Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ОСОБО ЧИСТОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ
ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ 8
Необходимость концентрированной фосфорной кислоты 8
Виды фосфорной кислоты 9
Ортофосфорная кислота 10
Пирофосфорная кислота 10
Метафосфорная кислота 10
Структура раствора фосфорной кислоты 11
1.3. Технология получения фосфорной кислоты 13
Термический метод 13
Сернокислый метод 13
Дигидратный способ производства экстракционной фосфорной кислоты 15
Двухстадийные способы производства ЭФК 16
Методы очистки фосфорной кислоты 18
Методы концентрирования фосфорной кислоты 19
7.5.7. Аппараты контактного типа 20
Аппараты с косвенным нагревом 21
Нагрев электрическим током проводимости 21
Диэлектрический нагрев 22
Сравнение методов концентрирования 22
1.6. Постановка задач исследования 23
Причины внесения загрязнений в процессе выпаривания 24
Анализ альтернативных методов энергоподвода 25
Выбор частоты электромагнитного излучения 26
Проблемы при проектировании СВЧ нагревательного оборудования 30
Экономичность использования СВЧ энергии 30
Безопасность технологического оборудования 31
1.6.5. Выводы 36
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТІСА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПАРИВАНИЯ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ
ЭНЕРГИЕЙ ПОЛЯ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 36
2.1. Особенности применения СВЧ нагрева для выпаривания кислот 36
2.1.1. Известные технологические разработки 37
2.2. Разработка экспериментальной установки и исследование процесса
выпаривания 37
Особенности нагрева полем сверхвысокой частоты 37
Проблемы использования высокочастотного нагрева 39
Выбор источника электромагнитного поля 40
Расчет рабочей камеры 40
2.23Л. Существующие типы нагревателей, использующих энергию поля
сверхвысокой частоты 41
2.2.3.2. Выбор подходящего типа рабочей камеры 41
2.2.4. Расчет экспериментальной установки 41
Расчет геометрии волноводной части 42
Расчет резонатора ". 42
Обеспечение безопасности установки 42
Конструкция лабораторной установки и методика проведения эксперимента..... 43
Процесс выпаривания и полученные результаты 45
Анализ результатов экспериментального исследования 50
2.3. Технология выпаривания фосфорной кислоты энергией поля СВЧ 52
2.3.1. Технологические режимы процесса выпаривания фосфорной кислоты
энергией поля СВЧ. 54
Периодический процесс 54
Непрерывный процесс 54
2.3.2. Выводы 55
ГЛАВА 3. МЕТОД РАСЧЕТА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ
ЭНЕРГИЮ ПОЛЯ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 1 55
3.1. Проблемы, возникающие при проектировании СВЧ оборудования и способы их
решения 55
3.1.1. Неравномерный нагрев объекта и методы борьбы с ним 55
Перемешивание электромагнитного поля 56
Выравнивание волновой структуры электромагнитного поля 56
Согласование источника и нагреваемого тела 57
Способы решения 57
Экспериментальный метод 57
Математическое моделирование 58
Численное моделирование 59
Метод конечных элементов 59
3.1.4. Сравнение методов согласования источника и объекта 60
Ъ2. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕЙ КАМЕРЫ ВЫПАРНОГО АППАРАТА 61
Расчёт электромагнитного и теплового полей 61
Требования к методам расчета 61
«Лучевой» метод 62
Обоснование необходимости создания нового метода расчета 62
Описание «лучевого» метода 63
Создание программы для расчета электромагнитных полей 64
3.2.4. Примеры решения задач по определению электромагнитного поля 65
Частоты отличные от резонансной 70
Волновод двойной ширины 75
Волновод двойной высоты 77
Электромагнитное поле в волноводе с поглотителем 83
Температурное поле в волноводе с поглотителем 85
Расчет конструкции экспериментальной установки 86
Поток энергии электромагнитного поля в промышленной установке 93
Сравнение методов численного моделирования электромагнитного нагрева. 96
Использование вычислительной техники прирасчете СВЧустановок. 96
Алгоритм оптимизации системы с использованием вычислительной техники 97
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ВЫПАРНОГО АППАРАТА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
ОРТОФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ЭНЕРГИЕЙ ПОЛЯ
СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 98
4.1. Основные элементы конструкции аппарата 99
Геометрия сосуда с кислотой и рабочей камеры 99
Выбор источника СВЧ поля 100
Сосредоточенный источник 100
Распределенный источник 101
Выбор структуры источника СВЧ энергии 101
5
4.1.3. Режим работы аппарата 102
Рабочая камера аппарата непрерывного действия 102
Рабочая камера аппарата периодического действия 103
Заданные параметры аппарата 103
Расчет требуемой мощности 104
Балансные соотношения для процесса упаривания фосфорной кислоты 104
Теплофизические характеристики фосфорной кислоты, полученные из экспериментальных исследований 106
Исходные данные для расчета промышленного аппарата 111
Расчет энергоемкости фаз процесса выпаривания 112
4.3.3. Расчет оптимальной геометрии аппарата 112
Получение удельных энергетических характеристик 114
Интерполяция экспериментальных результатов 118
Расчет фактора потерь 120
Расчет размеров рабочей камеры 121
4.3.4. Конструкция и принцип работы промышленного варианта
выпарного аппарата 123
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 123
ІІУБЛИКАЦИИ 125
ЛИТЕРАТУРА 125
ПРИЛОЖЕНИЕ (АЛГОРИТМ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ) 128
Предварительные операции 128
Алгоритм расчета отдельного луча 129
Нахождение точки пересечения луча с плоскостью 130
Отражение и преломление луча от поверхностей :. 131
Нахождение вектора напряженности отраженного и преломленного луча 133
Тепловая энергия 133
Занесение информации о луче в ячейки 134
Алгоритм обхода массива лучей 134
Вывод результатов расчета в файл 135
Список сокращений
ФК - Фосфорная кислота;
ОФК - Ортофосфорная кислота {Н3РО4) ;
МФК - Метафосфорная кислота {НРОз) ;
ЭФК - Экстрационная фосфорная кислота;
ТФК - Термическая фосфорная кислота;
ЖКУ - Жидкие комплексные удобрения;
ДСК - Дигидрат сульфата кальция;
ПСК - Полугидрат сульфата кальция;
ЭМП - Электромагнитное поле;
СВЧ - Сверхвысокая частота;
ППМ - Плотность потока мощности;
ППЭ - Плотность потока энергии;
Список обозначений
р - плотность, кг/м3;
с - теплоёмкость раствора, кДж/кг-К;
г - теплота испарения, кДж/кг;
к - коэффициент преобразования кислоты из ортофосфорнои в метафосфор-
ную, кДж/кг;
Л - теплопроводность, Вт/м-К;
є о - электрическая постоянная, 8,85х1СҐ12 Ф-м-1;
є" - фактор потерь;
а - частота электромагнитной волны, Гц;
Е - вектор напряженности электрической составляющей электромагнитного
поля, Вт/м;
(Е2) - квадрат средней электрической напряженности в нагреваемой среде;
д- толщина скин-слоя, м;
а - проводимость среды. Для фосфорной кислоты на частоте 2,45 ГГц а = 0,225 См/м
К программе расчета структуры электромагнитного поля
Eg - рассчитанная напряженность в ячейке;
Ео - начальная амплитуда электромагнитных колебаний, 10 В/м;
ср - фаза колебаний вектора напряженности в середине пути луча
по ячейке;
Tmax _ время, до которого осуществляется счет ;
t - момент времени в середине пути луча по ячейке (момент фазы <р ) ;
Ё, - вектор напряженности луча в середине пути луча по ячейке
п - нормаль к поверхности в точке падения луча;
a - угол падения;
/3 - угол отражения;
у - угол преломления;
/j - коэффициенты магнитной проницаемости среды;
є - коэффициенты диэлектрической проницаемости среды;
v - вектор падения;
v0 - вектор отражения;
vn - вектор преломления;
К расчету аппарата
Мофк ~ масса исходной фосфорной кислоты; Ммфк ~ масса полученной метафосфорной кислоты; Мпар - масса пара, образующегося в процессе выпаривания; Освч - энергия, поступающая в аппарат с электромагнитным полем; Онагр ~ энергия, которая тратится на нагрев исходной кислоты; Qnap - энергия, которая тратится на испарение воды из раствора кислоты;
<2ФП - энергия, которая тратится на преобразование кислоты из ортофос-форной в метафосфорную;
Опотерь ~ энергия, которая уходит через стенки аппарата в виде тепловых потерь;
є" - средний фактор потерь на этапе нагрева и кипения; Sj - средний фактор потерь на этапе преобразования кислот;
Введение к работе
В работе исследована возможность интенсификации процесса выпаривания фосфорной кислоты энергией электромагнитного поля (ЭМП) сверхвысокой частоты (СВЧ). Интенсификация тепломассообменных процессов является актуальной научно-технической задачей, поскольку позволяет повышать производительность труда и снижать энергозатраты.
В производстве особо чистой фосфорной кислоты её концентрирование методом выпаривания занимает важное место. Для нужд промышленности после очистки от примесей фосфорную кислоту необходимо выпарить. Существующие методы выпаривания, основанные на кондуктивном способе энергоподвода, имеют небольшую скорость, ограниченную теплопроводностью кислоты, и, кроме того, вносят загрязнения стенок того сосуда, в котором производится выпаривание.
Эти проблемы могут быть решены, если поменять способ энергоподвода на бесконтактный (излучением электромагнитного поля СВЧ) . Такой метод энергоподвода имеет большую скорость, поскольку не связан с теплопроводностью среды и не вносит загрязнений. Но проектирование аппаратов, использующих данный вид энергоподвода, связан с рядом трудностей. Основной является отсутствие общепринятых методик расчета.
