Диссертация (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиЗАКОЖУРНИКОВА ГАЛИНА СЕРГЕЕВНАПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОСТВАКАРБИДА КРЕМНИЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЛАВИЛЬНОГОПРОЦЕССАСпециальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетикаДИССЕРТАЦИЯна соискание учѐной степени кандидата технических наукНаучный руководитель:д.т.н., профессорКузеванов Вячеслав СеменовичМосква – 20152ОГЛАВЛЕНИЕВведение………………………………………………………………………….7Глава 1. Анализ условий протекания технологического процессаполучения карбида кремния……………………………………………………121.1. Химические основы получения карбида кремния………………………... 121.2. Конструкции печей сопротивления для получения SiC…………..............

131.3. Технологический процесс получения карбида кремнияв электрических печах…………………………………………………………... 18Глава 2. Существующие математические модели процессов, протекающихпри получении карбида кремния в электрических печах сопротивления…… 282.1. Известные математические модели процесса получения карбидакремния. Проблемы моделирования…………………………………………… 282.2. Моделирование тепломассопереноса в пористых телах…………............. 302.3.

Математическое моделирование сушки материалов……………………..342.4. Математическое моделирование процесса фильтрации…………............. 362.5. Модели расчета теплофизических параметров дисперсных сред……….432.6. Описание химических реакций, определяющихтехнологический процесс……………………………………………………….. 47Глава 3. Моделирование процессов в печи для производствакарбида кремния…………………………………………………………………493.1. Общая структура модели тепломассопереноса в печахпри производстве карбида кремния……………………………………………. 493.1.1.

Общая физическая модель процесса………………………………... 493.1.2. Математическая модель……………………………………………... 523.2. Модель расчета объемных тепловыделений qV,эл………………………… 553.3. Модель расчета qV,хим……………………………………………………….. 563.4. Модель сушки пористого проницаемого материалапри внутреннем нагреве………………………………………………………… 5733.4.1.

Расчет влагоудаления из реакционных зон печейсопротивления……………………………………………………………………573.5. Модель тепломассопереноса фильтрационным потоком газа……………653.5.1. Расчет поля давления в пористой среде с реагирующимикомпонентами…………………………………………………………………….653.5.2. Модель расчета qV,эф……………………………………………........693.6. Модель расчѐта эффективного коэффициента теплопроводности λэф……..693.7.

Модель изменения пористости системы…………………………………71Глава 4. Верификация моделей сушки и фильтрации…………………………734.1. Расчетные исследования по модели сушки………………………………..734.2. Выделение газов в процессе плавки………………………………..............764.3. Расчетные исследования по модели фильтрации…………………………794.3.1. Определение функции θТ ()………………………………………...794.3.2. Определение функций θх () и θс () ……………………………….82Глава 5. Результаты экспериментальных и расчетных исследованийтемпературных полей при производстве карбида кремния.

Разработка рекомендаций по повышению энергетической эффективности производства SiC…895.1. Экспериментальное определение температур в рабочей зоне печи……..895.2. Описание расчетной программы…………………………………………...955.3. Результаты численных исследований……………………………………...985.4. Рекомендации по повышению энергетической эффективностипроизводства. Ожидаемые результаты при реализации энергоэффективныхмероприятий……………………………………………………………………... 108Выводы по работе……………………………………………………………….. 115Список литературы…………………………………………………………….... 116Приложение……………………………………………………………………… 1274Основные обозначения:kp,i– константа химической реакции, определяющая скорость изменениясостава и массы твѐрдой структуры;kp,j– константа химической реакции, определяющая скорость изменениясостава и плотности массового расхода газовой составляющей;xв– влажность твѐрдой структуры;ε– пористость системы;ρ– плотность, кг/м3;h– удельная энтальпия, Дж/кг;qv– мощность внутренних источников тепла, Вт/м3;mi~ρ– масса компонента «i» в элементарной ячейке, кг;t, T– температура, °С, и абсолютная температура, К;P– давление, Па;x– продольная координата, м;y– поперечная координата, м;z– аксиальная координата, м;υg~– доля не связанных между собой микропор;iхим– парциальная плотность, кг/м3;– интенсивность объемной генерации газа в химических реакциях, кг/м3с;g~суш – интенсивность объемной генерации пара в процессе сушки, кг/м3с;qv,хим – мощность внутренних источников тепла, обусловленная процессамихимических превращений, Вт/м3;qv,суш – мощность внутренних источников тепла, обусловленная сушкойтвердого компонента, Вт/м3;е– теплота совокупности химических реакций, приводящих к появлениюгазовой составляющей, Дж/кг;r– скрытая теплота парообразования, Дж/кг;q VК,эл – доля энерговыделения, приходящаяся на греющий элемент плавильнойпечи (керн), Вт/м3;5xSiC– массовая доля SiC в шихте;хв– средняя влажность твѐрдой составляющей шихты;Vn– объѐм загрузки плавильной печи, м3;ej– тепло химической реакции «j», Дж/кг;δi,j– функция, принимающая значение либо 0, либо 1;η1,j– время начала химической реакции типа «j», с;η2,j– время завершения химической реакции типа «j», с;Тн.р.j– температуры начала химической реакции типа «j», К;эGхим,j – выход газообразного продукта реакции «j» на единицу массы (Мзагр)загружаемой шихты, кг/т;jВ– плотность массового расхода молекул воды, м2/с;D– эффективный коэффициент диффузии, м2/с;ζ– виртуальный центр ячейки;δ– среднее расстояние от центра твердой составляющей до поверхностипор в ячейке, м;ϰ– параметр, характеризующий интенсивность обменных процессов награнице «твердая компонента – текучая среда»;хвгр– влажность на оговоренной границе;D1*– коэффициент формы ячейки;R– произвольная радиальная координата;Z*– произвольная аксиальная координата на достаточном удалении отторцов печи;ηзап– время запаздывания, с;k– номер слоя, отcчитываемый от центра эквивалентной зоны;Rк– эквивалентный радиус керна;η00– время сушки материала, с;x2nμ~– массовая концентрация компонента «n» в газе;– молекулярная масса, кг/моль;6Rунив – универсальная газовая постоянная, Дж/моль∙К;λэф– эффективный коэффициент теплопроводности системы, Вт/(м ∙ К);qизл– составляющая теплового потока, связанная с излучением, Вт/м3;λ изл, ξ – условный коэффициент теплопроводности излучения, Вт/(м ∙ К);εr– степень черноты поверхности пор;ζ0– постоянная Стефана – Больцмана, Вт/м2 К4;lξ– шаг расчетной сетки по направлению ξ, м;α– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 °С);Cp– удельная теплоемкость, Дж/(кг ∙ К).Индексы и другие сокращения:1– параметры твѐрдого тела;2– параметры газа в полостях;С– твѐрдый сухой компонент смеси;газ – параметр газа, появляющегося в результате химических реакций втвердом сухом компоненте;В– параметры водяной фазы;ф– процесс фильтрации;0– параметр в момент начала плавки;р.з– параметр в расчѐтной зоне.Остальные обозначения приведены в тексте.7ВВЕДЕНИЕВ настоящее время все более широкое применение для различных целейнаходят соединения кремния, в частности карбид кремния.

Этот материал используют в энергетике [1], [2], электронике, машиностроении. По мере расширениясферы применения карбида кремния не только увеличивается потребность в егопроизводстве, но и повышаются требования к качеству материала, в частности кего чистоте и стабильности свойств.Объемы и стоимость производства карбида кремния, его качество зависят,в том числе, от технологии получения этого продукта. Существующая технологияпроизводства карбида кремния – это высокотемпературный энергоемкий процесс,осуществляемый в специальных электрических печах [3], [4], [5], [6].Совокупность физических и химических явлений, протекающих в таких печах,оказывается весьма сложной с большим числом внутренних взаимосвязей. Совершенствование методов управления технологическим процессом получениякарбида кремния с целью увеличения выхода конечного продукта, повышения егокачества, экономии энергетических ресурсов представляет собой важную актуальную задачу.В современных условиях улучшение показателей производства карбидакремния требует, кроме экспериментальных исследований, наличия математических моделей тепломассопереноса, позволяющих решать задачу оптимизациирежимов работы технологических печей и осуществлять управление ими, в томчисле, в режиме реального времени.

Немногие известные математические моделипроцесса производства карбида кремния используют существенно упрощеннуюкартину процесса и не позволяют получить необходимую информацию об изменении важных для получения карбида кремния параметров, определяющих егокачество и выход как конечного продукта производства.Объектом исследования является электрическая печь для производствакарбида кремния. Производство SiC представляет собой организованную сово-8купность взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса при нагреве многокомпонентного исходного загружаемого в печь материала (шихты).Целью данной работы является повышение энергетической эффективностипроизводства SiC в электрической печи сопротивления через совершенствованиетехнологического процесса на основе анализа результатов моделирования процессов тепломассообмена, сопровождающих производство карбида кремния.Для достижения указанной цели решены следующие задачи:1.

Проведен анализ химических и физических процессов, протекающих приполучении карбида кремния в электрических печах, для выявления базовых факторов, которые необходимо учитывать при математическом моделировании длявоспроизведения поля температур в рабочей зоне печи.2. Построена общая модель определения температурного поля, учитывающая:– перенос тепла теплопроводностью в пористой многокомпонентнойсреде с внутренними источниками тепла;– фильтрационный перенос тепла;– теплообмен излучением;– химические реакции с участием компонентов исходной смеси;– удаление влаги из твердой составляющей.3.

Проведена верификация общей математической модели плавки на основеэкспериментальных данных, полученных в условиях действующего производства.4. Созданы алгоритм численного расчета и программа для ЭВМ, реализующаяпредложенную математическую модель.5. Определены мероприятия по уменьшению затрат электрической энергиина единицу продукции и представлены количественные результаты по сокращениюпотребления энергоресурсов во время плавки в печах сопротивления при реализациирекомендуемых мероприятий.Научная новизна исследования заключается в следующем:1.

Впервые создана и верифицирована в условиях действующего производстваобщая математическая модель процесса получения карбида кремния, учитывающая9перенос тепла теплопроводностью в пористой многокомпонентной среде с внутренними источниками тепла, фильтрационный перенос тепла, теплообмен излучением, химические реакции, удаление влаги из твердой составляющей.2. Впервые получены данные о влиянии явлений влагопереноса и фильтрациив слое исходного материала на распределение температур в реакционной зоне печиприменительно к процессу получения карбида кремния.3.

На основании численных экспериментов впервые показана возможностьсокращения теплоподвода на конечном этапе процесса производства карбидакремния без сокращения размеров реакционной зоны, а также определены характеристики указанных энергоэффективных режимов плавки.Основные методы научных исследований. В работе использованы фундаментальные методы теории тепломассообмена, математического моделирования,методы экспериментальных исследований.Практическая значимость работы заключается в следующем:1. Показана возможность и произведена количественная оценка сниженияудельной энергоемкости продукции в процессе производства карбида кремнияпутем сокращения энергоподвода на заключительном этапе процесса.2.

Результаты исследований могут быть использованы при проектированииэлектротермических печей сопротивления для выбора геометрических параметровреакционной зоны и предельной мощности печи.3. Программа для ЭВМ, реализующая разработанную математическуюмодель, может быть использована для выбора режима плавки и состава шихты сцелью повышения энергетической эффективности технологического процессаполучения карбида кремния.4. Использование расчетной программы позволяет отказаться от дорогостоящих промышленных экспериментов.Достоверность и обоснованность. При выполнении работы использованыфундаментальные физические законы, апробированные теоретические и экспериментальные методы исследования.