Массо - и теплообмен, гидрогазодинамика металлургической ванны
Сурин В.А., Назаров Ю.Н.
Металлургия, 1993 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Большинство процессов в металлургии и химической технологии основано на использовании многофазных многокомпонентных систем и связано с поверхностными физическими явлениями и гетерогенными химическими реакциями. Существенную роль в них играет диффузия исходных веществ и продуктов реакции относительно контактных границ, конвекция, массо- и теплопередача в объеме расплава и в факеле дутья, обусловленные гидрогазодинамическими процессами, протекающими в рассматриваемой системе.
Эффективная реализация рассмотренного комплекса процессов и явлений может быть достигнута в промышленных установках типа "жидкая ванна". Например, конвертеры, фьюминг-печи, хлораторы, печи плавки в жидкой ванне, реализующие процесс Ванюкова (ПЖВ), печи плавки погруженным факелом (ППФ), выпарные и теплообменные аппараты, ректификационные, сорбционные, экстракционные установки, автоклавы, барботажные колонны, аппараты гетерогенного катализа и химического синтеза, аэрации промышленных стоков и др.
Продувка ванны представляет сложный комплекс процессов кинетики, макрокинетики, гидрогазодинамики, массо- и теплопереноса, которые являются составной частью современного металлургического и химико-технологического производств. В последние десятиления проведен ряд исследований с целью изучения составляющих рассматриваемого комплекса, причем особое внимание было уделено модельным и опытно-промышленным экспериментам. Однако большинство исследований носило либо локальный характер и было посвящено отдельным, рассматриваемым изолированно друг от друга аспектам взаимодействия в гетерогенных системах газ—жидкость и жидкость—твердое вещество, либо определяли интегральные характеристики жидкой ванны без выявления формирующих их факторов. В первом случае результаты носили в большей мере количественный характер, а часто отличались и противоречивостью; во втором — относились к конкретной установке, а отсутствие у многих авторов представлений о механизме гидрогазодинамических процессов в ней не позволяло распространить результаты массо- и теплообменных исследований на более широкий класс типовых взаимодействий. Сказалась также разобшенность специалистов черной, цветной металлургии, гидрометаллургии и других направлений химической технологии, изучавших сходные проблемы в отрыве от достижений в смежных отраслях.
Следует отметить, что основополагающие для описания технологического процесса вопросы химического, массо- и теплообменного взаимодействия в гетерогенных системах газ—жидкость—твердое вещество исследователи рассматривают преимущественно на урокне элементарных актов кинетики и макрокинетики без достаточно четких представлений о природе лимитирующих звеньев и влиянии на них гидрогазодинамики. Сегодня мы недостаточно знаем о физико-химических основах, механизме и закономерностях гидрогазодинамического взаимодействия в гетерогенных системах, осложненных процессами сорбции, и прежде всего хемосорбции газов дутья, вторичного газообразования, взаимодействия газопорошковой струи с жидкостью, плавления твердых дисперсных частиц, совместного воздействия на систему различных по природе лимитирующих звеньев и другими факторами. Имеющиеся сведения разрознены и до сих пор не систематизированы.
Изучению механики газожидкостных систем посвящено множество работ. Тем не менее проблемы далеко не решены. Это связано с трудностями описания таких систем, которые в общем случае являются неравновесными, неустойчивыми, нестационарными и неустановившимися. Сложность экспериментального исследования гидрогазодинамкки (гидроаэромеханики) ванны состоит также в том, что формы совместного движения газа и жидкости исключительно многообразны. Они охватывают все состояния от движения двух потоков сплошной среды, взаимодействующих по непрерывной границе раздела фаз, до движения диспергированных капель в факеле струи, каверн, пузырьков и "пены" в жидкости. При этом обе фазы образуют сложную неустойчивую структуру с дискретными, высокодинамичными межфазными границами. Во всех случаях на границах возникают силовые, тепловые, массообменные, физико-химические и другие взаимодействия, которые к тому же могут изменяться по ходу продувки. Следует отметить, что в настоящее время нет однозначных представлений о механизме развития и устойчивости газовой и газопорошковой струй в жидкости, динамике факела, устойчивости барботажной области, "пробое" ванны, влиянии на гидрогазодинамику ванны химических реакций, ассимиляционных процессов и вторичного газообразования. Изучение этих основ — необходимое звено в установлении общих связей с кинетикой и макрокинетикой.
Существующие теоретические модели двухфазных систем основаны на неоправданных упрощениях и допущениях. Несоответствие теоретических предпосылок условиям практической- реализации большинства технологических процессов приводит к введению в расчет коэффициентов согласования, в большинстве случаев не имеющих физического смысла. Последнее определяет невозможность экстраполяции полученных результатов на иные условия. Еще большей сложностью отличаются системы газ—жидкость—твердое тело. В свете отмеченных факторов становится очевидной задача комплексного исследования ванны с целью изучения основополагающих аспектов гидрогазодинамического, массо- и теплообменного взаимодействия газовых и газопорошковых струй с жидкостью и построения на этой основе физических и математических моделей, адекватных реальной промышленной ванне.
В условиях единства процессов, протекающих в различных промышленных ваннах, целесообразно разработать единые подходы и универсальные методы технологической интенсификации, а затем переносить полученные результаты на конкретную жидкую ванну с учетом ее специфики.