Введение к работе
Актуальность теш. При перехода от лабораторных исследований к опытным и опытно - промышленным испытаниям, при создании новых технологий и их аппаратурном оформлении в области высокотемпературной электрохимии проведение натурных экспериментов требует больших средств и времени для достижения поставленной цели: определения оптимальныхтепловых и влектр-ческих параметров работы электрохимических аппаратов, формы и размеров последних, Для оптимизации режима работы электрохимических систем йеобходим количественный расчет трехмерных распределений теплового и электрического полей, причем рассматриваемых во взаимодействии и при учете всех особенностей конструкции аппарата. Гаэосодержание и скорость циркуляции электролита влияют на процессы тепло-электроперенооа, причем, в свою очередь, они сами зависят от параметров электрохимической ячейки. Наглядным примером вышесказанного может служить электролиз легких металлов. Взаимосвязь данных физических процессов затрудняет экспериментальные исследования в этой области, особенно при большой силе тока, которая имеет . место в промышленных электрохимических аппаратах, и наиболее эффективным методом их анализа становится математическое моделирование и вычислительный эксперимент.
Цель работы. Разработка совместной математической модели
теплоэлектропереноса и газогидродинамики (имеется в виду описание течения двухфазных потоков газ - жидкость) в электрохимических системах, разработка алгоритмов еэ решения; создание комплекса программ расчета и анализа тепловых, электрических и гвзогидро-
динамических процессов; проведение исследования теплоэлектро-дереноса в промышленных влектролизерах для получения некоторых легких металлов.
На аащиту выноаятся} I) Разработанная математическая модель
расчете тепловых и электрических полей при учете теплоты злектро-трохишческих реакций в электрохимических системах. 2) Полученная математическая модель газогидродинамики, связывающая мевду собой скорость и газосодериание электролига вдоль вертикального анода в межэлектродном пространстве. 3) Совместная модель тепло-влектроперенооа и газогидродинамики в электрохимических системах, 4) Результаты исследования корректности математических моделей. Б) Алгоритмы расчета тепловых и электрических полей, ркорооти и газосодержания электролита. 6) Разработанный комплекс программ для расчета тешюэлектропереиоса и газогидродинамики, включаючий графический пакет для анализа двумерных распределений физических полей, 7) Результаты исследования теплоэлектропере-нооа в промышленных электролизерах для получения некоторых легких металлов -при различных конструктивных и технологических параметрах.
Научная новизна. Новым в работе является создание совместной
математической модели процессов теплоэлектроперэноса и газогидро-
ДШШйВСК.
Ранее при постановке задачи расчета тепловых и электрических полей недостаточно корректно учитывалось влияние проте-кавдих в электрохимической системе электрохимических реакций. В диссертации приводится эллиптическое уравнение теплового поля с учетом дополнительного источника (стока) тепла электрохимических реакций. Приведена система дифференциальных уравнений, связываю-
- б -
щая скорость и газосодержзниэ электролита вдоль вертикального электрода в межэлектродном пространстве. Получены достаточные условия существования и единственности решения.
Разработан и апробирован итерационный метод, решения краевой задачи для области сложной формы, основанный на альтернирующем методе Шварца.
Ранее исследования тешгаэлектропереноса в электрохимических системах проводили в одномерных и двумерных областях, в результате имели упрощенную постановку задачи. В..зрвые разработан комплекс программ для совместного расчета теплоэлектрических и газогидродинамических процессов для магниевых электролизеров, причем в связи с особенностями его конструкции расчета производились в трехмерной области.
Для рассмотренных промышленных электролизеров получены важные зависимости тешгаэлектропереноса от конструктивных и технологических параметров, а такжэ от срока службы аппарата. Даны рекомендации по поддержанию оптимального теплового режима процесса электролиза, используя изменение некоторых технологических параметров.
Практическая ценность. Разработанные математическая модель
процессов тешгаэлектропереноса и газогидродинамики в электрохимических системах и алгоритм ее решения реализованы в виде комплекса прикладных программ, который может служить математическим обеспечением при создании и реконструкции соответствующих установок.
Создано программное обеспечение по расчету электролизеров для. производства магния, которое используется на Березниковском титано - магниевом комбинате. Программы- сервисного обслуживания
разработаны в соответствии с требованиями заказчика, и учитывают особенности работы с вычислительной техникой специалистов в области электрохимии без опыта программирования. Проведены расчеты процессов теплоэлектропереноса и газогидродинамики в магниевом Сездиафрагменном электролизере с нижним вводом анодов.
Разработано программное обеспечение по расчету электролизеров для производства щелочноземельных металлов. На его основе получены важные зависимости процесса электролиза от конструктивных и технологических параметров аппарата и сделаны важные с практической точки зрения выводы,
Разработанный комплекс программ, результаты проведенных расчетов и сделанные выводы могут, быть использованы в инженерной практике и при создании новых промышленных электрохимических систем.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 4 Международной научной конференции "Методы кибернетики химико -технологических производств" в г. Москве /1994 г/. Международной конференции "Дифференциальные уравнения и их приложение" в г. Саранске /1994 г/, I научной конференции молодых ученых - физиков республики Башкортостан /І994 г/, на научно -техническом семинаре "Вычислительная математика и кибернетика" в УГАТУ (г. Уфа), на- семинарах в Институте высокотемпературной электрохимии УрО. РАН (г. Екатеринбург), Российском институте титана и магния (г. Березники), на кафедре информатики, и вычислительной техники СИМ (г. Стерлитамак) и кафедре вычислительной математики БашГУ. Доклады по результатам работы приняты на Международную конференцию по' математическому моделированию в г. Якутске, 4 Всероссийскую научную конференцию "динамика
~ 7 -
процессов и аппаратов химической технологии" в г. Ярославле. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6
глав, приложений и списка літератури из 177 названий. В приложениях приведены 16 таблиц и 17 рисунков, 2 акта внедрения и I заключение о работе комплекса программ. Общий объем работы 182 страниц.
