Моделирование и управление процессами тепломассопереноса при обжиге керамзита в противоточных барабанных агрегатах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Макаров, Борис Николаевич

• Макаров, Борис Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макаров, Борис Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КЕРАМЗИТА ПРИ ОБЖИГЕ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

1.1. Термические процессы при вспучивании глин.

1.2. Оборудование для обжига глинистого полуфабриката на керамзит.

1.3. Математическое моделирование термических процессов при обжиге.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА ЯЧЕЕЧНОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОБЖИГЕ КЕРАМЗИТА В ПРОТИВОТОЧНОЙ БАРАБАННОЙ

ПЕЧИ.

2.1. Стохастическая ячеечная модель движения материала.

2.2. Математическая модель теплообмена между потоками материала и газа.

2.3. Некоторые результаты численных экспериментов по моделированию теплообмена.

2.4. Выводы по главе 2.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕЩЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ ОБЖИГЕ.

3.1. Математическая модель сушки материала в барабане.

3.2. Влияние изменения плотности материала.

3.3. Управление процессом нагрева материала по длине барабана.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Применение разработанных моделей к описанию процессов термической обработки глинистого сырья на керамзит.

4.1.Идентификация и экспериментальная проверка модели по результатам испытаний промышленной барабанной печи.

4.2. Практическое использование результатов работы.

4.3. Выводы по главе 4.

Основные результаты диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и управление процессами тепломассопереноса при обжиге керамзита в противоточных барабанных агрегатах»

Актуальность темы диссертации. Процессы термическом обработки занимают важное место в производстве строительных материалов и других отраслях промышленности. От качества их проведения зависит как энергоемкость производства, так и потребительские свойства производимых продуктов и полуфабрикатов. Термическая обработка строительных материалов сопровождается, как правило, эндо- или экзотермическими процессами, тепло которых само влияет на процесс нагрева материала или его охлаждение, что делает задачу поиска рациональных режимов термообработки весьма сложной, а поиск ее эмпирических решений - трудоемким и дорогостоящим. В значительной степени это относится и к производству керамзита, в котором при термической обраСкике происходит сложный комплекс физико-химических процессов, протекание которых зависит не только от какой-нибудь одной температуры обработки, но от целой программы температур, включающей и ограничения на скорость нагрева. Свойства глин, из которых производят керамзит, весьма разнообразны от месторождения к месторождению. Поэтому разработать одну универсальную программу термической обработки невозможно. Эта программа для каждого вида глины может быть найдена экспериментально при переработке отдельных ее кусков, например, в муфельной печи. Вслед за этим встает задача реализовать эту программу в условиях многотоннажного производства, например, при обжиге в барабанной печи, где возможности управления тепломассообменом ограничены. Таким, образом, поиск путей максимального приближения программы термической обработки в промышленной печи к требуемой программе, а также поиск путей и возможностей управления тепломассообменом в промышленных обжиговых печах по производству керамзита является актуальной научной и технологической задачей, основой решения которой является математическое моделирование этих процессов. Несмотря на определенные успехи, достигнутые в математическом описании теплообмена между стохастически движущимися потоками сыпучего материала и газа, осложненного массооб-менными процессами, получаемые решения относились в основном к гюверочному расчету, а задача управления процессами нагрева и охлаждения практически не ставилась. Все перечисленное определило цели и методы настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 — Л118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом 11ИР ГОУВПО «ИГХТУ».

Цель работы состояла в повышении качества получаемого в противоточных барабанных обжиговых печах керамзита на основе обеспечения максимального приближения температурной программы обжига к требуемой программе. Средством достижения этой цели является разработка нелинейной математической модели противоточного теплообмена сыпучего материала и газа в барабанной обжиговой печи, осложненного протекающими параллельно с нагревом процессами сушки и вспучивания материала, а поиск путей управления программой термической обработки.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1. Разработана ячеечная математическая модель противоточного теплообмена сыпучего материала и газа в барабанной обжиговой печи, позволяющая численно моделировать распределение температуры нагреваемого материала по длине барабана, в том числе, при переменной по длине загрузке барабана материалом.

2. Модель обобщена на случай одновременно протекающих в материале температурозависимых массообменных и других физико-химических процессов.

3. Предложено управлять программой нагрева материала путем изменения времени его пребывания в различных участках барабана по его длине.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

1. Разработанная математическая модель и ее программно-алгоритмическое обеспечение позволяет выбирать режимные параметры обжига керамзита в барабанной печи, обеспечивающие максимальное соответствие программы термообработки требуемой программе, то есть обеспечивать наилучшее качество готового продукта.

2. Разработанные пути управления программой термической обработки могут найти применение при модернизации и проектировании обжиговых печей, в частности путем перехода к многоступенчатым барабанам.

3. Рекомендации по совершенствованию процесса обжига керамзита, метод его расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение приняты к внедрению ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Автор защищает:

1. Разработанную стохастическую ячеечную математическую модель про-тивоточного теплообмена между сыпучим материалам и газом.

2. Обобщение модели на случай одновременно происходящих с теплообменом массообменных и других физико-химических процессов.

3. Подход к управлению программой нагрева путем изменения времени пребывания материала в различных участках барабана, в частности, путем перехода к многоступенчатым барабанам.

4. Метод расчета обжига керамзита в противоточной барабанной обжиговой печи и его программно-алгоритмичекое обеспечение. ■

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на 12-й Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития электротехнологий -12-е Бенардосовские чтения», Иваново, 2005г., а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ГОУВПО «ИГХТУ» и кафедры прикладной математики ГОУВПО «ИГЭУ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Т>

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных результатов диссертации, списка использованных источников (97 наименований) и приложения.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Макаров, Борис Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Ч 1. Разработана стохастическая ячеечная модель одномерного движения материала вдоль вращающегося барабана, отличающаяся тем, что движение происходит в заранее зафиксированном объеме, в общем случае переменном по длине барабана.

2. Разработана ячеечная модель противоточного тепло- и массообмена между стохастически движущимися потоками сыпучего материала и газа, учитывающая переменность свойств материала по длине барабана.

3. Выполнены численные эксперименты с моделью, позволившие выявить степень влияния на установившиеся распределения температур материала и газа продольного перемешивания материала, начальной влажности, переменной плотности материала и ряда других факторов.

4. Показано, что при неравномерной загрузке барабана материалом кинетика прогрева по длине барабана не совпадает с кинетикой его прогрева по времени, на которую следует ориентироваться при выборе рациональных параметров обжига.

5. Поставлена задача оптимального управления параметрами процесса вдоль барабана с целью максимального приближения кинетики прогрева материала к требуемой кинетической кривой обжига. Показаны возможности управления распределением температуры материала по длине барабана

I путем варьирования распределением по длине загрузки барабана материалом и степенью его заполнения материалом. Количественно подтверждена известная идея о предпочтительности обжига в двухступенчатом барабане.

6. Выполнена идентификация модели по данным испытаний промышленной барабанной печи и показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных распределений температур газа и материала.

Разработанная модель, ее программно-алгоритмическое обеспечение и рекомендации по совершенствованию обжига керамзита приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макаров, Борис Николаевич, 2005 год

1. Онацкий С.П. Производство керамзита. -3-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1987. 333с.

2. Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей: Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1983.-416с.

3. Тепловые процессы в технологии силикатов: Учебник/ A.B. Ралко, A.A. Крупа, H.H. Племянников, Н.В. Алексеенко, Ю.Д. Зинько. К.: Вища школа, 1986. - 232с.

4. Машиностроение. Энциклопедия. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. Т. IV-12/ Под общ. ред. М.Б. Генералова М.: Машиностроение. 2004 - 832с.

5. Баранов Д.А., Блиничев В.Н. и др. Процессы и аппараты химической технологии (явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование) в 5 т. Т. 2. Механические и гидромеханические процессы. Под ред. A.M. Кутепова. -М: ЛОГОС, 2001. 600с.

6. Тепловые процессы и технологии силикатных материалов: Учебник для вузов / H.A. Булавин, H.A. Макаров, А.Я. Рапопорт, В.К. Хохлов. -М.: Стройиздат, 1982.-249с.

7. Технология строительных производств. / Под. ред. H.H. Данилова. -М.: Стройиздат, 1977.-440с.

8. Касаткин Л.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973.-752с.

9. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. / Науч. ред. П.Д. Саркисов и М.Д. Ходаковский. Т.2 . -М.: ВИНИТИ, 1989. -175с.

10. Фиалко М.Б. Неизотермическая кинетика в термическом анализе. -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1980. -106с.А

11. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко JT.M. Технология производства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1990. -195с.

12. Румянцев Б.М., Журба В.П. Тепловые установки в производстве строительных материалов и изделий: Учеб. пособие для строит, вузов по спец. «Пр-во строит, изделий и конструкций». М.: Высшая школа, 1991. —160с.

13. Нехорошее A.B. Теоретические основы технологии тепловой обработки неорганических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1978. 232с.

14. Симин Г.Ф. Сушка и обжиг керамических стеновых материалов при повышенных скоростях газового потока. М: РОСНИИМС, 1959. - 121с.

15. Тихи О. Обжиг керамики / Пер. с чеш. В.П. Поддубного. Под ред. JI.B. Соколовой. М: Стройиздат, 1988. - 344с.

16. Ахундов A.A. и др. Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1975. - 248с.

17. М. Lorant. "Cement, Lime and Gravel", 41, n.8, 1966.

18. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. М.: Высшая школа, 1986. - 280с.

19. Воробьев В.А. Строительные материалы. Изд. 5—е перераб. М.: Высшая школа, 1973.-375с.

20. Кошляк JT.JI. Производство изделий строительной керамики. — М.: Стройиздат, 1990.- 135с.

21. Высокотемпературные процессы химической технологии и перспективы их развития. JL: Наука, 1980. -206с.

22. Машины и оборудование для производства керамических и силикатных изделий: Каталог—справочник. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982. -311с.

23. Исламов М.Ш. Печи химической промышленности. 2-е изд. перер. и доп. -Л.: Химия, 1975.-432с.

24. Теплотехнические расчеты печей химической промышленности: Учеб. пособие. Дементьев А.И., Смирнов В.А.- М.:МХТИ, 1985. -58с.

25. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. — М.: Химия, 1979. — 288с.

26. Наумов М.М. Туннельные печи кирпичной промышленности. — М.: Стройиздат, 1953.

27. Муштаев В.И. и Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. — М.: Химия, 1988, —352с.

28. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества.// АН БССР, — Минск, 1959. 330 с.

29. Лыков A.B. Тепло и массообмен в процессах сушки. Учебное пособие. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 464 с.

30. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло — и массопереноса. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

31. Лыков A.B. Тепло- и массоперенос. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. -243с.

32. Лыков A.B. Теплопроводность нестационарных процессов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. — 231 с.

33. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М: Высшая школа, 1967. - 599с.

34. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофизики.// АН БССР, Минск, 1961.-519 с.

35. Федосов C.B., Сокольский А.И., Зайцев В.А. Тепловлагоперенос в сферической частице при условии 3-го рода и неравномерном начальном условии. // Изв. вузов: Химия и химическая технология. 1989. т.32, вып. 3. -с. 99—104.

36. Федосов C.B. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. Диссертация на соискание учёной степени докт. техн. наук. - JL, ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

37. Зайцев В.А. Процессы термической обработки сыпучих и листовых материалов в аппаратах интенсивного действия. Диссертация на соискание учёной степени д. т. н. -Иваново: ИГАСА, 1996. - 387с.

38. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. -М.: Энергия, 1972. 560 с.

39. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

40. Карташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1985. -480с.

41. Карташов Э.М. Аналитические методы смешанных граничных задач теории теплопроводности. Обзор// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986. №6.—СЛ 16—129.

42. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1982. в 2-х частях.

43. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. -М.: Энергия, 1971.-407с.

44. Ладыженская O.A. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973.-407с.

45. Горшков B.C. Термография строительных материалов. М.: Стройиздат, 1968.-238с.

46. Бабенко Ю.И. Тепломассообмен: Метод расчета тепловых и диффузионных потоков. Л.: Химия, 1986. -144с.

47. Фролов В.П. Моделирование сушки дисперсных материалов. Л.: Химия, 1987. -208с.

48. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Высшая школа, 1973. -632с.

49. Никитенко Н.И. Исследование процессов теплообмена методом сеток. — Киев, 1978.

50. Зуева Г.А., Блиничев В.Н., Постникова И.В. Моделирование термического разложения сферической частицы. // Теоретические основы химической технологии, 1999, т.ЗЗ, №3. -с.323-327.

51. Зуева Г.А. Моделирование совмещенных процессов термообработки гетерогенных систем, интенсифицированных комбинированным подводом энергии. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., —Иваново: ИГ-ХТУ, 2002.-300с.

52. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.1: М.: Мир, 1984. -528с.

53. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.2. —М.: Мир, 1984. -738с.

54. Тихонов В.И. и Миронов М.А. Марковские процессы. —М.: Советское радио, 1977.-488с.

55. Анисимов В.В. Случайные процессы с дискретной компонентой. -М.: Наука, 1988.-183с.

56. Ховард P.A. Динамическое программирование и марковские процессы. Пер. с англ. В.В. Рыкова. Под ред. И.П. Бусленко. -М.: Советское радио, 1964,. -886с.

57. Протодьяконов И.О., Богданов С.Р. Статистическая теория явлений переноса в процессах химической технологии. -JL: Химия, 1983. -400с.

58. Венцель Е.С. и Овчаров J1.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. -М.: Наука, 1988. -664с.

59. Гихман И.И. и Скороходов А.В. Теория случайных процессов. Т. 1. -М.: Энергия, 1969. -95с.

60. Андреев В.Н. и Иоффе А.Я. Эти замечательные цепи. -М.: Знание, 1987. -191с.

61. Романков П.Г. и Фролов В.Ф. Массотеплообмен реагирующих частиц с потоком. -М.: Наука, 1985. —336с.

62. Падохин В.А. Стохастическое моделирование диспергирования и механо-активации гетерогенных систем. Описание и расчет совмещенных процессов. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., —Иваново: ИГАСА, 2000. -388с.

63. Tamir A. Applications of Markov chains in Chemical Engineering. Elsevier publishers, Amsterdam, 1998, -604 p.

64. Mizonov V., Berthiaux H., Marikh K., Zhukov V. Application of the Theory of Markovian Chains to Processes Analysis and Simulation. Ecole des Mines d'Albi, 2000, -61 p.

65. Mizonov V., Berthiaux H., Zhukov V. Application of the Theory of Markov Chains to Simulation and Analysis of Processes with Granular Materials. Ecole des Mines d'Albi, 2002, -64p.

66. Марик К., Баранцева E.A., Мизонов В.Е., Бертье А. Математическая модель процесса непрерывного смешения сыпучих материалов. Изв. Вузов: Химия и хим. технология, т.44, вып.2, 2001, -с. 121—123.

67. Marikh К., Mizonov V., Berthiaux H., Barantseva E., Zhukov V. Algorithme de construction de modeles markoviens multidimensinnels pour le melagne des poudres. Récents Progrès en Génie des Procédés. V15(2001)No.82. -pp.41—48.

68. Berthiaux IL, Espitalir F., Kiefer J.C., Niel M., Mizonov V.E. A Markov chain model to describe the residence time distribution in a stirred bead mill. Powder

69. Technology Handbook. Volume 10: Handbook on Conveying and Handling of Particulate Solids. Elsevier, 2001.

70. V. E. Mizonov, H Brthiaux, V. P. Zhukov, S. Bernotat. Application of Multi— Dimensional Markov Chains to Model kinetics of Grinding with Internal Classification. Proc. of the 10—th symposium on Comminution Heidelberg 2002 -14 p. (on CD).

71. M. Aoun—Habbache, M. Aoun, H. Berthiaux, V. E. Mizonov. An experimental method and a Markov chain model to describe axial and radial mixing in a hoop mixer. Powder Technology, 2002, vol. 128 / 2—3, -pp. 159—167.

72. Пономарев Д.А., Мизонов B.E., Berthiaux H., Баранцева E.A. Нелинейная математическая модель транспорта сыпучего материала в лопастном смесителе. Изв. вузов: Химия и хим. технология, т.46, вып.5, 2003, -с. 157—159.

73. Marikh К., Berthiaux П., Mizonov V. Residence Time Distribution Experiments and Modeling in a Continuous Mixer. Program of the 4—th European Congress of Chemical Engineering "A Tool for Progress". Granada, Spain, Sept.21— 25,2003.

74. Zhukov V.P., Mizonov V.E., Otwinowski H. Modelling of Classification Process. Powder Handling and Processing, vol.15, No 3, May/June 2003, -pp.184— 188.

75. Огурцов A.B. Жуков В.П. Мизонов B.E. Овчинников JI.H. Моделирование истирания частиц в кипящем слое на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2003, т.46, вып. 7, -с.64—66.

76. Жуков В.П., Мизонов В.Е., Berthiaux П., Otwiniwski Н., Urbaniak D., Zbron-ski D. Математическая модель гравитационной классификации на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2004, т.47, вып. 1,-с. 125—127.

77. Mizonov V.E., Berthiaux II., Zhukov V.P., Bernotat S. Application of multi— dimensional Markov chains to model kinetics of grinding with internal classification. International Journal of Mineral Processing, 2004 (4).

78. Berthiaux H., Mizonov V. Applications of Markov Chains in Particulate Process Engineering: A Review. The Canadian Journal of Chemical Engineering. V.85, No.6, 2004, pp.1143-1168.

79. Тальянов Ю.Е. Моделирование процесса конвективной сушки при переменной начальной влажности материала. // Сб. тезисов международной научно—практической конференции: Актуальные проблемы развития экономики. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003. с. 145—147.

80. Тальянов Ю.Е., Волынский В.Ю. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки строительных дисперсных материалов в барабанных аппаратах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003. — 16 с.

81. Тальянов Ю.Е., Шергин В.В. Применение аппарата марковских цепей в моделях массообмена. Сб. науч. трудов вузов России / Проблемы экономики, финансов и управления производством. 14 вып. / Отв. ред. В.А. Зайцев. -Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2004. с. 294—297.

82. Тальянов Ю.Е. Тепломассоперенос в барабанных аппаратах для термической обработки дисперсных строительных материалов. Диссертация на соискание учёной степени канд. техн. наук., -Иваново: ИГАСА, 2004. 99с.

83. В.А. Ванюшкин, В.А. Зайцев, В.Е. Мизонов, В.Ю. Волынский. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической переработки строительных материалов в шахтных печах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2004. — 52 с.

84. Макаров Б.Н., В.Ю. Волынский, В.А. Зайцев. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования и управления процессами получения керамзита в барабанных печах. Научное издание. Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ». 2005.-60с.