Лекция. Режимы функционирования теплотехнологических систем

РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Печь как основное теплотехнологическое устройство является звеном в технологических линиях промышленного производства заданных продуктов, поэтому режим ее работы определяется соответствующим регламентом. В нем устанавливается количество, качество, химический состав, физические и химические свойства, гранулометрический состав и другие данные исходных материалов; температура и давление процесса, а также прочие требования к получаемым продуктам.

Под понятием «режимы функционирования теплотехнологических систем» имеется в виду комплекс оптимальных условий, которые необходимо создать в рабочей камере печи для осуществления основных регламентных технологических режимов применительно к принятой конструкции печи с заданным видом энергии. Соблюдение режимов функционирования позволит получать целевые и побочные продукты заданных количества и качества или полностью обезвредить вещества, загрязняющие окружающую среду, максимально подавлять сопутствующие процессы (с обеспечением безопасности обслуживающего персонала) при наибольшей экономической и экологической эффективности.

Режимы функционирования печной системы включают в себя:

• временной режим;
• температурный режим;
• электрический режим;
• гидравлический режим;
• режим печной среды.

Временной режим. По характеру течения во времени теплотехнологические процессы, осуществляемые в печах, подразделяются на периодические (прерывные) и непрерывные.

Периодическими называются теплотехнологические процессы, в которых порция исходных материалов загружается в печь, претерпевает ряд физико- химических превращений, затем все образовавшиеся продукты выгружаются. Время процесса складывается из:

• времени загрузки исходных материалов в печь;
• времени протекания теплотехнологических процессов, включающего время нагрева исходных материалов до температуры, при которой осуществляются физические, химические и коллоидные превращения, а также время охлаждения получаемого продукта до заданной температуры;
• времени выгрузки продукта.

Таким образом, главным признаком периодического процесса является прерывание хода теплотехнологического процесса, а затем периодическое повторение всех процессов.

Процесс, который проводится периодически, является неустановившимся, так как в печи в течение всего периода изменяются температура, давление, концентрации реагирующих веществ, химический состав и т. д.

Периодические процессы в химических печах применяют для получения малотоннажных продуктов, из-за простоты конструкции печей (тигельные печи для получения специальных сортов стекла, светящихся пигментов, ультрамарина и т. д.), а также когда невозможно при данном уровне технического развития непрерывное получение целевого продукта (сталь, медь, кокс и т. п.).

Непрерывными называют процессы, в которых ход теплотехнологического процесса не прерывается. При непрерывном теплотехнологическом процессе могут быть следующие режимы загрузки и выгрузки:

• загрузка и выгрузка непрерывные (печи для сжигания серы, для обжига колчедана, получения печной сажи, синильной кислоты, соды и т. д.);
• загрузка непрерывная, а выгрузка периодическая (доменная печь и т. п.);
• загрузка периодическая, а выгрузка непрерывная (шахтные печи для обжига извести, фосфорита, сидерита; ретортные печи для обжига антрацита и т. д.);
• загрузка и выгрузка прерывные, т. е. систематическими порциями (туннельные печи, где выгружается, а затем загружается одна вагонетка, и т. д.).

Режим загрузки и выгрузки печи должен быть строго выдержан, поскольку он определяет ход теплотехнологических процессов, а также количества загружаемого в печи материала и выгружаемого продукта.

Непрерывные теплотехнологические процессы предусматривают установившиеся режимы в контролируемых точках замеров, где параметры не меняются во времени, но меняются по месторасположению (по высоте или длине печи). При непрерывном процессе используется понятие «условное время пребывания реагентов в рабочем объеме печи». Под понятием «рабочий объем печи» понимается только тот объем, который заполнен исходными материалами и получаемыми продуктами (например, в печах с вращающимся барабаном рабочий объем составляет только до 15 % всего объема).

Температурный режим теплотехнологической системы – это установленная последовательность изменения температуры ее элементов во времени или по длине печи. Графическое изображение температурного режима принято называть профилем температур. В печной системе, соответственно числу ее элементов, возможны следующие три температурных режима:

• исходных материалов и полученных продуктов;
• печной среды;
• футеровки.

Температурный режим исходных материалов и полученных продуктов является определяющим по отношению к другим. Создание и строгое соблюдение этого режима является одним из главных условий нормального протекания целенаправленных превращений исходных материалов и полученных продуктов. Температурный режим исходных материалов и полученных продуктов создается за счет температурных режимов печной среды, футеровки или их совокупности. В процессах сжигания горючих исходных материалов температурный режим в них создается и регулируется расходом окислителя, а при его недостаточности – введением газовой печной среды, а также интенсивным теплоотводом через футеровку.

Температурный режим печной среды определяется тепловыми состояниями ее газовой, жидкой и твердой фаз, зависящими от режима сжигания топлива, теплопередачи через футеровку муфельных печей. Им характеризуется протекание печных процессов. Печная среда может быть как теплоносителем (энергетической базой теплотехнологических процессов), так и охладителем.

Одной из функций печной среды является создание необходимого и стабильного температурного режима футеровки рабочей камеры печи, исходных материалов и полученных продуктов за счет физических, химических, теплотехнических и механических процессов и конструктивных приемов.

Температурный режим футеровки рабочей камеры печи создается печной средой, теплотой, передаваемой или отнимаемой через футеровку, исходными материалами и полученными продуктами или конструкцией футеровки. Задачей футеровки является участие в создании и стабилизации температурных режимов других элементов печной системы.

Из рассмотренного выше очевидна взаимная связь и зависимость между температурными режимами элементов печной системы.

Получение целевых продуктов в печах должно всегда осуществляться при оптимальных температурных режимах. Под этим термином понимается такая совокупность температуры элементов печной системы и времени взаимодействия между ними, которая обеспечивает в данной конструкции печи максимальную производительность по целевому продукту с наибольшим подавлением сопутствующих процессов и с наибольшей экономической и экологической эффективностью.

Так как температурный режим является совокупностью только температуры и времени, то необходимо рассмотрение как раздельного, так и совместного их влияния на высокотемпературные процессы.

Разность температуры в элементах печной системы и внутри каждого из них является в печах главной движущей силой, приводящей их к различным превращениям и процессам. Температура оказывает сильное влияние на скорость химических реакций, степень превращения, селективность и т. д.,однако это влияние неодинаково для различных видов теплотехнологических процессов и типов реакций.

Температура осуществления непосредственного физического превращения исходных материалов и полученных продуктов различна в зависимости от их вида. Такие процессы, как плавление, испарение, конденсация, нагрев для термообработки с внепечным охлаждением и др., осуществляются при постоянной температуре. Печная термообработка проводится по определенному и заданному профилю температур. Температура нагрева массивных металлических заготовок для последующей обработки давлением непостоянна, и процесс заканчивается с заданной разностью температур между поверхностью и центром. Температуры осуществления для всех физических превращений исходных материалов и полученных продуктов определены с требуемой точностью и должны строго выдерживаться.

Химические превращения в элементах печной системы протекают при постоянной температуре (изотермический температурный режим) или в интервале температур (политермический режим). Более или менее полное приближение к изотермичности слоя материала может быть достигнуто при непрерывной компенсации теплового эффекта реакции, малых тепловых эффектах реакции и высокой теплопроводности реагентов, перемешивании теплоносителя и исходных материалов. В печах кипящего слоя температурный режим близок к изотермическому.

Рациональные температуры осуществления превращений элементов печной системы находятся из их термодинамического анализа, теплофизических свойств или экспериментально. Однако при установлении температурных режимов элементов печной системы учитывают изменения их фазовых состояний, параметры печной среды (вязкость, температуру на выходе из печи и т. д.) и стойкость футеровки и др.

Влияние температуры на протекание химических процессов зависит от типа реакций. В необратимых реакциях при достижении определенного температурного интервала скорость реакций начинает прогрессивно возрастать и приводит к полному превращению реагентов. В области высоких степеней превращения скорость снова снижается вследствие уменьшения концентрации основного реагента.

Увеличение времени пребывания исходных материалов в рабочей камере печи позволяет при данной температуре обеспечить более высокую степень превращения.

Протекание экзотермических обратимых реакций характеризуется наличием оптимальной температуры, соответствующей максимальному выходу целевого продукта. Поэтому на участках печи, где реагенты далеки от состояния химического равновесия, т. е. в начале процесса, целесообразно создавать высокую температуру, а в конце, когда получающиеся продукты приближаются к равновесному состоянию, температура должна быть пониженной, чтобы сдвинуть процесс в сторону более полного превращения исходных материалов.

Температура, оказывая большое положительное влияние на скорость и другие показатели протекания теплотехнологических процессов, вместе с тем оказывает на них и отрицательное влияние:

• увеличение потерь целевого продукта вследствие его испарения;
• снижение прочности и химической стойкости исходных материалов и полученных продуктов;
• уменьшение степени превращения реагентов в обратимых экзотермических реакциях;
• возможное снижение селективности сложных реакций.

Время температурного воздействия между элементами печной системы и внутри них является важнейшим фактором, влияющим на производительность печей, качество получаемого целевого продукта, степень превращения реагентов, селективность, расход энергии и экономическую эффективность печного способа получения продуктов. Оно является определяющим по отношению к другим элементам печной системы, различно для разных теплотехнологических процессов и зависит от следующих факторов:

• химического состава и физических свойств массы, размеров и геометрических форм исходных материалов и полученных продуктов;
• условий теплопередачи, тепловых напряжений в рабочей камере и скорости движения теплоносителя;
• допустимой скорости подъема температур элементов печной системы без разрушения;
• механических процессов в печи;
• формы укладки изделий в рабочей камере;
• конфигурации печи   (конфигурация   свода, расположение газовых каналов в футеровке, угол наклона газогорелочных устройств) и т. д.

Эти же факторы влияют на продолжительность температурного воздействия на элементы печной системы и при протекании химических теплотехнологических процессов. Общее время температурного воздействия:

𝜏𝜏об = 𝜏𝜏пр + 𝜏𝜏осн + 𝜏𝜏зав,

где τ_пр – время протекания подготовительного этапа к целевому процессу; τ_осн – время протекания основного этапа (теплотехнологического процесса); τ_зав – время протекания завершающего этапа (охлаждения полученных продуктов).

Время температурного воздействия на исходные материалы и полученные продукты при осуществлении химических теплотехнологических процессов находится в зависимости от следующих факторов:

• химического состава и диапазона его изменения;
• физических и химических свойств;
• характеристик печной среды (катализаторы);
• давления;

• требуемой степени превращения в заданный продукт;
• заданного качества полученных продуктов;
• гранулометрического состава исходных материалов;
• требуемой прочности полученного продукта;
• способов подавления сопутствующих процессов;
• конструкции печи и т. д.

Времена температурного воздействия печной среды и футеровки должны полностью соответствовать обеспечению протекания теплотехнологических процессов. Теоретическое определение точного времени температурного воздействия между элементами печной системы и внутри каждого из них в реальных промышленных печах в настоящее время невозможно из-за множества различных факторов и возмущений, влияющих на их продолжительность. Однако при введении некоторых допущений, упрощений, дополнительных краевых условий и практических данных и т. д. возможно определение приближенного времени температурного воздействия между элементами печной системы и внутри них, которое может быть заложено в проекте при разработке профиля температур и подлежат обязательной последующей экспериментальной проверке.

Электрический режим установки – это обеспечение заданной вольтамперной характеристики для выделения необходимой теплоты с целью создания заданной температуры и теплового режима, которые в свою очередь обеспечивают заданную производительность печи по целевому продукту и его качество с минимальным удельным расходом электроэнергии.

Максимальная степень стабильности теплотехнологического процесса обеспечивается соблюдением специального графика электрического режима.

Гидравлический режим в печах характеризуется давлением и особенностями движения газовой фазы в объеме рабочей камеры печи. Главной целью установления определенного гидравлического режима в объеме рабочей камеры печи является создание оптимальных условий для перемещения газовой печной среды через исходные материалы и полученные продукты, при которых обеспечивается нормальный режим протекания теплотехнологических и теплотехнических процессов.

Создание вакуума (давление 10^-4 Па) в печи позволяет осуществлять теплотехнологические процессы, которые не могут протекать при других условиях (например, рафинирование алюминиевых сплавов, плавка хромистой бронзы и т. д.). Создание псевдоожиженного состояния сыпучих исходных материалов, полученных продуктов или инертных сред обеспечивает осуществление ряда теплотехнологических процессов при изотермическом температурном режиме.

Создание режима, исключающего подсос холодного воздуха в печь или выбивание из него раскаленных газов, влияет на качество получаемого продукта, энергопотребление и на безопасность персонала, обслуживающего печь.

Давление в печи оказывает влияние также на скорость протекания химических реакций, что отражается на производительности печи. Гидравлический режим в объеме рабочей камеры печи создается тягодутьевыми средствами (вентиляторы, дымососы, компрессоры, дымовые трубы и т. д.) или возникает естественно, как неизбежное явление при протекании некоторых химических превращений исходных материалов, за счет газов, выделяющихся или образующихся при процессах возгонки желтого фосфора в руднотермических печах, обжига антрацита в ретортных печах, сжигания исходных горючих материалов, а также из-за различия плотностей газов с различной температурой и т. д.

Профиль давлений, т. е. графическое изображение величины давления по принятым контрольным точкам в объеме рабочей камеры, различен и зависит от вида теплотехнологических процессов и конструкции печи, в которой они осуществляются. По своему значению давление может быть больше, равно или меньше атмосферного. Контрольными точками служат подсводовое пространство, вход в печь или выход из нее, активные реакционные зоны, подвагонеточные пространства, область под решеткой, надслоевое пространство, топочные камеры и т. д.

На гидравлический режим серьезное влияние оказывают конструктивные особенности: размещение газоходов в футеровке рабочей камеры, их размеры и количество. При разработке печной системы, выборе оборудования, конструктивных и аэродинамических приемов принимаются расчетные данные ожидаемых гидравлических сопротивлений, а также данные практики, которые закладываются в проект. Однако после наладки всех режимов и получении целевых продуктов в опытно-промышленных условиях и их исследовании устанавливаются окончательные гидравлические режимы, соблюдение которых обязательно как непременное условие для осуществления теплотехнологических и теплотехнических процессов.

Одним из важных требований при проектировании печного комплекса является возможность регулирования гидравлического режима в печи за счет задвижек, заслонок, шиберов и газовых клапанов в боровах.

Режим печной среды – это создание заданной газовой, жидкой и твердой среды, окружающей исходные материалы и получаемые продукты.

Режим газовой среды в рабочей камере печи включает в себя создание заданного профиля температур, химической активности газовой среды (восстановительный, нейтральный, окислительный) и заданного гидравлического режима.

Режим жидкой среды печи включает в себя шлаковый режим, обеспечивающий интенсивную теплоотдачу от пламени к поверхности расплава,ввод необходимых газов, предотвращение попадания в рабочую камеру газов, ухудшающих качество получаемого продукта, обеспечение нужной вязкости веществ, текучести шлака для вывода его из ванны печи, соблюдение слива шлака в установленные сроки и т. д.

Режим твердой среды в реакторе печи включает в себя создание и поддержание определенного количества катализатора, инертного заполнителя, пыли и других веществ, своевременную замену отработанных катализаторов, обеспечение их заданной температуры и т. д.

Скачать тестовые вопросы(word).  Ответы отправляйте на bibi7878@list.ru