Автоматизация научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Сладковский, Дмитрий Андреевич

• Сладковский, Дмитрий Андреевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сладковский, Дмитрий Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Аналитический обзор.

1.1 Автоматизированные системы научных исследований.

1.2 Гидродинамика псевдоожиженного слоя.

1.2.1 Методы экспериментального исследования псевдоожиженного слоя

1.2.2 Массообмен в псевдоожиженном слое.

1.2.3 Колебательные характеристики перепада давления в слое.

1.3 Моделирование реакторов псевдоожиженного слоя.

1.4 Постановка задачи исследования.

Глава 2. Экспериментальное исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя.

2.1 Описание экспериментальной установки.

2.3 Обработка экспериментальных данных видеосъемки.

2.3 Результаты, полученные в главе 2.

Глава 3. Моделирование реактора псевдоожиженного слоя.

3.1 Анализ экспериментальных данных.

3.2 Моделирование реактора кипящего слоя.

3.3 Результаты, полученные в главе 3.

Глава 4. Программная реализация АСНИ.

4.1 Разработка базовой библиотеки классов.

4.2 Разработка программы АСНИ.

4.2 Результаты, полученные в главе 4.

Выводы.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя»

Разработка новых и модернизация существующих технологических процессов невозможна без использования современной научно-исследовательской экспериментальной базы, включающей широкий спектр оборудования, методов исследования и анализа.

В настоящее время научные исследования проводятся с помощью достаточно сложного оборудования и связаны с необходимостью обработки больших объемов информации. Автоматизация трудоемких задач по сбору, упорядочиванию, преобразованию и архивации входных/выходных потоков информации о процессе, проверке достоверности полученных данных, статистическому анализу и получению эмпирических зависимостей способствует повышению эффективности научных исследований.

Все это в полной мере относится к проведению научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПС) на экспериментальных стендах.

ПС, как объект исследования, обладает свойственными каждому конкретному объекту специфическими характеристиками, которые определяют постановку экспериментов.

При изучении гидродинамики ПС эксперименты необходимо проводить на относительно крупногабаритных пилотных установках (диаметр аппаратов не менее 0,2м). Это обусловлено требованием сохранения условий подобия концентрационных полей и структуры слоя на пилотной установке и промышленном объекте.

Информацию о структуре слоя позволяют получить опыты с «двухмерными» (плоскими) аппаратами, где в процессе исследования формируются данные о распределении пузырей по высоте слоя, скорости их подъема, поверхности контакта фаз и расширении слоя.

Обработка многомерных массивов экспериментальных данных (результаты видеосъемки, измерения локальной порозности слоя, флуктуации перепада давления и т.д.) малоэффективна без использования автоматизированной системы научных исследований (АСНИ).

Создание экспериментальных стендов для изучения гидродинамики ПС с высокой степенью автоматизации обработки экспериментальных данных связано с большими экономическими затратами.

Наиболее эффективным решением этой проблемы является организация многопользовательского доступа к уникальному оборудованию через сеть Интернет. Это позволяет сократить затраты на разработку и испытание новых технологических процессов нескольким организациям, заинтересованным в выполнении научных и прикладных исследований ПС.

Использование информационно-телекоммуникационных технологий с возможностью проведения удаленных исследований является актуальной задачей и создает реальные предпосылки повышения качества и результативности не только прикладных научных исследований, но и дистанционного Интернет-обучения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Сладковский, Дмитрий Андреевич

выводы

1) Разработана автоматизированная система научных исследований, представляющая собой совокупность физической и математической моделей, экспериментального оборудования и программно-аппаратного комплекса, позволяющего автоматизировать выполнение исследовательских задач по изучению гидродинамики ПС (определение размеров пузырей по высоте слоя, скорости их подъема, поверхности контакта фаз, расширения слоя и флуктуации давления).

2) Установлена эмпирическая зависимость распределения диаметра газовых пузырей по высоте слоя от флуктуации перепада давления в ПС, которая предоставляет возможность рассчитывать коэффициент массообмена как функцию только одного параметра |5(ДР)|ф.

3) Разработана нестационарная математическая модель реактора ПС, отличительной особенностью которой является расчет массообмена по флуктуации перепада давления. Экспериментально подтверждена адекватность разработанной модели ПС.

4) Показано, что результаты исследований гидродинамики ПС, выполненных с помощью АСНИ гидродинамики ПС, могут быть использованы в промышленности с целью оценки гидродинамических полей в ПС, прогнозирования концентрации ключевых компонентов на выходе из реактора и оптимизации каталитических процессов в режиме реального времени.

5) Для создания тренажеров операторов химико-технологических процессов разработана гибридная математическая и физическая модель реактора ПС, позволяющая изучать химические реакции, проводимые в реакторах с режимом пузырькового псевдоожижения.

6) Разработаны обучающие тренажеры по управлению реакторами ПС процессов окисления двуокиси серы и дегидрирования бутана, которые внедрены в учебный процесс на кафедре ресурсосберегающих технологий СПбГТИ(ТУ).

7) Алгоритмическое и программное обеспечение АСНИ гидродинамики ПС позволяет проводить обучение, научные и прикладные исследования гидродинамики ПС дистанционно по сети Интернет.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ итГ - скорость начала псевдоожижения, м/с, см/с; иь - скорость подъема газовых пузырей, м/с, см/с; 8 - порозность слоя;

80- порозность слоя при минимальном псевдоожижении; g - ускорение свободного падения м/с2, см/с2; Ь- расстояние до распределительной решетки, м, см;

3 3

Ро- плотность частиц г/см , кг/м , с1р- размер частиц, м, см, мм; а 2 2

А - площадь сечения слоя, м ,см ; и0 - скорость фильтрации газа в плотной фазе, м/с, см/с; Н - рабочая высота слоя, м, см, мм; Д,гу - начальная высота слоя, м, см, мм; Б - сечение реактора, м, см, мм; п0- число отверстий решетки, приходящихся на единицу площади слоя, 1/см2;

1 V/ о а0 - начальный диаметр газового пузыря около распределительной решетки; 0Пмакс- максимально достижимый диаметр пузыря, см; Бср - средний диаметр пузыря сегмента, м, см; |5(ДР)|д, - флуктуация перепада давления, Па;

АР! и АРср - текущее мгновенное и среднее значения перепада давления соответственно, кПа; Оь - диаметр газового пузыря на высоте слоя А; Р - плотность слоя;

6е и С6 - объемный расход газа в плотной и пузырьковой фазе, м3/сж;

Т7/' и - поток ьго компонента для плотной фазы и газовых пузырей, соответственно, моль/с; т - время, с; г,> - скорость химической реакции ьго компонента, моль/с-м3;

Vе и Уь - объем катализатора и газовых пузырей, м3; Як ~ удельный тепловой эффект реакции, Дж/моль-К; 0е к 0,Ь - поток тепла для плотной фазы и газовых пузырей, Дж/с; сьр и Ср - теплоемкость плотной фазы и газовых пузырей, Дж/моль-К; Р -давление, кПа,

Рк и Рк ~ плотность плотной фазы и газовых пузырей, Дж/моль-К;

Ге грЪ »-» 1 ту и 1 - температура потока в плотной фазе и газовых пузырях, К;

ОР - управляющее воздействие;

Т; - постоянная времени интегрирования;

Кр - коэффициент усиления (пропорциональности);

Е - ошибка регулирования;

8Р - уставка регулятора;

РУ - управляемый параметр;

РУр - результирующее значение фильтрованного сигнала; ТР - постоянная времени фильтра; КР - коэффициент усиления фильтра;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сладковский, Дмитрий Андреевич, 2012 год

1. Гуляев Ю.В. Автоматизированные системы для научных исследований 90-х годов // Информационное общество. 1993. № 1-2. С. 46-51.

2. Слинько М.Г., Тимошенко В.И. Автоматические системы научных исследований (АСНИ) основная методология и метод ускорения разработки каталитических процессов // Катализ в промышленности. 2005. №5.

3. Фомичев Н.И. Автоматизированные системы научных исследований. Принципы построения, изд. Ярославского гос. ун-та. 1997. 11 с.

4. Горбатенко В.В., Мрыкин С.В., Соловов A.B. Двутавр комплекс по изучению закономерностей силовой работы тонкостенных конструкций, изд. Самарского гос. ун-та. 1994. 14 с.

5. Шотин А.Б. Автоматизация научных исследований процессов биосинтеза. Диссертация на соискание кандидата технических наук. М.: 2010. 150 с.

6. Фомичев Н.И. Автоматизированные системы научных исследований: Учеб. пособие, изд. Ярославского гос. ун-та. 2001. 112 с.

7. Слинько, Ю.М. Лужков, И. Я. Штраль М.Г. Автоматизация исследований состава, структуры и свойств веществ на основе ЭВМ. Обзорная информация. М.: 1981. № 4.

8. Мищенко СВ., Подольский В.Е., Чуриков A.A. Автоматизированная система научных исследований из стандартных компонентов // Промышленная теплотехника. 1988. №10.5. С 101-103.

9. Фомичев Н.И. Автоматизированные системы научных исследований. Программное обеспечение, изд. Ярославского гос. ун-та. 1997. 15 с.

10. Фомичев Н.И. Автоматизированные системы научных исследований. Техническое обеспечение, изд. Ярославского гос. ун-та. 1997. 17 с.

11. Египко В.М. Об особенностях информационного обеспечения систем автоматизации экспериментальных исследований // Средства получения и обработки цифровой информации. Киев: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины. 1993. С. 64-68.

12. Египко В.М., Зинченко В.П., Белоусов Б.Н., Горин Ф.Н. Системы автоматизации экспериментальных исследований в аэродинамических трубах. -Киев: Наук думка. 1992. 264 с.

13. Ковалев С.И. Конспект лекций по курсу Автоматизированные системы научных исследований. МЭИ(ТУ) М.: 2002 88 С.

14. Виноградова Н.А., Есюткин А.А., Филаретов Г.Ф. Научно-методические основы построения АСНИ. М.:МЭИ, 1989. 84 с.

15. Дорохов И.Н., Меньшиков В.В. Интеллектуальные системы и инженерное творчество в задачах интенсификации химико-технологических процессов и производств. Серия «Системный анализ процессов химической технологии». М.: Наука, 2005. 485 с.

16. Куцевич И.В. Введение в LIMS // Мир компьютерной втоматизации. 2002. № 4. С. 35-38

17. Gibbon G. A Brief History of LIMS // Laboratory Automatiion and Information Management issue. 1996. Vol. 32.

18. Моисеев B.M., Шапиро Ю.З., Шелоумова T.M. и др. Автоматизированный контроль качества сырья и продукции // Химия и технология топлив и масел. 2000. № 3. С. 14-16.

19. Нуцков В.Ю., Дюмаева И.В. Лабораторно-информационные системы. Критерии выбора // Заводская лаборатория. 2004. №10. С. 55-60.

20. Перцовский М.И. Системы промышленной и лабораторной автоматизации // Промышленный АСУ и контроллеры, 2001. №1. С.51-59

21. Меркуленко H.H. LIMS. Современный этап развития // Лабораторные информационные системы LIMS. Сборник статей: ООО "Маркетинг. Информационные технологии". 2006. С. 215-219.

22. Меркуленко H.H. Лабораторная система управления информацией. Время пришло // Химия в России. 2000. № 2. С. 10-12.

23. Самсонов A.B. Интеграция лабораторных и технологических данных -новый уровень в понимании производственных процессов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. № 10. С. 33-35.

24. Кубрик A.C., Потапова Т.Б., Шварцкопф В.Ф. Модуль "Лабораторные анализы" в информационно-управляющей системе "Орбита" // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. № 11. С. 25-29.

25. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. «ДМК Пресс». 2007. 400стр.

26. Документация программы JMCAD. URL: http://jmcad.sourceforge.net (дата обращения 15.01.2012)

27. Перцовский М.И. Системы промышленной и лабораторной автоматизации: методы и средства построения //Мир компьютерной автоматизации, 2000. № 3. С.7-16.

28. Перцовский М.И. Программный комплекс ACTest комплексный подход к автоматизации испытаний и экспериментальных исследований // Автоматизация производства 2005. №5. С.50-55

29. Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Скворцов Л.М. и др. Программный комплекс для исследования динамики и проектирования технических систем // Информационные технологии. 2005. № 9.

30. Strangolino G. QTango: a Qt Based Framework for Tango Graphical Control Panels. Kobe: ICALEPCS 2009.

31. Савельев А .Я., Новиков В.А., Лобанов Ю.И. Подготовка информации для автоматизированных обучающих систем: Метод, пособие для преподавателей и студентов / Под ред. А.Я. Савельева. — М.: Высшая школа, 1986. 176 с.

32. Senese F., Bender С., Kile J. The Internet Chemistry Set: Web-based Remote Laboratories for Distance Education in Chemistry// Internet multimedia electronic journal in computer-enhanced learning. 2000. Vol 2.

33. Gillet D., Ch. Salzmann, R. Longchamp, D. Bonvin, Telepresence: An Opportunity to Develop Practical Experimentation in Automatic Control Education. Brussels.: Belgium European Control Conference. 1997.

34. Cartwright H. M. Remote control: How science students can learn using Internet-based experiments, in New Network-based Media in Education; Proceedings of the International CoLoS Conference, Maribor, Slovenia, 51-59.

35. Klein A. Wozny G. Web based remote experiments for chemical enginiring education the online distillation column // Institution of Chemical Engineers. 2006, №00(0). p. 1-5

36. Мишина Ю.В. Модульный принцип организации электронного обучения по химико-технологическим и фармацевтическим специальностям. Диссертация на соискание кандидата технических наук. М.: 2006. 160с.

37. Cartwright Н.М. An Internet-based Experiment in Error Handling. International Conference on Conceptual Learning of Science. Lisbon. Journal of Biochemistry. Vol. 55. p. 79-94.

38. Девидсон И.Ф., Харисон Д. Псевдоожижение. М.: «Химия» 1974. 723с.

39. Мухленов И.П., Сажина Б.С., Фролов В.Ф. Расчеты аппаратов кипящего слоя. Справочник. JI. «Химия». 1986. 352 с.

40. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.: Химия. 1968.

41. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Г. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия. 1967.

42. Zenz FA. How flow phenomana affect design of fluidized beds // Chem Eng1977 Vol. 84(27). p 1-23.

43. Мухленов И. П. Исследование взвешенного слоя: сборник работ кафедры общей хим.технологии. JL: Госхимиздат. 1959. 135 с.

44. Протодьяконов И.О., Глинский В.А. Экспериментальные методы исследования гидродинамики двухфазных систем в инженерной химии. Л.:изд-во Ленинградского, ун-та. 1982. 196 с.

45. Холланд Д., Муллер С.Р., Седерман М.Д. Магнитно-резонансная визуализация псевдоожиженных слоев. Последние достижения // Теоретические основы химической технологии. 2008. том 42. №5. с. 483-493

46. Wen-C. Y. Handbook of Fluidization and Fluid-Particle. Marcel Dekker, Inc. 2003. 850 c.

47. Davidson J.F. Harrison D. Fludized particles. Cambridge University Press. 1963.

48. Kobayashi H. Arai F. Sunagawa T. // Chemical Engineering (Japan). 1967.Vol. 31 P 239,

49. Mori S. Wen C.Y. Estimation of bubble diameter in gaseous fluidized beds. //AIChE Journal. 1975. Vol 21. pp. 109-115.

50. Miyoshi A., Kawaguchi Т., Tanaka Т., Tsuji Y. Numerical Analysis on Effects of Pulsating Gas on Flows in Gas-Solid Fluidized Bed. // AIChE Journal. Japan

51. Филипповский Н.Ф. Гидродинамика и тепломассоперенос в аппаратах с псевдоожиженным слоем. Дисс. док. техн. наук. -Екатеринбург, 2002. 306 с.

52. Hartman М., Trnka О. Physical characteristics of fluidized beds via pressure fluctuation // AIChE Journal. 2008. Vol. 54.

53. Gareth Chaplin Monitoring Fluidized Bed Dryer Hydrodynamics Using Pressure Fluctuations and Electrical Capacitance Tomography. University of New Brunswick. 2001. Doctor of Philosophy (Ph.D.)

54. Baskakov A.P., Mudrichenko A.V., Filippovskii N.F., On the mechanism of pulsation// Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 1994. Vol. 66. № 1.

55. Трубин JI. А. Леонид Аронович гидродинамика кипящего слоя и моделирование каталитического реактора. Дисс. канд. техн. наук. -Л., 1984. -168 с.

56. Van bare C.E.J., Piepers H.W., Schoonderbeek J.N. Investigation on bubble characteristics in a gas fluidized bed Chemical Eng Science. 1997. Vol. 52, № 5. P. 829

57. Rogula G. Some research on aerodynamics of new pulsed fluidized bed dryer. Chemical and process eng. 2009. Vol. 30. P. 653-663.

58. Pannala S., Daw C. S., W. A. Shelton Real-time bubble simulations for fluidized beds

59. Азатьян В.А. Разработка математических моделей каталитических процессов на основе исследования структуры свободного и организованного взвешенных слоев. Дисс. канд. техн. наук. -Л.: 1976. 142 с.

60. Прокопенко А.Н., Азатьян В.А., Кузичкин Н.В., Мухленов И.П., Бартов А.Т. О пульсации скорости в кипящем слое.

61. Азатьян В.А., Кулиев Т.А., Духленов И.П., Бартов А.Т., Кузичкин Н.В. Моделирование каталитических процессов во взвешенном слое. В кн.: Математическое моделирование в науке и технике. Л., 1975. - с.32 - 42.

62. Sang Hyun Kim., Gui Young Han. Analysis of Pressure Drop Fluctuation in a Circulating Fluidized Bed Korean J. Chem. Eng. 1999. Vol 16(5). P. 677-683

63. Бородуля B.A. Гупало Ю.П. Математические модели химических реакторов с кипящим слоем. Минск.: «Наука и техника» 1976. 209 с.

64. Слинько М.Г. Моделирование химических процессов и реакторов. Новосибирск.: «Наука» 1971. том 2.

65. Марчук Г.И. Математическое моделирование химических реакторов. -Новосибирск: Наука. 1984 г. 169 с.

66. Gomesplata A, Shuiter W. W. Effect of uniformity of fluidization of catalytic cracking of cummene // AIChE Journal. I960. Vol.6. № 3. P. 454-459.

67. Лисицын H.B., Викторов B.K., Кузичкин H.B. Химико-технологические системы: Оптимизация и ресурсоснабжение. 312 с.

68. Kunii D, Levenspiel О. Bubbling bed model model for flow of gas througha fluidized bed // Ind Eng Chem Fund 1968. Vol. 7 P. 446-452.

69. Kunii D., Levenspiel O. Fluidization Engineering. New York.: John Wiley, 1969.

70. Kato K. Wen C.Y. Bubble assembly model for a fludized bed catalytic reactors // Chem. Engng. Sci. 1969 Vol. 24 P. 1351-1369.

71. Koboyashi H., Arai F., Sunagama T. Determination of gas gross-flow coefficient between the bublle and emulsion phase by measuring resisdence time distribution of fluid in a fluidized bed. Kogaku-Kogaku.: 1967. 31. № 3. P. 239-243.

72. Chavarie C. Grace J.R. Perfomance analysis of a fluidized bed reactor I. Vivible flow behavior. Ind. Engng. Chem., Fundam., 1975.№14.2 P. 75-78.

73. Chavarie C. Grace J.R. Perfomance analysis of a fluidized bed reactor II. Observed reactor behavior compared with aimple two-phase models. Ind. Engng. Chem., Fundam., 1975.№14.2 P. 79-86.

74. Chavarie С. Grace J.R. Perfomance analysis of a fluidized bed reactor III. Modification and extension of conventional two-phase models. Ind. Engng. Chem., Fundam., 1975.№14.2 P. 86-91.

75. Левич В.Г., Мясников В.П. Кинетическая теория псевдоожиженного состояния. Химическая промышленность. 1966. № 6.

76. Чумаченко В.А. Математическое моделирование нестационарных процессов в псевдоожиженном слое катализатораю. Дисс. канд. техн. наук. Новосибирск: 1974

77. Датчик давления Метран-100. Руководство по эксплуатации. Челябинск 2008.

78. Hamelain J.C. Simple Design for a 4-20 mA Transmitter Interface Using a Pressure Sensor. Freescale Semiconductor Literature Distribution Center. 2005 Vol 5.

79. Integrated Silicon Pressure Sensor On-Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated Electronic source. (URL: http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/datasheet/MPX5100.pdf)

80. Малинин K.M. Справочник сернокислотчика. -M: Химия. 1971. 744 с.

81. Абаев В.А. Дегидрирование бутана в псевдоожиженном слое. Дисс. канд. техн. наук. -Л.: 1984 г. 150 с.

82. OIS-DS Engineering Tool Instruction Manual. Fourth Edition. Toshiba Corporation 2000.

83. Integrated Silicon Pressure Sensor On-Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated (URL: http://cache.ireescale.com/files/sensors/doc/datasheet/MPX51 OO.pdf)

84. Беспалов A.B., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. Москва «Академика» 2001. 690с.

85. William Y. Svrcek Donald P. Mahoney Brent R. Young A Real-Time Approach to Process Control Second Edition John Wiley & Sons Ltd, 2006 P. 345

86. Голубятников В.А., Шувалов B.B., Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Второе издание. М.: Химия 1985 С. 345

87. Wei Jiang, Jamil Khan, Roger A. Douga Dynamic centrifugal compressor model for system simulation Electronic source. Journal of Power Sources. 7517. 2005 (URL: http://vtb.engr.sc.edu/vtbwebsite/downloads/publications/Jiang2006.pdf)

88. Харазов В.Г., Интегрированные системы управления технологическими процессами. СПб.: Профессия, 2009 - 592 С.

89. Эккель Б. Философия JAVA. СПб.: Питер. 2009. 644 с.

90. JAVA™ Media Framework API Guide. USA:Sun Microsystems Inc., 1999.

91. Java Easy OPC client Electronic source. (URL: http://jeasyopc.sourceforge.net)

92. Сладковский ДА., Кузичкин H.B., Лисицын H.B. Автоматизированная система научных исследований для изучения гидродинамики псевдоожиженного слоя // Автоматизация в промышленности. 2011. №9. С. 41-44.