Разработка технологии выпаривания фосфорной кислоты энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты и методики расчета выпарного аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Могилевский, Федор Евгеньевич

• Могилевский, Федор Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Могилевский, Федор Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ОСОБО ЧИСТОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ.

1.1. Необходимость концентрированной фосфорной кислоты.

1.2. Виды фосфорной кислоты.

1.2.1. Ортофосфорная кислота.

1.2.2. Пырофосфорная кислота.

1.2.3. Метафосфорная кислота.

1.2.4. Структура раствора фосфорной кислоты.И

1.3. Технология получения фосфорной кислоты.

1.3.1. Термический метод.

1.3.2. Сернокислый метод.

1.3.2.1. Дигидратный способ производства экстракционной фосфорной кислоты.

1.3.2.2. Двухстадийные способы производства ЭФК.

1.4. Методы очистки фосфорной кислоты.

1.5. Методы концентрирования фосфорной кислоты.

1.5.1. Аппараты контактного типа.

1.5.2. Аппараты с косвенным нагревом.

1.5.3. Нагрев электрическим током проводимости.

1.5.4. Диэлектрический нагрев.

1.5.5. Сравнение методов концентрирования.

1.6. Постановка задач исследования.

1. б. 1. Причины внесения загрязнений в процессе выпаривания.

1. б. 2. Анализ альтернативных методов энергоподвода.

1.6.3. Выбор частоты электромагнитного излучения.

1.6.4. Проблемы при проектировании СВЧнагревательного оборудования.

1.6.4.1. Экономичность использования СВЧ энергии.

1.6.4.2. Безопасность технологического оборудования.

1.6.5. Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПАРИВАНИЯ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ЭНЕРГИЕЙ ПОЛЯ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ.

2.1. Особенности применения СВЧ нагрева для выпаривания кислот.

2.1.1. Известные технологические разработки.

2.2. Разработка экспериментальной установки и исследование процесса выпаривания.

2.2.1.1. Особенности нагрева полем сверхвысокой частоты.

2.2.1.2. Проблемы использования высокочастотного нагрева.

2.2.2. Выбор источника электромагнитного поля.

2.2.3. Расчет рабочей камеры.

2.2.3.1. Существующие типы нагревателей, использующих энергию поля сверхвысокой частоты.

2.2.3.2. Выбор подходящего типа рабочей камеры.

2.2.4. Расчет экспериментальной установки.

2.2.4.1. Расчет геометрии волноводной части.

2.2.4.2. Расчет резонатора.

2.2.4.3. Обеспечение безопасности установки.

2.2.5. Конструкция лабораторной установки и методика проведения эксперимента.

2.2.6. Процесс выпаривания и полученные результаты.

2.2.7. Анализ результатов экспериментального исследования.

2.3. Технология выпаривания фосфорной кислоты энергией поля СВЧ.

2.3.1. Технологические режимы процесса выпаривания фосфорной кислоты энергией поля СВЧ.

2.3.1.1. Периодический процесс.

2.3.1.2. Непрерывный процесс.

2.3.2. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОД РАСЧЕТА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЭНЕРГИЮ ПОЛЯ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ.:.

3.1. Проблемы, возникающие при проектировании СВЧ оборудования и способы их решения.

3.1.1. Неравномерный нагрев объекта и методы борьбы с ним.

3.1.1.1. Перемешивание электромагнитного поля.

3.1.1.2. Выравнивание волновой структуры электромагнитного поля.

3.1.2. Согласование источника и нагреваемого тела.

3.1.3. Способы решения.

3.1.3.1. Экспериментальный метод.

3.1.3.2. Математическое моделирование.

3.1.3.3. Численное моделирование.

3.1.3.4. Метод конечных элементов.

3.1.4. Сравнение методов согласования источника и объекта.

3.2. Расчёт параметров рабочей камеры выпарного аппарата.

3.2.1. Расчёт электромагнитного и теплового полей.

3.2.2. Требования к методам расчета.

3.2.3. «Лучевой» метод.

3.2.3.1. Обоснование необходимости создания нового метода расчета.

3.2.3.2. Описание «лучевого» метода.

3.2.3.3. Создание программы для расчета электромагнитных полей.

3.2.4. Примеры решения задач по определению электромагнитного поля.

3.2.4.1. Частоты отличные от резонансной.

3.2.4.2. Волновод двойной ширины.

3.2.4.3. Волновод двойной высоты.

3.2.4.4. Электромагнитное поле в волноводе с поглотителем.

3.2.4.5. Температурное поле в волноводе с поглотителем.

3.2.4.6. Расчет конструкции экспериментальной установки.

3.2.4.7. Поток энергии электромагнитного поля в промышленной установке.

3.2.4.8. Сравнение методов численного моделирования электромагнитного нагрева

3.2.5. Использование вычислительной техники при расчете СВЧустановок.

3.2. б. Алгоритм оптимизации системы с использованием вычислительной техники.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ВЫПАРНОГО АППАРАТА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ОРТОФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ ЭНЕРГИЕЙ ПОЛЯ

СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ.

4.1. Основные элементы конструкции аппарата.

4.1.1. Геометрия сосуда с кислотой и рабочей камеры.

4.1.2. Выбор источника СВЧ поля.

4.1.2.1. Сосредоточенный источник.

4.1.2.2. Распределенный источник.

4.1.2.3. Выбор структуры источника СВЧ энергии.

4.1.3. Режим работы аппарата.

4.2. Рабочая камера аппарата непрерывного действия.

4.3. Рабочая камера аппарата периодического действия.

4.3.1. Заданные параметры аппарата.

4.3.2. Расчет требуемой мощности.

4.3.2.1. Балансные соотношения для процесса упаривания фосфорной кислоты.

4.3.2.2. Теплофизические характеристики фосфорной кислоты, полученные из экспериментальных исследований.

4.3.2.3. Исходные данные для расчета промышленного аппарата.

4.3.2.4. Расчет энергоемкости фаз процесса выпаривания.

4.3.3. Расчет оптимальной геометрии аппарата.

4.3.3.1. Получение удельных энергетических характеристик.

4.3.3.2. Интерполяция экспериментальных результатов.

4.3.3.3. Расчет фактора потерь.

4.3.3.4. Расчет размеров рабочей камеры.

4.3.4. Конструкция и принцип работы промышленного варианта выпарного аппарата.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии выпаривания фосфорной кислоты энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты и методики расчета выпарного аппарата»

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.

Глава 1. Методы производства особо чистой фосфорной кислоты высокой концентрации

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Могилевский, Федор Евгеньевич

Основные результаты и выводы по работе

Исследован процесс получения чистой (ХЧ и ЧДА) фосфорной кислоты высокой концентрации Р2О5 путем выпаривания энергией электромагнитного поля СВЧ диапазона.

Общин вид выпарного аппарата с источниками СВЧ энергии: I - трубчатый корпус; 2 - фланцевое уплотнение торцов; 3 - волновод; 4 - магнетрон {н = 12)

Экспериментально найдено, что процесс выпаривания фосфорной кислоты до метафосфорной при СВЧ энергоподводе возможен и происходит при меньших удельных энергозатратах (энергоемкость процесса ниже в 1,6 - 1,8 раза) и с более высокой скоростью (в 1,2 раза), чем при кондуктивном энергоподводе. Следовательно, предлагаемый процесс обладает практической целесообразностью. В экспериментальном исследовании процесса нагрева и выпаривания определены электрофизические характеристики раствора фосфорной кислоты в СВЧ диапазоне.

Разработаны промышленный процесс и технология выпаривания ор-тофосфорной кислоты до метафосфорной с использованием энергии электромагнитного поля СВЧ. Получены технологические и режимные параметры такого процесса.

Разработан инженерный метод расчета технологических режимов процесса выпаривания фосфорной кислоты и конструктивных характеристик промышленного выпарного аппарата.

Разработан численный метод расчета рабочих объемов выпарных аппаратов, использующих энергию поля СВЧ. Кратко описана компьютерная программа, реализующая данный метод, с помощью которой может быть проведено конструирование рабочих объемов для СВЧ нагревания различных сред, в том числе и выпарного аппарата, реализующего исследованный в данной работе процесс. С использованием данной программы был произведен расчет и оптимизация промышленной установки по выпариванию ортофосфорной кислоты до метафосфорной энергией электромагнитного поля СВЧ. Данный метод может быть также использован для расчета широкого класса аппаратов, использующих энергию электромагнитного поля СВЧ.

Предложена конструкция периодически действующего выпарного аппарата для выпаривания химически чистой фосфорной кислоты энергией поля СВЧ.

Научная новизна работы состоит в создании расчетного метода для рабочих камер аппаратов, использующих СВЧ энергию для нагрева. Также впервые было проведено исследование процесса выпаривания фосфорной кислоты энергией электромагнитного поля СВЧ.

Публикации

1. Могилевский Ф.Е., Шаталов A.JI. Метод расчета электромагнитного поля, используемого для нагрева потока жидкости. В кн. Инженерная защита окружающей среды. Сб. докладов 5 Международной конференции/Под ред. Баранова Д.А., Николайкиной Н.Е. - М.: МГУИЭ, 2003. с. 133-136.

2. Могилевский Ф.Е. Описание принципов работы программы NewRay расчета структуры электромагнитного поля СВЧ. Студенческая научная конференция факультета АИТ. Сборник тезисов докладов аспирантов, магистрантов и студентов. - М.: МГУИЭ, 2004. С. 52-53.

3. Шаталов A.JI., Могилевский Ф.Е. Интенсификация выпаривания фосфорной кислоты полем СВЧ и метод расчета аппарата // Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005, №9. С. 7-10.

4. Могилевский Ф.Е., Шаталов А.Л. К расчету и конструированию аппарата выпаривания фосфорной кислоты энергией поля сверхвысокой частоты // Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006, №8. С. 10-12.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Могилевский, Федор Евгеньевич, 2009 год

1. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1998. - 408 с.

2. Бутенко Ю.В. Разработка новых способов получения фосфористой кислоты с использованием методов математического моделирования : Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1998. - 16 с.

3. Ваггаман В. Фосфорная кислота, фосфаты и фосфорные удобрения. -М. , 1957, 724 с.

4. Везер Ван Джон Р. Фосфор и его соединения.В 2-х т. / Шерешевский А.И. (пер. с англ. и под ред.); Т. 1. М.: Изд. иностр.лит.,1962. 687 с.

5. Зотов Е.Б. Производство экстракционной фосфорной кислоты с применением струйной техники : Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1992. - 16 с.

6. Исследование в области химии и технологии фосфора и фосфоросодержащих продуктов. Сб. научн. тр. / Под ред. Кириллова В. М., Фоминой Е. А. -Л.: ЛенНИИГипрохим, 1982. 111 с.

7. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. A. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. М.: Эдиториал УРСС, 2003. -272 с.

8. Кесоян Г.А. Технология и применение пищевых фосфатов. — М.: Экономика, 2007. — 360 с.

9. Коновалова C.J1. Производство экстракционной фосфорной кислоты. Библиогр. указ. (1966-1977 гг.) JI.: Ленниигипрохим, 1982. -176 с.

10. Ю.Копылев Б.А. Технология экстракционной фосфорной кислоты. -Д.: Химия, 1981

11. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. — М.: Наука, 1982. — Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. — 624 с.

12. Лебедев B.C. Интенсификация тепломассопереноса в производствах ЭФК и СФК с использованием низкочастотных колебаний : Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1994. - 16 с.

13. Макарьин К.И. Разработка рациональной схемы концентрирования фосфорной кислоты : Дис. . канд. техн. наук. М. , 1946

14. Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека. М.: Сов. радио, 1974.- 352 с.

15. Миронов В.Е. Получение высококонцентрированной фосфорной кислоты в промышленных условиях : Дис. . канд. техн. наук. М., 2001. -124 с.

16. Нифантьев Э.Е. Химия фосфоросодержащих соединений. М.: МГУ, 1971. - 352 с.

17. Перри Д.Г. Справочник инженера-химика / Пер. с .англ, под ред. Н.М. Жаворонкова и П.Г. Романков. Л.: Химия, 1969

18. Плановский А.Н., Николаев П.Н. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1987. - 540 с.

19. Постников Н.Н. Термическая фосфорная кислота. М.: Химия, 1970.- 304 с.

20. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот (пер. с англ.). -М.: Энергия, 1968. 312 с.

21. Рашева Д.А. Очистка экстракционной фосфорной кислоты от некоторых примесей : Дис. . канд. техн. наук. М., 1994. - 169 с.

22. Савищева О.М. и др. Исследование процесса термической дегидратации ортофосфорной кислоты // Исследования в области химии и технологии фосфора и его соединений: Сб. науч. тр. / КазНИИГипро-фосфор. М.: НИИТЭХИМ, 1986. - С. 52-57

23. Сапунов Г.С. Ремонт микроволновых печей. М.: Солон, 1998. -272 с.

24. СВЧ-энергетика / под ред. Окресса Э. М.: Мир, 1971. - 272 с.

25. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: МИР, 1979. - 392 с.

26. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: МИР, 1977. - 349 с.

27. Трухан В.Г., Саликов П.М., Какуркин Н.П. Результаты модернизации вакуум-выпарных установок для производства экстракционной фосфорной кислоты // Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007, №5. С. 3-6.

28. Фейнман Р., Хиббс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. М.: Мир, 1968. - 384 с.

29. Филимонов В.Т. Методы получения ортофосфорной кислоты высокой удельной активности на основе радионуклидов 32Р и 33Р: Обзор по отеч. и зарубеж. источникам 1948-1992 гг / Филимонов В.Т., Кузнецова Н.В. Димитровград, - 1994.

30. Холпанов Л.П., Шкадов В.Я. Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела. М.: Наука. - 1990. - 271 с.

31. Шаталов А.Л. Интенсификация тепломассообменных процессов электромагнитным полем сверхвысокой частоты : Дис. . д-ра техн. наук. М., 1999

32. Шаталов А.Л., Воронин С.Ю., Кардашев Г.А. Способ расчета структуры полей в волноводах. Математические методы в технике и технологиях ММТТ-12: Сб. трудов Международ, науч. конф. В 5-ти т. Т.4. Новгород, гос. ун-т. Великий Новгород, 1999. - 172 с.

33. Шаталов А.Л. Эффективность применения энергии электромагнитного поля для нагрева диэлектрических и полупроводящих сред // Журнал Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008, №12. С. 16-18.

34. Шелофаст В., Стайнова Е., Розинский С. Программный комплекс АРМ WinMachine инструмент для проектирования современных машин, механизмов и конструкций. CADmaster, N'2, 2005 г. с. 45 - 49.