Введение к работе
Актуальность проблемы. Процессы термической обработки занимают важное место в производстве химических, строительных, текстильных и других материалов. От качества термообработки зависит как энергоемкость производства, так и потребительские свойства производимых продуктов и полуфабрикатов. Термическая обработка химических и других материалов сопровождается, как правило, фазовыми превращениями, эндо — и/или экзотермическими процессами, теплота которых 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.
Для осуществления указанных процессов в производстве используются современные промышленные аппараты (в частности, сопловые, контактные, барабанные и др. сушилки, а также многочисленный ряд обжиговых печей), которые широко применяются не только в химической, но и в строительной, текстильной и других отраслях промышленности. При обработке традиционных материалов, по которым накоплен опыт их проектирования и эксплуатации, они зарекомендовали себя как аппараты, обеспечивающие достаточно высокую эффективность проводимых в них процессов и 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 массы и моделях однородного прогрева частицы и пластины, 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 мероприятий по повышению энергетической эффективности термической обработки в действующем оборудовании.
До настоящего времени значительная часть научных исследований в этой области была направлена на: 1) углубление описания тепло — и массообменных процессов между телами канонической формы (в особенности шаром и пластиной) и газом, а также горячей поверхностью; 2) исследование кинетики фазовых превращений и реакции термического разложения, и в этом направлении достигнут значительный прогресс. Однако, при переходе к описанию процессов в реальном аппарате, в основном используются простейшие балансовые модели, представляющие собой достаточно приближенный подход, не позволяющий описывать развитие процессов по длине аппарата, разрабатывать мероприятия по снижению энергоемкости, повышению технологической эффективности, управляемости и их оптимизации. Кроме того, вводимые в расчет модели тепломассообмена между сыпучим материалом и газом зачастую неразрывно связаны с описанием механизма движения компонентов вдоль аппарата, вносимого стохастическую составляющую, в результате чего каждая новая или уточняющая модель тепломассообмена приводит к необходимости пересматривать модель всего процесса и соответствующего аппарата. Естественно, что это существенно снижает универсальность предлагаемых моделей и алгоритмов расчета, которые могут быть использованы в практике инженерного проектирования.
Таким образом, актуальным и имеющим важное практическое значение является развитие единого подхода к построению математических моделей, описывающих явления тепломассопереноса в процессах термообработки сыпучих и листовых мате-
риалов в промышленных аппаратах, основанного на фундаментальных принципах системного анализа, аналитических методах теории теплопроводности и теории цепей Маркова.
Диссертационная работа выполнена в ГОУ В ПО «Ивановский государственный архитектурно - строительный университет» и «Ивановский государственный химико-технологический университет» в соответствии с:
-
ФЦП «Интеграция» (2.1 - All8 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий).
-
Постановлением Правительства РФ №1414 от 23.11.1996г.
3. Планами госбюджетных и хоздоговорных НИР ГОУ ВПО «ИГАСА»
(1996...2005) и ГОУ ВПО «ИГХТУ» (2001 ...2005).
Цель работы - развить на единой алгоритмической основе новый подход к математическому моделированию процессов термической обработки сыпучих и листовых материалов, позволяющий находить пути повышения ее технологической и энергетической эффективности.
Объект исследования — процессы термической обработки сыпучих и листовых материалов
Предмет исследования — математическое описание совмещенных тепломассообмен-ных процессов и химических реакций в промышленных аппаратах для термической обработки сыпучих и листовых материалов и подходы к их управлению.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. На основе теории случайных марковских процессов и физической кинетики развит
единый подход к построению ячеечных моделей кинетики сушки и обжига сыпу
чих и листовых материалов. Его применение позволило на единой алгоритмиче
ской основе построить систему универсальных моделей кинетики нагрева, сушки и
обжига сыпучих и листовых материалов, адекватно описывающих физическую картину тепло- и массообмена между материалом и теплоносителем с учетом стохастической составляющей их движения в аппаратах различной конструкции.
-
Сформулированы и решены одномерные задачи тепло- и влагопроводности в одиночной сферической частице и стержне с учетом внутренних источников теплоты, вызванных эндо- и экзотермическими реакциями разложения реагирующего компонента, а также парообразованием и конденсацией влаги.
-
Разработаны двух- и многоканальные модели переноса масс компонентов, тепла и влаги в них при движении материала вдоль ряда аппаратов, учитывающие стохастическую составляющую этого движения и тепло- и массообмена между компонентами. Выполнены численные эксперименты, позволившие оценить чувствительность характеристик тепломассообмена к изменению режимных и конструктивных параметров процесса.
-
Разработаны ячеечные модели рабочего .процесса во вращающейся барабанной сушилке, противоточной шахтной, туннельной и барабанной печах, сопловой и контактной сушильных машинах, позволяющие рассчитать распределение параметров процессов по их длине.
-
Предложено рациональное управление программой нагрева материала путем изменения времени его пребывания на различных участках сушильного барабана по его длине.
-
Разработана двумерная ячеечная модель тепло- и массопроводности в плоском теле произвольной конфигурации, позволяющая численно моделировать распределение температуры и концентрации по сечению при любых граничных условиях протекания процесса, изменении тешюфизических свойств материала и наличии внутренних источников теплоты, вызванных химической реакцией. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.
-
Выполнена идентификация параметров модели для обжига керамических изделий и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи, а также рациональные формы садки.
-
На основе полученных моделей термообработки листовых и полотенных материалов в сушильных машинах выполнены расчеты и предложены рекомендации по рациональному управлению кинетикой сушки материала, путем изменения соотношения времени воздействия теплоносителя и свободного прохода, а также использования нестационарного подвода теплоты к материалу с целью интенсификации процесса сушки.
-
Предложены технологические схемы утилизации теплоты с испаренной влагой и отработанным сушильным агентом в конвективных и контактных сушильных машинах, позволяющие организовать возврат вторичного энергоносителя с более высоким потенциалом. Их внедрение позволяет повысить энергетическую эффективность и производительность промышленного сушильного оборудования.
Практическая иенность результатов работы состоит в следующем:
-
Разработанные на единой методологической основе ячеечные модели сушки и обжига сыпучих и листовых материалов являются базисом для создания теоретически обоснованных инженерных методов расчета сушилок, обжиговых печей и комбинированных аппаратов.
-
Выполнена параметрическая идентификация моделей и на их основе предложены инженерные методы расчета термической обработки сыпучих материалов в барабанных сушилках, шахтных и барабанных обжиговых печах и керамических материалов в туннельных печах, позволяющие использовать любые модели тепло- и массообмена между частицами сыпучего материала, керамическими материалами произвольной формы и газом. Выработанные рекомендации по совершенствованию процессов тепло- и массообмена в промышленных аппаратах. Методы расчета и их программное обеспечение используются при разработке режимных карт эксплуатации и проектов модернизации участков сушки и обжига на МУП «Стройде-таль» (г. Волгореченск), ОАО «Ивановский силикатный завод» (г. Иваново), ОАО «Ивановский завод керамических изделий» (г. Иваново).
-
Разработанная стохастическая математическая модель и ее программно-алгоритмическое обеспечение позволяет выбирать режимные параметры обжига глинистого сырья на керамзит во вращающейся барабанной печи, обеспечивающие максимальное соответствие программы термообработки требуемой программе, то есть обеспечивать наилучшее качество готового продукта. Разработанные пути оптимального управления программой термической обработки нашли применение при модернизации обжиговых печей.
-
Проведена параметрическая идентификация моделей и на ее основе предложены методы расчета сушки листовых материалов в сопловых и контактных сушильных машинах, позволяющие использовать разнообразные модели тепло- и массообмена между материалом и теплоносителем. Выработаны рекомендации по интенсификации процессов тепло- и массообмена в сушильных аппаратах, методы расчета и программно-алгоритмической обеспечение переданы на отделочные предприятия г. Иваново.
-
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые технологические схемы утилизации вторичных энергоресурсов для сопловых и контактных сушильных машин, применение которых позволит снизить удельные затраты теплоты на единицу готового продукта и повысить производительность промышленных аппаратов, защищенные свидетельством на полезную модель.
-
Разработанные инженерные методы расчета, программно-алгоритмическое обеспечение, рекомендации по повышению эффективности работы комбинированных установок и номограммы, упрощающие определение энергосберегающих режимов работы внедрены со значительным экономическим эффектом на ОАО «БИМ» (г. Иваново) и ОАО «НИМ» (г. Иваново).
Автор защищает:
-
Предложенный на основе теории цепей Маркова единый подход к моделированию процессов термической обработки листовых и сыпучих материалов в промышленных аппаратах.
-
Разработанные ячеечные модели для решения сопряженных нелинейных задач тепло- и массопроводности в телах канонической формы и плоских телах произвольной формы с учетом внутренних источников теплоты, вызванных фазовыми переходами и химическими реакциями.
-
Одномерные и многомерные стохастические модели, описывающие кинетику взаимосвязанного тепломассообмена между теплоносителем и сыпучим материалом движущимися в прямо- или противоточном режимах в барабанной вращающейся сушилке, шахтной и барабанной обжиговых печах, методы расчета процессов сушки и обжига в указанных аппаратах и их программно-алгоритмичекое обеспечение.
-
Ячеечные модели взаимосвязанного тепломассопереноса в листовых и полотенных материалах с учетом движущейся границы фазового перехода при их термообработке, методы расчета процессов сушки в сопловых и контактных сушильных машинах и их программно-алгоритмичекое обеспечение.
-
Ячеечную модель обжига кирпича в садке в туннельной обжиговой печи, позволяющую рассчитывать распределение всех параметров садки по ее сечению в процессе продвижения ее по длине печи, метод расчета процесса обжига кирпичной садки и его программно-алгоритмичекое обеспечение.
-
Подход к управлению программой нагрева путем изменения времени пребывания сыпучего материала на различных участках барабанной вращающейся печи.
-
Разработанную новую технологию вторичного использования теплоты уходящей с паровоздушной смесью и технологические схемы для сушильных установок с конвективным и контактным способом подвода теплоносителя к листовым материалам.
8. Методы расчета модернизированной сопловой сушильной машины DD-1 голландской фирмы «Шторк» и барабанной сушильной машины типа МСБ, с учетом используемой энергосберегающей технологии.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Российских научных конференциях: Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности (Прогресс - 98)» (Иваново, 1998); Международной научно - технической конференции: «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 1998); 2-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии («Химия-99»)» (Иваново, 1999); 5-ой Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования» (Плёс, 2001); конференции Международной школы молодых ученых «Методы кибернетики в технологиях, экономике и управлении производством» (Иваново, 2002); XVII Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2003» (Москва, 2003); International Scientific Conference Shenyang Institute of Chemistry Technology. (China, 2004); XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-18» (Казань, 2005); 9-ой Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования» (Иваново, 2005) и других российских и региональных конференциях.
Публикаиии. По материалам диссертации опубликовано 50 печатных работ и получено одно свидетельство на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка использованных источников (367 наименования) и приложений. Основной текст работы изложен на 379 страницах, содержит 165 иллюстраций, 11 таблиц.
