I. Введение 6
II. Физико-математическая постановка задачи
1.1 Физическая постановка задачи 7
1.2 Математическая постановка задачи 8
1.3 Граничные условия 10
II. Численный метод решения 11
III. Анализ результатов численных расчетов
3.1 Достоверность 15
3.2 Сеточная сходимость 16
3.2 Влияние параметров на распределение полей температуры и концентрации 17
IV. Заключение 21
Список использованной литературы 22
Разработка и оптимизация новых высокоэффективных процессов в настоящее время невозможна без использования современных методов математического моделирования. В данной работе изучается влияния свободной и вынужденной конвекции на гидродинамику пространственного течения в кольцевом канале, который является рабочим элементом химического реактора. Одним из самых востребованных в разных областях промышленности тугоплавких металлов является вольфрам. Однако из-за тугоплавкости этого металла получение вольфрама и придание изделиям из него нужной формы весьма затруднено. В химической технологии наиболее перспективным методом является метод получения вольфрама путем осаждения из парогазовой фазы с помощью восстановления его хлоридов или фторидов и нагрева этой смеси газов в рабочей камере химического реактора. Для реализации такого подхода необходимо иметь эффективную и чистую технологию получения газообразного гексафторида вольфрама. Целью работы является математическое моделирование процесса фторирования порошка вольфрама в химическом реакторе. Первой фазой данного метода является процесс получения газообразного гексафторида вольфрама, который образуется при протекании реакции между газовым фтором и порошком вольфрама:
W + 3F2 -> WF6.
Данная реакция начинает идти примерно при температуре порядка 300° С. Гетерогенная реакция между порошком вольфрама и фтором является экзотермической и подогрев порошка вольфрама осуществляется только для запуска реакции. В дальнейшем, реакция поддерживается за счет теплоты, выделяемой при химической реакции. На первом этапе в данной работе была поставлена задача исследования процессов тепломассопереноса и аэродинамики, которые реализуются в рабочей зоне реактора в процессе фторирования. На втором этапе была рассмотрена картина течения с учётом химической реакции и влияние различных параметров. Рабочая зона химического реактора представляет собой коаксиальный цилиндрический канал с нагреваемой внешней стенкой. Из опыта известно, что для полного использования газообразного фтора при химической реакции задается очень малая скорость (3-5 мм/сек) перемещения смеси по реактору. Вследствие этого компоненты бинарной смеси можно считать несжимаемой средой. Поэтому для описания аэродинамики газовой смеси используются несжимаемые уравнения Навье-Стокса, однако при этом плотность смеси считается функцией концентрации, а изменение плотности и температуры на перенос импульса учитывается на основании приближения Буссинеска.
Разработанная математическая модель может быть использована для оптимизации процесса фторирования в существующих химических реакторах, а также может быть использована для создания новых более эффективных технологических решений для получения химически чистого гексафторида вольфрама.
• Создана математическая модель расчета процесса фторирования с учётом химической реакции, которая позволяет подобрать оптимальные рабочие параметры химического реактора.
• На языке программирования Fortran написан код программы.
• Так же данная математическая модель помогает объяснить суть процесса фторирования и может служить для создания перспективных оригинальных установок в химической технологии.
• В результате решения задачи показано распределение полей концентрации и температуры с учётом химической реакции в рабочей зоне химического реактора.
• Выявлено влияние параметров чисел Re, Pr, Gr и параметра вращения.
• Достоверность работы подтверждается сопоставлением численного расчета с известным аналитическим решением для коаксиального канала.
