Управление барабанными сушильными установками с рециркуляцией высушиваемого материала

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Процессы сушки гранулированных материалов широко используются в различных отраслях промышленности и, как правило, являются энергоемкими. В процессе сушки некоторые из видов таких материалов при малых остаточных значениях влажности оказываются хрупкими и частично разрушаются. Характерный пример представляют процессы сушки гранул в крупнотоннажном производстве технического углерода. Низкая конечная прочность гранул осложняет управление процессом. Их частичное разрушение и рециркуляция образующейся в результате этого пыли, в конечном итоге приводят к необходимости повторного высушивания части материала.

Энергообеспечение сушки осуществляется за счет сжигания природного газа. Уменьшение энергозатрат, требуемых для сушки, при сохранении или повышении показателей качества продукта — одна из важных отраслевых задач.

Основные теоретические положения сушки технического углерода, опирающиеся на фундаментальные исследования A.B. Лыкова, были разработаны в трудах В. М. Осипова, И. Г. Рябинкова, И. Г. Зайдмана. В 197 080-х гг. отраслевые исследования были направлены на выявление эффективных технологий осуществления процесса. Вопросы его математического моделирования в этот период изучались в работах A.M. Волкова. Следует заметить, что в этих работах не рассматривались задачи управления сушильной установкой в целом, как совокупностью взаимосвязанных технологических аппаратов, не учитывалась рециркуляция материала, подвергающегося частичному разрушению. Между тем, на эффективность системного подхода, отражающего специфику взаимосвязи тепловых и материальных потоков сушки с возможностями автоматизированного управления сушильными установками, указывается в работах С. П. Рудобашты и С. Н. Малыгина.

В настоящее время в силу сокращения деятельности или полной ликвидации отраслевых научно-исследовательских институтов основной путь поиска повышения энергетической эффективности производства — промышленный эксперимент. В промышленности технического углерода наибольшие успехи на этом пути достигнуты В. Ю. Орловым.

Однако, будучи весьма затратным, промышленное экспериментирование фактически не предоставляет возможностей разработки систем управления перспективными, но к настоящему времени не нашедшими отраслевого применения технологиями, такими как «доулавливание» пыли, образующейся при сушке, в фильтрах основного улавливания и сушка расходящимися потоками теплоносителя.

Для оценки таких возможностей целесообразно использование численного моделирования сушильных установок. Поэтому решаемая в диссертации задача повышения эффективности энергообеспечения сушки для используемых и перспективных технологий на основе совершенствования системы управления тепловыми потоками с применением средств математического моделирования актуальна.

Цель работы.

Разработка математических моделей и методов управления тепловыми потоками в сушильных установках, обеспечивающих возможности применения перспективных энергосберегающих технологий сушки гранулированных материалов термически и механически неустойчивых при малых значениях влажности, и повышение стабильности поддержания тепловых режимов.

Для ее достижения решаются задачи: анализа влияния способов управления тепловыми потоками, присущих различным технологиям сушки, на возможности интенсификации процессов и улучшения показателей качества высушенного материалапостроения математической модели описывающей процесс разрушения и уноса фракции мелких гранулизучения системных взаимосвязей, их влияния на процесс сушки и разработки математической модели сушильной установки как совокупности взаимосвязанных технологических аппаратов, для численной имитации действия и анализа работы предложенных схем управленияразработки методов и схем управления потоками теплоносителя с учетом технологических связей между аппаратами сушильной установки и их численное моделирование.

Методы исследований.

Для исследования проблемы и решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, идентификации, математического программирования, оптимального управления, численного и аналитического решения интегро-дифференциальных уравнений.

Научная новизна.

В работе решены задачи повышения эффективности управления температурно-влажностным режимом сушки в сушильных установках барабанного типа с учетом частичной рециркуляции высушиваемого материала.

При их решении: установлено, что —.

• для энергоэффективного управления сушкой материалов с рециркуляцией разрушенных гранул следует максимизировать долю теплового потока, направляемого противотоком, в схеме прямоточно-протпвоточного движения теплоносителя;

• на установке по производству технического углерода использование перспективной технологии «доулавливания» пыли, образующейся при сушке, в фильтрах основного улавливания может быть обеспечено регулированием разрежения в сушильном барабане. предложены —.

• математическое описание разрушения и уноса гранул для моделирования систем управления сушкой с рециркуляцией высушиваемого материала;

• математическая модель сушильной установки как совокупности взаимосвязанных аппаратов для анализа эффективности управления рециркуляцией гранул и пыли;

• введение в число компонент вектора управления значений расходов отработанного теплоносителя и хладагента.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

— математическая модель для расчета статики и динамики сушильной установки с рециркуляцией высушиваемого материала с учетом взаимодействия элементов (технологических аппаратов) этой установки,.

— метод управления сушильной установкой с учетом рециркуляции высушиваемого материала,.

— методы повышения ресурса управления за счет целенаправленного варьирования тепловыми потоками отработанного теплоносителя, выводимыми из барабана, и расширения температурного диапазона вводимых в барабан материальных потоков,.

— использование ячеечной математической модели сушильного барабана для расчета переходных и статических режимов систем автоматического управления в условиях применения различных схем распределения сушильного агента.

Практическая значимость.

Для компьютерных систем управления сушкой технического углерода разработаны алгоритмы оценки в динамике не измеряемых непосредственно переменных состояния (технологического режима) сушильной установки и усовершенствованы алгоритмы расчета показателей качества сушки;

Предложены варианты схем и алгоритмов:

• организации управления тепловыми потоками сушки с учетом рециркуляции высушиваемого материала;

• автоматической стабилизации технологических режимов и показателей качества сушки.

Предложенные расчетные схемы и алгоритмы оценки влияния управления распределением тепловых потоков в сушильной установке переданы в ОАО «Ярославский технический углерод» и применяются в практике совершенствования управления технологическими процессами.

Разработанное программное обеспечение использовано при обучении студентов в группах целевой подготовки специалистов для ОАО «Ярославский технический углерод», а также в курсовых работах по математическому моделированию технологических процессов для специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».

Апробация работы и публикации.

Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международных научных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях»: ММТТ-20, Ярославль 2007; ММТТ-21, Саратов 2008; ММТТ-23, Саратов 2010; Третья Международная научно-практической конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). СЭТТ-2008», Москва-Тамбов;

Шестая межвузовская научно-методическая конференция «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» Ярославль 2008;

Пятьдесят девятая, шестидесятая, шестьдесят первой, шестьдесят вторая, шестьдесят третья научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов Ярославского государственного технического университета.

Основные положения диссертации отражены в семнадцати публикациях, четыре из которых опубликованы в рецензируемых журналах «Химия и химическая технология» и «Вестник тамбовского государственного технического университета», рекомендованных для представления основных результатов диссертационных исследований ВАК РФ. Получены три патента Российской Федерации.

СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Работа состоит из введения, пяти основных глав, 53 рисунков, 15 таблиц и трех приложений. Объем работы составляет 150 страниц, список использованных источников содержит 110 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показаны его научная новизна и практическая значимость, дано краткое изложение работы.

В первой главе на примере производства технического углерода анализируются процессы и проблемы управления сушкой гранулированных материалов термически и механически неустойчивых при низких значениях влажности. Рассматривается классификация способов сушки. Анализируются способы управления тепловыми потоками, возникающими в результате конвективного теплообмена или (и) контактной передачи тепла к высушиваемым материалам, которые можно реализовать в условиях различных технологий сушки.

Указывается, что разделение регулирующих воздействий для независимого варьирования скоростями газового потока сушильного агента и перемещения высушиваемого материала не обеспечивается в установках с кипящим слоем, трубах сушилках, обеспечивающих высокую интенсивность процесса, а обеспечивается в барабанных сушильных установках.

Во второй главе рассматриваются системные эффекты управления сушильной установкой при замене прямоточной схемы движения теплоносителя во внутренней полости сушильного барабана прямоточно-противоточной схемой без изменения известных способов управления ею.

Предлагаются способы управления и перераспределения тепловых потоков для прямоточно-противоточного движения теплоносителя во внутренней полости сушильного барабана.

В третьей главе рассматриваются и совершенствуются математические модели сушки на примере технического углерода. Для описания процесса сушки в барабане используется ячеечная модель, простые алгоритмы решения которой, позволяют, с одной стороны, отказаться от ряда упрощающих допущений моделирования, с другой — косвенно учесть продольное перемешивание в пределах газовой фазы и потока влажных гранул.

Для оценки коэффициента рециркуляции высушиваемого материала необходимо знать количество разрушенного и унесенного потоком теплоносителя. Экспериментально установлено, что степень разрушения в значительной мере определяется тепловым режимом процесса. Поэтому в работе предлагается математическая модель разрушения гранул, определяемого этим режимом и расчет уноса потоком теплоносителя части высушенного материала.

Группа описанных моделей, дополненная упрощенным описанием движения пыли в тракте рецикла, образует математическую модель сушильной установки, для которой, как для объекта управления, формулируется постановка задачи оптимизации.

В четвертой главе рассматриваются пути повышения качества стабилизации технологического режима сушки и разрабатываются схемы управления прямоточно-противоточным движением теплоносителя с дополнительным потоком хладагента.

В пятой главе выполняется численное моделирование предложенных схем управления.

Для подготовки программ численного моделирования используются концепции объектно-ориентированного программирования в среде Delphi. Программы имеют модульную структуру. Каждый модуль разработан для определенной схемы распределения теплоносителя и схемы автоматического управления.

1. Rasiri N., HasanzadeK М. A. and Moghadam М. Mathematical modeling and computer simulationof/a drum dryer. Iranian Journal of Science & Technology, Transaction B, Vol- 28, No. B6, The Islamic Republic of Iran, 2004.

2. Rodrigues, G., Vasseur, J. & Courtois, F. (1996). Design and controlof drum dryers for the foodindustry, Part 2: Automatic control // Journal of Food Engineering, 30, 171−183.

3. Лыков A.B. Теория сушки. Изд. 2-е, перср. и доп. — М.? Энергия. 1968; -472 с. .

4. Лыков А. В. Теория сушки. М. Л:: Гоэнергоиздат. 1950. — 416 с.

5. Чижевский А. Ф. Сушка керамических материалов и изделий. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971. — 169 с.

6. Шубин Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины (вопросы теории, методы расчёта и совершенствования технологии): Дис. д-ра техн. наук. М., 1985. — 400 с.

7. Долинский А. Д., Иваницкий F. К. Оптимизация процессов распылительной сушки. — Киев: Наукова думка, 1984. 320 с.

8. ЛыковАВ- Теория сушки: ~Mir Л-: КЭД 1968:-Гл. I, II, III, IV, с. 7−167.

9. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -Mi: БХИ^ I960-—Ел.Х?. Сушка, с. 652−687 181, Касаткин А-Е. Основные процессы и аппараты химической технологии. -Ж: Химия- 1971LС., 649:

10. Чернобыльский И. И., Тананайко Ю. М. Сушильные установки химической промышленности. Киев, 1969s — Ел. III. Кинетика сушки и тепломассообмещ с. 70−89?20: Лыков A. Bi Теоретические основы строительнойтеплофизикиМинск: Изд-во АН БССР, 1961.

11. U. Jacobs, J. Haintz, JKappel Selection Criteria for Sludge Diying Plants Belt, Drum andFluidisedBedDryers. Paper, presented-at VDI Meeting, Bamberg: 13−14 February 2003.

12. Классификация сушилок / Уралдрев Электронный: ресурс.: Режим доступа: http://www.uraldrev.ru/.

13. Сравнение барабанной сушилки и сушилки кипящего слоя Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.btmt.kiev.ua/solutions/dryer:

14. Барабанные сушилки БН, БГ Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.upmt.ru/index.php/article/archive/102.

15. Орлов В. Ю., Комаров A.M., Ляпина JI.A. Производство и использование технического углерода, для резин. Ярославль: Изд-во Александр Рутман, 2002. — С. 3441.

16. Rumpf Н: // Ing. techn.- 1958.-V.30, — No.3.-P.144.

17. Tegerschiold M., Ilmoni A. // Amer. Inst. Mining Metallurgy Eng. Proceeding of the blast furnace and coke ovens raw materials conference. — 1950.— No.9.— P.18.

18. Tarjan E. Der Einfluss von Bewegungskraften auf die Granulation // Aufbereitungstechnik. 1966. — Nr. 1. — S. 28−32.

19. Вилесов Н. Г. и др. Процессы гранулирования в промышленности. М.: Техника, 1976. -С.28.

20. Meisner Н., Michaels A., Kaiser R. // Eng. and eng. chem. 1964. -No.3. — P:3.

21. Vasseur, J., Abchir, F. & Trystram, G. (1997). Modeling of drum dryer. ENSIAA-1 Ave des olympiades 91 305 MASSY-FRANCE Drying, 121−129.

22. Treybal, R. (1980). Mass transfer operations. McGraw-Hill Ltd.

23. Novitskii, V. S. & Gryznov, Y. V. (1976). Method of analytical calculation of the operation cost of a drum atmospheric dryer // Chem. & Pet.Eng., 12(7−8), 624−627.

24. Волков A.M. Оптимизация процесса сушки гранул технического углерода, предотвращающего их разрушение // Автоматизация производства технического углерода: сб. науч. тр. -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1982. С. 61−65.

25. Соков М. Н. Опыт работы конвективных сушилок гранулированного технического углерода // Совершенствование производства технического углерода: сб. -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1979. С. 34−39.

26. Хаустов И. П., Чигеткин В. И., Сажии Б. С., Панфилов М. Н. Сушильное оборудование с механическим перемешиванием и измельчением высушиваемого материала. // Химическое и нефтяное машиностроение. — 1968.-№ 10.-С. 42−45.

27. Лисовая Г. К., Ведерникова М. И. и др. Испытания опытно-промышленной трубы-сушилки для кремнефтористого натрия // Химическое и нефтяное машиностроение. — 1969. — № 5. — С. 39−49.

28. Сажин Б. С, Бабак А. М., Чувнило Е. А., Кочетов Л. М. Новые аппараты ! для конвективной сушки дисперсных материалов. (Обзор зарубежныхпатентов) // Химическое и нефтяное машиностроение. 1970. — № 3. — С. 44−47.I.

29. Лурье Л. М., Быховский Ю. А. Использование труб-сушилок в цветной металлургии // Промышленная энергетика. 1970. — № 1. — С. 47−50.44. Пат. 3 204 341 США, 1965.45. Пат. 3 337 965 США, 1967.

30. Ивановский В. И. Технический углерод. Процессы и аппараты / В. И. Ивановский. — Омск: ОАО «Техуглерод», 2004. — 228 с.

31. Berk J. Everything you wanted to" know about direct thermal drying but were afraid to ask // USFilter 2155 112th Avenue Holland, MI 49 424.

32. Комаров A. M. Автоматизация процессов мокрого гранулирования’сажи за рубежом: темат. обзор. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1973. — 34 с.

33. Классен П. В. Основы техники гранулирования. М:: Химия, 1982. -С.88−93.

34. Троянкин Ю. В. Проектирование и эксплуатация высокотемпературных технологических установок. М.: МЭИ, 2002.

35. Driver J., Hardin М., Howes Т., Palmer G. Влияние конструкций ковшей на характеристику сушки в барабанных* сушилках: докл. // 6 World Congress of Chemical"Engineering, Melbourn, Oct. 23−27, 2001.

36. Плановский A.H., Муштаев, В.И., Ульянова B.Mf. Сушкадисперсных материалов-в химической промышленности, М., Химия.

37. Использование отходящего газа для сушки техуглерода ООО «Техуглерод и огнеупоры» Электронный ресурс. Режим1 доступа: http://tog.ucoz.rii/index/ispolzovanieotldiodjashhegogazadljasushkitekhugler odavsushilnombarabanebsk40/0−16.

38. Комаров A. Mt, Рубан В" .И. Применение позонного регулирования в автоматизации сушильных барабанов БСК-40 // Производство шин, резинотехнических и асбестотехнических изделий: науч.-техн. сб. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1974. — № 12. — С. 7−8.

39. Цыганков М. П., Чайкин О. М. Модель сушки гранулированного углеродного материала при малых значениях влажности // Изв. вузов. Химия и химическая технология. — 2008. — Т. 51, вып. 8. С. 82−83.

40. Мячин М. Г., Цыганков1 М. П. Моделирование сушильногобарабана в-производстве технического углерода" // Математические методы в технике и технологиях: сб: тр. / Новгородский гос. ун-т — Великий Новгород, 1999. -С. 99−101.

41. Волков А. М. Математическое описание процесса сушки технического углерода: Автоматизация производства технического углерода. —ЦНИИТЭнефтехим, 1982. С. 52−61.

42. Цыганков М. П. Бойков О. Ю., Бнаг ТаЬЬап. Математическое моделирование сушки технического углерода по схемам прямотока-противотока // Изв. вузов. Химия и химическая* технология. 2006. — Т. 49, вып. 10. — С.90−94.

43. Цыганков МТТ, Мячин М. Г. Моделирование процесса сушки в производстве технического углерода // Вестник Ярославского гос. техн. унта: Вып. 1. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 1998. — С.113−114.

44. Чайкин О. М., ТаЬЬап Б. Математическое описание тепловых режимов падающей скорости сушки гранул технического углерода // Сб. тр. XX Международ, науч. конф. В 10 т. Т. 5. 2007. — С. 26 -28.

45. Чайкин О. М., Цыганков М. П., ТаЬЬап Б. Расчет переходных режимов сушки гранулированного углерода // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2008. — Т. 51, №. 8. — С. 55−57.

46. Чайкин О. М., Цыганков М. П. Ячеечная модель динамики сушки гранул технического углерода // Сб. трудов XXI Международ, науч. конф. В 10 т. Т.5.-2008. С. 123−124.

47. Чайкин О. М. Математическое моделирование распределения газовых потоков в> сушильном барабане // Пятьдесят девятая научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов: тез. докл. Ярославль: ЯГТУ, 2006. — С. 240.

48. Бойков С. Ю., Чайкин О. М: Математическое моделирование для мониторинга процесса сушки гранулированного углерода // Шестидесятая^ научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов: тез. докл. Ярославль: ЯГТУ, 2007. — С. 79.

49. Чайкин О. М. Анализ устойчивости распределенного движения газовых потоков в сушильном барабане // Шестьдесят первая научно-техническая конференция, студентов, магистрантов и аспирантов: тез. докл. Ярославль: ЯГТУ, 2008.-С. 176.

50. Таганов И. Н. Моделирование процессов массои энергопереноса. Нелинейные’системы. Л:: Химия, 19 791 — 204 с.

51. Ойгенблик А. А., Сажин В. Б., Соловьева С. А. Моделирование кинетики* сушки полидисперсных частиц различной8, формы (одиночная частица) // Процессы в зернистых средах. Иваново- 1989. — С. 58−62.

52. Цыганков М. П., Чайкин О. М'., ТаЬЬап О. Управление расходящимися потоками теплоносителя в сушильном барабане // Изв. вузов. Химия и химическая технология. — 2008. Т. 51, вып. 8. — С. 77−78;

53. Лисиенко В. Г., Щёлоков Я: М., Ладыгичев М: Г. Хрестоматия энергосбережения: Справочник.-Ml: Теплоэнергетик, 2003;

54. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической-технологии. Л:.: — Химия-, 1981;.

55. Гофман В. Э., Хомоненко А. Д. Delphi 5. СПб.: БХВ-Петербург, 2001.-800 с.

56. Изерман Р.' Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. — 541 с.

57. Шувалов В! В., Огаджанов. Г. А., ГолубятниковВ.А. Автоматизация производственных процессов в химической* промышленности. М.: Химия, 1991.-480 с.

58. Способ автоматического регулирования процесса сушки сыпучих материалов в барабанной сушилке: а. с. СССР, кл. F 26 В 25/22, заявл. 15.01.79, № 2 713 210 / В. И. Еремеев, О. Н. Леханов, Р. Г. Каграманов.

59. А. с. 1 576 820 СССР, МКИ F 26 В 25/22. Способ автоматического регулирования процесса сушки сыпучего материала.

60. А. с. 1 416 833 СССР, МКИ F 26 В' 25/22. Способ автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов в барабанной сушильной установке.

61. Пат. 2 287 752 Российская Федерация, МИК F26B5 25/22. Способ управления процессом сушки в барабанных сушилках. Опубл. 2006.

62. Пат. на полезную модель 75 881 Российская Федерация. Установка для сушки гранулированного технического углерода / М. П. Цыганков, О. М. Чайкин.

63. Пат. 2 365 838 Российская Федерация. Способ управления сушкой в сушильных установках барабанного типа / М. П. ЦыганковО. М. Чайкин.

64. A.c. 1 129 477 СССР, МКИ F 26 В 25/22. Способ автоматического управления процессом сушки.

65. A.c. 1 044 931 СССР, МКИ F 26 В 25/22. Способ автоматического регулирования процесса сушки.

66. A.c. 1 041 840 СССР, МКИ F 26 Вг 21/06. Способ управления процессом сушки гранулированной сажи в барабане.

67. Пат. 2 208 206 Россия. Барабанная сушилка / А. К. Абрамов, JI. И. Аверьянов, JI. В. Зимонин, В. А. Любушкин. заявл. 24.09.2001.

68. А. с. Л 1 193 411 СССР. опубл. 1984.

69. Способ, автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов: а. с. СССРзаявл 11.02.80, № 288 302 / А. П. Гусев, В*. А*. ОльковВсес. н.-и. и проект, ин-т асбест, пром-ти.

70. Способавтоматического, регулирования процесса сушки сыпучих материалов: а.- с. СССРзаявл. 11.06.89, № 3 304 550 / А. С. Меняйленко, В. А. Улышин, В.И. БардамидВорошиловгр. фил. ин-та Гипроуглеавтоматизация.

71. A.c. 907 370 СССР, МКИ F 26 В* 21/06. Способ автоматического управления процессом сушки’сыпучих материалов:

72. Чайкин О. М., Цыганков М. П. Моделирование системы автоматического регулирования' температурного режима сушки // Математикам математическое образование. Теория и практика: Межвуз. сб. науч. тр. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2008. — С. 210- 213.

73. Шински Ф. Системы, автоматического регулирования химико-технологических процессов. — М.: Химия, 1974.

74. Малышкина В1 А. Оптимальное управление процессом сушки макаронных изделий: дис. канд. техн. наук / В. А. Малышкина. Оренбург, 2005.-180 с.

75. Баумштейн И. П., Майзель Ю. А. Автоматизация процессов, сушки в химической промышленности. М.: Химия, 1970. — 232 с.

76. Автоматизация процессов сушки в промышленности и сельском хозяйстве / Под ред. М. А. Берлинера. М.: МАШГИЗ- 1963. — 292 с.

77. Автоматизация производства технического углерода / Всесоюзный научно-исследовательский ин-т технического углерода М.: Химия, 1983.

78. Горячев В. П. Основы автоматизации производства в нефтеперерабатывающей промышленности. М.: Химия, 1987.