Х.Введение 2
П.Физико-математическая постановка задачи
1.1 Физическая постановка задачи 5
1.2 Математическая постановка задачи 6
1.3 Граничные условия 9
Ш.Численный метод решения
3.1 Метод решения уравнений переноса импульса в физических переменных
«скорость-давление» 12
3.2 Метод решения уравнений переноса транспортабельной, скалярной
субстанции 15
!У.Анализ результатом численных расчетов
4.1 Достоверность численных расчетов 18
4.3 Влияние различных параметров на распределение компонент полей
температуры и концентрации с учетом химической реакции 21
У.Заключение 36
5.1.Список использованной литературы 37
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 численное моделирование процесса фторирования порошка вольфрама в химическом реакторе. При выполнении данной работы была сформулирована тема исследования по созданию физической и математической модели химической технологии фторирования в химическом реакторе, способной учесть достаточно сложные гетерогенные химические реакции, нелинейные процессы, влияния плотности в многокомпонентной смеси газов на гидродинамику пространственного течения в кольцевом канале, который является рабочей зоной химического реактора. Актуальность данной темы исследования в современной химической технологии для быстро развивающихся современных отраслей производства тугоплавких металлов, связанных с созданием новых образцов оборудования и материалов с уникальными свойствами, а так же для улучшения и оптимизации существующих химических технологий и химических реакторов, не вызывает никаких сомнений. Так же данная работа затрагивает очень актуальный вопрос в настоящее время, это утилизация переработанного вольфрама или иных металлов. Первой фазой данного метода является процесс получения газообразного гексафторида вольфрама, который образуется при протекании реакции между газовым фтором и порошком вольфрама:
W + 3 F 2^WF6. (1)
Данная реакция начинает идти примерно при температуре порядка 300° C. Газообразный фтор поступает в коаксиальный цилиндрический канал, где на нижней стенке расположен слой порошкообразного вольфрама. Гетерогенная реакция между порошком вольфрама и фтором является экзотермической, и подогрев порошка вольфрама осуществляется только для запуска реакции. Реакция фторирования протекает с выделением тепла, и в дальнейшем, реакция поддерживается за счет теплоты, выделяемой при химической реакции. При движении смеси газов содержание в ней F 2 уменьшается, а W F 6 - растет, в результате чего скорость фторирования снижается. В результате химической реакции (1) в реакционной зоне на нижней стенке коаксиального цилиндрического канала возникает направленный диффузионный поток фтора и одновременно с этим создается входной поток гексафтоида вольфрама в стехиометрическом соотношении 1:3 по отношению к убывающему фтору. На выходе из реакционной зоны имеем смесь двух газов. 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 гетерогенной химической реакции и влияние различных параметров на картину течения в рабочей зоне химического реактора.
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.
В ходе выполнения магистерской диссертации по теме «Численное моделирование процесса фторирования металлического вольфрама» были получены следующие результаты:
1. Была разработана физическая и математическая модель процесса фторирования металлического вольфрама с учетом гетерогенной химической реакции.
2. Составлены системы уравнений, описывающих течения динамики жидкости и тепломассопереноса в химическом реакторе. Сформулированы оригинальные граничные условия для рассматриваемой задачи.
3. В результате решения трехмерной задачи показано распределение полей компонентов скоростей, объемной массовой концентрации и температуры в различных сечениях в рабочей зоне химического реактора с учётом гетерогенной химической реакции.
4. Достоверность работы подтверждается сопоставлением численного расчёта с известным аналитическим решением для коаксиального канала.
5. Показано влияние выделения теплоты при протекании гетерогенной экзотермической реакции, влияние изменения геометрии и других режимных параметров на картину течения.
6. Проведённое численное моделирование может быть использовано для существующих химических реакторов, а также при создании новых установок для проведения процессов фторирования тугоплавких металлов.
