Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
11
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
140.29 Кб
Скачать

Програма gal Mоделювання нестаціонарних масообмінних процесів в гальванічній ванні

  1. Обєкт і мета розрахунків

    1. Фізичний обєкт, який моделюється - масообмінні процеси в гальванічній ванні з заданим об’ємом електроліту в режимі роботи з постійним заданим струмовим навантаженням і продуктивністю по покриттю, м2/год. Передбачено періодичне коректування ванни по об’єму (доведення чистою водою до початкового значення).

1.2. Мета роботи - вивчення закономірностей часової зміни (динаміки) технологічних параметрів нестаціонарного процесу в гальванічній ванні, оптимізація режиму обслуговування ванни.

1.3. Програма розраховує динамічну характеристиуи ванн по концентрації контрольного компонента (КК) протягом заданого часу τМАКС, або до моменту τФ< τМАКС, коли досягається обмеження по граничних значеннях концентрації СМАКС, СМІН або об”єму електроліта VМІН.

Підраховуються інтегральні характеристики системи на кінець циклу τФ – концентрації контрольного компонента, витрати КК на покриття, втрати КК за різними механізмами.

  1. Математична модель і алгоритм

Математична модель процесів нестаціонарного масообміну в гальванічній ванні складається з 2-х диференційних рівнянь балансу для двох компонентів електроліту – реагента і продукта. Рівняння балансу з граничними умовами мають вигляд

, , (1)

де V– об’єм електроліту в ванні; gЕ –швидкість електрохімічного процесу (витрачання реагента), г/год; C– концентрація; JУ2 –швидкість винесення електроліту на поверхні виробів (л/год), gX – швидкість хімічної реакції, г/год, в якій приймає участь балансований компонент; JВ- швидкість механічного випаровування (л/год, винесення в вентиляційну систему КК в складі крапельного туману електроліту, який утворюється при руйнуванні бульбашок газів, що виділяються на електродах).

Об’єм електроліту також змінюється внаслідок нескомпенсованих об’ємних потоків розчину- вихідного JУ2 на поверхні виробів, вхідного потоку води на поверхні JУ1, фізичного JВФ і механічного JВМ випаровування з електроліту:

, . (2)

де А-множник (вхідний параметр), який має значення 0, коли в ванну поступають попередньо висушені вироби, і 1 – якщо вироби поступають після попереднього промивання і вносять в ванну воду на своїй поверхні.

Електрохімічні процеси в гальванічній ванні здійснюються на катоді і аноді. В ваннах металопокрить це процеси розчинення металу на аноді і осадження на катоді, які в загальному випадку ідуть з різними виходами за струмом. Сумарний потік контрольованого компонента-металу можна описати рівнянням, яке містить суму потоків на катоді і аноді:

, (3)

де іЕ- катодна густина струму, SD- площа поверхні виробів на одному завантаженні, NП – кількість завантажень (підвісок), які одночасно обробляються в гальванічній ванні, э- електрохімічний еквівалент контрольовоного компонента, BCA, BCК – виходи за струмом анодної і катодної реакції з участю КК, І- струмове навантаження, FE- числове значення виразу в квадратних дужках. Коефіцієнт FE має розмірність електрохімічного еквівалента г/Агод, і в залежності від співвідношення виходів за струмом на катоді і на аноді може мати різні знаки (зростання кількості КК при BCA BCК, і зменшення при BCA BCК ).

Хімічні процеси в гальванічних ваннах інколи виникають як паралельні (побічні). В окремих випадках, а саме в ваннах хімічного травлення, хімічна реакція взаємодії частково окисленої металевої основи з травильним розчином є основою процесу підготовки поверхні виробів під металеве покриття. Процес взаємодії металу з кислотою можна формально записати як електрохімічну (корозійну) реакцію

Fe + H2SO4  FeSO4 + H2  2e . (4)

Електрохімічна форма представлення реакції (4) дозволяє і швидкість процесу травлення металу задавати як для електрохімічної реакції через умовну еквівалентну “густину струму корозії ” іКО , а також використати однотипну з рівнянням (3) форму запису потоків реагента (кислота) і продукта (солі) :

, , (5)

В цьому рівнянні FK  эК і FC  эС – параметри, які за змістом формально відповідають електрохімічним еквівалентам кислоти і солі, розрахованим за реакцією (4). В дійсності ця аналогія приблизна, бо в системі можливі декілька різних реакцій взаємодії кислоти із залізом і його сполуками FeO, F2O3, Fe3O4, з утворенням продуктів Fe+2 та Fe+3. Тому можлива деяка невідповідність між значеннями эК та эС , розрахованими з реакції (4), і реальними .

Через те, що швидкість травлення залежить від концентрації кислоти, в кінетичних рівняннях (5) в програмі введено додатковий множник  , з двома емпіричними коефіцієнтами А1 та А2 , які дозволяють моделювати якісно різні форми залежності швидкості процесу від концентрації кислоти:

. (6)

На рис.1 показані можливі форми залежності =f(СК).

Рис.1. Залежність коефіцієнта  в кінетичному рівнянні травлення (5) від концентрації кислоти. Константа А1=1. Числа на кривих – значення константи А2

Якщо з експериментальних (або довідкових) даних відома форма залежності gKT =f(СК), тоді її можна апроксимувати функцією (5,6), підбираючи відповідні значення коефіцієнтів А1 та А2, наприклад, шляхом вирішення систему з трьох рівнянь (5) для трьох значень СК відносно трьох невідомих – А1, А2, іКО.

В програмі в рівнянні балансу (1) сумуються потоки КК в усіх процесах, тому можливі три комбінації умов при моделюванні технологічного процесу (три типи задач).

1. Моделюваня ванни гальванопокриття і розрахунок динаміки лише одного компонента. Задають нульові значення параметрів хімічного процесу ( іКО, FK, FC ).

2. Моделювання ванни травлення і розрахунок динаміки по двох речовинах – кислоті і продукту (солі). Задають нульовими параметри електрохімічного процесу (іЕ, FЕ). Варіативні параметри - іКО, FK, FC , А1, А2, а також початкова концентрація продукта С20.

3. Моделювання комбінованого процесу, де здійснюються паралельно хімічні і електрохімічні процеси.

Винесення електроліту на поверхні виробів (підвісок) визначається як добуток питомого виносу uD, л/м2 на продуктивність ванни по оброблюваній поверхні, м2/год

, (7)

де SD- поверхня виробів на одному завантажувальному пристрої (підвіска), м2, P – ритм роботи ванни в складі автоматичної лінії, або інтервал між поступанням в ванну чергових підвісок, хвилин.

Мінімальна кількість води, яка утримується на поверхні виробів після витягування з електроліту і тривалої витримки підвіски, uDW, л/м2, залежить від форми і структури поверхні виробів і складає 0.05-0.7 л/м2. Для розчинів, які відрізняються від води в’язкістю  та густиною , значення питомого виносу uD також інше, ніж для води (uDW), і в моделі перераховується за виразом

, (8)

де В–тривалість витримування підвіски для стікання електроліту, секунд, С0 –початкова концентрація КК в ванні при =0.

Емпіричний коефіцієнт ВК призначений для узгодження модельної і експериментальної (фактичної) залежності значення питомого виносу uD від тривалості витримування В.

Другий емпіричний коефіцієнт ВМ дозволяє моделювати ефекти зростання або зменшення питомого виносу uD в залежності від характеру зміни концентрації електроліту. Значення цього коефіцієнта залежить від густини і в’язкості розчину з концентрацією С0 та води (індекси відповідно Е та В):

0.7….1.3. (9)

Якщо немає потреби вивчати дію саме цих факторів, можна прийняти ВК=0 та ВМ=0, тоді uD=uDW буде константою, значення якої можна знайти в довідникових таблицях або спеціальній літературі .

Якщо на електроді мають місце декілька реакцій, необхідні додаткові перетворення стехіометричних рівнянь для визначення коефіцієнта FE .

Випаровування води фізичне. Швидкість випаровування води JВФ, л/год з поверхні електроліту площею SZ залежить від температури, яка впливає на парціальний тиск водяної пари РВ. Швидкість випаровування визначається в моделі приблизним співвідношенням

, л/год (10)

де ВИ =0…1 – коефіцієнт, який характеризує інтенсивність конвекції атмосфери над ванною, РВ, РЕ – парціальний тиск водяної пари відповідно в повітрі (константа) і над поверхнею електроліту, РА – атмосферний тиск Значення РЕ визначається без урахування впливу складу електроліту за спрощеною формулою Клапейрона-Клаузіуса для води

, (11)

де ТЕ– температура електроліту, Т0= 273К, ВИП = 43.35 кДж/моль– середня теплота випаровування води, множник (ВИП/RT0)=19.1. Вхідними параметрами для розрахунку є температура електроліту ТЕ та емпіричний коефіцієнт ВИ . Як видно з (10), формально при ВИ=0 випаровування відсутнє, і JВФ=0, що не відповідає дійсності. Проте умова JВФ=0 дозволяє при моделюванні проконтролювати, яку роль відіграє випаровування у формуванні стану ванни і режиму її експлуатації.

Випаровування електроліту механічне. Питому швидкість цього процесу вводять безпосередньо як константу JBM, л/(м2год), а фактична швидкість розраховується як величина, пропорційна площі електроліту в ванні SZ, м2 :

. (12)

Алгоритм вирішення математичної моделі – числове інтегрування системи диференційних рівнянь 1-го порядку (1,2) методом Ейлера, з часовим кроком  , який дорівнює ритму роботи автомата (інтервалу між моментами подання в ванну чергових підвісок).

Соседние файлы в папке Материалы по электра