Laboratoř anorganických materiálů Společné pracoviště Ústavu anorganické chemie AVČR, v.v.i a Vysoké školy chemicko-technologické v Praze Technická 5, 166 28 Praha 6, Česká Republika
Tavení skel – proces na míru? Lubomír Němec a kol.
Tavení skel jako rekonstruovaný proces ! ! ! !
Proč nový tavicí proces? → energie, CO2, kvalita Co je třeba udělat? → hledat nové principy Vyjděme z povahy a potřeb procesu → analýza Povaha tavicího procesu: - procesy ohřevu - procesy rozpouštění - procesy odstraňování bublin Potřeby procesu teplo přenos a spotřeba tepla
čas
prostor
kinetika procesů
využití prostoru
tavicí výkon měrná spotřeba energie flexibilita
Tavicí proces skel jako matematická funkce ! Závislé proměnné: - specifická spotřeba energie - tavicí výkon ! Nezávisle proměnné: - teplota - využití prostoru - ztrátový tok tepla stěnami - trvání dílčích procesů (kinetika)
1m 0.5 m
0.5 m
! Referenční případ - jednoduchý prostor tvaru průtočného kanálu - konstantní teplota, rychlý ohřev - typické průmyslové sklo - děje jsou rozpouštění písku a odstraňování bublin - jako referenční kinetická data se použijí data laboratorní
Měrná spotřeba energie ! Měrná spotřeba energie vykazuje minimum v závislosti na teplotě. Optimální teplota klesá s rostoucí mírou intenzifikace procesu. Výkon vždy klesá s klesající teplotou, avšak jeho vysokou hodnotu lze udržet rostoucí mírou intenzifikace (rostoucím využitím tavicího prostoru, rychlejším průběhem homogenizačního procesu 1
1/u
2
3
4
5
0.6
0.5 1100°C 1200°C
τD/τD0=0.2
1400°C
1300°C
3000
1600°C
0.5
T L
0
(HM +CG∆T)/HM
0.3
0.2
2500
τD/τD0=0.1
(H ML+C G∆ T)/H MT
HM (kJ/kg)
0.4 1500°C
τD/τD0=1 (u=0.2)
3000
τD/τD0=0.5
0.4
H M0 (kJ/kg)
0
0.3
0.2
2500
τD/τD0=0.05
0.1
0.1
0.0 0.0
0.2
0.4 L
τD/τD0, H /H
0.6
0.8
L0
intensification
1.0
0.0 1100
1200
1300
1400
t (°C)
1500
1600
Témata Klíčové principy: rychlá kinetika procesů vysoké využití tavicího prostoru (distribuce děje) ! Rychlá kinetika: - odstředivé odstraňování bublin - chemické urychlovače ! Vysoké využití tavicího prostoru: - proudění „na míru“ v prostoru odstraňování bublin ! Rychlá kinetika a vysoké využití prostoru: - rozpouštění v sérii mísičů ! Flexibilita – exaktní veličina? Neřešené principy: vliv složení skel, teplotní režimy ohřevu
Rychlá kinetika - odstředivé odstraňování bublin ! Gravitační a odstředivé pole ! Atmosférický + hydrostatický + odstředivý tlak ! Chování bublin se podstatně liší od chování kapek a pevných částic
w
pw, vw, vz, Kwz
R0
Odstředivé odstraňování bublin, mechanismy a optimální podmínky ! Rozpouštění vyžaduje vždy velmi dlouhé časy → kritický děj ! Výhodné jsou nižší otáčky, vyšší teploty a tavenina nasycená plyny, tenké vrstvy ve válci ! Velmi malé bubliny se pomalu odstřeďují, mají tendenci k rozpuštění ! Nastavení veličin,především otáček, musí být na míru ! Předpokládaná aplikace: zejména spec.skla 1400
-4
4.0x10
1200
80
-1
>200s
a0 = 2E-4m
-1
>300s -4
1000
3.0x10
60
800
V [m3s-1]
τ [s]
-1
-1
ω = 100s
600 400
0 0.0
-4
2.0x10
40 -1
<10s
-1
ω = 0s -1
200
30s
ω = 50s
-4
1.0x10
-1
-1
>300s
ω = 25s
-1
a0 = 1E-4m 30s
-1
200s -4
-4
-4
-4
-4
-4
1.0x10 2.0x10 3.0x10 4.0x10 5.0x10 6.0x10 a0 [m]
-1
-1
25s
<10s
a0 = 5E-5m
0.0 0.0
-1
1.0x10
-1
-1
2.0x10 3.0x10 R0 [m]
-1
4.0x10
20
0 -1 5.0x10
P [t/24h]
-1
ω = 10s
Rychlá kinetika – chemické urychlovače ! Jde především o tzv. čeřicí činidla, která urychlují růst bublin ! Obecně je proces odstraňování bublin funkcí především rychlosti jejich růstu (veličina je laboratorně měřitelná) τDiss
-4
8.0x10
particle dissolution -4
τFin
τFoam
fining
foaming
7.0x10
bubble growth
-4
6.0x10
da/dτ
-4
3
P (m /s)
5.0x10
principal fining quantity
bubble nucleation
.
2/3 2/3
1/3
P=0.424w0l0h0 a (gρ/η)
-4
4.0x10
-4
3.0x10
temperature pressure refining agent content major composition redox state
-4
2.0x10
-4
1.0x10
0.0 -9
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
1x10
da/dτ (m/s)
! Použití kombinace C+SO42-: - při nižší redukci: možný posun odstraňování bublin k nižším teplotám - vznik a ovlivnění dalších dějů: nukleace, pěnění - při vyšší redukci: ambrová barva
Chemické urychlovače - další děje ! Nukleace bublin a pěnění: - urychlí rozpouštění pevných částic - vyvolají novou generaci bublin - zhorší přestup tepla
Využití chemických sil pro urychlení tavicího procesu je problémem nastavení koncentrace urychlovače a tavicího režimu na míru
Vysoké využití tavicího prostoru - odstraňování bublin ! Jak definovat využití (u): - virtuální mrtvý prostor - virtuální výška ! Vysoké využití znamená definovat potřebné proudění Ideální typ proudění: → pístový tok (nelze realizovat)
tG <
tFplug tFcrit
Typ proudění: Kombinace spirálového toku se zpětným tokem u hladiny: nízký mrtvý prostor, nízká virtuální výška. Proudění je tedy třeba nastavit na míru podobně jako teploty. .
3 -1
V (m s ) 6.0x10
-5
-1
rev.long.temp.grad. 0°Cm -1 rev.long.temp.grad. 25°Cm -1 transv.temp.grad. 0°Cm -1 transv.temp.grad. 5°Cm -1 transv.temp.grad. 10°Cm -1 transv.temp.grad. 25°Cm -1 transv.temp.grad. 50°Cm -1 transv.temp.grad. 100°Cm
-5
6.0x10
-5
5.0x10
-5
2.0x10
0
10
20 gra dT 30 (°C 40 ) (lo ngit udin al)
-5
50
5
grad 10 T(°C -1 15 20 m ) (rev. 20 long 25 0 .)
100 80 60 40 -1
0
10
)( tra ns v. )
-5
3.0x10
m
1.0x10
-5
40 (°C 30 dT a r g 20
-5
2.0x10
(° C
3.0x10
-5
4.0x10
.) ver s n a 50 ) (tr
-5
T
4.0x10
-5
5.0x10
gr ad
3
V (m /s)
.
tFcrit
>
Rychlá kinetika a vysoké využití prostoru - rozpouštění v sérii míchaných prostor nebo domén cs (τ max ) = F a (τ ) , f ( a ) , g (τ ) , n Důležité veličiny: - intenzita míchání (k) - charakter proudění (g(τ))
1300°C, l0=1,25m
1.E+12
n um ber of particles (1/m 3 )
1.E+11
1.E+10
1.E+09
1.E+08 t(min)=0 1.E+07
t(min)=t(tot)/2 t(min)=t(tot)
1.E+06
1.E+05 0
5
10
15 number of mixers
20
25
Hledá se síla, která dovolí míchat sklovinu na míru – v doménách
30
Flexibilita – exaktní veličina? ! Rychlá výměna obsahu tavicího prostoru - nízký podíl mrtvého prostoru - podobné rezidenční doby skla z různých startovacích bodů Nejlépe by vyhovoval pístový tok ! Rychlá podstatná změna tavicího výkonu – je spojena se změnami měrné spotřeby 5500 energie na tavení 5000
by the temperature change by the change of dissolution rate and the melting reserve by the volume change
4500
H 0M [kJ/kg]
! proces je pomalý: velká změna celkového přívodu energie se částečně kompenzuje (levá část grafu) proces je rychlý: malé změny výkonu vedou k velkým změnám přívodu energie (pravá část grafu)
4000
3500
3000
2500 0
5
Požadavky vedou k flexibilním systémům ohřevu
10
15
20 3
P [t/m 24h]
25
30
Závěr ! Návrat k základnímu výzkumu nových principů ! Nejvýznamnější veličiny pro nové principy základních dějů jsou zřejmé: - rychlá kinetika procesů - vysoké využití prostoru pro děje (distribuce dějů v prostoru) ! Výsledky vedou k aplikaci podmínek „na míru“ ! Podmínky „na míru“ vedou k hledání nových technických řešení
