Моделирование процесса восстановления оксидов железа

Аватар пользователя kua@plm-ural.ru
0 296

Моделирование процессов восстановления оксидов железа монооксидом углерода

 

Введение

Программный комплекс ANSYS и его блоки Fluent, CHEMKIN, CFX, Energico и Reaction Workbench способны математически описывать процессы происходящие, как в лабораторных стендах, так и в промышленных установках.

Комплекс программ ANSYS рекомендуется использовать для масштабирования процесса от условий лабораторного стенда до размеров пилотной либо промышленной установки.

ANSYS позволяет помимо поверочных расчетов агрегатов производить оптимизационный параметрический расчет, как для определения оптимальных геометрических характеристик установки, так и для поиска оптимальных режимных параметров.

Процесс масштабирования процесса в комплексе ANSYS производится по следующему пути.

1) производятся лабораторные испытания (исходные данные опытов, граничные условия), формируется аналитическая упрощенная мат. модель, включающая в себя: химические механизмы (список компонентов, список реакций), физические механизмы (уменьшение удельной площади поверхности и размера пор, фазовые переходы)

2) выстраивается численная модель на базе готовых блоков программ комплекса ANSYS

3) численная модель проходит калибровку путем сравнения результатов лабораторных опытов (как правило исходных данных) и численных расчетов

4) производится конструкторский расчет установки

Полный химический механизм процесса восстановления оксида железа монооксидом углерода состоит из 3х основных реакций:

1) 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+CO2

2) Fe3O4+CO = 3FeO + CO2

3) FeO+CO=Fe+CO2

В настоящей работе рассматриваются только 2я и 3я реакции.

Таблица 1 – Свойства фаз

 

M, kg/kg-mole

Ro, kg/m^3

H, kJ/mole

S, J/(mole*K)

Fe3O4

232

5180

-1117

146.2

FeO

72

5740

-265

60.7

Fe

56

7874

0

27.1

 

Методика проведения экспериментов

 

 

Для оценки динамики прохождения реакций проводился термогравиметрическтй эксперимент. В качестве образца брался дробленый железнорудный окатыш. Масса навески составляла 20 мг. Окатыш состоял на 35% из трехокиси меди, остальное инертный материал. Удельная площадь поверхности 1350 кв.м/кг, пористость 0,1.

 

 

 

Через реактор подавался газ (состав 15% СО в азоте). Температура в реакторе поддерживалась постоянная, 900 С. При выдержках 500, 1000, 1500, 2000 секунд брался отбор навески для анализа компонентного состава.

Рисунок 1 – Термогравиметрический анализатор [Abaimov, 2019] 1 – компьютер, обеспечивающий сбор и обработку информации; 2 – масс-спектрометр; 3 – печь с блоком измерения и управления; 4 – установка подачи и смешивания газов

Результаты не подлежали обработке. Для калибровки расчетной модели ANSYS Fluent использовались исходные данные эксперимента.

 

Расчетная модель

 

Расчетная область была выполнена в осесимметричной постановке (сборки из двух плоских тел и оси симметрии). Именной набор включал в себя вход, выход, стенки и ось симметрии.

 

Рисунок 2 – Расчетная область линии синяя – вход, красная – выход, зеленая – ось симметрии серая – стенки, белый квадрат – домен навески

Расчетная область в точности повторяла геометрию (форму и размеры) реактора и навески. В сеточном редакторе расчетная область была разбита на расчетные элементы.

Рисунок 3 – Расчетная сетка

Количество расчетных элементов 20500, максимальный коэффициент пропорциональности 4,7, минимальное ортогональное качество 0,42.

Результаты расчета

В случае, предположения, что реакции проходят в диффузионном режиме, кинетические константы бесконечно велики поглощение конверсия происходит мгновенно (быстрее чем за 100 секунд), что не соответствует результатам эксперимента, следовательно, процесс лимитируется кинетикой химических взаимодействий.

Рисунок 4 – Фазовый анализ результатов расчета и эксперимента

Рисунок 5 – Контуры концентрации СО2, температуры и доли железа на поверхности

 

Заключение

Калибровка расчетной модели ANSYS Fluent показала, что при кинетических константах, приведенных на рис. 4 результаты расчета и исходные данные эксперимента совпадут.

 

 

Литературные источники

1. Абаимов Н. А. Интенсификация термохимических процессов поточной воздушной газификации угля применительно к энергетике. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Уральский федеральный университет. Екатеринбург, 2019.

 

 

 

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии