Tavení skel proces na míru?

Rozměr: px
Začít zobrazení ze stránky:

Download "Tavení skel proces na míru?"

Transkript

1 Laboratoř anorganických materiálů Společné pracoviště Ústavu anorganické chemie AVČR, v.v.i a Vysoké školy chemicko-technologick technologické v Praze Technická 5, Praha 6, Česká Republika Tavení skel proces na míru? Lubomír Němec a kol.

2 Tavení skel jako rekonstruovaný proces! Proč nový tavicí proces? energie, CO 2, 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 čas prostor přenos a spotřeba tepla kinetika procesů tavicí výkon využití prostoru měrná spotřeba energie flexibilita

3 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) 0.5 m 0.5 m 1 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

4 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 (H M L +CG T)/H M T /u C 1400 C 1200 C 1300 C 1600 C 1500 C 3000 (kj/kg) H M (H M L +CG T)/H M T τ D /τ D0 =0.1 τ D /τ D0 =0.05 τ D /τ D0 =0.2 τ D /τ D0 =0.5 τ D /τ D0 =1 (u=0.2) (kj/kg) H M τ D /τ D0, H L /H L0 intensification t ( C)

5 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

6 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 p w, v w, v z, K wz R 0

7 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 τ [s] ω = 100s -1 ω = 10s -1 ω = 50s -1 ω = 25s -1 ω = 0s x x x x x x10-4 a 0 [m] V [m 3 s -1 ] 4.0x10-4 >300s x10-4 >200s -1 a 0 = 2E-4m 30s x <10s x10-4 >300s -1 a 0 = 1E-4m 30s -1 <10s s -1 25s -1 a 0 = 5E-5m x x x x x10-1 R 0 [m] P [t/24h]

8 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) 8.0x x10-4 τ Diss particle dissolution τ Fin fining τ Foam foaming P (m 3 /s) 6.0x x x x x x10-4 bubble nucleation. P=0.424w 0 l 0 h 2/3 0 a 2/3 (gρ/η) 1/3 temperature pressure refining agent content major composition redox state bubble growth da/dτ principal fining quantity x10-5 da/dτ (m/s)! Použití kombinace C+SO 4 2- : -při nižší redukci: možný posun odstraňování bublin k nižším teplotám - vznik a ovlivnění dalších dějů: nukleace, pěnění -při vyšší redukci: ambrová barva

9 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

10 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) > t Fcrit < t G t Fplug t Fcrit 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. V (m 3 /s) 6.0x x x x x x grad T ( C) (transver.) grad T ( C) (longitudinal) 50. V (m 3 s -1 ) 6.0x x x x x grad T( C m -1 ) (rev.long.) 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 grad T ( C m -1 ) (transv.)

11 Rychlá kinetika a vysoké é využití prostoru - rozpouštění v sérii míchaných prostor nebo domén ( ) ( ) ( ) ( ) cs τmax = F a τ, f a, g τ, n Důležité veličiny: - intenzita míchání (k) - charakter proudění (g(τ)) 1300 C, l 0 =1,25m 1.E+12 1.E+11 num ber of particles (1/m 3 ) 1.E+10 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 t(min)=0 t(min)=t(tot)/2 t(min)=t(tot) Hledá se síla, která dovolí míchat sklovinu na míru v doménách 1.E number of mixers

12 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 energie na tavení 5500! 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) Požadavky vedou k flexibilním systémům ohřevu H 0 M [kj/kg] by the temperature change by the change of dissolution rate and the melting reserve by the volume change P [t/m 3 24h]

13 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