Кинетика растворения кусковых материалов в кипящем слое
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра информационных технологий в металлургии
Пояснительная записка к курсовой работе
по дисциплине «Моделирование систем»
Тема: «Кинетика растворения кусковых материалов в кипящем слое»
Выполнил студентов группы ИСТ-12
Абрамова Н.А.
Цымбал В.П.
Новокузнецк 2014
Содержание
Постановка задачи
Целью данной курсовой работы является создание математической модели растворения кусковых материалов в кипящем слое. На первом этапе моделирования помимо постановки задачи, необходимо накопление априорных знаний об объекте исследования. Необходимо выделить существенные стороны объекта и описать их.
Во-первых, в данном пункте работы надо разобраться в терминологии.
Сначала дадим определение растворению:
Растворение – гетерогенная реакция, протекающая между твердым веществом и жидкостью и сопровождающаяся переходом твердого вещества в раствор. Наиболее часто этот процесс используется в химической промышленности, но он играет важную роль и в металлургической, пищевой промышленности, а также в приборостроении.
Растворение твердых тел - один из важнейших процессов химической технологии. Непосредственный результат растворения заключается в получении раствора, т.е. гомогенной смеси двух и более веществ. Обычно взаимодействие растворителя с полностью растворяющейся твердой фазой происходит на поверхности частиц, в ряде случаев это взаимодействие может затрагивать пористую структуру внутри частиц. Можно выделить два основных класса реакций растворения:
1. Обратимое растворение;
2. Необратимое растворение.
Обратимое растворение сводится к образованию сольватов на поверхности реагирующей твердой фазы и переносу их в раствор. Обратимость этого процесса заключается в том, что полученный раствор можно кристаллизацией разделить на исходные реагенты. Примером такого процесса является растворение ионных кристаллов в воде с образованием пересыщенных растворов и их кристаллизация.
Необратимое растворение можно по типу реакции разбить на 3 группы:
а) реакции, сводящиеся к образованию сольватов на поверхности и переносу их в раствор. По своему типу эти реакции могут быть сходными с теми, которые наблюдаются при обратимом растворении. Однако полученный раствор уже нельзя кристаллизацией разделить на исходные компоненты. Примером таких реакций может служить растворение смешанных кристаллов, состоящих из ионных молекул, либо стекол в полярных и неполярных жидкостях;
б) окислительно-восстановительные реакции, приводящие к образованию сольватированных ионов и продуктов восстановления окислителя. К таким реакциям относится взаимодействие металлов и сплавов с окислителями и комплексообразователями в водных растворах;
в) реакции присоединения, замещения, нейтрализации. К этой подгруппе относятся реакции взаимодействия молекулярных и ионных кристаллов с полярными и неполярными жидкостями, приводящие к образованию сольватированных молекул и ионов.
Все эти реакции объединяет общее для гетерогенных процессов свойство: реакции растворения всегда включают в себя несколько стадий. Первой из них является стадия переноса растворителя к поверхности растворяющегося вещества, на которой происходит реакция; на второй стадии происходит собственно химическая реакция; третья стадия заключается в отводе продуктов реакции от реакционной поверхности.
Далее дадим определение кусковым материалам:
К кусковым материалам относят те материалы, которые имеют размер более 5 мм. Пример: кусочки агломераты, гранулы, таблетки.
Теперь дадим определение кипящему слою:
Кипящий слой создаётся в тех случаях, когда некоторое количество твёрдых частичек находится под воздействием восходящего потока газа или смеси из газа и жидкости, благодаря чему твёрдые частички находятся в парящем состоянии. Такая система ведёт себя подобно жидкости.
Кипящий слой используется как однородная отяжеленная среда для разделения (обогащения, классификации) минеральные массы, а также для обеспечения интенсивного тепло-масса-обмена (печь кипящего слоя). Кипящий слой применяется, например, для цементации стали. В печи кипящего слоя проводят окислительный обжиг сульфидных руд, восстановительный обжиг концентратов и т.п.
Имеются широкие перспективы и действующие установки, где кипящий слой применяется как среда для сжигания твердых топлив, в том числе низкосортных, в топках энергетических котлов.
Во-вторых, нужно понять, какие уравнения нам понадобятся, для всех расчетов по данной теме:
Уравнения кинетики растворения:
Общие уравнения диффузионно-кинетического режима получены Д.А. Франк - Каменским в предположении, что условия диффузионного транспорта вещества могут приближенно считаться независящими от условий протекания химической реакции на поверхности. Это предположение справедливо в том случае, когда все участники поверхности можно считать одинаково доступными в диффузионном отношении (так называемая равнодоступная поверхность). Скорость реакции на поверхности Wn пропорциональна концентрации активного реагента C у поверхности в некоторой степени α , определяющей формальный порядок реакции:
Wn = kCα (1)
Диффузионный поток к поверхности можно определить с помощью коэффициента масса-отдачи β :
WD = β (C0-C) (2)
где C0 – концентрация реагента в объеме.
В стационарном состоянии количество вещества, вступившее в реакцию на поверхности равно диффузионному потоку:
kCα = β (C0-C) (3)
Уравнение (3) является общим уравнением диффузионно-кинетического режима. При α=1, т.е. когда реакция имеет первый порядок, получаем:
C = β (4)
Для квазистационарной скорости реакции получим при α=1 :
W = k*C0 (5)
где k* = β (6)
Это соотношение принимает особенно наглядный вид, если вместо константы скорости реакции и коэффициента масса-отдачи рассматривать обратимые им величины:
(7)
Таким образом, полное сопротивление диффузионно-кинетического процесса равно сумме кинетического и диффузионного сопротивлений.
В случае обратимой реакции у поверхности устанавливается концентрация, соответствующая термодинамическому равновесию. Поэтому для простых реакций растворения, сводящихся лишь к образованию на поверхности сольватов и отводу их в раствор, предельный диффузионный поток определяется выражением:
WD = β (Cn-C0)
где Cn – концентрация насыщенного раствора, С0 – концентрация растворяемого компонента в объеме.
Следовательно, в диффузионной области роль константы скорости реакции играет коэффициент масса-отдачи β, и наблюдаемая скорость процесса не имеет ничего общего с истиной кинетикой химической реакции.
Коэффициент масса-отдачи β зависит не только от физических свойств раствора, но и от гидродинамических условий взаимодействия частицы с окружающей её сплошной средой. К сожалению, даже в тех случаях, когда межфазовая поверхность может приблизительно рассматриваться как равнодоступная, количественная оценка с помощью уравнений (3) и (4) не может быть дана. Во-первых, мы не располагаем надежными данными для того, чтобы судить об интенсивности конвективной диффузии к частицам, взвешенным в растворе с помощью перемешивающегося устройства. Во-вторых, межфазная поверхность совокупности растворяющихся полидисперсных частиц произвольной формы может быть оценена весьма приблизительно, особенно при степени растворения выше 10-20%. Кроме того, в процессе растворения удельная внешняя поверхность также является переменной величиной: функционально уменьшается во времени в зависимости от геометрического размера (диаметра) растворяющихся частиц.
К реакциям, происходящим в пористом материале выводы, полученные для равнодоступной поверхности, совершенно не применимы.
Рассмотрение диффузионной кинетики дано в работах Я.Б. Зельдовича.
Для стационарного процесса макроскопическая скорость реакции определяется уравнением:
W = )
C точностью до безразмерного множителя порядка единицы глубину проникновения реакции L можно определить так:
L =
Для квазистационарного процесса диффузионный поток равен наблюдаемой скорости реакции. Поэтому:
β (C0-C) = (10)
где β (C0-C) – диффузионный поток активного реагента из объема жидкой фазы к поверхности твердого вещества.
Решая уравнение (10) относительно C и подставляя полученное значение в (8) при α=1, получим:
W= (11)
При растворении пористого материала или в случае, когда один из компонентов твердого тела не растворяется, а второй – растворяется, возможны четыре предельные области:
- При >> скорость суммарного процесса определяется диффузией в объеме и совпадает с предельным диффузионным потоком к равнодоступной поверхности, равной внешней поверхности пористого материала: W = βC0. Концентрация активного реагента даже на поверхности пористого материала, а тем более внутри пор растворяющегося вещества, гораздо меньше, чем в объеме. Эту предельную область называют внешней диффузионной.
- При и H >> L >> rn (H – полная толщина пористого слоя; L – глубина проникновения реакции, вычисленная по формуле (9); rn – средний диаметр пор) определяющей стадией является диффузия в порах. Концентрация активного реагента на поверхности растворяющегося вещества близка к концентрации в объеме жидкой фазы, но по мере удаления от поверхности пористого материала в глубину пор она снижается практически до нуля. Эта область называется внутри-диффузионной.
- и L >> H концентрация активного реагента в порах твердого вещества совпадает с концентрацией в объеме жидкой фазы. Такая ситуация возникает, если пористый материал чрезвычайно доступен в диффузионном отношении (вещества с большим диаметром пор, а коэффициент диффузии в объеме жидкой фазы имеет тот же порядок что и коэффициент диффузии в порах) и в то же время обладает относительно низкой химической активностью по отношению к растворителю.
В этой внутри-кинетической области вся поверхность пористого материала взаимодействует с активным реагентом при одной и той же концентрации С0 и микроскопическая скорость реакции пропорциональна объему пористого материала.
- При L < h и β >> k реакция протекает только на внешней поверхности пористого материала. Это означает, что вследствие относительно высокой химической активности или малой пористости (вещества с очень малым диаметром пор, т.е. когда диаметр пор и диаметр молекул растворителя или растворенного вещества имеют один порядок) реагент не проникает вглубь пористого материала. В то же время придельный диффузионный поток из объема к внешней поверхности твердого вещества во много раз больше скорости химической реакции. Такая область называется внешне-кинетической. Микроскопическая скорость в этой области пропорциональна внешней поверхности пористого материала.
Таким образом, мы выяснили, что при гетерогенных реакциях взаимодействующие вещества находятся в различных фазах, а процесс химического превращения протекает на границе раздела этих фаз. Скорость протекания химических реакций зависят от ряда факторов: температуры, давления, концентрации веществ, наличия катализаторов, от состояния поверхности, условий тепло- и массообмена и т.д.
В ходе сбора необходимой информации мной была поставлена следующая задача: рассмотреть модель растворения куска металла в кипящем слое как совокупность трех стадий одного конкретного процесса.
Представляем имитационную модель гетерогенной реакции восстановления железа из оксида:
путем науглероживания поверхностного слоя куска руды в желeзо-углеродном расплаве в условиях его одновременного нагрева размягчения и разрыхления выделяющимся газом.
Выбор и построение модели
Структуризация
Исходя из постановки задачи, модель растворения куска металла в кипящем слое можно разделить на три стадии:
- Диффузия углерода в пограничный прогревающийся слой;
- Химическая реакция между кислородом и углеродом на границе раздела фаз (Реакция восстановления железа из оксида);
- Выделение газообразного продукта реакции (CO) и смыв прореагирующего слоя.
В ходе исследования компонентов выбранной модели, была поставлена задача создания структурных фаз процесса. В большинстве случаев гетерогенные реакции протекают через ряд фаз, для нашего процесса характерны следующие фазы:
Рисунок 1 – Структурная схема растворения куска металла в кипящем слое
Описание структурных блоков
Диффузия углерода в пограничный прогревающийся слой
Взаимодействие на поверхности раздела многокомпонентных систем характеризуется чаще всего изменением состава пограничного слоя, при этом общая скорость процесса определяется скоростью выравнивания концентрации в пограничном слое, т.е. скоростью диффузии. Диффузионный пограничный слой, представляет собой слой, прилегающий к каждой фазе системы.
На рисунке приведен пример плавления твердого вещества. Под цифрой 1 - обозначено твердое вещество, под цифрой 2 - пограничный слой, цифрой 3 – представлена жидкость.
В системах,
для которых характерно
Рисунок 2 – Нагрев диффузионного пограничного слоя
Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000 oC по реакции:
FeO
+ C = Fe + CO – Q
Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:
FeO
+ CO = Fe + CO2 + Q
CO2 + C = 2CO – Q
FeO
+ C = Fe + CO2 - Q
Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода CO. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
Реакция восстановления железа из оксида
При температурах выше 400-500 oC наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода CO по реакции:
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 + Q
Карбид железа Fe3C хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом.
Рисунок 3 – Реакция в слое
С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147 oC при содержании углерода 4,3%.
Смыв прореагировавшего расплавленного слоя с выделением газообразных продуктов реакции.
В определенный момент, когда температура плавления науглероженного железа становится равной температуре в печи, железо плавится (примерно при содержании углерода 2,5% и температуре около 1200 oC).
Рисунок 4 – Смыв слоя
- Математическое описание структурных блоков.
2.3 Вычислительный алгоритм
В данном примере мы рассмотрели процесс «плавление – восстановление», т.е. восстановлению оксидов железа предшествует плавление материалов, а железо восстанавливается из расплава. Таким образом, процесс плавления куска руды зависит от количества подаваемой энергии на его поверхность.
Количество энергии, необходимое на получение 1 т железа, 4052 кДж или 1,1253 кВт*ч., при этом на получение 1 т железа уходит 1,59 т руды с высоким содержанием железа, т.е. на расплавление 1 т руды требуется:
1,1253/1,59= 0,7077 кВт*ч. (1)
Скорость расплавления руды прямо – пропорциональна потоку тепла, который находим по формуле:
qt=A *(Tокр. ср. -Tсл),
где: Т — температура расплава;
А — коэффициент теплопередачи.
Тсл=1540-86*С,
Тсл — температура плавления слоя, которая зависит от степени науглероживания слоя - С.
Диапазон концентрации С: 1-4 %;
Диапазон температуры окружающей среды: 1600-2000 ºС;
Коэффициент теплопередачи находится по формуле исходя из формул потока тепла:
qt=A *( Tокр. ср. - Tсл) Rк
A=2λ/Rк
где λ–коэффициент теплопроводности куска руды – 0,38379 Вт/(м*К)[4]; Rк – радиус куска руды.
qt=2λ/Rк *( Tокр. ср. - Tсл) (6)
Скорость расплавления куска руды υ с единицы поверхности рассчитываем по формуле:
υ = qt /0,7077,
υ = ((2*0,38379/Rз) *(T-Tсл)/ 0,7077)/3600 кг/(м2*с) (8)
Скорость расплавления руды m высчитываем по формуле:
m = υ *S= υ *4πRк2 (кг/с)
Данная формула является не точной, поскольку не учитываются трещины и форма шероховатости поверхности.
Определяя скорость расплавления руды следует учитывать изменение объема ΔV:
ΔV = m/p,
где р – плотность гематита – 5,24 г/см2.
При проектировании плавления куска руды в среде Delphi можно вычислять радиус куска через каждую секунду по формуле:
Rк = ((V- ΔV)*3/4π)-3 (м).
Таким образом, на процесс плавления руды могут влиять температура расплава, и концентрация углерода в расплаве. Скорость расплавления падает пропорционально уменьшению радиуса куска руды.
Реализация программы на ЭВМ.
Реализация вычислительного алгоритма и построение графиков-зависимостей по результатам вычислений произведена в среде Borland Delphi на языке Pascal.
Рисунок 5 – Основное окно приложения перед началом работы
На панели справа пользователь задает начальные параметры эксперимента: концентрацию углерода, температуру среды, радиус куска руды. Нажатием кнопки «Считать» пользователь запускает моделируемый процесс и расчеты по эксперименту.
Условия реализации:
- Такие параметры, как температура среды, концентрация углерода и начальный радиус куска задаёт пользователь.
- Для того, чтобы найти скорость плавления руды, представим, что за 1 сек. тает слой n-ой площадью.
- Для вычисления скорости необходимо найти количество слоёв.
- Для нахождения количества слоёв, необходимо найти объем каждого смываемого слоя, при этом каждый раз необходимо пересчитывать радиус куска.
- Для нахождения площади смываемого слоя нам необходимо найти поток тепла (он прямо - пропорционален скорости).
- Поток тепла зависит от температуры слоя, температуры среды и коэффициента теплопередачи. Температуру среды задаёт пользователь, температура слоя зависит от науглероживания стали, коэффициент теплопередачи находим из начального радиуса.
В данных расчётах не учитывается шероховатость и пористость куска.
Для удобства расчета принимаем, что кусок руды имеет форму шара.
Рисунок 6 – Работа приложения, моделирование процесса
После введения данных пользователем, программа рассчитывает необходимые параметры, эмитирует процесс растворения металла на области рисования, рассчитывает время процесса, а также строит графики зависимостей и отображает их в диалоговом окне, вызываемом нажатием кнопки «Графики». А также пользователь может ознакомиться с краткой теорией по моделируемому процессу нажатием кнопки «Теория».
Построив графики и рассмотрев
их, можно сделать вывод, что при расплавлении
куска с уменьшением радиуса скорость
плавления руды на квадратный метр увеличивается,
а скорость плавления куска уменьшается.
Скорость плавления куска прямо - пропорциональна
температуре среды и концентрации углерода,
но углерод влияет на скорость плавления
незначительно. Он необходим в большей
степени для качественных показателей.
Рисунок 7 – Диалоговое окно «Графики»
Рисунок 8 – Диалоговое окно «Теоретический
материал»
Ниже приведен
код основной формы приложения:
unit Unit1;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls, ComCtrls, ExtCtrls, XPMan, Unit2;
type
TForm1 = class(TForm)
GroupBox1: TGroupBox;
TrackBar1: TTrackBar;
TrackBar3: TTrackBar;
Label1: TLabel;
Label3: TLabel;
Label4: TLabel;
Label6: TLabel;
Timer1: TTimer;
TrackBar4: TTrackBar;
Label7: TLabel;
Label2: TLabel;
Button1: TButton;
Button2: TButton;
Image1: TImage;
Label5: TLabel;
Timer2: TTimer;
Button3: TButton;
procedure TrackBar1Change(Sender: TObject);
procedure TrackBar3Change(Sender: TObject);
procedure FormCreate(Sender: TObject);
procedure TrackBar4Change(Sender: TObject);
procedure Button1Click(Sender: TObject);
procedure Button2Click(Sender: TObject);
procedure FormDestroy(Sender: TObject);
procedure Timer1Timer(Sender: TObject);
procedure Image1MouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
Y: Integer);
procedure Timer2Timer(Sender: TObject);
procedure Button3Click(Sender: TObject);
private
{ Private declarations }
procedure XY;
public
pl: TSh;{ Public declarations }
times,it:integer;
NewX,NewY:Integer; //Новые координаты
end;
var
Form1: TForm1;
implementation
uses Unit3, Unit4;
{$R *.dfm}
procedure TForm1.TrackBar1Change(Sender: TObject);
begin
Label4.Caption:=IntToStr(
Button2.Enabled:=False;
end;
procedure TForm1.TrackBar3Change(Sender: TObject);
begin
Label6.Caption:=IntToStr(
Button2.Enabled:=False;
end;
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
XY;
pl:=TSh.Create(Image1.
end;
procedure TForm1.TrackBar4Change(Sender: TObject);
begin
Label7.Caption:=FloatToStr(
Button2.Enabled:=False;
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
begin
Image1.Canvas.Pen.Color:=
Image1.Canvas.Brush.Color:=
Image1.Canvas.Rectangle(0,0,
times:=calculation(TrackBar3.
it:=0;
Label5.Caption:='Время: '+IntToStr(times+1)+' сек.';
pl.R:=(Trunc(TrackBar4.
pl.RR:= Trunc(pl.R / times);
Button2.Enabled:=True;
Timer1.Enabled:=True;
end;
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
var
i:Integer;
begin
with Form3 do
begin
Chart1.Series[0].Clear;
Chart2.Series[0].Clear;
Chart3.Series[0].Clear;
for i:=0 to high(Vrr) do
Chart1.Series[0].AddXY(i+1,
for i:=0 to high(Vrk) do
Chart2.Series[0].AddXY(i+1,
for i:=0 to high(Rs) do
Chart3.Series[0].AddXY(i+1,Rs[
Show;
end;
end;
procedure TForm1.FormDestroy(Sender: TObject);
begin
if pl <> nil then
pl.Destroy;
end;
procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);
begin
if pl <> nil then
begin
pl.Hide;
pl.Speed;
if pl.it = 0 then
begin
Timer1.Enabled:=False;
Timer2.Enabled:=True;
end;
pl.Show;
inc(it);
if (it = times) or (pl.R = 0) then
begin
it:=0;
Timer2.Enabled:=False;
ShowMessage('Процес успешно завершен');
Button1.Click;
end;
end;
end;
procedure TForm1.XY;
var
i,j,n:Integer;
begin
with Image1 do
begin
Canvas.Pen.Color:=clBlack;
Canvas.MoveTo(ClientWidth div 2,0);
Canvas.LineTo(ClientWidth div 2,ClientHeight);
Canvas.MoveTo(0,ClientHeight div 2);
Canvas.LineTo(ClientWidth,
Canvas.TextOut(ClientWidth div 2,0,'Y');
Canvas.TextOut(ClientWidth-
j:=20;
for i:=0 to ClientWidth do
if i = j then
begin
Canvas.TextOut(i-Canvas.
j:=j+Canvas.TextWidth(
end;
n:=20;
for i:=0 to ClientHeight do
if i = n then
begin
Canvas.TextOut(ClientWidth
div 2+10,i-Canvas.TextWidth(
n:=n+Canvas.TextWidth(
end;
end;
end;
procedure TForm1.Image1MouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
Y: Integer);
begin
with Image1 do
begin
NewX:=X - ClientWidth div 2;
NewY:=ClientHeight div 2 - Y;
Caption:= 'X = '+IntToStr(NewX)+', Y = '+IntToStr(NewY);
end;
end;
procedure TForm1.Timer2Timer(Sender: TObject);
begin
pl.Hide;
pl.Speed;
if pl.it = 1 then
begin
Timer1.Enabled:=True;
Timer2.Enabled:=False;
end;
pl.Show;
end;
procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);
begin
with Form4 do
begin
Caption := 'Теоретический материал';
ShowModal;
end;
end;
end.
3 Исследование модели
Для исследования модели мной были проведены три эксперимента. При этом во входных параметрах мною были взяты отличные друг от друга начальные радиусы частиц, температура и концентрация углерода в расплаве.
В ходе исследования составленной модели мной были получены результаты многих расчетов кинетики растворения твердых частиц в ходе гетерогенной реакции куска руды в кипящем слое и были установлены следующие зависимости от их входных параметров:

- Кинетика твердения портландцемента с активными минеральными добавками при В/Ц=0,4
- Кинетика ферментативной реакции разложения пероксида водорода каталазой
- Кинетическая типографика
- Кинетостатический анализ механизма
- Кино, видео перевод в России
- Кино в России до появления собственного кинопроизводства
- Киножанр, как средство организации материала дипломного фильма
- Кинематограф
- Кинематограф
- Кинематограф Америки
- Кинематограф в годы ВОВ
- Кинематографическая система
- Кинематограф как фактор проявления массовой и элитарной культур
- Кинематограф. Творчество режиссера Милоша Формана. Анализ произведения "Пролетая над гнездом кукушки"