Массо - и теплообмен, гидрогазодинамика металлургической ванны

Сурин В.А., Назаров Ю.Н.
Металлургия, 1993 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Сурин В.А., Назаров Ю.Н. Массо - и теплообмен, гидрогазодинамика металлургическо
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.