Металлургические расчеты с использованием пакета прикладных программ HSC Chemistry

В учебном пособии приведены примеры расчета термодинамических, теплотехнических и технологических задач, наиболее распространенных в практической деятельности металлургов и в учебном процессе. Для решения задач использованы возможности пакета прикладных программ HSC Chemistry, разработанного специалистами исследовательского центра фирмы Outotec. Решение примеров позволяет пошагово реализовать алгоритм расчета, от постановки задачи, ее записи средствами программ пакета до решения и получения результатов и их правильной интерпретации в терминах, понятных специалистам-металлургам. Пакет может быть с успехом использован при подготовке бакалавров, специалистов и магистров, специализирующихся по направлениям металлургии и химической технологии.

Технологические процессы производства металлов из первичного и вторичного сырья по своей сути являются совокупностью химических реакций, сопровождающихся тепловыми эффектами, в ходе которых происходит образование новых фаз. В одну из таких фаз, являющуюся целевым продуктом, стремятся как можно полнее извлечь металл из исходного сырья, в другие – перевести сопутствующие ненужные компоненты.

Анализируя существующий или создавая новый технологический процесс, специалист должен ответить на ряд вопросов. Возможны ли определенные химические реакции (окисление, восстановление, сульфидирование и т. п.) между компонентами сырья, подаваемого дутья и вспомогательных материалов (флюсов, например) в условиях, которые могут быть созданы или достигаются в действующих технологических агрегатах? В каком количестве будут получены продукты и каков их состав? Каковы равновесные составы контактирующих фаз? Достаточно ли выделяющегося тепла химических реакций для поддержания требуемой температуры, если нет, то какое количество топлива или энергии потребуется?

В гидрометаллургических процессах возникают вопросы, связанные с расчетом рН образования осадков при очистке растворов от примесей, величинами окислительно-восстановительных потенциалов, достаточных для протекания реакций. Результаты электрохимических процессов прогнозируют на основе расчетов электродных потенциалов.

Ответы на перечисленные выше вопросы требуют проведения термодинамических расчетов, которые базируются на известных законах физической химии. Помимо того, что такие расчеты довольно трудоемки и многостадийны, они требуют исходных термодинамических данных. На любой стадии расчета возможны ошибки, способные привести к ошибочным результатам и выводам.

Вместе с тем алгоритмы таких расчетов известны, что и обусловило возможность создания на их базе программ, решающих перечисленные выше задачи. Эти программы, реализованные в виде модулей пакета, доступных через главное меню, автоматически взаимодействуют с базами данных, извлекая из них необходимые термодинамические и иные данные, проводят расчет и выдают его результаты в наиболее удобном для пользователя виде.

От пользователя же требуется корректная постановка задачи и ее «формулировка» (запись) в форме, понятной программам соответствующего модуля. Это требует некоторых знаний особенностей расчетных модулей и физико-химических основ соответствующих расчетов.

Программные модули пакета реализуют технологию электронных таблиц, известную многим пользователям. Однако имеются определенные особенности, которые пользователь должен усвоить в процессе обучения работе с пакетом.

Изложенный ниже материал построен на решении типичных примеров с помощью различных модулей пакета. В ходе этого решения пользователь должен приобрести навыки, достаточные для дальнейшей самостоятельной работы. Решение примеров позволяет пошагово реализовать алгоритм расчета, от постановки задачи, ее записи средствами программ пакета до решения и получения результатов и их правильной интерпретации в терминах, понятных специалистам-металлургам.

Следует отметить, что пакет HSC Chemistry не способен решать задачи, связанные с кинетическими особенностями химических реакций. В этой связи с его помощью невозможно прогнозировать производительность технологических процессов. Такого рода расчеты придется делать вне пакета, иными средствами. По этой же причине термодинамические прогнозы, получаемые при использовании пакета, следует понимать как предварительные, требующие уточнения.

Работа с пакетом, установленным на компьютере (установка описана ниже, см. главу 5), начинается с запуска программы с помощью операционной системы Windows, при этом открывается главное меню (рис. 1).

Рис. 1. Главное меню пакета

Вид главного меню зависит от используемой версии пакета. Для любой версии существенно, что меню содержит ряд кнопок, воздействуя на которые указателем и левой кнопкой мыши мы запускаем соответствующие программные модули.

Основные модули пакета следующие:

Reaction Equations – Уравнения реакций – расчет термодинамических функций в интервале температур для индивидуальных веществ или химических реакций;

Неаt and Material Balances – Тепловые и материальные балансы – расчет тепловых и материальных балансов;

Heat Loss – Тепловые потери – расчет тепловых потерь за счет теплопроводности, конвекции и излучения;

Equilibrium Composition – Равновесные составы – расчет равновесных составов фаз при наличии обратимых химических реакций;

Electrocemical Cell Equilibriums – Равновесия в электрохимических ячейках – расчет равновесных потенциалов в электрохимических ячейках;

Formula Weihts – Молекулярные массы – расчет молекулярных масс по формулам веществ;

Eh-pH-Diagrams – Диаграммы Пурбе – построение диаграмм Пурбэ;

H, S, C and G Diagrams – Графики термодинамических функций – построение графиков термодинамических функций;

Tpp-Diagrams – Фазовые диаграммы – построение фазовых диаграммы для оценки устойчивости конденсированных фаз при различных термодинамических условиях;