Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 12
ТЕПЛОТЕХНИКА АППАРАТОВ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО СИНТЕЗА
Теплотехнические характеристики аппарата гидротермального синтеза в значительной степени определяют его эффективность. От правильности температурного режима зависят как скорости роста кристаллов, так и их качество (примеси, трещины и т. п.). В свою очередь температурные поля в аппарате определяются устройством и размещением нагревательных элементов, внутренней технологической оснасткой, конструкцией теплоизоляции и крепления несущего сосуда. От последних факторов зависит также энергопотребление установки, а значит, в определенной степени ее экономичность и себестоимость продукции. Сказанное свидетельствует о важности учета теплотехнических характеристик аппарата гидротермального синтеза как при проектировании, так и Бри его эксплуатации.
272 Теплоизоляция и термостатирование
Теплоизоляционные элементы и конструкции, которыми оснащается несущий сосуд, имеют три функции. Во-первых, это ограничение теплоотдачи нагретого несущего сосуда во внешнюю среду до приемлемого уровня. Эта роль теплоизоляции основная, так как по самой сути процесса гидротермального синтеза энергия, необходимая непосредственно для роста кристаллов, незначительна и идет на создание и поддержание массообмена между зонами кристаллизации и растворения. Основная часть подводимой к аппарату энергии необратимо теряется на теплоотдачу в окружающую среду. Поэтому при недостаточно эффективной теплоизоляции непроизводительные потери тепла будут неоправданно большими.
Второй функцией теплоизоляции является повышение тепловой инерционности кристаллизационной установки и тем самым улучшение условий термостатирования реакционной камеры, что очень важно для обеспечения требуемого качества продукции.
В-третьих, с помощью специального устройства теплоизоляции облегчается задача создания и поддержания требуемого температурного перепада между зонами роста и растворения.
В качестве собственно теплоизоляционных материалов может использоваться достаточно широкий круг материалов, обычно применяемых в тепло- и атомной энергетике. Рабочий температурный диапазон применяемых материалов лежит в пределах 400— 600 0C и зависит от наличия и типа наружного обогрева. Если наружный обогрев отсутствует, то потребность в демонтаже теплоизоляции цилиндрической части корпуса возникает сравнительно редко (через 6—8 лет) и теплоизоляцию можно выполнять в виде кирпичной кладки из теплоизоляционных кирпичей подходящих марок. Кладка непосредственно прилегает к наружной поверхности корпуса, чтобы исключить теплоотвод конвекцией воздуха в зазорах. Такое устройство теплоизоляции достаточно просто и недорого, обеспечивает высокую ее прочность, долговечность и обладает хорошим уровнем теплозащиты из-за отсутствия каких-либо монтажных теплопроводящих металлоконструкций.
Однако чаще несущие сосуды снабжаются наружными нагревательными устройствами, к которым необходимо иметь периодический доступ для ремонтно-профилактических работ. В этом случае теплоизоляция в зонах размещения нагревателя должна предусматривать удобство демонтажа. Это достигается, например, при изготовлении ее в виде стыкуемых секций, которые снимаются вручную или механическим путем. Если принята кессонная установка сосудов, то демонтаж теплоизоляции должен быть особенно упрощен из-за сложности применения подъемных механизмов в кессоне. Оптимальным является двух-трехсекционная схема с механической раздвижкой или разворотом секций. Секции могут иметь разнообразное устройство и использовать в качестве тепло--18 Заказ Jft 122 273 изоляционных элементов ми-нераловатные диатомитовые плиты и маты, короба с набивкой (минеральной, базальтовой, каолиновой ватой и др.) или засыпкой (вермикулит, керамзит и т. п.).
Общим требованием к внешней теплоизоляции является обеспечение наружной ее поверхности температур, не превышающих 50—70 °С в рабочем режиме. Исходя из этого на основе стандартных теплотехнических расчетов определяются конструкция и габариты теплоизоляционных элементов.
Тепловой баланс аппарата гидротермального синтеза существенно зависит от способа его крепления и монтажа. Так, значительные потери тепла (~20%) происходят через крепежные и монтажные элементы. С теплотехнической точки зрения предпочтительнее крепление сосуда в его верхней части — это больше соответствует структуре распределения температур в реакционной полости при гидротермальном синтезе. Однако на практике реализовать эту схему для крупногабаритных сосудов бывает нелегко, и зачастую предпочитают крепить сосуд в зоне нижнего торца корпуса. При этом необходимо особое внимание обратить на сведение к минимуму тепловых потоков по монтажным конструкциям за счет установки специальных теплоизоляционных подкладных элементов, сокращению поверхностей контакта между металлическими элементами и т. п. На рис. 93 приведены диаграммы распределения плотностей тепловых потоков с боковой поверхности промышленного аппарата емкостью 1,5 м3. Первая диаграмма относится к случаю крепления сосуда в нижней зоне без специальной теплоизоляции монтажных элементов; вторая — то же с дополнительной теплоизоляцией в зоне опоры; третья — к случаю крепления сосуда в верхней зоне.
