Читаем Металлургические расчеты с использованием пакета прикладных программ HSC Chemistry онлайн бесплатно

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;

Lpp-Diagrams – Фазовые диаграммы – построение изотермических фазовых диаграмм для систем из трех элементов;

Mineralogy Iterations – Расчет минералогического состава – расчет элементного состава минеральных смесей;

Composition Convertions – Преобразование составов – преобразование минералогического состава в элементный и обратное преобразование;

DATABASE – База данных – работа с базой данных по термодинамическим характеристикам веществ;

Exit – Выход – завершение работы и выход;

Help – Помощь.

Первые версии пакета были разработаны в 1970-х годах и работали под управлением распространенных в то время операционных систем Unix, MS DOS, а затем Windows, начиная с версии 3.1. По мере развития аппаратных и программных средств персональных компьютеров возможности пакета развивались по линии увеличения числа расчетных модулей и баз данных. Объем основной базы данных по термодинамическим свойствам веществ непрерывно увеличивался, содержимое баз данных редактировалось по мере появления более надежных современных источников.

Развитие функциональных возможностей пакета сопровождалось ростом системных требований к компьютеру в части производительности процессора и объема памяти на диске, однако эти требования всегда оставались весьма умеренными, что обеспечивало эффективное использование пакета на любом офисном компьютере или ноутбуке. Основные системные требования для установки пакета приведены в таблице на с. 8.

Наиболее мощная версия пакета HSC-8.0 выпущена в продажу в октябре 2014 года. В этой версии, предназначенной для работы под управлением операционной системы Windows 7 или Windows 8 (в том числе 64-битной), расширен набор вычислительных модулей, увеличен объем основной базы данных до 28 000 веществ, термодинамические параметры 1300 веществ в базе данных исправлены на более современные.

В этой версии добавлено два новых вычислительных модуля для расчета термодинамических характеристик веществ по молекулярным параметрам (Benson) и для расчета эксергии (Exergy). Встроенный эмулятор Excel поддерживает работу пакета с версиями Excel до 2010 года, позволяя работать с файлами.xlsx, что было недоступно в более ранних версиях пакета. Проделана большая работа, направленная на создание максимально удобной среды для пользователя. Главное меню пакета выполнено так, что пользователь может настроить его в соответствии со своими задачами, убрав неиспользуемые модули с рабочего стола. Интерфейс пользователя на всех этапах работы стал еще более интуитивно понятным, а рабочие окнам – более информативными.

Системные требования при установке пакета на компьютер

От версии к версии перерабатывается также руководство по модулям пакета, при этом наличие файлов, содержащих примеры решения задач в каждом модуле, существенно упрощает освоение пакета. Контекстно-чувствительная помощь позволяет обращаться к соответствующим описаниям модулей.

Некоторым недостатком пакета является то, что все элементы интерфейса (команды, экраны помощи, описания) используют английский язык, что затрудняет освоение. К сожалению, не поддерживается русский алфавит, по этой причине даже комментарии, названия технологических потоков и прочее приходится писать на английском.

Пакет программ HSC Chemistry состоит из набора функциональных модулей, каждый из которых предназначен для выполнения определенных термодинамических или теплотехнических расчетов, определения рационального состава сырья и других вычислительных и моделирующих операций. Набор модулей зависит от версии пакета. К основным модулям (см. с. 6) добавлены такие:

SIM – Flowsheet Simulation – Моделирование технологических схем – графическое представление и моделирование материальных потоков в технологических схемах;

Geo – данные по минералогическому и элементному составу сырья различных месторождений.

Все модули представлены соответствующими кнопками в главном меню. В последней версии HSC Chemistry 8.0 пользователь может компоновать меню в соответствии со своими предпочтениями, в более ранних версиях главное меню содержит фиксированный набор кнопок.

При запуске любого модуля пользователь оказывается в системе многоуровневых контекстно-чувствительных меню, используя которые вводит исходные данные для решения задачи и получает результат ее решения. Все модули используют технологию электронных таблиц, и работа с ними мало отличается от работы в привычной многим среде Excel или иных электронных таблиц. Небольшие отличия имеются, но они осваиваются достаточно быстро.

Другая особенность пакета – использование оконного интерфейса – также не является препятствием для его освоения и последующего применения на практике.

Еще одной важнейшей особенностью пакета является то, что программные модули автоматически взаимодействуют с базами данных, заимствуя из них необходимые для расчета справочные данные (стандартные значения энтальпии, энтропии, эмпирические коэффициенты для расчета мольной теплоемкости, коэффициенты теплопроводности материалов, степени черноты материалов и др.) и расчетные формулы (в определенных случаях). Это требует от пользователя аккуратности при вводе формул веществ и записи исходной задачи, впрочем при наличии ошибок пользователя программы пакета выдают сообщения, с помощью которых поиск и устранение ошибок значительно облегчаются.

Не следует преувеличивать возможности пакета, поскольку он всего лишь реализует известные алгоритмы расчета, многократно сокращая необходимое для решения задачи время и избавляя пользователя от ошибок, возможных в процессе вычислений. Крайне важно, чтобы пользователь представлял себе основы методов расчета и использовал корректные исходные данные. Эти знания необходимы также для правильной интерпретации результатов расчетов, выполненных программами, входящими в пакет.

Предполагается, что пользователь имеет достаточную подготовку в области химической термодинамики, теплофизики и теплотехники, а также владеет приемами ручного расчета материальных и тепловых балансов металлургических процессов. Поскольку эти знания и навыки формируются на предыдущем этапе обучения, пакет может быть с успехом использован при подготовке бакалавров, специалистов и магистров, специализирующихся по направлениям металлургии и химической технологии.

В составе пакета HSC Chemistry в зависимости от версии содержатся несколько баз данных, основные из них следующие:

1) справочные данные по термодинамическим свойствам неорганических и органических веществ;

2) справочник по свойствам химических элементов;

3) справочник по единицам измерений физических величин и соотношениям между этими единицами в различных системах;

4) коэффициенты теплопроводности материалов;

5) коэффициенты теплоодачи при разных режимах конвекции;

6) коэффициенты излучения.

В наиболее продвинутых версиях имеются и другие базы данных, в частности, по составам минералов, составам руд различных месторождений, географическому расположению месторождений.

Одной из наиболее важных и обширных баз данных является база справочных данных по термодинамическим свойствам неорганических и органических веществ. В зависимости от версии пакета в этой базе приведены термодинамические справочные данные по 15–28 тысячам веществ. Для металлургических расчетов важно, что в базе данных представлены характеристики оксидов, сульфидов, силикатов, галогенидов и других соединений металлов, входящих в состав первичного и вторичного сырья. При составлении базы данных реферировано более 1500 литературных источников, в этой работе приняли участие несколько десятков авторитетных зарубежных организаций, включая университеты и исследовательские институты. В результате можно утверждать, что приведенные в базе данных сведения заимствованы из современных источников и являются достаточно надежными. Степень надежности данных, впрочем, индексирована, это позволяет оценить ее для любого из веществ.

Кроме того, данная база позволяет расширение. В единичных случаях, когда в базе данных отсутствуют необходимые сведения (для соединений редких металлов, например, или нечасто встречающихся соединений, таких как интерметаллиды) нужные сведения могут быть обнаружены в узкоспециализированной литературе или получены экспериментально. Структура базы данных позволяет стандартизировать эти сведения и ввести их в пользовательскую базу данных. В дальнейшем программные модули могут использовать данные из пользовательской базы в расчетах.

Обращение к базе данных по термодинамическим свойствам веществ может быть выполнено из главного меню пакета при использовании кнопки DATABASE (H – Entalpy, S – Entropy and C – Heat Capacity). При этом открывается следующее окно главного меню базы данных (рис. 2).

Для поиска термодинамических свойств вещества при этом возможно несколько путей, наиболее простой следующий. Воспользуемся кнопкой Search Species with Given Elements (Поиск веществ по заданным элементам). На экран выведется периодическая система Д. И. Менделеева (рис. 3).