Процесс и агрегат типа самоорганизующийся СЭР

Особенности СЭР

При создании этого процесса и агрегата впервые в мировой металлургии была предпринята попытка последовательного использования идей и принципов синергетики (самоорганизации). Этот процесс является дальнейшим развитием эмульсионного процесса фирмы “ИРСИД”, а также, в определенной степени, процессов Corex и Ромелт, рассмотренных в предыдущем разделе. Процесс СЭР можно рассматривать как до предела сжатый в объеме вариант упомянутых выше процессов, что достигнуто благодаря переводу реакционной смеси в область газовзвеси, повышенного давления и неравновесной термодинамики, а также использования свойства критического истечения двухфазной среды для газодинамического запирания соединительного канала между первым и вторым реакторами. Использование этого эффекта в сочетании с полной замкнутостью процесса от атмосферы позволило использовать энергию расширения реакционных газов для транспортировки рабочей смеси и продуктов реакций через все элементы агрегата и, таким образом, избавиться от громоздких механических транспортирующих устройств (как, например, высокотемпературные шнековые питатели в агрегате Corex). Сочетание упомянутых выше факторов и позволило получить компактный агрегат, удельный объем которого оказался на порядок меньше, чем у известных агрегатов.

Принципы самоорганизации, реализованные в СЭР

Рассмотрим, как же реализуются в этом процессе основные принципы самоорганизации, среди которых можно выделить:

1. Создание условий, обеспечивающих выведение процесса в существенно неравновесное состояние.

К таким условиям можно отнести следующие:

  • реализация конструкции агрегата (объемлющей системы), обеспечивающей поддержание повышенного давления и осциллирующий характер процесса;
  • использование свойства критического истечения двухфазных сред для самозапирания реактора;
  • создание предельно больших поверхностей реакций (диспергирование и эмульгирование);
  • выбор соотношений и режимов подачи энергоносителей и шихтовых материалов, обеспечивающий существенное превышение концентрации окислителей или восстановителей над равновесным состоянием.

2. Реализация принципа подчиненности процессов взаимодействия на микрочастицах (каплях, пузырьках, твердых частицах) параметру порядка в реакторе-осцилляторе. Это осуществляется путем создания повышенного пульсирующего давления в системе через достижение критической скорости истечения, изменение газосодержания и взаимодействие со средой (подвод-отвод).

3. Выведение газодинамических процессов во втором (колонном) реакторе в инерционно-турбулентный режим путем подачи двухфазной реакционной среды снизу, что позволило реализовать устойчивый неравновесный стационарный режим, а также использовать верхнюю часть этого реактора в качестве первой ступени технологической очистки газов.

4. Распределение процессов и термодинамических потенциалов в двух реакторах и копильнике.

Качественно характер изменения термодинамического потенциала (например, величины отклонения системы от равновесия) представлен на рис.8.18.

Изменение термодинамического потенциала по ходу процесса

Рис. 8.18 Изменение термодинамического потенциала по ходу процесса
Pn — потенциал исходной шихты, P1 — потенциал на выходе первого реактора,
P2 — потенциал системы во втором реакторе, P3 — потенциал конечного продукта

В первом реакторе осуществляется выведение процессов в сильно неравновесное состояние. Во втором реакторе реализуется преимущественно свободное движение системы к равновесию.

Особенности процесса и агрегата типа СЭР

Схема СЭР

Группой ученых в период с 1991 по 2001 годы создан металлургический процесс и агрегат на принципиально новой теоретической основе. При этом были использованы основные идеи теории самоорганизации, результаты исследования кинетических, гидродинамических и термодинамических закономерностей, теория газовых струй и свойства двухфазных течений, результаты математического моделирования и оптимизации процессов, дополненные рядом оригинальных конструктивных и технологических решений. Большую роль в развитии этих идей сыграли труды Брюссельской школы под руководством И. Пригожина и основополагающие работы по синергетике Г. Хакена, а также работы ряда российских ученых.

Новый непрерывный процесс и агрегат, схема которого приведена на рис.8.19, разрабатывался по классическому варианту современных наукоемких технологий: концептуально-теоретическая постановка задачи; создание физико-химических и математических моделей, методик и систем инженерных расчётов технологических и конструктивных параметров; физическое моделирование; испытание отдельных элементов процесса и агрегата в производственных условиях; проектирование и строительство опытной крупно — масштабной установки с автоматизированным экспериментом для отработки различных вариантов технологий.

Технологическая схема процесса и агрегата типа СЭР

Рис. 8.19 Технологическая схема процесса и агрегата типа СЭР

Назначение и функции составных частей СЭР

Рассмотрим кратко назначение и функции основных составных частей технологического агрегата. Система шихтоподачи 1 предназначена для транспортировки, смешения и подачи в агрегат в замкнутом режиме под давлением с помощью дозатора 2 пылевидных шихтовых материалов, что позволяет исключить стадии окомкования, присущие большинству известных металлургических процессов, и использовать большую реакционную поверхность пылевидных материалов.

Главным назначением реакционной камеры 3 является создание газовзвеси с большим (изменяющимся) объемным газосодержанием, сжигание с недостатком кислорода (конверсия или газификация) природного газа, мазута или пылеугольного топлива, выведение процесса в сильно неравновесное состояние и создание высокого потенциала давления реакционных газов, что достигается благодаря использованию эффекта критического истечения двухфазной среды в канале 4 в сочетании с изменением газосодержания в камере 3 путём торможения и ускорения химических реакций с газовыделением. Рафинирующий отстойник 5 предназначен, прежде всего для разделения металлической и шлаковой составляющих и эффективного протекания в газошлаковой эмульсии гетерогенных физико-химических процессов. При этом металл накапливается в копильнике 8, а шлак в виде эмульсии или газовзвеси выталкивается через канал 6 с сепаратором газа в гранулятор 7.

Таким образом, в реакционной камере 3 физико-химические процессы развиваются при большом отклонении от термодинамического равновесия в системе под давлением, где созданы большие удельные поверхности контакта фаз. А в рафинирующем отстойнике 5, который к тому же играет роль мокрой газоочистки, имеет место стремление процессов к термодинамическому равновесию. Большое значение имеет нижняя подача приготовленной в камере 3 реакционной смеси. При этом вылетающий из соединительного канала 4 двухфазный поток образует над копильником 8 своеобразную динамическую подушку, играющую роль аналогичную провальной решетки в агрегатах кипящего слоя. Это позволяет и в прямом и в переносном смысле подталкивать процесс снизу вверх от термодинамического равновесия.

Преимущества процесса

Основными преимуществами нового процесса являются: высокие скорости химических реакций, малый удельный объем агрегата (в 10-15 раз меньше известных) и в связи с этим низкие капитальные затраты (в 3-4 раза ниже), низкая сквозная энергоемкость (14-15 ГДж/т вместо 26-28 ГДж/т в традиционных переделах), возможность прямой переработки в одном агрегате пылевидных руд и отходов (шлама, окалины, пылевидной извести, графита и т.д.) без окомкования, полная замкнутость процесса от атмосферы и возможность использования работы расширения реакционных газов.

Ценные результаты, полученные в опытах

В экспериментах на крупномасштабной опытной установке был получен ряд ценных как в теоретическом, так и в практическом плане результатов:

1. Подтверждена правильность основных теоретических предположений, в том числе возможность создания повышенного давления и реализации механизма самоорганизации;

2. Получены данные для проверки адекватности и подстройки газодинамических и физико-химических моделей, в том числе характеристики входных и выходных потоков.

3. Подтверждена правильность основных конструктивных решений по параметрам и компоновке элементов агрегата;

4. Показаны большие преимущества и удобства, представляемые автоматизированной системой контроля и управления экспериментом, с помощью которой удалось зафиксировать все поддающиеся изменениюпараметры в темпе с очень быстротечным процессом и представить информацию в наглядной форме.

5. Показана хорошая управляемость процесса, пуск и остановка которого осуществляется за 30 – 40 секунд нажатием одной кнопки, при этом даже в аварийном режиме из первого реактора может быть выброшено не более нескольких десятков килограммов металла;

6. Впервые в масштабах крупного опытно-промышленного агрегата получены данные о скоростях протекания процесса в сильно неравновесных условиях, которые достигают (например для скорости окисления углерода) величины порядка 1-2 %/сек.;

7. Получены данные о составе металла и шлака. Так, например, концентрация углерода в готовом металле в зависимости от режимов процесса составила величину 0.02 – 1.2%, а содержание оксидов железа в конечном шлаке 8 – 15%.

8. Показана возможность получения сталей и сплавов, трудно выплавляемых в существующих агрегатах, например сталей типа автоматных или сталей с весьма низким содержанием углерода, ниже трех сотых процента (при продувке чугуна).

Зонные модели процессов

Пространственно-зонный принцип декомпозиции

Анализ основных механизмов процессов протекающих в рассмотренном выше агрегате, дает основание полагать, что в связи с последовательным характером превращений исходных веществ, протекающих в ряде физически или функционально локализованных объемах, наиболее адекватным подходом к структуризации всего достаточно сложного механизма является пространственно-зонный принцип декомпозиции.

Основные зоны

Зона 1: Сжигание природного газа с недожогом и его частичная конверсия

Кратко рассмотрим интерпретацию этого подхода для выделенных зон, пока на качественном уровне (см.рис.8.20).

Пространственно-зонная декомпозиция процессов в агрегате типа СЭР

Рис. 8.20 Пространственно-зонная декомпозиция процессов в агрегате типа СЭР

Зона 1. Сжигание природного газа с недожогом и его частичная конверсия. На уровне статики эта задача решается с помощью усовершенствованного пакета “Астра” (см. раздел 3.4).

Зона 2: Образование псевдогомогенной газовзвеси, начало прогрева и восстановления оксидов

Зона 2. Образование псевдогомогенной газовзвеси,начало прогрева и восстановления оксидов. По отношению к зоне 1 эта зона выступает как демпфирующая и стабилизирующая составляющая. Но в принципе в этой зоне могут развиваться концентрационные волны диффузии и кинетики в радиальных направлениях и волны сжатия сгенерированные зоной 1.

Зона 3: Соединительный канал, через который движется двухфазный поток (газовзвесь)

Зона 4: Внедряющийся во взвешенную эмульсию двухфазный поток

Зона 4. Внедряющийся во взвешенную эмульсию двухфазный поток. Эту зону,по-видимому, можно рассматривать с одной стороны, какмодель идеального смешения, с другой стороны как динамический аналог провальной решетки, которая на высоко турбулизованных вихрях (и за счет волн расширения нагревающегося газа) держит зону 6, которую можно рассматривать как псевдоожиженный слой в виде турбулизованной пены и газовзвеси твердых частиц. Зону 4 можно рассматривать как буферную емкость идеального перемешивания.

Зона 5: Относительно плотная газошлаковая эмульсия типа сильновспененного конвертерного или мартеновского шлака в слое, прилегающем к металлу.

Зона 5. Относительно плотная газошлаковая эмульсия типа сильновспененного конвертерного или мартеновского шлака в слое, прилегающем к металлу. Она отсечена от зоны 6 высокоскоростным динамическим потоком, т.е. по существу механически локализована. Именно эта зона может играть решающую роль в процессах самоорганизации в рафинирующем отстойнике. Все зависит от её относительного объема и степени неравновесности. Аналогом этой зоны может служить состояние переокисленного шлака в мартеновской печи при крепком расплавлении с той лишь разницей, что здесь вместе с большим содержанием одновременно имеет место большое содержание в виде тверлых частиц углерода и [] в корольках металла.

По-видимому, именно в этой зоне находится самая неравновесная составляющяя процесса.

Возвращаемся к постановке задачи математического описания. Естественно, сначала ставится задача статики, при этом на первом шаге можно мысленно объединить зоны 5, 6, 7 в один резервуар, в который осуществляется переход веществ из резервуара 4.

Затем можно оценить через модели псевдоожиженного слоя, какой высоты слой или для фиксированной высоты (это ближе к нашему случаю) какой плотности слой можно поддерживать данным расходом газа (с учетом его температурного расширения, изменения скорости движения и плотности).

Нужно также оценить, какой крупности частицы оксидов и частицы кокса принципиально нельзя “подвесить” этим потоком газа, при этом еще нужно оценить их кинетическую энергию с учетом угла наклона вылетающей струи.

Таким образом можно оценить граничные и начальные условия для описания зон 5 и 6. Нужно также учитывать, что продукты превращения из зоны 6 (с учетом зоны 7) в конечном итоге также попадают в зону 5, но при этом нужно иметь информацию о степени их превращения (для этого нужно иметь модель зоны 6 или хотя бы знать среднее время пребывания частиц в этой зоне и в зоне 7).

Сделав предположение об основных процессах, протекающих в каждой зоне (с учетом возможного времени пребывания и возможной степени превращения веществ) предполагается просчитывать (используя пакет на основе базы термодинамических данных“Астра” и балансов) процессы для всех зон, как бы по циклу: в статике (или макрокинетике), в равновесном и неравновесном состояниях для определенных разумных пределов и допущений.

Таким образом, мы должны получить начальные, граничные условия и диапазоны изменений источниковых членов для каждой из последующих зон.

Зона 6: Взвешенный над зоной 4 достаточно высокий слой пенистой газошлакометаллической эмульсии

Зона 6. Взвешенный над зоной 4 достаточно высокий слой пенистой газошлакометаллической эмульсии, в которой также могут находиться частицы твердых оксидов и углерода. Таким образом, здесь имеет место высокая степень гетерогенности. Эта зона занимает подавляющую часть колонного реактора (рафинирующего отстойника). Достаточно полное ее математическое описание (с учетом газодинамики процессов) является сложной задачей и выходит за рамки нашей постановки. Здесь мы коснемся лишь наиболее существенных моментов и особенностей, связанных с проблемой комплексной переработки титаномагнетитового сырья.

С этой точки зрения очень важной особенностью является нижний подвод реагентов в виде газовзвеси (или эмульсии) и верхний отвод шлака (также в виде газовзвеси), что позволяет выбрасывать шлак (например, титаносодержащий) из вертикального реактора (рафинирующего отстойника) через верхнюю летку (см.8.19) в гранулятор шлака. При этом снижаются требования к текучести шлака, который в то же время получается высокопористым, что очень важно для его последующей переработки. В принципе, имеется возможность выбрасывать из колонного реактора даже твердый шлак, что позволяет снизить температурный уровень процесса (энергозатраты) и создает условия для формирования более устойчивого слоя пористого (малотеплопроводного) гарнисажа.

Из-за достаточно большого (порядка нескольких минут) времени пребывания в этой зоне конденсированной фазы, малого радиуса частицы и интенсивной турбулизации можно считать, что процессы, протекающие на микрочастицах (микрореакторах), достаточно близки к термодинамическому равновесию, по крайней мере можно допускать существование текущего равновесия и, следовательно, использовать модели классической термодинамики (если на некоторое время пренебречь кинетикой гетерогенных процессов на частицах).

Состав и температура газовой фазы принимается постоянной, а реагирующие частицы как бы находятся в термостате (приближение двухящичной модели Вант-Гоффа). При описании макрокинетики для всего усредненного объема зоны 6 следует учитывать, что из-за влияния гравитационной составляющей и близкого к параболическому распределения вектора вертикальной составляющей скорости движения эмульсии в поперечном сечении колонного реактора в нем имеет место сепарация частиц в зависимости от их плотности. Вследствие этого явления, частицы восстановленного железа, имеющие плотность в два-три раза большую чем частицы оксидов, «скатываются» на периферию потока и образуют пристенный слой с отрицательной (обратной) скоростью (зона 7). Это явление наблюдалось нами визуально на физической модели.

В связи с отмеченным выше вытекает важный вывод, что конденсированный продукт реакций восстановления типа

и других (в данном случае железо) отводится из зоны реакции по мере его образования, то есть эти реакции в макрокинетической и макротермодинамической постановке для всего объема зоны 6 следует рассматривать как необратимые.

Рассмотренные допущения и предположения следует учитывать при расчете окислительно-восстановительных процессов зоны 6 с помощью инструментальной системана основе базы термодинамических расчетов «Астра». Следует подчеркнуть, что пока мы рассмотрим условия расчета по термодинамическим моделям для усредненного содержания компонентов для всего объема зоны 6 в целом.

Забегая вперед, отметим, что плотность эмульсии и содержание конденсированной фазы по высоте зоны 6 неодинаковы (плотность выше в нижней части зоны). Поэтому для получения более адекватной картины механизма в принципе необходимы расчеты термодинамики для нескольких сечений по высоте зоны 6. При этом в качестве входных параметров для термодинамической модели этой зоны могут быть использованы выходные параметры зоны 4:

Из статической модели зоны 4 могут быть также получены исходные данные для модели газодинамики центрального потока зоны 6, в том числе секундный объемный расход газов , средняя начальная скорость

,
плотность эмульсии

гдеобъемное газосодержание на выходе зоны 4.

Из этих же данных можно получить величину перепада давлений, необходимую для поддержания столба эмульсии в зоне 6, (над зоной 4):

,

где — плотность эмульсии по высоте зоны 6 является достаточно сложной функцией начальной плотности и ряда газодинамических факторов.

Поскольку механизмы процессов, протекающих в этой и смежных с нею зонах уже были рассмотрены нами ранее в разделе 4.5 с позиций принципа макротермодинамической стабилизации, здесь мы ограничимся приведенной выше характеристикой зоны 6.

Зона 7: Гравитационная сепарация восстановительных частиц железа в пристенном слое колонного реактора

Зона 7.Гравитационная сепарация восстановительных частиц железа в пристенном слое колонного реактора. Существование пристенного слоя, в котором частицы движутся в обратном, по отношению к основному потоку газовзвеси, направлении (то есть вниз) было достаточно убедительно подтверждено в экспериментах на холодной физической модели (газ, вода, частицы), а также на математической модели газодинамической двухфазной среды. Это связано с параболическим характером распределения скорости по сечению, трением пристенных частиц, отбрасываемых в этот слой.

Зона 8: Копильник для восстанавливаемого металла

Зона 8. Копильник для восстанавливаемого металла. Эту зону можно представлять как модель идеального вытеснения и использовать почти классические уравнения диффузии и теплопереноса с учетом тепловой конвекции.

Схема рассмотренных физико-химических процессов

Функциональная схема отражающая основные физико-химические процессы, рассмотренные выше на содержательном уровне, представлена на рисунке 8.21.

Пространственно-функциональная зонная модель

Рис. 8.21 Пространственно-функциональная зонная модель

Функциональная связь технологического процесса и процесса формирования гарнисажа.

Сложность реализации пространственно-зонного принципа декомпозиции

Как показали результаты экспериментов по переработке титаномагнетитового концентрата на опытно-промышленной установке, которые в целом подтвердили реальность разрабатываемой технологии, получаемый при этом титаносодержащий шлак обладает большой термохимической активностью и буквально за несколько минут может «смывать» слой футеровки порядка 10-15 мм.

Поэтому уже после нескольких экспериментов стало ясно, что реализация этой, в целом весьма эффективной технологии, практически невозможна без создания надежно функционирующей системы формирования и поддержания гарнисажа. В связи с этим, наряду с решением основной задачи разработки рациональных технологических режимов, значительное внимание в дальнейших исследованиях было удалено проблеме формирования гарнисажа.

Схема связи технологического процесса и процесса формирования гарнисажа

Упрощенно функциональная связь основного технологического процесса и процесса формирования гарнисажа представлена на рис.8.22.

Функциональная связь технологического процесса и процесса формирования гарнисажа

Рис. 8.22 Функциональная связь технологического процесса и процесса формирования гарнисажа

Из перечня химических реакций, показанных в блоке 1, который в нашем случае представляет совокупность зон 4-8 можно оценить состав эмульсии, которая находится в контакте с динамическим переходным (замораживающимся и размораживающимся) слоем гарнисажа, через который и должен осуществляться процесс эволюции в более глубоких слоях гарнисажа.

Использование гарнисажного охлаждения

Несмотря на то, что использование гарнисажа для защиты элементов конструкций высокотемпературных агрегатов достаточно широко распространено, в данном случае (да и во многих других) задача формирования и поддержания гарнисажного слоя является далеко не тривиальной.

Учитывая, что рассматриваемый агрегат, благодаря реализации ряда отмеченных выше принципов самоорганизации имеет очень небольшой удельный объем (на порядок меньше известных), открывается возможность реализовывать защиту всех высокотемпературных элементов агрегата на основе гарнисажного охлаждения.

Проблемы, возникающие при использовании гарнисажного охлаждения

Естественно, при этом значительно возрастают требования к этой подсистеме, и возникает ряд проблем, поскольку стойкость и работоспособность всего агрегата в целом ставится в зависимость от успешного решения этой задачи. Не вдаваясь здесь в подробности этих проблем, можно лишь отметить насколько важно решение вопроса взаимосвязи толщины, теплофизических свойств гарнисажа и величины тепловых потерь.

Функционально-градиентный гарнисаж

Для решения этих задач была предпринята попытка формирования, так называемого, функционально-градиентного гарнисажа по аналогии с функционально-градиентными материалами, применяющимися в космической технике. Характерной особенностью этих материалов является целенаправленное изменение теплофизических свойств защитного покрытия по его толщине.

Учитывая наличие высокого газосодержания рабочей эмульсии в рассматриваемом процессе и его высокую управляемость, имеется возможность целенаправленного формирования свойств гарнисажа, прежде всего за счет создания достаточно тонкого (порядка нескольких миллиметров) высокопористого (до 80-90%) слоя и динамического постоянно смываемого переходного слоя, контактирующего с газошлаковой эмульсией. Как показывают модельные исследования, при этом возможно получение не слишком толстого слоя гарнисажа при вполне приемлемом уровне потока тепла, отводимого охлаждающей водой. Причем этот поток тепла может быть практически полностью утилизирован. Важным также является вопрос устойчивости гарнисажного слоя, и эволюции его свойств во времени.

Найден интересный подход к анализу этих процессов, основанный на принципе макротермодинамической стабилизации Г.П. Гладышева, на котором мы уже останавливались в главе 4.

Упрощенная модель реактора – осциллятора и механизм формирования газовзвеси

Процессы, протекающие при формировании двухфазной среды

Рассмотрим процессы, протекающие в реакционной камере 4 при формировании двухфазной среды. Как видно из рис.8.19, диспергация потока шихтовых материалов, подаваемых шнековым дозатором 2, осуществляется встречными струями спутных потоков, кислорода и природного газа, сжигаемого в условиях недостатка кислорода. Образующаяся при этом газовзвесь твердых и частично оплавленных частиц оксидов и углерода выдавливается через соединительный канал 4 в рафинирующий отстойник 5.

За короткое время пребывания смеси в реакционной камере и соединительном канале (порядка 1-2 секунд) наряду со сжиганием и конверсией природного газа (или мазута) успевают в какой-то мере пройти процессы прогрева взвешенных частиц оксидов, диссоциации высших оксидов и восстановления до железа самых мелких частиц (менее 0,1 мм).

Основные реакции, протекающие в реакционной камере

Таким образом, в какой-то степени здесь возможно протекание следующей системы основных химических реакций:

Поскольку из-за малого времени пребывания веществ в реакционной камере 3 и канале 4 реакции 7-9 не успевают получить значительного развития, то основное влияние изменений давления в реакционной камере проявляется через реакции 1-6, где количество молей газа в левых и правых частях реакций различно.

Анализ реакций с помощью принципа Ле-Шателье — Брауна

Анализ этой системы реакций на основе принципа Ле-Шателье-Брауна (который в синергетике носит название принципа наименьшего принуждения) показывает, что при повышении давления система смещается в сторону повышения окислительного потенциала и степени дожигания . При попадании же смеси в рафинирующий отстойник, где существенно снижается потенциал давления, происходит резкое ускорение восстановительных процессов. Созданный же в первом реакторе потенциал давления остается достаточным для продвижения газообразных продуктов реакции через все последующие элементы агрегата вплоть до гранулятора шлака. При этом шлак получается высокопористым, легко гранулируемым и удобным для последующей технологической переработки.

Динамические изменения давления газов в реакторе

Динамические изменения давления газов в реакторе, связанные с изменениями соотношения притока – стока, а также с внутренними возмущениями процессов, протекающих в реакторе, в упрощенном виде можно описать соотношением

        (8.84)
где и – соответственно секундный объем прихода и расхода (отвода) двухфазной среды.

Роль механизма самозапирания соединительного канала между первым и вторым реакторами

Наиболее значимую роль в изменении соотношения между притоком и стоком (основная высокоамплитудная низкочастотная составляющая давления) играет уже упоминавшийся выше механизм самозапирания соединительного канала между первым и вторым реакторами. Основой этого механизма является нелинейная зависимость скорости звука, а вместе с тем и скорости двухфазной среды, от объемного газосодержания (рис.8.23).

Зависимость скорости звука в воздушной смеси от газосодержания

Рис. 8.23 Зависимость скорости звука в воздушной смеси от газосодержания

Величина газосодержания

Величина газосодержания определяется соотношением

        (8.85)
где и – соответственно объемные расходы газообразной (оксид углерода и другие газы) и конденсированной фазы, состоящей из капель (или твердых частиц) железа и оксидов металлов.

Влияние оксида углерода на протекающие в реакторе процессы

Продуктом реакций (1) – (6) является преимущественно оксид углерода , который, играя важнейшую роль практически во всех протекающих в этом реакторе процессах, оказывает с одной стороны влияние, аналогичное положительной обратной связи через увеличение межфазной поверхности (увеличение количества пузырьков ), с другой стороны, из-за ограниченного объема реактора, специально созданного затрудненного стока и нелинейного характера выходного потока , определяемого соотношениями

        (8.86)
оказывает при повышении давления (с учетом принципа Ле-Шателье) тормозящее воздействие на реакции с газовыделением (отрицательная обратная связь). Система “бегает” по правой части нелинейной характеристики (рис. 8.23) в области высоких объемных газосодержаний 0,98 – 0,99, в результате чего поддерживается стационарный колебательный уровень давления в реакторе и расхода в соединительном канале.

Основа механизма колебательности процесса на микроуровне. Допущения

Таким образом, здесь мы рассмотрели основу механизма колебательности процесса на макроуровне, где в качестве относительно медленного параметра порядка выступает изменение усредненного давления в макрообъеме реактора. При этом, естественно, не учтены более высокочастотные процессы, связанные с диффузией элементов в частицах шлака и металла, массопереносом, адсорбцией и десорбцией на межфазных поверхностях, а также осцилляцией одиночных пузырей и их ансамблей.

Мы сделали допущение, что эти процессы согласуются и организуются благодаря принципу подчинения более медленному параметру порядка, что, как показали эксперименты на низкотемпературной физической модели, с одной стороны, не лишено оснований, с другой стороны, прямые измерения этого уровня колебательных процессов в условиях столь высоких температур трудно осуществимы. Характер изменения давления в физической модели реакционной камеры представлен на рис.8.24.

Колебательные процессы в физической модели металлургического реактора-осциллятора

Рис. 8.24 Колебательные процессы в физической модели металлургического реактора-осциллятора

Двухфазная среда с газосодержанием порядка 0,95-0,99 в этой модели создавалась путем распыления встречными струями воздуха струи воды, поступающей сверху в место встречи струй в сосуде шарообразной формы. При этом газодинамическое запирание отводного канала двухфазным потоком приводило к росту давления в сосуде и уменьшению притока воды, что приводило, в свою очередь к резкому увеличению газосодержания, увеличению скорости потока в канале, снижению давления и т.д.

Характер изменения давления в реальном реакторе опытной установки представлен на рис.8.25 (см. график 8). Как видно из графика, после периода зажигания процесс выходит на стационарный колебательный режим.

Пример регистрации параметров по ходу продувки на опытно-промышленной установке

Рис. 8.25 Пример регистрации параметров по ходу продувки на опытно-промышленной установке
7 — давление на выходе бетононасоса; 8 — давление в реакционной камере;
9 — температура воды, входящей в охлаждающий элемент;
10 — температура воды, выходящей из охлаждающего элемента

Выводы

Таким образом, на примере рассмотренного выше нового металлургического процесса, созданием которого занимался коллектив ученых, проектировщиков и технологов под руководством автора этой книги, нам удалось показать практически все этапы разработки математических моделей: концептуальная постановка задачи, структуризация внутреннего механизма, математическое описание и программная реализация, исследование и экспериментальная проверка на опытной установке. Важно подчеркнуть, что в отличие от уже существующих традиционных процессов, в данном случае сначала была создана концептуальная модель, низкотемпературная физическая и упрощенная математическая модели, а затем на основе их исследования и машинного эксперимента был реализован новый процесс и агрегат в виде опытно-промышленной установки.

Возможно, вам будет интересно также:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *