Метод расчёта процесса классификации сыпучих продуктов в аппаратах полочного типа с использованием энтропийно-информационного подхода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Бирюков, Дмитрий Валерьевич

• Бирюков, Дмитрий Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бирюков, Дмитрий Валерьевич

введение

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. (Литературный обзор).

1.1. Аппараты для пневмоклассификации зернистых материалов.

1.2. Основные закономерности газодинамики двухфазной системы.

1 л тл

1.3. .влияние физико-механических характеристик сыпучих материалов на конструктивные особенности зоны разделения.

1.4. Общие принципы использования информационного подхода к процессам разделения.

1.5. Постановка задачи исследования.

Глава 2. СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КЛАССИФИКАТОРОВ ПОЛОЧНОГОТИПА.

2.1. Постановка задачи.4 J

2.2. Физико-математические модели и их анализ.

2.3. Приборы для определения физико-механических характеристик сыпучих материалов.

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ ПО ПРИНЦИПУ СТАТИСТИЧЕСКОГО ВЫВОДА.

3.1. Вывод основных зависимостей для расчёта составов верхнего и нижнего продуктов. (Прямая задача).

3.2. Оценка чёткости процесса разделения.

3.3. Идентификация феноменологических коэффициентов. (Обратная задача).

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДА.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Выбор конструктивно-технологических параметров установки.

4.3. Выбор уровней варьирования факторов.

4.4. Порядок проведения эксперимента.

4.5. Обработка результатов экспериментальных исследований и их обсуждение.

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССА КЛАССИФИКАЦИИ В АППАРАТАХ ПОЛОЧНОГО ТИПА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчёта процесса классификации сыпучих продуктов в аппаратах полочного типа с использованием энтропийно-информационного подхода»

Интенсификация химических, теплообменных, термических гетерогенных процессов во многих случаях достигается использованием твердых материалов с различным гранулометрическим составом. Ежегодно в химической и многих других отраслях промышленности механической переработке подвергаются сотни миллионов тонн сыпучих материалов, добываемых, как правило, в виде крупных кусков. При этом на измельчение, представляющее основную стадию такой обработки, расходуется до 5-7% всей вырабатываемой в промышленно развитых странах электроэнергии. Однако и после измельчения в готовых продуктах содержатся частицы далеко не всегда удовлетворяющие требованиям эффективного протекания последующих технологических процессов. Измельчение же частиц сверх требуемой нормы приводит к резкому возрастанию затрат энергии.

Практически во всех технологических линиях по производству порошкообразных или каких-либо других сыпучих материалов, прежде всего в системах измельчения, устанавливают специальные аппараты -классификаторы, назначение которых состоит в разделении исходного продукта на различные фракции с преимущественным содержанием мелких или крупных частиц.

Как правило, классификаторы работают в активном аэродинамическом режиме, позволяющем повысить интенсивность проводимых в них процессов, а также получать продукты повышенного качества с заранее заданными свойствами. В этих аппаратах перерабатываемые материалы находятся во взвешенном состоянии, во встречных закрученных потоках, в вибропсевдоожиженном слое и т. п.

Процессы, сопровождающиеся псевдоожижением и переносом потоком газа частиц полидисперсных материалов разнообразны. Особенно сильно усложняется взаимодействие потока газа с материалом при установке в аппараты специальных конструктивных элементов (перегородок, решёток, полок и т.п.), изменяющих их сечение, а также переход к значительным концентрациям в потоке частиц, что резко усиливает стеснённость движения последних.

Широкое применение для переработки полидисперсных материалов находят аппараты с наклонными перфорированными полками, представляющие один из видов устройств с активным аэродинамическим режимом. Занимая промежуточное положение между пневмотрубными и аппаратами с кипящим слоем, они в то же время имеют определённое преимущество перед ними. Обеспечивая более интенсивный контакт фаз по сравнению с пневмотрубными, аппараты с наклонными перфорированными полками имеют меньшее гидравлическое сопротивление. Отсутствие специальных перегрузочных устройств обеспечивает их надёжную работу при высоких нагрузках материалов, содержащих большое количество частиц и кусков. Такие частицы быстро оседают на газораспределительных решётках обычных аппаратов с кипящим слоем и забивают их.

Благодаря указанным преимуществам отдельные виды аппаратов с наклонными перфорированными полками начали использоваться для обеспыливания и классификации некоторых технически важных продуктов, содержащих крупные куски и агломераты.

Трудность определения величины сил и случайных факторов, действующих на частицы и осложняющих их движение, затрудняет решение рассматриваемой задачи аналитическим путём. Составление и решение дифференциальных уравнений движения изолированной частицы или элемента двухфазного потока возможно при ряде упрощающих предположений. Из-за этого упомянутые уравнения приводят к практическим результатам лишь в отдельных случаях.

Новые перспективы для решения задач моделирования и расчёта процесса сепарации открывает энтропийно - информационный подход. При этом появляется возможность описания сложных нестационарных процессов в условиях недостатка информации о его механизме.

Особенностью подхода является описание неравновесного процесса в чисто термодинамическом стиле, в масштабе условного времени. При этом последовательность неравновесных состояний системы характеризуется единственной координатой, определяющей степень удалённости системы от термодинамического равновесия. Кинетические закономерности процесса учитываются при переходе от целевого времени к реальному на основе обобщённого уравнения кинетики. Целью работы является:

- разработать методику расчёта параметров процесса сепарации сыпучих материалов в пневмоклассификаторах на основе энтропийно-информационного нодшда;

- создать математическую модель процесса сепарации сыпучих продуктов в пневмоклассификаторах с перфорированными полками, базируясь на энтропийно-информационном методе и физико-механических характеристиках сыпучего материала в условиях пневмоклассификации;

- установить адекватность результатов, полученных на основе математической модели с данными непосредственных измерений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Подтверждена принципиальная возможность и перспективность приложения энтропийно-информационного подхода к моделированию процессов разделения полидисперсных материалов.

2. Разработана (на основе энтропийно-информационного подхода) математическая модель процесса разделения полидисперсных материалов.

3. Проведена идентификация феноменологических коэффициентов, входящих в математическое описание.

4. Показано существование режимов сепарации сыпучего материала с оптимальной скоростью продуваемого воздуха на основе применения системного энтропийно-информационного критерия. Практическая значимость проведённого исследования обусловлена широким применением классификаторов сыпучих материалов в различных отраслях народного хозяйства. Для группы аппаратов с перфорированными полками, используемых в промышленности для разделения исходного полидисперсного потока на отдельные фракции, предложена методика определения основных характеристик аппарата. Полученные данные свидетельствуют, что в условиях недостатка информации о структуре двухфазного потока представляется возможным предложить расчётные соотношения, достоверно отражающие реальные процессы, происходящие в аппарате.

Представленные в работе результаты позволяют предложить подходы, сокращающие время предварительного этапа проектирования установки и использованы в методических указаниях к курсовому и дипломному проектированию.

Апробация работы состоит в том, что её результаты докладывались и обсуждались на 12 международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" в г. В. Новгород (июнь 1999). Достоверность результатов подтверждается использованием при исследовании стандартных, общепринятых методик измерений и приборов, хорошим совпадением аналитических данных с результатами эксперимента.

Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, состоит из введения и пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.

В первой главе кратко рассмотрены и проанализированы существующие аппараты для классификации сыпучих материалов, основные понятия и закономерности, связанные с конструктивными особенностями классификаторов и физико-механических свойств сыпучих сред. Изложены особенности и преимущества применения энтропийно-информационного подхода к описанию и расчёту процессов с фазовыми превращениями. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе для выбора и обоснования структуры и принципа действия пневмоклассификатора предложен метод конструирования, в основе которого лежит функционально-физический анализ объекта. Также рассмотрены приборы для определения физико-механических характеристик сыпучих материалов.

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса сепарации сыпучего материала на основе энтропийно-информационного подхода, проведена оценка чёткости процесса разделения, решена обратная задача.

В четвёртой главе приведено описание экспериментальной установки, выбраны её конструктивно-технологические параметры. Изложены основные результаты экспериментальной проверки предложенного описания процесса разделения сыпучего материала. Обоснован метод экспериментального исследования, методика проведения эксперимента. Представлены основные выводы по работе.

Пятая глава позволяет применить результаты исследования к описанию процесса классификации в аппаратах полочного типа.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Бирюков, Дмитрий Валерьевич

Основные результаты и выводы,.

1. Разработана методика расчёта основных параметров процесса разделения сыпучих материалов в пневмоклассификаторах полочного типа. Подтверждена принципиальная возможность и перспективность

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бирюков, Дмитрий Валерьевич, 2000 год

1. Ушаков С. Т. Зверев Н. И. Тященко ТТ. В.иденко П. М.1. Смышляев Г. 1С.тт ттальперин л. п. \йнштейн В. Г. Сваша В. Б. ^альперин Н. И. \йнштейнВ.Т.1. Донат Е. В.

2. Инерционная сепарация пыли. М. :Энергия, 1974, 168 с.

3. Механика аэрозолей. М. Изд. АН СССР, 1955, 352 с.1. Кравчик В. Е. и др.1. Бокун И. А.

4. ШикноТТ.ТС Михалёв М. Ф. Александров М. В.1. Светлов С. А.1. Кайзер Ф.1. ДонатЕ. В. и др.1. Леонов С. Н.

5. БабухаГ.Л. Шрайбер А. А. Горбис З. Р.1. Чернов А. ТТ.1. Годэн А. М.1. Фоменко Т.Т.

6. Падение твёрдых тел свободной и стеснённой среде. -Колыма, 1952, №4, с. 32-34.у спенскии а. л.1. Муромкин Ю. Н.1. Ушаков С. Г.1. Дзядзио А. М.

7. Милютин В Н. Шрайбер А. А.1. Подкосов Г. Л.1. КанусикЮ. П.

8. Барский М. Д. Говоров А. В. Канусик Ю. ТТ. Барский М. Д.

9. Пневматический транспорт. М. : Металлургиздат, 1963,231с.

10. Исследование процессов сепарации порошкообразных материалов в воздушно-проходных сепараторах. Диссертация на соискание уч. ст. кандидата техн. наук. Иваново, 1959, 230с.

11. Исследование и разработка методов расчёта процессов инерционной сепарации дисперсных систем. Диссертация на соискание уч. ст. доктора техн. наук. ИЭИ Иваново, 1978, 400с.

12. К вопросу о расчёте многоступенчатой классификации. -Известия вузов. Горный журнал, 1976, №8, с. 157-160.

13. Оптимизация процессов разделения зернистых материалов. -М.:Недра, 1978,168с.1. Ларьков Н С.1. Барский М. Д.

14. Барский М. Д. Соколкин Ю В.1. Непомнящий Е. А.

15. Тихонов В. И. Миронов М. А. Непомнящий Е. А.1. Непомнящий Е. А.1. НепомнящийЕ. А.

16. Кутепов А. М. Непомнящий Е. А.

17. Кутепов А. 'М. Непомнящий Е. А. Кутепов А. М.

18. Кинетика смешивания и сепарирования в неоднородном полидисперсном слое. Известия Ленинградского электротехнического института им. Ульянова, вып. 92, Л., У/1,С. /¿-/о,

19. К теории процесса грохочения. Обогащение руд, 1960, №5, с. 27-33.

20. Бунин Л. В. Берлин Б. М. Медведовский М. Я.фазы из гидроциклона. TöXi, 1976, т. Ю Jfo3, с. 433437.

21. Расчет процессов классификации на основе стохастической модели. Известия ВУЗов «Химия и химическая технология». №1,1979, с. 113-115.

22. К расчёту центробежных классификаторов порошкообразных материалов. ТОХТ том XIV, №5,1980, с 784 -786.

23. Последовательные приближения в гидродинамике дисперсных систем. «Прикладная математика и механика», 1971, №3-, с. 464-481. Подготовка угольных шихт воздушной сепарацией с дроблением крупных и тяжёлых частиц. - Кокс и химия 1959, №6, с. 5-8.

24. Методы кибернетики в химии и химической технологии. Химия. М., 1971, 496с. Инженерное оформление химических процессов. Пер. с англ. под ред. и с доп. М. Г. Слинько. - М., Химия, 1969, с. 764.

25. Классификаторы для зернистых и порошкообразных продуктов. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М„ 1978, 51с 14 ил.

26. Каталымов А. В. ЛюбартовичВ. А. . Макаров ГО. И.1. Лукьянов il.TL

27. Зимон А. Д. Андрианов Б. И. . ПугачёвВ. С.1. Jaynes ET.1. Трайбус М, Вильсон А. Д.дозирование сыпучих и вязких материалов л.: лимия, 1990, 240 с.

28. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.:

29. Машиностроение, 1973,216 с. Аппараты с движущимся зернистым слоем. М.: Машиностроение, 1974,182 с.

30. Аутогезия сыпучих материалов. М.: Металлургия, 1978,288 с.

31. Теория случайных функций и её применения в задачах автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962, 659с Information theory and statistical mechanics. "Physical Review", 1957, №4, v. 106.

32. Термостатика и термодинамика. М.:Энергия, 1970, 502с. Энтропийные методы моделирования сложных систем М.: Наука, ! 978, 248с. Под ред.Майкова В.П. Энтропийные методы моделирования в химическойтехнике,- М. :МИХМ, 1981,159с.

33. Об особенности статики процесса ректификации на основе теории информации. В кн IV Всесоюзная конференция по ректификации. Тезисы докладов М.: 1978, с. 11-14.

34. Майков В. П. Моругин К. К. Майков В. П. Цветков А. А. Могуркин К. К.ni

35. Валунов А. М. Майков В. П.

36. Майкова Т. П. Куликов А. М. Кишалев Ф. М.1. Маринюк Б. Т.1. Соколов Н. В.1. Абраменко В. П.гуоанова л.

37. Майков В. П. Могуркин К. К.

38. Иваненко Т. В. Матвиенко Г. И.1. Дубровин В. В.1. Дуоровин о.кузнецов Ю. В.процесса абсорбции-десорбции. ТОХТ, 1975, т.1Х, №6, с. 828-833.

39. Энтропийный метод расчёта абсорбционно-отпарных колонн (информационный подход). Канд. дисс. М.: МИХМ, 1980, 191с.

40. Расчёт кинетики процесса пиролиза индивидуальных углеводородов. Информационный подход. В сб.: Энтропийные методы моделирования в химической технике. М.: МИХМ, 1981, е. 108-111.

41. Жуков В. П. Мизонов В. П. Филичев В. П. Бернотат 3. Филичев В. П.

42. Жуков В. П. Шорин Р. А. РТМ 26-01-129-801. Лукьянов П. И.1. Дженике Э. В.

43. Пискунов Н. В. Куприянов А. Е. Каталымов А. В. А. С. №12526911. Каталымов А. В.1. Майков В. П.

44. Энтропийный метод моделирования процесса ректификации с химической реакцией. Канд. дисс. М.: МИХМ, 1983,171с.

45. Применение принципа максимума энтропии к прогнозированию процессов измельчения. ТОХТ, №2, 1998, с. 258-264.

46. Кузнецов М. Д. Новицкий П. А. Непомнящий И. А. Лянная 3. Г. l .Мановян А. К. Гайванский Е. А. Тарасова Т. А.i ТТ Т-1 т**донат л. п. Авдеев С. Д. КравчикВ. Е.системный анализ процессов химическои технологии. М.: Наука, 1982, 344 с.

47. Simulation of grinding: new approaches. -USPeu PRESS:1. T 1 AAn Л АЛ1.anovo, 19y/,v. iuy.

48. Динамика. -M.: Наука, 1972, 568c. Процессы сепарирования на зерноперерабатывающих предприятиях. М., Колос, 1980, 304 с.

49. Исследование процесса воздушной классификации зернистых материалов в аппаратах с наклонными перфорированными полками. Дисс. на соиск. уч. степени к. т. н., Свердловск, 1978, 148 с.

50. Пневматическая классификация сыпучих материалов в аппаратах с наклонными перфорированными полками. Дисс. на соиск. уч. степени к. т. н., Новочеркасск, 1981,1. Л У Г\юи с.

51. Сушка сульфата аммония в аппарате с направленным перемещением кипящего слоя.-Кокс и химия, 1961, №8, с. 39-43.

52. Кирсанов В. А. Авдеев С. Д. Кирсанова А. И.

53. Барский М. Д. Штейнберг А. М. Долганов Е. А.7. Пономарёв Г. С.8. Разумов И. М.1. Г\ ТТ Г1 г»1. Донат0. Идельчик И. Е.

54. Межвузовский сборник научных трудов, Пермь, 1980, с. 54-56.

55. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов. М.: Химия, 1972, 239 с.

56. Расчёт ситчатых решёток провального типа для секционирования аппаратов со взвешенным слоем. Сб. «Процессы химической технологии», М.-Л.: Наука,1 ЛГТЛ /"N л Г19/5, с. ZZ-Z3.

57. Расчёт гидравлического сопротивления аппарата с наклонными перфорированными полками. Межвузовский сборник «Безотходные производства и охрана окружающей среды», Новочеркасск, изд. НПИ, 1980, с.1 1 Л iij- 11/.

58. Влияние концентрации материалов в потоке на эффективность гравитационной классификации. Изв. вузов «Химия и химическая технология», 1978, №5, с. 721724.

59. Исследование процесса классификации зернистых материалов в аппаратах с провальной решёткой. Дисс. на соиск. уч. степени к. т. н. ПНИ, Пермь, 1974, 138 с. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов. М.: Химия, 1972, 240 с.

60. Взвешивание и перенос твёрдых частиц в технологических аппаратах и трубопроводах. Система газ — твёрдые частицы. Дисс. на соиск. уч. степени д. т. н.,

61. Л ГГ ТТ/Т1 JT Л Г\1—1 Л Л А л1. MkiXivi, iy/1, 1^1 с.

62. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., "машиностроение", 1975, 559 с.