В настоящее время перспективным способом получения изделий из тугоплавких материалов определенной формы, к которым относится вольфрам и другие металлы, является метод, основанный на осаждении металла из парогазовой фазы с помощью восстановления его фторидов или хлоридов [1-5]. Первой фазой данного способа является предварительное получение гексафторидного газа вольфрама, который образуется в результате протекания реакции между газовым фтором и порошком вольфрама[6-9].
В работе проводится математическое моделирование гидродинамики и тепломассопереноса в химическом реакторе, активной зоной которого является достаточно протяженный канал прямоугольного сечения, в котором происходит процесс фторирования порошкового вольфрама. Этот процесс осуществляется за счет прохождения газообразного фтора над слоем порошкового вольфрама, расположенного на дне канала. Проходя через активную зону реактора, фтор взаимодействует с вольфрамовым порошком, образуя гексафторид вольфрама.
Математическое моделирование этого физического явления проводится на основе решения трехмерных уравнений переноса импульса, теплоты и вещества в бинарной смеси с учетом гетерогенной реакции, проходящей на дне канала между порошком вольфрама и газовым фтором.
Численное решение пространственного установившегося течения проводится на основе физического метода расщепления полей скорости и давления на разнесенной разностной сетке. Конвективные и диффузионные слагаемые в уравнениях переноса импульса, теплоты и вещества определяются с помощью экспоненциальной схемы на основе метода контрольного объема. Достоверность численных расчетов подтверждается тестовыми исследованиями и сравнениями с известными решениями других авторов.
Адекватность созданной модели подтверждают результаты, представленные на рис.3.17 - 3.19. На рисунках 3.20 - 3.26 представлено характерное распределение массовой концентрации фтора и температуры в химическом реакторе. Как видно из этих рисунков, процесс фторирования неподвижного слоя порошка вольфрама путем обдувания его газообразным фтором является весьма неоднородным. Это в первую очередь связано с нелинейным характером поля температуры вдоль рабочей зоны химического реактора за счет выделения дополнительного теплого потока, связанного с прохождением эндотермической реакции, а также с существенным увеличением плотности смеси и следствием этого перекрытие доступа компоненты фтора к реакционной области. Существенным фактором, оказывающим влияние на эффективность процесса фторирования можно считать образование диффузионного пограничного слоя, который является причиной снижения скорости образования гексафторида вольфрама. Сложный, нелинейный характер реализации процесса фторирования не позволяет эффективно применять методы планирования эксперимента для получения регрессионных зависимостей, связывающих основные показатели процесса с регулируемыми факторами (расход фтора, температура процесса и т.д.). Отсюда следует вывод, что математическое моделирование остается единственным способом получения достоверной качественной информации о протекании процесса фторирования порошкообразного вольфрама элементарным фтором [16, 17].
Разработанная математическая модель может быть использована для оптимизации процесса фторирования в существующих химических реакторах, а также может стать источником получения новой детальной информации о процессах переноса массы, импульса и энергии, что открывает перспективы для создания новых оригинальных технологических решений, обеспечивая при этом более высокий уровень защиты окружающей среды [18].
