Моделирование процесса обжига известняка в шахтной печи на основе теории цепей Маркова тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Ванюшкин, Владимир Александрович

• Ванюшкин, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ванюшкин, Владимир Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЖИГА, 7 ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ

1.1. Процессы обжига и их аппаратурное оформление

1.1.1 Печи для обжига керамических изделий и вяжущих материа- 8 лов

1.1.2 Печи для обжига известняка

1.2. Математическое моделирование тепловых процессов в оди- 33 ночных сферических частицах

1.3. Математическое моделирование процесса в потоке частиц

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРО- 45 ЦЕССА ОБЖИГА ОДИНОЧНОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЫ

2.1. Базовая ячеечная модель теплопроводности в сферической 45 частице

2.2. Влияние внутренних источников тепла и теплообмена на 57 внешней границе

2.3. Расчетное исследование процессов в одиночной сферической 61 частице

2.4. Выводы по главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА 71 ОБЖИГА В ПОТОКЕ ЧАСТИЦ

3.1. Процессы в частице при ее однородном прогреве

3.2. Ячеечная модель вертикальной обжиговой печи

3.3. Расчетное исследование процесса в обжиговой печи

3.4. Выводы по главе

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБЖИГА И ЕГО 91 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

4.1. Исследование кинетики нагрева и разложения в процессе об- 91 жига известняка

4.2. Инженерный метод расчета процесса и его программное 102 обеспечение

4.3. Экспериментальная проверка математической модели и мето- 107 да расчета на промышленной обжиговой печи

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса обжига известняка в шахтной печи на основе теории цепей Маркова»

Актуальность темы диссертации. Аппараты для термической переработки сыпучих материалов (в частности, обжиговые печи) широко используются в строительной, химической и других отраслях промышленности. При обработке традиционных материалов, по которым накоплен опыт проектирования и эксплуатации, они зарекомендовали себя как аппараты, обеспечивающие достаточно высокую эффективность проводимых в них процессов и высокую надежность эксплуатации.

Однако спектр перерабатываемых материалов, их свойств и индивидуальных физико-механических и химических особенностей непрерывно расширяется. Разработанные к настоящему времени математические модели этих процессов, основанные, как правило, на интегральных балансах тепла и моделях однородного прогрева частиц, обобщающие большой опытный материал по эксплуатации существующего оборудования, уже не могут служить надежной основой для проектирования новых процессов и аппаратов для материалов с существенно иными свойствами, а также для разработки научно обоснованных энергосберегающих мероприятий для действующего оборудования.

В последнее время значительная часть научных исследований в этой области была направлена на углубление описания теплообменных процессов между одиночной частицей дисперсного материала и газом и исследование кинетики реакции термического разложения в ней, и в этом направлении достигнут значительный прогресс. Однако при переходе к описанию процессов в большом коллективе частиц, то есть в реальном аппарате, по-прежнему используются простейшие балансовые модели, представляющие собой весьма приближенный подход, не позволяющий описывать развитие процессов по длине аппарата, разрабатывать мероприятия по управлению ими и оптимизировать их. Естественно, что это существенно снижает универсальность предлагаемых моделей и алгоритмов расчета, которые могут быть использованы в практике инженерного проектирования. Сложившаяся ситуация определила цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - AI 18 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГХТУ.

Цель работы состояла в повышении универсальности и достоверности методов расчета и проектирования обжиговых печей для термической переработки сыпучих материалов на основе создания математических моделей, построенных на единых представлениях теплопереноса при наличии химических реакции как внутри одиночной частицы, так и в их ансамбле.

Научная новизна - результатов работы заключается в следующем:

1. Предложена центрально-симметричная ячеечная модель теплопроводности в одиночной частице, позволяющая численно моделировать распределение температуры по радиусу при любых граничных условиях протекания процесса и наличии внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Выявлены условия, когда прогрев частицы может считаться однородным.

2. Предложено описание реакции термического разложения вещества частицы как реакции первого порядка с постоянной скорости, имеющей пороговое значение по температуре и подчиняющейся закону Аррениуса при более высокой температуре, а также теплового эффекта этой реакции.

3. Разработана ячеечная математическая модель противоточной шахтной обжиговой печи, позволяющая рассчитывать распределение всех параметров обжига по ее длине.

4. Выполнены экспериментальные исследования кинетики обжига известняка и предложено аналитическое описание этой кинетики.

5. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета процесса термического разложения в шахтной противоточной печи, позволяющий использовать любые модели теплообмена между сыпучим материалом и газом, а также описания кинетики реакции обжига.

2. Выполнена идентификация параметров модели для обжига известняка и на ее основе предложен метод расчета шахтной обжиговой печи.

3. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский силикатный завод» и других промышленных предприятиях.

Автор защищает:

1. Разработанную на основе цепей Маркова математическую модель прогрева сферической частицы с учетом протекающей в ней эндотермической реакции.

2. Разработанную на основе цепей Маркова математическую модель термического разложения сыпучего материала в противоточном потоке горячего газа.

3. Результаты экспериментального исследования кинетики обжига известняка.

4. Метод расчета обжига известняка в противоточной обжиговой печи и его программно-алгоритмичекое обеспечение.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, списка использованной литературы и приложений. Объём работы 122 страницы основного текста, включая 50 иллюстраций, 2 таблицы, и 5 приложений. Библиография содержит 119 наименований.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Ванюшкин, Владимир Александрович

6. Результаты работы нашли практическое применение на ОАО «Ивановский силикатный завод» и других предприятиях при разработке режимных карт и проектов модернизации технологии обжига.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ванюшкин, Владимир Александрович, 2004 год

1. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко JI.M. Технология производства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1990. —195с.

2. 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.

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

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

5. Хавкин JI.M. Технология силикатного кирпича. М.: Стройиздат, 1982. -384с.

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

7. Мукосов И.Г. Скоростной обжиг кирпича в кольцевых печах. -М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1953. —24с.

8. Хохлов В.К., Штеерман В.А. Пути совершенствования обжига клинкера в цементной промышленности. М.: Центральный научно— исследовательский институт информации и технико—экономических исследований промышленности строительных материалов, 1966. -52с.

9. Тихи О. Обжиг керамики / Пер. с чеш. В.П. Поддубного. Под ред. JI.B. Соколовой. -М.: Стройиздат, 1988. -344с.Ю.Ахундов A.A. и др. Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1975. - 248с.

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

11. Мухина Т.Г. Производство силикатного кирпича. Уч. пособие. М.: Профтехизд, 1968. - 132с.

12. Классен В.К. Обжиг цементного клинкера. Красноярск: Стройиздат, 1994.- 321с.П.Воробьев В.А. Строительные материалы. Изд. 5—е перераб. М.: Высшая школа, 1973. - 375с.

13. Крамм A.C. Интенсификация обжига извести в шахтных пересыпных печах.- М.: Госстроизд, 1958. 67с.

14. Мороз И.И. Технология фарфоро—фаянсовых изделий, — М.: Стройиздат, 1984.-234с.

15. Кошляк Л.Л. Производство изделий строительной керамики. — М.: Стройиздат, 1990.- 135с.

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

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

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

19. Сушильные аппараты и печи для химических производств. Сб. науч. тр.: Химические машины. Науч. ред. Коровкин E.B. -М.: НИИхиммаш, 1981. -203с.

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

21. Левченко П.В. Расчеты печей и сушилок силикатной промышленности. Уч. пособ. -М.:Высшая школа, 1968. -367с.

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

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

24. Сайбулатов С.Ж. Производство керамического кирпича. — М.: Стройиздат, 1989.-278с.

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

26. Кабалдин Г.С. Модернизация распылительных и барабанных сушильных установок. — М.: Энергоиздат, 1991. — 112с.

27. Каганович Ю.А. Промышленные установки для сушки в кипящем слое. -Л.: Химия, 1970. — 175с.

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. -243 с.

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

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

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

35. Михайлов Ю.А. Сушка перегретым паром. М: Энергия, 1967. - 140 с.

36. Темкин А.Г. Аналитическая теория нестационарного тепло и массообмена в процессе сушки и обратные задачи аналитической теории сушки. -Минск: Наука и техника, 1964. - 364с.

37. 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.

38. Федосов C.B. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. Диссертация на соискание учёной степени д. т. н. - Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

39. Федосов C.B., Кисельноков В.Н., Шертаев Т.У. Применение методов теории теплопроводности для моделирования процессов конвективной сушки. — Алма—Ата: Гылым, 1992. -167с.

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

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

42. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.51 .Карташов Э.М., Любов Б.Я. Метод решения обобщенных тепловых задач в области с границей движущейся по параболическому закону. // Журнал техническая физика, 1971, т.61, №1. —с.З—16.

43. Карташов Э.М. Метод интегральных преобразований а аналитической теории теплопроводности твёрдых тел. — Изв. АН РФ. М.: Энергетика. 1993, -№2, -С. 99-127.

44. Карташов Э.М. Расчёты температурных полей в твёрдых телах на основе улучшенной сходимости рядов Фурье Ханкеля. - Изв. АН РФ. - М.: Энергетика, 1993.-№3,-С. 106-125.

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

46. Карташов Э.М. Аналитические методы смешанных граничных задач теории теплопроводности. Обзор// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986. №6.— С. 116—129.

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

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

49. Ладыженская O.A. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973. —407с.

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

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

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

53. Зайцев В.А., Федосов C.B. О методе «микропроцессов» и «псевдоисточников» при моделировании тепломассопереноса в процессах сушки. Мат. 2 межд. Науч. Конф. «Теоретические и эксперимантальные основы создания нового оборудования». Краков, 1995. -с.275—282.

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

55. Никитенко Н.И. Исследование процессов теплообмена методом сеток. -Киев, 1978.

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

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

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

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

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

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

62. Венцель Е.С. и Овчаров JI.A. Прикладные задачи теории вероятностей. -М.: Радио и связь, 1983. -416с.

63. Гихман И.И. и Скороходов А.В. Теория случайных процессов. T.l. -М.: Энергия, 1969 -95с.

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

65. Михайлов Н.М. и Мамрукова Л.А. Теплообмен между газом и струей частиц, падающих с лопаток барабанной сушилки // Химическое и нефтянное машиностроение. 1966, №1. —с.29—31.

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

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

68. Орлов В.П., Пеньков Н.В. и Шишко И.И. Стохастическая модель грануляции частиц в псевдоожиженном слое. // Тез. докл. всесоюз. научн.— техн. совещания: «Термия—75». Секция высокотемпературных процессов в псевдоожиженном слое. —JL ,1975. —с.30—33.

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

70. 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, -61p.

71. 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.

72. 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.

73. 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.

74. 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).

75. 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.

76. 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.

77. Marikh К., Berthiaux H., 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.

78. Zhukov V.P., Mizonov V.E., Otwinowski H. Modelling of Classification Process. Powder Handling and Processing, vol.l5, No 3, May/June 2003, -pp.184—188.

79. Огурцов А.В. Жуков В.П. Мизонов В.Е. Овчинников JT.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.

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

81. Mizonov V.E., Berthiaux Н., 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).

82. 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.

83. 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.

84. 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.

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

86. Ралко A.B., Крупа A.A., Племянников H.H., Алексеенко Н.В., Зинько Ю.Д. Тепловые процессы в технологии силикатов. Киев: Высшая школа. Головное изд-во, 1986. - 232с.

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

88. Тепловые расчеты печей и сушилок промышленности / Под. Ред. Д.Б. Гинзбурга и В.Н. Зимина. Изд. 2-е перер. И доп. -М.: Стройиздат, 1964. -496с.

89. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. / Науч. ред. Г.В. Геращенко. Т.1 . -М.: ВИНИТИ, 1988. -133с.

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

91. Ильин А.П. и др. Химия твердого тела: Сб. лаб. работ. Иваново: ИГХТУ, 2002. - 198с.

92. Шестак Я. Теория термического анализа. -М.: Мир, 1987. -456с.

93. Берг Л.Г. Введение в термографию. -М.: Наука, 1969. -395с.

94. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакция твердых тел: Пер. с англ. -М.: Мир, 1983.-360с.

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

96. Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. -384с.

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

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