РАСПЛАВЫ
5 • 2013
УДК 669.046.54+621.745
© 2013 г. С. А. Лямкин1, И. Н. Танутров, М. Н. Свиридова
РАСЧЕТ РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗЛИФТНОГО РЕАКТОРА ПРИ ОКИСЛЕНИИ РАСПЛАВЛЕННОЙ МЕДИ КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА
Сообщение 1
На основании кинетических параметров окисления расплавленной меди кислородом воздуха в циркуляционной модели газлифтного реактора приведен расчет рабочих характеристик установки применительно к стационарной рафинировочной печи.
Ключевые слова', газлифтный реактор, расплавленная медь, рабочие характеристики, расчет расхода воздуха и расплава, глубина погружения газлифта.
ВВЕДЕНИЕ
Огневое рафинирование меди является самостоятельным переделом в цикле переработки от сырья до получения металла, пригодного для производства сплавов и электротехнических изделий. Передел огневого рафинирования меди, получаемой из первичного сырья, так называемой черновой меди, представляет собой получение плотных анодов для последующего электролитического рафинирования. Для этого последовательно проводят окислительную (для удаления примесей) и восстановительную (для удаления кислорода) обработку. На предприятиях с полным циклом переработки сырья огневому рафинированию подвергают расплавленную черновую медь в поворотных барабанных печах, обеспечивающих окислительную и восстановительную обработку путем продувки расплава через боковые фурмы воздухом и восстановительным газом. На специализированные предприятия по рафинированию черновая медь поступает в виде слитков, далее расплавляемых стационарных печах, с последующей обработкой расплава окислением воздухом и восстановлением древесиной. Попытки использовать в стационарных печах приемы рафинирования, применяемые в поворотных барабанных печах, не были успешными.
Рост требований, предъявляемых к технологии рафинирования, предполагает создание новых ее способов. Одним из таких способов является рафинирование расплавленного металла в газлифтах. К настоящему времени накоплен определенный опыт конструирования и эксплуатации металлургических газлифтов, разработаны теоретические основы и промышленные технологии рафинирования металла в газлифтах, получены убедительные доказательства перспективности их использования в металлургии. По сравнению с известными способами, применение газлифтов позволяет резко (более чем на порядок) повысить интенсивность рафинирования без выбросов металла, устранить потери металла, повысить эффективность использования реагентов, обеспечить комплексное рафинирование металла от нескольких примесей, осуществить обработку расплава в периодическом и непрерывном режимах. Конструкция газлифта отличается простотой, отсутствием подвижных деталей и включает футерованную огнеупором реакционную колонну, фурму для ввода газа в нижней части и футерованную газоотделительную камеру со сливным желобом — в верхней [1].
1 LyamkinSA@gmail.com.
Технология огневого рафинирования меди в стационарных печах, отличающаяся значительными продолжительностью, затратами топлива и вспомогательных материалов, необходимость интенсификации процесса, в частности, стадий окисления и восстановления расплава указывают на перспективность применения газлифтной технологии в этой области цветной металлургии. К числу рабочих характеристик газлифта относятся расход расплава меди через реактор, начальное давление и расход воздуха на входе газа в колонну реактора.
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗЛИФТНОГО РЕАКТОРА
Для расплавов с высокой плотностью, таких как чугун или медь, наиболее точна циркуляционная модель газожидкостного потока, в котором вся жидкость движется только вверх. Однако, в движущемся потоке имеет место существенная разница скоростей: в центральной части много выше, чем в периферийной. Еще одной особенностью гидродинамической модели является предположение, что газовая фаза потока движется вместе лишь с восходящим потоком жидкого металла. В периферийном потоке принимается малое содержание газа по отношению к общему газосодержанию. Расчет рабочих характеристик газлифта при окислении расплавленной меди кислородом воздуха проводили по методике, изложенной в монографии [1].
Для решения вопроса о том, какое количество воздуха потребуется для подъема при заглублении колонны газлифта в расплав на ту или иную величину, воспользовались уравнением
^ = 0.61 к
( 2, Л крг
0.35
(1)
здесь Ак/к — относительная величина повышения уровня жидкости в сосуде при продувке (к — высота уровня жидкости до продувки); Ак — приращение высоты барботаж-ного слоя по отношению к исходной величине к при подаче газа; — приведенная скорость газа плотностью р; О — поверхностное натяжение расплава.
Приведенная скорость газа равна
= К/ Р,
(2)
где Ут — объемный расход газа; ^ — площадь сечения колонны. Подставляя соотношение (2) в (1), получаем
V =
р2
0.61
^35 /дм1/0-35 п
к
крс _
(3)
Расчет параметров работы газлифта проводили по уравнению (4) для истинного объемного газосодержания ф:
к + к + Бг
0.3
ф =
1 + ^
2 к
к + к + Бг
0.3
1+^
2к
Ег
к.
0.3
1/2
(4)
здесь кв и кн — коэффициенты, отражающие долю скорости движения расплава в центральной и периферийной областях колонны газлифта; Бг — критерий Фруда; и — приведенные скорости движения пузырей газа в расплаве и газа в колонне газлифта.
Рекомендуемое значение kв равно 0.8 [2]. Приведенную скорость газа необходимо корректировать с учетом изменения давления газа в колонне реактора:
= (5)
Р0 + ~Г
где p0 — атмосферное давление.
По мнению авторов [2], величину ^ в формуле (4) лучше вычислять по уравнению
0.6
кн = 0.1051 -
н I
/ ; \0.6
(I) ■ (6)
где D — эквивалентное значение диаметра колонны, рассчитанное по формуле
I = 4^/И , (7)
здесь U — периметр колонны.
Критерий Фруда для газа определяется по приведенной скорости газа:
Бгг = w2т/gD. (8)
Относительную скорость всплывания пузырька газа радиусом гп вычисляли по уравнению
^п = (9)
где
а1'2
Гп =1.35 -щ^. (1°)
g Р ж Р г
Определение объемного расхода жидкости проводили по формуле
= ^ц.н( 1 - Ф), (11)
здесь ^цн — движение жидкости у стенок колонны вниз. Величина ^цн вычисляется по уравнению
^ (12)
'Рг^3'
Типичная характеристика работы газлифта приведена на рис. 1 [1]. Основные точки кривой: А0 — точка нулевой производительности; А1 — точка, соответствующая минимальному удельному расходу газа (оптимальный режим); А2 — точка, соответствующая максимально возможной производительности газлифта (максимальный режим). Наиболее рациональной считается работа газлифта на участке II при расходах газа V = = (1.12—1.50) V ОПт.
Так как каждый газлифт в зависимости от геометрических размеров, глубины погружения, состояния внутренней поверхности подъемной трубы имеет свою индивидуальную характеристику, в работе [1] приведен метод получения унифицированной безразмерной характеристики. При этом за базисные значения принимаются расход жидкости и расход газа на оптимальном режиме работы газлифта и все безразмерные режимные точки удовлетворительно описываются одной кривой, представляющей собой окружность. Отсюда следует, что если известна хотя бы одна точка характеристи-
Рис. 1. Типичная характеристика работы газлифта.
ки (^хопт, Ут.ош) или (^х шах, УЕшах), то можно построить весь участок характеристики между этими точками.
В первом случае (^х.опт, Кг.опт) общее уравнение записывается как
(ж/Уж.опт + Ус )2 + (г/^г.опт + )2 = Я2, (13)
во втором (Кх.шах, КЕшах) - имеет вид
(Уг/Уг.шях - 1)2 + (Уж/Уж.тах - 1 + Я)2 = Я(14)
где х0 и у0 — координаты центра окружности, описывающей участок рабочей характеристики газлифта, радиусом Я.
Согласно разработкам циркуляционной модели, оптимальному режиму работы газлифта соответствует условие, при котором скорость жидкости у стенок колонны имеет нулевое значение, т.е. ап = 0 (ап — относительная величина потерь давления в подъемном канале газлифта). Приведенная скорость жидкости в этом режиме равна
^ж.опт = ^ц.н(1 — ф). (15)
Значение ^цн. рассчитывается по уравнению (12). Тогда выражение (12) приводится к виду
^ж.опт = Щ(1 — ФН V рг°'3 X (16)
а газосодержание расплава может быть рассчитано по уравнению
0 3 -1
Ф - {1 + 1/Рг°.3[( 1 - Ф)^н + кв] + wп/wт} = 0. (17)
Решение уравнения (18) относительно ф дает зависимость, приведенную в уравнении (4). Решая уравнение (4) совместно с формулами для оптимального режима
а = 1 - ф + ахв (18)
(а = h/H — относительная глубина погружения газлифта; ахв — относительная величина потерь давления в хвостовике колонны газлифта ниже уровня ввода газа) и
W = (4VJ nD2) ¿„/(Po +pgh/2), (19)
а также (16) и учитывая, что
2
^ = 4wjnD , (20)
можно определить практически все параметры газлифта при работе в оптимальном режиме. В частности, оптимальная скорость воздуха вычисляется по уравнению
k
^..опт = ^.опЛ 1 - ф) —01, (2 1
Fr'
г
а оптимальный объемный расход воздуха (КЕОПТ) — по уравнению
^г.опт = ^г.опт Рг. (22)
Массовый расход расплава, обработанного в колонне газлифта, определяется по формуле
qж = ^ж^ (23)
где wж — скорость движения расплава; F — поперечное сечение колонны газлифта; рж — плотность расплава.
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗЛИФТНОГО РЕАКТОРА ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОЙ МЕДИ
В расчетах рабочих характеристик принято прямоугольное сечение внутреннего пространства колонны газлифта, равное по площади 0.079 м2 и образованное футеровкой из стандартного огнеупорного кирпича. Подобная конструкция колонны газлифта испытана при рафинировании чугуна [1]. Также принято, что общая высота газлифта равна 1.0 м, а глубина его погружения в жидкую медь составляет от 0.5 до 0.8 м.
Расчеты вели для технологически важного интервала температур расплава меди 1423—1523 К. Плотность воздуха при этих температурах принята по данным [3], плотность расплавленной меди и ее поверхностное натяжение — по данным [4]. Значения плотности расплавленной меди при 1425, 1473 и 1523 К равны 7.98, 7.93 и 7.88 т/м3, а величины ^ в уравнении (3) составляют 1.15, 1.10 и 1.025 Н/м соответственно. В расчетах принято, что концентрация кислорода в газе линейно уменьшается по мере прохождения газа через колонну газлифта, т.е. степ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.