамический расчет аппарата без внутренних устройств ……………………………… 30
3.3 Материальный баланс кожухотрубчатого теплообменника для нагрева воды в рубашку
реактора ………………………………………………………………………………………………………………………….. 32
3.4 Расчет обечайки корпуса аппарата ………………………………………………………………………….. 34
3.5 Подбор и расчет толщины крышки и днища ……………………………………………………………. 35
3.6 Толщина трубных решеток ……………………………………………………………………………………… 36
3.7 Расчет и подбор патрубков и фланцев……………………………………………………………………… 38
3.8 Расчет опорных лап ………………………………………………………………………………………………… 40
3.9 Материальный баланс процесса фильтрования суспензии ……………………………………….. 42
4 Механический расчет ……………………………………………………………………………………………………. 47
4.1 Расчѐт толщины стенки цилиндрической обечайки …………………………………………………. 47
4.2 Расчѐт толщины стенки эллиптического днища ………………………………………………………. 49
4.3 Расчет плоской крышки ………………………………………………………………………………………….. 51
4.4 Расчѐт толщины стенки гладкой теплообменной рубашки ……………………………………….. 54
4.5 Расчѐт сопряжения обечайки корпуса и днища ………………………………………………………… 57
4.6 Расчѐт сопряжения обечайки рубашки и днища ………………………………………………………. 61
4.7 Расчѐт фланцевого соединения корпуса с крышкой …………………………………………………. 64
4.8 Расчет вала для перемешивающего устройства реактора …………………………………………. 72
4.9 Укрепление отверстий ……………………………………………………………………………………………. 80
4.10 Расчѐт толщины стенки цилиндрической обечайки теплообменника ……………………… 83
4.11 Расчѐт толщины стенки эллиптической крышки и днища ………………………………………. 86
4.12 Расчѐт сопряжения обечайки корпуса и днища ………………………………………………………. 87
4.13 Укрепление отверстий ………………………………………………………………………………………… 102
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……………………… 106
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………………………… 106
5.2 Планирование научно-исследовательских работ ……………………………………………………. 112
5.3 Бюджет научно- исследования ………………………………………………………………………………. 125
5.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования ……………………………………………………………… 129
6 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………………………………. 132
6.1 Правовые нормы трудового законодательства ……………………………………………………….. 132
6.2 Эргономические требования к правильному расположению и компоновке рабочей зоны
………………………………………………………………………………………………………………………………….. 133
6.3 Производственная безопасность ……………………………………………………………………………. 134
6.4 Анализ выявленных опасных производственных факторов…………………………………….. 135
6.5 Анализ выявленных вредных производственных факторов ……………………………………. 137
6.6 Экологическая безопасность …………………………………………………………………………………. 141
6.7 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………………………. 142
Заключение……………………………………………………………………………………………………………………. 143
Список публикаций студента …………………………………………………………………………………………. 145
Список литературы:……………………………………………………………………………………………………….. 146
Social responsibility ………………………………………………………………………………………………………… 152
В настоящее время при производстве электровакуумных СВЧ приборов на
многих предприятиях электронной промышленности применяют металлопористые катоды
на основе вольфрамовой губки[1], пропитанной алюминатом бария – кальция состава
2,5BaO*0,4CaO*Al2O3.
В общем случае металлопористые катоды с несколько различающимися составами
применяются в электровакуумных приборах мощных импульсных многолучевых
клистронах (с отбором тока до 30 А/см2 и долговечностью до нескольких тысяч часов), в
лампах бегущей волны – ЛБB (с отбором тока на постоянном режиме до 2 А/см2 и
долговечностью более 50 тыс. часов), а также в лампах обратной волны – ЛОВ[2] (при
импульсном токоотборе до 50 A/cм2 и долговечности до 1000). Плотность тока
термоэмиссии такого катода при температуре 1050 – 1100 0С составляет 10 – 15 A/cм2.
Основой катода является активное вещество, которое определяет основные параметры и
свойства катода.
Активное вещество, заполняющее поры губки катода, представляет собой
химическое соединение оксида бария с кислотными и амфотерными оксидами некоторых
элементов[3]. При взаимодействии активного вещества с металлом губки
(восстановителем) оно выделяет свободный барий, который и активирует катод.
Исходным сырьем для активных веществ металлопористых катодов являются: карбонат
бария (BaCO3), карбонат кальция (CaCO3) и оксид алюминия (Al2O3).Для и3готовления
эмиттера металлопористых катодов (МПК) используется вольфрамовый порошок, из
которого и3готавливают каркасы, пропитываемые активным веществом.
По способу введения активного вещества в вольфрамовую губку различают
прессованные и импрегнированные катоды.
Существует несколько способов приготовления активных веществ, основными из
которых являются[4,5]:
классический способ прокаливания смеси карбонатов бария и кальция;
золь – гель технология;
метод полунепрерывного осаждения;
метод непрерывного осаждения и др.
Каждый из методов получения активных веществ позволяет получить одинаковый
по составу конечный продукт, но ра3личный по своим свойствам. Следовательно,
получение активного вещества с заданными, стабильными, и воспроизводимыми
характеристиками фазового состава, являются актуальными. В настоящее время активные
вещества для промышленных катодов получают либо твердофазным синтезом, либо
периодическим методом осаждения, но эти методы не позволяют получать активные
вещества требуемого качества, что в дальнейшем негативно сказывается на
эксплуатационных характеристиках металлопористого катода.
Метод непрерывного осаждения обладает рядом преимуществ перед остальными
методами, так как позволяет получить продукт со стабильными воспроизводимыми
характеристиками и высокой чистотой продукта, что и определило выбор этого метода в
данной работе.
При формировании фазового состава любого активного вещества необходимо
знать химизм и механизм процесса. Например, исходными веществами для получения
Ba3Al2O6, Ca3Al2O6 являются оксиды этих металлов, которые в свою очередь могут быть
получены из соответствующих солей или гидроксидов. Метод непрерывного осаждения
позволяет синтезировать как индивидуальные соединения, так и бинарные и тройные
системы. Первой целью данной работы являлось получение индивидуальных солей бария,
кальция, алюминия, исследование процесса их термического разложения, определение
фазового состава прокаленных веществ. Эти данные необходимы для исследования
формирования бинарных(барий алюминий) и тройных(барий кальций алюминий) систем,
что необходимо при разработке непрерывной технологии синтеза активных веществ для
металлопористых термоэлектронных катодов.
Основным аппаратом любой технологической схемы получения активных
веществ является химический реактор. Данный аппарат должен обеспечивать постоянство
технологических параметров по всему его объему, что является необходимым условием
для получения активных веществ. Поэтому вторая цель данной работы – обоснование,
выбор и расчет реактора для процесса непрерывного осаждения в технологии активных
веществ для металлопористых термоэлектронных катодов. Данным требованиям отвечает
реактор идеального смешения, который характеризуется абсолютно полным
выравниванием всех параметров по всему объему аппарата, что в данной работе и явилось
основанием для выбора и расчета такого типа реактора заданной производительности.
Методом непрерывного осаждения получены карбонат бария, карбонат кальция,
гидроксид алюминия. Изучены основные стадии термической деструкции прекурсоров.
Установлено, что осажденные вещества не содержат посторонних примесей. Полученные
результаты дают основание полагать, что при осаждении трехкомпонентной системы, состоящей
из азотнокислого бария, азотнокислого кальция и азотнокислого алюминия, осадок будет
представлять собой смесь из карбоната бария, кальция и гидроксида алюминия. При прокаливании
полученного осадка будет формироваться алюминат бария-кальция, который служит активным
веществом в металлопористых термоэлектронных катодах.
Полученные лабораторные результаты, сравненные с их с литературными данными,
позволяют предположить, что полученный методом непрерывного осаждения алюминат бария-
кальция может быть использован в качестве активного вещества в технологии металлопористых
термоэлектронных катодов.
Модернизация технологической схемы ставит цель перехода от лабораторной установки к
промышленным масштабам и подбору промышленного оборудованию, с сохранением
технологических параметров процеса получения активных веществ.
В данной работе для процесса синтеза активных веществ для металлопористых
термоэлектронных катодов спроектирован реактор с перемешивающим устройством
непрерывного действия и теплообменный аппарат нагрева воды в рубашку реактора.
Для аппаратов произведен материальный, тепловой, конструктивный и прочностной
расчет. Аппараты соответствуют всем ГОСТам и обеспечивают заданную производительность
конечного продукта.
Рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности и экологичности на рабочем
месте.
Произведен расчет технико – экономических показателей технологии получения активных
веществ для металлопористых термоэлектронных катодов.
144
Список публикаций студента
Наименование Форма Объем
№ п/п Выходные данные Соавторы
работы, ее вид работы работы, с.
а) научные работы
Расчет реактора для
непрерывной
технологии синтеза
А. О.
активных веществ электронный Томск : Изд-во ТПУ,
1 2 Безматерных,
для ресурс 2018
Ю. Б. Швалев-
металлопористых
термоэлектронных
катодов
Расчет оборудования
для непрерывной
технологии синтеза
активных веществ электронный Томск : Изд-во ТПУ,
2 2 Ю. Б. Швалев
для ресурс 2019.
металлопористых
термоэлектронных
катодов
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.7 (18 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
4.9 (298 отзывов)
5 (49 отзывов)
5 (8 отзывов)
5 (285 отзывов)
5 (174 отзыва)
