ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ЦИНКА В ПРОТОЧНОМ КОНДЕНСАТОРЕ
|
Введение 8
1 Обзор литературы 11
1.1 Конденсация паров металлов 13
2 Физическая Постановки задачи 16
2.1 Физическая постановка процесса в конденсаторе 16
2.2 Законы, описывающие физические процессы в конденсаторе 17
3 Математическая постановка 19
3.1 Допущения и приближения математической модели конденсатора 19
3.2 Система уравнений, описывающих процессы в конденсаторе 20
3.3 Начальные и граничные условия 21
3.4 Выбор функций взаимодействия 22
4 Метод решение задачи 25
4.1 Приведение системы уравнений к безразмерному виду 25
4.2 Численный метод решения системы уравнений 26
5 Результаты 29
Заключение 33
Список использованных источников и литературы 34
ПРИЛОЖЕНИЕ А 37
1 Обзор литературы 11
1.1 Конденсация паров металлов 13
2 Физическая Постановки задачи 16
2.1 Физическая постановка процесса в конденсаторе 16
2.2 Законы, описывающие физические процессы в конденсаторе 17
3 Математическая постановка 19
3.1 Допущения и приближения математической модели конденсатора 19
3.2 Система уравнений, описывающих процессы в конденсаторе 20
3.3 Начальные и граничные условия 21
3.4 Выбор функций взаимодействия 22
4 Метод решение задачи 25
4.1 Приведение системы уравнений к безразмерному виду 25
4.2 Численный метод решения системы уравнений 26
5 Результаты 29
Заключение 33
Список использованных источников и литературы 34
ПРИЛОЖЕНИЕ А 37
Актуальность темы исследования Настоящая работа посвящена исследованию процессов, применяемых в конденсации по разделению оксидов цинка от тяжелых металлов, содержащихся в пыли электродуговых печей.
Электродуговые печи (ЭДП) стали важной частью сталеплавильного производства во всем мире. Доля выплавки стали с использованием ЭДП в развитых странах достигла даже 80% от общего объема производства из-за наличия достаточных ресурсов лома. На каждую тонну стали, произведенной с использованием ЭДП, будет производиться 10-20 кг пыли [1]. Пыль из ЭДП занесена в список опасных отходов из определенного источника, K061, в соответствии с ABNT 10004:2004 [2]. Однако пыль из ЭДП содержит большое количество ценных
металлических элементов, таких как Fe и Zn. Пыль из ЭДП является крупнейшим вторичным источником цинка - около 1,68 миллиона тонн. Как крупнейший вторичный источник цинка, степень обогащения цинком пыли из ЭДП ниже, чем из других вторичных источников, поэтому многие исследователи заинтересованы в улучшении и исследованиях в области обогащения пыли из ЭДП. По оценкам, 30% мирового цинка поступает из вторичных источников цинка [3]. Производство цинка из вторичных источников в Китае в 2015 году составило около 25 миллиардов юаней, в США переработано более 50% общего производства цинка, в то время как Европа и Япония активно поощряют использование вторичного цинка для производства цинка [4].
В настоящее время производство стали с использованием технологии ЭДП является лучшим способом переработки больших объемов стального лома, поэтому количество пыли, которая будет образовываться и храниться в больших количествах, также возрастет. Пыль из ЭДП постепенно станет крупнейшим вторичным источником цинка.
Состав пыли из ЭДП широко варьируется, и в зависимости от металлического лома, вводимого в печь, большая часть пыли имеет высокую концентрацию оксида цинка [5-7]. Около 60 процентов пыли обрабатывается с помощью процесса сжигания Вельца при 1100 ° C и печи Mitsui и электрической дистилляции при 1300°C, где оксид цинка восстанавливается путем коксования угля с последующим испарением цинка с получением сырого оксида цинка или белого цинка по низкой цене. Этот процесс сложен и требует много энергии [8].
В настоящее время исследования по переработке пыли из ЭДП сосредоточены на пирометаллургических и гидрометаллургических процессах [9-13]. Гидрометаллургические процессы требуют меньших инвестиций в оборудование и энергопотребления. Однако 8
используемое оборудование легко корродировало [14] и большое количество металлического железа в остатке от выщелачивания невозможно полностью стабилизировать и использовать [15], как например Cd, PbSO4, РЬСОз и т. д.
Пирометаллургические процессы более широко используются, чем
гидрометаллургические, потому что пирометаллургия использует преимущества низкокипящих и летучих свойств цинка, а свинца - высокотемпературного. Процесс переработки пирометаллургической пыли ЭДП можно разделить на прямое восстановление и восстановительную плавку. [16]. Процесс прямого восстановления (процесс с вращающейся барабанной печью и процесс с вращающейся печью) считается наиболее зрелым пирометаллургическим процессом в настоящее время из -за его низкой температуры восстановления и простоты рабочего процесса. Однако термический КПД очень низкий [17]. Процесс восстановления плавления также создает технические проблемы для плавильного оборудования и процессов из-за его высоких температур плавления [18]. Несмотря на различные проблемы, пирометаллургический процесс получения пыли из ЭДП по-прежнему имеет более высокую экономическую ценность, чем пыль с высоким содержанием цинка и ферросплавы. Аналитические исследования обогащения цинка из пыли ЭДП показывают, что наряду с основной задачей получения цинка существуют не менее важные вопросы выделения целевого продукта. В большинстве технологий оксид цинка получают путем прямой сублимации в конденсаторном реакторе. Осложняющими факторами при разделении целевого продукта являются то, эффективно ли регулирование температуры и регулирование размеров конденсатора для получения максимального количества оксида цинка.
Эффективная конденсация паров цинка в виде металлического цинка имеет решающее значение для успеха разработки процесса. На процесс конденсации влияют различные факторы, включая температуру, расход и состав газов, а также начальную температуру, материал и шероховатость поверхности конденсирующей среды [19]. Перед изготовлением конденсатора необходимо изучить влияние этих факторов на процесс конденсации. Это исследование будет определит оптимальных рабочих условий конденсации. Расчет конденсации газа или газовой смеси в определенном диапазоне рабочих температур возможен только с помощью математического моделирования. Конструктивные размеры и режим работы спроектированной установкы могут определены путем математического моделирования, математическая модель также может использована для оптимизации работы существующего оборудования.
Целью данной работы заключается в том, чтобы определить конструктивные размеры и режим работы вновь спроектированного конденсаторного оборудования паров цинка, а также оптимизировать работу существующего оборудования.
Для достижения данной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Сформировать физическую постановку задачи по конденсации цинка в проточном конденсаторе
2. Записать математическую постановку модели с соответствующими граничными условиями
3. Создать и отладить программный код выбранных алгоритмов численного решения представленной математической модели,
4. Выполнить численный эксперимент для параметрического исследования рассмотренного процесса и технологии в целом, для окончательного формулирования рекомендаций по усовершенствованию технологии обогащение цинком из пыли ЭДП.
Научная новизна заключается в разработке результатов математического и численного моделирования работы проточного конденсатора при течении в нем газовой составляющей цинка с учетом тепло- и массообмена со стенками, конденсации части конденсатора. составляющая газовой смеси и расход теплоносителя. Исследование процесса конденсации цинкового газа, когда газ, состоящий из целевого продукта, побочных продуктов подается на вход конденсатора.
Распределения температуры пары цинка и плотностей компонентов по длине конденсатора в стационарном режиме работы. Распределения массовых скоростей конденсации по длине конденсатора при различных значениях температуры охлаждающей жидкости на входе в конденсатор. Распределения массовых скоростей конденсации компоненты по длине конденсатора при различных значениях диаметра входного в конденсатор патрубка. Распределения квазистационарных значений массовых скоростей конденсации компонентов по длине конденсатора при нарастании слоя сублимата и толщины слоя сублимата по длине конденсатора в моменты времени.
Электродуговые печи (ЭДП) стали важной частью сталеплавильного производства во всем мире. Доля выплавки стали с использованием ЭДП в развитых странах достигла даже 80% от общего объема производства из-за наличия достаточных ресурсов лома. На каждую тонну стали, произведенной с использованием ЭДП, будет производиться 10-20 кг пыли [1]. Пыль из ЭДП занесена в список опасных отходов из определенного источника, K061, в соответствии с ABNT 10004:2004 [2]. Однако пыль из ЭДП содержит большое количество ценных
металлических элементов, таких как Fe и Zn. Пыль из ЭДП является крупнейшим вторичным источником цинка - около 1,68 миллиона тонн. Как крупнейший вторичный источник цинка, степень обогащения цинком пыли из ЭДП ниже, чем из других вторичных источников, поэтому многие исследователи заинтересованы в улучшении и исследованиях в области обогащения пыли из ЭДП. По оценкам, 30% мирового цинка поступает из вторичных источников цинка [3]. Производство цинка из вторичных источников в Китае в 2015 году составило около 25 миллиардов юаней, в США переработано более 50% общего производства цинка, в то время как Европа и Япония активно поощряют использование вторичного цинка для производства цинка [4].
В настоящее время производство стали с использованием технологии ЭДП является лучшим способом переработки больших объемов стального лома, поэтому количество пыли, которая будет образовываться и храниться в больших количествах, также возрастет. Пыль из ЭДП постепенно станет крупнейшим вторичным источником цинка.
Состав пыли из ЭДП широко варьируется, и в зависимости от металлического лома, вводимого в печь, большая часть пыли имеет высокую концентрацию оксида цинка [5-7]. Около 60 процентов пыли обрабатывается с помощью процесса сжигания Вельца при 1100 ° C и печи Mitsui и электрической дистилляции при 1300°C, где оксид цинка восстанавливается путем коксования угля с последующим испарением цинка с получением сырого оксида цинка или белого цинка по низкой цене. Этот процесс сложен и требует много энергии [8].
В настоящее время исследования по переработке пыли из ЭДП сосредоточены на пирометаллургических и гидрометаллургических процессах [9-13]. Гидрометаллургические процессы требуют меньших инвестиций в оборудование и энергопотребления. Однако 8
используемое оборудование легко корродировало [14] и большое количество металлического железа в остатке от выщелачивания невозможно полностью стабилизировать и использовать [15], как например Cd, PbSO4, РЬСОз и т. д.
Пирометаллургические процессы более широко используются, чем
гидрометаллургические, потому что пирометаллургия использует преимущества низкокипящих и летучих свойств цинка, а свинца - высокотемпературного. Процесс переработки пирометаллургической пыли ЭДП можно разделить на прямое восстановление и восстановительную плавку. [16]. Процесс прямого восстановления (процесс с вращающейся барабанной печью и процесс с вращающейся печью) считается наиболее зрелым пирометаллургическим процессом в настоящее время из -за его низкой температуры восстановления и простоты рабочего процесса. Однако термический КПД очень низкий [17]. Процесс восстановления плавления также создает технические проблемы для плавильного оборудования и процессов из-за его высоких температур плавления [18]. Несмотря на различные проблемы, пирометаллургический процесс получения пыли из ЭДП по-прежнему имеет более высокую экономическую ценность, чем пыль с высоким содержанием цинка и ферросплавы. Аналитические исследования обогащения цинка из пыли ЭДП показывают, что наряду с основной задачей получения цинка существуют не менее важные вопросы выделения целевого продукта. В большинстве технологий оксид цинка получают путем прямой сублимации в конденсаторном реакторе. Осложняющими факторами при разделении целевого продукта являются то, эффективно ли регулирование температуры и регулирование размеров конденсатора для получения максимального количества оксида цинка.
Эффективная конденсация паров цинка в виде металлического цинка имеет решающее значение для успеха разработки процесса. На процесс конденсации влияют различные факторы, включая температуру, расход и состав газов, а также начальную температуру, материал и шероховатость поверхности конденсирующей среды [19]. Перед изготовлением конденсатора необходимо изучить влияние этих факторов на процесс конденсации. Это исследование будет определит оптимальных рабочих условий конденсации. Расчет конденсации газа или газовой смеси в определенном диапазоне рабочих температур возможен только с помощью математического моделирования. Конструктивные размеры и режим работы спроектированной установкы могут определены путем математического моделирования, математическая модель также может использована для оптимизации работы существующего оборудования.
Целью данной работы заключается в том, чтобы определить конструктивные размеры и режим работы вновь спроектированного конденсаторного оборудования паров цинка, а также оптимизировать работу существующего оборудования.
Для достижения данной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Сформировать физическую постановку задачи по конденсации цинка в проточном конденсаторе
2. Записать математическую постановку модели с соответствующими граничными условиями
3. Создать и отладить программный код выбранных алгоритмов численного решения представленной математической модели,
4. Выполнить численный эксперимент для параметрического исследования рассмотренного процесса и технологии в целом, для окончательного формулирования рекомендаций по усовершенствованию технологии обогащение цинком из пыли ЭДП.
Научная новизна заключается в разработке результатов математического и численного моделирования работы проточного конденсатора при течении в нем газовой составляющей цинка с учетом тепло- и массообмена со стенками, конденсации части конденсатора. составляющая газовой смеси и расход теплоносителя. Исследование процесса конденсации цинкового газа, когда газ, состоящий из целевого продукта, побочных продуктов подается на вход конденсатора.
Распределения температуры пары цинка и плотностей компонентов по длине конденсатора в стационарном режиме работы. Распределения массовых скоростей конденсации по длине конденсатора при различных значениях температуры охлаждающей жидкости на входе в конденсатор. Распределения массовых скоростей конденсации компоненты по длине конденсатора при различных значениях диаметра входного в конденсатор патрубка. Распределения квазистационарных значений массовых скоростей конденсации компонентов по длине конденсатора при нарастании слоя сублимата и толщины слоя сублимата по длине конденсатора в моменты времени.
В данной диссертации представлена физико-математическая модель работы предлагаемого конденсатора с учетом пространственного распределения параметров газообразного цинка при его движении вдоль конденсатора.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: расчеты проводятся для смеси газообразного цинка и атмосферного воздуха, получено распределение параметров металлического газа и массовая скорость конденсации нескольких компонентов смеси по длине конденсатора. Проведен численный анализ влияния конструктивных параметров конденсатора и роста сублиматного слоя на режим работы. Представленная методика может быть использована для определения проектных размеров и режима работы проектируемого оборудования, а также для оптимизации его работы.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: расчеты проводятся для смеси газообразного цинка и атмосферного воздуха, получено распределение параметров металлического газа и массовая скорость конденсации нескольких компонентов смеси по длине конденсатора. Проведен численный анализ влияния конструктивных параметров конденсатора и роста сублиматного слоя на режим работы. Представленная методика может быть использована для определения проектных размеров и режима работы проектируемого оборудования, а также для оптимизации его работы.
