МЕТОДОЛОГІЯ CFD-МОДЕЛЮВАННЯ ТА АЛГОРИТМ РОЗРАХУНКУ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СЕКЦІОНОВАНОЇ СУШАРКИ КИПЛЯЧОГО ШАРУ ДЛЯ ДЕГІДРАТАЦІЇ ТЕРМОЛАБІЛЬНИХ КРИСТАЛОГІДРАТІВ (НА ПРИКЛАДІ СУЛЬФАТУ ЗАЛІЗА)

Анотація

Білий пігментний діоксид титану є ключовим неорганічним пігментом у світовій промисловості. Одним з основних видів твердих відходів сульфатної схеми виробництва пігментного діоксиду титану є залізо(II) сульфат гептагідрат (залізний купорос). Робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми утилізації великотоннажного відходу шляхом перероблення з отриманням товарного продукту – залізо(II) сульфат моногідрату. Об’єктом дослідження є процес термічної дегідратації термолабільного залізного купоросу у горизонтальному секціонованому апараті киплячого шару. Складність організації цього процесу обумовлена низькою температурою плавлення кристалізаційної води та схильністю дисперсного матеріалу до агломерації, що унеможливлює використання класичних інженерних розрахунків на базі усереднених параметрів. Метою роботи є розробка методології чисельного моделювання (CFD) та алгоритму розрахунку параметрів режиму роботи сушарки, що дозволить прогнозувати гідродинамічну картину та кінетику тепломасообміну з урахуванням зміни фізичних властивостей твердої фази. В якості інструментарію використано програму з відкритим кодом «Multiphase Flow with Interphase eXchanges». Математична модель базується на двофазному ейлер–ейлерівському підході, де газова та тверда фази описуються системами усереднених рівнянь Нав’є–Стокса. Міжфазний обмін імпульсом визначається за кореляцією Gidaspow. Замикання рівнянь твердої фази здійснюється з використанням кінетичної теорії гранулярних газів, а газова фаза розглядається в наближенні до ламінарної течії. Запропоновано та обґрунтовано двостадійний алгоритм дослідження: попереднє чисельне параметричне сканування гідродинамічних режимів для визначення меж стійкого псевдозрідження та подальший розрахунок тепломасообміну. Для забезпечення чисельної стійкості спряженої задачі запропоновано протокол поетапної ініціалізації. Ключовою особливістю розробленого алгоритму є динамічний перерахунок густини залежно від поточного вологовмісту, що визначається кінетикою реакції дегідратації. Отримані результати моделювання дають змогу виявити зони зворотної циркуляції матеріалу, локальні зони перегріву, що дозволяє уникнути необхідності проведення великої кількості дорогих фізичних експериментів. Розроблений «цифровий двійник» апарату є основою для подальшої ідентифікації кінетичних констант сушіння кристалогідратів сульфату заліза в реальних промислових умовах.