Научная статья на тему 'ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕОРИИ СУШКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСОМ ПРИ ВАКУУМНОЙ ОЧИСТКЕ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ ОТ МАГНИЯ И ХЛОРИДА МАГНИЯ'

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕОРИИ СУШКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСОМ ПРИ ВАКУУМНОЙ ОЧИСТКЕ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ ОТ МАГНИЯ И ХЛОРИДА МАГНИЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
147
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВАКУУМНАЯ СЕПАРАЦИЯ ГУБЧАТОГО ТИТАНА / ЭНЕРГОЗАТРАТЫ / ТЕОРИЯ СУШКИ / ЗАКОНЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА И ВЛАГИ / ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС / УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫМ ГРАДИЕНТОМ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Кирин Ю.П., Тихонов В.А., Ангельхер А.Ю.

Вакуумная сепарация является в настоящее время наиболее энергоемким процессом производства губчатого титана. Проблема снижения энергетических затрат данного процесса является весьма актуальной. Известно, что вакуумная сепарация губчатого титана аналогична процессу сушки влажных пористых тел в вакууме. В этой связи в статье предлагается для решения названной проблемы применение известных методов теории сушки с целью исследования и эффективного управления тепломассопереносом в процессе вакуумной сепарации губчатого титана. Рассмотрены применяемые в теории сушки законы переноса тепла и влаги, основанные на явлении термической диффузии влаги в капиллярно-пористых телах. Исследованы основные закономерности тепломассопереноса, протекающего в блоке реакционной массы при очистке титановой губки от магния и хлорида магния. Проведен сравнительный анализ закономерностей тепломассопереноса при вакуумной очистке титановой губки от магния и хлорида магния и тепловлагопереноса при конвективной сушке капиллярно-пористых тел. Установлено, что известные законы переноса тепла и влаги при конвективной сушке капиллярно-пористых тел аналогичны законам переноса тепла и удаляемого из блока реакционной массы вещества (магния и его хлорида) в процессе вакуумной сепарации. Анализ известных методов построения энергосберегающих технологий в процессах конвективной сушки капиллярно-пористых тел показал, что при разработке таких технологий необходимо обеспечить интенсификацию переноса влаги из внутренних частей к поверхности тела. При этом наиболее эффективным управлением переносом влаги является изменение величины и направления температурного градиента внутри капиллярно-пористого тела. На практике такое управление реализуют уменьшением температурного градиента внутри капиллярно-пористого тела, а также изменением направления температурного градиента путем создания режимов конвективной сушки, при которых температура внутри тела больше температуры его поверхности. Аналогичные методы использованы в промышленной практике для интенсификации тепломассопереноса в процессе вакуумной сепарации путем управления величиной и направлением температурного градиента, возникающего в ходе процесса на стадиях нагрева и высокотемпературной выдержки между поверхностью и центром блока реакционной массы. Управление температурным градиентом реализовано применением программных регуляторов, обеспечивающих снижение рабочей температуры и энергозатрат процесса вакуумной сепарации губчатого титана.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Кирин Ю.П., Тихонов В.А., Ангельхер А.Ю.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

APPLICATION OF METHODS OF DRYING THEORY FOR RESEARCH AND CONTROL OF HEAT AND MASS TRANSFER DURING VACUUM PURIFICATION OF TITANIUM SPONGE FROM MAGNESIUM AND MAGNESIUM CHLORIDE

Vacuum separation is currently the most energy-intensive titanium sponge production process. The problem of reducing the energy costs of this process is very urgent. It is known that vacuum separation of titanium sponge is similar to the process of drying wet porous bodies in a vacuum. In this regard, the article proposes to solve this problem using the known methods of the theory of drying in order to study and effectively control heat and mass transfer in the process of vacuum separation of titanium sponge. The laws of heat and moisture transfer applied in the theory of drying, based on the phenomenon of thermal diffusion of moisture in capillary - porous bodies, are considered. The main regularities of heat and mass transfer occurring in the block of the reaction mass during the purification of the titanium sponge from magnesium and magnesium chloride have been investigated. A comparative analysis of the regularities of heat and mass transfer during vacuum cleaning of a titanium sponge from magnesium and magnesium chloride and heat and moisture transfer during convective drying of capillary - porous bodies is carried out. It has been established that the known laws of heat and moisture transfer during convective drying of capillary - porous bodies are similar to the laws of transfer of heat and the substance (magnesium and its chloride) removed from the block of the reaction mass in the process of vacuum separation. Analysis of the known methods of constructing energy-saving technologies in the processes of convective drying of capillary-porous bodies showed that when developing such technologies it is necessary to intensify the transfer of moisture from the inner parts to the surface of the body. In this case, the most effective control of moisture transfer is to change the magnitude and direction of the temperature gradient inside the capillary - porous body. In practice, such control is realized by reducing the temperature gradient inside the capillary - porous body, as well as changing the direction of the temperature gradient by creating convective drying modes, in which the temperature inside the body is higher than the temperature of its surface. Similar methods are used in industrial practice to intensify heat and mass transfer in the process of vacuum separation by controlling the magnitude and direction of the temperature gradient arising during the process at the stages of heating and high-temperature holding between the surface and the center of the reaction mass block. Temperature gradient control is implemented using software controllers that reduce the operating temperature and energy consumption of the vacuum separation of titanium sponge.

Текст научной работы на тему «ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕОРИИ СУШКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСОМ ПРИ ВАКУУМНОЙ ОЧИСТКЕ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ ОТ МАГНИЯ И ХЛОРИДА МАГНИЯ»

_ВЕСТНИК ПНИПУ_

2021 Химическая технология и биотехнология № 4

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Б01: 10.15593/2224-9400/2021.4.02 УДК 669.295, 66.047

Ю.П. Кирин, В.А. Тихонов, А.Ю. Ангельхер

Березниковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета, Березники, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕОРИИ СУШКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСОМ ПРИ ВАКУУМНОЙ ОЧИСТКЕ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ ОТ МАГНИЯ И ХЛОРИДА МАГНИЯ

Вакуумная сепарация является в настоящее время наиболее энергоемким процессом производства губчатого титана. Проблема снижения энергетических затрат данного процесса является весьма актуальной. Известно, что вакуумная сепарация губчатого титана аналогична процессу сушки влажных пористых тел в вакууме. В этой связи в статье предлагается для решения названной проблемы применение известных методов теории сушки с целью исследования и эффективного управления тепломассопереносом в процессе вакуумной сепарации губчатого титана. Рассмотрены применяемые в теории сушки законы переноса тепла и влаги, основанные на явлении термической диффузии влаги в капиллярно-пористых телах. Исследованы основные закономерности тепломассопереноса, протекающего в блоке реакционной массы при очистке титановой губки от магния и хлорида магния. Проведен сравнительный анализ закономерностей тепломассопереноса при вакуумной очистке титановой губки от магния и хлорида магния и тепловлагопереноса при конвективной сушке капиллярно-пористых тел. Установлено, что известные законы переноса тепла и влаги при конвективной сушке капиллярно-пористых тел аналогичны законам переноса тепла и удаляемого из блока реакционной массы вещества (магния и его хлорида) в процессе вакуумной сепарации. Анализ известных методов построения энергосберегающих технологий в процессах конвективной сушки капиллярно-пористых тел показал, что при разработке таких технологий необходимо обеспечить интенсификацию переноса влаги из внутренних частей к поверхности тела. При этом наиболее эффективным управлением переносом влаги является изменение величины и направления температурного градиента внутри капиллярно-пористого тела. На практике такое управление реализуют уменьшением температурного градиента внутри капиллярно-пористого тела, а также изменением направления температурного градиента путем создания режимов конвективной сушки, при которых температура внутри тела больше температуры его поверхности.

Аналогичные методы использованы в промышленной практике для интенсификации тепломассопереноса в процессе вакуумной сепарации путем управления величиной и направлением температурного градиента, возникающего в ходе процесса на стадиях нагрева и высокотемпературной выдержки между поверхностью и центром блока реакционной массы. Управление температурным градиентом реализовано применением программных регуляторов, обеспечивающих снижение рабочей температуры и энергозатрат процесса вакуумной сепарации губчатого титана.

Ключевые слова: вакуумная сепарация губчатого титана, энергозатраты, теория сушки, законы переноса тепла и влаги, тепломассоперенос, управление температурным градиентом.

Yu.P. Kirin, V.A. Tikhonov, A.Yu. Angelkher

Bereznikovsky Branch of the Perm National Research Polytechnic University, Berezniki, Russian Federation

APPLICATION OF METHODS OF DRYING THEORY FOR RESEARCH AND CONTROL OF HEAT AND MASS TRANSFER DURING VACUUM PURIFICATION OF TITANIUM SPONGE FROM MAGNESIUM AND MAGNESIUM CHLORIDE

Vacuum separation is currently the most energy-intensive titanium sponge production process. The problem of reducing the energy costs of this process is very urgent. It is known that vacuum separation of titanium sponge is similar to the process of drying wet porous bodies in a vacuum. In this regard, the article proposes to solve this problem using the known methods of the theory of drying in order to study and effectively control heat and mass transfer in the process of vacuum separation of titanium sponge. The laws of heat and moisture transfer applied in the theory of drying, based on the phenomenon of thermal diffusion of moisture in capillary - porous bodies, are considered. The main regularities of heat and mass transfer occurring in the block of the reaction mass during the purification of the titanium sponge from magnesium and magnesium chloride have been investigated. A comparative analysis of the regularities of heat and mass transfer during vacuum cleaning of a titanium sponge from magnesium and magnesium chloride and heat and moisture transfer during con-vective drying of capillary - porous bodies is carried out. It has been established that the known laws of heat and moisture transfer during convective drying of capillary - porous bodies are similar to the laws of transfer of heat and the substance (magnesium and its chloride) removed from the block of the reaction mass in the process of vacuum separation. Analysis of the known methods of constructing energy-saving technologies in the processes of convective drying of capillary-porous bodies showed that when developing such technologies it is necessary to intensify the transfer of moisture from the inner parts to the surface of the body. In this case, the most effective control of moisture transfer is to change the magnitude and direction of the temperature gradient inside the capillary - porous body. In practice, such control is realized by reducing the temperature gradient inside the capillary - porous body, as well as changing the direction of the temperature gradient by creating convective drying modes, in which the temperature inside the body is higher than the temperature of its surface. Similar methods are used in industrial practice to intensify heat and mass transfer in the process of

vacuum separation by controlling the magnitude and direction of the temperature gradient arising during the process at the stages of heating and high-temperature holding between the surface and the center of the reaction mass block. Temperature gradient control is implemented using software controllers that reduce the operating temperature and energy consumption of the vacuum separation of titanium sponge.

Keywords: vacuum separation of titanium sponge, energy consumption, theory of drying, laws of heat and moisture transfer, heat and mass transfer, temperature gradient control.

Технологическая схема производства губчатого титана включает в себя два основных передела: восстановление тетрахлорида титана магнием и последующую вакуумную сепарацию губчатого титана [1].

Полученную после процесса восстановления реакционную массу в виде блока титановой губки, поры которого заполнены магнием и хлоридом магния, направляют на вакуумную сепарацию, где осуществляется отделение титановой губки от непрореагировавшего восстановителя - магния и оставшегося побочного продукта реакции восстановления - хлорида магния.

Процесс вакуумной сепарации основан на значительной разнице равновесного давления паров магния, хлорида магния и титана и проводится в аппаратах периодического действия. Реакционную массу нагревают до температуры 960-1050 °С в герметичном аппарате, в котором создают вакуум. При этом магний и хлорид магния, имеющие достаточно высокое давление паров, испаряются, а затем отгоняются из титановой губки в конденсатор.

Вакуумная сепарация - лимитирующая стадия, наиболее малопроизводительный и энергоемкий процесс технологической схемы производства губчатого титана [2, 3].

Одним из направлений повышения производительности процесса вакуумной сепарации является его интенсификация за счет повышения температуры процесса [4, 5].

Известно, что даже небольшое повышение температуры ведет к заметному повышению скорости сепарации: для одинаковой полноты удаления магния из блока губчатого титана при температуре 925 °С требуется вдвое меньше времени, чем при температуре 900 °С [6]. При повышении температуры процесса с 700 до 1000 °С скорость сепарации возрастет более чем в 100 раз [7]. Следовательно, для интенсификации вакуумной сепарации целесообразно поддерживать рабочую температуру процесса на максимально возможном уровне, что позволит сократить продолжительность и повысить производительность процесса. При этом, конечно,

температура процесса не должна превышать 1050 °С - максимально допустимого значения для материала аппаратов вакуумной сепарации, выполненных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т [1].

Разработаны и внедрены современные методы и средства автоматизации, позволяющие поддерживать температуру вакуумной сепарации на максимально допустимом уровне и обеспечивающие за счет этого повышение производительности процесса [4, 5].

Вместе с тем в настоящее время вакуумная сепарация остается наиболее энергоемким процессом производства губчатого титана.

Теоретически для вакуумной сепарации 1 т титановой губки требуется около 1500 кВтч электроэнергии. Однако в промышленных условиях затраты электроэнергии увеличиваются в 3-4 раза. Это объясняется длительной и энергозатратной стадией отгонки из мелких пор и капилляров титановой губки последних 2-3 % хлорида магния, когда вся электроэнергия расходуется на восполнение тепловых потерь через футеровку печи сепарации и конденсатор [1]. В работах [8, 9] установлено, что теп-лопотери с поверхности аппаратов вакуумной сепарации требуют значительных затрат электроэнергии на их компенсацию. При этом полезное тепло на нагрев и испарение из реакционной массы магния и его хлорида составляет всего лишь 26 % от общего расхода тепла. Доля энергетических затрат на переделе вакуумной сепарации значительна и составляет 15-20 % в структуре себестоимости титановой губки [1, 10].

Сказанное выше свидетельствует о том, что проблема снижения энергозатрат процесса вакуумной сепарации губчатого титана является весьма актуальной.

Известно, что вакуумная сепарация губчатого титана аналогична процессу сушки влажных пористых тел в вакууме. В статье рассматривается решение данной проблемы с использованием известных методов теории сушки [1, 11].

1. Выделение общих закономерностей тепломассопереноса в блоке губчатого титана и тепловлагопереноса при сушке влажных капиллярно-пористых тел. Теория тепло- и массообмена составляет научную основу технологических процессов в химической, легкой, пищевой, строительной и других отраслях промышленности. Трудами академика А.В. Лыкова и его учеников создана единая теория взаимосвязанного тепло- и массообмена в капиллярно-пористых телах. Основные положения этой теории состоят в том, что законы тепло- и мас-сообмена едины в различных технологических процессах. В результате

расширяются возможности практического применения этих законов путем перенесения методов и конструктивных решений теории сушки для совершенствования технологических процессов в разных отраслях промышленности [11-13].

Вакуумная сепарация губчатого титана относится к процессам тепло- и массопереноса с фазовыми переходами в пористых телах и имеет некоторые общие черты с процессом сушки [1, 14].

В обоих случаях в ходе процесса пористый материал очищается от наполнителей, в конце процесса получается чистая титановая губка при вакуумной сепарации или сухой материал при сушке.

Имеется соответствие в стадиях процесса: первая стадия - прогрев; вторая стадия - интенсивное испарение из титановой губки основной массы магния и хлорида магния и период постоянной скорости сушки; третья стадия - испарение остатков магния и хлорида магния из мелких пор титановой губки и период падающей скорости сушки.

Основные теоретические положения теории сушки также приемлемы для вакуумной сепарации. К ним относятся явления тепло- и массопереноса, углубление поверхности испарения от поверхности тела, влияние на процесс тепломассопереноса структуры пористого тела и различных режимов удаления паров - молярного и молекулярного.

Таким образом, основные закономерности тепломассопереноса при вакуумной очистке титановой губки от магния и его хлорида и те-пловлагопереноса при сушке влажных капиллярно-пористых тел аналогичны. В настоящее время теория сушки капиллярно-пористых тел достаточно хорошо изучена [12, 13]. В этой связи представлялось целесообразным использовать методы этой теории для исследования и управления тепломассопереносом в блоке губчатого титана с целью снижения энергозатрат вакуумной сепарации. Для этого рассмотрим практические приложения теории сушки.

2. Основные законы переноса влаги и тепла при сушке капиллярно-пористых тел. Одним из важных положений теории сушки капиллярно-пористых тел является открытие А.В. Лыковым нового явления -термической диффузии влаги в капиллярно-пористых телах. Это позволило ему сформулировать законы переноса тепла и влаги в капиллярно-пористых телах для неизотермических условий: «При неизотермическом переносе влаги, когда режим прогрева влажного материала обусловливает появление в нем градиента не только влажности, но и температуры, влага внутри материала будет перемещаться как за счет

градиента влажности (явление влагопроводности, или концентрационная диффузия), так и благодаря градиенту температуры (явление тер-мовлагопроводности, или термическая диффузия)» [11-13].

На практике рациональный режим сушки капиллярно-пористых тел определяется с использованием основных законов переноса влаги и тепла внутри влажного материала. При разработке технологического режима сушки направления градиентов температуры и влагосодержа-ния могут совпадать или не совпадать. В первом случае возникает дополнительный термодиффузионный поток влаги, усиливающий перемещение влаги из внутренних частей к поверхности тела. Во втором случае термическая диффузия вносит дополнительное сопротивление перемещению влаги к поверхности тела. Такие режимы характерны, например, для контактной и конвективной сушки капиллярно-пористых тел. При контактной сушке градиенты температуры и влаго-содержания имеют одинаковое направление, что способствует повышению скорости сушки. При конвективной сушке градиенты имеют противоположное направление, и скорость сушки снижается [11, 15].

Знание основных законов переноса тепла и влаги в капиллярно-пористых телах имеет большое практическое значение, так как позволяет построить оптимальный режим сушки без сложных аналитических расчетов и исследований по тепломассообмену [11].

3. Постановка задачи снижения энергозатрат вакуумной сепарации губчатого титана. Промышленный аппарат вакуумной сепарации состоит из печи, реторты с блоком реакционной массы, реторты-конденсатора и вакуумной системы. Реторту с блоком реакционной массы нагревают в печи с помощью электрических нагревателей. Печь имеет три зоны нагрева, температура наружной стенки реторты в которых поддерживается на заданных уровнях автоматическим регулятором изменением подводимой к зонам нагрева мощности. Реторта-конденсатор подключена к вакуумной системе, ее наружную стенку в процессе конденсации испаряющихся из блока реакционной массы паров магния и хлорида магния охлаждают водой [1].

Процесс вакуумной сепарации начинается после нагрева блока реакционной массы до температуры испарения магния и хлорида магния. Представленный на рисунке, а график изменения температуры наружной стенки реторты в процессе испарения магния и его хлорида из блока реакционной массы и конденсации их паров в конденсаторе будем называть температурным профилем промышленного аппарата вакуумной сепарации.

У, °С А

Ol-!-1-з^

t, ч

а

б

Рис. Температурные профили промышленного аппарата высокотемпературной (а) и низкотемпературной (б) вакуумной сепарации губчатого титана

Температурный профиль промышленного аппарата вакуумной сепарации состоит из стадии нагрева блока реакционной массы с одновременным испарением из него магния и хлорида магния и последующей стадии высокотемпературной выдержки блока с испарением оставшихся количеств магния и его хлорида. Температурный профиль одного из типов промышленного аппарата вакуумной сепарации имеет следующие параметры: ун = 850 °С - температура начала испарения магния и хлорида магния; ув = 1030 °С - температура высокотемпера-

турной выдержки блока реакционной массы; продолжительность стадии нагрева 10 ч; продолжительность стадии высокотемпературной выдержки 65 ч; общая продолжительность вакуумной сепарации 75 ч.

Недостаток промышленной технологии состоит в том, что большую часть времени процесс вакуумной сепарации протекает при повышенной температуре выдержки блока реакционной массы. На этой стадии процесса возрастают тепловые потери аппарата сепарации, на компенсацию которых требуются значительные затраты электроэнергии. Снижение тепловых потерь и, следовательно, снижение энергозатрат возможно за счет снижения рабочей температуры процесса. При этом не должны ухудшаться технологические показатели вакуумной сепарации и, в частности, не должно произойти увеличения продолжительности процесса и снижения качества титановой губки. Таким образом, ставится задача энергосберегающего управления вакуумной сепарацией при сохранении достигнутых технологических показателей процесса.

В статье приводится решение данной задачи с использованием рассмотренных выше законов переноса тепла и влаги при сушке капиллярно-пористых тел.

4. Исследование закономерностей тепломассопереноса в процессе вакуумной сепарации губчатого титана. Представленный на рисунке, а температурный профиль промышленного аппарата сепарации определяет традиционную высокотемпературную технологию вакуумной очистки титановой губки от магния и хлорида магния. При такой технологии в течение процесса вакуумной сепарации блок реакционной массы имеет переменную температуру: сначала нагревается его поверхность теплом, поступающим от стенки реторты, а затем в последнюю очередь, в конце процесса, прогревается до заданной температуры выдержки центральная часть блока реакционной массы [1].

При нагреве под вакуумом блока реакционной массы магний и хлорид магния испаряются сначала с поверхности блока, а затем из более глубоких слоев, т.е. фронт испарения перемещается в ходе процесса от поверхности блока его центру. Процесс заканчивается после испарения магния и его хлорида в центральной части блока реакционной массы путем прогрева блока до максимальной температуры. Требуется длительная высокотемпературная выдержка и значительные энергозатраты для испарения магния и его хлорида внутри реакционной массы, в ее центральной части. В ходе процесса вакуумной сепарации возникает температурный градиент 200-300 °С между «горячей» поверхно-

стью и «холодным» центром блока реакционной массы, изменение которого зависит от последовательности и интенсивности испарения магния и его хлорида из пор и капилляров титановой губки [1].

Проводя аналогию с конвективной сушкой [15], можно сделать вывод о том, что в процессе вакуумной сепарации, как и при конвективной сушке капиллярно-пористых тел, градиент температуры и градиент концентрации удаляемого вещества (магния и хлорида магния) имеют противоположные направления: градиент температуры направлен от центра к поверхности реакционной массы, градиент концентрации - от поверхности к центру блока реакционной массы. Температурный градиент затрудняет перенос магния и его хлорида к поверхности блока реакционной массы, что снижает скорость сепарации.

5. Способы управления тепломассопереносом в процессе вакуумной сепарации. Законы переноса тепла и влаги в процессах сушки капиллярно-пористых материалов широко используются для разработки энергосберегающих технологий в разных отраслях промышленности [11-13, 16]. При разработке энергосберегающих технологий возникают задачи интенсификации внутреннего тепломассопереноса в капиллярно-пористом материале, связанные с ускорением переноса вещества (влаги) из внутренних частей к поверхности материала [11, 16].

Наиболее эффективным управлением переносом вещества является изменение температурного градиента внутри капиллярно-пористого материала. Изменяя величину и направление температурного градиента, можно изменять механизм переноса вещества внутри материала. В частности, в процессе конвективной сушке градиенты температуры и влагосодержания имеют противоположные направления, поэтому целесообразно уменьшать температурный градиент, уменьшая тем самым дополнительное сопротивление переносу влаги к поверхности материла, вносимое термической диффузией. Ускорение переноса влаги к поверхности возможно также изменением направления температурного градиента путем создания режимов конвективной сушки, при которых температура внутри материала больше температуры его поверхности. Такие методы управления температурным градиентом позволяют интенсифицировать процессы переноса влаги внутри капиллярно-пористого материала и снизить за счет этого энергозатраты на сушку материала [11, 13, 16].

Аналогичные методы использованы для интенсификации тепло-массопереноса и снижения энергозатрат в процессе вакуумной сепара-

ции путем управления величиной и направлением температурного градиента, возникающего в ходе процесса между поверхностью и центром блока реакционной массы. Практическая реализация методов основана на введении переменных режимов подвода энергии к блоку на стадиях нагрева и высокотемпературной выдержки [17, 18]. Уменьшение температурного градиента на стадии нагрева достигается снижением до заданного значения скорости нагрева блока реакционной массы. В результате температуры поверхности и центра блока выравниваются, температурный градиент уменьшается и не оказывает существенного сопротивления переносу магния и его хлорида к поверхности блока [17]. На стадии высокотемпературной выдержки предусмотрен режим охлаждения блока реакционной массы с заданной скоростью. При таком технологическом режиме изменяется направление температурного градиента, и температура центра блока реакционной массы становится выше температуры охлаждаемой поверхности. Вследствие этого магний и его хлорид перемещаются по капиллярам титановой губки из центральной части к поверхности блока, где испаряются [18].

На рисунке, б представлен температурный профиль промышленного аппарата вакуумной сепарации, построенный по результатам проведенных исследований. Видно, что температурный профиль энергосберегающей технологии вакуумной сепарации состоит из трех стадий: нагрева с заданной скоростью, высокотемпературной выдержки, охлаждения с заданной скоростью блока реакционной массы в печи сепарации до температуры окончания процесса ук.

Такой температурный профиль имеет следующие параметры: ун = 850 °С, ув = 1030 °С, ук = 750 °С, продолжительности стадий нагрева, высокотемпературной выдержки, охлаждения блока реакционной массы составляют соответственно 20, 40 и 15 ч, общая продолжительность вакуумной сепарации 75 ч, скорости нагрева и охлаждения блока реакционной массы 9 и 18,6 °С /ч.

В отличие от традиционной высокотемпературной технологии вакуумной сепарации температурный профиль энергосберегающей технологии имеет две низкотемпературные стадии - нагрева и охлаждения блока реакционной массы с заданными скоростями, введение которых позволило сократить продолжительность стадии высокотемпературной выдержки и снизить за счет этого рабочую температуру процесса вакуумной сепарации. Соответственно снизились теплопоте-ри аппарата и энергозатраты процесса вакуумной сепарации губчатого

титана. Управление температурным профилем энергосберегающей технологии вакуумной сепарации реализовано применением программных регуляторов [19].

Заключение. Проведен сравнительный анализ процессов тепло-массопереноса при вакуумной очистке титановой губки от магния и хлорида магния и тепловлагопереноса при конвективной сушке капиллярно-пористых материалов. Установлено, что эти процессы имеют общие закономерности, использование которых в промышленной практике для управления тепломассопереносом в блоке реакционной массы позволило снизить энергетические затраты на вакуумную очистку титановой губки от магния и хлорида магния.

Список литературы

1. Тарасов А.В. Металлургия титана. - М.: Академкнига, 2003. - 328 с.

2. Резниченко В.А., Гончаренко Т.В., Резниченко Е.А. Металлотерми-ческое получение титана // Технология металлов. - 2001. - № 11. - С. 2-7.

3. Кирин Ю.П., Беккер В.Ф., Затонский А.В. Некоторые результаты совершенствования процесса получения губчатого титана // Цветные металлы. -2009. - № 12. - С. 91-94.

4. Кирин Ю.П., Кирьянов В.В. Робастное управление технологическими процессами производства губчатого титана // Проблемы управления. -2017. - № 6. - С. 71-79.

5. Кирин Ю.П., Бильфельд Н.В., Тихонов В.А. Робастная настройка ПИ-регулятора температуры процесса вакуумной сепарации губчатого титана // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2019. - № 6. - С. 3-10.

6. Кук М., Уортман Ф. Очистка титановой губки методом вакуумной сепарации // Титан. - М.: Иностр. литература, 1954. - Вып. 3. - С. 69-82.

7. Кушкин Б.Н. Исследование процесса очистки магниетермической титановой губки методом вакуумной сепарации: автореф. дис. ... канд. техн. наук / УПИ. - Свердловск, 1966. - 19 с.

8. Мальшин В.М., Кропачев В.К. Изучение теплопотерь при получении губчатого титана в аппаратах периодического действия // Химия и технология титана. Труды Института титана. - Запорожье, 1982. - С. 64-70.

9. Станет ли титан дешевле завтра? О перспективах разработки непрерывной технологии магниетермического производства титана / С.М. Лупи-нос, С.Б. Грищенко, Д.В. Прутцков [и др.] // Титан. - 2015. - № 3 (49). -С.14-21.

10. Байбеков М.К., Попов В.Д., Чепрасов И.М. Магниетермическое производство губчатого титана. - М.: Металлургия, 1984. - 96 с.

11. Лыков А. В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 427 с.

12. Мартыненко О.Г. К 100-летию со дня рождения А.В. Лыкова. Научное наследие // Инженерно-физический журнал. - 2010. - Т. 83, № 4. -С.625-631.

13. Кульчицкий В.А., Пчелкина Л.Б. К 100-летию со дня рождения А.В. Лыкова // Academia. Архитектура и строительство. - 2010. - № 3. -С. 20-26.

14. Колесниченко В.И. Процессы тепло- и массопереноса при термовакуумной очистке титановой губки от наполнителей: препринт / УНЦ АН СССР. - Свердловск, 1983. - 55 с.

15. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Аз-book, 2009. - 469 с.

16. Данилов О.Л., Леончик Б.И. Экономия энергии при тепловой сушке. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 136 с.

17. Пат. 2070593 РФ. Способ вакуумной сепарации губчатого титана / Ю.П. Кирин. - № 93 93006574; опубл. 05.09.1996, Бюл. № 35.

18. Пат. 2061774 РФ. Способ вакуумной сепарации губчатого титана / Ю.П. Кирин. - № 93 93013415; опубл. 05.09.1996, Бюл. № 16.

19. Кирин Ю. П., Кирьянов В. В., Тихонов В. А. Низкотемпературная вакуумная сепарация губчатого титана // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014.- № 5. - С. 227-229.

References

1. Tarasov A.V. Metallurgiya titana [Titanium metallurgy]. Moscow, Akademkniga, 2003, 328 p.

2. Reznichenko V.A, Goncharenko T.V, Reznichenko E.A. Metalloter-micheskoe poluchenie titana [Metallothermal production of titanium]. Metal technology, 2001, no. 11, pp. 2-7.

3. Kirin Yu.P., Becker V.F., Zatonskiy A.V. Nekotory'e rezuFtaty' sovershenstvovaniya processa polucheniya gubchatogo titana [Some results of improving the process of obtaining titanium sponge]. Non-ferrous metal, 2009, no. 12, pp. 91-94.

4. Kirin Yu.P., Kiryanov V.V. Robastnoe upravlenie texnologicheskimi processami proizvodstva gubchatogo titana [Robust control of technological processes of titanium sponge production]. Management problems, 2017, no. 6, pp. 71-79.

5. Kirin Yu. P., Bilfeld N.V, Tikhonov V.A. Robastnaya nastrojka PI -regulyatora temperatury processa vakuumnoj separacii gubchatogo titana [Robust setting of PI - temperature controller of the process of vacuum separation of titanium sponge]. Industrial automated control systems and controllers, 2019, no. 6, pp. 3-10.

6. Cook M., Wortman F. Ochistka titanovoj gubki metodom vakuumnoj separacii [Cleaning titanium sponge by vacuum separation method]. Titan. Inostrannaya literatura. Moscow, 1954, iss. 3, pp. 69-82.

7. Kushkin B.N. Issledovanie processa ochistki magnietermicheskoj titanovoj gubki metodom vakuumnoj separacii [Investigation of the process of cleaning a magnesium-thermal titanium sponge by the method of vacuum separation]. Abstract of Ph. D. thesis. Sverdlovsk, 1966, 19 p.

8. Malshin V.M, Kropachev V.K. Izuchenie teplopoter pri poluchenii gubchatogo titana v apparatax periodicheskogo dejstviya [Study of heat loss in the production of titanium spongy in batch apparatus]. Khimiya i tekhnologiya titana. Trudy Instituta titana. Zaporizhzhia, 1982, pp. 64-70.

9. Lupinos S.M, Grishchenko S.B, Pruttskov D.V. Stanet li titan deshevle zavtra? O perspektivax razrabotki neprery'vnoj texnologii magnietermicheskogo proizvodstva titana [Will titanium become cheaper tomorrow? Prospects for the development of continuous technology for magnesium-thermal titanium production]. Titan, 2015, no. 3 (49), pp. 14-21.

10. Baibekov M.K, Popov V.D., Cheprasov I.M. Magnietermicheskoe proizvodstvo gubchatogo titana. [Magnesium thermal production of titanium sponge]. Moscow, Metallurgiya, 1984, 96 p.

11. Lykov A.V. Teoriya sushki [Drying theory]. Moscow, Energiya, 1968, 427 p.

12. Martynenko O.G. K 100-letiyu so dnya rozhdeniya A.V. Lykova. Nauchnoe nasledie [To the 100th anniversary of the birth of A.V. Lykov. Scientific heritage]. Engineering physics journal, 2010, no. 4, pp. 625-631.

13. Kulchitsky V.A, Pchelkina L.B. K 100-letiyu so dnya rozhdeniya A.V. Lykova [To the 100th anniversary of the birth of A.V. Lykov]. Academy. Architecture and construction, 2010, no. 3, pp.20-26.

14. Kolesnichenko V.I. Processy' teplo - i massoperenosa pri termo-vakuumnoj ochistke titanovoj gubki ot napolnitelej. [Processes of heat and mass transfer during thermal vacuum cleaning of titanium sponge from fillers]. Sverdlovsk, Preprint, Ural scientific center of the academy of sciences of the USSR, 1983, 55p.

15. Nashchokin V.V. Texnicheskaya termodinamika i teploperedacha. [Technical thermodynamics and heat transfer]. Moscow, Az-book, 2009, 469 p.

16. Danilov O.L, Leonchik B.I. Ekonomiya energii pri teplovoj sushke. [Saving energy by heat drying]. Moscow, Energoatomizdat, 1986, 136 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

17. Kirin Yu.P. Sposob vakuumnoj separacii gubchatogo titana [Method for vacuum separation of titanium sponge]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2070593 (1996).

18. Kirin Yu.P. Sposob vakuumnoj separacii gubchatogo titana [Method for vacuum separation of titanium sponge]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2061774 (1996).

19. Kirin Yu.P., Kiryanov V.V, Tikhonov V.A. Nizkotemperaturnaya vakuumnaya separaciya gubchatogo titana [Low-temperature vacuum separation of titanium sponge]. Scientific and technical bulletin of the Volga region, 2014, no. 5, pp. 227-229.

Получено 27.10.2021

Об авторах

Кирин Юрий Петрович (Березники, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии и экологии Березниковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета (618404, г. Березники, ул. Тельмана, 7; e-mail: u.p.kirin@yandex.ru).

Тихонов Вячеслав Александрович (Березники, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии и экологии Березниковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета (618404, г. Березники, ул. Тельмана, 7; e-mail: vtihonov@bf.pstu.ru).

Ангельхер Анна Юрьевна (Березники, Россия) - студент 2-го курса «Перспективные химические технологии» магистратуры кафедры химической технологии и экологии Березниковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета (618404, г. Березники, ул. Тельмана, 7; e-mail: xt@bf.pstu.ru).

About the authors

Yuri P. Kirin (Berezniki, Russian Federation) - Ph.D in Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemical Technology and Ecology of the Bereznikovsky Branch of the Perm National Research Polytechnic University (7, Telman str., Berezniki, 618404; e-mail: u.p.kirin@yandex.ru).

Vyacheslav A. Tikhonov (Berezniki, Russian Federation) - Ph.D in Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemical Technology and Ecology of the Bereznikovsky Branch of the Perm National Research Polytechnic University (7, Telman str., Berezniki, 618404; e-mail: vtihonov@bf.pstu.ru).

Anna Yu. Angelkher (Berezniki, Russian Federation) - 2nd year student "Advanced Chemical Technologies" of the Master's Degree in the Department of Chemical Technology and Ecology of the Bereznikovsky Branch of the Perm National Research Polytechnic University (7, Telmana str., Berezniki, 618404; e-mail: xt@bf.pstu.ru).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.