基于吉布斯自由能最小化原理的转炉提钒动力学研究

钒高回收率和半钢高碳含量是转炉铁水提钒冶炼的两大目标,合理的过程温度控制是同时实现这两个目标的关键,这就需要明确铁水和炉渣成分的变化规律。本文以吉布斯自由能最小化原理为基础建立了转炉吹氧提钒过程动力学模型,渣金反应界面各元素竞争性氧化反应之间氧的分配更为合理,以攀钢200t提钒转炉为基础,计算了铁水成分并和冶炼实际值进行了比较,二者吻合度较好,说明所建立的模型具有较好的可靠性。

冲天炉熔炼过程化学成分变化的热力学建模

冲天炉是熔炼铸铁最主要的设备,由于熔炼过程的机理复杂,影响因素繁多,对冲天炉熔炼过程中元素烧损率的定量计算以及铁液最终成分的预测一直是个难题。利用热力学的知识建立起了平衡常数法和最小自由能原理法这两种用于计算铸铁在冲天炉熔炼过程中成分变化的数学模型,总结了这两种模型各自的特点及适用范围,并给出了反求熔炼过程各种元素烧损率的方法。该热力学模型的建立,对扩大计算机模拟技术在铸造中的应用领域以及定量揭示冲天炉熔炼规律有着重要的意义。

电子级多晶硅生产工艺的热力学分析

基于Gibbs自由能最小原理,对SiHCl3法生产电子级多晶硅闭环工艺的3个反应子系统分别进行了化学反应平衡计算,重点对SiHCl3还原反应子系统进行了热力学分析.对于SiHCl3还原反应子系统,适宜的操作温度为1323～1473K,压力为0.1MPa;温度高于1323K,H2/SiHCl3比大于6.6,低压下有利于SiHCl3还原生产多晶硅.针对传统的SiHCl3还原需要高温下电加热给过程操作带来的诸多不便,提出了用Cl2部分氧化使SiHCl3还原反应体系实现能量耦合的新工艺,即反应过程不需外部加热就可完成,从而节约电耗,同时还发现平衡时体系中加入的Cl2能反应完全,不会影响后序工艺的进行.对于SiCl4转化反应子系统,高压、低H2/SiCl4比有利于生成SiHCl3.

铜闪速吹炼过程多相平衡热力学分析

基于最小自由能原理,建立铜闪速吹炼过程多相平衡数学模型,考察粗铜含硫(CSCu)、渣中钙铁比(RCaFe)、富氧浓度(COxy)和温度(T)对平衡产物各相主元素与组分含量的影响。结果表明:对一定投入量和一定成分的铜锍,提高CSCu可增加粗铜产能,但Cu品位降低,可减少渣量,渣含Fe_3O_4降低,渣流动性变好;随着RCaFe增加,粗铜量减小,渣量和熔剂量增加,渣含FeO和Fe_3O_4降低,渣含Cu升高;COxy增加,除对粗铜含氧、富氧和烟气量产生一定影响外,对其他组分含量影响不大;T增加,会影响粗铜含氧、粗铜和炉渣量,还可降低渣含铜。

基于ASPEN PLUS的生物质气化模拟与分析

基于ASPENPLUS软件,对生物质气化过程进行模拟和分析.运用吉布斯自由能最小化原理,结合RGibbs模块和RYield模块,构建了生物质气化模型.运用该模型对稻壳在流化床中的气化过程进行模拟,发现模拟结果与实验结果基本吻合.模拟分析了不同气化温度和空气当量比对气化结果的影响.结果表明:研究范围内的气化温度对产气率影响不大;随着空气当量比的增大,气化温度增加,热值减小,产气总量增加.

科学计算可视化及其在相图中的应用研究

科学计算可视化是一种把数据信息转换成可视信息的新兴技术,是分析与理解数据的有力工具。本文介绍了VISC工具和应用状况的基础。提出了一种通过科学计算利用吉布斯最小自由能绘制相图的方法。本方法通过计算来获得体系在某一状态下的准确数据,甚至可以获得体系的内部情况,这是传统的表面重建所不能比拟的。

丁烯裂解制取丙烯和乙烯的热力学因素分析及反应性能研究

用吉布斯自由能最小原理法对C2～C5烯烃构成的热力学网络进行了平衡状态的计算,并与1丁烯及混合碳四烃在ZSM5分子筛催化剂上的催化裂解实验结果进行了比较。结果表明:在ZSM5分子筛催化剂上,不管进料是1丁烯还是混合碳四烃,裂解产物中C2～C5烯烃收率随温度的变化趋势同热力学规律一致,即随温度升高乙烯产率不断升高,而丙烯的产率在630～650℃达到最大值。推荐实现最大化丙烯收率的温度范围为630～650℃。

铅闪速熔炼过程的多相平衡模型

针对粗铅、铜锍、炉渣和烟气四相平衡体系,基于最小吉布斯自由能原理,采用元素势法,建立铅闪速熔炼多相平衡热力学模型。在与半工业试验相同炉料组成、熔炼温度、富氧浓度等操作条件下,模拟计算平衡组成。研究结果表明:粗铅中Pb质量分数绝对误差为0.30,相对误差仅为0.30%;炉渣中Pb,CaO和SiO2质量分数绝对误差分别为2.00,0.50和0.70,相对误差分别为6.67%,3.57%和3.89%,说明建立的模型能较好地反映铅闪速熔炼实际情况,为铅闪速熔炼过程的热力学研究提供了依据。

二氧化碳加氢制甲醇过程热力学分析

CO2加氢制甲醇是温室气体CO2资源化一个极具前景的研究领域，本文采用吉布斯自由能最小法耦合非理想体系PR状态方程对反应过程进行了热力学平衡分析。结果表明，提高压力和降低温度有利于反应的进行，有利于提高CO2的转化率，同时提高了CH3OH的选择性；增加原料n（H2）/n（CO2）有利于提高CO2的转化率和CH3OH的选择性。另外，适当添加少量CO作为原料，CO可能从产物转变为反应物，因此虽然降低了反应过程CO2的转化率，但能够增加单位CO2的CH3OH产率，不过，若原料气中CO含量过多，则CO2加氢过程转变为传统的CO加氢过程；由于反应过程受热力学平衡的制约，CO2单程转化率较低（约20%~30%），采用尾气循环的工艺过程能够成倍提高CO2总转化率。

GH586高温合金析出相的热力学模拟计算

利用热力学计算软件Thermo-Calc与相应的Ni基高温合金数据库,从热力学角度通过计算最小吉布斯自由能,得到GH586合金可能析出的平衡相,并预测化学成分对析出相的影响,分析各相的析出规律,为挖掘合金组织潜力和改善合金使用性能提供理论依据。

硫化铅矿闪速熔炼过程的热力学分析

基于最小吉布斯自由能原理,建立硫化铅矿闪速熔炼过程多相平衡热力学模型,考察熔炼温度(T)、吨矿氧量(VOVPTO)对粗铅含硫量、炉渣含铅量、烟气含铅量及铅在各平衡相中分配比的影响。结果表明:对一定用量和一定成分的硫化铅矿,随着T和VOVPTO的增大,粗铅含硫量可降至0.1%(质量分数)以下,但过高的VOVPTO会使渣含铅量升至60%(质量分数)以上,铅在粗铅中的分配比低于30%(质量分数);烟气中的铅主要以PbS形式存在,其含量随着T的升高及VOVPTO降低而增高。综合考虑铅的直收率及产物处理的难易程度,闪速炉直接炼铅应采取分区分步熔炼方式,先在氧化区制"低硫铅",然后在还原区造"低铅渣",且氧化区熔炼温度宜较低。

压强对含硼富燃料推进剂一次燃烧产物的影响

采用燃烧温度测试系统测量了0.2、0.4、1.4和3.1MPa下含硼富燃烧料推进剂的一次燃烧温度,利用最小自由能法研究了压强对含硼富燃料推进剂一次燃烧产物组分的影响,用扫描电镜对不同压强下一次燃烧产物凝聚相的形貌进行了表征。结果表明,含硼富燃料推进剂一次燃烧产物中含硼产物主要以B2O3、B4C、BN、B、B2O2(g)和HBO(g)的形式存在,压强较低时,燃烧产物中单质硼和B4C含量较高,硼的反应率较低;随着压强的升高,燃烧产物中单质硼和B4C含量大幅降低,B2O3含量增加,说明压强升高有利于提高硼的反应率和硼燃烧的热量释放。B2O2(g)、HBO(g)和MgCl2(g)的含量随压强的升高而增加,HCl(g)含量随压强升高而降低,H2(g)含量则保持稳定。燃烧压强越高,凝聚相产物分散性越好,平均粒度越小。

脆硫铅锑矿闪速熔炼过程热力学分析

基于最小吉布斯自由能原理,采用元素势法,建立脆硫铅锑矿闪速熔炼过程多相平衡热力学模型,考察吨矿氧量(OVPTC)、富氧浓度(OG)和熔炼温度(T)对铅与锑在各平衡产物中分配比的影响.结果表明,对一定成分的脆硫铅锑矿,铅在合金中的分配比随OVPTC的增大不断下降,随T的升高略有上升;锑在合金中的分配比随OVPTC的增大有所下降,随T的升高大幅上升;熔炼烟气量随OG的增大而大幅减少.综合考虑铅和锑的直收率,脆硫铅锑矿闪速熔炼应控制一定的OVPTC,适当提高OG和T.

基于柴油-蒸汽重整的化学回热循环热力计算

为了推进化学回热循环燃气轮机应用于船舶推进系统,应用最小吉布斯自由能法建立柴油-蒸汽重整反应计算模型并基于此模型分析化学回热循环燃气轮机的热力性能。使用甲烷-蒸汽重整反应结果验证该方法的可行性,计算结果和实验对比主要产物产量最大误差为3.44%。使用该方法计算柴油-蒸汽重整反应,计算后燃料折合热值提高了38.9%;循环效率得到提升。根据柴油-蒸汽重整反应计算结果计算了燃机的燃烧室出口温度为1375.3K,较简单循环的1542.8K降低了167.5K,较低的燃烧温度可以降低NOx的生成量。经过验证,在所选定的计算状态,烟气余热能量足够产生系统所需的水蒸汽。

高温熔盐储能材料的模型计算方法研究

基于化学势相等和吉布斯自由能最小原理,用正规溶液模型和修正的似化学模型计算了复杂卤化物K-Mg/Cl二元体系和Li-Na-K/F三元体系的高温熔盐相图,并首次将遗传算法应用到模型计算的最优化过程中。在K-Mg/Cl体系中,借助模型成功预测出了可作为高温熔盐储能材料的KMgCl3和K2MgCl4。在Li-Na-K/F体系中,模型预测值与实验值在固液平衡相区一致,并准确预测出可能作为高温熔盐材料的溶解度的相图微区域。

磁场下白云鄂博贫铁矿的热力学模拟

基于最小Gibbs自由能计算理论建立了白云鄂博贫铁矿碳热还原的磁热力学模型,确定了白云鄂博贫铁矿体系内主要组元的磁化率随温度的变化关系,研究了不同温度和磁场强度条件下白云鄂博贫铁矿碳热反应过程中矿物转变的规律,为该反应提供了理论依据。研究表明,磁场可提高Fe金属化率,在磁场强度B=0.2 T、温度t=1000℃条件下,金属化率达到最大值。磁场促进了硅酸盐中Mg^(2+)、Mn^(2+)等阳离子与Fe^(2+)的置换,尤以0.8 T和1.0 T最为明显,对橄榄石而言,存在Fe_(2)SiO_(4)→(Mg、Mn)FeSiO_(4)→(Mg、Mn)SiO_(4)的转变,中间相(Mg、Mn)FeSiO_(4)在0.6 T或850℃时达到峰值。磁场的存在有利于FeNb_(2)O_(6)→Ca_(2)Nb_(2)O_(7)的转变,其中,B=1.0 T条件下铌铁矿转变为烧绿石(Ca_(2)Nb_(2)O_(7))而不发生还原的理论温度范围为774~1164℃。磁场对FeS、TiO_(2)、Ca_(5)(PO_(4))3F以及CaF_(2)的影响较小,其中在B=0 T、800℃条件下生成(FeO)_(2)(TiO_(2)),随着温度升高或者磁场强度的增大,TiO_(2)与CaO、SiO_(2)形成了CaSiTiO_(5)。

气相反应产物中固相沉积始现的反应温度点计算

许多气相反应不希望出现固相产品,如燃烧过程不希望有积碳。本文研究气相反应产物在什么条件下出现固体。根据Gibbs自由能最小等热力学原理,提出1种将化学反应平衡和固体饱和蒸汽压数据相结合,求气相反应产物中固相沉积始现的反应温度点的计算方法。举出氯硅烷氢化等7个体系的算例。结果表明:本法与传统的Gibbs自由能最小法结果相同;在同样的进料条件下,每个体系均存在1个固相沉积的温度范围。本文确定的这种温度范围对探讨气体反应的固相沉积现象具有很好的指导意义,所选算例得出:SiHCl_3氢化等4个体系有2个沉积温度点(TD_1,TD_2),即这些平衡体系有2个沉积的温度转折点,如果不希望有沉积,就必须使进料温度小于TD_1或者大于TD_2;而CH_4部分氧化等3个体系只有1个沉积温度点TD,此类平衡体系如果不希望有沉积,进料温度就应大于TD。