[发明专利]一种均混球团的多物理化学过程分析方法

说明书

冶金工业均混球团在转化过程中存在传热传质、化学反应与相变等多物理化学过程的耦合，精确的机理探究与高效的模型预测将极大提高产率、降低能耗，同时维护生产平稳与安全。为此，本发明提供了一种均混球团的多物理化学过程分析方法，能够建立均混球团内热质传递与反应的模型，从而准确预测均混球团在传热传质、反应以及相变过程中内部各点的温度、化学反应转化率以及熔化率的变化情况。本发明不但具有高可靠性，针对性和适应能力，且计算速度快，计算成本低；另外计算精准度高，能够准确预测均混球团内部热质传递特性。本发明可作为均混球团参数优化的依据，提高球团的性能，同时减少了均混球团利用过程中的能质损耗。

技术领域

本发明属于冶金工业技术领域，特别涉及一种均混球团内热质传递、反应及相变的多物理化学过程分析方法。

背景技术

面对冶金、化工行业普遍存在的高能耗，高污染，低效率等问题，人类社会不得不寻求有效的节能环保措施，因此均混球团技术越来越受到关注。在传统的冶金、化工行业中普遍存在着使用固体块状物料作为反应物的情况。但块状物料在反应过程中存在着相互接触面积小，加热均匀性差，反应均匀性差等突出问题，这会导致反应速率慢，反应进行程度低等，进而导致能源和物质的浪费。因此为了解决上述问题，均混球团技术被提出。均混球团技术将各种固体反应物的块状物料磨制成粉，然后将各种粉末均匀混合后在一定压力下压制成均混球团。利用均混球团技术，固体反应物间的接触反应面积增加，加热/反应均匀性、反应速率及物质利用率均能得到大幅提升，所以均混球团技术的研究发展在节能与环保方面意义重大。

为提高均混球团的反应性能，需要分析和预测均混球团内部传热及传质过程中的参数变化，主要包括温度、化学反应转化率及熔化速率，从而针对均混球团的初始温度、粒径尺寸、物料组分等参数进行优化设计。同时，分析和预测球团内部主要参数的变化规律能够实现合适的能量供给，避免出现供能不足或供能过剩的现象。

目前主要依靠缩核模型的方法来进行球团内传热传质过程的分析，该方法能够捕捉气-固反应的反应界面，具有分析过程简单，使用范围广等特点。但该方法仅适用于气体与固体间的反应过程，无法分析均混球团的固-固反应过程。同时该方法仅能够分析球团反应表面的参数，无法预测分析均混球团内部的参数。因此均混球团内的传热传质耦合过程的分析需要新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够准确分析均混球团内传热-传质过程中的各种参数，不但具有高可靠性、针对性和适应能力，且分析速度快、成本低、精准度高；能够有效为均混球团的性能优化提供依据，同时能够减少反应过程中存在的供能不足或供能过剩现象的均混球团的多物理化学过程分析方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

通过分析高温条件下均混球团内部的多物理化学过程，建立相应的均混球团内部的导热过程、化学反应过程以及相变过程的控制方程，分析均混球团内多孔结构的导热系数、比热容、在传热传质过程中的电导率的变化规律，同时基于有限差分法进行非线性方程组的离散及耦合迭代计算，输出温度、化学反应速率以及熔化速率值。

所述的均混球团内部的导热过程采用球坐标系下有源项的傅里叶导热定律得到：

其中ρ为均混球团的密度，c为均混球团的比热容，t为温度，τ为时间，r为径向距离，λ为均混球团的比热容，S是单位时间内单位体积中内热源的生成热。

所述的均混球团内部的化学反应过程采用反应动力学方程得到：

其中k为温度为T时的化学反应速率，A为指前因子，即阿伦尼乌斯常数，E_a为实验活化能，T为绝对温度，R为摩尔气体常数，e为自然对数的底。

所述的均混球团内部的相变过程采用焓方法得到：