Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние технологии получения губчатого титана 13
1.1. Обзор способов получения губчатого титана 13
1.2. Магниетермический способ получения губчатого титана 29
1.3. Теплофизические свойства компонентов, участвующих в технологии получения титана 36
1.4. Подходы к описанию процесса магниетермического получения губчатого титана в аппарате восстановления методом математического моделирования 37
Выводы по главе 1 44
Глава 2. Математическая модель течения расплава в реакторе с учётом фильтрации расплава в пористой среде 46
2.1. Расчётная схема и упрощающие предположения 46
2.2. Влияние реакций на физико-химическую гидромеханику 48
2.3. Постановка краевой задачи тепломассопереноса с учётом фильтрации расплава в пористой среде 49
2.4. Условия сопряжения на проницаемой границе между расплавом и пористой средой 54
2.5. Алгоритм решения задачи 54
2.6. Методика численного решения задачи 57
Выводы по главе 2 60
Глава 3. Проверка адекватности математической модели 62
3.1. Теплоперенос на модели в бесконвективном приближении 62
3.2. Изучение движения вязкой жидкости 66
3.3. Структура течения расплава магния в реторте 72
Выводы по главе 3 74
Глава 4. Закономерности течения расплава в реакторе получения губчатого титана на основе параметрических расчётов 76
4.1. Динамика течения расплава магния в условиях разогрева реактора 77
4.2. Влияние проницаемости границы сопряжения на параметры течения расплава в реакторе получения губчатого титана 79
4.3. Динамика течения расплава в реакторе получения губчатого титана при внешних тепловых воздействиях 81
4.4. Влияние технологических параметров на тепломассоперенос в реакторе восстановления 85
4.4.1. Влияние массового расхода тхт на процессы тепломассопереноса 85
4.4.2. Влияние интенсивности охлаждения верхней части реторты на тепломассоперенос в реакторе восстановления 90
4.5. Практические рекомендации 92
Выводы по главе 4 94
Заключение 96
Библиографический список 98
- Теплофизические свойства компонентов, участвующих в технологии получения титана
- Условия сопряжения на проницаемой границе между расплавом и пористой средой
- Изучение движения вязкой жидкости
- Динамика течения расплава в реакторе получения губчатого титана при внешних тепловых воздействиях
Введение к работе
Актуальность работы. В нашей стране и за рубежом губчатый титан в промышленности получают по хлоридной технологии, которая основана на способе, открытом в 30-х годах прошлого столетия Вильгельмом Кролем. Способ включает в себя стадии руднотермической плавки титансодержащего концентрата, хлорирования титанового шлака с получением тетрахлорида титана (ТХТ) технической чистоты, ректификационной очистки и восстановления ТХТ магнием до титана с последующей вакуумной отгонкой из пор титана губчатого (ТГ) магния и хлорида магния. Произведённый таким образом блок ТГ затем дробится и измельчается до требуемого фракционного состава. Данная технология целиком или с учётом различных сырьевых, территориальных и экономических особенностей практикуется на предприятиях России, Украины, Казахстана, Китая, США и Японии для производства ТГ ответственного применения. Крупнейшим производителем титана в России и во всём мире является АВИСМА-филиал корпорации ВСМПО-АВИСМА (г. Березники) (44 тыс. т/год по губчатому титану). Более скромные мощности по производству этого металла в 2008 г. были созданы на Соликамском магниевом заводе (СМЗ) – около 2,1 тыс. т/год.
Способ Кроля является сложной многопередельной энергозатратной технологией. Только на переделах восстановления и вакуумной сепарации на получение одной тонны губчатого титана требуется затратить свыше 5 МВтч электроэнергии. В этой связи разработка новых экономичных способов, либо усовершенствование существующей технологии и отдельных её переделов с целью снижения энергозатрат и повышения производительности оборудования является актуальной практической задачей.
Один из ключевых переделов в способе Кроля это магниетермическое восстановление ТХТ, которое является объектом изучения. Несмотря на то, что эта технология сегодня достаточно широко распространена, существует множество вопросов, связанных с осуществлением процесса в аппаратах с различным цикловым съёмом при экономии затрат энергии. Производительность аппаратов и печей восстановления зависит от качества исходного сырья, выбора рационального температурного режима и соблюдения баланса по массе. Существующие подходы к описанию процесса восстановления в производстве ТГ не учитывают неравновесные сопряжённые процессы, происходящие во внутреннем объёме реактора с прогнозированием полей температур, давлений, гидродинамики расплавленного металла, параметров тепломассопереноса в пористой среде ТГ. Анализ научных публикаций показывает, что в настоящее время отсутствуют методики оценки неравновесных теплофизических явлений, протекающих в ходе процесса восстановления, что затрудняет выбор рационального алгоритма действий в ходе процесса.
Для управления этим технологическим процессом возникает задача прогнозирования теплофизических явлений, протекающих в реакторе для получения ТГ. Ускоренное решение этой задачи возможно на основе метода математического моделирования.
Целью диссертационной работы является изучение неизотермического течения расплава магния при порционной подаче ТХТ в реактор для магниетерми-ческого восстановления губчатого титана с учётом фильтрации расплава через слой ТГ и сопряжённых процессов на проницаемой границе между расплавом и пористым телом, разработка адекватной математической модели тепломассопере-носа в реакторе и прогнозирование на этой основе рациональных технологических режимов получения ТГ.
Задачи работы:
-
Постановка краевой задачи тепломассопереноса в реакторе с учётом фильтрации расплава в пористой среде и влияния реакций на физико-химическую гидромеханику.
-
Разработка алгоритма удовлетворения условиям сопряжения на проницаемой границе между расплавом и пористой средой.
-
Разработка математической модели и проблемно-ориентированного программного комплекса с использованием выбранного языка программирования.
-
Проверка адекватности разработанной математической модели.
-
Выявление закономерностей течения расплава в реакторе получения губчатого титана на основе параметрических расчётов.
-
Разработка практических рекомендаций на основе результатов вычислительного эксперимента.
Научная новизна работы:
-
Впервые изучена динамика неравновесного тепломассопереноса в технологии магниетермического восстановления титана из его тетрахлорида методом математического моделирования; в модели впервые учтены сопряжённые процессы, протекающие в расплаве магния и пористом титане, а также влияние реакций на физико-химическую гидромеханику.
-
Разработан пакет прикладных программ, адекватно реализующий математическую модель в осесимметричном приближении. На основе вычислительного эксперимента изучены закономерности течения расплава в реакторе для получения губчатого титана.
-
Проведено многопараметрическое исследование режимов охлаждения реактора при порционной подаче ТХТ, для управления процессом получена зависимость интенсивности охлаждения реактора от массового расхода ТХТ.
Практическая значимость работы. Проведён вычислительный эксперимент и определены основные закономерности течения расплава в аппарате восстановления, выполнена оценка степени влияния на процесс различных управляющих воздействий, таких как режим подачи ТХТ, расход охлаждающего воздуха, нагрев стенки реактора электронагревателями печи. В динамике изучено перераспределение конвективных потоков расплавленного магния в аппарате. Разработаны практические рекомендации по величине расхода охлаждающего воздуха, подаваемого на стенку реторты для отвода избыточного тепла экзотермической реакции.
Получен акт о внедрении разработанного программного комплекса в ОАО «Российский научно-исследовательский и проектный институт титана и магния».
Представленные в диссертационной работе исследования выполнены при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (проект № 13-08-96004-р_урал_а).
Достоверность полученных результатов обусловлена удовлетворительным соответствием результатов, полученных с использованием разработанной математической модели, экспериментальным данным, а также верификацией пакета прикладных программ на модельных задачах.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Международной конференции по титану «Ti-2011 в СНГ» (Львов, 2011 г.); ХХ Всероссийской школе-конференции «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы механики, математики, информатики» (Пермь, 2012 г.); ХХII Всероссийской школе-конференции «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2013 г.); II-й годовой отчётной международной научной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Тамбов, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Творческое наследие В.Е. Грум-Гржимайло» (Екатеринбург, 2014 г.). В целом диссертационная работа докладывалась и обсуждалась на семинарах кафедры общей физики ПНИПУ (рук. проф. А.И. Цаплин), кафедры вычислительной математики и механики ПНИПУ (рук. проф. Н.А. Труфанов), семинаре Института механики сплошных сред УрО РАН (рук. академик РАН В.П. Матвеенко).
Публикации. Основные результаты работы представлены в 14 публикациях, из них 4 – в ведущих научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК; получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора – постановка задачи (совместно с руководителем), разработка и реализация пакета прикладных программ, проведение вычислений, анализ полученных результатов, разработка практических рекомендаций по прогнозированию рациональных технологических режимов процесса восстановления титана.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов по работе и списка цитированной литературы. Общий объём диссертации составляет 109 страниц, включая 31 рисунок и 3 таблицы. Библиографический список включает 151 наименование.
Теплофизические свойства компонентов, участвующих в технологии получения титана
Существуют следующие математические модели процесса магниетермиче-ского получения губчатого титана в аппарате восстановления.
1. Бесконтактная интроскопия реактора восстановления титана [70]. Математическая модель определения уровня расплавленного магния по особенности распределения магнитного поля вблизи проводящего цилиндра. Математическая модель предназначена для оптимизации технологической операции по измерению уровня расплава магния в аппарате восстановления и не учитывает особенности, характерные для самого процесса, такие, как химическое взаимодействие исходных компонентов, перемешивание расплава магния в условиях свободной конвекции, тепловые воздействия и др.
2. Математическая модель аппарата восстановления, учитывающая химизм протекающих реакций и теплообмен с окружающей средой [48]. Математическая модель подробно описывает внешние воздействия на процесс (подачу тет-рахлорида титана, подвод и отвод теплоты, химическую кинетику протекания основных реакций). Реактор восстановления в данном случае выступает в качестве закрытого объекта. Математической моделью не учитываются явления, происходящие во внутреннем объёме реактора, такие, как распределение температурных градиентов, гидродинамика расплавленного металла, особенности формирования блока губчатого титана и его пористость.
3. Математическое описание изменения уровня расплава магния при 850С [86] в аппарате восстановления. Разработана математическая зависимость уровня расплава магния от расхода ТХТ, площади поперечного сечения реактора, массы сливаемого хлорида магния. Определён оптимальный коэффициент отношения массы сливаемого хлорида магния к количеству поданного ТХТ. Разработанная зависимость рекомендована к внедрению в качестве основы ав 38 томатического управления процессом восстановления. Составлена экономико-математическая модель восстановления титана и сепарации реакционной массы, которая применена для анализа при выборе рациональных параметров разрабатываемой технологии и аппаратуры. Модель позволяет рассчитать материальные потоки, производительность печей восстановления и вакуумной сепарации, необходимое число печей для заданного выпуска товарной титановой губки, расход технологической электроэнергии, затраты для различных вариантов осуществления процессов. Предложенная в работе [86] математическая модель предназначена для определения различных параметров при проектировании нового производства ТГ, и не применима для описания тепломассопере-носа в технологии процесса восстановления.
4. Математическая модель для изучения теплового состояния реактора восстановления для оптимизации производства губчатого титана [90]. Авторами работы была разработана математическая модель, а также лабораторная установка для выполнения проверочных экспериментов по сравнению результатов моделирования и реальных опытов по получению губчатого титана. Результаты, полученные на лабораторной установке с цикловой производительностью 500 кг ТГ, воспроизведены на математической модели в бесконвективном приближении. Показана возможность описывать теплопере-нос в реакционной зоне при подаче ТХТ. Модель не учитывает конвективное перемешивание расплава в аппарате, совпадение результатов моделирования и реального эксперимента объясняется малым объёмом лабораторного аппарата (ширина 0,9 м, высота 1,6 м) где влияние конвекции на теплопередачу не так выражено, как на больших промышленных аппаратах.
5. Тепловая модель процесса магниетермического восстановления титана [23]. Модель позволяет описывать изменение температуры в зоне реакции, а также изменение уровней магния и продуктов реакции на основе аналитических методов решения. В реакционной зоне учтена теплопередача между конденсированной и газовой фазой. Модель применима для аппаратов с различным цикловым съёмом и учитывает баланс по массе в ходе процесса. Принято до 39 пущение, что разделение хлорида магния и магния происходит в аппарате полностью независимо от периода основной стадии процесса. Поскольку теплопроводность магния и титана достаточно высока, вклад конвекции в теплоперенос в расплаве не учитывается. Расположенные в аппарате слои расплавленного магния и газовая фаза над ним рассматриваются в виде двух неподвижных цилиндров. В газовой фазе роль конвекции учитывается вводом поправочного коэффициента к коэффициенту теплопередачи.
Также существует ряд математических моделей процесса вакуумной сепарации.
1. Замер температуры и математическое моделирование в процессе вакуумной дистилляции [132, 133]. В этих работах разработана математическая модель, описывающая перенос тепла и испарение в процессе вакуумной сепарации на основе снятия температурных полей на реальном аппарате производительностью 4 т ТГ. Цель моделирования – разработать инструмент для прогнозирования влияния рабочих условий на осуществление процесса. Исследования проводились внутри блока титановой губки после окончания периода бурной возгонки магния и хлорида магния. Было принято, что форма блока цилиндрическая и структура титановой губки – включая количество магния и хлористого магния, её пористость и термические свойства – постоянны. На основании разработанной математической модели построены графики изменения температур и скорости убыли массы магния и хлорида магния во времени.
5. Моделирование прогрева блока ТГ в процессе вакуумной сепарации [21, 22]. Модели предназначены для определения момента окончания периода высокотемпературной выдержки в процессе вакуумной сепарации.
Ниже приведён краткий обзор наиболее значимых работ, посвящённых изучению движения жидкости в условиях свободной конвекции и пористых средах.
В работах [13, 18, 104] приведена общая формулировка задачи свободной тепловой конвекции, т.е. движения жидкости, которое возникает в поле тяжести при наличии пространственной неоднородности плотностей, вызванного неод 40 нородным распределением температуры. Формулировка задачи в приближении Буссинеска включает уравнения движения Навье-Стокса, переноса тепла и непрерывности. Сравнение результатов, полученных при решении данных уравнений конвекции с обширным экспериментальным материалом, свидетельствует о том, что эти уравнения достаточно хорошо описывают все важнейшие особенности тепловой конвекции жидкостей, наблюдаемые в лабораторных условиях [18].
Работа [1] направлена на изучение свободноконвективного течения воздуха в вертикальном прямоугольном канале и цилиндре с закрытыми торцами разной температуры. Вычислительный эксперимент выполнялся на программном комплексе, предназначенном для численного решения регуляризованных уравнений несжимаемой жидкости методом конечных элементов. Сравнивались решения в двух- и трёхмерной постановке. Изучен переход от ламинарного к турбулентному режиму течения. При больших числах Рэлея (Ra = 105) на решении в трёхмерной постановке отсутствует осевая симметрия, характерная для задачи в двумерных координатах. Получена винтовая структура течения воздуха от более нагретой нижней границы к менее нагретой верхней.
Условия сопряжения на проницаемой границе между расплавом и пористой средой
Система уравнений (13-19) с учётом изменения пористости титана (12), вместе с краевыми условиями (23-31) и условиями сопряжения (32, 33) описывает тепломассоперенос в реакторе получения губчатого титана и решение её возможно численным методом [2, 49, 53, 56, 73, 74].
Сопряжённая задача тепломассопереноса решалась методом сеток в соответствии с методикой, представленной в работах [73, 74, 81]. Были разработаны математическая модель и компьютерная программа, позволяющие прогнозировать процессы тепломассопереноса в реакторе для получения губчатого титана. Алгоритм решения задачи и последовательность действий представлены схематично на рисунках 5 и 6. Алгоритм реализации математической модели состоит из двух расчётных модулей, соответственно для магния и пористого титана, которые решаются последовательно.
Формулировка задачи тепломассопереноса для подобластей, заполненных магнием и пористым титаном, включает задание начальных условий для переменных --Т, затем находится решение на первом шаге по времени, которое затем уточняется в процессе внешнего итерационного цикла. В пределах одной внешней итерации последовательно выполняются процедуры нахождения переменных , Т, определения и уточнения функции тока, определения компонент скорости, а также значений завихрённости и температуры на границах расчётной области. Конечно-разностный аналог уравнения Пуассона для функции тока решается с использованием внутреннего итерационного цикла, в процессе которого значения завихрённости не пересчитываются.
Процедура решения в подобласти, заполненной расплавом магния (рисунок 5) завершается нахождением распределения давлений в расчётной подобласти 1. Выход из внешнего итерационного цикла осуществляется после достижения в расчётных модулях 1 и 2 наперёд заданной точности по температуре и завихрённости, Т = = 0,01. Выход из внутреннего итерационного цикла для функции тока выполнялся при = 0,0005, по давлению – = 0,005.
После окончания счёта в расчётной подобласти 1 выполняется соблюдение условий сопряжения на проницаемой границе между расплавом и пористой средой, затем переход к решению в подобласти 2 (рисунок 6). Заключительным шагом решения задачи на отдельном временном слое является выход из внешних итераций в подобласти заполненной титаном. Расчёт завершается либо достижением заданного момента времени, либо выходом на установившееся решение.
Численное решение задачи тепломассопереноса реализовано с применением энергетически нейтральных разностных схем. Дифференциальные уравнения переноса энергии и завихрённости решаются с использованием явно-неявной схемы расщепления. Для иллюстрации этой схемы представим уравнения переноса энергии (14, 17) и завихрённости (13, 16) в обобщенном виде
Обобщённый вид уравнений Пуассона для давления и функции тока V2F = D. (37)
Уравнения Пуассона в подобластях 1 и 2 решаются с применением эффективного итерационного метода последовательной линейной верхней релаксации [53, 74]. Ниже, на примере решения уравнения Пуассона для функции тока
Изучение движения вязкой жидкости
Вышеприведённые эксперименты не позволяют проверить адекватность математической модели при описании структуры течения расплава в условиях свободной конвекции. Поэтому проводилась верификация разработанных математической модели и компьютерной программы в полной постановке на тестовой задаче по описанию неравновесных теплофизических процессов, возникающих в условиях свободной конвекции вязкой среды без изменения её агрегатного состояния [37]. В работе [61] оптическими методами зафиксирована структура течения в канале с непроницаемыми стенками, заполненном водой. Ширина канала - 0,045 м, высота - 0,073 м, граничные условия по теплообмену следующие: верхняя и нижняя границы - адиабатные, правая и левая - изотермические с температурами 16,2 и 14,1С соответственно.
Коэффициент кинематической вязкости воды задавался постоянным
Температурные зависимости, описывающие свойства воды в рассматриваемом интервале температур:
В условиях свободной тепловой конвекции вода движется по замкнутому контуру вдоль стенок канала (рисунок \3а). Более нагретые струи выносятся в верхнюю часть канала, откуда опускаются вдоль правой стенки. Вблизи границ наблюдается значительная плотность линий тока. Полученные на математической модели линии тока (рисунок 136) повторяют особенности движения воды. В угловых зонах наблюдается характерная несимметричность течений, в средней части расчётной области расположены два вихря, наблюдаются пограничные слои вблизи стенок канала.
В результате конвекции жидкости происходит значительное искривление расчётных изотерм (рисунок \3в). Вблизи вертикальных границ канала образуются изгибы изотерм, которые отражают направления движения воды.
Сравнение расчётных и экспериментальных линий тока воды показало, что разработанная математическая модель адекватно воспроизводит структуру течения неравновесного процесса конвективного тепломассообмена в расчётной области.
На рисунке 14 приведён график установления процесса счёта на сетке 70x114. Показано изменение максимальных значений , v и точности по завихрённости при увеличении количества внешних итераций q. В начальные моменты времени при q 500 изменение контролируемых параметров носит скачкообразный характер ( принимает значения, превышающие 100 %). Количество внутренних итераций по при этом достигает значений более 200. В процессе счёта решение выходит на установление, осцилляции по завихрённости затухают, при q 7500 величина погрешности не превышает 1 %. Число внутренних итераций после установления процесса счёта также снижается до 4-5.
На математической модели при сгущении сетки выполнялась оценка стремления численного решения к точному. Результаты расчётов сравнивались на 6 различных сетках с оценкой относительной погрешности по формуле (42).
Представленный график характеризует стремление численных решений к точному при последовательном сгущении сетки. На максимально подробной сетке с числом разбиений 70x114 (по сравнению с сеткой 60x97) достигнутая величина погрешности по завихрённости составила 3,9 %. По остальным переменным эта погрешность составляет менее 2,0 % и, в частности, для максимальной скорости равна 1,6 %.
Разработанная математическая модель также тестировалась при сгущении сетки с учётом условий, описывающих реальный технологический процесс. Тестирование выполнялось для варианта, когда расчётная область заполнена магнием и губчатым титаном при подаче ТХТ в аппарат с заданным массовым расходом. На рисунке 16 показан график изменения величины погрешности на решениях, полученных при сгущении сетки.
На сетках с количеством узлов (N M), равном 2000 и более, величина погрешности не превышает 2 %. На основании выполненных расчётов и сравнения результатов с экспериментальными данными, а также на основании соображений, касающихся экономии машинного времени при массовых параметрических расчётах, был сделан вывод о целесообразности выполнения массовых расчётов на сетке с числом разбиений 360 в направлении осей г, z соответственно. 3.3. Структура течения расплава магния в реторте
В работе [80] представлены результаты решения в условиях свободной конвекции расплава магния в расчётной подобласти 1 без учёта условий проницаемости сопряжённой границы (1-е приближение). На рисунке 17 показаны линии тока, изотермы и поле давлений в расчётной подобласти высотой ЯТІ z НЖ в первом приближении, при котором нижняя граница контакта расплава с пористым телом в этом случае условно принята адиабатной и непроницаемой. В условиях по теплообмену, учитывающих выделение тепла экзотермической реакции на верхней границе с воздушным одновременным охлаждением стенки реторты в зоне действия теплообменника, возникает характерная двухвихревая структура циркуляции расплава.
Динамика течения расплава в реакторе получения губчатого титана при внешних тепловых воздействиях
В работе [80] представлены результаты решения сопряжённой задачи в полной постановке (рисунок 22) в расчётной области, включающей подобласти расплава магния и пористого титана. В расплаве магния сохранилась двухвихревая структура, полученная при расчёте в первом приближении (рисунок 17). Интенсивность конвективного течения расплава магния в порах ТГ на четыре порядка ниже, чем при свободном движении расплава. В результате теплоперенос в пористом титане происходит практически по диффузионному механизму. Изотермы в подобласти 2 не имеют резких перегибов, которые наблюдаются при описании температурной обстановки в расплаве магния в условиях свободной конвекции.
Проводился вычислительный эксперимент по определению длительности установления тепломассопереноса после подачи порции ТХТ весом в 9 кг в аппарат восстановления [76]. На рисунках 23 и 24 в динамике представлено развитие гидродинамической и тепловой обстановки в реторте, заполненной пористым титаном на высоту НTi = 0,5 м. Отсчёт времени начинался с подачей порции ТХТ весом 9 кг с заданной скоростью и обдувом стенки реторты воздухом. После окончания подачи ТХТ ( = 90 с) граничные условия изм е-На рисунке 23 видно, как свободноконвективное движение расплава магния изменяется от двух- к одновихревому, что приводит к соответствующему искривлению изотерм (рисунок 24).
Если проводить сравнение между полученным движением расплава в расчётной области при наличии слоя титана (рисунок 23) со стадией разогрева (рисунок 19), когда вся расчётная область заполнена одним магнием, можно отметить, что изменилась структура течения, это подтверждает влияние высоты столба жидкости на циркуляцию расплава. Из рисунка 24 видно, что при подаче ТХТ на уровне z = ВТ, на котором заканчивается нижний нагреватель и начинается зона действия теплообменника, изотермы изгибаются во внутренний объём реторты. Наибольшие градиенты температур, как и в предыдущем эксперименте (рисунок 22), наблюдаются вблизи верхней и правой границ расчётной области в результате тепловыделения от экзотермической реакции, действия теплообменника и нагревателей печи.
Интенсивность конвективного переноса расплава магния в порах ТГ на пять порядков ниже, чем при свободном течении расплава в подобласти 1.
Определено, что процесс тепломассопереноса устанавливается через = 470 с, система возвращается в исходное состояние, которое она имела до начала подачи порции ТХТ. Указанное расчётное время характеризует продолжительность интервалов между подачами отдельных порций исходного сырья в аппарат. 4.4. Влияние технологических параметров на тепломассоперенос в реакторе восстановления
В работе [32] изложены результаты вычислительного эксперимента при задании различных значений среднего массового расхода ТХТ. По аналогии с промышленным аппаратом опробованы три величины скорости подачи ТХТ М: 240, 320 и 400 кг/ч. На рисунках 25 и 26 показана гидродинамическая и тепловая обстановка в реторте, заполненной пористым титаном на высоту Нл = 0,5 м при задании различных величин М.
В работе [80] представлены результаты решения сопряжённой задачи в полной постановке (рисунок 22) в расчётной области, включающей подобласти расплава магния и пористого титана. В расплаве магния сохранилась двухвихревая структура, полученная при расчёте в первом приближении (рисунок 17). Интенсивность конвективного течения расплава магния в порах ТГ на четыре порядка ниже, чем при свободном движении расплава. В результате теплоперенос в пористом титане происходит практически по диффузионному механизму. Изотермы в подобласти 2 не имеют резких перегибов, которые наблюдаются при описании температурной обстановки в расплаве магния в условиях свободной конвекции.
Проводился вычислительный эксперимент по определению длительности установления тепломассопереноса после подачи порции ТХТ весом в 9 кг в аппарат восстановления [76]. На рисунках 23 и 24 в динамике представлено развитие гидродинамической и тепловой обстановки в реторте, заполненной пористым титаном на высоту НTi = 0,5 м. Отсчёт времени начинался с подачей порции ТХТ весом 9 кг с заданной скоростью и обдувом стенки реторты воздухом. После окончания подачи ТХТ ( = 90 с) граничные условия изм е-На рисунке 23 видно, как свободноконвективное движение расплава магния изменяется от двух- к одновихревому, что приводит к соответствующему искривлению изотерм (рисунок 24).
Если проводить сравнение между полученным движением расплава в расчётной области при наличии слоя титана (рисунок 23) со стадией разогрева (рисунок 19), когда вся расчётная область заполнена одним магнием, можно отметить, что изменилась структура течения, это подтверждает влияние высоты столба жидкости на циркуляцию расплава. Из рисунка 24 видно, что при подаче ТХТ на уровне z = ВТ, на котором заканчивается нижний нагреватель и начинается зона действия теплообменника, изотермы изгибаются во внутренний объём реторты. Наибольшие градиенты температур, как и в предыдущем эксперименте (рисунок 22), наблюдаются вблизи верхней и правой границ расчётной области в результате тепловыделения от экзотермической реакции, действия теплообменника и нагревателей печи.
Интенсивность конвективного переноса расплава магния в порах ТГ на пять порядков ниже, чем при свободном течении расплава в подобласти 1.
Определено, что процесс тепломассопереноса устанавливается через = 470 с, система возвращается в исходное состояние, которое она имела до начала подачи порции ТХТ. Указанное расчётное время характеризует продолжительность интервалов между подачами отдельных порций исходного сырья в аппарат. 4.4. Влияние технологических параметров на тепломассоперенос в реакторе восстановления
В работе [32] изложены результаты вычислительного эксперимента при задании различных значений среднего массового расхода ТХТ. По аналогии с промышленным аппаратом опробованы три величины скорости подачи ТХТ М: 240, 320 и 400 кг/ч. На рисунках 25 и 26 показана гидродинамическая и тепловая обстановка в реторте, заполненной пористым титаном на высоту Нл = 0,5 м при задании различных величин М.
