CN106916970A - 散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统及散热分析方法 - Google Patents

散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统及散热分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统及散热分析方法，包括有还原反应釜，还原反应釜的顶部设有盖板，还原反应釜外设有筒形加热器，筒形加热器与还原反应釜之间的间隙内通过下隔板和上隔板分隔出环形冷却区域，冷却区域两侧壁上设有第一非接触红外测温器和第二非接触红外测温器，冷却区域下部的筒形加热器上均布有冷空气入口，冷空气入口经导管连接有强制对流风机，导管上设有流量阀，其中一个冷空气入口内设有第一热线风速仪，所述冷却区域上部的筒形加热器上设有与冷空气入口对称的热空气出口，其中一个热空气出口内设有第二热线风速仪。本发明分析准确，检测得出的强制对流传热数据与自然对流处于同一水平，误差小。

Description

散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统及散热分析方法
技术领域
本发明涉及一种海绵钛生产设备用的散热分析系统及散热分析方法，特别是一种散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统及散热分析方法。
背景技术
遵宝钛业有限公司全流程海绵钛生产工艺采用的是镁热还原—真空蒸馏处理TiCl4生产海绵钛的Kroll法生产工艺，同时配备镁电解生产满足还原—蒸馏工序对精镁的需求。Kroll法生产海绵钛实现了原料Mg-Cl2-MgCl2的闭路循环，而且由于还原后立即进行真空蒸馏，蒸馏物仍处于高温状态，避开了蒸馏物导热率的降低，从而达到节能目的，所以采用联合法工艺可以提高蒸馏速率、减少能耗、缩短生产周期。遵宝钛业有限公司在生产规模方面与国外以达到相同水平，但在技术装备、能耗、产品质量以及生产控制及管理等方面都与先进国家还有一定的差距。
由于镁热还原TiCl4是一个剧烈的放热反应，在生产的初中期，反应器的散热能力成为制约TiCl4加料速度的一个重要因素，而现目前，海绵钛还原设备环形空腔(还原反应釜和加热器之间的间隙)内的空气自然对流强度无法满足大型倒“U”形海绵钛还原—蒸馏一体化设备的生产需要，根据倒“U”形海绵钛还原—蒸馏一体化设备的实际情况，我团队设计一个强制对流传热方案，在满足生产要求的同时，为下一步还原生产系统的余热回收工作做准备。但是，对流流量和速度对温度的影响较大，从而对还原反应造成影响，因此，如何通过分析得出准确的强制对流的传热系数，使其与自然对流传热数据保持在同一水平，减少分析误差，显得非常重要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统及散热分析方法。本发明具有分析准确，检测得出的强制对流传热数据与自然对流处于同一水平，误差小的特点。
本发明的技术方案：一种散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统，包括有还原反应釜，还原反应釜的顶部设有盖板，还原反应釜外设有筒形加热器，筒形加热器与还原反应釜之间有间隙，间隙内设有下隔板和上隔板，下隔板和上隔板之间形成环形冷却区域，冷却区域的还原反应釜的外壁上设有第一非接触红外测温器，冷却区域的筒形加热器的内壁上设有第二非接触红外测温器，冷却区域下部的筒形加热器上均布有至少1个冷空气入口，冷空气入口经导管连接有强制对流风机，导管上设有流量阀，其中一个冷空气入口内设有第一热线风速仪，所述冷却区域上部的筒形加热器上设有与冷空气入口对称的热空气出口，其中一个热空气出口内设有第二热线风速仪。
前述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统，所述冷空气入口共设有5-6个，均匀分布在筒形加热器的筒壁上。
一种前述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统的散热分析方法，包括如下步骤：
(1)在还原反应釜中加入原料，盖上盖板，启动筒形加热器，使还原反应釜内的原料开始还原反应；
(2)待还原反应进行到2-3段时，启动强制对流风机向冷却区域内注入冷空气，冷空气吸热后从热空气出口流出，形成对流；
(3)对流过程中，通过第一非接触红外测温器和第二非接触红外测温器分别检测还原反应釜外壁和筒形加热器内壁的温度，通过第一热线风速仪和第二热线风速仪分别检测冷空气入口和热空气出口的空气的温度和流速；
(4)步骤(3)测得的结果通过Q＝cpm(Tm-Tin)和Q＝Q0+Qi＝h0A0ΔT0+hiAiΔTi分别得出还原反应釜(2)外壁和筒形加热器(1)内壁的传热量Q，其中cp为空气的比等压热容；m为空气的质量流量；h为综合传热系数；Tin为空气进口温度；ΔT为对数温差；Tm为平均质量温度，h0还原反应器外表面综合传热系数，hi还原加热炉内表面综合传热系数。
前述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统的散热分析方法，所述对数温差ΔT中，T0强制冷却阶段还原反应器外表面平均温度，Ti强制冷却阶段还原加热炉内表面平均温度。
前述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统的散热分析方法，所述平均质量温度其中Ac为冷却区域的截面面积、ρ为空气的密度、u为空气的流速。
本发明的有益效果：
本发明分析准确，检测得出的强制对流传热数据与自然对流处于同一水平，误差小。
为进一步证明本发明的有益效果，申请人做了如下实验：
1、检测自然对流情况下的传热数据，并将结果记录在表1；
2、采用本系统和方法检测强制对流情况下的传热数据，并将结果记录在表2；
表1自然对流传热数据
表2强制对流传热数据
对比表1表2可以看出，本发明检测得出的强制对流的传热数据与自然对流的传热数据处于同一水平，误差小。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图；
附图标记说明：1-筒形加热器，2-还原反应釜，3-盖板，4-下隔板，5-上隔板，6-冷空气入口，7-强制对流风机，8-流量阀，9-热空气出口，10-第一非接触红外测温器，11-第一热线风速仪，12-第二热线风速仪，13-第二非接触红外测温器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
一种散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统，如附图1所示，包括有还原反应釜2，还原反应釜2的顶部设有盖板3，还原反应釜2外设有筒形加热器1，筒形加热器1与还原反应釜2之间有间隙，间隙内设有下隔板4和上隔板5，下隔板4和上隔板5之间的间距根据还原反应釜2和筒形加热器1的直径大小而定(如还原反应釜2的外径为2.265m、筒形加热器1的内径为2.69m时，下隔板4和上隔板5之间的间距为1.192m)，下隔板4和上隔板5之间形成环形冷却区域(形成单独的冷却区域的目的是将冷却段和保温段分开，使温度控制更加方便有效)，冷却区域的还原反应釜2的外壁上设有第一非接触红外测温器10，冷却区域的筒形加热器1的内壁上设有第二非接触红外测温器13，冷却区域下部的筒形加热器1上均布有至少1个冷空气入口6，冷空气入口6经导管连接有强制对流风机7，导管上设有流量阀8，其中一个冷空气入口6内设有第一热线风速仪11，所述冷却区域上部的筒形加热器1上设有与冷空气入口6对称(包括数量对称和位置对称)的热空气出口9，其中一个热空气出口9内设有第二热线风速仪12。
所述冷空气入口6共设有5-6个，均匀分布在筒形加热器1的筒壁上。
上述散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统的散热分析方法，步骤如下：
(1)在还原反应釜2中加入原料，盖上盖板3，启动筒形加热器1，使还原反应釜2内的原料开始还原反应；
(2)待还原反应进行到2-3段时(还原加料进行的第10～12小时)，启动强制对流风机7向冷却区域内注入冷空气，冷空气吸热后从热空气出口9流出，形成对流；
(3)对流过程中，通过第一非接触红外测温器10和第二非接触红外测温器13分别检测还原反应釜2外壁和筒形加热器1内壁的温度，通过第一热线风速仪11和第二热线风速仪12分别检测冷空气入口6和热空气出口9的空气的温度和流速；
(4)步骤(3)测得的结果通过Q＝cpm(Tm-Tin)和Q＝Q0+Qi＝h0A0ΔT0+hiAiΔTi分别得出还原反应釜2外壁和筒形加热器1内壁的传热量Q，其中cp为空气的比等压热容；m为空气的质量流量；h为综合传热系数；Tin为空气进口温度；ΔT为对数温差；Tm为平均质量温度，h0还原反应器外表面综合传热系数，hi还原加热炉内表面综合传热系数。
所述对数温差ΔT中，T0强制冷却阶段还原反应器外表面平均温度，Ti强制冷却阶段还原加热炉内表面平均温度。
所述平均质量温度其中Ac为冷却区域的截面面积、ρ为空气的密度、u为空气的流速。

Claims (5)

1.一种散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统，其特征在于：包括有还原反应釜(2)，还原反应釜(2)的顶部设有盖板(3)，还原反应釜(2)外设有筒形加热器(1)，筒形加热器(1)与还原反应釜(2)之间有间隙，间隙内设有下隔板(4)和上隔板(5)，下隔板(4)和上隔板(5)之间形成环形冷却区域，冷却区域的还原反应釜(2)的外壁上设有第一非接触红外测温器(10)，冷却区域的筒形加热器(1)的内壁上设有第二非接触红外测温器(13)，冷却区域下部的筒形加热器(1)上均布有至少1个冷空气入口(6)，冷空气入口(6)经导管连接有强制对流风机(7)，导管上设有流量阀(8)，其中一个冷空气入口(6)内设有第一热线风速仪(11)，所述冷却区域上部的筒形加热器(1)上设有与冷空气入口(6)对称的热空气出口(9)，其中一个热空气出口(9)内设有第二热线风速仪(12)。
2.根据权利要求1所述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统，其特征在于：所述冷空气入口(6)共设有5-6个，均匀分布在筒形加热器(1)的筒壁上。
3.一种根据权利要求1所述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统的散热分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在还原反应釜(2)中加入原料，盖上盖板(3)，启动筒形加热器(1)，使还原反应釜(2)内的原料开始还原反应；
(2)待还原反应进行到2-3段时，启动强制对流风机(7)向冷却区域内注入冷空气，冷空气吸热后从热空气出口(9)流出，形成对流；
(3)对流过程中，通过第一非接触红外测温器(10)和第二非接触红外测温器(13)分别检测还原反应釜(2)外壁和筒形加热器(1)内壁的温度，通过第一热线风速仪(11)和第二热线风速仪(12)分别检测冷空气入口(6)和热空气出口(9)的空气的温度和流速；
(4)步骤(3)测得的结果通过Q＝cpm(Tm-Tin)和Q＝Q0+Qi＝h0A0ΔT0+hiAiΔTi分别得出还原反应釜(2)外壁和筒形加热器(1)内壁的传热量Q，其中cp为空气的比等压热容；m为空气的质量流量；h为综合传热系数；Tin为空气进口温度；ΔT为对数温差；Tm为平均质量温度，h0还原反应器外表面综合传热系数，hi还原加热炉内表面综合传热系数。
4.根据权利要求3所述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统的散热分析方法，其特征在于：所述对数温差ΔT中， T0强制冷却阶段还原反应器外表面平均温度，Ti强制冷却阶段还原加热炉内表面平均温度。
5.根据权利要求3所述的散热型镁热法制备海绵钛的散热分析系统的散热分析方法，其特征在于：所述平均质量温度其中Ac为冷却区域的截面面积、ρ为空气的密度、u为空气的流速。
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