Введение к работе
Актуальность темы
Крупнотоннажное промышленное производство технического углерода, широко используемого в шинной и резинотехнической промышленности, - современная высокоразвитая подотрасль нефтехимии.
Производство технического углерода включает процессы: получения аэрозоля технического углерода из углеводородного сырья в реакторах, выделения дисперсной углеродной фазы из аэрозоля в рукавных фильтрах, уплотнения и «мокрого» гранулирования выделенного пылевидного углерода с последующей сушкой влажных гранул.
Два последних процесса образуют относительно самостоятельную производственную подсистему, именуемую в промышленной практике обработкой.
Сушка - наиболее сложно управляемая стадия в технологической цепочке, важнейшая с точки зрения обеспечения устойчивости динамики переходных процессов и стабильности технологического режима. Характером ее проведения в существенной мере определяются: гранулометрический состав, содержание пыли, и ряд других важных для потребителя показателей.
Процесс сушки энергоемок, энергообеспечение осуществляется за счет сжигания природного газа. Уменьшение энергозатрат, требуемых для сушки, при сохранении или повышении показателей качества продукта - одна из важных отраслевых задач.
Основные усилия по поиску путей интенсификации и стабилизации процесса, поддерживаемые государственным финансированием исследовательских работ, были предприняты в конце 1970-х - середине 1980-х гг. На основе отраслевых исследований Осипова В.М., Рябинкова И.Г., Зайдмана И.Г. были разработаны теоретические положения сушки технического углерода, опирающиеся на фундаментальные труды Лыкова А.В. Вопросы математического описания и оптимизации процесса, рассматривались в работах Волкова A.M.
Выполненные в этот период исследования нельзя считать завершенными с точки зрения их промышленного воплощения на уровне современных требований к качеству продукта и экономичности ведения процесса. В настоящее время предприятия вынуждены искать технико-экономические решения по повышению эффективности производства самостоятельно. Основной путь такого поиска - промышленный эксперимент. Наибольшие успехи в повышении эффективности производства на этом пути достигнуты Орловым В.Ю. На базе исследования влияния организации тепловых потоков теплоносителя на управление процессом Орловым В.Ю. и Комаровым A.M. решен ряд задач совершенствования систем автоматизации сушки технического углерода. Однако промышленное экспериментирование является весьма затратным и ограничивает возможности разработки систем управления перспективными технологиями сушки гранул, такими как сушка расходящимися потоками теплоносителя.
Анализ литературных данных по оптимизации и управлению сушкой сыпучих и гранулированных материалов приводит к заключению о целесообразности использования численного моделирования для решения задач, отражающих специфику взаимосвязи тепловых потоков сушки с возможностями автоматизированного управления ею. На эффективность такого подхода указывается в работах Рудобаш-ты СП. и Малыгина С.Н.
Поэтому решаемая в диссертации задача повышения эффективности энергообеспечения сушки для используемых и перспективных технологий на основе совершенствования системы управления тепловыми потоками с использованием средств математического моделирования актуальна. Цель работы
Разработка математических моделей и методов управления тепловыми потоками в процессах сушки технического углерода, обеспечивающих возможность использования перспективных технологий сушки, повышение качества продукта и экономических показателей процесса.
Для ее достижения решаются задачи: S анализа существующих схем организации и управления тепловыми потоками в
процессах сушки сыпучих материалов, S построения упрощенных математических моделей в частных производных для оценки идеальных профилей распределенного ввода теплоносителя и анализа ограничений на его реализацию, S построения ячеечных математических моделей сушки для уточненного расчета динамики изменения профилей температур, влажностей и массовых расходов по длине сушильного барабана, S разработки методов и схем управления расходящимися потоками теплоносителя.
Методы исследований
Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, математического моделирования, теории идентификации, математического программирования, численного и аналитического решения дифференциальных уравнений.
Научная новизна
В работе предложено разделение управления расходящимися потоками теплоносителя в зонах конвективного теплообмена постоянной и падающей скоростей сушки (зонах «высоких» и «низких» температур), решающее задачи уменьшения разрушения и уноса мелких фракций гранулированного материала и снижения энергозатрат на осуществление процесса в барабанных сушильных установках с внешним обогревом. При их решении установлено что:
S применяемая в отрасли схема управления статическими температурными профилями путем стабилизации соотношений расходов: топливного газа/воздуха на горение и грануляционной жидкости/топливного газа, - обеспечивает идеальность регулирования в статике только при правомерности допущения о конвективном характере сушки, не соблюдаемого в практике промышленной эксплуатации;
S причина значительного уноса мелких фракций высушиваемых гранул и снижения эффективности использования энергообеспечения процесса заключается в неуправляемости зависимости параметров потока теплоносителя в зоне падающей скорости сушки от параметров этого потока в зоне постоянной скорости сушки
S система несвязанного управления в комбинированной схеме газодинамики распределения потоков прямотока и противотока устойчива; Построены упрощенные математические модели в частных производных конвективной сушки в барабанных сушилках, позволяющие получить аналитическую оценку начальных приближений температурных профилей и коэффициентов теплоотдачи от сушильного агента к высушиваемому материалу;
Построены уточненные математические модели статики сушки и предложен декомпозиционный алгоритм идентификации их параметров, базирующийся на допущении о слабом влиянии варьирования температурного профиля в барабане на температурное поле в камере его внешнего обогрева;
Разработан метод расчета управления статикой сушки по уточненной модели, заключающийся в одномерном поиске таких значений расхода газа, выводимого из барабана со стороны прямотока и вводимого в барабан в направлении противотока, которые обеспечивают выполнение заданных краевых условий (значений критической влажности в сечении ввода газа в барабан и влажности загружаемых в барабан гранул).
Предложены ячеечные математические модели для расчета динамики изменения профилей температур, влажностей и массовых расходов по длине сушильного барабана, и показано численными экспериментами, что их использование для регулирования расчетного значения температуры в контрольном сечении по длине барабана улучшает качество регулирования температурного режима сушки.
На защиту выносятся:
S выражения температурных профилей прямотока в условиях конвективного характера сушки гранул в барабанных сушильных установках,
S математическая модель и метод расчета температурных профилей сушки в условиях прямоточно-противоточного движения теплоносителя,
S ячеечная математическая модель для управления динамическими режимами сушки в условиях прямоточно-противоточного движения теплоносителя и декомпозиционный алгоритм идентификации ее коэффициентов.
S метод раздельного управления параметрами газовых потоков в зонах постоянной и падающей скоростей сушки, фиксирующего положение точки критической влажности по длине барабана,
Практическая значимость
На базе разработанных методов и математических моделей созданы компьютерные информационные подсистемы для оценки не измеряемых непосредственно показателей качества сушки и переменных состояния (технологического режима) по длине сушильного барабана, предложены варианты схем и алгоритмов организации тепловых потоков, управления этими потоками, автоматической стабилизации технологических режимов и показателей качества сушки.
Разработанное программное обеспечение использовано в ОАО «Ярославский технический углерод» для принятия решений по управлению потоками теплоносителя в процессах сушки, в системах тренинга при обучения студентов в группах целевой подготовки специалистов в Ярославском государственном техническом университете (ЯГТУ) для ОАО «Ярославский технический углерод», а также в курсовом и дипломном проектировании для специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» в ЯГТУ.
Апробация работы и публикации
Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международных научных конференциях:
"Математические методы в технике и технологиях": ММТТ-18, Казань 2005г; ММТТ-20, Ярославль 2007;
Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005», Москва 2005.
Основные положения диссертации отражены в семи публикациях, из них одна -статья в рецензируемом научном журнале, включенном в список ВАК РФ.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, пяти глав, 82-х рисунков и двух таблиц; объем работы составляет 161 страницу, в том числе 145 страниц основного текста, список использованных источников, содержит 105 наименований.
