Моделирование процесса истирания частиц во взвешенном слое на основе теории цепей Маркова тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Огурцов, Антон Валерьевич

• Огурцов, Антон Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Огурцов, Антон Валерьевич

Введение.

Глава 1. Процесс истирания сыпучих материалов в аппаратах со взвешенным слоем: современное состояние вопроса.

1.1. Необходимость учёта истирания частиц в кипящем слое при проектировании аппаратов.

1.2 Анализ существующих подходов к моделированию истирания.

1.3 Обзор перспективных конструкций аппаратов кипящего ^ слоя.

1.4. Постановка задач исследования.

Глава 2. Разработка математических моделей истирания частиц в аппаратах со взвешенным слоем на основе цепей теории Маркова.

2.1. Построение матрицы переходов с учетом скорости истирания модель 1).

2.2 Построение матрицы переходов на основе вероятностных подходов (модель 2).

2.3. Обобщенный вероятностный подход построения матрицы переходных вероятностей (модель 3).

2.4. Анализ моделей. Численный эксперимент.

2.5. Математическая модель истирания в реакторе непрерывного действия.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальное исследование истирания аммиачной селитры, керамзита и известняка в кипящем слое.

3.1 Разработка экспериментального стенда и методики проведения опытов по истиранию гранул аммиачной селитры и керамзита в кипящем слое.

3.2 Разработка экспериментального стенда и методики проведения опытов по истиранию зёрен известнякового камня в струйной мельнице кипящего слоя.

3.3.Влияние режимных и конструктивных параметров на истирание материала в кипящем слое.

3.3.1 .Влияние расхода газа на истирание в кипящем слое.

3.3.2.Влияние температуры на истирание в кипящем слое.

3.3.3. Влияние массы навески материала на истирание в кипящем слое.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Использование результатов работы.

4.1 Расчет струйной мельницы кипящего слоя в замкнутом цикле измельчения.

4.2 Расчёт процесса охлаждения в кипящем слое с учетом истирания.

4.3. Использование результатов в научных и проектных работах.

4.4. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса истирания частиц во взвешенном слое на основе теории цепей Маркова»

Актуальность темы диссертации. Переработка сыпучих материалов во взвешенном слое является эффективной технологией, позволяющей осуществлять интенсивные физико-химические процессы с участием дисперсных сред. Одним из ключевых факторов высокой эффективности переработки является значительная подвижность частиц, приводящая к интенсификации тепло- и массопереноса. Однако, для минеральных материалов, прочность частиц которых относительно невелика, столкновения частиц приводят к нежелательному сопутствующему процессу - измельчению частиц. С точки зрения физики измельчения любой аппарат со взвешенным (кипящим) слоем является низкопотенциальным высокочастотным измельчителем, в котором доминирующим механизмом измельчения является истирание (износ) частиц, хотя для некоторых материалов возможно и ударное разрушение. Износ частиц приводит к потере материала, снижению эффективности переработки из-за засорения реакционной зоны пылью, дополнительным проблемам, связанным с пылеулавливанием. Кроме того, непрерывное изменение фракционного состава материала, связанное с истиранием частиц, может оказывать сильное влияние на основные процессы, реализуемые в кипящем слое, например на грануляцию, агломерацию, сушку и др.

Несмотря на то, что исследованию и моделированию основных процессов, ради которых и создаётся кипящий слой, посвящено достаточно много работ, исследованию истирания частиц уделено гораздо меньше внимания. Отчасти это обусловлено тем, что преобразование фракционного состава материала при измельчении истиранием существенно отличается от такового при интенсивном измельчении. С другой стороны, неучёт этого явления приводит к снижению достоверности моделирования и расчёта процессов в кипящем слое, а также к ограниченности и недостоверности расчёта систем пылеулавливания. Обращение к вопросам исследования износа частиц в кипящем слое определяет актуальность темы настоящей работы, которая выполнялась в рамках договора о международном научно-техническом сотрудничестве.

Целью работы является повышение достоверности и точности моделирования и расчёта процессов во взвешенном слое путём учёта истирания перерабатываемых в нём частиц на основе расчётно-экспериментальных исследований и математического моделирования этого явления как высокочастотного низкопотенциального измельчения.

Основные результаты работы.

1. Разработана экспериментальная установка и выполнены экспериментальные исследования изменения фракционного состава частиц сыпучих материалов при их переработке во взвешенном слое. Изучено влияние скорости и температуры газа и массы загрузки аппарата кипящего слоя на истирание частиц керамзита и аммиачной селитры.

2. Разработан ряд математических моделей истирания частиц во взвешенном слое, отличающихся, с одной стороны, доступностью эмпирического обеспечения, а с другой, - прогностическими возможностями. Среди них:

- математическая модель на основе однородной цепи Маркова, включающая разработку соотношений для скорости истирания и правила построения матрицы переходных вероятностей;

- статистическая модель, базирующаяся на вероятностях столкновения частиц в слое и их разрушения при столкновении.

3. Проведено сопоставление разработанных моделей по критериям доступности эмпирического обеспечения их идентификации и точности и однозначности прогнозирования. Сформулированы рекомендации по их применению.

4. На основе разработанных моделей и экспериментальных результатов раз работай метод расчёта истирания частиц в кипящем слое как составной части процессов агломерации, охлаждения и сушки.

5. Разработаны рекомендации по снижению износа частиц в кипящем слое как ресурсосберегающего и природоохранного мероприятия, нашедшие применение на ООО «ПОЛИМЕРПЛАСТБЕТОН» в результате чего достигнуто снижение выбросов в атмосферу на 12,5%.

6. Разработанные математические модели и их программное обеспечение используются в научных и проектных работах, проводимых в Ченстохов-ском политехническом институте, Польша.

Научная новизна.

1. Экспериментально установлена зависимость скорости истирания частиц во взвешенном слое от его основных параметров (размера частиц, скорости и температура газа) для известняка, аммиачной селитры и керамзита.

2. Разработаны математические модели преобразования фракционного состава материала во взвешенном слое вследствие протекания процесса истирания частиц, различающиеся разным уровнем декомпозиции этого процесса.

3. Получена эмпирическая зависимость для пересчета скорости истирания частиц во взвешенном слое при изменении его параметров.

4. Разработана математическая модель преобразования фракционного состава материала при переработке в многоступенчатых реакторах со взвешенным слоем с промежуточной классификацией.

Практическая ценность.

1. Разработан метод расчёта износа частиц сыпучего материала при его переработке в кипящем слое, который в сочетании с методами расчёта основных процессов позволяет повысить достоверность и точность прогнозирования.

2. Разработанный метод расчёта даёт более достоверную информацию для расчёта систем пылеулавливания, что снижает риск экологического ущерба в связи с неоптимальной работой этих систем.

3. Разработаны рекомендации по снижению истирания частиц в кипящем слое как ресурсосберегающего и природоохранного мероприятия, нашедшие применение на ООО «ПОЛИМЕРПЛАСТБЕТОН» в результате чего возможно снижение уноса материала на 12,5%.

4. Разработанные математические модели и их программное обеспечение используются в научных и проектных работах, проводимых в Ченсто-ховском политехническом институте, Польша.

Автор защищает.

1. Методику и результаты экспериментов по исследованию влияния режимных и конструктивных параметров взвешенного слоя на износ перерабатываемых в нём частиц.

2. Математические модели процесса истирания как средство описания преобразования фракционного состава сыпучего материала как в кипящем слое, так и в мельницах низкопотенциального измельчения.

3. Метод расчёта истирания частиц в кипящем слое как составляющую часть полных моделей основных процессов, повышающую их адекватность и точность, а также дающий достоверную информацию для выбора и расчёта систем пылеулавливания.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях: Международной студенческой конференции

Фундаментальные науки - специалисту нового века». (Иваново 2002);

Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологий (Бенардосовские чтения)» (Иваново 2003); Межвузовской V региональной студенческой конференции «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (Иваново, 2004); The 30th International Conference of Chemical Engineering. 2003, (Slovakia 2003), XVII Международной научной технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ2004, (Кострома, 2004).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах [92-106].

1. ПРОЦЕСС ИСТИРАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В АППАРАТАХ СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Огурцов, Антон Валерьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны экспериментальные установки и выполнены экспериментальные исследования изменения фракционного состава частиц сыпучих материалов при их переработке в кипящем слое. Изучено влияние скорости и температуры газа и массы загрузки аппарата кипящего слоя на истирание частиц керамзита и аммиачной селитры и предложена эмпирическая зависимость для расчёта скорости убыли исходной фракции как функции этих параметров слоя.

2. Разработан ряд математических моделей истирания частиц в кипящем слое, отличающихся, с одной стороны, доступностью эмпирического обеспечения, а с другой, - прогностическими возможностями. Среди них:

- математическая модель на • основе однородной цепи Маркова, включающая разработку соотношений для скорости истирания и правила построения матрицы переходных вероятностей;

- статистическая модель, базирующаяся на вероятностях столкновения частиц в слое и их разрушения при столкновении.

3. Проведено сопоставление разработанных моделей по критериям доступности эмпирического обеспечения их идентификации и точности и однозначности прогнозирования. Сформулированы рекомендации по их применению.

4. На основе разработанных моделей и экспериментальных результатов предложен метод расчёта преобразования фракционного состава в струйной мельнице с кипящим слоем, а также методы учёта истирания в других процессах, проводимых в кипящем слое.

5. Разработаны рекомендации по снижению износа частиц в кипящем слое как ресурсосберегающего и природоохранного мероприятия, нашедшие применение на ООО «ПОЛИМЕРПЛАСТБЕТОН» в результате чего достигнуто снижение выбросов в атмосферу на 12,5%.

6. Разработанные математические модели и их программное обеспечение используются в научных и проектных работах, проводимых в Ченстоховском политехническом институте, Польша.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Огурцов, Антон Валерьевич, 2004 год

1. Гильперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. М.:Химия, 1967. 664с.

2. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое. М Л., Госэнергоиздат, 1963, 488 с.

3. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Издательство «Химия», 1968, 512 с.

4. Кунаи Д., Левеншпилз О. Промышленное псевдоожижение. США, 1969. Пер с англ. под ред. Слинько М.Г. и Яблонского Г.С. М., «Химия» 1976, 448 с.

5. Матур К., Эпстайн Н. Фонтанирующий слой. США, 1974. Пер. с англ. под ред. Мухленова И.П. и Горштейн А.Е. Издательство «Химия», 1978, 288 с.

6. Баранов Д.А., Вязьмин А.В., Гухман А.А. Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование: основы, теории процессов химической технологии // Под ред. Кутепова. М.: Логос, 2000. - 480 с.

7. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков.- М.:Химия, 1989.-158с.

8. Mizonov V., Zhukov V., Bernotat S. Simulation of Grinding: New Approaches. ISPEU Press, 1997.

9. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1982,-с. 366.

10. Романовский В.И. Математическая статистика. 1938.

11. Roller P.S. USA Bur. of Mines, Techn. Paper, 400 (1931).

12. Roller P.S., J. Franklin Inst., 223 (1937).

13. Roller P.S., J. Phys. Chem., 45, № 2 (1941).

14. Svensson I., A New Formula for Particle Size Distribution, of Products Produced by Comminution, Stokholm, 1955.

15. Авдеев Н.Я. Об аналитическом методе расчета седиментометрического дисперсионного анализа, Изд. Ростовского Университета, 1964.

16. Авдеев Н.Я. Расчет гранулометрических характеристик полидисперсных систем, Ростовское книжное изд-во, 1966.

17. Martun G., Blyth С.Е., Tongue Н., Trans. Ceram. Soc. 23 (1924).

18. Weining A.J., Colorado School of Mines Quart, 28 № 3 (1933).

19. Gaudin A.M. Trans. Am. Inst. Mining, Met. Eng., 73 (1926).

20. Андреев C.E., Горный журнал, № 6 (1939), № 4 (1950), №. 11 (1951).

21. Schumann R., Mining Technology, 11 № 4 (1940).

22. Andreasen A., Kolloidchem. Beihefte, 27, n. 6 (1938).

23. Rammler E. Gluckauf, № 21 (1933).

24. Rosin P., Rammler E., Zement, 16 (1927), 31 (1939).

25. Rosin P., Rammler E., Koll. Z., 67 HI (1954).

26. Rosin P., Rammler E., Ber. 52 des Reichs Kohlenrates, Berlin (1933).

27. Pearson K., Phil. Trans. Roy. Soc> London, 186, 343 (1896).

28. Фоменко Т.Г., Бутовецкий B.C., Погарцева E.M. Технология обогащения углей: Справочное пособие, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1985,-367 с.

29. Андреев С.Е., Петров В.А., Зверевич В. В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. -М.: Недра, 1980.-416с.

30. Андреев С.Е., Петров В.А., Зверевич В. В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. -М.: Недра, 1980.—416с.

31. Ромадин В.П. Пылеприготовление. М. -JL: Госэнергоиздат, 1953 — 519с.

32. Лебедев А.Н. Подготовка и размол топлива на электростанциях. -М.: Энергия, 1969.-520с.35.0сокин В.П. Молотковые мельницы. М.: Энергия.

33. Жуков В.П. ' Измельчение-классификация как процесс с распределенными параметрами: моделирование, расчет, оптимизация. Дисс. . докт. техн. наук. Москва, 1993. - 372с.

34. Андреев С.Е., Товаров В.В., Петров В.А. Закономерности измельчения и исчисления характеристик гранулометрического состава. -М.: Металлургиздат, 1959. -437с.

35. Методы оптимизации и алгоритмы расчета технологических схем измельчения. // Приложение к временным методическим указаниям. -Вып.2. НИИЦемент. М., 1979; 108с.

36. Кафаров В.В. и др. Математические модели структуры потока материала в мельницах. // Цемент. 1977. - №5. - с. 12-13.

37. Bertrand D. et al. Evolution of Chemical Composition of Pea Seeds according to particle size during comminution using a markovian process. Proc. of 9-th European Symp. on Comminution. VI. ALBI, 1998, pp. 175— 183.

38. Вердиян M.A., Кафаров В.В. Процессы измельчения твердых тел. // В сб.: Процессы и аппараты химической технологии. Т.5. (Итоги науки и техники, ВИНИТИ АН СССР). - М., 1977. - с.5-89.

39. Разумов К.А. Новое уравнение кинетики измельчения и анализ работы мельницы в замкнутом цикле. // Изв. вузов. Цветная металлургия. -1969. №3. - с.3-15.

40. Разумов К.А. и др. Закономерности измельчения в шаровых мельницах. // VIII Международный конгресс по обогащению полезных ископаемых, Т.1, 1969.

41. Непомнящий Е.А. Применение стохастических методов к определению закономерностей процесса дробления. // Изв. Ленинградского электротехнического института. 1962. - Вып.47. - с.335-341.

42. Линч А. Циклы дробления и измельчения. М.: Недра, 1980. -343с.

43. Техов С.М., Шишкин С.И., Барский М.Д., Брод И.И. Математическая модель процесса измельчения: / Межвуз. сб. Техника и технология сыпучих материалов.-Иваново, 1991.

44. Bertrand D. et al. Evaluation of transition matrix for comminuting pea seeds in an impact mill using a liner neural network. Powder Technology, 105 (1999) pp. 119-124.

45. Broadbent, S.R., Callcott, T.G. A Matrix Analysis of Processes Involving particle Assemblies. Phill. Trans. Roy. Soc., 1956, A249, pp. 99-123.

46. Liu J., Schonert K.: Modelling of Interparticle Breakage. Proc. 8-th European Symp. on Communition. Vol. 1, Stockholm, 1994, pp. 102-115.

47. Liul7, J. Modellierung der Zerkleinerung in einem Gutbett. Dissertation. Clausthall, 1994.

48. Овчинников П.Ф. Дифференциальные и интегральные уравнения кинетики измельчения.// Процессы в зернистых средах.-Иваново-1989.-е. 3-8. 36.

49. Мизонов В.Е., Жуков В.П., Ушаков С.Г. О расчете дисперсного состава сыпучих материалов при измельчении. // ТОХТ, 1988, №3, с. 427—429.

50. Жуков В.П., Мизонов В.Е. Моделирование и расчет совмещенных процессов измельчения и классификации. // Изв. вузов "Горный журнал", 1990, №5, с.126-129.

51. Мизонов В.Е., Жуков В.П., Горнушкин А.Р. Аналитическое решение обобщенного уравнения кинетики измельчения. // Изв. вузов "Химия и хим. технология", 1989, т.32, №6, с. 115-117.

52. Жуков В.П., Греков А.В., Мизонов В.Е. Влияние фракционного состава мелющих тел на кинетику измельчения. // ТОХТ, 1993, т. 27, №2, с. 199-201.

53. Мизонов В.Е. Кризис популяционно-балансовой модели и новые подходы к моделированию . процессов измельчения. Тез. докл. Международной НТК "VIII Бенардосовские чтения", 1997, Иваново, с.87.

54. Автоматизированное проектирование систем топливоприготовления: Учеб. пособие. / В.П. Жуков, С.И. Шувалов. Иван. гос. ун-т, Иван, энерг. ин-т. Иваново, 1989. - 64с.

55. Kapur Р.С. An improved method for estimating the feed-size breakage distribution functions. Powder Technology, 33 (1982) 269-275.

56. H. Berhiaux, J.Dodds. A new estimation for the determination of breakage and selection parameters in batch grinding. Powder Technology 94 (1997) 173-179.

57. Жуков В.П. и др.//ТОХТ. 2000. т.34. №4. С. 413-41.

58. Шувалов С.И. Получение тонко дисперсных порошков в системах пылеприготовления с аэродинамическими классификаторами. // Химическая промышленность. 1992. - №8. - с.499-503.

59. Шупов Л.П. Кибернетика и основные направления исследований в области обогащения железных и марганцевых руд. // В кн.

60. Математические методы исследований и кибернетика в обогащении железных и марганцевых руд. Труды республ. конф. М. - 1971. - с. 1025.

61. Жуков В.П. Математическое описание размольно-классифицирующих структур произвольной формы. // Совершенствование техники и Технологии измельчения материалов. Белгород. - 1989. — с.9-17.

62. Millioli F.E., Foster P.G. A model for particle size distribution and elutriation in fluidized beds. Powder technology 83 (1995), p.267-280.

63. Lyczkowski R.W., Bouillard J.X. Scaling and guidelines for erosion in fluidized beds. Powder technology 125 (2002), p. 217-225.

64. Santana D., Rodriguez J.M. Modeling fluidized bed elutriation of fine particles. Powder technology 106 (1999), p.100-188.

65. Heinrich St., Peglow M., Mori L. Unsteady and steady-state particle size distributions in batch and continuous fluidized bed granulation systems. Chemical engineering Journal. 86 (2002), p. 223-231.

66. Utsumi R., Takashi H., Hidetoshi M., Junichiro Т., Maeda T. An attrition test with a sieve shaker for evaluating granule strength. Powder technology 122 (2002), p. 199 -204.

67. Application of the theory of markovian chains to simulation and analysis of processes with granular media. V. Mizonov, H. Berthiaux, V. Zhukov. With contributions by K. Marikh, E. Barantseva, D. Ponomarev. Albi -2002.

68. Падохин В.А, Зуева Г.А. Дискретные марковские модели процесса диспергирования // Техника и технология сыпучих материалов: Межвуз. сб. научн. тр. Иваново, 1991. - С. 55-59.

69. Баруча-Рид А. Т. Элементы теории Марковских процессов и их приложения. М.: Наука, 1969.

70. Справочник азотчикаМ.:Химия 1987.

71. Азотная и кислородная промышленность, ОНТИ ГИАП, 1964, №3.

72. Авт. Свид. №187049, Бюлл. изобр. № 20, 1966.

73. Авт. Свид. №186978, Бюлл. изобр. № 20, 1966.

74. Жуков В.П. Влияние истирающего воздействия на измельчение материала. Изв.ВУЗов,"Химия и хим. технология", 1993, т.36, №2, с. 104-107.

75. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика.-М.:Высшая школа, 1997.-479с.

76. Austin L.G. et al.//Powder Technology, 1984, V.3,№3,p.255-266.

77. Мизонов В.Е. и др.//Цветные металлы, 1984,№3,с.57-59.

78. Тарг. С.М. Краткий курс теоретической механики. М.:Наука. 1974.

79. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.:Наука. 1984.С.-832.

80. Baudet G., Blazy P., et al. Efficacite de la classification ultrafine en voie seche par un selectur dynamique. Mines et Carrieres, les Techniques 1/98, Broyage fin, 1998, pp.4-19.

81. Киселёв A.B., Огурцов A.B. Компьютерное моделирование поведения ансамбля частиц: Тезисы докладов международной студенческой НТК

82. Фундаментальные науки специалисту нового века», 24 - 26 апреля,2002.-С. 141-142.

83. Ogurtzov A., Zhukov V., W.Gajewski, Otwinovski H., Zbronski D. An

84. Analytical Determination of Erosion Velocity and Particle Size Distributionthof Erosion Product in Fluidised Bed. 30 International Conference of Slovak Society of Chemical Engineering, proceedings on CD ROM, 2003, Slovakia, p.1-7.

85. Ogurtzov A., Otwinovski H., Zhukov V. Probabilistic model of particles erosion in the fluidized bed boiler. Vllth Int. Conf. "Combustion and environment 2003" 17th and 18th of June 2003, p. 53-58.

86. Огурцов B.A., Огурцов A.B., Ефимьев А.И. Исследование истирания аммиачной селитры в кипящем слое. Вестник научно-промышленного общества, выпуск 6, М.,2002, с.86-88.

87. Ogurtzov A., Zhukov V., Otwinovski Н., Zbronski D. Conception of a matrix model of particle attrition in fluidized bed. Powder: handling and processing, vol.15, No.6, 2003, p. 386-389.

88. Огурцов A.B. Применение однородных цепей Маркова для моделиро- вания истирания частиц в кипящем слое. Тезисы докладов V региональной студенческой конференции «Фундаментальные науки -специалисту нового века», Иваново 27 -29 апреля 2004 г., с. 124-125.

89. Шорин Д.А., Огурцов А.В., Жуков В.П., Овчинников JI.H., Отвинов-ски X. Компьютерное моделирование грануляции и истирания частиц в кипящем слое. XVII Межд. НТК «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ2004 Кострома, 2004, с.39-40.

90. Politechnika Czestochowska 42-200 Cz§stochowa, Al. Armii Krajowej 19 С Tei./:*.sx [phone]

91. От ООО «ПОЛИМЕРПЛАСТБЕТОН»

92. Начальник ПТО ^ Стулова Н.В.

93. Гпавный механшГ ПЙгР Ефимов Л.Е.1. От ИГЭУ Од.т.н., проф. j Жуков В.П.,аспирант л^ы^-Л Огурцов А.В.