镁热法生产海绵钛还原设备换热过程分析.pdf

3 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第l 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 踮n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 1 ．0 0 9 镁热法生产海绵钛还原设备换热过程分析 安鸿浩，吴复忠，金会心 贵州大学材料与冶金学院，贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵阳5 5 0 0 2 5 摘要以热工测试数据为基础，对还原过程中冷却空气的散热进行计算和分析，建立T i C l t 加料速度和空 气散热强度之间的代数关系式，并以此关系式为基础对T i c l 。加料速度进行评估。结果表明，加料速度 与风速和一定范围内冷却空气的出口温度存在一定的关系，可以根据冷却空气风速和出口温度得到加 料速度的评价值，一定程度上也可以预测加料速度范围。 关键词海绵钛；强制换热；对流换热；冷却空气 中图分类号T F 8 2 3 ；T F 0 6文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 o l 0 0 3 4 一0 3 A n a l y s i s o fH e a tT r a n s f e rP r o c e s si nR e d u c t i o nE q u i p m e n to fT i t a n i u m S p o n g eP r o d u c t i o nb yM a g n e s i O t h e r m i cR e d u c t i o n A NH o n g h a o ，W UF u z h o n g ，J I NH u i x i n S c h 0 0 1o fM a t e r i a l M e t a I l u r g y ，K e yL a b o r a t o r yo fM e t a l l u r g ya n d E n e r g yC o n s e r v a t i o no fG u i z h o u ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h e r m a lt e s td a i a ，t h et h e r m a lo fc o o l i n ga i ri nr e d u c t i o np r o c e s sw a sc a l c u l a t e da n d a n a l y z e dt oe s t a b h s ha na l g e b r a i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e e dr a t eo fT i C l 4a n da i rh e a tr a d i a t i o ni n t e n s i t y w h i c hi sa p p l i e dt oe v a l u a t ef e e dr a t eo fT i C l 4 ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tf e e dr a t er e l a t e sw i t hw i n ds p e e d a n do u t l e tt e m p e r a t u r eo fc o o l i n ga i rw i t h i nac e r t a i nr a n g e ．E v a l u a t i o nv a l u eo ff e e dr a t ea c c o r d i n gt ow i n d s p e e da n do u t l e tt e m p e r a t u r eo fc o o l i n ga i rc a nb eo b t a i n e da n da p p l i e dt op r e d i c tr a n g eo ff e e dr a t e ． K e yw o r d s t i t a n i u ms p o n g e ；f o r c e dh e a t ；c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r ；c o o l i n ga i r 镁热还原T i C l 。生产海绵钛的还原反应是一个 剧烈的放热反应，还原反应器自热体系的多余热量 通过反应器炉体表面对流换热排走，从而稳定 T i C l 。的加料制度，维持还原体系的热平衡[ 1 ⋯。还 原过程中还原设备的自然对流换热过程稳定，还原 过程T i C l 。的加料速度平稳，容易控制，但换热强度 低，无法满足生产的需求口 5 ] 。而且，我国海绵钛企 业与国外先进水平相比，还原过程的料速是偏小 的m ] 。 国内某海绵钛企业在还原过程中对还原反应 器进行强制散热冷却，T i C l 。加料速度显著提高，还 原生产周期缩短，但T i C l 。加料速度的控制不合 理，更缺乏一个对T i C l 。加料速度、空气散热强度 优劣的评价体系。本文以热工测试数据为基础， 对还原过程中冷却空气的散热进行计算和分析， 并建立T i C l 。加料速度和空气散热强度之间的关联 表达式。 1 计算基础 将海绵钛还原设备环形空腔内的空气湍流对流 换热简化成内壁加热、外壁恒温的问题进行分析计 算嘲。在温度T 下，化学反应的热量收入按照基尔 收稿日期2 0 1 4 一0 9 2 4 基金项目教育部重点项目 2 1 2 1 5 7 ；贵州省科技厅工业攻关项目 黔科合G Z 字[ 2 0 1 3 ] 3 0 0 9 作者简介安鸿浩 1 9 9 0 一 ，女，苗族，贵州石阡人，硕士研究生． 万方数据 2 0 1 5 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 5 霍夫定律公式计算 r 丁 Q R 一△，H 丁一△H 2 9 8 l△f P 矗丁 J2 9 8 则还原过程中总化学反应净发热量酝反为 Q R 反一口V R 加 在还原过程中，反应釜底部需要用电炉丝进行 保温，所以热量的总收入除了化学反应热外还包括 消耗电能所产生的热量。 系统的能量平衡可表示为 Q 。，一Q R 反 Q ￡电一a V R 加 Q E 电 1 根据伯努利方程计算出口空气的流速为 “一K ．／鲨 2 V 』u 冷却空气所带走的热量Q 。为进出口焓值之差 Q 一A p “ 一A 0 1 0 0 “o o 3 根据质量守恒，进出口风的质量流量相等 ／如“一A o I D o “o Q 散一～“ 一 o 4 冷空气的散热量占总热量的比例设为卢 Q 。 口Q 。， 5 联立以上各式可以得到 v 。一堑坐二盟一堕 6 y 口 式中，y 一胡 2结果分析与讨论 2 ．1 加料速度与冷却空气风温的关系 加料速度与出口温度的变化关系如图1 所示。 ， 上 ● 堂 趟 蚓 宴 星 o U 卜 图l加料速度与出口温度的关系 F i g ．1R e l a t i O n s h i pb e t w e e nf e e dr a t eo f T i C l 4a n do u t l e tt e m p e r a t u r e 从图1 可以看出，T i C l 。的加料速度是随着冷却 空气的出口温度升高而逐渐增大的，而且呈线性关 系。冷却空气的出口温度升高，空气的热焓值变化 增大，还原设备的散热能力增强，T i C l ，加料速度便 可适当地增大。 从传热角度出发，增大换热面积可以加强散热 强度，即增大冷却带长度，使冷却空气与散热带的接 触面积增大，冷却空气的出口温度可以得到升高， T i C l 。加料速度也可以增大。但在实际工业生产中 冷却带的长度是一定的，由于实际条件的限制，不可 能无限增大，冷却空气的出口温度也会受到限制，当 达到一个极限值时，冷却强度也达到了最大值，加料 速度达到工艺允许的最大值，不再随着冷却空气的 出口温度增大而增大。通过控制散热强度有效地调 整四氯化钛的加料速度，使加料速度达到最佳状态， 缩短还原周期。 2 ．2 加料速度与冷却空气流量的关系 加料速度与冷却空气流量的变化关系见图2 。 ， 上 ● 邑 型 瑙 窭 暑 』 p 冷却牵气流量， m “h - I 图2加料速度与冷却空气流量的关系 F i g ．2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nI ．e e dr a t eo f T i C l 4a n df I o wr a t eo fc o o l i n ga i r 由图2 可知，当冷却空气流量增大时，T i C l 。加 料速度也会增大。流量增大反应了散热强度的增 大，加料速度也随之增大。海绵钛生产过程中，空气 流体在环形空腔内与还原反应器外壁和还原加热炉 内壁之间进行对流换热[ 10 | 。当冷却空气的流量增 大时，对流换热系数也随之增大，由N “一舡以可知 N “数也会增大，当达到～定值时，冷却空气的流动 由层流变成湍流，散热量持续增大。 冷却空气与散热带表面之间的对流换热可简化 为流体外掠平板传热过程，显然冷却段的高度H 大 于临界长度 ，，整个表面的平均表面传热系数 。可 以按照下式进行计算 。一扣。3 2c 等，2r 黪 o ．0 2 州≯墙f 黪] P r 们UJ 凡⋯ 万方数据 3 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 期 积分后可以得到 N “。，一[ o ．6 6 4 。2 o ．0 3 7 胁4 坞一胁。们 ] P r l ／3 N “是R e 和P r 的函数，空气的P r 约为定值， 当流量无限增大时R e 4 脂无限接近于1 ，N “也达到 了最大值，此时继续增大流速，冷却空气的对流换热 强烈程度不再随其增大，即散热量也达到了最大值。 即加料速度也不会随冷却空气的增大而无限增大。 2 ．3 加料速度与冷却空气风速和出口温度之间的 关系式 通过加料速度与冷却空气风速和出口温度关系 的拟合可以得到 V R 一2 ．5 丁， 4 3 0 Q 一7 2 0 根据上式可以预测加料速度，图3 为T i C l 。加料 速度的预测值和实际值对比结果。 f 工 ● 岜 划 幽 窭 量 o U 卜 P 1P 2 P 3P 4P 5 P 6 P 7P 8P 9P 1 0P l lP 1 2 P 1 3 试验点 图3T i C l 。加料速度的预测值和实际值 F i g ．3 P r e d i c t e da n da c t u a lv a l u eo ff e e d r a t eo fT i C l 。 从图3 可以看出，在测试点中，预测值基本高于 T i C l 。加料速度的实际值，即在实际生产中，T i C l 。加 料速度基本小于平均速度，并没有达到最大值，还有 一定的提升空间，在测试点中，实际值与测试值的最 大偏差为2 0 ．7 8 ％。 图3 中也有部分T i C l 。加料速度的实际值比预 测值要大，都在合理范围内，但当偏差过大时，表明 T i C l 。加料速度远大于平均加料速度，说明加料速度 过大。 综上所述，可以根据冷却空气风速和出口温度 得到加料速度的评价值，在一定程度上预测加料速 度范围。 3结论 1 在一定范围内，T i C l 。加料速度随着冷却空气 的出口温度升高而逐渐增大，可根据出口温度反映 出的散热强度调整T i C l 。的加料速度，达到缩短生 产周期的目的，但受到工艺条件的限制，当散热强度 达到最大值时，加料速度也达到了最佳状态。 2 当冷却空气流量增大时，T i C l 。加料速度也会 增大。冷却空气流速增大到一定值时，散热强度将 不再增大，即加料速度也不会随冷却空气的风速的 增大而无限增大。 3 通过冷却空气风速和出口温度关系拟合的加 料速度公式为 ％ 2 ．5 丁 4 3 0 Q 一7 2 0 。 符号说明 A 为空气出口横截面积 m 2 ；口为加料速度与 化学反应热之间的关系系数；f 。为热容 k J 9 1 K 叫 ；△H 为化学反应焓变 k J g _ 1 ；『l 。、 分别为 进出口冷却空气的焓值 k J k g _ 1 ；K 为皮托管系 数，o ．9 9 ～1 ．0 1 ；P 为流体密度 k g m _ 3 ；P r 为空 气的普朗特数；△P 为出口空气流体的动静压压差 P a ；f D 0 、l D 分别为进出口冷却空气的密度 k g m _ ；Q 为冷却空气流量 m 3 s 1 ；Q 。为海绵钛还 原系统的热电总量 k J ；Q 为冷却空气的散热量 k J ；Q 。为化学反应热 k J ；Q 。，为海绵钛还原系统 的热量总收入 k J ；R e ，为临界雷诺数；R e 为以冷却 段高度H 为特征长度的雷诺数；T 为化学反应温度 K ；丁，为冷却空气的出口温度 ℃ ；U 为风速 m su 1 ；“。、M 分别为进出口冷却空气的风速 m s _ 1 ；V R 为T i C l 。加料速度 k g h - 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