Диссертация (Совершенствование процесса производства карбида кремния путем изменения организации подвода теплоты)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиЗАКОЖУРНИКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССАПРОИЗВОДСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ ПУТЁМ ИЗМЕНЕНИЯОРГАНИЗАЦИИ ПОДВОДА ТЕПЛОТЫСпециальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетикаДИССЕРТАЦИЯна соискание учѐной степени кандидата технических наукНаучный руководитель:д.т.н., профессорГаряев Андрей БорисовичМосква – 20162ОГЛАВЛЕНИЕВведение…………………………………………………………………………...6Глава 1. Карбид кремния и процесс его производства как объектсовременных научных исследований…………………………………111.1.

Применение карбида кремния…………………………………….....111.2. Способы получения карбида кремния…………..….………….…....131.3. Промышленное производство карбида кремния……………….…..191.4. Результаты численных и экспериментальных исследований,направленных на решение задачи оптимизации работыпромышленных печей ……………………………………………….241.5. Выводы по первой главе……………………………………….…….37Глава 2. Математическое моделирование процесса образования карбидакремния с учѐтом осадки шихты и конденсации влагипри еѐ переносе ………………………………………………………..402.1. Общая математическая модель расчѐта температурных полейв печах сопротивления для производства карбида кремния……..402.2.

Модель расчѐта выхода продукта печи по производству карбидакремния………………………………………………………………..532.3. Математическая модель осадки материала в процессе производствакарбида кремния……………………………………………………...562.4. Математическая модель конденсации влаги, переносимойв процессе фильтрации через связанные поры шихты…………….672.5. Структура расчѐтной программы….…………................................762.6. Сопоставление температурных полей, полученных при помощичисленного моделирования, экспериментальным данным……….772.7. Выводы по второй главе.………………………….…….…….…82Глава 3.

Предлагаемые направления совершенствования производствакарбида кремния в электрических печах сопротивления …………853.1. Изменение конфигурации керна…………...............................8533.2. Изменение количества кернов……………………………………....873.3. Изменение начального влагосодержания…………………………..903.4. Изменение начальной пористости шихты…………………………923.5. Выводы по третьей главе.………………………………………..94Глава 4. Результаты совершенствования производства карбида кремнияв электрических печах сопротивления…………………………….....964.1. Массовый выход карбида кремния при изменениипористости шихты ………………………………………………….....964.2. Массовый выход карбида кремния при изменении начальноговлагосодержания………………………………………….…………...984.3.

Массовый выход карбида кремния при изменении количествакернов…………………………………………………………………..994.4. Массовый выход карбида кремния при изменении формыкерна ………….………………………………………………………1014.5. Энергетический баланс и энергетические показатели печисопротивления………………………………………………………..1024.6. Выводы по четвѐртой главе………………………………………….110Заключение и выводы…………………………..……………………………...112Список литературы…………………………………………..…………………1144Основные обозначения:qv– мощность внутренних источников теплоты, Вт/м3;xв– влажность твѐрдой структуры;ε– пористость системы;ρ– плотность, кг/м3;h– удельная энтальпия, Дж/кг;mi– масса компонента «i» в элементарной ячейке, кг;~ρi– парциальная плотность, кг/м3;t,T– температура, °С, и абсолютная температура, К;P– давление, Па;x– продольная координата, м;y– поперечная координата, м;υ– доля не связанных между собой микропор;g~хим – 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 теплоты, обусловленная процессами химических превращений, Вт/м3;qv,суш – мощность внутренних источников теплоты, обусловленнаясушкой твердого компонента, Вт/м3;е– теплота совокупности химических реакций, приводящих к появ-лению газовой составляющей, Дж/кг;r– скрытая теплота парообразования, Дж/кг;λэф – эффективный коэффициент теплопроводности системы, Вт/(м ∙ К);̅ – средняя плотность шихты; кг/м3;̅ – средняя пористость шихты;– координаты нижней границы керна, м;– координаты верхней границы керна, м;5– выделение или поглощение теплоты, обусловленное переносомтеплоты фильтрационными потоками, Вт/м3;– изменение количества теплоты при осадке шихты, Вт/м3;τ1,j – время начала химической реакции типа «j», с;τ2,j – время завершения химической реакции типа «j», с;эGхим,j – выход газообразного продукта реакции «j» на единицу массы(Мзагр) загружаемой шихты, кг/т;μ~ – молекулярная масса, кг/моль;Rунив – универсальная газовая постоянная, Дж/моль∙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;σ0 – постоянная Стефана – Больцмана, Вт/м2К4;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;о– параметр в момент начальный момент времени;откл – параметр в момент отключения;р.з– параметр в расчѐтной зоне.Остальные обозначения приведены в тексте.6ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияБольшая часть современных печей сопротивления по производствукарбида кремния характеризуется значительными масштабами энергопотребления и низкой энергетической эффективностью.

Теоретический расходэлектроэнергии на единицу продукции составляет 3,9 кВт ∙ ч/кг, а практический – 7,2…8,7 кВт ∙ ч/кг. Значительное различие имеется и в расходе электроэнергии за один цикл работы печи. Он составляет от 25 до 65 тыс. кВт ∙ ч.Для достижения большей энергетической эффективности необходима разработка моделей производства карбида кремния (SiC). Существующие математические модели описывают только температурный режим, не уделяя достаточного внимания увеличению массового выхода продукта и энергоэффективности производства.

До настоящего времени нет полной систематизированной информации по совершенствованию процесса образования карбидакремния путѐм введения нескольких кернов в печь, а также прогнозу массового выхода конечного продукта SiC. Таким образом, существует необходимость исследования данных мероприятий с целью выбора более совершенныхрежимов работы печей сопротивления с точки зрения экономической и энергетической эффективности.Для правильного выбора наиболее эффективного варианта производстваSiC необходима систематизация и комплексное исследование разнообразныхвариантов загрузки печи, используемой для получения карбида кремния.Спрос на карбид кремния постоянно растѐт.

Наряду со стандартнымиспользованием в абразивной, огнеупорной и металлургической промышленности он находит всѐ большее применение в электротехнике, космической отрасли и в ядерной энергетике. Повышение эффективности процессапроизводства карбида может привести к снижению удельных расходов электроэнергии, повышению производительности технологического процесса и, следовательно, удешевлению производства, что окажет положительное влияние7на данное производство, а также другие отрасли, использующие карбидкремния.Целью работы является разработка и обоснование мер по сокращениюэнергетических и экономических затрат на производство карбида кремнияпутѐм изменения организации подвода теплоты и подготовки сырья в электротехнической печи сопротивления.Задачи исследования1.

Усовершенствование модели производства карбида кремния путѐмучѐта осадки материала и конденсации влаги, переносимой в процессе фильтрации через связанные поры шихты.2. Разработка модели расчѐта массового выхода карбида кремния в ходепроцесса производства на основании температурного поля в электрическихпечах сопротивления.3.

Проведение численных экспериментов для проверки адекватностисозданных математических моделей.4. Разработка различных вариантов организации подвода теплоты в печисопротивления.5. Расчѐт массового выхода готового продукта для каждого вариантазагрузки и выбор наилучшего варианта.6.

Определение энергетических показателей для наиболее перспективных вариантов производства с точки зрения минимального потребленияэнергоресурсов и максимального массового выхода карбида кремния.Научная новизна1. Усовершенствована модель производства карбида кремния, котораяпозволяет проводить исследования осадки материала и конденсации влаги,переносимой в процессе фильтрации через связанные поры шихты.2.